DFG-Sonderforschugnsbereich Transregio 87
Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten
Kapazitiv gekoppelte Multifrequenz-Plasmen: Modellierung und Simulationen neuartiger Sputterquellen (Teilprojekt C4)
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Thomas Mussenbrock, Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann
Bei Experimenten mit kapazitiven Multifrequenz-Entladungen hat sich unter bestimmten Bedingungen ein sehr starkes Sputtern von Metallen und auch dielektrischen Materialien gezeigt. Was bislang eher als ein Nachteil wahrgenommen wurde, kann zusammmen mit den einzigartigen Möglichkeiten, Ionenenergieverteilungen einstellen zu können, als Ausgangspunkt für die Erforschung einer neuartigen und flexiblen Sputterquelle dienen.
Um kapazitive Multifrequenz-Entladungen als Sputterquellen mit Anwendungspotential für eine industrielle Nutzung etablieren zu können, sind zwei entscheidende Probleme zu lösen: i) die Hochskalierung der Entladung bzgl. Größe, Frequenz und Leistung und ii) die Erhöhung der Effizienz. Diesen beiden Aufgaben widmet sich das geplante Teilprojekt auf der Basis fundamentaler Untersuchungen in sehr enger Zusammenarbeit mit C1, in dem eine Multifrequenz-Sputterquelle aufgebaut wird. Neben einem globalen Modell wird ein kinetisches Modell einer Multifrequenz-Entladung entwickelt, das auf der Particle-In-Cell-Methode basiert.
Hier kommt es zu einem methodischen Austausch mit C5. Im Gegensatz zur Standardmethode werden die Maxwell-Gleichungen in der Darwin-Approximation formuliert. Eine Besonderheit des zu entwickelnden Computercodes, der B2, B3, C3 und C5 als Simulationstool zur Verfügung stehen soll, wird die neue Art der Implementierung sein. Es werden Hochleistungs-Grafikkarten (GPUs) verwendet, die eine sehr kostengünstige massiv-parallele Computing-Architektur zur Verfügung stellen (960 Recheneinheiten pro GPU) und so eine effiziente Simulation großer Teilchensysteme erlaubt.
Analyse und Design der Verteilungsfunktion energetischer Ionen und Neutralteilchen (Teilprojekt C5)
Projektleiter: Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann, Prof. Dr.-Ing. Thomas Mussenbrock
Die Charakterisierung und Optimierung plasmagestützter Schichtabscheideprozesse benötigt die Kenntnis der energie- und winkelaufgelösten Verteilungsfunktionen der auf die Substratoberflächen auftreffenden energetischen Teilchenflüsse. Diese Flüsse bestehen aus Ionen und gegebenenfalls aus durch Stöße in der Randschicht entstandenen schnellen Neutralteilchen. Messungen dieser Verteilungsfunktionen sind sehr aufwendig und meist nicht mit den Randbedingungen einer Prozessentwicklung kompatibel. Eine Alternative bietet sich in der selbstkonsistenten numerischen Simulation. Projekt C5 untersucht diesen Ansatz speziell im Hinblick auf die im SFB wichtigen Verfahren HPPMS (high power pulsed magnetron sputtering), MFCCP (multi-frequency capacitively coupled plasmas), und MW-PECVD (microwave plasma enhanced chemical vapor deposition). Zunächst wird ein auf fluiddynamischer Ebene selbstkonsistentes Randschichtmodell formuliert, das die Bewegung der Ionen in ihrer feldvermittelten Kopplung an die hochfrequenzmodulierte Elektronenkomponente beschreibt.
Die Grundlage dieses Modells ist eine kürzlich selbst entwickelte approximative Lösung der Boltzmann-Poisson-Gleichung mit Hilfe der Methode der ”matched asymptotic expansions”. In dem so berechneten zeit- und ortsabhängigen elektrischen Feld wird die Bewegung einzelner Ionen numerisch verfolgt und damit die Ionenverteilungsfunktionen statistisch ermittelt; im Anschluß auch die Verteilungsfunktionen der durch elastische und Umladungsstöße in der Randschicht erzeugten energetischen Neutralteilchen. Zur Erzielung der Selbstkonsistenz auf der kinetischen Ebene wird danach ein neuartiger Iterationsalgorithmus implementiert. Die nicht von der Randschicht selbst, sondern vom Plasma als ganzem festgelegten ”Betriebsparameter” der Randschicht werden über globale Modelle ermittelt, alternativ durch die Messungen oder Simulationen anderer Teilprojekte. Die von C5 ermittelten Randschichtcharakteristiken und Verteilungsfunktionen werden von vielen Teilprojekten des SFB-TR benötigt, speziell von A1, A3, B1 – B5, und C3.
Mehr Infos zum Projekt finden Sie unter: https://sfbtr87blog.blogspot.com/.
Projektpartner:
Ruhr-Universität Bochum: Experimentalphysik II, AG Reaktive Plasmen, Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik, Theoretische Elektrotechnik, Werkstoffe der Mikrotechnik
RWTH Aachen: Kunststoffverarbeitung, Oberflächentechnik, Werkstoffchemie
Universität Paderborn:Technische und Makromolekulare Chemie
