fdtd软件介绍及案例分析一

www.hikey-sheenray.com FDTD FDTD SolutionsSolutions软件介绍软件介绍及案例及案例 微微纳光学软件纳光学软件 www.hikey-sheenray.com 目录 1、Lumerical Solutions公司背景介绍 2、 FDTD Solutions软件介绍 3、 FDTD Solutions软件应用范围 4、 FDTD Solutions应用实例库 2 www.hikey-sheenray.com 一：公司一：公司背景介绍背景介绍 1、公司介绍 FDTD Solutions软件由加拿大Lumerical Solutions公司出品。 该公司成立于2003年，总部位于加拿大温哥华。用户用该 公司软件已发表大量高影响因子论文，并被许多国际著名 大公司和学术团队所使用 FDTD Solutions：基于矢量3维麦克斯维方程求解，采用时 域有限差分FDTD法将空间网格化，时间上一步步计算，从 时间域信号中获得宽波段的稳态连续波结果，独有的材料 模型可以在宽波段内精确描述材料的色散特性，内嵌高速、 高性能计算引擎，能一次计算获得宽波段多波长结果，能 模拟任意3维形状，提供精确的色散材料模型 3 www.hikey-sheenray.com 二：二：FDTD Solutions软件软件介绍介绍特点特点 2、软件特点： 该软件用于下一代光子学产品的精确、多功能、高性能仿真 设计 -精确严格求解3维矢量麦克斯韦方程 -是学术界尖端研究和工业界产品开发 -易学易用的设计工具 -及时地充分利用高性能计算技术 该软件可解决具有挑战性关键设计的技术 -能高效准确地模拟色散材料的难题 -独有的多系数材料模型 -为准确描述色散材料的性质提供了理想的工具 4 www.hikey-sheenray.com FDTD Solutions软件介绍软件介绍特点特点 -获得纳米器件设计精确结果需要长时间的难题 -及时地充分利用现代计算技术的硬件 -提供需要最少代价的最新网格化技术 -可解决具有挑战性关键设计的技术 多系数材料模型极大地提高了计算结果的精度 -Lumerical 公司独用的技术“多系数材料模型(MCMs)” -提供比前述罗伦次-杜德模型超好的拟合 -软件给出拟合曲线和拟合误差 -自动拟合材料色散数据 -用户可以设定系数个数、拟合允差和波长范围 -用户可自行导入自己的材料或选择内置材料库中的材料 5 www.hikey-sheenray.com FDTD Solutions软件介绍软件介绍特点特点 高性能计算技术 -高速计算引擎 -优化的源代码 -并行计算充分利用多核计算机系统的高性能 -CPU使用的最大化 -支持常用的各种操作系统 -软件授权许可证与硬件、操作系统无关； -避免不必要的计算 -提供各种边界条件 -优化的集成设计 -高级网格化技术 6 www.hikey-sheenray.com FDTD Solutions软件介绍软件介绍特点特点 业界最高级的网格划分 -均匀网格 -自动优化的渐变网格 -根据需要提高网格分辨率 -共型网格：通过非常复杂的描述麦克斯维旋度方程技术 减少需要精确分辨材料边界（如曲面、薄膜层）的超细网格 7 www.hikey-sheenray.com 三：三：FDTD Solutions软件应用软件应用范围范围 1、应用范围： 8 www.hikey-sheenray.com 四：四：FDTD Solutions软件应用实例库软件应用实例库 1、FDTD Solutions应用实例库 CMOS图像传感器像素设计 深紫外线（DUV）光刻仿真 DVD表面分析 LED光提取 纳米粒子散射 纳米线栅偏振器 光子晶体VCSEL SPR纳米光刻 薄膜太阳能器件 波导微腔 9 www.hikey-sheenray.com 实例一实例一 ：CMOSCMOS图像传感器像素图像传感器像素设计设计 1 1、CMOSCMOS图像传感器像素光效率和光学相声优化使用时域有图像传感器像素光效率和光学相声优化使用时域有 限差分算法解决方案限差分算法解决方案 CMOS图像传感器的成本数码相机系统被减少通过使用较小 的像素尺寸。理想的情况是,减少对CMOS图像传感器像素 大小可以得到改善图像分辨率、无明显减低噪音信号。作 为图像传感器像素尺寸持续减少,有风险的降低光学效率, 以及增加光学相声相邻像素图像传感器。这些效应可以减 轻通过合适的像素设计和放置透镜以上每一个二极管重定 向和集中照射到主动探测器地区。 10 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 第一第一步：构建步：构建有限差分方案模型的有限差分方案模型的CMOSCMOS图像传感器微透镜图像传感器微透镜 阵列阵列像素像素 布局编辑显示三维布局的CMOS图像传感器微透镜阵列。 每一个图像传感器像素模型包括彩色滤镜,解透镜、金属互连 有光盾以上硅活跃的地区和基材。每个像素由四个sub-pixels 从中我们可以看到下面的图表:两个绿色、红色和蓝色的。 比较模拟性能的理想化设备相对的装置,就能制造的在 这儿,把表面粗糙度测量通过原子力显微镜的测量可以帮 助找出在设计和生产过程的设备性能改善的好处。 11 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 12 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 13 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 第二第二步步: :提高提高你的理解你的理解CMOSCMOS图像传感器像素性能和设计挑图像传感器像素性能和设计挑 战战, ,以研究它如何运作以研究它如何运作 可以洞察散射光的来源在CMOS图像传感器,使用内置电影 监视器捕获了时域有限差分算法解决方案领域的动力学仿真 正确设计的图像传感器像素微透镜聚焦光与金属互连,避免 不必要的散射和相声最大化的同时,使探测器效率。能够看 清设备性能帮助设计人员了解光散射的起源破坏设备性能。 14 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 第三第三步步: :优化优化角度回应的角度回应的CMOSCMOS图像传感器和测量主要射线图像传感器和测量主要射线 角度角度: :增加光学效率、降低光谱光相声增加光学效率、降低光谱光相声 测量光谱光相声,向下的功率流在邻近的sub-pixels可以 计算,结合矢量。光谱光相声一般产生最小光学效率最大化, 但在陡峭的角度入射高浓度的相声观察到,在某种程度上,不 可避免的。更复杂的装置设计,由其他的像素元素(如互连) 也改变时,可以提供一种方法,可以减少整体相声水平。 通过检测断面以上的数据,它是简单的,以确定哪些转变必 须优化光学效率。测量光学效率(即传输到活跃的地区潜在 的绿色像素显示为一个10度入射角、转移需要大约350纳米, 当入射角的增加到30度变化,接近1微米是必要的。最初,一 个好的设计可以实现假定CRA等于入射角用于分析。一个较 为完整的分析将影响该数据可能由于入射光锥不需要一个运 行模拟。 15 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 16 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 17 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 第四第四步步: :点扩展函数点扩展函数计算通过时域有限差分算法解计算通过时域有限差分算法解CMOSCMOS影影 像感测器像感测器 相声可表征空间光通过点扩展函数多少接收信号量 化模糊通过CMOS成像系统。在这些模拟中,我们照个中心象 素(包括四个sub-pixels两个,一个红色、绿色和蓝色) 与绿色光的波长550纳米通过镜头系统数值孔径为0.25。 由于不完美的滤色片,finite-sized入射光thescattering 折射、绕射内同时进行图像传感器像素,来料绿色的光照亮 的矽光电二极体上方的照亮象素,相邻像素。figurebelow向 下的显示能力在矽基板上的焊剂在像素所示。当接收的信号 是最亮的在过去的两个中间的绿sub-pixels残余信号观测, 照亮sub-pixels红色、蓝色、绿色sub-pixels附近。 18 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 在活跃的地区整合下面每个像素区域,它是简单的计算装置 反应。图左边表明,正如人们所预料的那样,两个主要绿色sub- pixels表明大量的入射光。下一个最大的信号记录在相邻的绿 色sub-pixels。最后,有一种非常轻微的信号记录在附近的红色 和蓝色的sub-pixels由于额外的吸收,发生在红色和蓝色过滤器 的事件绿灯。潜在的像素结构的不对称性导致一种不对称点 扩展函数。 19 www.hikey-sheenray.com CMOSCMOS图像传感器像素设计图像传感器像素设计 20 www.hikey-sheenray.com 实例二：深紫外线（实例二：深紫外线（DUVDUV）光刻仿真）光刻仿真 1、DUV光刻仿真的空中图像使用时域有限差分算法解决光刻仿真的空中图像使用时域有限差分算法解决方方 案案 要求更小、更快、更低的功率半导体器件持续不断地推动 改善光学光刻技术。目前高数值孔径(南)曝光工具结合分 辨率增强技术(惩戒)被用来制造先进的设备和关键尺寸 (CD)小于100海里。比如,在45纳米节点的一些特点,不能 成像是少于四分之一的波长纳米所用光源,需要使用交替 相位变换面具(APSM)。相关的球是sub-wavelength(130奈 米),从而导致严重的邻近效应需要光学邻近校正(OPC)这 些效应需要被理解使用光刻仿真,这样就可以被考虑在准 星上设计以达到一种可预见的、可靠的方法。光刻仿真可 以协助改善器件产量和数量的减少瞄准十字线的发展过程 中,允许一个制造房子斜坡产品更快,大大节省生产成本。 21 www.hikey-sheenray.com 深紫外线（深紫外线（DUV）光刻仿真）光刻仿真 第一第一步步: :光刻光刻仿真设置在布局编辑仿真设置在布局编辑 光学光刻技术继续改善,所以也有提高光刻仿真技术。时 域有限差分算法解决方案使用时域有限差分技术严格解决的 对象字段的面具。所有衍射,折射,干扰、吸收和极化效应计 算近场之面具没有近似。时域有限差分算法解决方案也把一 个分级网,这大大降低内存需求和时间每仿真。通过时域有 限差分算法的仿真数据的后处理,空中形象可计算出晶圆片 铬二进制掩码是表现为建设布局编辑FDTD的解决方案。面 具的模型由一个周期性阵列的十字形空缺CD = 2 。布局编 辑器提供了一个全面的观点的结构模型和数据来源和监视器 用于进行计算。几个例子如何做这个显示在下面。 22 www.hikey-sheenray.com 深紫外线（深紫外线（DUV）光刻仿真）光刻仿真 23 www.hikey-sheenray.com 深紫外线（深紫外线（DUV）光刻仿真）光刻仿真 第二第二步步: :检查检查对象场强度的有限差分计算方案对象场强度的有限差分计算方案 在这里,分级网格技术在时域有限差分算法解决方案提供 了近40×提高内存需求,仿真时间需要,比等效均匀网格。严 格的计算对象领域下图所示为x极化事故照明。注意,有明显 的变化在十字形开在铬遮罩图层。这是由于两个常见问题 DUV平版印刷,作为特征尺寸在面具