Direct Simulation Monte Carlo - DSMC

Die DSMC Simulation eignet sich besonders für Druckbereiche unterhalb von 100 Pascal. In diesem Druckbereich sind CFD Verfahren nicht einsetzbar, da die Teilchendynamik hier nicht mehr den Kontinuums-Annahmen genügt.

Exemplarische Anwendung I: Optimierung von thermischen Verdampfer-Quellen

Direct Simulation Monte Carlo DSMC Simulation von thermischem Verdampfen
© Fraunhofer IST

Thermisches Verdampfen ist eine wichtige Alternative zu plasmaunterstützten Abscheideverfahren; beispielsweise bei Substraten oder Präkursoren, die  gegenüber energiereichem Teilchenbeschuss empfindlich sind. Die Bedampfung von großen Flächen mit hoher Rate und Gleichmäßigkeit ist hierbei eine besondere Herausforderung.

Bei der modellbasierten Optimierung von thermischen Verdampfer-Quellen wird, wie aus neuerer Literatur ersichtlich, immer noch auf simple Superpositions-Modelle zurückgegriffen. Bei diesen Modellen werden nur die Teilchen-Trajektorien überlagert, die von einem Quellenterm aus zur Substratfläche führen. Dabei bleiben kollektive Effekte, aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Teilchenspezies, per Definition unberücksichtigt. Vergleiche mit Experimenten haben gezeigt, dass nur Modelle, die die Interaktion zwischen allen Teilchenspezies berücksichtigen, zu belastbaren Resultaten führen. Dies ist bei der DSMC Simulation gewährleistet – vorausgesetzt die entsprechenden Wechselwirkungsquerschnitte wurden korrekt übertragen.

Zweidimensionale DSMC Simulationen wurden durchgeführt, um die oben genannten kollektiven Effekte bei der Auslegung einer Linien-Quelle zu untersuchen. Die Einflüsse von Quellen-Geometrie und thermischen Dampfdruck auf das Schichtprofil in der Simulation decken sich mit experimentellen Beobachtungen und konnten so bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Exemplarische Anwendung II: Sputter-Simulation zur Blendenoptimierung

Simuliertes Metall-Absorptionsprofil aus den Innenwänden der EOSS®-Sputterkammer.
© Fraunhofer IST, Andreas Pflug

Simuliertes Metall-Absorptionsprofil aus den Innenwänden der EOSS®-Sputterkammer.

Gemessene und simulierte Abscheiderate.
© Fraunhofer IST

Gemessene und simulierte Abscheiderate.

Hochpräzise optische Filter sind ein Kernelement in vielen speziellen Anwendungen, wie z.B. optische Präzisions-Messinstrumente für die Raumfahrt, Hochleistungs-Lichtwellenleiter oder UV Fotolithographen. Die fortschreitenden Anforderungen an die Leistungsmerkmale dieser Filter benötigen immer komplexere Schichtstapel mit zunehmender Anzahl von Einzelschichten. Damit steigen gleichzeitig die Anforderungen an Homogenität und Reproduzierbarkeit der einzelnen Schichten.

Es wurden DSMC Simulationen der Gasdynamik und des Partikeltransports in einem Sputter-Prozess durchgeführt, um die relevanten Einflussgrößen bei der Schichtdeposition zu identifizieren. Auf diese Weise konnte u.a. der Einfluss der Anlagen- und Blendengeometrie auf das Beschichtungsprofil quantifiziert werden. Dies ermöglichte eine Blendenoptimierung auf rein virtueller Basis und führte zu einer experimentell validierten Beschichtungshomogenität, die einer experimentellen Blendenoptimierung deutlich überlegen ist.