Simulation von Plasma-Beschichtungsprozessen

Plasmagestützte Beschichtungsverfahren sind eine gemeinsame Schlüsselkomponente zur Herstellung funktionaler Bauteile in unterschiedlichen Technologien. Beispiele sind wärmedämmende Architekturverglasungen, Kratzschutzschichten, präzisionsoptische Filter aber auch funktionale Schichten, z. B. in der Halbleitertechnik, Photovoltaik, Display-technologie und in der Batterietechnik. In den meisten Technologien geht der Trend hin zu höherer Produktivität bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an Komplexität, Präzision und Reproduzierbarkeit der involvierten Beschichtungsverfahren. Die experimentelle Entwicklung neuer Beschichtungsprozesse stellt insbesondere bei großen, komplexen Beschichtungsreaktoren eine Herausforderung dar und ist mit hohen Kosten, Risiken und Anlagenstillstandszeiten verbunden. Aus diesem Grund gewinnt die Simulation plasmagestützter Beschichtungsverfahren zunehmend an Bedeutung, da somit die Anzahl von Vorversuchen und Prototypen erheblich reduziert werden kann. Am Fraunhofer IST wurde hierzu eine eigenständige, parallele Softwareumgebung entwickelt, mit der das "Direct Simulation Monte Carlo" (DSMC) - Verfahren zur Modellierung von Gasströmungen im Niederdruckbereich sowie das "Particle-in-Cell Monte-Carlo" (PIC-MC)-Verfahren zur Beschreibung von Gasentladungen umgesetzt werden kann. Die partikelbasierte Herangehensweise ist zur Beschreibung der kollektiven Vielteilchendynamik im Niederdruckbereich unumgänglich, kommerziell stark verbreitete Kontinuumsdynamik-Programme sind in diesem Bereich nicht anwendbar. Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele der DSMC / PIC-MC Simulation aus dem Bereich Vakuumtechnik und Magnetron-Sputtern im Vergleich mit experimentellen Ergebnissen vorgestellt sowie Möglichkeiten zur gezielten Prozessoptimierung aufgezeigt.

Plasma-enhanced coating processes together form a key element in the manufacture of functional components in a wide range of technologies. Typical examples are thermal barrier coatings in architectural glazing, scratch-resistant coatings, precision optical filters and also functional coatings e.g. in semiconductor technology, photovoltaics, display technology and in the battery industry. In the case of most of these technologies, there is a trend to increased productivity while at the same time increasing demands in terms of complexity, precision and reproducibility of these coating processes. Experimental developments in new coating processes emphasise in particular large and complex reaction chambers and this is associated with high costs, risks and unplanned downtime. For these reasons, simulation of plasma enhanced coating processes is increasingly important in that it reduces the number of trials and prototypes required. At the Fraunhofer IST, a stand-alone software package was developed to address this requirement. The Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) process models gas fl ows at low pressures, also using the "Particle-in-Cell Monte Carlo" (PIC-MC) approach to describe the gas discharge reaction. This strategy, based on modelling of particles, is ideal for characterising the overall multi-particulate dynamics taking place at low pressures. The widely used, commercially-available continuum dynamics software programs are not applicable in this situation. In this article, application examples will be presented of DSMC/PIC-MIC simulations for a range of vacuum coating and magnetron sputtering technologies and compared with experimental results, as well as the use of this approach for process optimisation.