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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。

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?？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。

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)。

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

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。

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）。

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。或者可通過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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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新鄉(xiāng)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：http://www.btitgroup.com/About.aspx?ClassID=47