Coreform CubitとPICLasによるマグネトロンスパッタリング解析向けHexメッシング

背景

boltzplatzはドイツ・シュトゥットガルト大学発のエンジニアリングサービス企業です。同社の中核技術はオープンソースソフトウェアPICLasで、もともとは大気圏突入や宇宙推進など宇宙システム解析向けに開発されました。PICLasは電磁力の影響下にある希薄気体・プラズマ挙動を予測できます。技術移転を通じ、半導体製造や真空コーティング分野でも数値シミュレーションを活用でき、高価な試作や大量の実験を削減できます。boltzplatzは解析受託に加え、PICLasの技術サポートとソフトウェア開発も提供しています。 https://boltzplatz.eu/.

課題

PICLasで用いる解析手法では、精度向上と収束高速化のため高品質なHexメッシュが必要です。本事例はPVDコーティングチャンバー内の反応性マグネトロンスパッタリングで、ターゲットから粒子が反応性スパッタされ、基板へ堆積します。この種のプラズマコーティングは薄膜製造、高機能表面処理、半導体製造で広く利用されています。数値解析により、チャンバー内の粒子輸送と堆積挙動を詳細に把握し、プロセス最適化へ利用できます。

チャンバー全体は幾何学的に複雑で、そのまま解析すると計算コストとメッシング工数が過大になります。そのため物理的に重要な領域へ解析範囲を限定し、必要な物理現象を保持したまま形状を簡略化しました。またターゲットのうち実際にスパッタへ寄与する領域だけを表現するため、対応する境界を2領域へ分割する必要があります。

この縮約領域へ高品質Hexメッシュを生成するためCoreform Cubitを使用しました。過去には複数の商用メッシャーも検討され、multi-block方式は必要な品質とセル数制御を実現できたものの、操作が煩雑でCAD形状変更の自由度も不足していました。

図1：Coreform Cubit上の解析領域全体と分割境界。円筒ターゲット上の放出領域を強調表示。

解決策

Coreform Cubitでは、メッシュ品質・制御性・操作性のバランスを取りながら、顧客提供CADを直接整理できます。形状簡略化、解析領域の縮約、境界分割、形状修正をCubit内で実施できるため、高価なCADソフトウェアを別途用意せず、解析可能なモデルへ効率よく整備できます。

複雑に曲がった領域は一度Tetでメッシュ化し、それを完全にHexへ分割しました。生成後はscaled Jacobianで品質を確認し、問題要素を特定・修正しました。コーティングチャンバーの最終メッシュは約73,000セルです。boltzplatzは解析コストを抑えるため、可能な限り少ないセル数で有効なメッシュを得ることを重視しており、Coreform Cubitはこの目的に適しています。最後にboltzplatzのpreprocessorでPICLas用へ変換します。

図2：Coreform Cubit上の表面メッシュと分離された放出領域。

まとめ

真空表面コーティングや半導体製造においてプラズマプロセスは重要です。本事例ではboltzplatzがマグネトロンスパッタリング装置を解析し、チャンバー内の粒子輸送と堆積を詳細に把握しました。形状準備とメッシュ生成はCoreform Cubitで1時間未満で完了し、その大半はCAD cleanupと境界条件設定でした。他のメッシュジェネレーターでは通常3～5時間かかる作業です。守秘義務上公開できない事例を含め、他ツールではメッシュ化できなかった形状もCoreform Cubitで成功しています。高品質メッシュと短い準備時間により、プロセス開発サイクルを短縮し、物理試験への依存を減らせます。

図3：スパッタされた材料、その流線、チャンバー底部の基板への堆積を示す解析結果。赤色は放出領域を示します。