国产等离子体仿真软件EasyPSim-PIC3D

引言：等离子，有时也称为“被遗忘的物质状态”，是宇宙中最为丰富的物质状态。太阳、球形闪电、极光，甚至猎户座星云，都是自然界等离子过程作用的示例。尽管形态丰富，等离子物理学在一定程度上仍然是个谜团，是人们积极研究的主题。目前研究等离子体仿真的公司有COMSOL、Siemens、Ansys、普莱斯麦科技等等。

应用领域

等离子体数值仿真软件可以广泛应用于微电子设备与工艺、航空航天、核聚变等领域。在等离子体中存在着多场耦合过程；等离子体与器壁、电极及基片的相互作用；等离子体放电过程受外界多参数控制等因素。

通过等离子体仿真，可以对等离子体发生器的设计提供参数优化；对等离子体工艺过程进行预测和优化；缩短等离子体装备或工艺过程的研发周期。因此等离子体仿真模拟是不可替代的研究手段。目前商业化等离子体仿真软件主要来自海外，迫切需要自主研发相关软件。

软件介绍

EasyPSim-PIC3D软件采用三维非结构化网格，核心算法是三维非结构化网格PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）。可以用于电子枪、离子源、辉光放电、CCP放电、DBD放电、潘宁放电、磁控溅射、电推进、航天器表面充电等模型的计算。支持用户定制开发和新功能扩展。

01

前后处理器

支持软件内部建模和支持导入CAD模型。内置大量化学反应数据库和碰撞截面数据库，支持用户自定义添加新的材料和反应方程。后处理部分可以显示结果的曲线图、云图和矢量图。

图1. 图形化界面显示实体和进行属性设置

图2. 化学反应数据库图形化界面

图3. 后处理界面

02

求解器特色

采用PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）算法，核心计算过程包括：

01采用有限元方法求解电磁场

02在非结构化网格内追踪大量粒子运动

03采用蒙特卡洛方法处理各种碰撞反应

功能特点包括：

采用MPI区域并行算法

能够处理多种电场电势边界条件

能够处理多种等离子体与材料相互作用过程

具有粒子碰撞反应功能

EasyPSim-PIC3D求解器能够仿真带电粒子和电磁场相互作用，以及带电粒子之间和带电粒子与中性气体之间的多种碰撞反应，帮助科学工作者和工程师掌握非线性复杂等离子体物理过程中的物理图像以及背后的物理机制。

03

案例介绍

3.1 电子枪

电子枪尺寸：长5.0 cm，最大半径为1.5 cm，左侧发射电极半径为3.0 mm。凹进去的两个圆环从左到右分别为控制极和加速极，发射极和控制极电压设置为-60.0 KV，加速极电压设置为0.0 V。

图4. 非结构化网格分区

图5. 电子枪案例结果

对带电粒子和电场双向耦合，以及自动区域划分并行求解。可以看到粒子被加速的过程，以及粒子束先汇聚再发散的现象。

3.2 低气压针板辉光放电

图6. 非结构化网格

图7. 辉光放电案例结果

图6给出了针电极附近的网格，可以看出四面体网格能够很好的近似曲面结构。图7给出了仿真达到稳态时的电子密度和电势分布图，仿真结果和国际商业软件结果一致。

3.3 磁控溅射放电

图8. 放电腔室网格切面图

图9. 磁场分布图

图10. 电子和离子密度分布

图11. Ar+离子粒子流分布(上)和电势分布(下)

从密度分布图可以看出，电子和离子均被磁场约束，密度空间分布明显受磁场影响，进而导致靶板电极表面的离子粒子流也受磁场影响，呈现空间分布不均匀现象。

电势分布结果显示电势主要降在了阴极靶板附近，有利于加速离子，增大溅射产额。用户可以根据仿真结果，对设备结构和参数进行优化，增加磁控溅射设备的溅射速率和均匀性。

上海普莱斯麦科技有限公司的等离子体仿真软件——EasyPSim-PIC3D。普莱斯麦联合上海锦科信息科技有限公司，组建了以博士硕士组成的开发团队，结合十余年行业从业经验，基于FastCAE平台开发的前后处理，自主研发了EasyPSim-PIC3D。