PIC Software

等离子体CVD中的等离子体分析

motsu16 — Mon, 06 Apr 2026 09:18:42 +0000

什么是等离子体CVD？

在薄膜形成过程中，将材料均匀沉积在基板表面非常重要。等离子体CVD是一种利用等离子体活化原料气体，并在基板表面发生化学反应来形成薄膜的方法。

与主要依靠热来推动反应的普通CVD相比，等离子体CVD即使在相对较低的温度下也更容易促进反应。因此，它被广泛应用于半导体膜、绝缘膜和保护膜的形成。

等离子体CVD是一种成膜工艺，通过等离子体对原料气体进行分解和激发，并使其在基板表面反应，从而形成薄膜。

如果说蚀刻是“去除”技术，那么CVD就是“堆积”技术，对吧？

为什么使用等离子体后，即使在低温下也更容易成膜呢？

因为等离子体中的电子会向气体分子传递能量，生成更容易发生反应的活性种。这样即使不过度提高基板温度，也更容易推动表面反应。

本文将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件），分析工业等离子体CVD装置内部的等离子体分布，以及粒子到达基板附近的趋势。

等离子体CVD装置的基本原理

等离子体CVD装置是一种利用等离子体活化反应性气体，并在基板表面生长薄膜的设备。例如，引入 SiH₄、NH₃、O₂ 等原料气体，并施加RF功率进行放电，从而生成离子、电子和自由基。

其基本原理如下：

将原料气体和稀释气体导入真空腔体
在上部电极或淋浴头与下部载台之间施加高频电力
电子与气体分子碰撞，引发电离、激发和解离，形成等离子体
生成的自由基和离子向基板方向输运
在基板表面发生吸附、反应和再结合，从而形成薄膜

自由基的作用：等离子体中生成的中性自由基在基板表面的化学反应中起着重要作用。它们作为成膜所需的前驱体，会影响薄膜组成和沉积速率。

离子的作用：离子会在基板附近的鞘层电场中被加速并到达表面。过强的离子轰击可能导致薄膜损伤和缺陷增加，而适度的离子辅助则有助于改善膜质和致密化。

也就是说，在等离子体CVD中，必须适当控制负责化学反应的自由基输运以及影响表面状态的离子入射。

等离子体CVD分析中需要观察什么

在等离子体CVD装置中，不仅沉积速率重要，膜厚分布、膜质、基板损伤以及装置内部反应均匀性也同样重要。因此，通过仿真掌握以下内容很有价值：

腔体内的等离子体密度分布
基板上方的电位和电场分布
离子到达方向和能量趋势
从气体入口到基板的粒子输运偏差
影响成膜均匀性的空间分布

特别是当希望在整个基板表面上均匀形成薄膜时，放电区域的扩展方式、淋浴头形状、载台位置以及腔体尺寸之间的平衡就非常重要。

等离子体CVD装置内部的等离子体分布分析

下面使用 PIC-PLASMA 3D 来确认等离子体CVD装置内部的放电区域，以及粒子向基板附近输运的趋势。

分析模型

本次分析采用了一个简化的等离子体CVD反应器模型：上部设有兼作气体导入机构的淋浴头电极，下部设有基板载台。与制造用详细CAD不同，这里优先采用便于把握等离子体生成区域、鞘层形成区域以及基板附近区域的分析模型。

图1：等离子体CVD装置的分析模型

在该模型中，假设从气体入口供给的原料气体在上部区域发生放电，所生成的离子、电子和自由基向基板方向输运。

在成膜分析中，基板附近的电场和粒子流动方式尤为重要。

分析条件

分析条件如下。

分析软件	PIC-PLASMA 3D
分析类型	等离子体分析
分析对象	plasma_cvd_reactor.obj
目标工艺	等离子体CVD
代表气体种类	O₂
等离子体密度	1.0×10⁶ [个/m³]
施加条件	模拟上部电极施加RF时的电位差条件
时间步长	1.0×10^-8 [s]
总仿真时间	2.0×10^-5 [s]
关注项目	等离子体分布、电场分布以及基板附近粒子到达趋势

实际成膜过程中，气体反应和表面反应的详细建模也很重要，但本模型首先重点放在掌握装置内部的放电结构和粒子输运趋势上。

首先，了解因装置形状而导致等离子体在哪里产生、粒子更容易朝哪个方向流动是非常重要的。

分析结果

作为分析结果的一个示例，可以确认在腔体内部，从上部淋浴头附近到基板上方形成了放电区域，并在电极之间 확보了较宽的等离子体生成空间。

图2：等离子体CVD装置内的离子密度与电场

此外，在基板附近，由于鞘层形成，电场增强，离子更容易向基板方向输运。另一方面，在腔体边缘，电场分布和粒子密度容易出现偏差，这可能会影响膜厚均匀性。

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/04/202604061709.mp4

图3：等离子体离子的行为与电场分布

图4：粒子在靶材上的累积碰撞能量

通过这类分析，可以进一步开展如下设计研究：

重新评估淋浴头位置与开口分布
优化载台高度和电极间距
研究腔体尺寸与放电空间之间的平衡
提高整个基板表面的成膜均匀性
通过抑制过强的离子轰击来减少薄膜损伤

在成膜过程中，既要让自由基充分到达表面，也要避免离子轰击过强。

本次模型是用于分析的简化CAD模型，因此省略了实际气体流路、高频供电部以及表面反应细节等内容。不过，通过使用 PIC-PLASMA 3D，可以事先确认装置形状对等离子体分布以及基板附近粒子行为的影响。

总结

等离子体CVD是一种重要工艺，它利用等离子体中生成的活性种和离子，在相对较低温度下形成高性能薄膜。同时，成膜均匀性和膜质量会受到装置内部等离子体分布以及基板附近电场结构的显著影响。

通过使用 PIC-PLASMA 3D，可以将等离子体CVD装置内部的放电区域、粒子输运和电场分布可视化，从而为设备设计和工艺条件优化提供帮助。

确认等离子体密度的空间分布
电场矢量可视化
确认粒子轨迹
评估到达基板附近的趋势
改变装置形状时进行对比研究

在等离子体CVD装置的初期设计和成膜条件研究中，欢迎使用 PIC-PLASMA 3D。

电子显微镜中的电子轨迹分析

motsu16 — Wed, 01 Apr 2026 14:32:07 +0000

这次，我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体解析软件）或 PIC-ELECTRON 3D（电子轨迹解析软件），对 SEM（扫描电子显微镜）内部的电子轨迹进行解析。 SEM（扫描电子显微镜）是一种利用细束电子束扫描样品表面，从而观察微细形状和结构的设备。对于光学显微镜难以观察的微小区域，也可以通过电子束实现高分辨率观察。

SEM内部的电子轨迹

图1：SEM中的电子轨迹概念图

什么是SEM？在SEM中，从电子源发射出的电子会被加速，并通过电磁透镜和光阑整理成细电子束后照射到样品上。通过检测样品表面产生的二次电子和背散射电子，可以观察表面形貌和成分差异。

- - 电子发射 从电子源（阴极）发射电子。
  - 电子加速 通过阳极电压赋予电子动能。
  - 电子束聚焦 通过电磁透镜或静电透镜将电子束聚焦得更细。
  - 照射样品 将聚焦后的电子束照射到样品表面。
  - 信号检测 检测二次电子和背散射电子以形成图像。

电子能量电子获得的动能对于加速电压

[V]，大致可表示如下。

E = eV ・e：电子电荷・V：电压

在SEM中，该加速电压和透镜条件会显著影响电子束直径、到达能力以及入射到样品上的条件。此次我们将使用 PIC-ELECTRON 3D，对SEM内部电子的引出、加速与聚焦过程进行可视化。

SEM解析

下面让我们使用 PIC-ELECTRON 3D 来解析 SEM 内部的电子轨迹。解析模型如下所示。解析模型

图2：SEM解析模型

如上所示，我们创建了一个SEM内部的简化解析模型，并模拟从电子束生成到到达样品的过程。SEM中各部件的作用如下所示。

- - - Electron Source 发射电子的部分，是决定SEM束流质量的重要因素。
    - Wehnelt Electrode 用于调节电子引出量和初始聚焦状态的电极，有助于形成电子束。
    - Anode 用于加速电子并将其送往下游的电极，是提供加速电压的核心部分。
    - Electromagnetic Lens 用于将电子束进一步聚焦变细的透镜，对焦点位置和束径有很大影响。
    - Aperture 用于限制通过电子范围并抑制不必要扩散的部件。
    - Sample 电子束照射的观察对象，在这里会产生二次电子和背散射电子。
    - Vacuum Chamber 保持真空的空间，以防止电子与空气分子发生碰撞。
    - Insulator 对各电极和结构件进行电绝缘并保持其位置关系的部件。

解析条件解析条件如下所示。

解析软件	PIC-ELECTRON 3D
解析类型	电子轨迹解析
解析对象	sem.obj
电压	Cathode：-3000[V]　Anode：0[V]　Sample：0[V]
相对介电常数（介质）	Insulator：9.5
磁场条件	Electromagnetic Lens：根据解析条件设置
每1ns生成的电子数	10000个
生成电子的初速度	1.0×10³ [m/s]
时间步长	1.0×10^-11 [s]
总仿真时间	2.0×10^-8 [s]

这些初始条件可以在软件（PIC-ELECTRON 3D）中直接设置。

下图显示了此次在 PIC-ELECTRON 3D 中设置SEM解析条件的输入界面。

图3：PIC-ELECTRON 3D中的SEM解析条件设置

解析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/04/202604012307.mp4

图4：SEM内部的电子轨迹解析

以上资料是使用 PIC-ELECTRON 3D 实际计算得到的SEM内部电子轨迹解析结果示例。在图4中，可以看到从电子源发射出的电子在加速电压和透镜作用下逐渐被聚焦，并朝样品方向传输。在SEM中，电子束的发散与会聚状态会影响观察分辨率，因此，这类电子轨迹解析对于设备设计和条件优化非常有帮助。此次使用的CAD模型是为了说明而制作的简化模型，因此透镜条件和部件形状也做了简化处理。此外，PIC-ELECTRON 3D 除了上述计算结果外，还可以输出多种数据。

电子密度
电流密度矢量
电场矢量
磁场矢量
速度矢量
到达能量分布

※以上仅为一个示例。欢迎将 PIC-ELECTRON 3D 应用于SEM及电子束相关产品开发和设备设计中。

半导体中硅电容器的电场分析

motsu16 — Sat, 21 Mar 2026 11:23:44 +0000

这次我们将使用 ELECTRIC-FIELD 3D（电场分析）来分析半导体器件内部的电场。

关于半导体中的电场分析

图2：硅电容的概念图

在半导体内部，电子和空穴会在电场作用下被加速并发生移动。

也就是说，如果不了解电场分布，就无法准确掌握电流如何流动、电荷如何积累、哪些位置容易发生绝缘击穿，以及器件的开关特性。

主要原因如下。

1. 用于决定电子与空穴的运动
半导体中的载流子会在电场作用下运动，因此通过分析电场分布，可以预测电流路径和电荷传输状态。这对于 MOSFET、二极管、IGBT 等器件尤为重要。

2. 用于防止高电场引起的击穿和漏电
如果局部电场过强，可能会引起绝缘膜击穿、pn 结雪崩击穿、隧穿电流增加以及漏电增大。
因此，有必要分析电场集中的位置。

3. 用于优化器件性能
电场分布会影响阈值电压、导通电阻、耐压、开关速度以及寄生电容。
通过分析，可以优化电极形状、掺杂分布、绝缘膜厚度以及保护环布局。

4. 因为在微细化过程中问题更容易显现
半导体尺寸越小，电场越容易集中在狭窄区域。
过去可以忽略的效应，在微细器件中会变得严重，例如短沟道效应和热载流子劣化。

5. 因为它与功率半导体的耐压设计直接相关
在 SiC、IGBT、MOSFET 等功率器件中，最大电场出现的位置会直接决定耐压性能。
在终端结构和边缘区域设计中，电场分析几乎是必不可少的。

6. 因为可以减少试制次数
如果只依靠实际制造和测量，将花费大量时间和成本。
利用电场分析，可以在试制前预测问题并初步筛选设计方案。

这次我们将分析作为半导体代表性器件之一的电容器内部及其周边的电场。

硅电容的电场分析

我们将使用 ELECTRIC-FIELD 3D 对硅电容进行电场分析。

分析模型如下。

分析模型

图2：硅电容的分析模型

我们构建了如上所示的硅电容分析模型，并对电容内部及其周边区域的电场分布进行了分析。各部件的作用如下。

- - - Top Pad
      用于从外部与上侧电极进行电连接的端子，是来自测试设备或布线的信号与电压输入端。
    - Top Bus
      连接 Top Pad 与 Top Electrode 的布线，是将电位传递到上侧电极的导体图形。
    - Top Electrode
      电容的上侧电极。它与 Bottom Electrode 相对形成电场，并对电容形成起主要作用。
    - Bottom Pad
      用于从外部连接到底部电极一侧的端子，通常作为 GND 侧或参考电位侧的引出端。
    - Bottom Bus
      连接 Bottom Pad 与 Bottom Electrode 的布线，负责将电位传递到底部电极。
    - Bottom Electrode
      电容的下侧电极。它与 Top Electrode 成对存在，是实际蓄积电荷的对向电极。
    - Dielectric Layer
      位于上下电极之间的绝缘层。它阻止电流直接通过，只允许电场存在，从而使器件能够作为电容工作。
      该层的厚度和相对介电常数会显著影响电容值。
    - Guard Ring
      配置在主电极周围的辅助导体。其目的是抑制边缘绕射电场、漏电流和寄生电容的影响，提高测量稳定性和分析精度。
    - Silicon Substrate
      支撑整体结构的基板材料。它不仅提供机械支撑，还会影响寄生电容和电场分布。对于半导体基板而言，其电导率和介电常数的设定会影响分析结果。

分析条件

分析条件如下所示。

分析软件	PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D or ELECTRIC-FIELD 3D
分析类型	电场分析
分析对象	semiconductor.obj

Before

电极、GND 和材料常数设置不充分的模型

部件	电压	相对介电常数 εr
Top_Pad	+5 V	1.0*
Top_Bus	+5 V	1.0*
Top_Electrode	未固定	1.0*
Bottom_Pad	0 V	1.0*
Bottom_Bus	0 V	1.0*
Bottom_Electrode	未固定	1.0*
Guard_Ring_W/E/S/N	未固定	1.0*
Ground_Tie	未固定	1.0*
GND_Via	未固定	1.0*
Backside_Ground	未固定	1.0*
Dielectric_Layer	未固定	1.0
Silicon_Substrate	固定为 0 V	1.0

After

正确反映电极电位、接地条件和材料常数的模型

部件	电压	相对介电常数 εr
Top_Pad	+5 V	1.0*
Top_Bus	+5 V	1.0*
Top_Electrode	+5 V	1.0*
Bottom_Pad	0 V	1.0*
Bottom_Bus	0 V	1.0*
Bottom_Electrode	0 V	1.0*
Guard_Ring_W/E/S/N	0 V	1.0*
Ground_Tie	0 V	1.0*
GND_Via	0 V	1.0*
Backside_Ground	0 V	1.0*
Dielectric_Layer	未固定	3.9
Silicon_Substrate	未固定	11.7

这些初始条件也可以在软件（PIC-ELECTRON 3D）中进行设置。

下图展示了本次在 ELECTRIC-FIELD 3D 中使用的分析条件输入界面。

分析结果

Before

整体截面

图3：电极、GND 和材料常数设置不充分模型的电场分布

After

整体

截面

图4：正确反映电极电位、接地条件和材料常数的模型

上述资料是实际使用 ELECTRIC-FIELD 3D 计算得到的真实分析结果。

在 After 条件下，由于主电极、对向电极、保护环和背面 GND 的电位条件得到了合理设置，电场闭合状态更加明确，Before 条件下由浮空导体引起的不稳定电场分布问题得到了解决。

另外，本次使用的 CAD 模型是简化创建的，因此电极电压和其他条件设置也做了简化处理。

※以上仅为一个示例。欢迎在产品开发中充分利用电场分析软件 ELECTRIC-FIELD 3D。

电子枪中的电子提取与电子束分析

motsu16 — Fri, 20 Mar 2026 12:34:06 +0000

本次我们将使用PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件）或 PIC-ELECTRON 3D（电子轨迹），对电子枪内部的电子轨迹进行分析。

电子枪是一种产生电子、加速电子，并将其整形成细束发射出去的装置。

它用于在真空中形成电子束，并应用于电子显微镜、CRT、X射线管以及部分加速器中。

电子枪内的电子

图1：电子枪中电子轨迹的概念图

电子发射

在一般的电子枪中，电子由阴极（Cathode）发射出来。

电子发射主要有以下三种方式。

- - 热电子发射
    通过加热灯丝或阴极，使电子逸出的方式
  - 场发射
    利用非常强的电场将电子拉出的方式
  - 光电子发射
    通过照射光使电子释放出来的方式

在电子枪中，上述方式中热电子发射最为常用。

电子的引出与加速

从阴极释放电子
将其拉向阳极方向
对其进行加速

电子束就是通过上述过程形成的。电子获得的能量可由下式计算。若电位差为 [V]，则电子获得的动能大致为

E = e V ・e：电子电荷 ・V：电压

可表示为上述形式。

本次我们将使用 PIC-ELECTRON 3D，对电子枪中的电子引出过程与电子束生成过程进行可视化。

电子枪分析

让我们使用 PIC-ELECTRON 3D 来分析电子枪内部的电子。

分析模型如下所示。

分析模型

图2：电子枪的分析模型

我们将建立如上所示的电子枪分析模型，并模拟电子的引出以及电子束的生成过程。电子枪中各部件的作用如下。

- - - Mount Flange
      用于将整个装置固定到真空腔体或外部机构上的部件。通常承担定位、支撑和接地等作用，是稳定安装电子枪本体的基础部件。
    - Grid Electrode
      用于在阴极附近调节电子引出量的电极。它负责控制电子是否发射以及发射多少，可以看作是电子束的“门控”部件。
    - Focus Electrode
      用于通过电场整形电子束，防止已发射的电子过度扩散。它可使电子束变细并抑制发散，从而便于后续处理。
    - Ceramic Spacer
      在保持电极机械位置关系的同时，对电极之间进行电气绝缘的部件。在高电压区域尤为重要，既能防止短路，又能保证电极的精确配置。
    - Anode
      用于加速电子并将其向前引出的电极。它赋予电子束动能并将其送往下游，是电子枪加速部分的核心部件。

分析条件

分析条件如下。

分析软件	PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D
分析类型	电子轨迹分析
分析对象	electron_gun.obj
电压	Cathode：-3000[V] GridElectrode：2950[V] FocusElectrode：2000[V] 其他：0[V]
相对介电常数（介电体）	CeramicSpacer：9.5
每1ns生成的电子数	10000个
生成电子的速度	1.0× 10⁴[m/s]
时间步长	1.0×10^-11[s]
总模拟时间	2.0×10^-8[s]

这些初始条件可以在软件（PIC-ELECTRON 3D）中直接设置。

下图展示了本次示例中在 PIC-ELECTRON 3D 里的分析条件输入界面。

图3：PIC-ELECTRON 3D中的分析条件设置

分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603200115.mp4

图4：电子枪中的电子轨迹分析

以上资料为使用 PIC-ELECTRON 3D 实际计算得到的分析结果。

图4模拟了电子枪中电子的引出过程，以及在加速电压作用下电子束的生成过程。

另外，本次使用的 CAD 模型是简化制作的，因此电极电压及其他条件设置也进行了简化。

此外，PIC-ELECTRON 3D 除了上述计算结果外，还可以输出各种数据。

电子密度
电流密度矢量
电场矢量
速度矢量

※以上仅为一例。欢迎在使用电子相关产品进行开发时，充分 활용 PIC-ELECTRON 3D。

等离子体电弧放电分析

motsu16 — Tue, 17 Mar 2026 13:24:44 +0000

什么是等离子体？

图1：物质的四种状态

物质通常分为固体、液体和气体，但如果继续对气体加热，就有可能产生等离子体。

因此，等离子体常被称为物质的“第四种状态”。

等离子体是物质发生电离后的状态。电离是指分子或原子分裂成电子和离子的现象。

当粒子之间（离子、电子、原子）相互碰撞时，就会产生等离子体。

在什么样的环境下会产生等离子体呢？

等离子体主要产生于太阳等超高温区域，或者在气体上施加高电压时。

这次我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件）来分析等离子体放电。

正如前面所说明的那样，当电中性的气体发生电离并变成含有大量自由电子和离子的状态时，这种状态就称为等离子体。

也就是说，等离子体可以看作是“更容易导电的高能气体状态”。

电弧放电产生的原理

图2：等离子体中电弧放电的概念图

什么是电弧放电

通常，空气等气体是不易导电的绝缘体。

但是，当电极之间施加足够高的电压时，气体分子会发生电离并分裂成电子和离子。

此时气体具有导电性，电流开始流动。这就是放电的开始。

电弧放电的发生过程

- 1. 施加高电压：电极之间会形成强电场。
  2. 初始电子被加速：气体中少量存在的自由电子会在电场中被加速。
  3. 发生碰撞电离：被加速的电子与气体分子碰撞，进一步产生电子和离子。随着这一过程连锁式增加，电极之间会形成导电通路。
  4. 电流急剧增加并伴随发光和升温：当大电流流过时，放电通道的温度会变得非常高，气体会转变为强烈电离的等离子体状态。这种高温、高亮度的放电就是电弧放电。

电弧放电分析

下面我们使用 PIC PLASMA 3D 来模拟电弧放电。

分析模型如下所示。

分析模型

图3：电弧放电分析模型

我们构建了如上所示的电弧放电分析模型，并对电子轨迹与大气（中性粒子）碰撞所引起的等离子体生成过程进行了模拟。

另外，等离子体的产生机理如下所示。

图4：等离子体的生成过程

分析条件

分析条件如下。

分析软件	PIC-PLASMA 3D
分析类型	等离子体分析
分析对象	plasma_arc.obj
等离子体粒子种类	O₂
气体压力（大气压）	1.01325 × 10⁵[Pa]
温度	300[K]
电压	electrode1：0[V] , electrode2：500[V]
每1ns生成的电子数	10000个
生成电子的速度	1.0× 10⁴[m/s]
时间步长	1.0×10^-11[s]
总模拟时间	2.0×10^-8[s]

这些初始条件也可以在软件（PIC-PLASMA 3D）中进行设置。

下图显示了本次在 PIC-PLASMA 3D 中输入分析条件的界面。

图5：PIC-PLASMA 3D中的分析条件设置

分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603172153.mp4

图6：电极间电子的分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603172210.mp4

图7：电子与气体的碰撞位置

以上资料是实际使用 PIC-PLASMA3D 计算得到的真实分析结果。

图6以动画形式可视化了等离子体中电子的行为。

图7显示了电子与氧气相互作用而产生的氧离子。

另外，由于本次使用的 CAD 模型是简化创建的，因此电极电压及其他条件设置也进行了简化。

此外，PIC-PLASMA 3D 除了上述计算结果外，还可以输出各种数据。

电子密度
电流密度矢量
电场矢量
速度矢量
背景气体和喷射气体中与等离子体的碰撞

※以上仅为示例。欢迎在等离子体产品开发中积极使用 PIC-PLASMA 3D。

等离子切割机中等离子离子与靶材碰撞的分析

motsu16 — Mon, 16 Mar 2026 11:09:29 +0000

什么是等离子体？

图1：物质的四种状态

物质通常分为固体、液体和气体，但如果将气体进一步加热，就可以产生等离子体。

因此，等离子体常被称为物质的“第四态”。

等离子体是物质处于电离状态时的形态。所谓电离，是指分子或原子分裂为电子和离子的现象。

离子、电子、原子等粒子彼此碰撞时，就会产生等离子体。

在什么样的环境下会产生等离子体呢？

等离子体主要产生于太阳等超高温区域，或者在气体上施加高电压时。

这次我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件）来分析工业用等离子切割机。

等离子切割机是通过利用电能将气体转化为等离子体，再用超高温、高速喷流将金属熔化并吹除来实现切割的。

图2：等离子切割机概念图

其基本原理如下：

1. 供气
2. 产生电弧
3. 气体电离并形成等离子体
4. 等离子体射流使金属熔化
5. 排出熔融金属
6. 切割

等离子切割用于铁、不锈钢、铝等导电材料，在通过细喷嘴输送压缩空气、氮气等气体的同时，在割炬内部电极与工件之间产生电弧。

电弧会使气体电离，形成具有导电性的高温等离子流，不仅能够“熔化”金属，还能将其“吹走”，从而实现切割。

在设备内部，通过向放置基板的电极施加高频电压，会产生自偏压电压，使离子更容易几乎垂直地入射到基板上。因此，可以在不横向扩展微细图形的情况下，实现更深、更精确的加工。

等离子蚀刻设备的特点是：

切割金属速度快
对中厚板也有很强适应性
精度相对较高
设备通用性高

这些都是它的优点。

另一方面，

需要考虑热影响及耗材管理

这些都是需要面对的课题。

总而言之，等离子蚀刻设备是利用真空中产生的等离子体的化学反应性和离子轰击，对材料表面进行精密去除的设备。

等离子切割机中目标物的负载分析

下面我们使用 PIC PLASMA 3D 来进行等离子切割机中目标物的碰撞仿真。

分析模型如下所示。

分析模型

图3：等离子蚀刻设备的分析模型

我们建立了上述等离子切割机模型，并进行了等离子体轨迹分析以及对 target 的碰撞仿真。

另外，等离子体的产生机制如下所示。

图4：等离子体生成过程

分析条件

分析条件如下。

分析软件	PIC-PLASMA 3D
分析类型	等离子体分析
分析对象	plasmacutting.obj
等离子粒子种类	O₂
等离子密度	1.0×10¹¹ [个/m³]
累积能量目标对象	target
电压	target：-500[V] , arc：0[V] , electrode：500[V]
时间步长	1.0×10^-9[s]
总仿真时间	2.0×10^-6[s]

这些初始条件也可以在软件内部（PIC-PLASMA3D）中进行设置。

图5：PIC-PLASMA 3D 中的分析条件设置

分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603162230.mp4

图6：等离子切割机中的等离子离子轨迹分析

图7：目标物上的等离子体累积碰撞能量

以上资料为实际使用 PIC-PLASMA3D 计算得到的分析结果。

图6以动画形式可视化了等离子体中离子（O₂⁺）的行为。图7展示了目标物与等离子体之间的累积碰撞能量（动能）。

可以确认，由气体放电产生的等离子体中的离子正在撞击目标物。

利用这种碰撞能量，就可以对目标材料进行精细去除！

另外，本次使用的 CAD 模型是简化制作的，因此电极电压及其他条件设置也做了简化。

此外，PIC-PLASMA 3D 除了可以输出上述计算结果外，还可以输出各种其他数据。

电子密度
电流密度矢量
电场矢量
速度矢量
等离子体与背景气体或喷射气体之间的碰撞

※以上仅为示例。欢迎在等离子体产品开发中充分 활용 PIC-PLASMA 3D。

等离子体刻蚀装置中等离子体离子与靶材碰撞的分析

motsu16 — Sun, 15 Mar 2026 06:32:06 +0000

什么是等离子体

图1：物质的四种状态

通常，物质被分为固体、液体和气体，但如果进一步加热气体，就有可能产生等离子体。

因此，等离子体被称为物质的“第四种状态”。

等离子体是物质处于电离状态时的形态。电离是指分子或原子分裂成电子和离子的现象。

等离子体是由粒子之间（离子、电子、原子）相互碰撞而产生的。

在什么样的环境下会产生等离子体呢？

等离子体主要会在太阳等超高温区域，或者对气体施加高电压时产生。

这次我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件）来分析工业用等离子体刻蚀设备。

等离子体刻蚀设备是一种利用等离子体中的活性种和离子去除材料表面的设备。在半导体制造中，它被广泛用于对硅、绝缘膜和金属膜进行微细加工。

图2：等离子体刻蚀示意图

其基本原理如下：

将反应性气体导入真空腔体内，并施加高频电源。
使气体发生放电，产生等离子体。
通过化学作用和物理作用的结合去除目标材料。

化学作用是指在等离子体中生成的自由基与被加工材料表面发生反应，形成挥发性的生成物。例如，当含氟自由基与硅反应时，会生成易于以气体形式排出的产物，从而去除表面材料。

物理作用是指等离子体中的正离子在电场作用下被加速并朝基板方向运动，最终撞击表面。这种离子轰击会将表面原子打出，并促进反应进行。因此，可以实现仅靠化学反应难以获得的各向异性刻蚀，也就是主要沿垂直方向向下刻蚀。

在设备内部，通过对放置基板的电极施加高频电压，会产生自偏压，从而使离子更容易几乎垂直地入射到基板表面。因此，可以在不横向扩展微细图形的情况下进行深而精确的加工。

等离子体刻蚀设备的特点包括：

适合微细加工
可实现各向异性加工
通过选择反应气体，可实现对不同材料的选择性

这就是其主要优势。

另一方面，

过度离子轰击导致的基板损伤
掩膜损耗
反应生成物再附着

也是其面临的课题。

简而言之，等离子体刻蚀设备是一种利用真空中产生的等离子体的化学反应性和离子轰击，对材料表面进行精密去除的设备。

等离子体刻蚀设备中目标物的负载分析

下面我们使用 PIC PLASMA 3D 来进行等离子体刻蚀设备内部等离子体对目标物碰撞的仿真分析。

分析模型如下。

分析模型

图3：等离子体刻蚀设备分析模型

我们建立了上述等离子体刻蚀设备模型，并对腔体内等离子体的轨迹进行了分析。

另外，等离子体的产生机制如下所示。

图4：等离子体生成过程

分析条件

分析条件如下所示。

分析软件	PIC-PLASMA 3D
分析类型	等离子体分析
分析对象	plasma_etcher.step
等离子体粒子种类	Ar
等离子体密度	1.0×10⁷ [个/m³]
累计能量目标对象	input004
电压	阴极电压：-50000 [V] 阳极电压：100000 [V]
时间步长	5.0×10^-10 [s]
总仿真时间	1.0×10^-6 [s]

这些初始条件都可以在软件（PIC-PLASMA 3D）中直接设置。

图5：PIC-PLASMA 3D中的分析条件设置

分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603151236.mp4

图6：等离子体刻蚀设备内部的等离子体分析结果

图7：目标等离子体的累计碰撞能量

以上资料是使用 PIC-PLASMA 3D 实际计算得到的分析结果。

图6以动画形式可视化了等离子体中离子（Ar⁺）的行为。

图7显示了目标与等离子体之间的累计碰撞能量（动能）。

可以确认，由气体放电产生的等离子体中的离子正在与目标发生碰撞。

正是通过这种碰撞能量，才能对目标材料进行精细刻蚀！

另外，本次使用的 CAD 模型是简化制作的，因此电极电压及其他条件设置也进行了简化。

此外，PIC-PLASMA 3D 除了上述计算结果外，还可以输出各种数据。

电子密度
电流密度矢量
电场矢量
速度矢量
背景气体和喷射气体中与等离子体的碰撞

※以上仅为示例。欢迎在等离子体产品开发中积极使用 PIC-PLASMA 3D。

荧光灯中电子轨道与气体相互作用的分析

motsu16 — Tue, 24 Feb 2026 13:57:45 +0000

什么是等离子体

物质通常分为固体、液体和气体，但把气体继续加热就可以产生等离子体。

因此，等离子体常被称为物质的“第四态”。

等离子体是物质的电离状态。电离是指分子或原子分裂成电子和离子。

当离子、电子、原子等粒子相互碰撞时，会形成等离子体。

等离子体在什么条件下形成？

主要出现在太阳等超高温区域，或在气体上施加高电压时产生。

这次我们将分析一种利用等离子体的工业产品：荧光灯。

荧光灯由玻璃管、少量汞、氩等惰性气体、两端电极，以及涂覆在管内壁的荧光粉组成。
荧光粉吸收放电产生的紫外线并发出可见光。

荧光灯不仅用于“住宅与生活空间”，也用于以下工业场景。

紫外荧光灯（UV灯）

杀菌消毒（医疗机构、食品加工厂等）
空气净化器
水处理设备

黑光灯（Blacklight）

假币/证件鉴别
荧光涂料检查
裂纹检测

荧光灯的发光过程如下。

电极加热与电子发射：通电后，两端电极（灯丝）加热，发生热电子发射。
紫外线产生：放电电子与管内少量汞原子碰撞，使汞原子被激发并发出不可见的紫外（UV）光。
紫外转可见：紫外光被玻璃管内壁的荧光粉吸收后，荧光粉发出可见光。

荧光灯的发光效率主要取决于热电子的发射量，以及与汞原子的碰撞效率。

我们将使用等离子体解析软件 PIC-PLASMA 3D 来计算这一过程。

荧光灯中电子与气体碰撞分析

让我们使用 PIC-PLASMA3D 来模拟荧光灯内部的放电。

分析模型如下。（使用 FreeCAD 创建）

我们按上图建立了荧光灯分析模型，并对从阴极发射的热电子（等离子体产生的起点粒子）进行轨道分析。

等离子体的产生机理如下：

图2：等离子体产生过程

这次我们模拟从阴极发射的电子，也就是等离子体产生的起点！

也就是说，在上图里就是最初的那个电子？

没错！PIC-PLASMA3D 也能计算电离后的等离子体（离子和电子）。有时间的话可以试试。

明白了！

分析条件

分析条件如下。

表1：分析条件

解析软件	PIC-PLASMA 3D
解析类型	静电场中等离子体的轨道分析
新生成粒子	电子
生成电子的初速度	1.0×10⁶[m/s]
电子生成数（每 ns）	1.0×10³ [每 ns]
电压	阴极电压：0[V] 阳极电压：1000[V]
时间步长	8.0×10^-11[s]
总模拟时间	1.6×10^-7[s]

注意：这些初始条件可在软件（PIC-PLASMA3D）中设置。

分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/12/light.mp4

图3：荧光灯内部阴极热电子的轨道分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/12/light_ion.mp4

图4：电子与气体的碰撞位置

以上内容为使用 PIC-PLASMA3D 计算得到的实际解析结果。

这模拟了从阴极发射的自由电子轨迹，它是等离子体产生的起点。

视频中的“data”表示电子数密度 [particles/m³]。

可以看到从阴极发射的电子向阳极移动。

这些电子与荧光灯内的气体碰撞，产生紫外线。紫外线照射荧光粉后，荧光粉发出可见光。

这里使用的 CAD 模型较为简化，因此电子数量等条件也做了简化。

此外，PIC-PLASMA3D 还能输出除上述结果以外的多种数据，例如：

电位
磁场分布
电子密度
电流密度
电荷密度

*以上仅为示例。

我们强烈推荐在等离子体产品开发中使用 PIC-PLASMA 3D。欢迎使用。

等离子离子源与等离子电子源的分析

motsu16 — Mon, 23 Feb 2026 00:12:08 +0000

什么是等离子体

物质通常分为固体、液体和气体。把气体继续加热，就可能产生等离子体。

因此，等离子体常被称为物质的“第四态”。

等离子体：物质处于电离状态。

电离：分子或原子被打散，分成电子和离子的现象。

离子、电子、原子等粒子相互碰撞，就会形成等离子体。

在什么环境下会产生等离子体呢？

主要是在太阳等超高温区域，或在气体上施加高电压时，就会产生等离子体。

这次我们将分析利用等离子体的工业产品：等离子离子源和等离子电子源。

等离子离子源：在装置内部产生等离子体，并对其施加高电压，将带电粒子作为束流引出到外部的设备。

等离子离子源和电子源广泛用于核聚变研究、半导体制造、质谱仪等多种科研与工业领域。

图1：等离子离子源示意图

等离子离子源与电子源的分析

使用本公司提供的 PIC PLASMA3D，对等离子离子与等离子电子进行模拟分析。

分析模型如下。

分析模型

该结构通过引出电极，从等离子体生成室中的“等离子体”里只提取离子或电子。

我们制作了如上 CAD 模型，并对生成室内等离子体中各粒子（电子、离子）的引出过程进行了分析。

等离子离子源的分析条件

表1：分析条件

分析软件	PIC-PLASMA3D
分析类型	静电场空间中的等离子体行为分析
初始等离子体密度	1.0×10¹¹[个/m³]
电压	引出电极：-500k[V] 等离子体生成室：40k[V]
时间步长	1.0×10^-10[s]
总仿真时间	1.0×10^-7[s]

等离子电子源的分析条件

分析软件	PIC-PLASMA3D
分析类型	静电场空间中的等离子体行为分析
初始等离子体密度	1.0×10¹¹[个/m³]
电压	引出电极：50k[V] 等离子体生成室：-4k[V]
时间步长	1.0×10^-10[s]
总仿真时间	1.0×10^-6[s]

分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/05/202505201446.mp4

图2：等离子离子源的分析结果

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/05/202505191942.mp4

图3：等离子电子源的分析结果

以上视频为使用 PIC PLASMA3D计算结果的可视化展示。

视频中的数据表示电子（左）与离子（右）的数密度 [个/m³]。

我们模拟了：从生成室初始存在的等离子体中，通过引出电极提取电子与离子的过程。

等离子电子源和等离子离子源都成功把各粒子从等离子体中引出来了。

由于本次使用的 CAD 模型较为简化，可以看到有较多等离子体撞击壁面并发生损失。

通过多次进行类似仿真，可望提升等离子产品的性能。

欢迎使用 PIC PLASMA3D 来优化等离子离子源与电子源的设计。