理解和预测自由分子流

“分子流模块”是 COMSOL Multiphysics^® 软件的附加产品，专为设计真空系统，深入了解并预测自由分子流状态下的低压气体流动而开发。在过去，这种状态下的流动往往通过直接模拟蒙特卡罗（DSMC）法进行建模。尽管 DSMC 方法可以计算大量随机粒子通过系统的轨迹，但缺点是会在建模过程中引入统计噪声，这种噪声会影响低速流动（如真空系统中的流动）的仿真可行性。“分子流模块”采用一种完全没有统计噪声的确定性方法，为模拟低速流动提供了高效便捷的解决方案。

精确模拟低压低速气体流动

“分子流模块”是模拟各种真空系统的理想工具，涵盖半导体加工、粒子加速器和质谱仪等领域所使用的真空系统；也适用于模拟小通道场景，例如页岩气勘探和纳米多孔材料的流动。

本模块采用角系数法来模拟稳态自由分子流，能够计算表面上的分子通量、压力和热通量。用户不仅可以根据周围表面上的分子通量在域、表面、边和点上重建数密度，还可以模拟等温和非等温分子流动现象，计算气体分子的热通量贡献。

分子流模块支持的建模对象

设计真空系统和预测低压气体流动。

真空系统

研究压差真空系统。

高真空室表面的数密度。

超高真空化学气相沉积（CVD）

使用多种物质模拟硅晶圆的生长过程。

晶圆盒中 SiH4 的分子通量分数。

电荷交换室

模拟质子束与电荷交换室的相互作用。

电荷交换室中质子束的中和。

离子注入

优化半导体晶圆掺杂的离子注入工艺。

离子注入机表面的压力，晶圆法线与束路径方向成 40° 角。

热蒸发

计算热蒸发金膜的厚度。

样品和热蒸发器壁上的蒸发膜厚度。

吸附和解吸

研究低压真空系统中的吸附和解吸现象。

加载互锁真空室中水的吸附和解吸。

分子流模块的特征和功能

“分子流模块”提供的功能可用于精确模拟自由分子流状态下的流动。

自由分子流

自由分子流 接口可用于精确模拟高度稀薄的气流，求解的是几何边界处的分子通量，并提供多种选项用于计算边界处的数密度、压力和热通量。用户在进行仿真时，可以仅在边界上生成网格。如需在域内重建数密度，只需简单地添加体网格即可。通过自由分子流 接口，您能够基于真实的 CAD 模型进行分子流仿真。

此处使用分子流 接口来设计离子注入系统，其中晶圆的除气分子数密度在束线内较低。

此处使用分子流 接口来设计离子注入系统，其中晶圆的除气分子数密度在束线内较低。

边界条件

在“分子流模块”中，我们提供了一系列可以指派给模型的边界条件。您能够通过一些内置特征指定由于相邻大型贮槽或全真空状态引起的边界上的压力，也可以直接指定非等温分子流的表面温度，您还能够指定泵流量和吸附分子的分数等参数，或直接设置任意给定表面上的吸附率。不仅如此，模块中还嵌入了模拟蒸发源的特征，以及使用数值或任意表达式指定从表面发射通量大小的特征。

更为重要的是，“分子流模块”还包含用于模拟真空系统中不同类型的固体表面的各种边界条件。例如，您可以使用壁 特征来定义边界，使入射分子在表面发生漫反射；还可以选择使用排气壁 特征，使入射分子以漫反射方式反射，而其他分子则以气体形态扩散。您可以使用吸附/解吸 选项，使一部分入射分子被吸附，其余分子发生漫反射。此外，还可以使用沉积 壁类型选项对分子在表面上的聚集过程进行建模。

金从 2000 K 的热源蒸发到固定表面上的基板上。本例计算基板和室壁上沉积的薄膜厚度。

角系数法

自由分子流 接口使用角系数法来处理高度稀薄流动问题，与基于粒子的方法相比，这一确定性方法具有更快的求解速度。在压力和数密度计算方面，角系数法表现出比近似电导法更为精确的优势，而且还能够轻松地同时处理多种气体物质。

使用粒子追踪法（顶部模型）与自由分子流 接口（底部模型）时的数密度计算比较。由于自由分子流 接口采用角系数法，因此底部模型不会产生统计噪声。

过渡流

“分子流模块”可用于模拟稀薄程度介于自由分子流与滑移流之间的流动，通常涵盖从纳维-斯托克斯极限到分子流极限的稀薄流动。专为这些类型的稀薄流动而设计的过渡流 接口基于离散速度法，允许您选择一组有限的速度来表示分子的所有潜在速度，然后将原子指派给这些速度区间，计算每个区间中的数密度。通过在域内求解对流方程，并在各个区间之间重新定位分子的散射项，可以实现更精确的计算。本模块还提供各种专用的边界条件以简化设置过程。由于过渡流仿真对计算资源和时间的要求较高，我们建议在能够简化 CAD 几何模型的情况下使用这一功能。

本例使用过渡流 接口计算 s 形弯曲几何中的速度场。

扩展的多物理场分析

“分子流模块”可以与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用，为多物理场仿真提供全面拓展的能力。通过将这些模块进行组合，可以利用接口耦合在“分子流模块”中使用其他模块的数据（如场变量和参数）。举例来说，将“分子流模块”与“粒子追踪模块”相结合时，自由分子流 接口（用于计算背景数密度）可以与带电粒子追踪 接口实现耦合，从而模拟粒子与周围中性原子之间的碰撞。

本例使用自由分子流 接口计算电荷交换室中的压力。其中通过静电 接口计算使带电粒子发生偏转的电场，然后使用带电粒子追踪 接口计算轨迹，并模拟粒子与周围中性原子之间的碰撞。