PEGASUS 專業低溫等離子體與稀薄氣體仿真軟件

PEGASUS軟件簡介


    PEGASUS專注於低溫等離子體放電、稀薄氣體的直接蒙特卡洛和等離子增強材料表麵處理技術仿真模擬,是真空技術、等離子體技術、薄膜技術、微電子技術、微細加工技術的專業數值模擬軟件。


1. PEGASUS軟件應用

    日本PEGASUS軟件公司總部位於東京,是一家提供低溫等離子體、真空技術和等離子體工藝設計分析工具的專業軟件供應商,其主要軟件為PEGASUS,已經在相關領域的國際知名公司科研單位得到廣泛應用。
    PEGASUS專注於稀薄氣體的直接蒙特卡洛模擬和低氣壓放電等離子體模擬,是真空技術、等離子體技術、薄膜技術、微電子技術、微細加工技術的專業數值模擬軟件,能廣泛應用於微電子中刻蝕、沉積和濺射設備,真空泵的優化設計,MEMS的工藝過程設計,再入飛行器等領域的研究,應用行業涵蓋電子/半導體、新材料(納米管、光纖)、新能源(燃料電池、太陽能光伏)、MEMS、光學、陶瓷、食品/飲料、汽車、航天、金屬加工等領域。


PEGASUS軟件的主要應用範圍包括:
1) 真空設備與稀薄氣體模擬:

  • - 多種真空設備中的稀薄氣體動理學和粘性流模擬
  • - 真空蒸鍍設備中的氣體流動和薄膜厚度演化模擬
  • - 稀薄氣體中的納米粒子
  • - 微尺度下的原子與分子行為
2) 等離子體設備模擬:

  • - 等離子體刻蝕設備與等離子體增強化學氣相沉積設備中等離子體特性
  • - ICP (金屬/多晶矽/MEMS刻蝕、介質膜沉積)
  • - CCP (氧化物刻蝕/太陽能電池或微電子薄膜)
  • - 磁控濺射設備中等離子體和濺射粒子特性
3) 放電模擬:

  • - 磁控濺射/空心陰極/表麵放電/介質阻擋放電(DBD)
  • - 電子束與離子束的產生與輸運
  • - 基於等離子體的離子注入
  • - 等離子體表麵改性
  • - 微放電/微等離子體
4) 特征輪廓模擬:

  • - 物理氣相沉積
  • - 化學氣相沉積
  • - 等離子體幹法刻蝕


2. PEGASUS軟件模塊

    PEGASUS是一款專門致力於稀薄氣體直接蒙特卡洛模擬和低氣壓放電等離子體模擬的商業軟件,基於稀薄氣體和等離子體在現代工藝的各個方麵的廣泛應用,該款軟件在真空技術、等離子體技術、薄膜技術、微電子技術、微細加工技術等領域都具有重要的應用價值。


2.1 主要模塊和邏輯
1) 基本模塊

  • - GUIM (Graphical User Interface Module)
  •   圖形界麵模塊提供全部其他模組的操作界麵
  • - Atomic/Molecular database
  •   提供電子/離子/中性氣體中的截麵數據與輸運係數
  • - TTBEQ (Two-term approximation Boltzmann equation)
  •   >> 基於兩項近似展開的波爾茲曼方程,求解電子輸運係數;
  •   >> 輸出結果可以作為PHM模塊的輸入參數。
2) 兩維/三維氣相與等離子體模塊
  (1) 電磁場模塊(磁場和電磁場)
  • - MSSM(Magneto-Static Simulation Module)
  •   計算線圈和永磁體產生的二維磁場
  • - MSSM3D(Magneto-Static Simulation Module 3D)
  •   計算線圈和永磁體產生的三維磁場
  (2) 帶電粒子模塊(流體和粒子模型)
  • - PHM(Plasma Hybrid Module)
  •   >> 基於流體模型,通過求解電子連續性方程和能量方程給出電子密度與溫度,電子能量分布函數可由蒙特卡洛程序給出;
  •   >> 電子輸運係數由兩項近似展開的波爾茲曼方程解出(與TTBEQ模塊耦合);
  •   >> 采用冷離子模型,極板處的離子能量分布函數可由離子蒙特卡洛程序給出(與IMCSM或SMCSM模塊耦合)。
  • - PIC-MCCM(Particle In Cell with Monte Carlo Collision Module)
  •   >> 每種粒子的運動由牛頓方程自洽的確定,電場由泊鬆方程給出;
  •   >> 多種複雜氣體模型;
  •   >> 程序可以並行化。
  • - IMCSM (Ion Monte Carlo Simulation Module)
  •    基於PHM模塊的變化電場,計算鞘層中的離子行為,給出極板處離子能量和角度分布函數。
  • - PIC-MCCM3D (Particle In Cell with Monte Carlo Collision Module 3D)
  •    三維模擬計算磁控濺射的等離子體/濺射粒子的特性
  中性氣體模塊(流體和直接蒙特卡洛模型)
  • - NMEM (Neutral Momentum Equation Module)
  •   >> 通過求解納維-斯多克斯方程、能量或動量守恒守恒方程給出混合氣體的密度場、速度場和溫度場分布;
  •   >> 求解能量守恒方程和漂移-擴散方程。
  • - DSMCM(Direct Simulation Monte Carlo Module)
  •   >> 利用直接蒙特卡洛方法計算稀薄氣體中的中性粒子輸運過程;
  •   >> 采用多種碰撞模型,可以計算粘性流。
  • - RGS3D(3D Rarefied Gas dynamics Simulation software)
  •   >> 利用直接蒙特卡洛方法模擬三維任意形狀區域中的稀薄氣體流動;
  •   >> 采用多種碰撞模型,可以計算粘性流;
  •   >> 程序可以並行化。
3) 表麵過程模擬模塊
  • - SASAMAL(Simulation of Atomic Scattering in Amorphous MAterial based on Liquid model)
  •   給定入射離子的能量和角度分布,可以計算基於離子注入中入射離子在材料中的注入深度和密度及組分分布。
  • - SPUTSM(SPUTtering Simulation Module)
  •   給定入射離子的能量和角度分布,計算磁控濺射中濺射粒子的產額。
  • - SMCSM(Sheath Monte Carlo simulation)
  •   根據PHM模塊的計算結果,基於鞘層模型計算入射到材料表麵的離子能量和角度分布。
  • - FPSM2D (Feature Profile evolution Simulation Module 2D)
  • - FPSM3D (Feature Profile evolution Simulation Module 3D)
  •   >> 能夠模擬物理氣相沉積/等離子體化學氣相沉積/刻蝕過程中薄膜形貌/刻蝕剖麵的演化;
  •   >> 能模擬多孔/複合材料;
  •   >> 基於隨機方法,可以用於研究表麵粗糙度等。
4) 中性氣體與等離子體模塊的主要關係
5) 磁控濺射模塊的主要關係
6) 表麵過程模塊的主要關係
7) Pegasus包括的主要氣體模型
  • - 稀薄氣體:He、Ar、Ne、Kr、Xe
  • - 刻蝕氣體:Cl2、CF4、SF6、CHF3、HBr、C2F6、C4F8、BCL3、NF3、SiCl4
  • - 反應性氣體:O2、N2、H2、F2、Cl2、N2O
  • - 薄膜氣體:SiH4、Si2H6、CH4、C2H6、C2H2、C2H3、NH3
  • - 材料:Li、Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、In、Sn、W、Pt、Au、Hg、Pb、U、Pu
  • - 其他:B、Si、Ge、P、S、H2O、CO2、HCL、HBr、Br2、MgO、Alq3、HMDSO

用戶可以添加新的材料和反應方程、碰撞截麵數據。


2.2 主要模塊技術參數

1) 中性氣體模擬

模塊 NMEM DSMCM DSMCM3D RGS3D
幾何維度 2 2 3 3
網格 矩形 矩形 六麵體 多邊形
網格生成GUI GUI GUI GUI GUI或Nastran格式
數學模型 流體 粒子 粒子 粒子
數值模型 有限差分法 直接蒙特卡洛 直接蒙特卡洛 直接蒙特卡洛
並行支持 -
化學反應 邊界 邊界 邊界 氣相/邊界
可變邊界 - 支持 支持 支持/可旋轉
2) 等離子體模擬
模塊 MSSM PIC-MCCM PHM IMCSM MSSM3D PIC-MCCM3D TTBEQ
幾何維度 2 2 2 2 3 3 0
網格 矩形 矩形 矩形 矩形 六麵體 六麵體 -
網格生成 GUI GUI GUI - GUI GUI -
數學模型 庫倫規範 粒子 流體/混合 粒子 磁勢模型 粒子 兩項展開
數值模型 有限元 PIC/MC 有限差分 蒙特卡洛 有限元 PIC/MC 有限差分
並行支持 - - - - - -
化學反應 - 氣相/邊界 氣相/邊界 氣相 - 氣相/邊界 氣相
與中性氣體模塊耦合 - NMEM
DSMCM

NMEM
DSMCM

- - - -
3) 表麵過程模擬
模塊 SASAMAL SPUTSM SMCSM
幾何維度 1 1 1
網格 - - -
數學模型 兩體碰撞近似 兩體碰撞近似 粒子模型
數值模型 蒙特卡洛方法 蒙特卡洛方法 蒙特卡洛方法
化學反應 - - 氣相
4) 特征輪廓模擬
模塊 FPSM2D FPSM3D
幾何維度 2 3
網格 矩形 平行六麵體
網格生成 GUI GUI
數學模型 粒子模型 粒子模型
數值模型 網格/蒙特卡洛 網格/蒙特卡洛
化學反應 邊界 邊界
5) 模塊關係


3. 各模塊特征

3.1 PHM模塊

PHM(Plasma Hybrid Module)
概述:
   1) 基於流體模型,通過求解電子連續性方程和能量方程給出電子密度與溫度,電子能量分布函數可由蒙特卡洛程序給出;
   2) 電子輸運係數由兩項近似展開的波爾茲曼方程解出(與TTBEQ模塊耦合);
   3) 冷離子模型,極板處的離子能量分布函數可由離子蒙特卡洛程序給出(與IMCSM或SMCSM模塊耦合)。
目標:電子、離子密度、溫度、能量分布函數,電勢
幾何維度:2D
網格:矩形
數學模型:流體/混合
數值模型:有限差分
與中性氣體模塊的耦合:NMEM或DSMCM
化學反應:氣相/邊界
組成模塊:EMCSM、 DDEM、PEM、EMM、 EEEM (EMCSM、EEEM選一)

選用EMCSM輔助模塊時PHM內部計算流程

  •   (1) 初始值的設定 (密度和溫度、流動性、 擴散係數、 空間、 碰撞頻率)
  •   (2) (ICP)EMM輔助模塊計算誘導電場Eθ
  •   (3) PEM輔助模塊計算電勢φ和電場E
  •   (4) CFL條件由△t決定
  •   (5) DDEM輔助模塊計算電子離子密度ne、nion和粒子通量Γe、Γion。重複(3)-(5)步驟,最後得出時間平均密度、 時間平均流量、 電場隨時間的變化
  •   (6) EMCSM運用電子蒙卡方法計算出電子能量分布函數、周期平均電子溫度Te、各種粒子的速度、擴散係數、碰撞頻率等
  •   (7) (中性氣體的計算)與NMEM或DMCSM模塊耦合計算中性粒子的密度、粒子通量、溫度等。

     (2)-(7)重複執行。
選用EEEM輔助模塊時PHM內部計算流程

  •   (1) 初始值的設定 (密度和溫度、流動性、 擴散係數、 空間、碰撞頻率)
  •   (2) (ICP)EMM輔助模塊計算誘導電場Eθ
  •   (3) PEM輔助模塊計算電勢φ和電場E
  •   (4) CFL條件由△t決定
  •   (5) DDEM輔助模塊計算電子離子密度ne、nion和粒子通量Γe、Γion。重複(3)-(5)步驟,最後得出時間平均密度、 時間平均流量、 電場隨時間的變化
  •   (6) EEEM求解電子溫度Te。此外重新計算該溫度對應的速度、擴散係數、碰撞頻率等。(3)-(6)重複執行
  •   (7) (中性氣體的計算)與NMEM或DMCSM模塊耦合計算中性粒子的密度、粒子通量、溫度等。

     (2)-(7)重複執行


3.2 PIC-MCCM / PIC-MCCM3D模塊

PIC-MCCM (Particle In Cell with Monte Carlo Collision Module)

PIC-MCCM3D (Particle In Cell with Monte Carlo Collision Module 3D))
概述:
       1) 每種粒子的運動由牛頓方程自洽的確定,電場由泊鬆方程給出;
       2) 多種複雜氣體模型;
       3) 程序可以並行化
目標:電子、離子密度、溫度、能量分布函數,電勢.
幾何維度:2D/3D
數學模型:粒子
數值模型:PIC/MC
化學反應:氣相/邊界
與中性氣體模塊的耦合:NMEM或DSMCM
PIC-MCC計算流程:
      1) Scatter and Move
       根據單元格邊界上的電磁場中的粒子位置計算粒子未來的位置和速度。
      2) Boundary Adjustment
       計算邊界上粒子的吸收、粒子濺射、二次電子放電
      3) MCC
       帶電粒子和中性原子、分子間碰撞的類型和碰撞後的速度計算
      4) Gather
       計算各單元格上的電荷密度
      5) Field Solve
       各單元格電場的計算


3.3 DSMCM和RGS3D模塊

DSMCM (Direct Simulation Monte Carlo method)
RGS3D (3D Rarefied Gas dynamics Simulation software)
1. DSMCM(Direct Simulation Monte Carlo Module)
概述:
     1) 利用直接蒙特卡洛方法計算稀薄氣體中的中性粒子輸運過程;
     2) 采用多種碰撞模型,可以計算粘性流。
目標:中性粒子密度、溫度、能量分布函數,電勢.
幾何維度:2D
數學模型:粒子
數值模型:直接蒙特卡洛
化學反應:邊界
2. RGS3D(3D Rarefied Gas dynamics Simulation software)
概述:
     1) 利用直接蒙特卡洛方法模擬三維任意形狀區域中的稀薄氣體流動;
     2) 采用多種碰撞模型,可以計算粘性流;
     3) 程序可以並行化。
目標:中性粒子密度、溫度、能量分布函數,電勢.
幾何維度:3D
數學模型:粒子
數值模型:直接蒙特卡洛
化學反應:氣相/邊界
      DSMC(直接蒙特卡洛模擬)基於氣體中多數粒子的表現。計算機配置裏的這樣的樣品數據在顯示係統中存在著很多,如取樣摩爾量級的粒子。取樣數萬至百萬量級程度的粒子,一一記錄各粒子的位置、速度、內部狀態等數據,以及因碰撞和邊界的影響而不斷重複更新這些數據。因此,碰撞過程、與碰撞截麵引起的概率及碰撞後2次電子的速度決定了碰撞的頻率。具體得做法是,將流場分割成適當的大小,同一單元格內的2個粒子物理模型的選擇基於碰撞的概率。保存碰撞後粒子對的速度、能量、動量等數據,必要時改變各粒子的內部狀態。對於稀薄氣體,流場物理量的變化的長度即m.f.p.的規格大致與單元格的m.f.p.規格等同。單元格的m.f.p.的規格大小與單元格裏的物理量是一樣的。DSMC法可以直接得到大多數粒子的位置、速度等物理量。這些數據加工之後,便可以得到粒子的速度分布函數、溫度分布、流速分布、密度分布等。
     DSMC最初是用波導法解析稀薄氣體的流場的。波導法決定了碰撞的類型,使物理意義更加直觀,得到的結果十分準確,直到現在仍然被廣泛應用。這個方法不能從波爾茲曼方程直接推導出,被認為缺乏理論依據。實際波導法的是用是模擬單元格內粒子的碰撞,以及碰撞麵積的誤差。另一方麵,南部的方法是基於波爾茲曼嚴密推導而確定的概率。PEGASUS中的DSMCM與RGS3D本質方法都基於南部法。
     RGS3D采用的基本方法與DSMCM 類似都是直接蒙特卡洛方法,並能模擬三維任意形狀區域,在計算中支持並行運算。
     DSMCM與RGS3D方法都基於波爾茲曼嚴密推導而確定的概率。


3.4 NMEM模塊

NMEM(Neutral Momentum Equation Module)
概述:
     1) 通過求解納維-斯多克斯方程、能量或動量守恒守恒方程給出混合氣體的密度場、速度場和溫度場分布;
     2) 求解能量守恒方程和對流-擴散方程。
幾何維度:2D
網格: 矩形
數學模型:流體
數值模型:有限差分法
目標:混合氣體各組分密度、氣體流速、壓強和溫度等。
NMEM,主要處理的是連續性的電中性氣體。可以通過求解納維-斯多克斯方程來了解混合氣體的運動,求解能量守恒方程得到混合氣體的溫度,求解對流-擴散方程得到混合氣體各成分的密度。最後澳門威尼斯人導航網址將得到混合氣體各組分密度、氣體流速、壓強和溫度等。


3.5 MSSM / MSSM3D模塊

MSSM(Magneto-Static Simulation Module)
MSSM3D(Magneto-Static Simulation Module 3D)
目標:計算由線圈和永磁體產生的磁場分布
幾何維度:2D
網格: 矩形
數學模型:庫倫規範
數值模型:有限元
MSSM3D(Magneto-Static Simulation Module)
目標:計算三維靜磁場分布
幾何維度:3D
網格: 六麵體
數學模型:磁勢模型
數值模型:有限元
概述:
    MSSM、MSSM3D是采用有限元(FEM)的解析方法。
    使用有限元法將存在電磁場的空間或目標對象細分成有限個單元,對它的有限個單元作分片插值求解未知數。
    有限元方法的一般特征是矩陣的正定性、對稱性和解析性。這些性質使問題更容易被解決,內存容量和計算時間都減少很多。
     有限元方法可以在多種場合下求解未知數,可以通過微分計算計算求解電磁場的強度。使用雙線性插值法求解要素內的場強,求解的場的高精度分布和目標對象細分的有限單元相吻合。


3.6 SASAMAL模塊

SASAMAL(Simulation of Atomic Scattering in Amorphous MAterial based on Liquid model)
概述:
     給定入射離子的能量和角度分布,可以計算基於離子注入中入射離子在材料中的注入深度和密度及組分分布
目標:
     濺射粒子的角度分布、能量分布;入射粒子的的散射百分比、角度分布、能量分布;入射粒子的注入深度分布。
幾何維度:1D
數學模型:兩體碰撞近似
數值模型:蒙特卡洛方法
簡述:
     考慮入射粒子(中性原子或離子)由固體的外部入射。入射粒子入射固體的時候,和靶原子發生彈性碰撞,損失能量,改變方向。當入射粒子和電子發生非彈性碰撞的時候發生能量損失。當入射粒子失去所有能量的時候,它將停止在固體表麵。入射粒子與靶原子發生幾次碰撞後會發生散射,會穿透較薄的靶區間。
     入射粒子因彈性碰撞而損失的能量傳輸給靶原子(激發原子)。激發原子與其他靶原子進行碰撞,會再激發出別的激發原子。按照這種方式,入射粒子會連鎖反應一樣不斷激發出來。
     被激發出的原子,需要得到十分大的能源就可以脫離固體表麵,澳門威尼斯人導航網址稱這種現象為陰極濺射。當被入射粒子擊中,固體表麵上的靶原子就會飛濺出來,這種現象被稱之為背部濺射。另一方麵,當入射粒子從反麵進入使靶原子飛濺出去,這種現象叫做傳輸濺射。
     在目標晶格裏,原子從晶格位置被彈出來,留下一個空缺。這是輻射損傷的基本過程。
     上述的全部過程,固體中的入射粒子和激發原子的運動軌跡會被一步步追蹤記錄下來。經過對多個粒子軌跡的追蹤、必要的統計這些過程的積累可以得到濺射速率、剖麵深度等。
     SASAMAL與動態的SASAMAL法是由宮川佳子開發出的基於蒙特卡洛方法的兩體碰撞近似方法。高能粒子入射固體時相互作用的模擬。


3.7 SMCSM模塊

SMCSM(Sheath Monte Carlo simulation)
概述:
     根據PHM模塊的計算結果,基於鞘層模型計算入射到材料表麵的離子能量和角度分布。
目標:
     計算從鞘的一端穿過鞘到達鞘底部的電子、離子的能量分布和角度分布。得到濺射粒子的角度分布、能量分布;入射粒子的的散射百分比、角度分布、能量分布;入射粒子的注入深度分布。
幾何維度:1D
數學模型:粒子近似
數值模型:蒙特卡洛方法
計算順序:
     1) 用利伯曼鞘模型,計算一周期的電場(一維,與時間相關)。
     2) 帶電粒子(離子或電子)進入的鞘層邊界。指定的粒子速度分布(電子的麥克斯韋-波爾茲曼分布、離子的波姆速度和麥克斯韋-波爾茲曼分布)保持不變。之後,周期內,給入射時候的鞘層邊界隨機編號。
     3) 到達電極時,追蹤電場中帶電粒子的隨時間變化的運動軌跡。
     4) 到達電極時,取樣能量等數據。
     SMCSM本身並沒有采用特別複雜的計算模型。這裏利伯曼鞘模型為一維的與時間相關的電場E(x,t)的決定方式和帶電粒子的運動軌跡的追蹤方法。


3.8 FPSM2D/FPSM3D模塊

FPSM2D (Feature Profile evolution Simulation Module 2D)
FPSM3D (Feature Profile evolution Simulation Module 3D)
     FPSM2D/3D仿真模塊主要模擬PVD/CVD中粒子在固體表麵刻蝕和沉積過程。設置粒子的入射角、能量分布、各種相互作用及其反應速率等參數,利用蒙特卡羅方法計算表麵覆蓋粒子與固體層之間的相互作用。既能處理化學刻蝕過程和也能處理等離子體刻蝕過程。支持各種複雜的粒子種類(原子、分子、離子、固體、多聚物等)、反應類型、以及反應速率等參數設置,提高計算結果的準確度。


4. PEGASUS軟件用戶

PEGASUS軟件部分用戶如下:
ULVAC Tokyo electron Tokki Nissin electric
EBARA Hitachi Toshiba PANASONIC
SANYO CANON NIKON Renesas electronics
Fujifilm Asahi Kasei Nippon Steel Chemical JX Nippon Mining & Metals
KONICA MINOLTA IDEMITSU NITTO DENKO
Mitsubishi Heavy Industries Sumitomo Electric Industries
Samsung mobiles Display (Korea) Tokyo university Osaka university

 

 

2.放電等離子體仿真
3.中性稀薄氣體仿真
4.等離子體增強材料表麵處理仿真