Simulation

Unser Angebot

Simulation in der Dünnschicht-Technologie

Progressive Kosten- und Qualitätsanforderungen in der Dünnschichttechnik erfordern zunehmend effizientere und präzisere Beschichtungsverfahren. Die Größe und Komplexität dieser Verfahren erschwert jedoch die Entwicklung mit rein empirischen Mitteln. Hier wird Prozesssimulation unerlässlich, um die notwendigen Einblicke in Prozessdynamik und relevante Parameterkorrelationen zu erhalten. Simulation kann – valide Modelle vorausgesetzt – die experimentelle Evaluation bei der Prozess-und Anlagenentwicklung teilweise substituieren. Dadurch werden Zeit und Kosten gespart, die für experimentelle Aufbauten und Messungen anfallen würden.

Praktikable Simulationsansätze

Die Gasphasenabscheidung im Hochvakuum hat sich für hochpräzise Dünnfilmbeschichtungen auf großen Flächen industriell etabliert; prominente Verfahren sind die thermische Verdampfung, das Magnetron-Sputtern oder die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung. Die Prozessbedingungen in diesen Verfahren sind durch hohe Knudsen-Zahlen bei den Prozessgasen (Niederdruckbereich) und niedrige Ionisationsgrade bei den Plasmen (Niedertemperaturplasma) charakterisiert. In diesem Parameterbereich sind die weitverbreiteten »Computational Fluid Dynamics« (CFD) Simulationen auf Grundlage der Kontinuums-Mechanik, bzw. der Navier-Stokes Gleichung, nicht anwendbar. So ist beispielsweise die Kontinuums-Annahme einer lokal homogenen Elektronengeschwindigkeit in gyrokinetischen Plasmen und Plasmarandschichten generell ungültig. Stattdessen gilt hier die statistische Nicht-Gleichgewichts-Thermodynamik, wie sie die Boltzmann Transportgleichung (BTG) beschreibt. Jedoch, im Gegensatz zur CFD Simulation, sind nur wenige Simulationsprogramme auf Grundlage der BTG verfügbar.

Die DSMC / PIC-MC Methode

Geeignete Methoden zur Lösung der BTG im obengenannten Parameterbereich sind die »Direct Simulation Monte Carlo« (DSMC) und die »Particle-in-Cell-Monte Carlo« (PIC-MC) Methode. In beiden Fällen wird die Verteilungsdichtefunktion der BTG mittels repräsentativer Makroteilchen in einem numerischen Rechengitter abgebildet. Die Teilchendynamik im Orts- und Geschwindigkeitsraum wird innerhalb diskreter Zeitschritte und unter Berücksichtigung der Feld-, Wand- und Teilchenwechselwirkungen berechnet. Die PIC-MC Methode ergänzt die DSMC Methode hierbei um Feld-Löser und Algorithmen mit denen die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen und dem elektromagnetischen Feld berechnet werden. Die Teilchenzustände für die jeweiligen Zeitschritte und Gitterzellen bilden die statistische, orts- und zeitaufgelöste Lösung der BTG für das Gas oder Plasma. Um den Rauschanteil aus dieser statistischen Lösung zu filtern, werden die Teilchenzustände über mehrere Zeitschritte und Teilchen pro Zelle gemittelt.

Unsere Produkte und Dienstleistungen

  • Lizenzierung der DSMC Software zur Simulation verdünnter Gase
  • Lizenzierung der PIC-MC Software zur Simulation von Gasentladungen
  • Optimierung von Vakuum-Beschichtungsverfahren und -Anlagen
  • Beratung in der Vakuum- und Plasmatechnik