PEGASUS 专业低温等离子体与稀薄气体仿真软件

放电等离子体仿真


    PEGASUS提供等离子放电过程及性能监测的仿真能力,能够给出放电过程中不同阶段等离子体的运动特征分布及能量分布等。可以仿真低气压中高频激励下的容性放电;也可以用于研究几托到几百托,甚至更高气压下,高频线圈激励的感应耦合放电;还可以用来计算有绝缘介质插入的大气压下的介质阻挡放电。可以用于摸索放电等离子体源的放电参数以及装置设计等,也可以用于对微等离子体放电的内部过程进行机理研究。


1. 容性放电

    CCP(电容耦合等离子体)是在平行板电容器中,气体在外加高频功率的激励下产生放电,由此产生的等离子体称为电容耦合等离子体。在低气压放电中,人们广泛采用的一种放电形式是将射频电压和电流直接加在浸没于等离子体中的一个电极上来维持放电。在这种放电中,电极和等离子体间形成一个高压容性鞘层,流过鞘层区的射频电流导致了鞘层内的随机或无碰撞加热,而流过主等离子体区的射频电流则导致了主休区内的欧姆加热。
    典型的放电条件是:压强10Pa~1000Pa,电极间距1cm~5cm,高频功率20W~200W。生成等离子体密度约1016m-3量级。


1.1 Ar放电模拟

一、装置介绍(如下图):图为传统CCP放电装置在柱坐标系下的二维示意。

工作气体:Ar,5Pa,入口Ar粒子通量1.35e23/m2/s,出口Ar反射率0.95
    射频源:Vrf=100V,频率:13.56MHz

二、模块选择:
    首先,用DSMCM模块进行中性气体的流场、密度分布的计算;将计算结果文件“dens_3.out”、“temp 3.out” 、“vel 3.out”( 关于Ar的密度、温度、速度)的后缀改为“.init”,作为PIC-MCCM计算的初始条件,用PIC-MCCM耦合DSMCM模块进行等离子体相关特性的计算。

三、反应方程式选择:
    a.气体种类的选择
        e(-)
        Ar(+)
        Ar
        Ar(*4s)
        Ar(*)
    b.气体反应方程式的选择
        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、网格划分及监测点选取:


五、模拟结果:

Step1. DSMCM对Ar分布的计算结果

Step2. PIC-MCCM耦合DSMCM,等离子体特性的计算结果


1.2 氢气放电模拟

一、装置介绍:日本名古屋大学Prof. Hori实验室的刻蚀反应器,进行模拟结果与其实验结果的对比。

     工作气体:H2,5[Pa](固定在出口)
     射频源:Vrf=200 [V] ; 频率:60[MHz]
     Vdc:自洽计算
     流速:200[sccm]

二、模块选择:采用PIC-MCCM+NMEM模块。

三、气体种类选择:
     考虑的粒子:e-,H2, H, H+, H2+, H3+, H-
     表面反应:H  1/2H2(金属表面15%,绝缘体表面7%)

四、模拟结果:


1.3 微等离子体放电

采用PHM模块分别对射频电极和直流电极两种情况进行了仿真。

a) 射频电极

电子密度(每1/8周期)
源激发原子的速度(每1/8周期)
电子温度(每1/8周期)
等离子体电势(每1/8周期)

b) 直流电极


2. 感性放电

    ICP(感应耦合等离子体)是将高频功率供给线圈,由电流产生的交变磁场引起感应电场,由此激发和产生的等离子体为感应耦合等离子体。感性等离了体源具有许多潜在优势,包括原理简单,无须直流流磁场,以及使用射频电源而不是微波源等。
    感应耦合等离子体中,中性气体一般低于一个大气压,从几托到几百托,某些应用甚至达到一个大气压。


2.1 Ar放电模拟

一、装置介绍(如下图):图为装置在柱坐标系下的二维示意。

工作气体:10mTorr的Ar
线圈:150W,13.56MHz


二、模块选择:

鉴于ICP的背景气体气压较大,采用基于流体模型的PHM模块进行放电过程模拟,同时加入EMM辅助模块计算诱导电场E,加入PEM辅助模块计算电势φ和电场E,加入EMCSM模块运用电子蒙卡方法计算出电子能量分布函数、周期平均电子温度Te、各种粒子的速度、扩散系数、碰撞频率等。


三、反应方程式选择:
a.气体种类的选择
    e(-)
    Ar
    Ar(+)
    Ar(*)
    Ar(*4s)
b.气体反应方程式的选择
    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、网格划分及监测点选取:


五、模拟结果


2.2 SF6放电模拟

使用模块:PEGASUS进行放电流体模块PHM与中性模块DSMCM的耦合计算。


2.3 圆锥腔ICP放电

  • 圆锥形腔ICP放电,上端为半径20mm的圆锥,下端直径300mm,高度500mm。
  • 填充氩气或者汞蒸汽。采用PHM。


2.4 H2放电模拟

  • 采用PHM模块。
主要粒子密度的空间分布
主要粒子的密度峰值随时间演化
ICP能量沉积


3. 介质阻挡放电

    介质阻挡放电(DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里,这样当在放电电极上施加足够高的交流电压时,电极间的气体,即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。这种放电表现为很均匀、漫散和稳定、貌似低气压下的辉光放电,但是实际上它是由大量细微的快脉冲放电通道构成的。
    通常放电空间的气体压强可达1.0e5或更高,所以这种放电属于高气压下的非热平衡放电。PEGASUS对这种极限条件下的微观放电过程完全能够实现模拟。

3.1 氮气平行平板介质放电

一、装置介绍(如下图):以最常见的平行平板放电装置为例,图为装置在直角坐标系下的二维示意。
    放电发生在两层介质之间,可以防止放电等离子体直接与金属电极接触;对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体,这种构型具有独特的优点。

二、模块选择:
    首先,用TTBEQ模块求解电子输运系数,输出结果作为PHM模块的输入参数,再用PHM模块求解电子密度、温度、能量分布等。

三、反应方程式选择:

a. 气体种类的选择  
  e-、N、N2、N2*、N2+  
b. 气体反应方程式的选择  
  e(-)+ N2  --> e(-)+ N2 弹性碰撞
  e(-)+ N2  --> 2e(-)+ N2(+): 电离
  e(-)+ N2  --> e(-)+ 2N: 解离
  e(-)+ N2  --> e(-)+ N2(*Vib): 振动激励
  e(-)+ N2  --> e(-)+ N2(*Rot): 旋转激励

 

四、模拟结果:

Step1. TTBEQ对e-输运系数的计算结果

Step2. PHM对等离子特性的计算结果


3.2 大气压氮气表面放电

采用PHM模块针对不同厚度的介质以及电极间的不同距离对放电过程的影响进行仿真。

粒子类型:N2、N、N2*、e-、N2+
碰撞反应:
       e- + N2 → e- + N2 
       e- + N2 → 2e- + N2+ 
       e- + N2 → e- + 2N 
       e- + N2 → e- + N2* 
       e- + N2 → e- + N2*


4 空心阴极放电

采用PHM模块


4.1 类金刚石镀层模拟

用PEGASUS对不规则形状工件的类金刚石镀层进行了模拟。给出了电子密度、电子流量等在工件表面的空间分布演化。


4.2 空心阴极放电模拟

PHM模块对直流空心阴极放电的仿真。工作气体为Ar,对于133Pa时,研究了230V和280V的放电特性;而在300V条件下,研究了1330Pa和6650Pa气压下的放电特性。


5. 辉光放电

    辉光放电是气体放电现象中的一种重要形式,因放电时管内出现特有的光辉而得名。辉光放电可分为亚辉光放电、正常辉光放电和反常辉光放电三种类型。辉光放电是一种自持放电,其放电电流的大小为毫安数最级,它是靠正离子轰击阴极所产生的二次电子发射来维持。


5.1 表面处理装置辉光放电模拟

一、装置介绍(如下图):其中真空腔室的截面尺寸为800X1500mm,圆形Al电极的截面面积为20mm2,电极上下两侧有两块绝缘体挡板,其截面尺寸为1200X4mm。腔体内充满0.1Pa的氩气作为工作气体,电极连接-600V的电压,真空腔室接地。该工作进行了二维模拟,并采用10倍缩比。


二、模块选择:
    首先,采用DSMCM模块描述了稀薄中性气体的分布,然后用PIC模块描述了带电粒子的放电过程。在考虑中性背景气体影响的情况下,给出了放电粒子的密度分布、温度分布、速度分布、流量分布及电场分布等等。


三、反应方程式选择:
    a. 气体种类的选择
      e-、Ar、Ar*、Ar+
    b. 气体反应方程式的选择
      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、模拟结果:


5.2 氙气灯放电管模拟

    为了研究脉冲氙气放电管在放电击穿过程中的放电特性,采用流体模型PHM计算了脉冲氙气放电管内的电势分布;放电管内的电场分布;放电管内多个监测点附近的电流分布;放电管内各种粒子的浓度分布及随时间的演变;放电管管壁的表面电荷分布。

一、计算模型的结构:

为了加快计算,在同样轴径比71的基础上将放电管尺寸缩小了10倍,模拟计算了142mm*2mm的放电模型,

原放电管外加电压23KV缩小10倍为2300V,考虑到理论和实际的差异,我们设定高压电极上外加直流电压2500V,另一电极接地。


二、放电气体种类以及相关反应方程
    放电管内整体为氙气放电,参与反应的粒子种类设定为:e、Xe、Xe*ex、Xe*met、Xe*res、Xe+、Xe2+。


三、模拟计算结果:

电子分布
Xe+分布

5.3 低气压辉光放电


6 磁控溅射放电

采用如下模块:

Ar等离子体中Cu溅射粒子

第一步:最小超对称静磁场仿真模型 第二步:PIC-MCCM等离子体仿真
第三步:SPUTSM的溅射过程仿真
第四步:DSMCM仿真溅射粒子


7 RF磁控溅射放电

计算参数如下:
射频磁控溅射装置放电仿真

  • - 永磁铁剩磁密度 0.2-0.5[T]
  • - 放电气压 5[mTorr]
  • - 磁铁间距 2.0[cm]
  • - 外加电压 Vrf= 200[V],13.56[MHz]
  • - 2维柱坐标系


计算结果:

 电子密度分布电势分布 

 

 

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3.中性稀薄气体仿真
4.等离子体增强材料表面处理仿真