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

ペガサスソフトウェア株式会社
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1

目次


PEGASUSとは-------------

3PEGASUS構成モジュール-------------

4



ユーザインターフェイス（GUIM）-------------

5

PHM 計算例 （CCP装置検証計算２例、ICP計算）------------- 13



PIC-MCCM 計算例------------- 38（GEC-RC型装置計算、各種マグネトロンスパッタ装置計算、スパッタリング計算）



表面科学系シミュレータ概要------------- 55



３次元希薄気体挙動解析ソフトウェア概要------------- 65



RGS3D 真空蒸着における解析例------------- 68（回転基板上の膜厚分布、膜厚分布（理論値との比較、実験との比較））

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2

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

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3

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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4

ユーザーインターフェイス GUIM

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5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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6

PEGASUS／GUIM（メインパネル）


計算条件の設定
ジョブの制御入力データ作成

モジュールの実行
停止
ログファイル出力

ポスト処理


時刻歴データ
空間分布表示Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

7ガス種、反応式の選択

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8計算領域の設定
電極、誘電体、コイルそして磁石などの配置

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9境界条件の設定
メッシュ分割、モニタリングセルの指定

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10制御パラメータの設定

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11

ポスト処理Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

12

ＣＣＰ装置
高ガス圧（10[Pa]以上）

PHM
NMEM

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13CCP検証計算（１）
検証論文：
D. P. Lymberopoulos and D. J. Economou,“Two-Dimensional Self-Consistent Radio Frequency Plasma Simulations Relevant to the GaseousElectronics Conference RF Reference Cell”,
Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,
Vol.100, No.4,1995.

（流体モデル）

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GEC-RC型装置
PHM
14

解析モデル

2.54[cm]

誘電体

10.16[cm]10.16[cm]zr・ガス種：Ar・上部電極：接地●検証例（１）：・下部電極：
Vpp: 200 [V]
周波数:13.56 [MHz]・ガス圧：13.33, 33.33,
66.67 [Pa]
●検証例（２）・下部電極：
Vpp: 100,200,300 [V]
周波数:13.56 [MHz]・ガス圧：13.33 [Pa]Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

15検証例（１） 電子密度分布13.33[Pa]33.33[Pa]66.67[Pa]Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

16検証例（１） 電離レート分布13.33[Pa]33.33[Pa]66.67[Pa]Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

17検証例（１） 結果比較
Vpp : 200 [V](3) 13.33[Pa], (5) 33.33[Pa], (6) 66.67[Pa]電極間中央ー径方向電子密度分布
8.0E+15
7.0E+15

電子数密度[1/m^3]

6.0E+15（６）（５）

5.0E+1513.33Pa
33.33Pa
66.67Pa

4.0E+15（１）3.0E+15
2.0E+15
1.0E+15
0.0E+00
0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

半径 [m]

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18検証例（２） 電子密度分布

100[V]

200[V]

300[V]
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19検証例（２） 電離レート分布

100[V]

200[V]

300[V]
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20検証例（２） 結果比較
13.33[Pa](3) 100[V], (2) 50[V], (3) 150[V] 結果比較
電極間中央ー径方向電子密度分布
4.50E+15（３）4.00E+15電子数密度 [1/m^3]

3.50E+15
3.00E+15（１）
Vrf50
Vrf100
Vrf1502.50E+15
2.00E+15
1.50E+15（２）1.00E+15
5.00E+140.00E+00
0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

半径 [m]

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21

CCP検証計算（２）
検証論文：
Shahid Raul and Mark J. Kushner,“Argon metastable densities in radio frequency Ar, Ar/O2 and Ar/CF4 electrical discharges”,
Journal of Applied Physics, Vol.82, No.6,1997.

（流体モデル）

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GEC-RC型装置
PHM
NMEM
22解析モデルz●検証例：誘電体10.2[cm]

10.2[cm]

2.26[cm]・上部電極：接地・下部電極：
Vpp: 200 [V]
周波数:13.56 [MHz]・ガス種：Ar・ガス圧：250 [mTorr]
・ガス流量：10 [sccm]r

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23結果比較（１）

Ar(+)電離レート

電子密度

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論文結果

24

結果比較（２）

静電位

電子温度

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論文結果

25

結果比較（３）

論文結果
Ar(4S)の密度分布
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26結果比較（４）実験データ

Ar(4S)の密度分布（拡大図）

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27結果比較（５）250mTorr

論文結果
Ar(4s)の電極端上ｚ軸方向分布

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28

Arの流束ベクトル[#/m2/s]

Ar(4s)の流束ベクトル[#/m2/s]

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29

ＩＣＰ装置高密度プラズマ

PHM
DSMCM

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30解析モデル
ICPコイル： 5 turn200 [W]
13.56 [MHz]

zr

接地

810

単位：[mm]εr=3.5SF6=2[sccm]

80

接地

40
εr=3.54接地

RF電極
60

RF電極：
Vpp : 200[V]13.56[MHz]80

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31

反応式

e+Fe+F2e+F2e+F2e+SF6 → e+SF6e+SF6 → SF5(+)+F+2e→ F(+)+2ee+SF6 → SF4(+)+2F+2e→ e+F2e+SF6 → SF3(+)+3F+2e→ F(-)+F
e+SF6 → SF2(+)+4F+2e→ F+F+ee+SF6 → SF(+)+5F+2ee+SF6 → SF5(-)+Fe+SF6 → SF3+3F+ee+SF6 → SF2+4F+ee+SF6 → SF5+F(-)
e+SF5 → SF4(+)+F+2ee+SF5 → SF5(+)+2ee+SF4 → SF4(+)+2ee+SF3 → SF3(+)+2ee+SF2 → SF2(+)+2ee+SF → SF (+)+2e
X(+)+Y(-) →X+Y (X,Y∈SFn,F)
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すべての壁面上でF → 1/2F2
F2,SFn(n=1,5)は完全反射

32

電子に関する物理量、空間電位そしてコイルに関する物理量

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33

正イオン密度分布

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34負イオン密度分布

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35中性粒子密度分布

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36

中性粒子密度分布

全圧r
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37

ＣＣＰ装置
低ガス圧（10[Pa]以下）

PIC-MCCM
DSMCM

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38解析モデル


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

RF電極
中心軸
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39

Step1. DSMCM によるArバッファガスの流れ場の計算Ar密度分布

Ar速度分布

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40

Step2. PIC-MCCM+DSMCM による プラズマ、励起種の計算

電子密度分布

イオン密度分布Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

電位分布

41

PIC-MCCM の出力物理量の一例

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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42

DSMCMの出力物理量の一例

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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43

マグネトロンスパッタ装置

MSSM
PIC-MCCM

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44

同軸円筒型

ターゲット
N
S
N
S

基板

N
S
N
S

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45

プレナー型

ターゲット

N

S

N

S

NS

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46

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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47

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
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48

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

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

Ne, Ni, Φ, Es, Ve, Vi

磁束密度分布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49

解析モデルターゲット
磁石

2D円柱座標系
でモデル化

中心軸基板

基板

50

10

ターゲット
N

S
22.55
Fe

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20205550

Step1. MSSM による静磁場解析

磁束密度分布
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磁力線51Step2. PIC-MCCM によるプラズマ解析

Ar+密度分布電位分布
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Ar+ ターゲットへのフラックス分布
52

Step3. SPUTSMによるスパッタリングシミュレーション

スパッタリングフラックス分布 スパッタリング粒子放出角度分布（ターゲットの損耗分布）
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53

Step4. DSMCM によるスパッタ粒子の挙動解析

スパッタ粒子(Cu)の密度分布

Cu 空間フラックス分布

Cu 基板へのフラックス分布

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表面科学系シミュレータ概要

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55

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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56

SASAMAL、SPUTSM


２体衝突モデルに基づき、入射イオンとターゲットを構成する原子がどのように運動していくかを追跡し、スパッタリング率やDepth Profileをシミュレーションにより求めるモジュール


入力




基板へのイオンのフラックスやエネルギーターゲットの組成の初期の深さ分布

出力



スパッタリング率
ターゲット組成の分布の変化
入射イオンのDepth Profile

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57

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）
基礎素材研究部門

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58イオン・固体相互作用シミュレーション・コードの分類
２体衝突近似法
非結晶モンテカルロ法
TRIM
ACATSASAMAL

分子動力学法
結晶MARLOWE
Crystal-TRIM
ACOCOT
COSIPO
XTOPS

動的モンテカルロ法
EVOLVETRIDYN
ACAT-DIFFUSE
dynamic-SASAMAL

PARASOL, MD-TOPS
MODYSEM, SPUT3
MOLDYCASK, MOLDY
２体衝突近似法(BCA)は、イオンと固体との相互作用を再現する適切な物理的モデルを導入することによって、計算時間を短縮している。 これにより、BCA コードは、イオン注入、放射線損傷、スパッタリング、表面散乱などのシミュレーションに使われ、成功してきた。
モンテカルロ法 : 非結晶ターゲットを取扱う２体衝突近似コードでは、ターゲット原子の位置、衝突係数、あるいは、散乱角の決定に確率論的な手法を用いているので、モンテカルロ法と呼ばれている。
動的モンテカルロ法：線量依存性を予測する。
元素組成の深さ分布、損傷の深さ分布、薄膜形成
選択スパッタリング等

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59

SASAMAL（出力例）

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SPUTSM

スパッタリング計算用のモジュール。

PIC-MCCM の計算結果を参照し、内部でSASAMALを呼び出し、その計算結果をDSMCMで用いる境界条件として引き渡す。

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61

SMCSM

予め計算により求められた時間的に変化するシース内の電子、イオンの運動を追跡し、ターゲット上でのエネルギー分布や角度分布を求めるモジュール
入力




出力






シースの厚さや電界の時間変化
シース端でのイオン、電子フラックス等
ターゲット上での EEDF, IEDF, IADF

Liebermannモデル（あるいはPHM）
により、1次元の時間依存のシース内の電界を計算する。
プラズマシース境界から荷電粒子（電子あるいはイオン）を入れる。
プラズマシース境界から壁面に達するまで、時間変化する電界の中での荷電粒子の運動を追跡する。
壁面に到達した荷電粒子のエネルギー等をサンプリングして出力する。

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62

SMCSM（出力例）

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63

PEGASUS動作環境ほか


GUI機能／プレポスト機能

付属のGUIツール（GUIM）を使用
任意の断面グラフ表示、GIFデータ出力、印字出力、テキストデータ入出力、画面表示の任意拡大機能ほか

オペレーティングシステム
Intel系CPU
WindowsNT/2000/XP、LinuxEWS
Tru64 UNIX、Digital UNIX v4.0D以上

メモリー容量 512MB以上推奨

ハードディスク容量

その他

20GB以上推奨 ※主に作業領域、プログラムは200MB

Java実行環境

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64

３次元希薄気体挙動解析ソフトウェア

RGS3D

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65

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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66

機能


空間分割メッシュ形状

分子間衝突（最大衝突数法）
分子模型（剛体球モデル）
反応（カスタマイズ機能）

2次元3次元任意形状

壁面上での定義
解離/結合などの分子間衝突時での定義

入力項目


粒子種毎質量、直径（剛体球モデル）、流入/流出境界条件（流入量、流入速度分布、境界反射条件など）
プレによる入力

メッシュ分割、流入/流出境界、壁温

出力項目


サンプル粒子数時刻歴、各粒子種に対する温度／圧力／密度／速度分布、境界壁への入射粒子束、エネルギー分布

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67

RGS3D
真空蒸着における解析例（１）回転基板上の膜厚分布（２）膜厚分布（理論値との比較）（３）膜厚分布（実験との比較）

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68

(1) 解析モデル
zy
基板

x[cm]
吸着壁
100
蒸発源 :
Φ=0.2
R=10090

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69

(1) 基板上での粒子フラックスの比較

静止基板
単位:[/m /s]
2Max. ：0.1245×1020
Min. ：0.0075×1020

回転基板
Max.：0.4276×1019
Min. ：0.3802×1019Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

70

(2) 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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71

(2) 膜厚分布（参考文献：“薄膜工学”、2003、丸善）
cos3θ

膜圧分布

cos4θ (Φ=θ)θθ
基板面OAr0dω
rΦ
点蒸発源

微小面蒸発源Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

72

(2) 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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73

(2) 粒子フラックス分布膜 厚 分 布θCopyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

74

(3) 装置図
実験結果のご提供
千葉大学 工学部
電子機械工学科
中村 雅一 助教授

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75

(3) 解析モデル
対称境界、流入境界を除いて、すべて吸着壁

Y方向1/2モデル

ZX
Y

2412基 板

単位：ｃｍ対称面
87.51311.15
12C
12A = 1.7
B = 0.7
C = 0.85

蒸発面

A

B

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76

(3) 測定点
測定点

ZX
Y24X

12

単位：ｃｍ基 板
2411.15122.05
12

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77

(3) 膜厚の比較

RGS3D

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78

(3)密度、温度、圧力分布と、粒子フラックス、速度分布

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79

動作環境ほか
プレポストPEGASUSのGUIMおよび内蔵のプレポスト
モデル形状入力、メッシュ作成、出力結果の表示など


インターフェイス


入力：節点、要素、境界条件
出力：節点ごとの物理量、要素ごとの物理量

NASTRANフォーマットでの入力をサポート
ユニバーサルファイル、ニュートラルファイルの解析結果の出力をサポート

動作環境



ＯＳ：
UNIX、Linux、Windows98/NT/2000/XP
メモリー容量５１２ＭＢ以上推奨
ディスク容量
１ＧＢ以上推奨

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80