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青海PVD工藝—真空蒸鍍鍍膜仿真
發(fā)布時(shí)間：2023-12-20 18:33:08 點(diǎn)擊次數(shù)：20497 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(shù)。
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(yùn)過程，可以計(jì)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(yùn)動的部件、蒸發(fā)源、進(jìn)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(shù)，可以統(tǒng)計(jì)粒子的壓強(qiáng)、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(jì)算機(jī)內(nèi)配置多個(gè)樣品粒子，計(jì)算粒子的碰撞，使用追蹤運(yùn)動這樣的DSMC法進(jìn)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(diǎn)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(yùn)過程。三維（RGS3D）模塊可以計(jì)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用芏取囟?、能量分布函數(shù)，可以統(tǒng)計(jì)粒子的壓強(qiáng)、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(yīng)a1 A1 + a2 A2 → b1 B1 + b2 B2。反應(yīng)可分為吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，反應(yīng)的發(fā)生可以使用反應(yīng)能量或者反應(yīng)速率常數(shù)判斷?？梢杂?jì)算的壁面反應(yīng)為A1 → 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(yīng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。
RGS3D的計(jì)算結(jié)果可以作為表面模塊FPSM3D的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行沉積、薄膜生長過程仿真。
RGS3D可以用于：稀薄氣體動力學(xué)計(jì)算、抽真空過程計(jì)算、真空蒸鍍設(shè)備仿真、……
RGS3D的輸出文件包括：
?密度、溫度、壓強(qiáng)、速度、流速
?mol、m.f.p、碰撞頻率
?粒子通量、熱通量
如果要進(jìn)一步計(jì)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(shí)，可以利用上一步到達(dá)基底的流量數(shù)據(jù)，計(jì)算薄膜生長過程。薄膜鍍膜生長過程采用FPSM3D模塊，計(jì)算物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)帶來的固體壁面隨時(shí)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(jì)算納米~微米尺度的微觀結(jié)構(gòu)。
本例計(jì)算三蒸發(fā)源蒸鍍有機(jī)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。
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(gè)面邊界：
Particle選項(xiàng)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(shè)置了三種粒子，數(shù)據(jù)參數(shù)相同，名稱不同。
Calculation step，sampling選項(xiàng)卡,主要用于設(shè)置計(jì)算引擎啟動時(shí)各項(xiàng)參數(shù)。
initial dens,etc選項(xiàng)卡：粒子初始條件、重力加速度和蒸氣壓曲線的設(shè)置
Boundary邊界設(shè)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(jì)算空間內(nèi)：inter-domain boundary。
設(shè)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(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)，擬合出一條直線，通過對數(shù)運(yùn)算后，可得到流量為1.04e19（/m2/s）。
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(biāo)系時(shí)，選擇創(chuàng)建的局部坐標(biāo)系。
參數(shù)配置完成之后，點(diǎn)擊主界面中run按鈕串行啟動計(jì)算引擎，通常采用并行計(jì)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。或者可通過Post File進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如輸出VTK格式文件，用第三方軟件查看結(jié)果。
FPSM模塊需要在軟件內(nèi)部進(jìn)行建模，需要設(shè)置Species、Reaction、Geometry、Control Parameter四部分。
Species設(shè)置
對于流入粒子，需要設(shè)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(shè)置一個(gè)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(shè)置ID和name等。
Reaction設(shè)置
Reaction界面如下圖所示，主要設(shè)置各種沉積反應(yīng)和壁面反射，如果有刻蝕反應(yīng)也需要添加，本案例中不涉及刻蝕反應(yīng)。
Geometry（struct）設(shè)置
在主界面中點(diǎn)擊Geometry按鈕，彈出建模界面，點(diǎn)擊右鍵菜單-set Domain，按如下參數(shù)設(shè)置計(jì)算域，注意調(diào)整單位等參數(shù)。
在Geometry的邊界條件設(shè)置中設(shè)置上方為氣體流入，并且分別設(shè)置3種氣體的流入?yún)?shù)。
FPSM3D與RGS3D耦合時(shí)，需要RGS3D生成的粒子速度頻率數(shù)據(jù)，RGS3D的計(jì)算引擎以數(shù)據(jù)表格形式輸出。
Control Parameter設(shè)置
Control Parameter界面如下圖所示，用戶可設(shè)置輸出時(shí)間步，每隔3s輸出一次；如需對基地進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置，可以切換至Plate選項(xiàng)卡，本案例中不對基底做特殊設(shè)置。
對于基板的運(yùn)動，設(shè)置運(yùn)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(jì)算完成后進(jìn)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(shí)可以查看粒子沉積結(jié)果。
基底溝槽不是矩形時(shí)，會形成遮擋效應(yīng)。這里利用真空蒸鍍的到壁面流量數(shù)據(jù)，計(jì)算凸出形狀為梯形的基底沉積模型。
PEGASUS軟件可以對真空蒸鍍的過程進(jìn)行仿真，該仿真建立在用戶給定的青海真空腔體結(jié)構(gòu)、進(jìn)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(chǔ)上，展開3維仿真。經(jīng)過多次仿真計(jì)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：http://www.btitgroup.com/About.aspx?ClassID=47
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