PEGASUS軟件

專業(yè)低溫等離子體與稀薄氣體仿真軟件

- 放電等離子體 (CCP、ICP、DBD、輝光等)

- 材料表面處理(磁控濺射、刻蝕沉積、鍍膜、離子注入)

- 稀薄氣體與真空技術 (真空蒸鍍、稀薄氣體)

PEGASUS軟件是專業(yè)低溫等離子體與稀薄氣體仿真軟件，該軟件專注于稀薄氣體的直接蒙特卡洛模擬和各種表面科學以及各種氣壓下放電等離子體仿真計算，能廣泛用于等離子體技術、半導體/微電子工業(yè)、真空技術、薄膜技術、微細加工技術等領域研究開發(fā)，應用行業(yè)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。

1. PEGASUS軟件主要應用范圍

1） 放電模擬

ICP、CCP、DBD、磁控濺射、空心陰極、輝光放電、微放電等

帶電粒子束的行為

離子注入等離子體源

表面改性等離子體源

微等離子體

2） 等離子體設備模擬

PECVD

刻蝕

磁控濺射

3） 真空設備與稀薄氣體模擬

真空設備中的稀薄氣體仿真、稀薄氣體中的粒子行為、抽真空動態(tài)仿真

真空蒸鍍

原子層沉積ALD

4） 材料表面處理特征輪廓、表面形貌模擬

PVD / CVD / PECVD

干法刻蝕

沉積、鍍膜

2. PEGASUS軟件模塊分類

1） 基本模塊

GUIM (Graphical User Interface Module) 圖形界面模塊提供全部其他模組的操作界面

Atomic/Molecular database 電子/離子/中性氣體中的截面數據與輸運系數數據庫

TTBEQ (Two-term approximation Boltzmann equation) 基于兩項近似展開的波爾茲曼方程，求解電子輸運系數

2） 等離子體模塊

MSSM / MSSM3D (Magneto Static Simulation Module) 計算由線圈和永磁體產生的磁場分布

PHM / PHM3D (Plasma Hybrid Module) 包括流體、兩項近似玻爾茲曼分布、電子蒙特卡洛方法。支持單電極雙頻、多電極雙頻、自偏壓自動計算、支持多組分氣體放電計算�？梢杂糜趶牡蜌鈮簹怏w（1mTorr以上）到大氣壓中性氣體中的直流、CCP、ICP、脈沖、DBD、空心陰極等類型放電計算，計算結果包括電子密度、溫度、產率、速度、流量，離子的密度、產率、速度、流量，電場強度、電位分布等數據。電子能量可以通過三種方法獲得：（1）用蒙特卡洛方法求解電子能量分布函數，基于粒子模擬，由子模塊EMCSM（Electron Monte Carlo Simulation Module）計算；（2）用流體算法求解電子能量方程EEEM（Electron Energy Equation Module），電子能量分布函數由兩項近似玻爾茲曼分布模塊TTBEQ計算；（3）用流體算法求解電子能量方程EEEM（Electron Energy Equation Module），電子能量分布函數采用麥克斯韋分布。

PIC-MCCM / PIC-MCCM3D (Particle In Cell with Monte Carlo Collision Module) 采用PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）算法，電子和各種粒子用超粒子(宏粒子)模擬，通過求解Newton方程和電場Poisson方程得到相應的分布。計算結果包括電子和離子的密度、溫度、產率、速度、流量分布，電場強度、電位分布等數據。

IMCSM (Ion Monte Carlo Simulation Module) 基于PHM模塊的變化電場，采用蒙特卡羅抽樣的方式計算離子的溫度分布以及輸出離子的能量分布函數。

SMCSM (Sheath Monte Carlo Simulation Module) 根據鞘層模型或者PHM模塊的計算結果，計算鞘層中的離子能量和角度分布。

3）中性氣體和熱傳導熱輻射模塊

NMEM  /NMEM3D (Neutral Momentum Equation Module) 求解NS方程、對流-擴散方程給出密度場、速度場和溫度場分布

DSMCM / DSMCM3D (Direct Simulation Monte Carlo Module) DSMC算法用于處理各種稀薄氣體（克努森數Kn > 0.1）的運動。對氣體進行大規(guī)模采樣，再通過隨機碰撞模型模擬粒子間的真實物理碰撞過程，并對樣品粒子進行跟蹤、記錄和統(tǒng)計得到稀薄氣體的密度、溫度等分布。用于各種真空設備中的稀薄氣體動理學仿真；刻蝕、薄膜沉積設備中中性氣體的流場分布計算；磁控濺射工藝中靶材粒子分布計算�？梢耘c放電模塊耦合計算。對于Kn?1的粘性流，采用新碰撞算法（U-system）以平均自由程數倍～十倍左右的網格寬度進行計算。

RGS3D (3D 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(qū)域中的稀薄氣體流動。對氣體進行大規(guī)模采樣，再通過隨機碰撞模型模擬粒子間的真實物理碰撞過程，并對樣品粒子進行跟蹤、記錄和統(tǒng)計得到稀薄氣體的密度、溫度等分布。用于各種真空設備中的稀薄氣體動理學仿真；刻蝕、薄膜沉積設備中中性氣體的流場分布。對于Kn?1的粘性流，采用新碰撞算法（U-system）以平均自由程數倍～十倍左右的網格寬度進行計算。對于Kn?1的自由分子流區(qū)域，粒子碰撞可以忽略，采用蒙特卡洛（MC）法。支持導入三維非結構化網格文件。

HTRM2D / HTRM3D (Heat Tranfer with Radiation Module) 熱傳導分析與輻射傳熱模塊

4）表面過程模塊

SASAMAL(Simulation of Atomic Scattering in Amorphous Material based on Liquid Model) 計算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) 計算磁控濺射中濺射粒子的產額

FPSM2D/ FPSM3D (Feature Profile Simulation Module) 計算PVD/PECVD/干法刻蝕過程中薄膜形貌、刻蝕剖面的演化

     CONTAMI2D (Contamination Deposition Module 2D) 采用二維軸對稱模型，計算由于電子束湮滅碳氫化合物而在基底表面沉積的過程，得到碳沉積的分布輪廓。

3. PEGASUS軟件典型應用案例

3.1 放電等離子體源 (CCP、ICP、DBD、空心陰極、輝光、微放電等)

PEGASUS提供等離子放電過程及性能監(jiān)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�？梢苑抡娴蜌鈮褐懈哳l激勵下的容性放電；也可以用于研究幾托到幾百托，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。可以用于放電等離子體源的放電參數以及裝置設計等，也可以用于對微等離子體放電的內部過程進行機理研究。

1） 氫氣CCP放電模擬

下面是日本名古屋大學Prof. Hori實驗室的刻蝕反應器，進行模擬結果與實驗結果吻合。工作氣體為5Pa的H2，氣體流量為200sccm，射頻源為60MHz，200V。采用PIC-MCCM和NMEM模塊耦合仿真。

2） SF6 ICP放電模擬

PHM模塊與中性模塊DSMCM的耦合計算。氣壓20mTorr，感應線圈：1KW，13.56MHz。

3） H2感性放電模擬

采用PHM模塊進行H2感應放電的仿真。放電腔直徑250mm、長度220mm。氣壓1Pa，感應線圈：10KW，13.56MHz。

4） O2電負性放電（ICP放電）

用PHM模塊模擬氧氣的電負性放電，氣壓218mTorr，線圈工作頻率13.56MHz，功率150W；放電腔半徑100mm。

計算模型二維剖面圖                   電子密度分布             O2+離子密度分布

O-離子密度分布           電子溫度分布            ICP沉積功率

5） 空心陰極放電

用PIC-MCCM模塊對不規(guī)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面的空間分布演化。工作氣體為50Pa-300Pa的N2，電源分別為3kV和500V。

6） 雙頻CCP放電與濺射

   Ar、10mTorr。上電極60MHz、400V；下電極2MHZ，1000V。自動計算上下電極自偏壓。采用PHM、IMCSM、FPSM2D模塊。

（a）結構和自偏壓計算結果

（b）電子密度和離子產率

（c）到壁面離子能量和角度分布

（d）壁面Cu沉積和離子濺射效應

7） 氮氣輝光放電

   采用PHM模塊，氮氣輝光放電，200Pa，600℃。復雜輪廓實體（例如齒輪）通過專門的工具轉換和導入。本案例采用XY坐標系1/4模型，80x80 mm^2，齒輪陰極-600V，邊界接地。

3.2 等離子體刻蝕工藝仿真

1） ICP放電等離子體刻蝕

第一步  放電仿真

外邊界接地，模型尺寸150mm×200mm，仿真使用PHM模塊，采用二維軸對稱模型。

第二步  鞘層中離子分布仿真

利用第一步運算結果的密度分布，電場變化以及模型文件；仿真使用IMCSM模塊，采用二維軸對稱模型。

SF5+角度分布                       SF5+能量分布

SF4+角度分布                       SF4+能量分布

第三步  刻蝕仿真

導入角度分布和能量分布到刻蝕模塊FPSM中，模型尺寸3μm×7μm。

3600 s刻蝕后的結果

2） Flare刻蝕

FPSM2D用于研究不同刻蝕氣體組分對硅表面刻蝕的影響，并給出形貌演化。

3） 3D深孔刻蝕

3.3 磁控濺射仿真

對于磁控濺射的仿真，可以分為四個步驟：1) 建立背景磁場；2) 在背景磁場作用下，通過氣體放電，獲得到達靶材壁面的離子流量；3) 具有一定能量的離子轟擊到靶材，濺射靶材原子；4) 濺射出來的靶材原子沉積到基片，形成鍍膜。

磁場計算→放電計算→靶材濺射計算→靶材粒子輸運計算

1） 2D磁控濺射全過程仿真

2） 3D磁控濺射全過程仿真

本例是做磁控濺射三維放電模擬。其中靜磁場、等離子體放電分別采用MSSM3D、PIC-MCCM3D模塊。

計算結果：

等離子放電仿真：

             電子密度分布XY方向切片圖              電子密度ZX面切片圖

電位分布XY方向切片圖                電位分布ZX面切片圖

離子密度分布（XY方向）                 離子密度分布（XZ方向）

濺射Al原子XY面密度分布       濺射Al原子ZX面密度分布，靠近基板

3.4 真空蒸鍍仿真

真空蒸發(fā)鍍膜是在真空條件下，用蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)物質使之汽化，蒸發(fā)粒子流直接射向基片上沉積形成固態(tài)薄膜的技術。RGS3D模塊利用直接蒙特卡洛方法模擬氣體分子的碰撞和輸運過程，可以計算三維任意形狀的稀薄氣體流動，既可以處理結構化網格也可以處理四面體非結構化網格模型，支持模型中有運動的部件、蒸發(fā)源、進氣出氣端口等特征�？梢暂敵鲋行粤Ｗ用芏�、溫度、流速、能量分布等參數，可以統(tǒng)計粒子的壓強、平均自由程、流場分布等參數。如果需要熱輻射計算，需要HTRM3D模塊，它用于計算固體的熱傳導和熱輻射。HTRM3D可以和RGS3D耦合迭代計算。

1） 3D真空蒸鍍過程仿真

利用RGS3D模塊對真空蒸鍍過程進行模擬，并與實驗結果進行了對比。同時給出了蒸鍍粒子在空間中的分布。

                                               膜厚度的仿真和實驗結果相比較

密度、壓力等的空間分布

2） 多源共蒸發(fā)仿真

多源共蒸發(fā)仿真，用于顯示器面板OLED工藝仿真，包括真空腔內稀薄氣體仿真、熱仿真和面板壁面的沉積仿真。

AlQ3薄膜面板沉積仿真，如下圖。

3） CIGS光伏鍍膜仿真

      CIGS光伏鍍膜，含Se裂解反應。

3.5 稀薄氣體仿真

NMEM模塊、DSMCM模塊和RGS3D模塊是專門針對中性稀薄氣體的仿真模塊，分別為流體算法和中性算法。能夠對10^(-9)Pa至10atm氣壓范圍的中性氣體的行為、特征進行表征�？梢苑抡嫦”�氣體中的納米粒子在微尺度下的分子與原子行為；也可以對多種真空設備中的稀薄氣體進行動理學和粘性流的模擬。同時，中性稀薄氣體的模擬可以與等離子放電進行耦合，分析中性粒子對等離子體中的帶電粒子的影響。

1） 稀薄大氣高速飛行器氣動性能3D仿真

本例仿真距離地面100km高空，高速飛行器的氣動模型。仿真條件為：N（0.08Pa）和O（0.02Pa）混合氣體，飛船移動速度為5000m/s（約14.7馬赫）。模擬飛船飛行迎風面受到的大氣阻力以與氣體的摩擦發(fā)熱效果。仿真模塊為RGS3D模塊。

仿真模型                壓強分布

溫度分布                      氣體密度分布

      外流場稀薄氣體仿真（Ram C）

      使用RGS3D模塊計算稀薄氣體對飛行器的作用。大氣參數：N（0.008Pa）和O（0.002Pa）混合氣體。飛船移動速度為8000m/s。

2） H2在大型復雜真空腔室中的動態(tài)分布仿真

本例是對某大型真空設備所做的仿真計算，三維模型如下：

 三維仿真模型                    引出區(qū)三層網孔結構

    計算模擬氣體在真腔室的輸運過程，以及各子腔室內的氣壓分布情況。仿真氣體為H2，壓強范圍10-4~2Pa。仿真模塊為RGS3D模塊。

   引出區(qū)前后壓強梯度分布                        壓強分布切面圖（橫切，縱切）

3） 冷凝泵抽真空過程數值模擬

    真空室為環(huán)形輪胎狀結構，環(huán)形中心半徑2000mm，環(huán)形截面半徑500mm。冷凝管半徑12.8mm，維持溫度4.5K。真空室填充氣體為H2。初始壓強0.5Pa。仿真按照對稱結構截取環(huán)形的1/20參與計算，扇角20 。RGS3D建模以及非結構化網格劃分如下：

氣體熱運動速率分布           壁面粒子碰撞密度分布               壁面溫度分布

4） 噴頭結構CVD裝置中稀薄氣體流動仿真 (RGS3D)

5） 抽真空過程仿真 (RGS3D)

      腔體內H₂抽氣過程仿真； 模塊：RGS3D； 算法：DSMC。初始氣壓：100 Pa，最終氣壓: 0.00001 Pa。

3.6 鍍膜仿真

1） 多層膜PVD模擬

被吸附的粒子的能量和角度分布分別為10eV和cosθ的四次方；三種入流粒子；每種粒子的模擬數量為5兆。

入射角度分布                形狀分布(T=200s)

2） 3D物理氣相沉積--銅鍍膜

利用FPSM3D模塊對工件表面進行的物理氣相沉積過程進行仿真。給出沉積薄膜的形貌、厚度等特征，從微觀角度了解沉積過程。其中Cu的入射流量為1e21/m2/s。

3） 薄膜沉積形貌計算（RGS3D，F(xiàn)PSM3D）

（1）腔體內氣體計算(RGS3D)，基板流量均勻性計算與實驗值比較。 

（2）薄膜沉積膜厚計算，并與實驗值比較(FPSM3D)。

4） PECVD放電與沉積計算（PHM，NMEM，F(xiàn)PSM2D）

      工作氣體 SiH4 50sccm + NH3 75sccm。CCP放電：60MHz, 100W；帶電粒子28種，中性粒子35種，氣相反應 266個。

4. PEGASUS軟件用戶

PEGASUS軟件典型用戶如下：

ADVANTEST、Asahi Kasei、CANON-Tokki、CANON、EBARA、Fujifilm、JX Nippon Mining &Metals、Hitachi、IDEMITSU、KONICA MINOLTA、KYOCERA、LAPIS semiconductor、LG Display、Mitsubishi Heavy Industries、Mitsubishi Materials、Mitsubishi Plastics 、Nippon steel Chemical、Nissin electric、NIKON、NITTO DENKO、PANASONIC、Renesas electronics、SANYO、Samsung、Sumitomo Electric Industries、TDK、Tokyo electron、TORAY、Toshiba、ULVAC、USHIO等。