Simulation

Simulation eines HWCVD-Prozesses zur Si-Abscheidung

© Foto Fraunhofer IST

Fotografie einer beschichteten Metallplatte und Simulation des Schicht­dickenprofils und der resultierenden Reflexionsfarbe zum Vergleich.

© Foto Fraunhofer IST

Prozessparameter, simulierte Gasausnutzung und Beschichtungsrate im Vergleich mit dem Experiment.

Heißdraht-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (HWCVD) ist eine vielversprechende Alternative zu plasmabasierenden Abscheideverfahren für die Herstellung hochwertiger und defektfreier Beschichtungen auf großen Flächen. Am Fraunhofer IST wird dieses Verfahren insbesondere zur Herstellung von Diamant- und Silizium-basierenden Schichten eingesetzt. Mit einem Simulationsmodell können Schicht­dickenverteilung und Gasumsatz in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhergesagt und so der HWCVD-Prozess hinsichtlich Schichtdickenhomogenität und Gasausnutzung optimiert werden.

Modellierung des HWCVD-Prozesses

Beim HWCVD-Prozess werden im Gegensatz zu anderen Niederdruckbeschichtungsverfahren keine Plasmaentladung, sondern stromgeheizte Wolframdrähte eingesetzt, um die für die Beschichtung erforderlichen Zersetzungsreaktionen der Präkursoren zu initiieren. Um Silizium auf dem zu behandelnden Substrat abzuscheiden, wird z. B. Silan (SiH4) in den Reaktor eingelassen und an den Drähten bei Temperaturen von ca. 2000 °C in Silizium und Wasserstoff zersetzt. 

Zur modellhaften Beschreibung dieser Vorgänge muss die Gasströmung und der Teilchenumsatz an Drähten und Wänden abgebildet werden. Bei Si-Schichten mit SiH4 und NH3 als Prozessgas erfolgt die Abscheidung typischerweise im Druckbereich von 1 bis 10 Pa. Die auf Kontinuums-Strömungsdynamik basierenden Modellierungsverfahren werden bei derart niedrigen Drücken ungenau. Am Fraunhofer IST wird daher das partikelbasierende »Direct Simulation Monte Carlo« (DSMC)-Verfahren zur Beschreibung des HWCVD-Prozesses eingesetzt.

Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)

Beim DSMC-Simulationsverfahren werden einzelne repräsentative Gasmoleküle in Form von Partikeln betrachtet. In kurzen Zeitzyklen erfolgt abwechselnd die Bewegung aller Gasteilchen, deren Einsortierung in »Zellen« sowie die statische Behandlung der Teilchenkollision innerhalb derselben Zelle. Auf diese Weise wird effektiv die Boltzmann-Transportgleichung mit statistischen Methoden gelöst. 

Die Geometrie einer Beschichtungskammer wird in Form von vernetzten Wandflächen repräsentiert. Bei einem Bewegungsschritt werden Kollisionen zwischen Teilchen und Wänden berücksichtigt, die Teilchen können reflektiert werden oder chemische Reaktionen mit dem Material der Wand eingehen. Beim DSMC-Verfahren ist somit keine 3D-Vernetzung des gesamten Volumens erforderlich, es müssen lediglich die Wände in 2D-vernetzter Form vorliegen. Dies vereinfacht insbesondere die Beschreibung der dünnen Heizdrähte, deren Durchmesser unterhalb von 1 mm liegt, erheblich. Eine 3D-Vernetzung eines Volumens in der Größenordnung von 1 m3 bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Details im Submillimeter-Bereich ist dagegen nahezu unmöglich.

Beispiel: Silizium-Abscheidung auf einem Stahl-Substrat

Die Si-Abscheidung mittels HWCVD wird am Beispiel der In-line HWCVD-Anlage am Fraunhofer IST simuliert. Eine Beschichtungskammer dieser Anlage besteht aus einem Gasverteiler, einem Drahtfeld zwischen Gasverteiler und Substrat sowie dem 800 x 665 mm2 großen Stahl-Substrat. Der in den Experimenten verwendete SiH4-Fluss beträgt 90 sccm oder 150 sccm, der Prozessdruck wird auf 1 bzw. 2 Pa eingestellt. Die Drahttemperatur beträgt im Modell 2100 °C – bei dieser Temperatur erfolgt eine vollständige Zersetzung des Silans. Trotz des stark vereinfachten Reaktionsmodells besteht eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation (vgl. nebenstehende Abbildungen). Weiterführende Details finden sich in [Pflug2015]. 

Weiterführende Literatur: 

[Pflug2015] A. Pflug et al.: Modeling of gas flow and deposition profile in HWCVD processes, Thin Solid Films 595 (2015), pp. 266-271.