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Grundlegende Ansätze zur Modellierung und Simulation von Beschichtungsprozessen am Beispiel von PVD-Kupfer
(2006) Gottwald, Bernhard; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die technische Oberfläche kann allgemein als die Grenzfläche eines Erzeugnisses zu seiner Umwelt definiert werden. Die Beschichtungstechnik ist daher von großer Bedeutung für die Erweiterung der Einsatzbereiche und des Leistungsvermögens eines Erzeugnisses. Langfristiges Ziel muss es sein, komplexe Schicht-Substrat-Systeme zukünftig schneller und optimierter an gewünschte Funktions- und Belastungsprofile in der Nutzung anpassen zu können. Dieses Engineering setzt einen ganzheitlichen Ansatz voraus bei dem die Auswahl der zugrunde liegenden Simulationsmethodik, der untersuchte Beschichtungsprozess und das eingesetzte Materialsystem sowie die ingenieurswissen¬schaftliche Praxisrelevanz eng aufeinander abzustimmen sind. Unter dieser Prämisse wurde mit dieser Arbeit die Grundlage für das Engineering von Beschichtungsprozessen auf Basis der Molekulardynamik-Methode (MD) geschaffen. Es ermöglicht die gezielte Konstruktion von Schicht-Substrat-Systemen. Das MD-Modell des Schichtwachstums setzt sich zusammen aus den Wechselwirkungs¬potentialen für das gewählte Schicht-Substrat-System Kupfer/Silizium(111), dynamischen Gleichungen für das isotherm-isobare Ensemble, mesoskopischen Observablen und lokalen Druck- und Temperaturrandbedingungen. Die Wechselwirkungspotentiale werden aus der Dichtefunktionaltheorie und der Tight-Binding-Methode abgeleitet. Die Einführung mesos¬kopischer Observabler ist notwendig, um die molekulare Dynamik durch ingenieurs¬relevante Parameter interpretieren und mit experimentell messbaren Prozessgrößen und Schichteigen¬schaften vergleichen zu können. Als wichtigste Observable für das Schichtwachstum werden die Eigenspannungen ermittelt. Sie bestimmen die mechanischen Schichteigenschaften wie die Haftfestigkeit, die Härte und den Verschleiß, aber auch deren elektronische Eigenschaften wie die Verlagerung von Bandlücken und die magnetische Anisotropie. Die Eingangsgrößen des MD-Modells sind, neben den Potentialen, der schichtbildende Teilchenfluss, der Prozessdruck und die Substrattemperatur. Diese wurden mit einem Massenspektrometer samt Energieanalysator (Plasmamonitor), einem Schwingquarz- und einem Druckmessgerät sowie einem Thermoelement erfasst. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Start der Kupferkeimbildung auf dem Siliziumsubstrat untersucht. Die bei Raumtemperatur (296,15 K) mit bis zu fünf Kupfer-Atomen pro Simulationsbox durchgeführten Simulationsversuche zeigen, dass es in dieser Frühphase der Beschichtung nicht zur Ausbildung von Kupferkeimen kommt. Vielmehr werden die abge¬schiedenen Kupfer-Atome direkt in die Siliziumoberfläche eingebaut. Dieser Effekt wird mit der entwickelten Simulationsmethodik überprüft. Dazu wird, zum Vergleich, künstlich in der Simulation ein Kupfer-Dimer, als Voraussetzung zur Keimbildung, an der Siliziumoberfläche angelagert, und dieser mit zwei einzelnen in enger Nachbarschaft im Silizium implantierten Kupfer-Atomen verglichen. Der Vergleich der Ergebnisse ergibt eine um 0,7 eV höhere Energie für das adsorbierte Kupfer-Dimer, also eine niedrigere thermodynamische Stabilität als beim eingebauten Kupfer. In der technischen Praxis hat dies in vielen Fällen den Einsatz von Barriereschichten auf Silizium zur Folge. Zur Evaluierung der Simulation werden die abgeschiedenen Kupferschichten hinsichtlich ihrer Eigenspannungen, Rauheiten und chemischen Zusammensetzungen analysiert. Die Ergebnisse der Eigenspannungssimulationen zeigen, dass die Deposition der ersten Kupfer-Atome in der Startphase der Beschichtung in der, vorher weitgehend spannungsfreien, Siliziumoberfläche Zugspannungen zwischen 350 und 640 MPa induziert. Im Gegensatz dazu werden experimentell für Schichtdicken bis zu 60 nm Schichteigenspannungen von 80-180 MPa röntgenografisch gemessen. Eine endgültige Klärung der beträchtlichen Eigen¬spannungsdifferenzen in den Grenzbereichen von Substrat und Schicht werden Simulationen auf längeren Zeitskalen ergeben. Die plausiblen quantitativen Ergebnisse des entwickelten molekulardynamischen Modells erlauben somit derzeit die Beschreibung des Beschichtens bis zur Ausbildung von Keimen auf der Nanometerskala. Ein Engineering auf Basis der MD kann daher für die Startphase der Beschichtung verfolgt werden.