Mit Solidworks Löcher bohren am Rande der Quantenmechanik

Für die Herstellung eines Transistors muss ganz gezielt Halbleitermaterial abgetragen (etwa durch Plasma-Ätzen) oder hinzugefügt werden, damit die gewünschten Schalteigenschaften erzielt werden können. Ganz groß im Kommen ist dafür das „additive“ Verfahren Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD). PAELD garantiert optimale Prozesssicherheit, sodass Oberflächen mit höchster Homogenität erzeugt werden können. Andernfalls können Leckströme die gewünschten ultrakurzen Schaltzeiten vereiteln.

Der Diplomphysiker Stephan Wege ist seit über zwei Dekaden im hochinnovativen Umfeld der Chip-Herstellung aktiv. Seine beruflichen Stationen waren bei den namhaften Chipherstellern Siemens Microelectronic, Infineon und Qimonda. Dabei hat sich der Physiker eine enorme Expertise für Ätz- und Plasma-Anwendungen angeeignet und diese dann in einer eigenen Unternehmung, der plasway-Technologies GmbH (Bannewitz bei Dresden, Sachsen), gebündelt. plasway-Technologies fertigt Komponenten und komplette Reaktorkammern auf dem Gebiet der plasmagestützten Abscheidung und des Ätzens (PEALD und ALE: Atomic Layer Etching).

Stephan Wege entwickelt derzeit gemeinsam mit einem Team von fünf Mitarbeitern eine PEALD-Demonstrationsanlage mit beachtlichem Potential. Bei der CAE- Methodenberatung und dem Softwarevertrieb vertraut plasway auf die Kompetenz und Unterstützung der DPS Software GmbH. Als Tools kommen Solidworks 3D-CAD und Solidworks Flow Simulation zum Einsatz sowie neuerdings auch EMWorks.

Meisterleistung mithilfe von Solidworks

Bei plasway-Technologies entsteht eine PEALD-Demonstrationsanlage, die mit ungewöhnlich großem Durchsatz arbeiten kann. Zu den Aufgaben von Solidworks Flow Simulation gehörte beim Engineering der Anlage die Beantwortung der Frage: Wie lässt sich das (Plasma-Gas) effektiv in die Kammer einschießen und schnell wieder absaugen?

Über eine Anordnung von insgesamt 48 Düsen wird das Gas in den Reaktor geschossen. „Wir haben die Abstrahlcharakteristik der Düsengeometrien gemäß den Ergebnissen von Solidworks Flow Simulation optimiert. Hierzu haben wir das gesamte Reaktor-Design in der Modellierung berücksichtigt“, erklärt Stephan Wege.

Vor der Einführung von Solidworks Flow Simulation hatte Stephan Wege ein anderes Tool für die Strömungssimulation benutzt. „Es hatte zwar gute Analyseergebnisse geliefert, aber der Aufbau der Geometrie innerhalb des Tools war sehr mühsam. Die integrierte Design- und Analyseumgebung von Solidworks ist da von ganz anderer Qualität, erlaubt sie doch eine viel effizientere Suche nach der besten Lösung“, hebt der Geschäftsführer hervor. Ins Gewicht fällt dieser Aspekt auch deswegen, weil sehr viele Berechnungsläufe durchgeführt wurden und das Design immer wieder angepasst werden musste.

Alles unter Kontrolle

Als Prozessgas zum Ätzen von Silizium wird SF₆ in einen Argon-Strom ein- geschossen und durch ein Plasma in Fluor (F) aufgebrochen. Die Fluor-Radikale adsorbieren auf der Siliziumoberfläche und verbinden sich schließlich mit dem Silizium. Im Anschluss wird das Si-angereicherte „Abgas“ entfernt, wodurch wieder ist eine Atomlage „abgetragen“ ist. Eine sehr leistungsfähige Turbopumpe, unter dem Reaktor befestigt, sorgt für das ultraschnelle Absaugen und die Herstellung eines Quasi-Vakuums für den nächsten Abtragevorgangs. Auch der Einsatz der Turbopumpe wurde mit Solidworks Flow optimiert. Der Engineering-Aufwand trug Früchte: „Wir sind mit unserem Design aller Voraussicht nach um den Faktor 5 bis 10 schneller als das, was sonst üblich ist.“

Gewusst, wie

„Wolfgang Müller von DPS hat mir bereits in der Anfangszeit im Umgang mit Solidworks Flow Simulation sehr dabei geholfen, den Gasring zu optimieren. So hat er mir Tricks beigebracht, um die FE-Methode zielführend für den Modellaufbau anzuwenden“, erklärt Stephan Wege. Auch bei der Wahl der Geometrie der Vernetzungselemente gab Wolfgang Müller wertvolle Tipps, meint der Geschäftsführer anerkennend. „Das Gute an Solidworks ist auch, dass es 64 CPU-Kerne und 128 Threads bei Rechnungslauf voll unterstützt. Ausgestattet ist die Workstation mit einem 256-GBit-RAM-Speicher und einer sehr schnellen SSD-Festplatte, sodass eine vollständige Kammersimulation lediglich etwa zehn Stunden beträgt“, sagt Stephan Wege zufrieden.

Fazit

„Wolfgang Müller von DPS Software stand uns an vielen Stellen der Designanalyse stets helfend zur Seite, obwohl wir ihn mit unseren Fragen auch ganz schön gefordert haben“, sagt Stephan Wege begeistert. Doch hat die Geschichte mit der Nutzung von Solidworks-Produkten bei plasways erst ihren Anfang genommen. Stephan Wege nutzt inzwischen die elektromagnetische Simulationssoftware EMWorks zur elektrostatischen Analyse, um einen sogenannten Electrostatic Chuck (elektrostatische Spannvorrichtung) für die Reaktorkammer zu entwerfen und schließlich herzustellen. Auch bei der Nutzung von EMWorks überraschte DPS Software mit hilfreichen Empfehlungen.

Autor: Dr. Bernhard Valnion, Fachjournalist

www.plasway-technologies.de
www.dps-software.de/…