Application of Gas discharge plasma

Application of Gas discharge plasma

Aplikasi plasma yang diketahui adalah pada analisis spektrokimia, untuk analisis solid, liquid dan gas. Contohnya microwave yang menginduksi plasma dan glow discharge, magnetron discharge, dc plasma jets dan juga SWD.

Tapi kali ini dibahas lebih fokus pada aplikasi industri yang dikenal well-establish (untuk surface modification, lasers, lightning dan lainnya) dan juga yang berhubungan dengan life science yang berkaitan dengan environmental issues dan aplkasi biomedical.

Dari sudut pandang secara keilmuan plasma menghasilkan transformasi particle, momentum atau energy yang bisa dianggap input pada plasma dan outputnya partikel, momentum atau energi lain dengan komposisi kimia yang berubah.

Subdivisi aplikasi yang bisa dibuat

1.      Transformasi Partikel, plasma kimia, surface modification seperti etching, deposition atau didalam plasma itu sendiri.

2.      Transformasi Momentum, plasma beaming seperti lasers, plasma thrusters, rocket propulsion

3.      Transformasi energy, pembuatan cahaya seperti lampu, plasma displays atau lasers.

   Surface Modification

Surface modification oleh gas discharge plasma mempunyai pengaruh besar pada industry mikroelektronik. Untuk microfabrication dari IC (integrated circuit), sepertiga dari ratusan pabrik berdasarkan pada plasma. Beberapa contohnya :

·         Argon atau oksigen untuk sputter-deposit aluminium, tungsten atau superconducting films temperature tinggi.

·         Oksigen discharge untuk meningkatkan SiO₂ films pada silicon

·         BF₃ discharge untuk mengimplant atom dopant (B) ke silicon

·         CF₄ / Cl₂ / O₂ discharges untuk menseleksi silicon film yang terlepas

·         O₂ discharges untuk melepas photoresist atau polymer film

Berikut step untuk membuat bentuk metal film dengan ukuran sub-micro pada large area wafer substrate

Urutan prosesnya

a.      Medeposit film pada substrate

b.      Mendeposit photoresist diatas film

c.       Resist menentukan daerah pencahayaan sesuai bentuk yang diinginkan.

d.      Resist dikembangkan, lepaskan daerah resist yang terkena dan meninggalkan bentuk resist

e.      Bentuk diteruskan ke film dengan proses etch (pengirisan)

f.        Pelindung resist dilepaskan

    Deposition of Thin Film

Proses deposisi dari thin film dibagi atas 2

1.        Sputter-deposition

Secara fisik terdiri dari sputtering dan reactive sputtering.

Secara fisik sputtering, ion dan atom menyerang target dan melepaskan atom atau molekul dari target material.

Mekanisme deposisi sebagai berikut :

a.      Atom yang datang melepaskan atom material target

b.      Double atom sampai kesubstrate

c.       Lebih banyak atom mencapai substrate

d.      Atom-atom yang datang menyatu

e.      Proses penyatuan terus berlanjut

2.        (PE-CVD) Plasma enhance chemical vapor deposition

Disni operasi discharge terjadi pada gas reaktif. Dengan reaksi kimia pada plasma (electron impact ionization and dissociation) ion yang berbeda dan radikal terbentuk dengan menyebar ke substrate dan dideposit dengan reaksi kimia permukaan. Keuntungan utama disbanding CVD (chemical vapor deposition) adalah PE-CVD ini bisa bekerja pada temperature yang lebih rendah.

Temperature electron dari 2-5 eV pada PE-CVD cukup untuk pemisahan sedangkan pada CVD gas dan reaksi permukaan muncul dengan aktivasi thermal.

Coating lebih sulit terbentuk pada CVD karena masalah peleburan, sedangkan dengan PE-CVD deposit lebih mudah dilakukan.

Ada 2 aplikasi yang dikenal baik dari PE-CVD yaitu :

1.      Amorphous Hydrogenated silicon

Sering digunakan untuk pabrikasi solar cells

2.      Carbon layer

Sering digunakan sebagai pelindung hard coating pada berbagai komponen industri (metals, glass, ceramic, plastics).

3.1.2 Etching

Plasma etching pada dasarnya digunakan untuk menghapus materi dari suatu permukaan. Hal tersebut dapat dilakukan dengan berbagai sumber debit, seperti Glow discharges DC, cc rf discharges, SWDs, ICPs dan ECRs. Tiga parameter yang paling penting untuk mengetching adalah tingkat keseragaman etching, anisotropi dan  selektivitas.

Fig. 17. Schematic representation of (a) anisotropic etching, in

which the material is removed in the vertical direction only,

and (b) isotropic etching, which is characterized by equal vertical

and horizontal etch rates, leading to ‘undercutting’.

Tingkat keseragaman etching merupakan perhatian utama dalam proses semikonduktor, karena dapat memiliki dampak yang signifikan terhadap hasil produksi. Dalam sistem capacitively ganda, geometri dari perakitan elektrode di perimeter lapisan adalah hal yang paling kritis untuk keseragaman tingkat ething, terutama di lapisan pinggir. Dalam induktif ditambah plasma sistem, tingkat etch keseragaman di seluruh lapisan dapat dipengaruhi oleh spasial yang bervariasi rf sambungan ke bagian belakang substrat.

Etching anisotropik berarti bahwa materi tersebut dikosongkan secara vertikal saja, sedangkan Tingkat etching pada arah horizontal dibuat nol (lihat Gambar. 17a). Untuk yang isotropik etching (lihat Gambar 17b), yang ditandai dengan arah vertikal dan horizontal etchingnya dikosongkan. Pengurangan ukuran fitur dan jarak membuat proses etching anisotropik penting, pengolahan plasma adalah satu-satunya yang mampu mengendalikan anisotropi teknologi. Oleh karena itu anisotropi telah menjadi penggerak utama kekuatan dalam pengembangan pengolahan plasma teknologi.

Parameter lain yang penting untuk proses pembuatan IC adalah selektivitas (dgn kata lain menghapus satu jenis bahan yang tidak dibutuhkan).

Pada dasarnya ada empat tekanan rendah yang berbeda mekanisme plasma etching, yakni:

1. Sputter-Etching

Mekanisme sputter-etching adalah identik dengan sputter-deposisi, tapi debit parameter yang dioptimalkan untuk efisien penghapusan material dari target bukan pengendapan atom pada substrat. Sputtering adalah lebih kurang nonselective proses. Memang, sputter hasil tergantung hanya pada energi membombardir spesies, massa dari proyektil dan target spesies, dan permukaan energi mengikat. Akibatnya, tidak ada perbedaan besar antara sputter hasil produksi untuk bahan yang berbeda. Namun, sputtering adalah proses anisotropik yang sangat tergantung pada sudut datang ion perusak. Memang, maksimum dalam hasil sputtering biasanya dicapai pada sudut sekitar kejadian 60º-80º relatif terhadap permukaan normal. Pada sudut insiden rendah sehubungan dengan permukaan normal, peningkatan hasil sputtering dengan sudut naik karena probabilitas meningkat dari kaskade collisional untuk menyebarkan kembali ke permukaan katoda dan dengan demikian menghasilkan sputtering. Pada insiden sudut lebih tinggi dari 60 – 80 relatif terhadap permukaan normal, sputtering hasil menurun, sejak masuk partikel lebih mungkin untuk mencerminkan dari permukaan tanpa penetrasi atau momentum transfer, sehingga menjadi tidak mungkin sputtering.

2. Chemical Etching

Mekanisme kedua adalah etching kimia murni. Atom atau radikal dari debit plasma kimia dapat bereaksi dengan target permukaan untuk membentuk proyektil dalam fasa gas, misalnya: Si(s)+4Fº→SiF₄(g). Chemical Etching 4 dasarnya adalah isotropik, karena etching atom tiba di permukaan target dengan hampir seragam sudut distribusi. Etching anisotropik hanya mungkin bila reaksi tempat antara atom etching dan kristal, di mana tingkat etching tergantung pada kristalografi orientasi. Tingkat etching umumnya tidak ditentukan oleh fluks etching atom, melainkan oleh serangkaian reaksi di permukaan.

3. Ion Enhanced Energetic Etching

Mekanisme ketiga adalah ion yang disempurnakan energik etching. Debit yang menyediakan etching partikel dan ion energik untuk proses etching. Tampaknya bahwa kombinasi etching atom dan ion energik jauh lebih efektif daripada mekanisme terpisah sputteretching dan Chemical Etching. The etching proses itu sendiri adalah mungkin kimia, tetapi dengan laju reaksi ditentukan oleh ionbombardment energik. Metode ini juga dapat mengetching sangat anisotropik, tetapi selektivitas umumnya lebih rendah dibandingkan dengan etching kimia.

4. Ion Enhanced Inhabitor Etching

Derajat anisotropi dan selektivitas akan tergantung pada mekanisme etching digunakan. Debit tidak menyediakan hanya etching atom dan ion energik, tapi juga prekursor molekul inhibitor. Itu yang terakhir disimpan pada bahan target, untuk membentuk suatu lapisan pelindung. Atom etching adalah dipilih sebagai upaya untuk memperoleh etching kimia tingkat tinggi tanpa adanya pemboman ion dan inhibitor. Fluks ion membombardir mencegah pembentukan lapisan inhibitor dan menghilangkan lapisan ini sehingga target permukaan dapat terkena atom etching. Oleh karena itu, permukaan sasaran hanya akan terukir di mana tidak ada inhibitor lapisan, atau dengan kata lainnya, dimana fluks ion mencapai target. Dalam hal ini arah, etching inhibitor ion-ditingkatkan sangat selektif, serta w4x anisotropik.

Contoh inhibitor ion yang disempurnakan etching adalah etching anisotropik dari parit aluminium dengan pelepasan CCl₄/Cl₂ atau CHCl₃/Cl₂. Kedua Cl dan Cl₂ dapat efisien etching kimia aluminium, 2 tetapi hasil dalam pola isotropik. Dengan menambahkan karbon untuk campuran, klorin-karbon pelindung film polimer terbentuk di permukaan. Ion pemboman menghapus film di bagian bawah parit, memungkinkan etching di bagian bawah. Karena film pelindung juga terbentuk pada dinding parit, sedangkan ion membombardir hanya bawah, dinding curam dapat dibentuk (lihat Gambar 18d).. Kemungkinan masalah inhibitor ion yang disempurnakan etching Namun, kontaminasi permukaan, dan penghapusan film pelindung setelah etching langkah.

Fig. 18. Schematic representation of the four basic etch mechanisms:

(a) sputter-etching; (b) chemical etching (i.e. by

chemical reactions between plasma species and the target surface,

to form projectiles in the gas phase); (c) ion-enhanced

energetic etching (i.e. chemical etching, enhanced by energetic

ion bombardment); and (d) ion-enhanced inhibitor etching (i.e.

so-called inhibitor precursor molecules are deposited on the

target material, to form a protective layer; the bombarding ion

flux removes this layer, so that the target surface can be selectively

exposed to the etching species).