Molecular Flow Module

Pour la Simulation des Ecoulements de Gaz à Basse Pression dans les Systèmes sous Vide

Molecular Flow Module

Dans un implanteur ionique, la densité volumique moyenne de molécules dégazées dans la trajectoire du faisceau sert de facteur de mérite pour évaluer le design. Il doit être calculé en fonction d'un angle lié au wafer, avec une rotation autour d'un axe.

Simulation Précise des Ecoulements à Basse Pression et à Faible Vitesse

Le Molecular Flow Module est conçu pour offrir de nouvelles fonctionnalités permettant la simulation précise des écoulements de gaz à basse pression et à faible vitesse dans des géométries complexes. Il convient parfaitement à la simulation de systèmes sous vide, notamment ceux employés dans la fabrication des matériaux semiconducteurs, les accélérateurs de particules et les spectromètres de masse. Il s'utilise également dans les applications pour des systèmes de canalisation de petite taille (comme pour l'exploration de gaz de schiste et les écoulements dans les matériaux nanoporeux).

Le Molecular Flow Module s'appuie sur une méthode de calcul rapide du coefficient angulaire pour simuler des écoulements moléculaires libres et en équilibre. Vous pouvez simuler des écoulements moléculaires isothermes et non-isothermes et déterminer la contribution des molécules de gaz dans le flux thermique. La méthode à vitesses discrètes est également disponible pour vous permettre de simuler des écoulements transitionnels.

Deux Méthodes pour Simuler les écoulements Transitionnels et Moléculaires Libres

Le Molecular Flow Module offre deux méthodes pour simuler ces régimes et vous permet de résoudre les problèmes d'écoulement à faible vitesse et à basse pression de façon précise et sans difficulté. Deux interfaces physiques sont spécialement configurées pour cela :


Ecoulements Moléculaires Libres

L'interface Free Molecular Flow s'appuie sur la méthode des coefficients angulaires pour modéliser les écoulements présentant des nombres de Knudsen supérieurs à dix. Cette interface physique évite d'avoir à résoudre les physiques dans les volumes des géométries et nécessite un maillage des surfaces uniquement. La dispersion diffuse complète (accommodation totale) et l'émission sont supposées s'appliquer sur toutes les surfaces de la géométrie. L'écoulement est calculé par intégration du flux arrivant sur une surface depuis toutes les autres surfaces en regard. Autrement dit, les variables dépendantes existent uniquement sur les surfaces de la géométrie. Le processus de résolution est donc beaucoup plus rapide qu'avec la méthode DSMC. De plus, cette méthode n'est pas sujette à la dispersion statistique. Les densités volumiques sont reconstruites à l'aide d'une méthode intégrée à l'interface Ecoulement Moléculaire Libre.

Ecoulements Transitionnels

L'interface Ecoulement Transitionnel permet de résoudre l'équation de Boltzmann BGK en appliquant une forme modifiée de la méthode des réseaux de Boltzmann/à vitesses discrètes pour résoudre les problèmes d'écoulements transitionnels. Contrairement à la méthode DSMC, les solutions ne sont pas sujettes au bruit statistique. La réflexion diffuse des molécules de gaz est également supposée sur toutes les surfaces. Des molécules provenant de toutes les directions sont efficacement adsorbées sur la surface, puis réémises suivant la loi de Knudsen. Dans cette interface, la géométrie du modèle est maillée pour discrétiser l'espace physique et une méthode d'intégration des vitesses est sélectionnée. Ces éléments permettent de définir un ensemble de variables dépendantes qui représentent un maillage dans l'espace des vitesses. Le maillage et la méthode d'intégration peuvent être indépendamment ajustés pour s'assurer que le problème est résolu dans l'espace physique et l'espace des vitesses.

Images Supplémentaires

  • Probabilité de transmission à travers un coupleur RF à l'aide de la méthode des coefficients angulaires (disponible dans l'interface Ecoulement Moléculaire Libre) et d'une méthode de Monte Carlo appliquée dans l'interface Suivi de Particules, mathématique (nécessite le Particle Tracing Module). Probabilité de transmission à travers un coupleur RF à l'aide de la méthode des coefficients angulaires (disponible dans l'interface Ecoulement Moléculaire Libre) et d'une méthode de Monte Carlo appliquée dans l'interface Suivi de Particules, mathématique (nécessite le Particle Tracing Module).

Méthodes Optimisées pour des Simulations Rapides et Précises

Les gaz à basse pression ne peuvent pas être modélisés à l'aide des outils classiques de dynamique des fluides (CFD). L'explication est la suivante : les effets cinétiques deviennent importants à mesure que le libre parcours moyen des molécules de gaz devient comparable à l'échelle de longueur de l'écoulement. Les régimes d'écoulement sont catégorisés quantitativement par le nombre de Knudsen (Kn), qui représente le rapport du libre parcours moyen moléculaire à la taille de la géométrie de l'écoulement pour les gaz :

Type d'écoulement Nombre de Knudsen
Continuum flow Kn<0.01
Slip flow 0.01<Kn<0.1
Transitional flow 0.1<Kn<10
Free molecular flow Kn>10

Le Microfluidics Module permet de modéliser des écoulements glissants et en milieu continu alors que le Molecular Flow Module est conçu pour simuler de façon précise les écoulements dans des régimes d'écoulement transitionnel et d'écoulement moléculaire libre. Par le passé, les écoulements de ces régimes étaient modélisés grâce à la méthode de simulation directe de Monte Carlo (DSMC). Celle-ci calcule les trajectoires d'un nombre important de particules aléatoires dans tout le système, mais ajoute un bruit statistique au phénomène. Pour les écoulements à faible vitesse, tels que ceux produits dans des systèmes sous vide, le bruit introduit par la DSMC invalide les simulations. COMSOL a donc recours à d'autres approches : l'emploi d'une méthode à vitesses discrètes pour les écoulements transitionnels (reposant sur une intégration des vitesses par réseau de Boltzmann) et la méthode de coefficients angulaires pour les écoulements moléculaires.

Ion Implanter Evaluator

Differential Pumping

Molecular Flow Through a Microcapillary

Outgassing Pipes

Rotating Plate in a Unidirectional Molecular Flow

Molecular Flow Through an RF Coupler

Adsorption and Desorption of Water in a Load Lock Vacuum System