Schicht um Schicht zur gewünschten Eigenschaft

Die Frage beschäftigt Ingenieure schon seit langem: Wie lassen sich die Oberflächeneigenschaften eines Produktes auf ihre Funktion hin optimieren? Ausprobieren ist langwierig und teuer. Mit einer Simulation könnten die Parameter der Beschichtungsprozesse mit geringerem technologischen Aufwand ermittelt werden.

Auf der internationalen „Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, ICMCTF“ in San Diego/USA erhielt jetzt der Beitrag der Fraunhofer-Gesellschaft (Institute ITWM und IPA) sowie der Universitäten Stuttgart und Paderborn den Bunshah Award für die beste Fachveröffentlichung unter 700 Beiträgen aus 36 Ländern.

Die Frage beschäftigt Ingenieure schon seit langem: Wie lassen sich die Oberflächeneigenschaften eines Produktes auf ihre Funktion hin optimieren? Ausprobieren ist langwierig und teuer. Mit einer Simulation könnten die Parameter der Beschichtungsprozesse mit geringerem technologischen Aufwand ermittelt werden.

In einer Kooperation des Fraunhofer-ITWM in Kaiserslautern und dem IFF der Universität Stuttgart wurde ein molekular-dynamisches Schichtwachstumsmodell entwickelt, das in jeder Phase eines Beschichtungsprozesses eine Wechselbeziehung zwischen bestimmbaren Schichteigenschaften und Prozessparametern herstellt. Bis in den atomaren Bereich hinein, denn hier werden die Eigenschaften einer Oberfläche festgelegt, wird das Schichtwachstum messbar und damit auch steuerbar gemacht.

Dr. Peter Klein vom Fraunhofer ITWM, Dipl.-Ing. Bernhard Gottwald vom Institut für Industrielle Fertigung und Fabrik-betrieb der Universität Stuttgart, Prof. Frauenheim und Dr. Christof Köhler von der Universität Paderborn sowie Dr. Gemmler vom Fraunhofer IPA ist es damit erstmals gelungen, die Deposition von Kupferatomen auf Siliziumwafern in der Simulation mit dem tatsächlichen Beschichtungsprozess und dessen Anwendung in der Mikroelektronik zu koppeln.

Ein erster kleiner Schritt, der Großes für die Zukunft eröffnet. Mit diesem Ansatz auf Basis der Molekulardynamik-Methode kann langfristig ein Werkzeug für Schichten entwickelt werden, das die Morphologie und Eigenspannungen der Schichten in einer Weise steuern hilft, dass angepasste Schichtsysteme mit vorher festgelegten Eigenschaften für jede Lage der Schicht entstehen. Mit dem Schichtwachstumsmodell können die Parameter Leistung, Druck und Temperatur als Regelgrößen herangezogen werden, so dass die Beschichtungsprozesse auch bei variablen Prozessgrößen geführt werden können. Mit anderen Worten: Je nach verlangter Eigenschaft, kann die einzelne Molekülschicht aktiv gestaltet werden. Auf diese Weise wird Schicht für Schicht (bzw. Monolage für Monolage) die gewünschte Oberfläche realisiert.

Die Forschungsergebnisse wurden von den Wissenschaftlern auf der „Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, ICMCTF“ in San Diego/USA vorgestellt und nach einem anschließenden Evaluierungsverfahren als „Best Paper“ ausgezeichnet.