Modellierung und Simulation von Hochleistungsmagnetronentladungen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf-Peter Brinkmann; Dr. Denis Eremin
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550860775

Die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) mittels Magnetronsputtern ist eine der Hauptmethoden zur Abscheidung von dünnen Schichten in industriellen Anwendungen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode ist das sogenannte Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (High Power Impulse Magnetron Sputtering, HiPIMS). Dabei wird durch kurze Pulse hoher Leistung ein sehr hoher Ionisationsgrad des gesputterten Materials erreicht, was zu erheblichen Verbesserungen in der Qualität der abgeschiedenen Schichten führt. Die extrem hohe Plasmadichte solcher Entladungen erschwert jedoch sowohl ihre experimentelle Diagnostik als auch ihre Modellierung und Simulation, und damit ihre mögliche Optimierung. Aufgrund des niedrigen Drucks müssen solche Entladungen mit einer kinetischen und nicht-lokalen Methode modelliert werden. Die üblicherweise verwendeten expliziten impuls-erhaltenden Particle-in-Cell (PIC)-Methoden sind aufgrund intrinsischer numerischer Einschränkungen unbrauchbar. Wir schlagen vor, dieses Problem durch zwei verschiedene Ansätze zu lösen, von denen jeder seine eigenen Vorteile bietet. Der erste Ansatz besteht darin, eine energieerhaltende implizite PIC-Methode in Kombination mit Rauschunterdrückungstechniken zu verwenden. Eine solche Methode hat wesentlich günstigere numerische Eigenschaften als herkömmliche Methoden und kann universell auf jede Art von ExBPlasma angewendet werden. Sie muss jedoch mit dem erhöhten numerischen Rauschen aufgrund der großen Plasmadichten in HiPIMS umgehen können. Der zweite Ansatz verwendet Skalenargumente und Methoden der Thermodynamik, um die Dimensionalität des Problems zu reduzieren und ein System parabolischer Gleichungen zu formulieren, das die betreffenden Entladungen modelliert. Dieser Ansatz soll nicht nur ein fundamentales Verständnis ermöglichen, sondern auch im Vergleich zu den PIC-Simulationen deutlich schneller Ergebnisse liefern. Allerdings könnte die zugrundeliegende Annahme dominierender Coulomb-Wechselwirkung die Anwendbarkeit der Methode im unteren Leistungsgrenzbereich des HiPIMS-Regimes einschränken. Durch Plasma-Chemie und Zielmodelle verbessert, wird der erste Ansatz einen "digitalen Zwilling" erzeugen, ein umfassendes und universell anwendbares numerisches Werkzeug, das alle wichtigen physikalischen Phänomene in HiPIMS-Entladungen realistisch simuliert und räumlich sowie energetisch aufgelöste Flüsse von Ionen und Neutralen zum Substrat liefert. Der zweite Ansatz soll einen "digital junior" liefern, der HiPIMS-Entladungen viel schneller simulieren kann, jedoch in einem engeren Parameterbereich. Beide Werkzeuge sollen fundamentale Einblicke in die Physik von HiPIMS ermöglichen. Beispiele sind die Bildung und Aufrechterhaltung von großskaligen Spokes, feinskalige Instabilitäten und ihre mögliche Wechselwirkung sowie deren Einfluss auf die Elektronen- und Ionenphysik, die für technologische Anwendungen relevant ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jan Trieschmann