Simulation von Schichtmorphologie und Schichtstöchiometrie

Simulation

Simulation von Schichtmorphologie und Schichtstöchiometrie

Vergleich von REM-Aufnahmen und simulierter TiO2-Schichtmorphologie (Software »NASCAM«, Universität Namur, [Lucas2010]).
© Fraunhofer IST
Vergleich von REM-Aufnahmen und simulierter TiO2-Schichtmorphologie (Software »NASCAM«, Universität Namur, [Lucas2010]).
Vergleich der simulierten und experimentell ermittelten Schichtstöchiometrien.
© Fraunhofer IST
Vergleich der simulierten und experimentell ermittelten Schichtstöchiometrien.

Schichtmorphologie

Um die simulierten und die experimentellen TiO2-Schichtmorphologien zu vergleichen, wurden am Fraunhofer IST zunächst das Schichtdickenprofil in der Anlage sowie die Winkel- und Energieverteilungen von auf unterschiedlichen Stellen am Substrat eintreffenden Teilchen bestimmt. Diese Winkelverteilungen wurden als Eingangsgröße an die Software »NASCAM« [Lucas2010] zur Modellierung des Schichtwachstums mittels der kinetischen Monte-Carlo-Methode (kMC) weitergegeben. Ein Querschnitt der experimentellen Schichten wurde außerdem mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) analysiert. Die nebenstehende Abbildung zeigt, dass die Simulation gut mit dem Experiment übereinstimmt und je nach Position die Schichtmorphologie auf dem Substrat variieren kann.

Schichtstöchiometrie

Um die Schichtstöchiometrie, also das Verhältnis von Titan- zu Sauerstoffatomen, zwischen Simulation und Experiment zu vergleichen, wurden für ausgewählte O2-Flüsse (2, 4, 6 und 8 sccm) Strömungssimulationen (DSMC) durchgeführt. Außerdem wurden Schichtwachstumssimulationen mittels kMC über einen weiten Bereich von Flüssen vorgenommen. Anschließend wurde die Schichtstöchiometrie bestimmt und zusätzlich experimentell hergestellte Schichten mittels Rutherford-Backscattering (RBS) untersucht. Die nebenstehende Grafik zeigt, dass die Ergebnisse aller drei Methoden gut übereinstimmen.

Simulationskompetenz am Fraunhofer IST

Die am Fraunhofer IST entwickelte parallelisierte Simulations­umgebung wurde für thermische Verdampfungs-, Magnetron-Sputter- und CVD-Prozesse im Niederdruckbereich optimiert. Sie ermöglicht die Beschreibung der Prozesskinetik in realistischen 3D-Reaktorgeometrien. Durch Anknüpfung an weitere Simulationsverfahren zum Schichtwachstum lassen sich intrinsische Schichteigenschaften wie Dichte, Struktur und optische Eigenschaften vorhersagen.

Weiterführende Literatur 

[Lucas2010] S. Lucas, P. Moskovkin, Thin Solid Films 513 (2010) 5355-5361.

 

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