PVD工艺—真空蒸镀镀膜仿真

真空蒸发镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热蒸发物质使之汽化，蒸发粒子流直接射向基板上沉积形成固态薄膜的技术。

PEGASUS软件中的RGS3D模块用于稀薄气体仿真。RGS3D利用直接蒙特卡洛方法模拟气体分子的碰撞和输运过程，可以计算三维任意形状的稀薄气体流动，既可以处理结构化网格也可以处理4面体的非结构化网格模型，支持模型中有运动的部件、蒸发源、进气出气端口等特征。可以输出中性粒子密度、温度、流速、能量分布等参数，可以统计粒子的压强、平均自由程、流场分布等参数。

RGS3D是用于分析稀薄气体流场的模块。擅长解析Kn数（克努森数）大的流场，超过了将气体视为连续体处理的NS方程的适用极限。在计算机内配置多个样品粒子，计算粒子的碰撞，使用追踪运动这样的DSMC法进行解析。

RGS3D除了通常的DSMC法以外，还可以选择：Kn1的自由分子流区域，粒子碰撞可以忽略，采用蒙特卡洛（MC）法。

PEGASUS的RGS3D模块是中性气体仿真模块。其特点是：用硬球模型处理稀薄气体，利用直接蒙特卡洛方法模拟气体分子的碰撞和输运过程。三维（RGS3D）模块可以计算三维任意形状的稀薄气体流动，可以处理结构化网格也可以处理4面体的非结构化网格模型。采用多种碰撞模型，甚至可以处理粘性流。可以输出中性粒子密度、温度、能量分布函数，可以统计粒子的压强、平均自由程、流场分布等。该模块支持多核并行。

RGS3D可以处理气相反应a1 A1 + a2 A2 → b1 B1 + b2 B2。反应可分为吸热反应和放热反应，反应的发生可以使用反应能量或者反应速率常数判断。可以计算的壁面反应为A1 → b1 B1 + b2 B2。

RGS3D可以和热分析模块HTRM3D耦合仿真，以对热传递、热辐射效应进行联合仿真。

RGS3D的计算结果可以作为表面模块FPSM3D的输入参数，进行沉积、薄膜生长过程仿真。

RGS3D可以用于：稀薄气体动力学计算、抽真空过程计算、真空蒸镀设备仿真、……

RGS3D的输出文件包括：

?密度、温度、压强、速度、流速

?mol、m.f.p、碰撞频率

?粒子通量、热通量

如果要进一步计算薄膜生长中膜厚的变化，特别是基底上有微观沟槽结构时，可以利用上一步到达基底的流量数据，计算薄膜生长过程。薄膜镀膜生长过程采用FPSM3D模块，计算物理反应和化学反应带来的固体壁面随时间变化的特征轮廓，得到刻蚀、沉积、多层镀膜等工艺过程产生的表面轮廓演化、气相各组分分布等结果。算法包括蒙特卡洛法、元胞法。通常计算纳米~微米尺度的微观结构。

本例计算三蒸发源蒸镀有机发光材料AlQ3以及表面膜厚生长过程。采用的模块包括真空蒸镀模块RGS3D和表面形貌模块FPSM3D。本案例可以用于OLED镀膜工艺仿真。

RGS3D模块所使用的网格可通过SALOME软件（或者FEMAP）生成，网格类型为非结构化网格，主要由二维三角形网格与三维四面体网格组成。

整体模型分为多个面边界：

1. In1：蒸发源1的上流入面
2. In2：蒸发源2的上流入面
3. In3：蒸发源3的上流入面
4. Wall：腔室外壁面
5. Source_wall:：蒸发源外壁面
6. Separator：各蒸发源之间的分隔板
7. Shield：蒸发源挡板
8. Glass：蒸镀基底
9. Glass_t：蒸镀基底上的监控面（主要用于采集数据，记录薄膜生长计算所需的粒子角度速度频率等数据）

Particle选项卡，用户可在此处选择软件数据库中已经有的粒子信息，也可以自定义全新的粒子信息，在三蒸发源真空蒸镀案例中，为了区分不同蒸发源的蒸发情况，因此设置了三种粒子，数据参数相同，名称不同。

Calculation step，sampling选项卡,主要用于设置计算引擎启动时各项参数。

initial dens,etc选项卡：粒子初始条件、重力加速度和蒸气压曲线的设置

Boundary边界设置。界面属性包括：flowin boundary、Wall boundary、Symmetry boundary和measure boundary四种，每种界面还区分是否在计算空间内：inter-domain boundary。

设置液面在不同温度下，每秒蒸发的粒子流量数据，可以参考下图，通过实验值数据，拟合出一条直线，通过对数运算后，可得到流量为1.04e19（/m2/s）。

FPSM模块需要RGS3D模块提供的速度分量的频率差文件，名称为velocdist.csv；在选择坐标系时，选择创建的局部坐标系。

参数配置完成之后，点击主界面中run按钮串行启动计算引擎，通常采用并行计算。

软件输出如下后处理文件，其中只包含Pegasus后处理可查看的文件格式。或者可通过Post File进行转换，例如输出VTK格式文件，用第三方软件查看结果。

FPSM模块需要在软件内部进行建模，需要设置Species、Reaction、Geometry、Control Parameter四部分。

Species设置

对于流入粒子，需要设置其气体状态与固体状态（沉积），固体状态下类型为surface，需要添加密度数据。其中需要专门设置一个Wall类型，在右边选择可能构成固体面的基本物质，如Alq3和SiO2，然后设置ID和name等。

Reaction设置

Reaction界面如下图所示，主要设置各种沉积反应和壁面反射，如果有刻蚀反应也需要添加，本案例中不涉及刻蚀反应。

Geometry（struct）设置

在主界面中点击Geometry按钮，弹出建模界面，点击右键菜单-set Domain，按如下参数设置计算域，注意调整单位等参数。

在Geometry的边界条件设置中设置上方为气体流入，并且分别设置3种气体的流入参数。

FPSM3D与RGS3D耦合时，需要RGS3D生成的粒子速度频率数据，RGS3D的计算引擎以数据表格形式输出。

Control Parameter设置

Control Parameter界面如下图所示，用户可设置输出时间步，每隔3s输出一次；如需对基地进行进一步的设置，可以切换至Plate选项卡，本案例中不对基底做特殊设置。

对于基板的运动，设置运动速度。

MVSUB 0.0 1.5 [m]

0.1 ! [m/s] （基板移动速度）

2.2.2 查看结果

计算完成后进入后处理界面，查看后处理结果，可以查看不同粒子在空间中的密度分布与速度分布，同时可以查看粒子沉积结果。

基底沟槽不是矩形时，会形成遮挡效应。这里利用真空蒸镀的到壁面流量数据，计算凸出形状为梯形的基底沉积模型。

PEGASUS软件可以对真空蒸镀的过程进行仿真，该仿真建立在用户给定的真空腔体结构、进气抽气口参数（流量或气压）、蒸发源温度（由公式算出蒸发率）的基础上，展开3维仿真。经过多次仿真计算，可以筛选出最优的结构布局和工艺参数。

参考网页：http://www.btitgroup.com/About.aspx?ClassID=47