Aufbau der Methodik zur Optimierung der Schichtdickenverteilung in

Bei der reinen Simulation der primären Stromdichteverteilung werden die elektrochemi-schen Abläufe nicht berücksichtigt, weshalb sich, je nach Streufähigkeit eines Elektrolyten, Abweichungen zwischen primärer Stromdichteverteilung und Schichtdickenverteilung

einstellen können. Eine Optimierung kann zwar immer über die primäre Stromdichtever-teilung erfolgen, durch den Einfluss der Elektrolytstreufähigkeit ist jedoch die Prognose einer bestimmten Schichtdickenverteilung auf dieser Art nur eingeschränkt möglich (siehe dazu die beschriebenen Zusammenhänge in Abschnitt 3.2). Die Simulation aller elektro-chemischen und hydrodynamischen Einflüsse (sekundäre und tertiäre Stromdichtevertei-lung) ist sehr aufwändig (siehe (Paatsch 2010, S. 113)) und im Planungsprozess einer An-lage auf Grund der fehlenden Daten auch meist nicht ohne weiteres möglich. Zur Absi-cherung einer Beschichtungs- und Anlagenplanung ist somit eine Möglichkeit zur Schicht-dickenprognose wünschenswert, welche einfach nutzbar ist und ausreichend genaue Da-ten liefert.

Wie in Kapitel 3.2.4 erwähnt, wurde im Rahmen von Forschungsprojekten die Erarbeitung von Kennlinien für die gesamte Schichtabscheidung untersucht. Die dort vorgestellten Ansätze sind in der Praxis jedoch noch nicht verfügbar und können somit auch für diese Arbeit nicht genutzt werden. Eine leichter durchführbare Methode ist daher ein erstre-benswertes Ziel im Rahmen dieser Arbeit.

Es wird ein deutlich vereinfachter Ansatz generiert, welcher mit einfachen praxistaugli-chen Mitteln eine Korrekturfaktorfunktion ergibt und sich rein auf die Schichtdickenver-teilung konzentriert. Über die Durchführung experimenteller Versuche mittels des in 3.2.2 vorgestellten Beschichtungsstands und des zugehörigen Profilkörpers werden die Zusam-menhänge zwischen Schichtdicke und primärer Stromdichte analysiert. Aus diesen Daten werden die Korrekturfaktorfunktionen und damit die Kennlinien bezüglich der Schichtdi-ckenverteilung ermittelt. Die übrigen Schichteigenschaften werden nicht betrachtet.

Durch die Verrechnung der Korrekturfaktorfunktion mit der simulierten primären Stromdichteverteilung wird eine neue Verlaufslinie generiert, welche eine verbesserte Ein-schätzung der zu erwartenden Schichtdickenverteilung ermöglicht.

Die erstellte Methodik in Abbildung 7.4 zeigt den zweigliedrigen Ansatz mit Berechnung und experimenteller Untersuchung. Im links dargestellten Zweig wird vor der eigentlichen Optimierung ein Simulationsmodell mit den verfügbaren Geometriedaten aufgebaut und eine bauteilspezifische Auswertung definiert. Die Geometriedaten stammen dabei aus den ersten Konzepten bzw. Entwürfen der anderen Entwicklungssegmente (Vorrichtung,

Anlage) und werden bei Änderungen entsprechend aktualisiert. Bei der Klärung des Si-mulationsvorgehens werden die relevanten Berechnungsaspekte geplant. Insbesondere bei einer 2D-Simulation müssen die genauen Längs- und Querschnitte definiert und die Abstraktion auf die wesentlichen Modellelemente definiert werden, aber auch im 3D-Bereich werden zur Reduzierung der Knotenanzahl üblicherweise Details vernachlässigt oder vereinfacht, sofern sie nicht für eine Aussage relevant sind (beispielsweise Bohrungen oder Fasen an einzelnen Geometrien).

Beim experimentellen Zweig besteht nach der Klärung der notwendigen Beschichtungs-daten (d. h. verwendete Elektrolyte, Abscheideparameter wie Stromdichte, Temperatur usw.) die Option, auf vorhandene Daten zurückzugreifen, falls nutzbare experimentelle Untersuchungen bereits durchgeführt wurden. Bei der Durchführung neuer Versuche wird die Auswertung in geeigneter Weise zur Bildung der Kennlinien durchgeführt, dies wird in den nachfolgenden Abschnitten 7.4.2 und 7.4.3 eingehender beschrieben.

Abbildung 7.4: Entwickelte Methodik zur Schichtdickenprognose und Optimierung der

Anschließend werden die Vorarbeiten zur weiteren Bearbeitung kombiniert. Das eigentli-che Simulationsmodell wird aufgebaut und die Auswertung definiert. Eine möglichst durchdachte und aussagekräftige Definition der auszuwertenden Daten (Punktewerte, Verläufe, Mittelwerte etc.) erlaubt eine während der gesamten Entwicklungszeit ver-gleichbare Analyse der Daten, die Bauteilbereiche mit besonderen Toleranzanforderungen sind vorrangig zu behandeln. Es werden möglichst aussagekräftige Werte aus den Rech-nungen extrahiert, welche eine qualitative und quantitative Bewertung bei der Gegen-überstellung von Berechnungen erlauben. In den Iterationsschleifen sollte die Auswertung zwar geprüft werden, da eine Veränderung aber ggfs. die Vergleichbarkeit zwischen ein-zelnen Rechnungen erschwert, sollte eine Anpassung der Auswertungsdefinition mög-lichst selten vorgenommen werden.

In einem iterativen Zyklus wird mittels der experimentell ermittelten Kennlinien und der errechneten primären Stromdichteverteilung eine Schichtdickenprognose erstellt. Diese Vorhersage kann bewertet und mit der geforderten Zielsetzung verglichen werden. Ist eine Zielerreichung anhand der Daten nicht plausibel, müssen die Beschichtungsverhält-nisse verändert werden. Da bei einer Modifikation der Verfahrenstechnik ggfs. die Schich-teigenschaften ebenfalls verändert werden, ist die Optimierung des Verfahrensraums, d. h. der geometrischen Verhältnisse notwendig. Mittels der in 7.4.4 dargestellten Ein-flussmöglichkeiten wird die primäre Stromdichte bis zur plausiblen Zielerreichung der prognostizierten Schichtdickenverteilung optimiert. Hierbei sind gegenseitige Einflüsse der mechanischen Konstruktion und der notwendigen Komponenten zur Stromdichtemani-pulation zu berücksichtigen, da alle physischen Teile auch Bestandteil der Vorrichtungs-technik / Bauteilaufnahme oder des Beschichtungsbads sind.

Diese Optimierungszyklen sind in zwei Stufen aufgeteilt. In der ersten Stufe wird das Kon-zept grob geprüft und bei einer plausiblen Zielerreichung für die konstruktive Detaillierung freigegeben. Sollen aus konstruktiver Sicht mehrere Lösungsansätze erfolgversprechend sein, können hier auch mehrere Konzeptrechnungen bzw. Voroptimierungen erfolgen.

Diese Berechnungsergebnisse können dann für die finale Auswahl in die Bewertung der Lösungsansätze mit einfließen. In der zweiten Stufe wird im Rahmen der Gesamtsyste-mentwicklung die Endoptimierung vor der praktischen Umsetzung durchgeführt.

Über den speziellen Anwendungsfall dieser Arbeit hinaus wird bei einem wechselnden Bauteilspektrum (z. B. einer Gestellanlage mit stark unterschiedlichen Teilegeometrien) für die Optimierungszyklen in der Konzeptphase eine Aufteilung in eine Warenfensteropti-mierung (ohne Berücksichtigung der einzelnen Teile, sondern nur der Abmessungen des Warenfensters und dessen Verhältnisse zu Behälter, Füllstand und Anoden) und eine da-rauffolgende Gestelloptimierung vorgeschlagen. Auf diese Weise kann die Anzahl der veränderbaren Parameter besser beherrscht werden und die Grundzusammenhänge und Ursachen für auftretende Effekte werden leichter erkennbar. Dies erlaubt auch die Pla-nung einer Anlage bei unklarem bzw. unvollständig bekanntem Bauteilspektrum: In der Konzeptprüfung kann das Warenfenster optimiert werden und in der Endoptimierung die spezifisch vorliegenden Bauteile auf dem Gestell (oder ggfs. nach ABC-Analyse auch nur die relevantesten Teile des Bauteilspektrums). Später neu dazu kommende Bauteile kön-nen dann innerhalb des festgelegten Warenfensters nachträglich auch bei bestehender Anlage ausgelegt werden.