Glimmentladungstabelle-Massenspektroskopie

 

CFD Simulation des Argongases in der Glimmentladungsquelle eines Massenspektrometers

 

Einleitung

Zur Analyse von Beschichtungen, bspw. in der Halbleiterindustrie verwendet man u.a. das Verfahren der analytischen Glimmentladung bei dem die Oberfläche einer Probe durch ein Plasma abgetragen und ionisiert wird. In der am IFW Dresden entwickelten Glimmentladungsquelle nach Grimm (GD Quelle) wird ein Teil der Ionen zu einem Massenspektrometer transportiert und analysiert. Damit sind Aussagen über die tiefenabhängige Konzentration von einigen nm bis mehreren 100 mm möglich.

 

Das Verfahren

Durch ein Arbeitsgas (Argon) und eine elektrische Spannung zwischen der Anode und der als Kathode wirkenden Probe wird unter vermindertem Druck (ca.300-1000 Pa) ein Plasma erzeugt. Zur Begrenzung des Plasmas existiert ein 0,2 mm dünner Ringspalt zwischen Kathode und Anode.  Aufgrund des Potentialunterschiedes werden Argonionen aus dem Plasma auf die Probenoberfläche beschleunigt. Die mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Ionen schlagen dabei Atome aus der Probenoberfläche heraus. Ein Teil dieser Atome wird im Plasma ionisiert und gelangt durch elektrische und gaskinetische Transportvorgänge durch die Düse zum Massenspektrometer. Der Absaugkanal realisiert stabile Druckbedingungen in der Anodenkammer.

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Bild 1: Arbeitsprinzip der GD Quelle

 

 

Problembeschreibung

 

Untersuchungen zeigten, dass die Signalintensitäten direkt von den Strömungsbedingungen des Arbeitsgases abhängig sind. Außerdem war bekannt, dass das Material der Probenoberfläche nicht an allen Stellen gleichermaßen abgetragen wird. Diese Vermischung der Signale aus  verschiedenen Tiefen verhindert präzise Schichtanalysen. Die Ursache wurde im Strömungsverhalten des Arbeitsgases vermutet, was durch eine CFD Simulation bestätigt werden sollte. Auf eine Berücksichtung der Einflüsse des Plasmas wurde zunächst verzichtet. Mit der Evaluation von neuen Varianten der Gasführung sollte der gaskinetische Aspekt in der GD Quelle optimiert werden. 

 

 

Ergebnisse

 

Aus der Simulation konnten neben der Aufteilung des Massestroms u.a. Wirbel und Staugebiete lokalisiert werden. Wie bei der Geschwindigkeitsverteilung im Bild 2 zu sehen ist, kommt es durch die unzureichende Verteilung des einströmenden Gases zu einer direkten Zuströmung auf die Probenoberfläche von der Seite der Zuleitung.

 

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Bild 2: Geschwindigkeitsverteilung in der GD Quelle

 

Aus der resultierenden Druckverteilung über der Probenoberfläche (Bild 4 a) und der Kenntnis, das die Aktivität des Plasmas vom Gasdruck beeinflusst ist, ließ sich das ursprüngliche Phänomen des ungleichförmigen Materialabtrags der Probenoberfläche (Bild 3 b) erklären.

 

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Bild 3: Druckverteilung und Materialabtrag auf der Probe

 

 

Bei der Optimierung wurde durch Änderung der austauschbaren Anodeninnenteile versucht die Druckverteilung auf der Probenoberfläche gleichmäßiger zu gestalten bzw. die Druckdifferenzen zu minimieren Aus verschiedenen Simulationen ging hervor, dass die Anordnung von zwei sich gegenüberliegenden Zuläufen eine einfach zu realisierende Verbesserung darstellt.

 

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Bild 4: Druckverteilung und Materialabtrag auf der Probe bei der neuen Konstruktion

 

 

Das Kratertiefenprofil (Bild 4 b), zeigt einen wesentlich gleichmäßigeren Materialabtrag durch die neue Gasführung. Weiterhin erreichte man einen höheren Ionenertrag, da sich beide Teilströme des Gases über dem Zentrum der Probe treffen und einen direkteren Weg zum Massenspektrometer unterstützen. Messungen der Signalintensitäten ergaben Werte, die in Abhängigkeit vom verwendeten Probenmaterial 3-10 mal größer waren als bei der ursprünglichen Konstruktion. Abschließend ist zu bemerken, dass durch die CFD Simulation deutlich gemacht wurde, wie eng der  Glimmentladungsprozess an die Strömungsbedingungen gebunden ist, welche daher bei der weiterführenden Entwicklung derartiger Anlagen besondere Berücksichtigung finden werden.