1、www.hikey- FDTD Solutions软件介绍 及案例 微 纳光学软件 www.hikey- 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- 一：公司 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 FDT
2、D 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- 二： FDTD Solutions软件 介绍 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
3、 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- FDTD Solutions软件介绍 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
4、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- FDTD Solutions软件介绍 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- FDTD Solutions软件介绍 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
5、 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- 三： FDTD Solutions软件应用 范围 1、应用范围： 8 www.hikey- 四： FDTD Solutions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- 实例一 ： CMOS图像传感器像素
6、 设计 1、 CMOS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 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- CMOS图像传感器像素设计 第一 步：构建 有限差分方案模型的 CMOS图像传感器微透镜阵列 像素 布局 编辑显示三维布局的 CMOS图
7、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- CMOS图像传感器像素设计 12 www.hikey- CMOS图像传感器像素设计 13 www.hikey- CMOS图像传感器像素设计 第二 步 :提高 你的理解 CMOS图像传感器像素性能和设计挑战 ,以研究它
8、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- CMOS图像传感器像素设计 第三 步 :优化 角度回应的 CMOS图像传感器和测量主要射线角度 :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
9、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- CMOS图像传感器像素设计 16 www.hikey- CMOS图像传感
10、器像素设计 17 www.hikey- CMOS图像传感器像素设计 第四 步 :点扩展函数 计算通过时域有限差分算法解 CMOS影像感测器 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
11、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- CMOS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
12、不对称点扩展函数。 19 www.hikey- CMOS图像传感器像素设计 20 www.hikey- 实例二：深紫外线（ DUV）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 方案 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
13、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- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 第一 步 :光刻 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
14、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- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 23 www.hikey- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 第二 步 :检查 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
15、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是以照明波长和铬层的厚度本身 (100奈米 )不是光的波长薄相对。显然一个 标量 thin-mask模型不精确地描述许多类型的口罩用于 DUV平版印刷。 24 www.hikey- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 25 www.hikey- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 26 www.hikey- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 第三 步 :重新 计算为一次 M = 4投影光刻系统 确定 空中图像不同投影设置不涉及的 re-running FDTD模拟 ,而现有的仿真结果可以很容易地 re-an
16、alyzed不同成像的设置。后处理的数据一个 4 减速系统生产的阴谋下。请注意 ,这两个航空图像 (以上 ,或以下 )出相同的规模。 虽然 我们可以看到 4 减少空中图像 (即四个亮点 ,在各领域都在 x和 y方向 ),它不忠实地复制面膜对象 ;由于衍射和显著缩短和角落围线 ,图像在空中的形象都是圆的而不是十字形 。 此外 ,干扰和邻近效应导致非零强度明亮的强度之间的斑点。清楚的 cross-shape与 CD = 2(在面具 )超出分辨极限的一个二进制罩在这种类型的 4倍降低光刻系统工程。这是因为有 4 X减少 CD特征尺寸晶片只有 / 2。 27 www.hikey- 深紫外线（ DUV）
17、光刻仿真 28 www.hikey- 深紫外线（ DUV）光刻仿真 图 所示 ,时域有限差分算法解决方案采用严格的电磁模拟准确的预测了天线罩产生的图像用于 DUV平版印刷。利用时域有限差分算法结合在一起 graded-mesh算法解决方案 ,可实现实质性的内存保存在执行系统模拟了平版。这些记忆储蓄可以利用快速原型领域内的小角度面具。另外 ,这些记忆储蓄可以准确地模拟一个更大的结构 ,否则会用一个统一的网格仿真的可行性。基于这些考虑 ,时域有限差分算法解决方案提供了一个更为迅捷的准确的过程 ,空中图像能计算和优化 。 29 www.hikey- 实例三： DVD表面分析 1、 优化的几何形状的 DVD表面高峰的光学存储性能 ,采用时域有限差分的解决 方案 在这个例子中 ,我们构建了一个完整的三维模型之间的相互作用聚焦的光学梁结构 ,黄金表面一个典型的 DVD光盘。目的是为了确定最小特徵尺寸的金岗位 ,结果在一个强大的调制信号 ,这样最大信息将会存储表面上的 DVD。 第一步 :构建模型的 DVD表面布局编辑器和模拟 布局 编辑显示所有的对象。对象可以移动 ,缩放和简单的鼠标动作。视窗显示前、侧 ,最后和看法 ,协助可视化。一个 3 D模型未知的 DVD表面易建造使用基本模拟元素从仿真对象 库数据库 的材料和光学性能。 30
