Oberflächen nach Maß
Modellierung von Plasmaprozessen
Plasmaprozesse verstehen und gezielt für Materialbearbeitung und Beschichtung nutzen
Das IOM entwickelt Modelle zur Beschreibung von Plasmaprozessen, um physikalische und chemische Vorgänge in Plasmen besser zu verstehen und gezielt zu steuern. Ziel ist es, die Wirkung von Plasmen auf Materialien und Oberflächen vorhersagbar zu machen und so Herstellungsprozesse zu optimieren.
Modellierung von Plasma- und Plasmachemieprozessen
- Entwicklung von Plasmaprozessmodellen auf Basis globaler Ansätze
- Beschreibung von Reaktionen in der Gasphase und an Oberflächen
Einsatz von Simulation und Künstlicher Intelligenz
- Nutzung von Machine-Learning-Methoden zur Beschleunigung von Simulationen
- Unterstützung datengetriebener Prozessoptimierung
Multiskalige Simulation und numerische Methoden
- Einsatz fluiddynamischer Modelle und Monte-Carlo-Simulationen
- Analyse von Prozessen über verschiedene Längen- und Zeitskalen
Projekte
Modellierung von Plasmafiltern zur Verdampfung von Mikropartikeln in einem Plasmafluss
Erosive Niedertemperatur-Plasmaquellen wie Vakuumbögen und lasererzeugte Plasmen ermöglichen hohe Abscheideraten, erzeugen jedoch partikelhaltige Plasmaflüsse, die die Schichtqualität beeinträchtigen können. Konventionelle mechanische und elektrophysikalische Filter entfernen zwar große Partikel, führen aber bei kleineren Partikeln zu einem starken Verlust an Abscheiderate. Ziel des Projektes ist die Modellierung des Verdampfungsprozesses von Partikeln durch Einbringen von hochenergetischen Elektronen in den Plasmafluss.
Gefördert durch DFG
KI-gestützte deterministische Plasmajet-Bearbeitung von optischen Oberflächen
Hochpräzise Optiken – wie Linsen und Spiegel für modernste Teleskope, Medizintechnik und Laseranwendungen – müssen mit nanometergenauer Präzision geformt werden. Ein Verfahren hierfür sind fluorbasierte Atmosphärendruckplasmajets, die Material an Oberflächen durch gezielte chemische Reaktionen abtragen. Der Plasmajet ist allerdings nicht nur Quelle reaktiver Teilchen, sondern auch eine lokale Wärmequelle. Die nichtlineare Abhängigkeit der Ätzrate von der Oberflächentemperatur macht den Prozess herausfordernd. Um das volle Potential des Verfahrens auszuschöpfen, werden zwei gekoppelte Modellierungsansätze entwickelt: ein hochauflösendes physikalisches Simulationsmodell auf Basis der Finite-Elemente-Methode, sowie die Nutzung eines KI-Modells für schnelle Vorhersagen. Das Ziel: präzisere Oberflächen, kürzere Prozessketten und ein deutlich ressourcenschonenderer Umgang mit reaktiven Prozessmedien.
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Forschungsbereich Ultra-Präzisionsoberflächen (link auf IOM Leipzig: Ionenstrahl- und plasmajetgestützte Ultrapräzisionsformgebung) bearbeitet. (DFG - GEPRIS - Machine-learning-gestützte deterministische Plasmajet-Bearbeitung von optischen Oberflächen - PlasmaJetControl)
Gefördert durch DFG
Bestimmung des Ionenflusses in PVD-Prozessen mittels Emissionsspektroskopie
Spokes – rotierende Plasmainstabilitäten beim Magnetronsputtern – beeinflussen die Homogenität von Dünnschichtabscheidungen erheblich, sind jedoch noch zu wenig verstanden, um sie gezielt kontrollieren zu können. Dieses Projekt charakterisiert ihre Dynamik durch die Kombination spektroskopischer und bildgebender Verfahren mit Ionenstrommessungen und erschließt verborgene Zusammenhänge in den Messdaten mittels KI-basierter Methoden. Ziel ist ein vertieftes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen – als Grundlage für eine gezielte Entwicklung und zuverlässige Kontrolle von Magnetronsputterprozessen.
Gefördert durch ZIM
Modellierung von dielektrischen Barriereentladungen an Atmosphärendruck
Atmosphärendruckplasmen bieten großes Potenzial für die gezielte Modifikation von Oberflächen. Die dabei entstehende Vielfalt reaktiver Spezies, die mit der Oberfläche wechselwirken, macht den Prozess jedoch schwer beherrschbar. Dieses Projekt begegnet dieser Komplexität durch die Modellierung der N₂/O₂-Luftchemie: Globale Modelle erfassen effizient die wichtigsten Reaktionspfade, Fluidmodelle liefern räumlich aufgelöste Einblicke in die Plasmadynamik. Gemeinsam schaffen sie die Grundlage für eine gezielte Entwicklung und Optimierung von Atmosphärendruckplasmaprozessen zur Modifizierung von Oberflächen.
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Forschungsbereich Barriere und Präzisionsschichten (link zu https://www.iom-leipzig.de/forschung/forschungsabteilungen/barriere-und-praezisionsschichten/photochemisch-initiierte-beschichtungsverfahren.html) bearbeitet.
Gefördert durch Sächsische Aufbaubank - SAB
Modellierung von Plasmafiltern zur Verdampfung von Mikropartikeln in einem Plasmafluss
Erosive Niedertemperatur-Plasmaquellen wie Vakuumbögen und lasererzeugte Plasmen ermöglichen hohe Abscheideraten, erzeugen jedoch partikelhaltige Plasmaflüsse, die die Schichtqualität beeinträchtigen können. Konventionelle mechanische und elektrophysikalische Filter entfernen zwar große Partikel, führen aber bei kleineren Partikeln zu einem starken Verlust an Abscheiderate. Ziel des Projektes ist die Modellierung des Verdampfungsprozesses von Partikeln durch Einbringen von hochenergetischen Elektronen in den Plasmafluss.
Gefördert durch DFG
Publikationshighlights
K. Barynova, N. Brenning, S. S. Babu, J. Fischer, D. Lundin, M. A. Raadu, J. T. Gudmundsson, M. Rudolph
Self-regulating electron temperature in high-power impulse magnetron sputtering discharges and its effect on the metal ion escape
Plasma Sources Sci. Technol. 34 (2025) 06LT01, https://doi.org/10.1088/1361-6595/adde82
Die Studie zeigt anhand von Modellierungen von 35 HiPIMS-Entladungen mit sieben Targetmaterialien, dass sich die Elektronentemperatur am Ende des Pulses durch eine selbstregulierende Balance zwischen Elektronenheizung und kollisionsbedingter Kühlung stabilisiert. Zudem ist die stationäre Elektronentemperatur, durch eine deutlich stärkere Kühlung der Elektronen in metallreichen Plasmen, invers mit der Sputterausbeute korreliert.
I. Litovko, M. Rudolph, A. Anders
A critical analysis of electron-beam evaporation of arc-produced macroparticles using an analytical model
J. Phys. D: Appl. Phys. 58 (2025) 505203, https://doi.org/10.1088/1361-6463/ae2035
Diese Arbeit untersucht quantitativ die Machbarkeit, kupferne Makropartikel im Mikrometerbereich in einem kathodischen Lichtbogenplasma mithilfe eines zusätzlichen Elektronenstrahls vollständig zu verdampfen. Analytische Modelle zeigen, dass Makropartikel mit einem Radius ≤ 1 µm unter typischen Lichtbogenbedingungen mit Elektronenstrahlen ab etwa 3 keV prinzipiell verdampfbar sind, wobei jedoch erhebliche praktische und wirtschaftliche Herausforderungen bestehen bleiben.
M. Rudolph, W. Diyatmika, O. Rattunde, E. Schuengel, D. Kalanov, J. Patscheider, A. Anders
Generating spokes in direct current magnetron sputtering discharges by an azimuthal strong-to-weak magnetic field strength transition
Plasma Sources Sci. Technol. 33 (2024) 045002, https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad34f7
Spokes sind Bereiche erhöhter Ionisation in Magnetron-Sputterentladungen, die in dieser Arbeit gezielt durch einen Übergang von einem starken zu schwachen Magnetfeld entlang des Racetracks erzeugt werden. Entstehende Spokes enthalten zusätzlich eine Modulation, die möglicherweise durch eine Diokotron-Instabilität erzeugt wird.
M. Rudolph, D. Kalanov, W. Diyatmika, A. Anders
Electron transport in high power impulse magnetron sputtering at low and high working gas pressure
J. Appl. Phys. 130 (2021) 243301, https://doi.org/10.1063/5.0075744
Das Magnetfeld im Magnetronsputtern verlängert die Aufenthaltszeit der Elektronen, kann jedoch bei niedriger Gasdichte den Elektronentransport zur Anode behindern, so dass Plasmainstabilitäten in Form von Spokes entstehen. Experimente und ein analytisches Modell zeigen, dass bei hoher lokaler Gasdichte der klassische Querfeldtransport ausreicht, wodurch Spokes verschwinden und Ansatzpunkte zur Prozessoptimierung entstehen.
M. Rudolph, A. Revel, D. Lundin, H. Hajihoseini, N. Brenning, M. A. Raadu, A. Anders, T. M. Minea, J. T. Gudmundsson
On the electron energy distribution function in the high power impulse magnetron sputtering discharge
Plasma Sources Sci. Technol. 30 (2021) 045011, 10.1088/1361-6595/abefa8
Die Arbeit kombiniert das Ionisationszonenmodell (IRM) und das OBELIX-Modell zur Untersuchung der Elektronenkinetik in HiPIMS-Entladungen und zeigt, dass die Annahme einer bi-maxwellschen Elektronenenergieverteilung mit kalten Volumenelektronen und heißen Sekundärelektronen eine sehr gute Näherung für HiPIMS Entladungen darstellt.
Ausstattung
Die Modellierung von Plasmaprozessen stützt sich auf folgende Codes:
Ionization Region Model – Globale Modellierung von Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputter-Entladungen (gemeinsame Entwicklung mit Prof. D. Lundin, link: Daniel Lundin - Linköping University, Prof. J. T. Gudmundsson, link: Jón Tómas Guðmundsson | University of Iceland)
Plasmachemiemodelle – Globale Plasmachemie-Modellierung (gemeinsame Entwicklung mit Prof. Minea, link: LPGP, Prof. J. T. Gudmundsson, link: Jón Tómas Guðmundsson | University of Iceland)
Monte Carlo Feature Profile Model (MCFPM) – Monte-Carlo Modellierung von plasmagestützten Ätzprozessen (entwickelt von Prof. M. J. Kushner, link: Mark Kushner Group - University of Michigan)
NONPDPSIM – Fluiddynamische Modellierung von Atmosphärendruckentladungen (entwickelt von Prof. M. J. Kushner, University of Michigan, link: Mark Kushner Group - University of Michigan)
Themen Promotions- Master- und Bachelorarbeiten
Entwicklung von Plasmaprozessmodellen
Klassische Plasmasimulationen sind oft rechnerisch sehr aufwendig. Durch geschickte Nutzung von Näherungen und unter Einsatz von Methoden der Künstlichen Intelligenz, lassen sich effiziente Modelle bauen. So können komplexe Mechanismen in Plasmaentladungen aufgeklärt werden. Eine Anwendungsmöglichkeit ist die Plasmakonversion von organischen Präkursoren zu anorganischen Schichten (Link zu FB2).
Entwicklung plasmachemischer Modelle
Die Beschreibung von plasmachemischen Prozessen ist durch die Vielzahl an möglichen angeregten und ionisierten Zuständen für jede chemische Spezies äußerst komplex. Dazu kommt eine Vielzahl an Reaktionen zwischen den Zuständen mit häufig fehlenden oder ungenauen Daten. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz können relevante Reaktionspfade methodisch robust identifiziert werden. Anwendungsmöglichkeit sind der Abbau von Schadstoffen aus der Luft oder die Plasmakatalyse von einfachen Molekülen zu wertvollen Grundchemikalien.
Modellierung von Plasmaentladungen
Die Modellierung von Plasmaentladungen ist ein essenzieller Baustein zum ganzheitlichen Verständnis von Plasmaprozessen. Dabei kommen globale und/ oder fluiddynamische Ansätze zum Einsatz – abhängig von der Anwendung. Zur Validierung werden experimentelle Ergebnisse genutzt.
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