Physikalische Probleme wie Wärmetransport, Gasströmung oder elektromagnetische Felder erfordern eine analytische Lösung der Randwertprobleme für partielle Differentialgleichungen, welche für komplexe Geometrien in den meisten Fällen nicht gelöst werden können. Indem man sich jedoch der Methode der Finiten Elemente bedient, kann die gesamte Geometrie in kleinere, einfachere Elemente wie Dreiecke (2D-Fall) oder Tetraeder (3D-Fall) zerlegt werden und es können somit genäherte Werte der Unbekannten an diskreten Punkten der Geometrie berechnet werden.
Die Methode der Finiten Elemente bietet mehrere Vorteile, wie z.B. eine einfache Repräsentation der gesamten Lösung, eine akkurate Wiedergabe von komplexen Geometrien und die Einbeziehung von unterschiedlichen Materialeigenschaften. Diese Methode wird unter anderem auch in der Luftfahrt-, Automobil- und biomedizinische Industrie eingesetzt um ein Gerät oder einen Prozess zu designen, zu optimieren oder zu kontrollieren.
Die FEM-Simulationssoftware ist eine leistungsstarke interaktive Umgebung zum Modellieren und Lösen aller Arten von wissenschaftlichen und technischen Problemen. Hierbei können unterschiedliche physikalische Disziplinen bzw. Themenbereiche einfach zu multiphysikalische Modelle erweitert werden, welche gekoppelte physikalische Phänomene lösen.
Unter Verwendung der eingebauten physikalischen Benutzeroberfläche ist es möglich Modelle aufzustellen indem man die relevanten physikalischen Größen, wie z.B. Materialeigenschaften, Ladungen, Randbedingungen, Quellen und Flüsse definiert und im Anschluss können verschiedene Arten von Studien durchgeführt werden, einschließlich stationärer und zeitabhängiger (transienter) Studien, linear und nichtlineare Studien sowie Eigenfrequenz-, Moden- und Frequenzgangstudien.
Im Falle von Mikrowellenplasmaquellen spielen vor allem die Feldverteilung, der Wärmetransport, die Gasströmung und die Plasmaeigenschaften, wie z.B. die Leitfähigkeit und fundamentale Reaktionen wie Ionisation, Rekombination und Diffusion eine wichtige Rolle. Für die Zündung und den stabilen Betrieb eines Plasmas sind Kenntnisse über die Feldverteilung und die Resonanzfrequenzen von entscheidender Bedeutung.
So muss beispielsweise sicher gestellt werden, dass aus dem System keine Mikrowelle auskoppelt und dass die Mikrowelle nicht in andere Bauteile, wie z.B. Dichtringe einkoppelt. Eine weitere wichtige Problemstellung ist die Gasströmung, welche eine entscheidende Rolle bei vielen Anwendungen im Bereich des Plasmaätzens und der Plasmaabscheidung spielt. Die Gasströmung innerhalb der Quelle muss so angepasst werden, dass die Betriebsbedingungen für einen effizienten und homogenen Ätz- oder Abscheideprozess optimal sind.
Steffen Pauly M.Sc.
Doktorand, Plasmatechnologie
Irina Kistner M.Sc.
Doktorandin, Plasmatechnologie
Matthias Walker
Dr.-Ing.Verwaltungsleiter, Leiter Plasmatechnologie