Temperatur- und Fluiddynamiksimulation der Excimer Lasermodifikation nanopartikulärer Silizium Schichten
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Modellansatz entwickelt, mit dem die
selbstorganisierte µ-Strukturierung von Silizium-Nanopartikel Dünnschichten während der gepulsten Excimer Laserbearbeitung simuliert werden kann. Die entwickelten Simulationen sollen dabei den bisher hauptsächlich angewendeten empirische Ansatz der Laserprozessentwicklung erweitern und Vorhersagen für mögliche Prozessfenster zur Optimierung des Laserprozesses ermöglichen.
Im Konkreten wurde unter anderem mit Hilfe einer eindimensionalen Temperatursimulation in COMSOL Multiphysics® die Temperaturentwicklung in der Probe simuliert, um daraus Schmelztiefen in der Silizium-Nanopartikel Schicht und thermische Belastungen des Substrats abzuschätzen. Zur Weiterentwicklung und Validierung der Simulation wurden Silizium-Nanopartikel auf metallisierten Glassubstraten als Modellsystem gewählt. Über den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Simulationsvorhersagen und Experiment gezeigt werden. Durch eine simulationsgestützte Optimierung des Laserprozesses, mit Hinblick auf die Reduzierung der thermischen Substratbelastung, konnte der Laserprozess erfolgreich
auf flexible, temperatursensitive Polymersubstrate übertragen werden.
Aufgrund der guten Übereinstimmung der Temperatursimulation mit den experimentellen Ergebnissen, kann die abgeleitete Schmelzcharakteristik der Silizium-Nanopartikel Schicht als Eingangsparameter für eine Fluiddynamik Simulation der Strukturbildung genutzt werden. Durch eine neu entwickelte Simulationsmethodik, welche eine zeitund tiefenabhängige dynamische Viskosität für Si nutzt, konnte das sequentielle Aufschmelzen der Silizium-Nanopartikel Schicht und die Bildung freistehender Silizium µ-Strukturen (hier µ-Konen genannt) simuliert werden. Die Fluiddynamik Simulation zeigt, dass die Silizium-Nanopartikel Schicht für eine bestimmte Dauer an der Substratgrenzfläche aufgeschmolzen sein muss, damit freistehende Silizium µ-Konen entstehen. Simulation und Experiment zeigen in guter Übereinstimmung, dass die Größe der Silizium µ-Konen mit steigender Laserenergiedichte zunimmt, während sich die Konenanzahldichte verringert. Diese Strukturparameter können somit durch Anpassung der Laserparameter gezielt eingestellt werden.
In the present work, a modeling approach was developed to simulate the self-organized µ-structuring of silicon-nanoparticle thin films during pulsed excimer laser modification. The developed simulations can be used to extend the previously used empirical approach of laser process development and predict possible process windows to optimize the laser process.
Specifically, a one-dimensional temperature simulation in COMSOL Multiphysics® was used to simulate the temperature evolution in the sample to estimate the melting depths in the silicon-nanoparticle layer and the thermal loads on the substrate. Silicon-nanoparticles on metallized glass substrates were chosen as a model system, to further develop and validate the simulation. Good agreement between simulation and experiment was demonstrated by comparison with experimental results. A simulation-based optimization of the laser process, regarding a reduced thermal substrate load, allowed the laser process to be successfully transferred to flexible, temperature-sensitive polymer substrates.
Due to the good agreement of the temperature simulation with the experimental results, the derived melting characteristics of the silicon-nanoparticle layer can be used as input parameters for a computational fluid dynamics simulation of the silicon structuring. A newly developed simulation methodology, which uses a time- and depth-dependent dynamic viscosity for Si, was used to simulate the sequential melting of the silicon-nanoparticle layer and the formation of free-standing silicon µ-structures (here called µ-cones). The fluid dynamics simulation shows that the silicon-nanoparticle layer must be molten for a sufficient duration at the substrate interface for free-standing silicon µ-cones to form. Simulation and experiment show in good agreement that the size of the silicon µ-cones increases with increasing laser energy density, while the cone number density decreases. These structural parameters can thus be specifically tuned by adjusting the laser parameters.
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