Bachelor's Thesis

Advanced technology for the fabrication of uniform coatings on curved optical components for the semiconductor industry

Final Thesis 9.66 MB

Author of thesis: Jiří Rypl

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D.

Reviewer: Ing. David Škoda, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with~the~design and~implementation of~a~computational
model for~simulating the~Physical Vapour Deposition (PVD) process on~curved optical components for~DUV
lithography. The~work was carried out in~cooperation with~Meopta s.r.o.\ based on~the~requirements of~ASML,
with~the~aim of improving the~thickness uniformity of~deposited thin films. A~simulation tool was
developed in~Python, which mathematically models the~particle flux from~the~source to~the~substrate,
and~further analyses and~optimises the~influence of~substrate motions and~corrective components
on~the~final uniformity. The~emission characteristics of~the~real source were determined based
on~a~series of~experimental measurements. Simulation results demonstrate that~an~appropriate
combination of~movements and~a~shadow mask can reduce the~relative film non-uniformity from~more
than~60\,\% down to~10--12\,\% for~highly curved substrates. The~output of~the~thesis is~a~functional
simulation tool intended for~the~design and~optimisation of~deposition processes in~industry.

Keywords:

thin films, EB-PVD, physical vapour deposition, planetary substrate holder, shadow mask, radiometry,
Lambert's cosine law, Knudsen's cosine law, ray tracing, Fibonacci lattice, Delaunay triangulation, CUDA, CPU acceleration,
differential evolution, optimisation, film uniformity, DUV lithography, ASML, Meopta

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - výpočetní náročnost simulací - vliv počátečních podmínek na výsledky simulací - analýza vyzařovací charakteristiky Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jakub Zlámal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D.

Student se ve své bakalářské práci zabýval průmyslově významnou problematikou depozice tenkých vrstev na zakřivené optické prvky určené pro polovodičový průmysl. Téma bylo řešeno ve spolupráci s firmou Meopta s.r.o. v návaznosti na požadavky společnosti ASML. Student prokázal schopnost samostatně nastudovat rozsáhlou problematiku fyzikální depozice z plynné fáze, radiometrie, modelování transportu částic i optimalizačních metod. Vytvořil funkční matematicko-fyzikální model depozičního procesu a následně jej implementoval v prostředí jazyka Python. Součástí práce je také zpracování experimentálních dat získaných ve spolupráci se společností Meopta a jejich využití pro kalibraci modelu.

Práce vyniká nadstandardním rozsahem praktické části. Student se podílel také na měření plošné distribuce tloušťky vrstev, zabýval se charakterizací reálných zdrojů materiálu a implementoval výpočetně náročné algoritmy včetně hardwarové akcelerace a optimalizačních metod. Dosažené výsledky ukazují, že navržený model je funkční, má praktický přínos a může významně přispět ke zlepšení uniformity nanášených vrstev na zakřivených optických prvcích. Současně vytváří kvalitní základ pro další rozvoj této problematiky.

Po formální stránce je práce zpracována pečlivě, splňuje všechny požadavky kladené na bakalářskou práci, má logickou strukturu a je napsána na velmi dobré odborné i jazykové úrovni. Celkové zpracování proto hodnotím jako nadprůměrné. Studentův pracovitý, svědomitý a zodpovědný přístup považuji za výjimečný. Diskuse během řešení práce byly pro mě jako vedoucího velmi inspirativní a opakovaně jsem měl možnost seznámit se díky studentovi s novými přístupy v oblasti moderních metod programování a numerických výpočtů.

Student splnil všechny cíle zadání v plném rozsahu. Nad rámec bakalářské práce navíc během studia vytvořil software pro řízení průtokoměrů využívaných pro vědecké účely, který není součástí práce. Pracoval samostatně, systematicky a s vysokou mírou kreativity. Předloženou bakalářskou práci proto jednoznačně doporučuji k obhajobě a navrhuji její hodnocení známkou A (výborně).

Bylo mi potěšením být vedoucím této práce. Domnívám se, že výsledky práce i celkový přístup studenta si zaslouží ocenění, a proto bych uvítal, kdyby byla práce zvážena pro udělení ceny průmyslového podniku.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. David Škoda, Ph.D.

Předložená bakalářská práce popisuje vývoj software pro simulaci a korekci uniformity optických tenkých vrstev připravených napařováním pomocí elektronového svazku. Autor ve své práci popisuje základní principy depozice PVD pomocí elektronového svazku a vytváří matematicko-fyzikální model na základě základních vyzařovacích charakteristik vyzařovacích zdrojů postaveného na základě Lambertova kosinového zákona, bezkolizního vypařování a zahrnutí geometrie napařovacích procesů včetně aplikace masek. Jednotlivé funkční moduly programu pro popis geometrie, aplikaci FEM při diskretizaci, vektorizaci výpočtu pro zrychlení, vlastní metodou triangulace, psaného v jazyce Python a využívající pokročilé výpočetní moduly, prošly postupnou optimalizací autorem s ohledem na časovou náročnost a komplexnost výpočtu.
Autor rozděluje svoji práci do čtyř základních úrovní – seznámení s problematikou v rámci teoretické části, realizaci (ne pouze vlastní) zařízení pro automatizovanou charakterizaci deponovaných jednoduchých optických vrstev, realizaci matematicko-fyzikálního modelu včetně programového zpracování jednotlivých modulů a diskuzi nad výsledky v rámci počáteční optimalizace.
Použité metody odpovídají velmi pokročilým programovacím technikám, autor při realizaci programu projevu velmi vysokou schopnost adaptace složitých diskretizačních simulačních postupů s kritickým posouzením dopadu jednotlivých výpočetních modelů na celkový průběh simulace.
Aktuální podoba SW není konečná a v souladu s věcnou náplní dotačního projektu FW12010394 Pokročilá technologie výroby uniformních vrstev na zakřivených optických prvcích pro polovodičový průmysl řešeného se společností Meopta, s.r.o. bude dále vyvíjena.
Práce je logicky uspořádána, gramatické a formální nedostatky jsou minimální, citace korektní.
Přístup, úroveň technického zpracování a šíři matematicko-fyzikálního záběru považuji za vysoce nadstandardní, nad rámec řešitelských aktivit v rámci bakalářské práce, potažmo studia. Proto tuto práci hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Vysvětlení (přechod z 2. na 3. část) rovnice (3.15)
  2. Schematický nákres k výsledkům na obrázku 4.2
  3. V rámci modelování vyzařovací charakteristiky napařovacího zdroje, které experimentální parametry považuje autor ze klíčové, vysoce citlivé pro její stanovení (poloha referenčního substrátu vůči zdroji, jeho náklon, …), jaké je jeho doporučení sběru vstupních dat (velikost vzorků, umístění, měřené parametry) pro zajištění nejvyšší shody mezi teoretickým modelem a reálnou střední vyzařovací charakteristikou?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová