日本真空協会SP部会 第一回技術交流会

PEGASUS
Plasma Enhanced materials processing andrarefied GAS dynamics Unified Simulation tools

プラズマ材料プロセス／希薄気体統合シミュレーションツール

２００４年１２月２日

ペガサスソフトウェア株式会社

PEGASUSとは

プラズマプロセス，真空技術における



装置の設計・開発・改良・評価
材料、デバイスの開発・製造
プロセス技術の予測・開発・改良の効率化、実験および試作コストの軽減を目的とした装置シミュレータ


装置内のプラズマ挙動／中性粒子挙動解析


真空装置内の中性粒子挙動解析
プラズマ装置（ＰＥCVD装置、ドライエッチング装置、マグネトロンスパッタ装置）
内のプラズマ・中性粒子挙動解析
荷電粒子ビーム解析

Copyright 2002-2004 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

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PEGASUSの構成モジュール
２次元気相シミュレータ






表面科学系シミュレータ


プラズマPICモンテカルロモジュール （PIC−MCCM）
プラズマ・ハイブリッド・モジュール（PHM）
中性粒子希薄気体モジュール（DSMCM）
中性粒子連続体モジュール（NMEM）
静磁場解析モジュール（MSSM）

動的モンテカルロシミュレーションソフトウェア（SASAMAL）
スパッタリング・シミュレーション・モジュール（SPUTSM）
シース内モンテカルロ・シミュレーション・モジュール （SMCSM）

３次元希薄気体挙動解析ソフトウェア （RGS3D）

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ユーザーインターフェイス GUIM

PEGASUS専用のグラフィカル
ユーザーインターフェイス（標準装備）
ガス種、反応式、装置形状などの計算条件を直感的な操作で指定できる（プリプロセッサー）
計算結果を簡単な操作で確認、検討できる（ポストプロセッサー）
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２次元気相シミュレータの構成モジュール


２次元（Ｒ−Ｚ）もしくは（Ｘ−Ｙ）座標の装置形状に対して
PHM（Plasma Hybrid Module）


PIC-MCCM（Particle-in-Cell Monte Carlo Collision Module）


中性粒子 運動量保存式 モジュール （流体モデル）

DSMCM（Direct Simulation Monte Carlo Module）
プラズマ PIC-MCC モジュール （粒子モデル）

NMEM（Neutral Momentum Equation Module）


プラズマ・ハイブリッド・モジュール （ハイブリッドモデル）

中性粒子希薄気体 モジュール （粒子モデル）

MSSM（Magneto-Static Simulation Module）


静磁場解析モジュール

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ＣＣＰ装置
高ガス圧（10[Pa]以上）

PHM
NMEM

z

●検証例：
・上部電極：接地

誘電体

10.2[cm]

2.26[cm]・下部電極：
Vpp: 200 [V]
周波数:13.56 [MHz]・ガス種：Ar・ガス圧：250 [mTorr]r

・ガス流量：10 [sccm]

10.2[cm]
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7Ar(+)電離レート

電子密度

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論文結果

8ＩＣＰ装置
高密度プラズマ

PHM
DSMCM

２５

中心軸接地
５３３z

空気



１５r
単位：ｃｍ

ガス流入
クウォーツ窓ガス種
 Ｃ２Ｈ２（アセチレン）
 40 [sccm]

2 [Pa]ICPコイル

ＩＣＰコイル ５ターン、 400 [W] 、
13.56 [MHz]Copyright 2002-2004 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

10電子に関する物理量

電子密度

電子生成率

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電子温度

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EEDF（電子エネルギー分布関数）

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ＣＣＰ装置
低ガス圧（10[Pa]以下）

PIC-MCCM
DSMCM

印加電圧
ガス圧

反応式

アース


Vrf=100[V]
およそ5[Pa]（DSMCMで計算）

e- + Ar → e- + Ar
e- + Ar → 2e- + Ar+
e- + Ar → e- + Ar*
e- + Ar → e- + Ar4s
e- + Ar4s → 2e- + Ar+
Ar+ + Ar → Ar+ + Ar
Ar+ + Ar→ Ar + Ar+（弾性散乱）
（電離）
（励起）
（励起）
（電離）
（弾性散乱）（電荷交換）

RF電極
中心軸
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14中性粒子に関する物理量

Ar4s密度分布

Ar4s生成率分布

基板へのフラックス

Ar4s空間フラックス

サンプル粒子数の時間変化

密度の時間変化

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15荷電粒子に関する物理量

電子温度空間分布

基板へのイオンフラックス

電子エネルギー分布

イオンエネルギー分布

電離率空間分布

サンプル粒子数の時間変化

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マグネトロンスパッタ装置

MSSM
PIC-MCCM

同軸円筒型

ターゲット
N
S
N
S

基板

N
S
N
S

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プレナー型

ターゲット

N

S

N

S

N

S

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UBM 型の磁場配置(アンバランスド・マグネトロン)

基板

磁石

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マグネトロンスパッタ装置
スパッタリングシミュレーション

MSSM
PIC-MCCM
SPUTSM（表面科学系）DSMCM

動的モンテカルロシミュレーションソフトウェア

dynamic-SASAMAL
Simulation of Atomic Scattering in Amorphous MAterials
based on Liquid model

宮川佳子・宮川草児
産業技術総合研究所 中部センター（名古屋）
サステナブルマテリアル研究部門

２次元マグネトロンスパッタシミュレーション概略図
基板上の膜厚分布

使用データベース・磁性体ライブラリ（ＢＨ特性）MSSM

PIC-MCCM
Ne, Ni, Φ, Es, Ve, Vi

磁束密度分布

１）ターゲットへの入射イオン情報
・粒子種、粒子束・エネルギー・角度
２）ターゲット材料

DSMCM
Nn,TnPn,Vn

SPUTSM
使用データベース
・荷電粒子-中性粒子
衝突断面積

SASAMAL

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スパッタ粒子情報
・発射粒子束・発射角度・発射エネルギー23

表面科学系シミュレータ概要

表面科学系シミュレータ


材料表面で生じる物理現象

スパッタリング現象、イオン注入SASAMAL, SPUTSM
 スパッタリング率やDepth Profile を求める。

イオン注入

シースを通って表面に達する荷電粒子


SMCSM（シース内モンテカルロシミュレーションモジュール） シース内の荷電粒子の運動を追跡してエネルギー分布関数等を求める。

についてシミュレーションを行うモジュール群

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３次元希薄気体挙動解析ソフトウェア

RGS3D

RGS3Dの概要

希薄気体となる条件下で、気体分子運動論の支配方程式をDSMC法により数値的に解く
シミュレーションソフトウェア（計算手法はDSMCMと同様）
適用分野





各種真空容器、装置内の流れ解析
真空ポンプ内の流れ解析
真空蒸着シミュレーション特長

Weight Algorithm により、密度差が大きい多種粒子種の計算が可能
分子流領域のとき、高速なモンテカルロ法計算機能

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RGS3D 解析例

真空蒸着における膜厚分布の検証例
解析モデル
蒸発物質：Ａｌ
基板

蒸発温度：1000 [K]
蒸発速度： 1.8×1017 [#/cm2/s]
基板上での膜厚分布で検証
流出蒸発源
1) 点蒸発2) 面蒸発（5mm角）[cm]
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真空蒸着における膜厚分布の検証例
粒子フラックス分布、圧力分布
点蒸発源

面蒸発源

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真空蒸着における膜厚分布の検証例
粒子フラックス分布（薄膜工学、丸善、2003）

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協 同 事 業東北大学、宮本研究室が開発したソフトウェアの販売代理店


コンビナトリアル計算化学ソフトウェア

・ 量子分子動力学法、分子動力学法、モンテカルロ法などによるシミュレーションソフトウェア群・ 弊社との関連分野としては、基板・薄膜表面反応、膜質などに関する分子・原子シミュレーション

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