Der Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik ist im von der DFG geförderten SFB-TR 87 mit zwei Teilprojekten vertreten:

Teilprojekt C4: Kinetische Simulationen technischer Plasmen im Frequenzbereich von DC bis MW
Projektleiter: Dr. Denis Eremin

Die Ei­gen­schaf­ten plas­ma­ge­stütz­ter Ab­schei­de­pro­zes­se hän­gen ent­schei­dend von den Flüs­sen sowie den En­er­gie- und Win­kel­ver­tei­lun­gen der auf das Sub­strat auf­tref­fen­den Teil­chen ab. Im Nie­der­druck­be­reich (< 10 Pa) kön­nen diese nur ki­ne­tisch be­rech­net wer­den. Das ge­plan­te Pro­jekt wird den in der ers­ten Phase für die Si­mu­la­ti­on von ka­pa­zi­ti­ven Ent­la­dun­gen ent­wi­ckel­ten elek­tro­ma­gne­ti­schen Par­ti­cle-In-Cell-Code wei­ter aus­bau­en und ein­set­zen. Hier­bei sol­len ki­ne­ti­sche Si­mu­la­tio­nen von RF-, MW- und HPPMS-Ent­la­dun­gen auf Gra­fik­kar­ten durch­ge­führt wer­den. Da MW- und HPPMS-Plas­men aber grund­le­gend an­de­re Ei­gen­schaf­ten als RF-Plas­men be­sit­zen, müs­sen neue Al­go­rith­men erar­bei­tet und im­ple­men­tiert wer­den. Hier­bei wer­den die alten ent­we­der er­gänzt oder voll­stän­dig er­setzt. Zur bes­se­ren Auf­lö­sung der viel dün­ne­ren Rand­schich­ten müs­sen ad­ap­ti­ve Teil­chen­al­go­rith­men auf nicht­uni­for­men Git­tern ent­wi­ckelt wer­den. Zur Si­mu­la­ti­on von MW-Ent­la­dun­gen müs­sen die elek­tro­ma­gne­ti­schen Fel­der mit Hilfe der FDTD-Me­tho­de be­rech­net wer­den. Bis­her er­folg­te dies auf Basis der Dar­win-Ap­pro­xi­ma­ti­on der Max­well-Glei­chun­gen. Nach­dem die nu­me­ri­schen Werk­zeu­ge um­ge­setzt, ve­ri­fi­ziert und va­li­diert sind, wer­den die ent­wi­ckel­ten Codes zur Ana­ly­se der Phy­sik sowie der Op­ti­mie­rung ent­spre­chen­der ex­pe­ri­men­tel­ler An­la­gen aus allen Pro­jekt­be­rei­chen des SFB-TR 87 ein­ge­setzt.

Teilprojekt C5: Elektronendynamik magnetisierter Hochleistungsplasmen, speziell HPPMS
Projektleiter: Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann

Viele plasmagestützte Schichtabscheideverfahren, darunter auch High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS), verwenden magnetisierte Hochleistungsplasmen bei niedrigem Druck. In diesem Regime sind fluiddynamische Modelle nicht gültig und müssen durch kinetische Modelle ersetzt werden. Der Stand der Technik wird durch selbstkonsistente Particle-in-Cell/ Monte Carlo Simulationen repräsentiert. Der Aufwand solcher Simulationen skaliert jedoch quadratisch mit der Plasmadichte; im HPPMS-Regime können sie nur für einfache Modellsysteme eingesetzt werden. 

C5 will einen alternativen, auch für realitätsnahe HPPMS-Plasmen auswertbaren kinetischen Algorithmus begründen. Dabei steht die Elektronenkomponente im Vordergrund; Ionen und Neutralteilchen sind Gegenstand von Teilprojekt C8. In der abgelaufenen Periode wurden zunächst wichtige Grundlagen erarbeitet. Zum einen wurde ein kinetisches Modell der Elektronendynamik aufgestellt und an ein Ratengleichungssystem für die Ionen und Neutralteilchen gekoppelt. Mit diesem globalen Modell konnte die Elektronenenergieverteilung im aktiven Bereich eines Hochleistungsmagnetrons für realistische Parameterbereiche untersucht werden. Sie stellte sich als betont bimodal heraus, einem kleinen Anteil energetischer Elektronen steht eine dominante thermische Komponente gegenüber. 

Für diese thermische Komponente wurde eine kinetische Theorie aufgestellt und mittels umfangreicher störungstheoretischer Rechnungen auf ein formal zweidimensionales, numerisch leicht zugängliches Gleichungssystem abgebildet. Parallel dazu wurde die Interaktion magnetisierter Elektronen mit einer statischen Plasmarandschicht untersucht und daraus adäquate Randbedingungen gewonnen. In der kommenden Förderperiode soll noch ein Monte Carlo-Modell für die energetischen Elektronen realisiert werden. Eine Kopplung der beiden Elektronenmodelle an das von C8 erstellte Schwerteilchenmodell wird erstmals eine effiziente und realitätsnahe Simulation des HPPMS-Prozesses ermöglichen. Damit sollen zum einen fundamentale Phänomene magnetisierter Plasmaprozesse (wie etwa der Cross-Field Transport, die Moden der Elektronenheizung, und das spontane Auftreten der sog. Spokes) aus ersten Prinzipien studiert werden, und zum zweiten eine prädiktive Simulation von für Beschichtungsprozesse maßgeblichen industriellen Anlagen auf deren Größenskalen und Zeitskalen durchgeführt werden. 

C5 beschäftigt sich außerdem mit der Plasmarandschichtheorie und mit der modellbasierten Plasmadiagnostik.