Simulation des reaktiven Magnetron-Sputterns.
Published on 20. March 2007
Book
Paperback/Softback
140 pages
978-3-8167-7318-4 (ISBN)
Description
Das reaktive Magnetron-Sputtern ist eine Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl von Beschichtungsprodukten. Beispiele sind energieeffiziente Architekturverglasungen, Displays, Dünnschicht-Photovoltaik sowie interferenzoptische Filter. Mit zunehmender Hochskalierung der Fertigungskapazitäten hinsichtlich Substratfläche und Durchsatz steigen auch die Anforderungen an die Beschichtungstechnologie hinsichtlich Präzision und Komplexität. Die bisher rein empirische Vorgehensweise beim Einfahren neuer Prozesse bzw. deren Optimierung wird hierdurch immer aufwändiger und zeitkritischer.
In dieser Arbeit werden Modelle für Gasströmungen in dreidimensional dargestellten Sputterrezipienten sowie für makroskopische Echtzeit-Modellierung von reaktiven Sputterprozessen entwickelt und implementiert. Das auf Monte-Carlo-Methoden basierende Strömungsmodell wird sowohl anhand analytisch quantifizierbarer Strömungsfälle als auch anhand von Messungen an realen In-line-Sputterrezipienten validiert. Das makroskopische Modell kann durch Abgleich mit experimentellen Messdaten erstmalig in eine quantitativ korrekte Beschreibung von Kennlinienfeldern reaktiver Sputterprozesse überführt werden.
Damit steht ein neues Werkzeug zur Verfügung, welches eine modellgestützte Optimierung, Regelung und Monitorierung reaktiver Sputterprozesse ermöglicht, wodurch zukünftig ein erheblicher Anteil an experimenteller Arbeit zur Prozessoptimierung eingespart werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hiermit eine dynamische Beschichtung eines Testsubstrats in einer In-line-Beschichtungsanlage simuliert. Dabei spielten die aus der Substratbewegung resultierenden Druckschwankungen eine maßgebliche Rolle für die Prozessdynamik, anhand derer das Schichtdickenprofil einer abgeschiedenen ZnO-Schicht in Transportrichtung vorhergesagt werden konnte.
In dieser Arbeit werden Modelle für Gasströmungen in dreidimensional dargestellten Sputterrezipienten sowie für makroskopische Echtzeit-Modellierung von reaktiven Sputterprozessen entwickelt und implementiert. Das auf Monte-Carlo-Methoden basierende Strömungsmodell wird sowohl anhand analytisch quantifizierbarer Strömungsfälle als auch anhand von Messungen an realen In-line-Sputterrezipienten validiert. Das makroskopische Modell kann durch Abgleich mit experimentellen Messdaten erstmalig in eine quantitativ korrekte Beschreibung von Kennlinienfeldern reaktiver Sputterprozesse überführt werden.
Damit steht ein neues Werkzeug zur Verfügung, welches eine modellgestützte Optimierung, Regelung und Monitorierung reaktiver Sputterprozesse ermöglicht, wodurch zukünftig ein erheblicher Anteil an experimenteller Arbeit zur Prozessoptimierung eingespart werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hiermit eine dynamische Beschichtung eines Testsubstrats in einer In-line-Beschichtungsanlage simuliert. Dabei spielten die aus der Substratbewegung resultierenden Druckschwankungen eine maßgebliche Rolle für die Prozessdynamik, anhand derer das Schichtdickenprofil einer abgeschiedenen ZnO-Schicht in Transportrichtung vorhergesagt werden konnte.
More details
Content
Gasfluss-Simulation
Motivation zur Anwendung der DSMC-Methode
Der DSMC-Algorithmus
Ablauf einer DSMC-Berechnung
Anfangs-Verteilung der Superpartikel
Bewegungszyklus
Kollisionszyklus
Exktraktion makroskopischer Daten aus
einem DSMC-Berechnungslauf
Implementierung der DSMC-Methode
Hardware zur Parallelrechnung am
Fraunhofer IST
Aufbau der DSMC-Rechenprogramme
3D-Geometrie mit unterschiedlichen
Volumentypen
Verbindung der Volumenelemente
untereinander
Verbindung an einer Zylinder-Mantelfläche
als Spezialfall
Darstellung einer Strömungsgeometrie
in RIG-VM
Kommunikationsschema in der
parallelen DSMC-Implementation
Validierung der DSMC-Implementation
Analytisch quantifizierbares Modell
einer Rohrströmung
Durchführung der Validierung
Mehrskalige DSMC-Problemstellungen
Abschätzung des Rechenaufwands als
Funktion des Totaldrucks
DSMC-Problemstellung, die eine mehr-
skalige Behandlung erfordert
Implementation eines variablen
Skalenfaktors
Dynamisches Modell des reaktiven Sputterns
Das Simulationsmodell von Berg
Das ursprüngliche Modell in der
nulldimensionalen Form
Atomares oder molekulares Sputtern
Zeitabhängige Berechnung des
Berg-Modells
Implementationsdetails zum Berg-Modell
Das Berg-Modell in einer Labor-Sputteranlage
Heuristische Simulation der Plasma-Impedanz
Ionen-Implantation in die Targetoberfläche
Anwendung des Modells auf den
reaktiven HfO2-Prozess
Fehlerrechnung bei der Modell-Anpassung
der Sputter-Kennlinien
Anwendung des Modells auf den
reaktiven WO3-Prozess
Simulation von In-line-Sputterprozessen
Ortsaufgelöstes, dynamisches Modell
Modellierung einer In-line-Sputteranlage
DSMC-Gasfluss-Simulation für die
"BigMag" In-line-Anlage
Einfluss des Glassubstrats auf die
Druckverteilung
Vergleich von gemessenem und simuliertem
Ar-Druck
Druckvariation bei Substrat-Bewegung
Makroskopisches, zweidimensionales
Modell der BigMag-Anlage
Modellierung einer In-line-Beschichtung mit ZnO
Dynamische Beschichtungssimulation von ZnO
Dreidimensionale Gasfluss-Charakteristik
Motivation zur Anwendung der DSMC-Methode
Der DSMC-Algorithmus
Ablauf einer DSMC-Berechnung
Anfangs-Verteilung der Superpartikel
Bewegungszyklus
Kollisionszyklus
Exktraktion makroskopischer Daten aus
einem DSMC-Berechnungslauf
Implementierung der DSMC-Methode
Hardware zur Parallelrechnung am
Fraunhofer IST
Aufbau der DSMC-Rechenprogramme
3D-Geometrie mit unterschiedlichen
Volumentypen
Verbindung der Volumenelemente
untereinander
Verbindung an einer Zylinder-Mantelfläche
als Spezialfall
Darstellung einer Strömungsgeometrie
in RIG-VM
Kommunikationsschema in der
parallelen DSMC-Implementation
Validierung der DSMC-Implementation
Analytisch quantifizierbares Modell
einer Rohrströmung
Durchführung der Validierung
Mehrskalige DSMC-Problemstellungen
Abschätzung des Rechenaufwands als
Funktion des Totaldrucks
DSMC-Problemstellung, die eine mehr-
skalige Behandlung erfordert
Implementation eines variablen
Skalenfaktors
Dynamisches Modell des reaktiven Sputterns
Das Simulationsmodell von Berg
Das ursprüngliche Modell in der
nulldimensionalen Form
Atomares oder molekulares Sputtern
Zeitabhängige Berechnung des
Berg-Modells
Implementationsdetails zum Berg-Modell
Das Berg-Modell in einer Labor-Sputteranlage
Heuristische Simulation der Plasma-Impedanz
Ionen-Implantation in die Targetoberfläche
Anwendung des Modells auf den
reaktiven HfO2-Prozess
Fehlerrechnung bei der Modell-Anpassung
der Sputter-Kennlinien
Anwendung des Modells auf den
reaktiven WO3-Prozess
Simulation von In-line-Sputterprozessen
Ortsaufgelöstes, dynamisches Modell
Modellierung einer In-line-Sputteranlage
DSMC-Gasfluss-Simulation für die
"BigMag" In-line-Anlage
Einfluss des Glassubstrats auf die
Druckverteilung
Vergleich von gemessenem und simuliertem
Ar-Druck
Druckvariation bei Substrat-Bewegung
Makroskopisches, zweidimensionales
Modell der BigMag-Anlage
Modellierung einer In-line-Beschichtung mit ZnO
Dynamische Beschichtungssimulation von ZnO
Dreidimensionale Gasfluss-Charakteristik