Diagnostikgestützte Simulation des Magnetron Sputter Plasmas
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Verbesserung der Simulation des Magnetron Sputter Ion Plating (MSIP)-Prozesses durch die Unterstützung der Modellierung durch plasmadiagnostische Methoden. Zu diesem Zweck wurden drei unterschiedliche plasmadiagnostische Messverfahren kombiniert und Sputterplasmen unterschiedlicher Prozesse und Anlagen eingehend untersucht. Verwendet wurde hierbei die energiedispersive Massenspektroskopie, die die Bestimmung der Energieverteilung der schweren Teilchen wie Atome und Ionen im Plasma erlaubt, die Emissionsspektroskopie, mit deren Hilfe die Konzentration der einzelnen schweren Teilchen im Rezipienten bestimmt worden ist, sowie die Langmuirsonde zur Bestimmung der Energieverteilung und Temperatur der Elektronen. Alle diese Untersuchungen wurden in Anhängigkeit wesentlicher Beschichtungsparameter wie der Leistung, des Prozessdruckes, Reaktivgasflusses etc. durchgeführt. Es wurden Messungen an Laboranlagen sowie einer Anlage im industriellen Maßstab durchgeführt. Neben der diagnostischen Untersuchung wurden numerische Modelle entwickelt, die zur Beschreibung einzelner physikalischer Prozesse innerhalb des gesamten MSIP Prozesses verwendet werden. Die hierbei verwendeten Methoden sind Particle-in-Cell mit Monte-Carlo-Collisions (PIC-MCC) Methode zur Simulation des Plasmas und die Test-Particle Monte Carlo (TP-MC) Methode. Zur Berechnung der ortsaufgelösten Gasströmungen sollte laut Arbeitsplan eine Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Methode verwendet werden. Diese wurde zugunsten des Verständnisses der globalen Dynamik des Beschichtungsprozesses mit der Implementierung des Berg-Modells in die Simulation hinten angestellt. Die notwendigen CAD-Modelle der unterschiedlichen Plasmabeschichtungsanlagen wurden erstellt, um eine realitätsnahe Simulation zu gewährleisten und die geometrischen Besonderheiten der Anlagen zu berücksichtigen. Wegen des numerischen Aufwands, die eine volle 3D-Simulation mit sich bringt, wurden in einzelnen Fällen Vereinfachungen getroffen, die aus Symmetrien der Anlagen abgeleitet werden konnten, diese sind jedoch nicht für jede Anlage anwendbar. Daneben wurde basierend auf den Modellen von Pekker, Berg, Pflug und Szyszka ein Modell zur Beschreibung des reaktiven Sputterns implementiert. Hierbei wird die Partialdruckdynamik des Reaktivgases, der Abscheiderate sowie die Dynamik der Kathodenspannung während der Reaktivabscheidung in Abhängigkeit vom Reaktivgasfluss berechnet. Bei der Entwicklung und Implementation der einzelnen Modelle wurden die Randbedingungen, die in den experimentellen Untersuchungen bestimmt worden sind, berücksichtigt bzw. die Modelle durch die experimentell ermittelten Kenngrößen kalibriert. Beispielsweise lässt sich aus der mit Hilfe von Langmuirsondenmessungen ermittelten Elektronendichteverteilung die Form des Sputtergrabens ermitteln, die für die Transportsimulationen notwendig ist. Die mit Hilfe der Emissionsspektroskopie ermittelten Spektren geben Aufschluss über die Partialdrücke der Spezies und werden zur Validierung der Berechnungen der Prozessdynamik beim reaktiven Sputtern verwendet. Die massenspektroskopischen Messungen der Energieverteilung dienen als Eingangsgröße für die Transportsimulation (Argon) und werden gleichzeitig zur Verifikation der Ergebnisse (Chrom und Aluminium) verwendet. Im Rahmen der Arbeiten sollte ein Hybridmodell aus PIC-MCC und DSMC erstellt werden. Wie oben erwähnt wurde auf die DSMC verzichtet. Statt dieses Hybridmodells wurden die Untersuchungen an Zwei-Komponenten-Targets vorgezogen. Die Ergebnisse und Erkenntnisse, die in diesem Forschungsvorhaben erzielt wurden, haben maßgeblich dazu beigetragen, dass ein Teilprojekt "Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten" initiiert werden konnte, in dem diese Thematik vertieft und weiter verfolgt wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Plasma Diagnostics as a Support for the Upscaling of PVD Deposition Processes onto Industrial Coating Units. European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (Euromat) 2007, Nürnberg, 10.-13.09.2007
K. Bobzin, E. Lugscheider, N. Bagcivan, P. Immich, D. Parkot
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From Laboratory to Industrial Scale - Comparison of Simulation and Plasma Diagnostic Investigation of the Reactive Sputter Deposition of Alumina on Different Coating Units. 35th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF) 2008, San Diego, CA, USA, 28.04.-02.05.2008
K. Bobzin, N. Bagcivan, P. Immich, D. Parkot
