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の目標-------------

4



CCP装置 プラズマシミュレーション（比較計算-1）-------------



ICP装置 プラズマシミュレーション（1）------------- 13



マグネトロンスパッタ装置 プラズマシミュレーション------------- 21



マグネトロンスパッタ装置 スパッタ粒子挙動シミュレーション ------------- 25



真空蒸着装置 膜厚分布シミュレーション------------- 32



PEGASUSの特徴------------- 44

PEGASUSの今後の計画------------- 45



おわりに

------------- 46



添付資料

------------- 49

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5

2

PEGASUSとは

ドライプロセス で使用されるプラズマ装置真空装置
を対象とした

ブラック
ボックス

原子、分子
荷電粒子

装置
シミュレータCopyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

装置条件
運転条件
条件の
パラメータ
探索

挙動を解析し可視化するシミュレーション
ツール群
3

PEGASUSの目標

プラズマ装置内の気体・プラズマ挙動シミュレーション








マグネトロンスパッタ装置内のプラズマ挙動、スパッタ粒子挙動解析
プラズマＣＶＤ装置内のプラズマ挙動、供給ガス・ラジカル等の気体挙動解析
ドライエッチング装置のプラズマ挙動、供給ガス・ラジカル等の気体挙動解析
荷電粒子ビーム挙動解析
イオン注入による表面改質解析

真空装置内の希薄気体挙動シミュレーション（希薄気体の定義：クヌーセン数Kn>0.01、およそP[Pa]×L[mm] < 700 ）

真空蒸着装置内の蒸発物、背景ガス挙動解析
プラズマ装置内の供給ガス挙動解析
真空装置内の混合気体挙動解析
微細領域での原子・分子挙動解析

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4

CCP装置プラズマシミュレーション
比較計算-1
参照論文：
D. P. Lymberopoulos and D. J. Economou,“Two-Dimensional Self-Consistent Radio Frequency Plasma Simulations Relevant to the Gaseous
Electronics 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）モジュール：PHM
PICM-MCCM
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5解析モデル

誘電体
2.54[cm]

電子密度分布を比較

10.16[cm]10.16[cm]zr・ガス種：Ar・上部電極：接地●比較例（１）：・下部電極：
Vrf: 100 [V]
周波数:13.56 [MHz]・ガス圧：13.33, 33.33,
66.67 [Pa]
●比較例（２）・下部電極：
Vrf: 50,100,150 [V]
周波数:13.56 [MHz]・ガス圧：13.33 [Pa]Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

6比較例（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.

7比較例（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.

8比較例（１） 論文との比較
Vrf : 100 [V](3) 13.33[Pa], (5) 33.33[Pa], (6) 66.67[Pa]8.0E+15
7.0E+15

電子数密度[1/m^3]

6.0E+15（６）（５）

5.0E+15
13.33Pa33.33Pa
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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9比較例（２） 電子密度分布

50[V]

100[V]

150[V]
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10比較例（２） 電離レート分布

50[V]

100[V]

150[V]
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11比較例（２） 論文との比較
13.33[Pa](3) 100[V], (2) 50[V], (3) 150[V] 結果比較

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+14
0.00E+00
0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

半径 [m]

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12

ICP装置プラズマシミュレーション（１）

モジュール：PHM
DSMCM

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13解析モデル
ICPコイル： 5 turns
200 [W]
13.56 [MHz]zr

単位：[mm]

εr
SF6

80
εr

RF電極：
Vpp : 200[V]13.56[MHz]

RF電極

80
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14

反応式

e+F
e+F2
e+F2
e+F2

e+SF6 → e+SF6
e+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+e
e+SF6 → SF(+)+5F+2e
e+SF6 → SF5(-)+F
e+SF6 → SF3+3F+e
e+SF6 → SF2+4F+e
e+SF6 → SF5+F(-)
e+SF5 → SF4(+)+F+2e
e+SF5 → SF5(+)+2e
e+SF4 → SF4(+)+2e
e+SF3 → SF3(+)+2e
e+SF2 → SF2(+)+2e
e+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

15

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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16

正イオン密度分布 (F+,SF+,SF2+,SF3+,SF4+,SF5+)

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17負イオン密度分布 (F-,SF5-,SF6-)

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18中性粒子密度分布 (F,F2,SF,SF2,SF3)

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19中性粒子密度分布(SF4,SF5,SF6)、全圧分布

全圧r
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20

マグネトロンスパッタ装置
プラズマシミュレーション

モジュール：MSSM
PIC-MCCM

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21

同軸円筒型

ターゲット
N
S
N
S

基板

N
S
N
S

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22

プレナー型

ターゲット

N

S

N

S

N

S

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23

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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24マグネトロンスパッタ装置
スパッタ粒子挙動シミュレーション

モジュール：MSSM
PIC-MCCM
SPUTSM
DSMCM
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25

スパッタ粒子挙動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

Ne, Ni, Φ, Es, Ve, Vi

磁束密度分布

DSMCM
Nn,Tn
Pn,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

26

解析モデル

中心軸

基板
ターゲット
磁石

基板

２次元円柱座標系
でモデル化

50

10

ターゲット
N

S
22.5
5

5
Fe

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20

20

5

27

Step1. MSSM による静磁場解析

磁束密度分布
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磁力線28Step2. PIC-MCCM によるプラズマ解析

Ar+密度分布電位分布Ar+ ターゲットへのフラックス分布Copyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

29

Step3. SPUTSMによるスパッタリング解析

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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30

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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31

真空蒸着装置
膜厚分布シミュレーション（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（アルゴン供給ガス圧依存性に関する実験値との比較）

ソフトウェア：RGS3D

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32

(1) 解析モデル
z
y
基板

x

[cm]
吸着壁
100
蒸発源 :
Φ=0.2
R=100

90

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33

(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. ：0.3802×1019

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34

(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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35

(2) 膜厚分布（参考文献：“薄膜工学”、2003、丸善）
cos3θ

膜圧分布

cos4θ (Φ=θ)
θ

θ
基板面
O

A

r0

dω
r
Φ
点蒸発源

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

36

(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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37

(2) 粒子フラックス分布

膜 厚 分 布θCopyright 2002-2005 PEGASUS Software Inc., All rights reserved.

38

(3) 装置図
質量数：197amu分子直径：174pm ( 1.74Å)
蒸発温度：1400℃ (1673 [K] )蒸発速度：0.874mg/sec (2.6565 X1018 [#/sec] )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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39

(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

Z
X
Y

24
12

基 板

単位：ｃｍ
対称面
8

7.5

13

11.15
12

C
12

A = 1.7
B = 0.7
C = 0.85

蒸発面

A

B

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40

(3) 測定点
測定点

Z
X
Y

24

X

12

単位：ｃｍ

基 板
24

11.15
12

2.05
12

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41

(3) 膜厚の比較

RGS3D

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42

(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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43

PEGASUSの特徴
モジュール構造により用途に応じたシミュレーションが可能。



専用のＧＵＩ（Graphical User Interface）により入力データ生成から計算中の実行状況の確認、計算結果の表示まで、一連の操作が容易。

プラズマシミュレーションに必要な衝突断面積データ、レート係数を内蔵。
［希ガス、金属原子、水素、酸素、窒素、塩素、炭化水素系分子（Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４）、 フッ素系分子（ＣＦ４、ＳＦ６）、シラン等、そして使用者もDBに追加可能］



自社開発のためサポートを含め、迅速な対応が可能。



理論説明書、使用説明書そして例題集を整備。

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44

PEGASUSの今後の計画
プラズマ解析
 イオン化スパッタ、イオンプレーティングシミュレーション機能
 ＥＣＲプラズマシミュレーション機能
 表面波プラズマシミュレーション機能



表面科学系
 ３次元蒸着膜形状シミュレーション機能

希薄気体解析
 RGS3D専用GUIM3D

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45

おわりに


すべてのモジュールが使用可能な無償試用期間をご利用下さい。



１ヶ月からのレンタル使用もご利用可能です。



基板表面での化学反応、基板の膜質に関して量子化学計算が必要でしたら
東北大学NICHe：宮本 研究室との共同・委託研究も可能です。



お問い合わせに関しましては下記URL、e-mailをご利用下さい。
URL http://www.psinc.co.jp e-mail: info@psinc.co.jp

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46

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47

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48

添付資料
ユーザインターフェイス (GUIM)
 PEGASUSのモジュール（プラズマ解析）CCP装置 プラズマシミュレーション（比較計算-2）
ICP装置 プラズマシミュレーション（2）PEGASUSのモジュール（表面科学系）
 表面科学系シミュレータ概要


SASAMALSMCSMPEGASUS動作環境ほか
 ３次元希薄気体挙動解析ソフトウェア (RGS3D)

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49ユーザーインターフェイス

GUIM

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50

GUIMの目的
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（プリプロセッサー）



計算結果を簡単な操作で確認、検討（ポストプロセッサー）・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・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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51

GUIMのサンプル画面

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52

PEGASUSのモジュール（プラズマ解析）
モジュール名と目的

静磁場解析
モジュール

MSSM

MSSM
中性粒子生成／消滅レート

磁束密度分布永久磁石、磁場コイルによる静磁場解析

PIC-MCCM

粒子モデルによる荷電粒子挙動解析

プラズマ挙動解析モジュール

気体挙動
解析モジュール

PIC-MCCM

DSMCM

DSMCM

PHM

NMEM

NMEM

時間刻み：
ピコ～ナノ[s]中性粒子密度、
温度分布

時間刻み：
マイクロ[s]PHM

ハイブリッドモデルによるプラズマ挙動解析
DSMC法による希薄気体
挙動解析
連続体モデルによる気体挙動解析

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53

CCP装置プラズマシミュレーション
比較計算-2
参照論文：
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）GEC-RC型装置
PHM
NMEM

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54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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55比較例（２） Ar(+)電離レート、電子密度分布

Ar(+)電離レート

電子密度

論文結果

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56比較例（２） 電位分布、電子温度分布

静電位

電子温度

論文結果

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57比較例（２） Ar(4s)密度分布

論文結果
Ar(4S)の密度分布
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58比較例（２） Ar(4s)密度分布

実験データ

Ar(4S)の密度分布（拡大図）

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59比較例（２） Ar(4s)密度の電極端上ｚ軸方向分布zr

250mTorr

z

z

論文結果
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60

ICP装置プラズマシミュレーション（２）
参考文献：M. Shiozawa and K. Nanbu,"Coupling of plasma and flow in materials processing",
Thin Solid Films, Vol.457,pp.48-54,2004

モジュール：PHM
DSMCM

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61解析モデル
121
100

ICPパワー：500[W]13.56[MHz]Ｃｌ２流量 ：50[sccm]

RF

Ｃｌ２
385

z

r
250

15
78
174
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62

反応式
＜電子衝突断面積＞

e-+Cl : 弾性、非弾性（励起、電離）等３種
e-+Cl2 : 弾性、非弾性（励起、電離、解離、解離性付着）等６種＜反応レート定数＞

Cl- + Cl2+ → ３Cl
Cl- + Cl+ → Cl２
Cl+ + Cl2 → Cl2+ + Cl

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63

コイルパワー吸収分布、誘導電界強度分布、
電子エネルギー分布関数

EEDF（電子エネルギー
分布関数）

×

×

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64

電子に関する物理量、電位分布

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65Cl-、Cl+密度分布、 Cl-、Cl+生成率分布

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66

Cl2+密度、生成率分布、 Cl2、 Cl分布

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67

PEGASUSのモジュール（表面科学系）
イオン注入解析モジュール

SASAMAL
入射イオン
アモルファス

線量
エネルギー
角度

スパッタ解析
モジュール

シース解析
モジュール

SPUTSM

SMCSM

スパッタリング率
スパッタ粒子角度・エネルギー分布

ターゲット

入射イオン
Depth profile
組成分布の変化アモルファスターゲット

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バルクプラズマシ｜
到達する荷電粒子の ス
エネルギー・角度分布 領
域

基 板
68

表面科学系シミュレータ概要

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69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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70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
ACAT
SASAMAL

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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71

SASAMAL（出力例）

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72

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の結果）
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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73

SMCSM（出力例）

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74

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、
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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75

３次元希薄気体挙動解析ソフトウェア

RGS3D

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76３次元希薄気体
挙動解析ソフトウェア

RGS3D
・ FEMAP,I-deasとのインターフェイスが可能
・ 分子流解析に高速なモンテカルロ法機能・ DSMCM同様Weight algorithmを採用

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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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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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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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