Jahresbericht 2004 - Institut für Wissenschaftliches Rechnen ...

LITERATUR
2.8 Projekt: Simulation of Reactive Sputtering in Real in-line Processing
Chambers
2.8.1 Einführung
Ansprechpartner: Christian Oldiges
EMail: ch.oldiges@tu-bs.de
Telefon: 0531/391-3004
Das gezielte Abscheiden von Material aus einer Dampfphase wird erreicht mit der sogenannten
PVD-Methode (physical vapor depostion). Sie ist eine vielfältige Synthese-Methode
zur Herstellung von Dünnschicht-Materialien, wobei die Bildung der Materialstruktur auf
der atomaren- bzw. nanometer Skala kontrolliert wird durch Überwachung der makroskopischen
Prozessbedingungen. Das Erzeugen der Dampfphase des Materials in der PVD wird
erreicht durch Verdampfung, Sputtern, Laserablation oder Ionenbestrahlung. Im Gegensatz
zum Verdampfen, wobei Atome von einer Materialquelle entfernt werden durch thermische
Behandlung oder durch Elektronenbeschuß, werden beim Sputtern Atome ausgelöst durch
den Aufprall von energiereichen Edelgas-Ionen auf ein Material-Target. Die Dampf- bzw.
Gasphasenspezies, welche Kollisionen und Ionisationen unterliegen, kondersieren auf der
Oberfläche eines Subrastes mit nachfolgender Keimbildung und Wachstum zu einer Schicht.
Die physikalisch-chemischen Prozesse auf der atomaren Ebene bestimmen unter den vorgegebenen
makroskopischen Parametern der Sputteranlage die Qualität des Schichtproduktes.
Die wichtigsten auf mikroskopischer Ebene auftreten Prozesse sind: Transport der vom Target
abgelösten Ad-Spezies zur Oberfläche des Substrates, Adsorption der Ad-Spezies auf dem
Substrat, heterogene Oberflächenreaktionen katalysiert durch die Oberfläche des Substrats,
Diffusion der Ad-Spezies auf dem Substrat zu Wachtumsorten, Keimbildung und Wachstum
des Materials, Desorption und Transport der Ad-Spezies weg von der Oberfläche.
2.8.2 Identifizierung und Vorbereitung eines wissenschaftlichen Teilbereiches
Eine Einarbeitungs- und Orientierungsphase diente dazu, sich mit der Thematik vertraut zu
machen und einen Überblick über den Stand der Technik und die Physik der PVD Abscheidung
zu gewinnen durch Berarbeiten der Literatur. Hierzu gehören einerseits die experimentellen
Fragestellungen und deren Techniken, und zum anderen die gängigen theoretischen
Modelle, im wesentlichen die heuristischen Sputtermodelle zur Beschreibung von makroskopischen
Sputterraten und Parametern. Andere, fortgeschrittenere Teile des Projektes, beschäftigen
sich mit diesen makroskopischen Ratengleichungen und deren Anwendung und
Weiterentwicklung. Hierzu bestehen bereits vielfältige Vorarbeiten, was aus der älteren und
umfangreichen Literatur zu entnehmen ist. Gemeinsam haben diese Art von Modellen, das
die den Sputterprozess beschreibenden Parameter, nicht bzw. nur qualitativ in Verbindung gebracht
werden können mit konkreten Materialeigenschaften. Diese bestimmen ursächlich die
nanoskopische Sputterdynamik, die durch eine Mikrophysik und Mikrofluidik beschrieben
werden sollte, welche Wechselwirkungs-Modelle der beteiligten Spezies berücksichtigt. Erkenntnisse
auf dieser Ebenen können nicht von der DSMC-Simulationstechnik, die in einem
weiteren Teilprojekt angewandt wird, erhalten werden, da diese im eingeschränkten Rahmen
von verdünnten Gas-Bedingungen, die Kinetik von Superpartikeln (kinetisch-koherente Zusammenfassung
einer grossen Anzahl von elementaren Gasteilchen ohne Wechselwirkung)
modelliert. Diese stark vereinfachten Bedingungen sind nicht mehr gültig für die Kinetik und
Dynamik auf der Target- und Substratoberfläche und Umgebung.