Molecular Flow Module

Software zur Modellierung von Niederdruck-Gasströmungen in Vakuumsystemen

Molecular Flow Module

In einem Ionenimplanter wird die durchschnittliche Moleküldichte der entlang des Strahlenwegs ausgasenden Moleküle als Leistungsmerkmal für die Bewertung der Konstruktion verwendet. Sie muss als Funktion des Waferwinkels (mit Rotation um eine Achse) berechnet werden.

Verstehen und Vorhersagen des Verhaltens von freien Molekularströmungen

Vakuumingenieure und –wissenschaftler nutzen das Molecular Flow Module, um Vakuumsysteme zu entwerfen und Niederdruckgasströmungen zu verstehen und vorherzusagen. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen im Entwicklungszyklus hat sich weiter verbreitet, da diese Werkzeuge uns helfen ein besseres Produktverständnis zu bekommen, Prototypenkosten zu reduzieren und die Entwicklungszeiten zu beschleunigen. Prototypen von Vakuumsystemen sind in der Regel teuer. Daher kann eine erhöhte Nutzung der Simulation im Konstruktionsprozess zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Gasströmungen, die in Vakuumsystemen auftreten, können nicht mittels herkömmlicher Tools der Strömungsmechanik modelliert werden. Das beruht auf der Tatsache, dass bei Gasen mit geringem Druck die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle mit der Längenskala der Strömung vergleichbar ist und Gasverdünnung eine wichtige Rolle spielt. Strömungsregime werden quantitativ nach der Knudsen-Zahl (Kn) klassifiziert, die das Verhältnis der mittleren freien Weglänge der Moleküle zur Größe der Strömungsgeometrie für Gase darstellt:

Strömungstyp Knudsen-Zahl
Kontinuumsströmung Kn < 0.01
Gleitströmung 0.01 < Kn < 0.1
Übergangsströmung 0.1 < Kn < 10
Freie Molekularströmung Kn > 10

Während das Microfluidics Module für die Modellierung von Gleit- und Kontinuumsströmungen verwendet wird, ist das Molecular Flow Module für die genaue Simulation von Strömungen in freien Molekularströmungsregimen ausgelegt. Bisher wurden Strömungen in diesem Regime in der Regel mit der direkten Monte Carlo-Simulationsmethode (DSMC) modelliert. Diese Methode berechnet zwar die Trajektorien einer großen Anzahl zufällig verteilter Partikel durch das System, bringt jedoch leider auch ein statistisches Rauschen in den Modellierungsprozess mit ein. Bei Strömungen mit geringer Geschwindigkeit (z. B. in Vakuumsystemen) werden die Simulationen durch das Rauschen, verursacht durch die DSMC-Methode, undurchführbar.

Weitere Bilder

  • Übertragungswahrscheinlichkeit durch einen HF-Koppler unter Verwendung der Winkelkoeffizientenmethode (verfügbar im Interface "Freie Molekularströmung") sowie der Monte Carlo-Methode im Interface "Mathematische Partikelverfolgung" (setzt Verwendung des Particle Tracing Module voraus). Übertragungswahrscheinlichkeit durch einen HF-Koppler unter Verwendung der Winkelkoeffizientenmethode (verfügbar im Interface "Freie Molekularströmung") sowie der Monte Carlo-Methode im Interface "Mathematische Partikelverfolgung" (setzt Verwendung des Particle Tracing Module voraus).

Genaues Modellieren von Niederdruck-Gasströmungen mit geringer Geschwindigkeit

Das Molecular Flow Module enthält bisher nicht verfügbare Simulationsfunktionen, mit denen Sie Gasströmungen niedrigen Drucks und geringer Geschwindigkeit in komplexen Geometrien simulieren können. Das Modul eignet sich hervorragend für die Simulation von Vakuumsystemen, wie sie beispielsweise in der Halbleiterfertigung oder für Teilchenbeschleuniger und Massenspektrometer verwendet werden. Das Modul ist außerdem auch gut für Mikrokanal-Anwendungen (z. B. bei der Förderung von Schiefergas und bei Strömungen in nanoporösen Materialien) geeignet. Im Molecular Flow Module wird zur Simulation von stationären freien Molekularströmungen eine schnelle Winkelkoeffizientenmethode (fast angular coefficient method) verwendet. Dies ermöglicht die Berechnung des molekularen Flusses, des Drucks, der Moleküldichte und des Wärmeflusses auf Oberflächen. Aus dem molekularen Fluss auf den umgebenden Oberflächen kann die Moleküldichte auf Domänen, Flächen, Kanten und Punkten rekonstruiert werden. Sie können isotherme und nicht-isotherme Molekularströmungen modellieren und automatisch den Beitrag der Gasmoleküle zum Wärmestrom ausgeben lassen.

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