Forschungsschwerpunkt: Simulation der Schichtabscheidung für gesputterte Schichtsysteme mit Hilfe der Molekulardynamik-Methode (MD)
Spezifische Merkmale des Sputterprozesses
Für diesen Beschichtungsprozess wird ein Edelgas (meist Argon) bei einem Druck von unter 1Pa in die Beschichtungskammer eingelassen. Durch Anlegen einer Gleich oder Wechselspannung wird in dem Gas eine Glimmentladung gezündet. Die Kammerwände sind dabei anodisch geschaltet, das Beschichtungsmaterial (Target) kathodisch. Die in der Glimmentladung erzeugten Ionen werden auf das negative Target beschleunigt und schlagen aus diesem vornehmlich durch Impulsübertragung Atome oder Moleküle heraus: Die zerstäubten Teilchen expandieren ihn die Vakuumkammer und kondensieren auf den Substraten, aber auch auf den übrigen Oberflächen der Kammer.
Die Entwicklung von Beschichtungsprozessen sowie der Betrieb von Beschichtungsanlagen sind weitgehend gekennzeichnet durch empirische Vorgehensweisen. Die im Versuchslabor für bestimmte Schichten ermittelten Prozessparameter lassen sich nur schwer auf den industriellen Prozessmaßstab übertragen. In der Produktion selbst können die Schichteigenschaften nur unzureichend aus den von außen einstellbaren Prozessparametern vorhergesagt werden.
Kennzeichen des Forschungsvorhabens
Ziel des Forschungsvorhabens von IFF und Fraunhofer ITWM ist daher die Entwicklung eines Simulationswerkzeuges zur Beschreibung des Abscheideprozesses von gesputterten Schichtsystemen auf Basis der Molekulardynamik-Methode. Der Fokus dieses Werkzeuges liegt auf der Berechnung der Prozess- und Materialdaten. Es soll zur direkten Korrelierung atomistischer und prozessrelevanter Kenngrößen mit bestimmbaren mesoskopischen Schichteigenschaften führen.
Molekulardynamisches Modell
Das zu entwickelnde molekulardynamische Modell des Schichtwachstums verknüpft die
- für die Molekulardynamik relevanten Inputparameter wie atomare Wechselwirkungen,
- prozessrelevanten Kenngrößen wie Teilchenströme, Energiedichten und Prozesstemperaturen sowie
- material- und ingenieurwissenschaftlich relevanten Kenngrößen wie Gitterfehlpassung, Gitterrelaxation, Eigenspannungen und Adhäsion.
Das Simulationstool wird am Beispiel von Kupfer und Silizium aufgebaut. Siliziumwafer fungieren dabei als exakt definierte Substratmaterialien. Kupfer wird als Schichtwerkstoff verwendet. Wie die derzeitigen Entwicklungen in der Halbleitertechnik zeigen, fordert die weitere Miniaturisierung der Leiterbahnen den Ersatz des Leitermaterials Aluminium durch das wesentlich besser leitfähige Kupfer.
Weiterhin gibt es in der Literatur, sowohl simulationstechnisch als auch experimentell nur wenige weiterführende Untersuchungen zum Einfluss einer Substrattopographie auf die Schichtbildung; in der bisherigen Grundlagenforschung wurden atomar glatte Substrate oder atomar glatte Terrassen verwandt. Da die in der Praxis verwendeten Substrate meist nicht solchen idealisierten Anforderungen entsprechen und sicherlich nur in der Halbleitertechnik erfüllt werden, soll im vorliegenden Forschungsvorhaben auch dieser Aspekt für die Schichtbildung berücksichtigt werden.
Bild: Prozessschema des Sputterprozesses nach Westkämper und Gottwald
Beschichtungsversuche für das Prozessmodell
Das Prozessschema des Schichtwachstums ist in Bild 1 dargestellt. Externe Parameter, sowie Temperatur und Oberflächenzustand des Substrates sind vollständig kontrollierbare Variationsgrößen. Die sich einstellenden Massen- und Energieströme an der Grenze von Substrat zur Gasphase können experimentell sehr gut gemessen werden (Bild 2).
Um Schichten hoher Qualität herzustellen ist ein qualitatives und quantitatives Verständis der Kinetik des Schichtaufbaus auf unterschiedlichsten Substraten Voraussetzung für die gezielte Einstellung der Grenzflächenbedingungen. Die aufgewachsenen Schichten sowie die Kinetik des Wachstumsprozesses werden daher als Funktionen der Grenzflächenbedingungen charakterisiert (Bild 3). Insbesondere sind die mechanischen und thermischen Eigenschaften der aufgewachsenen Schichten direkt von den mesoskopischen Schichtaufbauparametern abhängig. Um Schichten hoher Qualität herzustellen ist ein qualitatives und quantitatives Verständnis der Kinetik des Schichtaufbaus auf unterschiedlichsten Substraten Voraussetzung für die gezielte Einstellung der Grenzflächenbedingungen.