Simulazione di flussi a bassa pressione con il Molecular Flow Module

Modello di accoppiatore RF con traiettorie di particelle nella tabella dei colori Prism.

Modellazione accurata di flussi di gas a bassa pressione e bassa velocità

Il Molecular Flow Module è ideale per la simulazione di sistemi sotto vuoto, compresi quelli utilizzati nella lavorazione dei semiconduttori, negli acceleratori di particelle e negli spettrometri di massa. È inoltre possibile analizzare applicazioni in piccoli canali, come l'esplorazione del gas di argilla e il flusso in materiali nanoporosi.

Il modulo utilizza il metodo dei coefficienti angolari per simulare flussi molecolari liberi allo stato stazionario, consentendo di calcolare il flusso molecolare, la pressione e il flusso di calore sulle superfici. La densità numerica può essere ricostruita su domini, superfici, lati e punti a partire dal flusso molecolare sulle superfici circostanti. È inoltre possibile modellare flussi molecolari isotermi e non isotermi e calcolare il contributo del flusso di calore delle molecole di gas.

Cosa puoi modellare con il Molecular Flow Module

Progetta sistemi di vuoto e prevedi flussi di gas a bassa pressione.

Vista in primo piano di un modello di camera a vuoto nella tabella dei colori Disco.

Sistemi per il vuoto

Studiare sistemi di vuoto a pompa differenziata.

Vista in primo piano di un modello di vuoto nella tabella dei colori Disco.

Deposizione di vapore chimico in ultra-alto vuoto (CVD)

Modellare la crescita di wafer di silicio utilizzando specie multiple.

Vista in primo piano di un modello di cella a scambio di carica nella tavola dei colori Aurora Borealis.

Celle a scambio di carica

Simulare l'interazione di un fascio di protoni con una cella a scambio di carica.

Vista in primo piano di un modello di impiantatore ionico con un wafer.

Impiantazione ionica

Ottimizzare i processi di impiantazione ionica per il drogaggio dei wafer di semiconduttori.

Vista in primo piano di un modello di evaporatore termico che mostra lo spessore del film.

Evaporazione termica

Calcolare lo spessore di un film d'oro evaporato termicamente.

Vista in primo piano di un modello di camera a vuoto nella tabella dei colori Thermal Wave.

Adsorbimento e desorbimento

Studiare l'adsorbimento e il desorbimento in un sistema a vuoto a basse pressioni.

Caratteristiche e funzionalità del Molecular Flow Module

Il Molecular Flow Module contiene funzionalità per la simulazione accurata di flussi nel regime fluidodinamico libero-molecolare.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Free Molecular Flow evidenziato e un modello di impiantatore ionico nella finestra Graphics.

Flusso molecolare libero

L'interfaccia Free Molecular Flow è disponibile per la simulazione accurata di flussi di gas altamente rarefatti. Questa interfaccia risolve i flussi molecolari sui contorni della geometria e include opzioni per il calcolo della densità numerica, della pressione e del flusso di calore sui contorni. Con questa interfaccia è possibile eseguire una simulazione con una mesh generata solo sui contorni. Per ricostruire la densità di numero all'interno del dominio, è possibile aggiungere facilmente una mesh di volume. Con l'interfaccia Free Molecular Flow è possibile eseguire simulazioni di flusso molecolare utilizzando come base modelli CAD originali.

Vista in primo piano delle impostazioni Free Molecular Flow e di un modello di benchmark s-bend nella finestra Graphics.

Metodo del coefficiente angolare

Per i flussi altamente rarefatti, l'interfaccia Free Molecular Flow utilizza il metodo del coefficiente angolare, un approccio deterministico e più veloce dei metodi basati sulle particelle. Questo metodo è molto più accurato dei metodi di conduttanza approssimativa per calcolare la pressione e la densità numerica. Inoltre, è possibile gestire facilmente più specie di gas contemporaneamente.

Vista in primo piano delle impostazioni Electrostatics e di un modello di cella di scambio di carica nella finestra Graphics.

Analisi multifisiche estese

Il Molecular Flow Module può essere combinato con altri moduli della suite di prodotti COMSOL per ampliare le funzionalità di esecuzione delle simulazioni multifisiche. Combinando i moduli, i dati provenienti dagli altri moduli, come le variabili di campo e i parametri, possono essere utilizzati nel Molecular Flow Module tramite accoppiamenti di interfaccia. Ad esempio, se si combina il Molecular Flow Module con il Particle Tracing Module, l'interfaccia Free Molecular Flow - utilizzata per calcolare la densità numerica di fondo - può essere accoppiata con l'interfaccia Charged Particle Tracing per simulare le collisioni tra le particelle e gli atomi neutri dell'ambiente.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Wall evidenziato e un modello di evaporatore nella finestra Graphics.

Condizioni al contorno

Il Molecular Flow Module offre una serie di condizioni al contorno che possono essere assegnate a un modello. Esistono funzioni integrate per specificare la pressione su un contorno dovuta a un grande serbatoio adiacente o al vuoto totale. È anche possibile specificare direttamente la temperatura superficiale per i flussi molecolari non isotermi. Inoltre, il modulo offre la possibilità di specificare parametri quali la portata della pompa e la frazione di molecole adsorbite o di impostare direttamente il tasso di adsorbimento su una determinata superficie. Il modulo offre anche funzioni per la modellazione di sorgenti evaporative e per specificare il flusso emesso da una superficie utilizzando valori numerici o espressioni arbitrarie.

Inoltre, il Molecular Flow Module include diverse condizioni al contorno per la modellazione di diversi tipi di superfici solide all'interno di sistemi sottovuoto. Ad esempio, è possibile definire un contorno con la funzione Wall, con la quale le molecole incidenti vengono riflesse in modo diffuso dalla superficie. È inoltre possibile utilizzare la funzione Outgassing wall, con la quale le molecole incidenti vengono riflesse in modo diffuso e le molecole aggiuntive vengono degassate in modo diffuso. L'opzione Adsorption/Desorption può essere utilizzata in modo che una frazione delle molecole incidenti venga assorbita mentre il resto delle molecole viene riflesso diffusamente. Inoltre, l'opzione del tipo di parete Deposition può essere utilizzata per modellare la superficie in cui si accumulano le molecole.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Transitional Flow evidenziato e un modello geometrico S-bend nella finestra Graphics.

Flusso di transizione

Il Molecular Flow Module può essere utilizzato per simulare flussi leggermente meno rarefatti dei flussi molecolari liberi, ma comunque più rarefatti dei flussi di scorrimento. In genere si tratta di flussi rarefatti che vanno dal limite di Navier-Stokes al limite del flusso molecolare. L'interfaccia Transitional Flow, progettata in modo specifico per questi tipi di flussi rarefatti, si basa sul metodo delle velocità discrete. Con questo approccio, si sceglie un insieme finito di velocità per rappresentare tutte le velocità potenziali delle molecole. Gli atomi vengono quindi assegnati a questi intervalli di velocità e l'interfaccia calcola la densità di numero in ogni intervallo. All'interno dei domini viene risolta un'equazione di convezione, completata da un termine di dispersione che riposiziona le molecole tra i bins. Il modulo include anche diverse condizioni al contorno dedicate per semplificare la configurazione. Poiché le simulazioni del flusso di transizione sono impegnative dal punto di vista computazionale e richiedono una notevole potenza di elaborazione e molto tempo, sono più adatte ai casi in cui il modello geometrico CAD può essere semplificato.

Molecular Flow Module

Modellazione accurata di flussi di gas a bassa pressione e bassa velocità