Simulation der Beschichtungsprozesse für gesputterte Schichtsysteme mit Hilfe der Molekulardynamik-Methode (MD)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Kenntnis der inneren Spannungen (Eigenspannungen) ist Voraussetzung für die gezielte Herstellung und Optimierung von Schichtsystemen. Das Schichtversagen und andere von der Oberflächenqualität abhängige Eigenschaften hängen stark von den inneren Makro- und MikroSpannungen ab. Thermische Spannungen, die durch Temperaturänderungen im Schicht- Substrat-System erzeugt werden, treten auf in der Abkühlungsphase nach der Beschichtung durch Sputtern. Intrinsische Spannungen entstehen während des Schichtwachstums, z.B. bedingt durch Änderungen der Gitterkonstanten bei heteroepitaktischem Schichtwachstum oder durch Atom-Fehlstellen (atom-peening-effect beim Sputtern). Intrinsische Spannungen, die aus Gitterverzerrungen bei der Heteroepitaxie resultieren, haben einen großen Einfluss auf die Schichtmorpholgie. Schichtwachstum ist ein kinetisches Phänomen, denn im thermodynamischen Gleichgewicht gibt es per Definition kein Wachstum. Der Grad der Abweichung des Wachstumsprozesses vom thermodynamischen Gleichgewicht bestimmt jedoch, ob die Morphologie der Schichten von thermodynamischen Größen (freie Energien von Oberflächen, Korngrenzen) oder von der Kinetik des Wachstums bestimmt wird. Der wesentliche mikroskopische Prozess, der zusammen mit dem schichtbildenden Teilchenfluss die Morphologie der Schichten bestimmt, kann als die Adatomdiffusionen unter Berücksichtigung der Substrattopographie (Terrassen, Kanten, Ecken, Versetzungen, Rekonstmktionen) identifiziert werden. In diesem Vorhaben wurde PVD-Kupfer auf Siliziumtargets experimentell und simulatorisch untersucht um grundsätzliche Erkenntnisse insbesondere über die Eigenspannungensdynamik während des Schichtwachstums abzuleiten. Sind Substrat und Target im PVD Prozess vorgegeben, so gibt es im Wesentlichen zwei Parameter, die im Experiment kontrolliert bzw. beobachtet werden können: Substrattemperatur und schichtbildender Teilchenfluss. Aufgabe einer jeden theoretischen Modellierung muss es daher sein, diese Parameter mit den Eigenschaften aufgewachsener Filme in Relation zu setzen. Insbesondere wichtig ist hier aus mechanischen Gründen die Vorhersage der intrinsischen Spannungen innerhalb der Schichten. In der zweiten Förderperiode wurde zusätzlich die Rauheit der erzeugten Schichten systematisch untersucht, auch wenn diese noch nicht simuliert werden kann. In diesem Projekt wurden neue Methoden zur Konstruktion von thermodynamisch konsistenten mesoskopischen Observablen entwickelt, die es erlauben atomare Simulationen auf mesoskopischen Skalen zu interpretieren. Insbesondere wurde eine mesoskopische Eigenspannungsobservable als Funktion atomistischer Variable konsumiert. Weiterhin konnten diese Observablen, im Sinne von extended system Methoden, als Erweiterungen der Hamiltonschen Dynamik integriert werden sodass Randeffekte in der Simulation zumindest reduziert werden. Es hat sich im Laufe des Vorhabens herausgestellt, dass die atomistische Beschreibung der Kräfte nur durch eine quantenmechanische Beschreibung der Elektronen gelingt. Diese Beschreibung wurde in diesem Projekt von den Forschungspartnern der Antragsteller eigens entwickelt (im Rahmen der tight-binding approximation). Durch Anwendung dieser Kraftmodellierung in der Simulation von PVD-Kupfer als Beschichtungsmaterial auf Silizium(111) Targets konnte insbesondere die Entwicklung der Eigenspannungen während der Beschichtung erfolgreich simuliert werden. Die erzielten Ergebnisse wurden von der American Vaccum Society AVS mit dem Biunshah Award ("Best Paper Award" der International Conference On Metallurgical Coafings And Thin Films ICMCTF 2006 ) ausgezeichnet. Auf der Silizium (100) Oberfläche, die nachfolgend untersucht wurden, ergaben sich ähnliche Ergebnisse: Kupfer Dimere sind nicht stabil und bilden damit keine Wachstumskeime im Sinne der Nukleations und Wachstumstheorie, die üblicherweise auf Metalloberflächen gilt. Die Simulation des PVD Prozesses auf beiden Oberflächen deutet auf die Bildung einer kinetisch induzierten intermetallischen Phase an der Oberfläche hin, sodass erst nachdem genügend Kupfer deponiert wurde um diese Phase zu bilden ein Wachstum reiner Kupferschichten erfolgen kann. Hier sind die Simulationsdaten allerdings noch nicht konklusiv genug um diesen Trend mit genügend hoher Konfidenz zu belegen. Da die beantragten Mittel zur Durchführung des Forschungsvorhabens am ITWM zu etwa der Hälfte genehmigt wurden, sind die Arbeiten in diesem Forschungsprojekt noch nicht abgeschlossen. Der Abschluss von zur Zeit angefangenen und noch offenen, einzelnen Arbeitspaketen wird an den beteiligten Instituten auf eigene Kosten vorangetrieben. Die Antragsteller sind sich aber darüber einig, dass die Ziele des Forschungsvorhabens bisher auch in der Literatur noch nicht befriedigend gelöst wurden und weiterhin relevant sind. In der Zusammenarbeit des IFF und des ITWM sollen daher auch in Zukunft experimentelle Versuchs bzw. Messergebnisse mit theoretischen Erkenntnissen des Beschichtungsprozesses und der Simulation zusammengeführt werden. Ziel dabei ist es, die Schichtwachstumsmechanismen unter Berücksichtigung der Substrat- und Targetmaterialien so zu modellieren, dass sie eine ingenieurwissenschaftliche Aussagekraft bekommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Modelling of Crystal Growth for Sputtered Layers by Molecular Dynamics, euspen 2001 - Vol. 1 (2001), S. 160-163
Gottwald, B.; Gemmler, A.; Westkämper, E.; Klein, P.
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Wissensvermittlung für die Beschichtungstechnik - Ein Vorschlag zur einheitlichen Beschreibung komplexer physikalischer und chemischer Abscheideprozesse, mo - Metall Oberfläche 55 (2001), Nr. 2, S. 13-18
Gemmler, A.; Binder, B.; Gottwald, B.; Westkämper, E.
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Multi-Scaling Modeling and Simulation of Manufacturing Systems. Proceedings ofthe 4th Intemational Workshop on Emergent Synthesis - IWES'02(2002), S. 109-114
Westkämper, E.; Gottwald, B.; Gerth, C:
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Messung von Plasmaparametem und Substrattemperatur in einer Sputteranlage. In: Jamal R.; Jaschinski, H.: Virtuelle Instmmente in der Praxis VIP 2003. Hüthig: München, 2003, S. 356-361
Baumann, P.; Klein, P.; Gottwald, B.; Heinrich T.; Sommadossi, S:
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Simulation Tool Support for the Development and Manufacturing of Sputtered Coatings. Vortrag AEPSE 2003, Jeju, Korea
Klein, P.; Baumann, P.; Gottwald, B.; Sommadossi, S.; Gemmler, A.
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A contribution of Molecular Dynamics simulation to sophisticated engineering of coating processes applied to PVD DC sputter deposifion. Proceedings ofthe 9'th Intemational conference on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen 2004.
Westkämper, E.; Klein, P.; Gottwald B.; Sommadossi, S.; Baumann, P.; Gemmler, A.
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Die Molekulardynamik-Methode (MD) als Beitrag zum gezielten Engineering von Beschichtungsprozessen am Beispiel des Sputtems, Proceedings Oberflächentage der Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik, Dresden 2004,
Westkämper, E.; Klein, P.; Gottwald, B.; Sommadossi, S.; Gemmler, A.:
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A contribufion of MD-simulation to sophisficated engineering of coating processes applied to PVD DC sputter deposifion. Surface and Coatings Technology 200, 2005, S. 872
Westkämper, E.; Klein, P.; Gottwald, B.; Sommadossi, S.; Baumann, P.; Gemmler, A.
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Residual stresses modelled by MD simulation applied to PVD DC sputter deposition. Proceedings ofthe ICMCTF, 2005.
Klein P.; Gottwald, B.; Frauenheim, T.; Köhler, C; Gemmler, A.
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Residual stresses modelled by MD simulation applied to PVD DC sputter deposition. Surface and Coatings Technology 200, 2005, S.1600
Klein P.; Gottwald, B.; Frauenheim, T.; Köhler, C; Gemmler, A.
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Simulation vakuumbasierter Beschichtungsprozesse: Molekulardynamik (MD) als Konstruktionswerkzeug fur Schichteigenschaften, Werkstattstechnik 95, 2005, S. 156
Westkämper, E.; Klein, P.; Gottwald, B.; Sommadossi, S.; Baumann, P.; Sommadossi, S.:
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Coupling of different length scales in molecular dynamics simulation. Dissertation, TU Kaisers lautem, Fachbereich Mathematik, Dezember 2006
Streit, A.:
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Differentiable mesoscopic fields in molecular dynamics simulafion: constmction, dynamics, and coupling of length scales. Proceedings Multiscale Materials Modeling, Freiburg 2006
A. Streit, R. E. Zillich, P. Baumann, P. Klein
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Grundlegende Ansätze zur Modellierung und Simulation von Beschichtungsprozessen am Beispiel von PVD-Kupfer, Dissertation, Univ. Stuttgart, Fachbereich Maschinenbau, August 2006
Gottwald, B:
