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行業(yè)新聞

PVD工藝—真空蒸鍍鍍膜仿真

發(fā)布時間:2023-12-20 18:33:08 點擊次數(shù):10443 次

PVD工藝—真空蒸鍍鍍膜仿真

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(zhì)使之汽化,蒸發(fā)粒子流直接射向基板上沉積形成固態(tài)薄膜的技術。

蒸鍍示意圖

PEGASUS軟件中的RGS3D模塊用于稀薄氣體仿真。RGS3D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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也可以處理4面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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。可以輸出中性粒子密度、溫度、流速、能量分布等參數(shù),可以統(tǒng)計粒子的壓強、平均自由程、流場分布等參數(shù)。

RGS3D是用于分析稀薄氣體流場的模塊。擅長解析Kn數(shù)(克努森數(shù))大的流場,超過了將氣體視為連續(xù)體處理的NS方程的適用極限。在計算機內(nèi)配置多個樣品粒子,計算粒子的碰撞,使用追蹤運動這樣的DSMC法進行解析。

RGS3D除了通常的DSMC法以外,還可以選擇:Kn1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。

PEGASUS的RGS3D模塊是中性氣體仿真模塊。其特點是:用硬球模型處理稀薄氣體,利用直接蒙特卡洛方法模擬氣體分子的碰撞和輸運過程。三維(RGS3D)模塊可以計算三維任意形狀的稀薄氣體流動,可以處理結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也可以處理4面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型。采用多種碰撞模型,甚至可以處理粘性流??梢暂敵鲋行粤W用芏?、溫度、能量分布函數(shù),可以統(tǒng)計粒子的壓強、平均自由程、流場分布等。該模塊支持多核并行。

RGS3D可以處理氣相反應a1 A1 + a2 A2 → b1 B1 + b2 B2。反應可分為吸熱反應和放熱反應,反應的發(fā)生可以使用反應能量或者反應速率常數(shù)判斷??梢杂嬎愕谋诿娣磻獮锳1 → b1 B1 + b2 B2。

RGS3D可以和熱分析模塊HTRM3D耦合仿真,以對熱傳遞、熱輻射效應進行聯(lián)合仿真。

RGS3D的計算結(jié)果可以作為表面模塊FPSM3D的輸入?yún)?shù),進行沉積、薄膜生長過程仿真。

RGS3D可以用于:稀薄氣體動力學計算、抽真空過程計算、真空蒸鍍設備仿真、……

RGS3D的輸出文件包括:

?密度、溫度、壓強、速度、流速

?mol、m.f.p、碰撞頻率

?粒子通量、熱通量

如果要進一步計算薄膜生長中膜厚的變化,特別是基底上有微觀溝槽結(jié)構(gòu)時,可以利用上一步到達基底的流量數(shù)據(jù),計算薄膜生長過程。薄膜鍍膜生長過程采用FPSM3D模塊,計算物理反應和化學反應帶來的固體壁面隨時間變化的特征輪廓,得到刻蝕、沉積、多層鍍膜等工藝過程產(chǎn)生的表面輪廓演化、氣相各組分分布等結(jié)果。算法包括蒙特卡洛法、元胞法。通常計算納米~微米尺度的微觀結(jié)構(gòu)。

本例計算三蒸發(fā)源蒸鍍有機發(fā)光材料AlQ3以及表面膜厚生長過程。采用的模塊包括真空蒸鍍模塊RGS3D和表面形貌模塊FPSM3D。本案例可以用于OLED鍍膜工藝仿真。

三蒸發(fā)源真空蒸鍍模型

RGS3D模塊所使用的網(wǎng)格可通過SALOME軟件(或者FEMAP)生成,網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,主要由二維三角形網(wǎng)格與三維四面體網(wǎng)格組成。

整體模型分為多個面邊界:

  1. In1:蒸發(fā)源1的上流入面
  2. In2:蒸發(fā)源2的上流入面
  3. In3:蒸發(fā)源3的上流入面
  4. Wall:腔室外壁面
  5. Source_wall::蒸發(fā)源外壁面
  6. Separator:各蒸發(fā)源之間的分隔板
  7. Shield:蒸發(fā)源擋板
  8. Glass:蒸鍍基底
  9. Glass_t:蒸鍍基底上的監(jiān)控面(主要用于采集數(shù)據(jù),記錄薄膜生長計算所需的粒子角度速度頻率等數(shù)據(jù))

Particle選項卡,用戶可在此處選擇軟件數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)有的粒子信息,也可以自定義全新的粒子信息,在三蒸發(fā)源真空蒸鍍案例中,為了區(qū)分不同蒸發(fā)源的蒸發(fā)情況,因此設置了三種粒子,數(shù)據(jù)參數(shù)相同,名稱不同。

Calculation step,sampling選項卡,主要用于設置計算引擎啟動時各項參數(shù)。

Calculation step,sampling選項卡

initial dens,etc選項卡粒子初始條件、重力加速度和蒸氣壓曲線的設置

initial dens,etc選項卡

Boundary邊界設置。界面屬性包括:flowin boundary、Wall boundary、Symmetry boundary和measure boundary四種,每種界面還區(qū)分是否在計算空間內(nèi):inter-domain boundary。

邊界設置界面

設置液面在不同溫度下,每秒蒸發(fā)的粒子流量數(shù)據(jù),可以參考下圖,通過實驗值數(shù)據(jù),擬合出一條直線,通過對數(shù)運算后,可得到流量為1.04e19(/m2/s)。

Alq3在不同溫度下的蒸發(fā)流量
監(jiān)控單元設置界面

FPSM模塊需要RGS3D模塊提供的速度分量的頻率差文件,名稱為velocdist.csv;在選擇坐標系時,選擇創(chuàng)建的局部坐標系。

參數(shù)配置完成之后,點擊主界面中run按鈕串行啟動計算引擎,通常采用并行計算。

軟件輸出如下后處理文件,其中只包含Pegasus后處理可查看的文件格式?;蛘呖赏ㄟ^Post File進行轉(zhuǎn)換,例如輸出VTK格式文件,用第三方軟件查看結(jié)果。

三個蒸發(fā)源到基底流量(基底直線運動)
三個蒸發(fā)源粒子空間分布(壓強)
三個蒸發(fā)源粒子空間分布(密度)

FPSM模塊需要在軟件內(nèi)部進行建模,需要設置Species、Reaction、Geometry、Control Parameter四部分。

Species設置

對于流入粒子,需要設置其氣體狀態(tài)與固體狀態(tài)(沉積),固體狀態(tài)下類型為surface,需要添加密度數(shù)據(jù)。其中需要專門設置一個Wall類型,在右邊選擇可能構(gòu)成固體面的基本物質(zhì),如Alq3和SiO2,然后設置ID和name等。

Species界面

Reaction設置

Reaction界面如下圖所示,主要設置各種沉積反應和壁面反射,如果有刻蝕反應也需要添加,本案例中不涉及刻蝕反應。

Reaction界面

Geometry(struct)設置

在主界面中點擊Geometry按鈕,彈出建模界面,點擊右鍵菜單-set Domain,按如下參數(shù)設置計算域,注意調(diào)整單位等參數(shù)。

幾何模型

在Geometry的邊界條件設置中設置上方為氣體流入,并且分別設置3種氣體的流入?yún)?shù)。

FPSM3D與RGS3D耦合時,需要RGS3D生成的粒子速度頻率數(shù)據(jù),RGS3D的計算引擎以數(shù)據(jù)表格形式輸出。

Control Parameter設置

Control Parameter界面如下圖所示,用戶可設置輸出時間步,每隔3s輸出一次;如需對基地進行進一步的設置,可以切換至Plate選項卡,本案例中不對基底做特殊設置。

對于基板的運動,設置運動速度。

MVSUB 0.0 1.5 [m]

0.1 ! [m/s] (基板移動速度)

2.2.2 查看結(jié)果

計算完成后進入后處理界面,查看后處理結(jié)果,可以查看不同粒子在空間中的密度分布與速度分布,同時可以查看粒子沉積結(jié)果。

三種粒子沉積結(jié)果


基底溝槽不是矩形時,會形成遮擋效應。這里利用真空蒸鍍的到壁面流量數(shù)據(jù),計算凸出形狀為梯形的基底沉積模型。

特殊形狀溝槽的property設置和后處理顯示效果
左側(cè)蒸發(fā)源沉積的粒子
中間蒸發(fā)源沉積的粒子
右側(cè)蒸發(fā)源沉積的粒子
三種粒子沉積+SiO2形狀
3D沉積輪廓
9秒時中間蒸發(fā)源粒子密度
9秒時左側(cè)蒸發(fā)源粒子密度
9秒時右側(cè)蒸發(fā)源粒子密度

PEGASUS軟件可以對真空蒸鍍的過程進行仿真,該仿真建立在用戶給定的真空腔體結(jié)構(gòu)、進氣抽氣口參數(shù)(流量或氣壓)、蒸發(fā)源溫度(由公式算出蒸發(fā)率)的基礎上,展開3維仿真。經(jīng)過多次仿真計算,可以篩選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局和工藝參數(shù)。

參考網(wǎng)頁:btitgroup.com/About.asp




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