Numerische Berechnungen zur Beschichtung granularer Materialien in einer Magnetron-Sputteranlage

Abstract

Bei der Herstellung moderner Hochleistungskühlkörper für Hochleistungs-Halbleiterschaltelemente kommen im Sinterverfahren hergestellte Diamant-Kupfer Verbundmaterialien zum Einsatz. Diese Materialien vereinigen hohe Wärmeleitfähigkeit mit geringer thermischer Ausdehnung und können direkt an der halbleitenden Schicht ohne störende Zwischenschichten angebracht werden. Um die Einbettung des Diamantpulvers (Korndurchmesser 50-200um) im Kupfermaterial bzgl. des Fertigungsprozesses und auch bzgl. der Kopplung der unterschiedlichen Wärmeleitmechanismen in Diamant und Metall zu verbessern, werden spezielle Zwischenschichtmaterialien am Diamantgranulat aufgebracht. Ein hierfür mögliches Verfahren ist die Gasphasenabscheidung in der Ausführung des Magnetron-Sputterns. Ziel dieser Diplomarbeit war es, ein mathematisches Modell zur numerischen Schichtdickenberechnung am Diamantgranulat zu entwickeln und damit eine Optimierung des Beschichtungsprozesses durchzuführen. Insbesondere sollte auf die Bewegung des Diamantgranulates (Durchmischung, Abrieseln, teilweise Überdeckung) eingegangen werden. Als Referenzsystem diente eine am Institut für Festkörperphysik, Arbeitsgruppe Dünne Schichten der Technischen Universität Wien entwickelte Analge zur Beschichtung granularer Materialien.<br />Es wurde eine allgemeine differentialgeometrische Methode zur Berechnung der Teilchenemission von flächenhaften Sputtertargets unter Berücksichtigung der speziellen Quelleneigenschaften und der Abscheidung der Teilchen an beliebig orientierten Substratflächenelementen entwickelt. Weiters wurde die Bewegung eines frei beweglichen Teilchens in den Substratschalen der Anlage durch eine Verknüpfung von epizyklischer Drehbewegung und stochastischen Methoden dargestellt. Die Implementierung der aufgestellten Berechnungsmethoden erfolgte im Computeralgebrasystem Mathematica 6.0.<br />Die so entwickelte Berechnungsmethode wurde für plane Substrate, für einzelne Teilchen und für ganze Granulatsysteme am Experiment überprüft.<br />Für die experimentelle Schichtdickenbestimmung kam ein speziell in der Arbeitsgruppe Dünne Schichten entwickeltes Verfahren zur photometrischen Schichtdickenbestimmung metallischer Einfachschichten mittels Durchlichtscanner zum Einsatz. Die so entwickelte Berechnungsmethode der Schichtdicken am Diamantgranulat stellte sich als sehr zuverlässig bei Variation aller möglichen Prozessparameter heraus.<br />

Diamond copper sinter materials have outstanding properties in the area of thermal conductivity and thermal expansion. A very high thermal conductivity is paired with a very low thermal expansion.<br />Therefore these materials can be used in cooling devices for high power semiconducter switching devices. To increase the thermal coupling between the diamond powder and the copper material, it is necessarry to coat the diamond powder mit special coupling materials. The physical vapour deposition techniques provide plenty of possible process to coat the diamond powder with these materials. The chosen process is magnetron sputtering, implemented in a special sputter unit, providing the possibility of powder mixing in the vacuum chamber.<br />Aim of this thesis is to construct a mathematical model of the coating process regarding the optimazation of coating thickness on the diamond powder. Special weight is given to the description of the mixing of the diamond powder and the coresponding processes.<br />A general, differential geometric approach is taken to model the evaporation process and the depositon on the diamond granulate. The characteristics of magnetron sputter sources and the geometric parameters of the sputter unit are considered in detail. In addition the mixing motion is implemented in form of epicyclic rotations and partial screening of the diamond powder in the mixing bowls. This algorithm is implemented by using the numerical methodes of mathematica 6.0.<br />The results of the calcuation model are verified for plane substrates, single substrate spheres in the mixing bowls and for real diamond powder. Mesurement of the coating thickness is done by a photometric procedure. The simulation corresponds well to the experimental results.<br />