Modellierung und Diagnostik einer Remote-Mikrowellen-Plasmaquelle zum Hochrateätzen

Abstract

Bei der Herstellung von Mikrosystem-Strukturen werden Fotolacke eingesetzt, um über lithografische Verfahren Oberflächenstrukturen im Sub-Mikrometerbereich herzustellen. Der Fotolack wird als dünne Schicht auf ein Substrat aufgebracht und durch eine Maske, welche die zu erhaltende Struktur enthält, über UV-Licht ausgehärtet. Dabei dient der strukturierte und ausgehärtete Lack als Schutz für die darunterliegenden Schichten oder als formgebende Struktur der unbedeckten Bereiche. Diese Bereiche können über Ätzprozesse abgetragen oder durch galvanische Abscheidung mit einer Metallschicht überzogen werden. Im Anschluss muss der ausgehärtete Fotolack wieder entfernt werden. Das Problem dabei ist, dass dieser ein hochstabiles vernetztes Material darstellt, was nur äußerst schwer wieder entfernt werden kann, ohne dass dabei die aufgebrachten Metallstrukturen oder die geschützten darunterliegenden Schichten beschädigt werden. Die Entfernung des ausgehärteten Lacks geschieht heutzutage über Trockenätzverfahren. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der simulativen und experimentellen Untersuchung einer im Niederdruck arbeitende Remote Mikrowellen Plasmaquelle (RMPS) der Firma Muegge GmbH, die beim trockenchemischen Hochrateätzen von Fotolacken Anwendung findet. Dazu werden Mikrowellensimulationen durchgeführt, die die Feldverteilung in der Plasmakammer bei Zündbedingungen zeigen, welche über Mikrowellenfeldversuche verifiziert werden konnten. Mit dem Drude-Modell werden vereinfachte Plasmasimulationen durchgeführt, die den Einfluss der Elektronendichte auf das Mikrowellenfeld veranschaulichen. Der visuelle Vergleich der Drude-Modell-Simulationen mit Fotografien des Plasmas verdeutlicht auch hier eine gute Übereinstimmung. Die Erweiterung der Simulation mit dem Fluid-Modell berücksichtigt Teilchenbewegungen und Reaktionen im Plasma. Die Ergebnisse zeigen den zeitlichen Verlauf der Elektronendichte in der RMPS, welche über dreidimensionale Langmuir-Sondenmessungen quantitativ validiert werden konnten.

In the manufacturing process of microsystem structures, photoresists are used to produce surface structures in the sub-micrometer range via photolithography. The photoresist is applied as a thin layer to a substrate and cured with UV light through a mask containing the structure to be preserved. Here, the textured and cured resist serves as protection for the underlying layers or as a shaping structure for the uncovered areas. These areas can be removed by etching processes or coated with a metal layer by electrodeposition. The cured photoresist must then be removed again. The problem is that it is a highly stable cross-linked material, which is extremely difficult to remove without damaging the applied metal structures or the protected underlying layers. Nowadays, the cured photoresist is removed by dry etching processes. Therefore, this work deals with the simulative and experimental investigation of a low-pressure remote microwave plasma source (RMPS) of Muegge GmbH used in dry chemical high-rate etching processes of photoresists. For this purpose, microwave simulations are performed, showing the field distribution in the plasma chamber under ignition conditions, which are verified by microwave field tests. Simplified plasma simulations are performed, using the Drude model to illustrate the effect of electron density on the microwave field. Visual comparison of the Drude model simulations with plasma photos shows good agreement here as well. The extension of the simulation with the fluid model takes particle motions and reactions in the plasma into account. The results show the time course of the electron density in the RMPS, which are quantitatively validated via three-dimensional Langmuir probe measurements.