PIC-MCC Simulation eines DC Magnetron Sputterprozesses unter Verwendung von Verfahren hoher Ordnung
Direct Current (DC) Magnetron Sputtern ist eine effektive Methode um dünne Schichten auf Objekten zu erzeugen, z.B. metallische Schutzschichten an diversen Oberflächen. Das Material, welches zur Beschichtung selbst benötigt wird, muss hierbei von einer anderen Oberfläche abgelöst bzw. gesputtert werden. Diese Oberfläche wird als Target (Kathode) bezeichnet und einfallende Ionen, welche diese Oberfläche bombardieren lösen durch ihre hohe kinetische Energie Atome und Moleküle aus dem Target heraus. Das abgelöste Material kondensiert dann an einer Substratoberfläche (Anode). Um die Depositionsrate am Substrat zu erhöhen wird am Target eine Magnetfeldanordnung installiert die dazu führt, dass sich dort vermehrt Elektronen ansammeln da diese durch das Magnetfeld "eingefangen" werden. Im Folgenden werden die Vorzüge anhand einer beispielhaften Magnetron Simulation gezeigt.
3D Simulationssetup
Das Simulationssetup ist an das Setup von Pflug et al. angelegt, siehe unten. Die Simulationsdomain inkl. Target (pink) sowie das Magnetfeld, welches durch eine koaxiale Anordnung von Permanent-magneten unterhalb des Targets erzeugt wird, sind abgebildet. Die Vakuumkammer wird mir Argon (gasförmig) befüllt bei einem Betriebsdruck von ca. 0.3 Pa und die Spannung am Target (Kathode) wird auf -300 V festgehalten.
Die Particle-In-Cell Methode wird in diesem Setup verwendet um die Interaktion zwischen geladenen Partikeln und elektromagnetischen Feldern zu simulieren. Die Kollisionen zwischen den geladenen Teilchen und dem Ar Gas wird mittels eines Monte Carlo Collision (MCC) Modells abgebildet. Hierbei wird das Ar Gas innerhalb der Kammer als ein Hintergrundgas mit konstanten Eigenschaften angenommen, welche sich über den Zeitraum der Simulation nicht verändern.
Vorhersage von Plasmainstabilitäten: Spokes
Häufig auftretende Phänomene welche direkt am Target auftreten, sind sogenannte Spokes bzw. Elektronendichtewellen. Diese bewegen sich kreisförmig durch den Einfluss des Magnetfeldes in dem sich eingefangene Elektronen befinden. Die Simulation (links) wird hier mit dem experimentellen Ergebnis (rechts) von Pflug et al. verglichen, Literaturhinweis siehe unten. Abhängig von der gewählten Magnetfeldverteilung und der angelegten Spannung variieren die Anzahl der auftretenden Spokes sowie deren Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks innerhalb der Kammer (Pflug et al.).
Vorhersage von Auftreffraten
Das Aufschlagsmuster der einfach geladenen Ar Ionen auf dem Target beinhaltet zeitlich und räumlich aufgelöste Informationen bezüglich des Auftreff-Impulses, -Energie und -Winkel der Ar Ionen und Elektronen. Von diesen Simulationen, können Erosions- und Sputtereffekte auf dem Target bestimmt werden. Damit können die Haupteinflussfaktoren, wie beispielsweise die Zusammensetzung des Gases, die angelegte Spannung, die Zusammensetzung des Oberflächenmaterials, etc. untersucht und quantifiziert werden. Diese lassen sich dann einfach zur Optimierung des Gesamtprozesses verwenden. Im dargestellten Bild sind die Einschläge der einfach geladenen Ar Ionen zu sehen und der Effekt von Spokes ist klar erkennbar. Dieser erhöht lokal die Aufschlagsenergie der Ar Ionen.
Anhand der Statistik der Partikelaufschläge des Targets, können Informationen bezüglich der Verteilungsfunktionen jeder einzelnen Spezies aus der Magnetron Simulation gewonnen werden. Die abgebildeten Histogramme zeigen die Verteilungen für den Aufschlagswinkel und die Aufschlagsenergie der einfach geladenen Ar Ionen. Hier kann wiederum der Einfluss der Prozessgrößen untersucht und optimiert werden. Zusätzlich lassen sich die chemischen Prozesse und die Zusammenstellung des Plasmas untersuchen um die treibenden chemischen Reaktionswege zu identifizieren. Außerdem kann die Bildung von Radikalen und Spurengasen untersucht werden um deren Einfluss zu bestimmen.
Zusätzliche Information zur zugrundelegenden Theorie und zum Experiment kann hier gefunden werden:
- Pflug, A. & Vergöhl, M. (2019). Modelling of Thin Film Deposition Processes as a Service Proceedings of the 10th International Conference on Power Electronics for Plasma Engineering, 73(1-12), 978-83-930983-9-2 .
