Particle-in-Cell Monte-Carlo-Simulation

Am Fraunhofer IST wurde eine parallele Particle-in-Cell Monte-Carlo (PIC-MC) Simulationssoftware entwickelt und implementiert, mit der sich Gasflüsse und Gasentladungen in beliebigen Anlagengeometrien orts- und zeitaufgelöst modellieren lassen. Das PIC-MC-Simulationsverfahren basiert auf einer Nachbildung der Bewegungen und Kollisionen repräsentativer Simulationsteilchen und ist speziell für den Niederdruckbereich geeignet. Zur Berücksichtigung von Wandkollisionen stehen unterschiedliche Wandtypen, z. B. Pumpen, chemisch aktive Flächen, Teilchenquellen etc. zur Verfügung, womit sich komplexe Anlagen nebst deren externen, physikalischen Parametern realitätsnah im Simulationsmodell abbilden lassen.

Relevante Ergebnisgrößen sind u. a.

  • Druck- und Ladungsdichteverteilungen,
  • elektrisches Potenzial,
  • Teilchenstromdichten und
  • Energieverteilung am Substrat.

Diese Größen werden durch Schar- und Zeitmittelung über die Simulationspartikel gewonnen und spiegeln in detaillierter Weise die Wachstumsbedingungen in Abhängigkeit der Prozessparameter wider.

Exemplarische Anwendung I: Optimierung von Magnetron-Targets

Simulation Elektronenverteilung
© Fraunhofer IST

Lokale Plasmadichteaggregationen, die vornehmlich im Umlaufbereich linearer Magnetron-Targets auftreten, können die Target-Lebensdauer erheblich reduzieren. Kompensiert werden solche Effekte in der Regel durch Anpassungen des Magnetrons, bzw. des magnetischen Einschlusses. Dasselbe gilt für die Optimierung der Target-Ausnutzung, beispielsweise durch Verbreiterung des Target-Racetracks.

Iterationen aus BEM Magnetfeldberechnung und PIC-MC Simulation wurden durchgeführt, um planare Magnetron-Targets ohne experimentelle Zwischenschritte zu optimieren. Hierzu wurden verschiedene Magnetron-Konfigurationen mit BEM berechnet und geprüft, ob das Magnetfeld den erforderlichen Spezifikationen genügt. Im nächsten Schritt wurden dreidimensionale PIC-MC Simulationen mit den entsprechenden Magnetfeldern durchgeführt. Aus dem stationären Zustand der Simulation wurde der Ionenstrom auf die Target-Oberfläche extrahiert, der Rückschlüsse auf das empirische Erosionsprofil zulässt. Auf diese Weise konnten Optimierungsansätze validiert und gezielt weiterentwickelt werden. Nach einigen (zahlreichen) Iterationen wurde schließlich eine Magnetron-Konfiguration gefunden, die im industriellen Einsatz ein homogenes Erosionsprofil über den gesamten Target-Racetrack aufwies.

Exemplarische Anwendung II: Untersuchung von Schichtschädigungen beim DC Sputtern

© Fraunhofer IST

Magnetron-Entladungen in einer Sputter-Anlage zur Ag-Rückseitenbeschichtung von Leuchtdioden wurden mit PIC-MC, dreidimensional simuliert. Ziel war die Untersuchung von experimentell messbaren Schäden bei den Leuchtdioden, offensichtlich hervorgerufen durch hochenergetischen Ar+ Ionenbeschuss im nachgelagerten Sputter-Prozess. Die PIC-MC Simulation lieferte hierzu, unter anderem, Energieverteilungsfunktionen des Ionenbeschusses auf die Flächen im Simulationsraum. Tatsächlich konnten die Prozessbedingungen in der PIC-MC Simulation adäquat nachgestellt werden: Der Ionenbeschuss auf die Substratfläche wies einen hochenergetischen Anteil auf, der mit dem gemessenen Schadensgrad korrelierte.

Eine weitere Auswertung der Simulationsdaten zeigte, dass es innerhalb der Ringentladung zu propagierenden Plasmadichtefluktuationen kommt, die, je nach Prozessbedingung, mehr oder weniger stark ausgeprägt waren. Diese Plasmadichtefluktuationen schienen einen direkten Einfluss auf die Energieverteilungsfunktion der Ionen zu haben.

In den letzten Jahren wurden mehrere experimentelle Studien zum Phänomen der Plasmafluktuationen in Magnetron-Entladungen veröffentlicht. Die PIC-MC Simulation ermöglichte erstmals detaillierte Einblicke in Ursache und Wirkung dieses Phänomens. So konnte gezeigt werden, wie elektropositive Feldüberhöhungen die Plasmadichtefluktuationen begleiten und zur Generation hochenergetischer Ar+ Ionen, bzw. zum hochenergetischen Ionenbeschuss beitragen.