PEGASUS 專業低溫等離子體與稀薄氣體仿真軟件

放電等離子體仿真


    PEGASUS提供等離子放電過程及性能監測的仿真能力,能夠給出放電過程中不同階段等離子體的運動特征分布及能量分布等。可以仿真低氣壓中高頻激勵下的容性放電;也可以用於研究幾托到幾百托,甚至更高氣壓下,高頻線圈激勵的感應耦合放電;還可以用來計算有絕緣介質插入的大氣壓下的介質阻擋放電。可以用於摸索放電等離子體源的放電參數以及裝置設計等,也可以用於對微等離子體放電的內部過程進行機理研究。


1. 容性放電

    CCP(電容耦合等離子體)是在平行板電容器中,氣體在外加高頻功率的激勵下產生放電,由此產生的等離子體稱為電容耦合等離子體。在低氣壓放電中,人們廣泛采用的一種放電形式是將射頻電壓和電流直接加在浸沒於等離子體中的一個電極上來維持放電。在這種放電中,電極和等離子體間形成一個高壓容性鞘層,流過鞘層區的射頻電流導致了鞘層內的隨機或無碰撞加熱,而流過主等離子體區的射頻電流則導致了主休區內的歐姆加熱。
    典型的放電條件是:壓強10Pa~1000Pa,電極間距1cm~5cm,高頻功率20W~200W。生成等離子體密度約1016m-3量級。


1.1 Ar放電模擬

一、裝置介紹(如下圖):圖為傳統CCP放電裝置在柱坐標係下的二維示意。

工作氣體:Ar,5Pa,入口Ar粒子通量1.35e23/m2/s,出口Ar反射率0.95
    射頻源:Vrf=100V,頻率:13.56MHz

二、模塊選擇:
    首先,用DSMCM模塊進行中性氣體的流場、密度分布的計算;將計算結果文件“dens_3.out”、“temp 3.out” 、“vel 3.out”( 關於Ar的密度、溫度、速度)的後綴改為“.init”,作為PIC-MCCM計算的初始條件,用PIC-MCCM耦合DSMCM模塊進行等離子體相關特性的計算。

三、反應方程式選擇:
    a.氣體種類的選擇
        e(-)
        Ar(+)
        Ar
        Ar(*4s)
        Ar(*)
    b.氣體反應方程式的選擇
        e(-) + Ar —> Ar + e(-)
        e(-) + Ar —> Ar(+)+ e(-) + e(-)
        e(-) + Ar —> Ar(*4s) + e(-)
        e(-) + Ar —> Ar(*) + e(-)
        e(-) + Ar(*4s)—> Ar(+) + e(-)+ e(-)
        Ar(+)+ Ar —> Ar(+)+ Ar  
        Ar(+)+ Ar —> Ar + Ar(+)


四、網格劃分及監測點選取:


五、模擬結果:

Step1. DSMCM對Ar分布的計算結果

Step2. PIC-MCCM耦合DSMCM,等離子體特性的計算結果


1.2 氫氣放電模擬

一、裝置介紹:日本名古屋大學Prof. Hori實驗室的刻蝕反應器,進行模擬結果與其實驗結果的對比。

     工作氣體:H2,5[Pa](固定在出口)
     射頻源:Vrf=200 [V] ; 頻率:60[MHz]
     Vdc:自洽計算
     流速:200[sccm]

二、模塊選擇:采用PIC-MCCM+NMEM模塊。

三、氣體種類選擇:
     考慮的粒子:e-,H2, H, H+, H2+, H3+, H-
     表麵反應:H  1/2H2(金屬表麵15%,絕緣體表麵7%)

四、模擬結果:


1.3 微等離子體放電

采用PHM模塊分別對射頻電極和直流電極兩種情況進行了仿真。

a) 射頻電極

電子密度(每1/8周期)
源激發原子的速度(每1/8周期)
電子溫度(每1/8周期)
等離子體電勢(每1/8周期)

b) 直流電極


2. 感性放電

    ICP(感應耦合等離子體)是將高頻功率供給線圈,由電流產生的交變磁場引起感應電場,由此激發和產生的等離子體為感應耦合等離子體。感性等離了體源具有許多潛在優勢,包括原理簡單,無須直流流磁場,以及使用射頻電源而不是微波源等。
    感應耦合等離子體中,中性氣體一般低於一個大氣壓,從幾托到幾百托,某些應用甚至達到一個大氣壓。


2.1 Ar放電模擬

一、裝置介紹(如下圖):圖為裝置在柱坐標係下的二維示意。

工作氣體:10mTorr的Ar
線圈:150W,13.56MHz


二、模塊選擇:

鑒於ICP的背景氣體氣壓較大,采用基於流體模型的PHM模塊進行放電過程模擬,同時加入EMM輔助模塊計算誘導電場E,加入PEM輔助模塊計算電勢φ和電場E,加入EMCSM模塊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。


三、反應方程式選擇:
a.氣體種類的選擇
    e(-)
    Ar
    Ar(+)
    Ar(*)
    Ar(*4s)
b.氣體反應方程式的選擇
    e(-) + Ar -> Ar + e(-)
    e(-) + Ar -> Ar(+)+ e(-) + e(-)
    e(-) + Ar -> Ar(*4s) + e(-)
    e(-) + Ar -> Ar(*) + e(-)
    e(-) + Ar -> Ar(*) + e(-)
    e(-) + Ar -> Ar(*) + e(-)     
    e + Ar(+) -> Ar


四、網格劃分及監測點選取:


五、模擬結果


2.2 SF6放電模擬

使用模塊:PEGASUS進行放電流體模塊PHM與中性模塊DSMCM的耦合計算。


2.3 圓錐腔ICP放電

  • 圓錐形腔ICP放電,上端為半徑20mm的圓錐,下端直徑300mm,高度500mm。
  • 填充氬氣或者汞蒸汽。采用PHM。


2.4 H2放電模擬

  • 采用PHM模塊。
主要粒子密度的空間分布
主要粒子的密度峰值隨時間演化
ICP能量沉積


3. 介質阻擋放電

    介質阻擋放電(DBD)是有絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電。介質可以覆蓋在電極上或者懸掛在放電空間裏,這樣當在放電電極上施加足夠高的交流電壓時,電極間的氣體,即使在很高氣壓下也會被擊穿而形成所謂的介質阻擋放電。這種放電表現為很均勻、漫散和穩定、貌似低氣壓下的輝光放電,但是實際上它是由大量細微的快脈衝放電通道構成的。
    通常放電空間的氣體壓強可達1.0e5或更高,所以這種放電屬於高氣壓下的非熱平衡放電。PEGASUS對這種極限條件下的微觀放電過程完全能夠實現模擬。

3.1 氮氣平行平板介質放電

一、裝置介紹(如下圖):以最常見的平行平板放電裝置為例,圖為裝置在直角坐標係下的二維示意。
    放電發生在兩層介質之間,可以防止放電等離子體直接與金屬電極接觸;對於具有腐蝕性氣體或高純度等離子體,這種構型具有獨特的優點。

二、模塊選擇:
    首先,用TTBEQ模塊求解電子輸運係數,輸出結果作為PHM模塊的輸入參數,再用PHM模塊求解電子密度、溫度、能量分布等。

三、反應方程式選擇:

a. 氣體種類的選擇  
  e-、N、N2、N2*、N2+  
b. 氣體反應方程式的選擇  
  e(-)+ N2  --> e(-)+ N2 彈性碰撞
  e(-)+ N2  --> 2e(-)+ N2(+): 電離
  e(-)+ N2  --> e(-)+ 2N: 解離
  e(-)+ N2  --> e(-)+ N2(*Vib): 振動激勵
  e(-)+ N2  --> e(-)+ N2(*Rot): 旋轉激勵

 

四、模擬結果:

Step1. TTBEQ對e-輸運係數的計算結果

Step2. PHM對等離子特性的計算結果


3.2 大氣壓氮氣表麵放電

采用PHM模塊針對不同厚度的介質以及電極間的不同距離對放電過程的影響進行仿真。

粒子類型:N2、N、N2*、e-、N2+
碰撞反應:
       e- + N2 → e- + N2 
       e- + N2 → 2e- + N2+ 
       e- + N2 → e- + 2N 
       e- + N2 → e- + N2* 
       e- + N2 → e- + N2*


4 空心陰極放電

采用PHM模塊


4.1 類金剛石鍍層模擬

用PEGASUS對不規則形狀工件的類金剛石鍍層進行了模擬。給出了電子密度、電子流量等在工件表麵的空間分布演化。


4.2 空心陰極放電模擬

PHM模塊對直流空心陰極放電的仿真。工作氣體為Ar,對於133Pa時,研究了230V和280V的放電特性;而在300V條件下,研究了1330Pa和6650Pa氣壓下的放電特性。


5. 輝光放電

    輝光放電是氣體放電現象中的一種重要形式,因放電時管內出現特有的光輝而得名。輝光放電可分為亞輝光放電、正常輝光放電和反常輝光放電三種類型。輝光放電是一種自持放電,其放電電流的大小為毫安數最級,它是靠正離子轟擊陰極所產生的二次電子發射來維持。


5.1 表麵處理裝置輝光放電模擬

一、裝置介紹(如下圖):其中真空腔室的截麵尺寸為800X1500mm,圓形Al電極的截麵麵積為20mm2,電極上下兩側有兩塊絕緣體擋板,其截麵尺寸為1200X4mm。腔體內充滿0.1Pa的氬氣作為工作氣體,電極連接-600V的電壓,真空腔室接地。該工作進行了二維模擬,並采用10倍縮比。


二、模塊選擇:
    首先,采用DSMCM模塊描述了稀薄中性氣體的分布,然後用PIC模塊描述了帶電粒子的放電過程。在考慮中性背景氣體影響的情況下,給出了放電粒子的密度分布、溫度分布、速度分布、流量分布及電場分布等等。


三、反應方程式選擇:
    a. 氣體種類的選擇
      e-、Ar、Ar*、Ar+
    b. 氣體反應方程式的選擇
      e(-)+ Ar  --> Ar + e(-)
      e(-)+ Ar  --> 2e(-)+ Ar(+)
      e(-)+ Ar  --> e(-)+ Ar*
      e(-)+ Ar  --> e(-)+ Ar*
      e(-)+ Ar  --> e(-)+ Ar*
      Ar(+)+ Ar  --> Ar + Ar(+)
      Ar(+)+ Ar  --> Ar(+)+ Ar

四、模擬結果:


5.2 氙氣燈放電管模擬

    為了研究脈衝氙氣放電管在放電擊穿過程中的放電特性,采用流體模型PHM計算了脈衝氙氣放電管內的電勢分布;放電管內的電場分布;放電管內多個監測點附近的電流分布;放電管內各種粒子的濃度分布及隨時間的演變;放電管管壁的表麵電荷分布。

一、計算模型的結構:

為了加快計算,在同樣軸徑比71的基礎上將放電管尺寸縮小了10倍,模擬計算了142mm*2mm的放電模型,

原放電管外加電壓23KV縮小10倍為2300V,考慮到理論和實際的差異,澳門威尼斯人導航網址設定高壓電極上外加直流電壓2500V,另一電極接地。


二、放電氣體種類以及相關反應方程
    放電管內整體為氙氣放電,參與反應的粒子種類設定為:e、Xe、Xe*ex、Xe*met、Xe*res、Xe+、Xe2+。


三、模擬計算結果:

電子分布
Xe+分布

5.3 低氣壓輝光放電


6 磁控濺射放電

采用如下模塊:

Ar等離子體中Cu濺射粒子

第一步:最小超對稱靜磁場仿真模型 第二步:PIC-MCCM等離子體仿真
第三步:SPUTSM的濺射過程仿真
第四步:DSMCM仿真濺射粒子


7 RF磁控濺射放電

計算參數如下:
射頻磁控濺射裝置放電仿真

  • - 永磁鐵剩磁密度 0.2-0.5[T]
  • - 放電氣壓 5[mTorr]
  • - 磁鐵間距 2.0[cm]
  • - 外加電壓 Vrf= 200[V],13.56[MHz]
  • - 2維柱坐標係


計算結果:

 電子密度分布電勢分布 

 

 

1.PEGASUS軟件簡介
3.中性稀薄氣體仿真
4.等離子體增強材料表麵處理仿真