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 IIAG Re­ak­ti­ve Plas­menAll­ge­mei­ne Elek­tro­tech­nik und Plas­ma­tech­nikTheo­re­ti­sche Elek­tro­tech­nikWerk­stof­fe der Mi­kro­tech­nik


RWTH Aa­chen: Kunst­stoff­ver­ar­bei­tungOber­flä­chen­tech­nikWerk­stoff­che­mie


Uni­ver­si­tät Pa­der­born:Tech­ni­sche und Ma­kro­mo­le­ku­la­re Che­mie