Im Zyklus I der Herstellung mikroelektronischer Strukturen auf Halbleitersubstraten werden vor allem Isolatorenschichten der MIS-Strukturen (Si-Dioxid bzw. -nitrid) durch CVD abgeschieden. Die plasmagestütze Variante erlaubt dabei, die Substrattemperaturen und damit die Belastung der bereits fertiggestellten Strukturen entscheidend zu senken.
Ausgansgpunkt der hier beschriebenen Arbeiten ist das Reaktanden-Verarmungsproblem in den verwendeten Batch-Reaktoren im LPCVD-Prozess, das sowohl entlang der Zylinderachse des Scheibenpakets als auch entlang des Scheibenradius‘ zu Inhomogenitäten der abgeschiedenen Schicht führt.
Die Inhomogenität der Reaktandenkonzentration wird durch ein radiales bzw. axiales Temperaturprofil kompensiert. Dabei wird die Homogenität der Abscheiderate allerdings auf Kosten der Morphologie der Schicht erkauft. Ziel der räumlichen Modellierung sind Aussagen zur Homogenität der abgeschiedenen Schicht (Abscheiderate und Morphologie) mit den Möglichkeiten der Einzelscheibenverarbeitung, in zylindersymmetrischen Systemen also zum radialen Verlauf, der angesichts der zu erwartenden weiteren Vergrößerung der Waferdurchmesser zunehmend relevant wird.
Dabei sind Möglichkeiten zur Lösung des Verarmungsproblems durch Gestaltung der Reaktanden-Transportgeometrie (Mindest-Transportraum über dem Substrat; Abstimmung von Diffusions- und Konvektionstransport) bzw. durch gezielte Beeinflussung der räumlichen Verteilung der Volumenanregungsprozesse zu suchen.

Zur Modellierung des Abscheideprozesses sind zunächst die Volumentransportprozesse zu analysieren (Konvektion und Diffusion), wobei Konvektionsstrom und Temperatur von der Reaktandenbilanz entkoppelt berechnet wird, der Abscheideprozess selbst wird dann als Randwert des entstehenden Differentialgleichungssystems berücksichtigt.
Allerdings ist das Stoffsystem beim plasmagestützten CVD-Prozess wesentlich komplizierter; während bei rein thermisch aktivierter CVD Volumenreaktionen nur parasitär betrachtet werden, spielen die Volumen-Anregungsprozesse bei der Chemie der bei geringeren Substrattemperaturen ablaufenden PECVD eine entscheidende Rolle. Durch Stoßprozesse mit den energiereichen Plasmaelektronen entstehen instabile Radikale, die, soweit sie zum Substrat gelangen, bereits bei niedrigen Temperaturen zur Schichtbildung führen. Das bedeutet, dass diese angeregten Teilchen ebenso wie die Elektronen bei der Reaktandenbilanz unbedingt mit zu berücksichtigen sind. Da die Wirkungsquerschnitte der Anregungsstöße abhängig von der Elektronenenergie sind, ist auch die Energie der Plasmaelektronen in die Bilanzierung mit einzubeziehen.

Für die Lösung der partiellen Differentialgleichungssysteme wurde das Verfahren von Galjerkin (Finite Elemente; Methode des gewichtetens Rests) ausgewählt.

Voraussetzung für die Bilanzierung der Elektronenkonzentration und -energien zur räumlichen Modellierung des PECVD-Prozesses ist die Analyse der Energieaufnahmeprozesse der Plasmaelektronen. Vor allem in kapazitiv gespeisten HF-Niederdruckentladungen (Diodenanordnung) wird neben der statischen Beschleunigung von Sekundärelektronen noch ein zweiter Mechansimus wirksam: dynamische Energieaufnahme durch Reflexion der Plasmaelektronen an der durch HF-Modulation pulsierenden Raumladungsschicht, deren Potenzial- bzw. Feldstärkeverlauf eine vom äußeren Spannungsverlauf abhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit zugeordnet werden kann (Wellenmodell der Raumladungsschicht).

Abhängig von ihrer Anfangsenergie und der Feldphase nehmen die Elektronen während ihrer Reflektion in der Raumladungsschicht unterschiedliche Energiebeträge auf, wobei die Energieaufnahmebilanz über eine Feldperiode im Mittel positiv ist.

Unter der Voraussetzung der Maxwellverteilung der Anfangsenergie wurde die Energieaufnahme des ‚Elektronengases‘ über eine Feldperiode in einer Diodenanordnung sowohl über die Lösung über Bewegungsgleichungen als auch - zu Vergleichszwecken - in Anwendung des Welle-Teilchen-Dualismus über ein vereinfachtes Stoßmodell (superelastischer Stoß der Elektronen mit sich mit Wellengeschwindigkeit bewegenden ‚schweren Teilchen‘) simuliert.

Neben der Modellierung des PECVD-Prozesses und der dazu notwendigen Gasentladungsvorgänge bestand Bedarf an der Entwicklung bzw. Nutzbarmachung einer Messmethode für die Konzentration der Plasmaelektronen und ihrer Energie, um die theoretischen Ergebnisse der Analyse der Gasentladung mit möglichst guter Ortsauflösung verifizieren zu können.
Eine Möglichkeit mit sehr gutem räumlichen Auflösungsvermögen bietet dabei die Diagnostik mit beweglich montierten elektrischen Sonden, wobei der Strom aus dem Plasma auf die Sondenoberfläche in Abhängigkeit von dem dort herrschenden Spannungspotenzial gemessen wird. Besondere Erwartungen erweckte dabei die theoretische Möglichkeit, bei den verwendeten zylindrischen Sonden aus der zweiten Ableitung des Stroms nach der Spannung auf die Energieverteilung der Elektronen zu schließen.

Zum einen wurde die Strom-Spannungscharakteristik selbst gemessen und ausgewertet:
Entwicklung von Programmalgorithmen zur Separation von Elektronen- und Ionenstromanteilen durch Anpassung an spezielle Ionen- und Elektronenanlaufstrommodelle (Maxwellverteilung der Elektronenenergie) mit dem Ergebnis der Elektronen- und (summarischen) Ionendichte sowie der ‚Elektronentemperatur‘ in ihrer Ortsabhängigkeit;
zum anderen wurde die direkte Messung der zweiten Ableitung durch die Modulation des Sondenpotenzials mit einer definierten niederfrequenten sinusförmigen Wechselspannung und Messung der Amplitude ersten Harmonischen des Sondenstroms durchgeführt.

Hauptproblem dieser Messmethode war die praktisch nicht vollständig zu eliminierende Überlagerung des statischen Sondenpotenzials mit hochfrequenter Wechselspannung. Mit Hilfe entsprechender Simulationsberechnungen wurde die entstehende Messwertverfälschung für oszillierendes Plasmapotenzial bzw. modulierte Plasmaparameter berechnet. Insbesondere lässt sich durch den Verlauf der (modulierten) zweiten Ableitung recht genau die sonst nur schwer zu schätzendende Restmodulation des Sondenpotenzials bestimmen.
Die theoretischen Möglichkeiten der Sondendiagnostik bzgl. einer Aussage zur Elektronenenergieverteilung bzw. Störungen der Maxwellverteilung konnten auf Grund der Modulation praktisch allerdings nicht umgesetzt werden, auch der Einsatz von symmetrischen und unsymmetrischen (gegeneinander geschalteten) Doppelsonden erbrachte in dieser Hinsicht keinen Erfolg.