JP2005034843A - Calculation method of reaction mechanism and recording medium with the calculation method recorded thereon - Google Patents

Calculation method of reaction mechanism and recording medium with the calculation method recorded thereon Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calculation method of a reaction mechanism capable of easily calculating a reaction process and to provide a process simulation method using thereof. <P>SOLUTION: In the calculation method of the reaction mechanism, the reaction process of chemical species is estimated by making atoms consisting of one or more chemical species dynamically move respectively and by dynamically calculating, many times or until an intended chemical species is obtained, to determine their state after a fixed time. In the process simulation, an optical design of the process is carried out using the above calculation method. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、反応メカニズム算出方法に関するものである。より詳しくは、本発明は一つ
の分子が分解反応をするメカニズム、あるいは複数の分子が相互作用を及ぼし合いながら
反応するメカニズムを、分子を構成する原子の運動を考慮した動力学的な計算によりシミ
ュレーションする反応メカニズム算出方法に関するものである。
The present invention relates to a reaction mechanism calculation method. More specifically, the present invention simulates a mechanism in which one molecule undergoes a decomposition reaction or a mechanism in which a plurality of molecules react while interacting with each other by a dynamic calculation in consideration of the movement of atoms constituting the molecule. The present invention relates to a reaction mechanism calculation method.

製造工程において、生産性などを改良するためにプロセスシュミレーションが検討され
ることが多くなってきている。
In the manufacturing process, process simulation is often studied in order to improve productivity and the like.

例えば、化学反応を利用した製造過程においては、その反応がどのようにして起こり、
どのようにすれば収率や反応速度を改良できるかが検討される。このようなプロセスシュ
ミレーションを行うためには、反応メカニズムの詳細、反応素過程の速度式などが必要と
なるが、これらは、実験的に決められることが多い。
For example, in the manufacturing process using chemical reaction, how the reaction occurs,
It is studied how to improve the yield and reaction rate. In order to perform such a process simulation, details of the reaction mechanism, a rate equation of the elementary process, and the like are necessary, and these are often determined experimentally.

また、分子軌道法を用いて遷移状態の構造最適化を行い、絶対反応速度論を用いて反応
速度式を算出することも試みられている。別の方法として特開平9−279340号公報
には、分子動力学を用いてアモルファスシリコンの薄膜の材質や薄膜形成のための速度を
計算するための方法が開示されている。(特許文献1)また、別の方法として特開平7−
37821号公報には、化学反応式と反応時間の予測に基づいた所定の仕様を満たすべく
プロセスの最適化を行う方法が開示されている。(特許文献2)
特開平9−279340号公報 特開平7−37821号公報
It has also been attempted to optimize the structure of the transition state using the molecular orbital method and to calculate the reaction rate equation using absolute reaction kinetics. As another method, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-279340 discloses a method for calculating the material of an amorphous silicon thin film and the speed for forming the thin film using molecular dynamics. (Patent Document 1) As another method, JP-A-7-
Japanese Patent No. 37821 discloses a method of optimizing a process to satisfy a predetermined specification based on a chemical reaction formula and a reaction time prediction. (Patent Document 2)
Japanese Patent Laid-Open No. 9-279340 JP-A-7-37821

しかし、実験的に反応速度を求めようとしても、反応素過程までは解明できないことが
多い。例えば、反応管に原料ガスを流して分解率を測定するような系の反応メカニズムを
明らかにしようとした場合、実験により反応メカニズムを調べても、原料ガスの減少率と
いうようなオーバーオールの速度は求められるが、その原料ガスを流してから生じる全て
の途中過程での反応、すなわち反応素過程までは分からないことが多い。
However, even when trying to obtain the reaction rate experimentally, it is often impossible to elucidate the reaction process. For example, when trying to clarify the reaction mechanism of a system that measures the decomposition rate by flowing a raw material gas into a reaction tube, the overall rate such as the reduction rate of the raw material gas is not even if the reaction mechanism is examined by experiment. Although it is required, it is often not known until all the intermediate processes that occur after flowing the raw material gas, that is, the reactant processes.

一方、分子軌道法を用いた速度の算出は、エネルギ準位をもとにあらかじめ想定した素
過程についての検討を行うため、想定しなかった重要な反応素過程を見落としてしまう可
能性が高く、また素過程を正確に予想できたとしても、遷移状態の構造最適化に時間がか
かるうえ、遷移状態を正確に見つけられないことも多い。
On the other hand, the calculation of the velocity using the molecular orbital method examines the elementary process assumed in advance based on the energy level, so it is highly likely that an important unexpected elementary process is overlooked, Even if the elementary process can be accurately predicted, it takes time to optimize the structure of the transition state, and the transition state cannot often be found accurately.

このように、従来の反応メカニズムを探索または計算する方法は、正確さや確実さに欠
いたものであった。
As described above, conventional methods for searching or calculating reaction mechanisms lack accuracy and certainty.

このような問題に対して、本発明は、計算機を用いた効率的な反応メカニズムの算出方
法を提供しようとするものである。
With respect to such a problem, the present invention intends to provide an efficient method for calculating a reaction mechanism using a computer.

[発明の概要]
本発明では、計算機により動力学的に原子を移動させることにより化学種の反応を模擬
し、複数回の動力学計算より、化学種の反応過程(生じる可能性のある反応素過程)を推
定することにより反応メカニズムを推定することを可能にしている。又、反応過程はディ
スプレイなどの表示手段に表示することができる。表示内容は反応過程に限らず、反応過
程における反応生成物であってもよい。又、反応過程や反応生成物を光ディスクや磁気記
録媒体に記録することもできる。
[Summary of Invention]
In the present invention, the reaction of the chemical species is simulated by moving the atoms kinetically by a computer, and the reaction process of the chemical species (reactive element process that may occur) is estimated from multiple dynamic calculations. This makes it possible to estimate the reaction mechanism. The reaction process can be displayed on a display means such as a display. The display content is not limited to the reaction process, and may be a reaction product in the reaction process. In addition, the reaction process and reaction product can be recorded on an optical disk or a magnetic recording medium.

<要旨>
本発明の反応メカニズム算出方法は、化学反応を生起する一つ乃至複数の化学種を構成
する原子のそれぞれの動力学的運動をシミュレーションするステップと、一定時間後の系
の状態を複数化にわたって計算するステップと、前記計算結果よりその化学種の反応過程
を推定するステップと、を有することを特徴とするものである。
<Summary>
The reaction mechanism calculation method of the present invention includes a step of simulating the dynamic motion of each atom constituting one or a plurality of chemical species that cause a chemical reaction, and a plurality of states of the system after a certain period of time. And a step of estimating a reaction process of the chemical species from the calculation result.

また、本発明の反応メカニズム算出方法は、コンピュータを動作させるためのプログラ
ムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体において、前記プログラムが、化学反
応を生起する一つ乃至複数の化学種を構成する原子のそれぞれの動力学的運動をシミュレ
ーションする手順と、一定時間後の系の状態を複数回にわたって計算する手順と、前記計
算結果よりその化学種の反応過程を推定する手順と、を有することを特徴とするものであ
る。
Further, the reaction mechanism calculation method of the present invention is a computer-readable recording medium storing a program for operating a computer, wherein the program is used to calculate atoms of one or more chemical species that cause a chemical reaction. A procedure for simulating each dynamic motion, a procedure for calculating the state of the system after a certain period of time a plurality of times, and a procedure for estimating the reaction process of the chemical species from the calculation result, To do.

<効果>
本発明によれば、化学反応における反応過程の推算を容易にし、これにより推定された
反応過程の理解に基づいて、製造工程などにおけるプロセスの最適化を行うことが可能に
なる。
<Effect>
According to the present invention, it is possible to easily estimate a reaction process in a chemical reaction, and to optimize a process in a manufacturing process or the like based on an understanding of the estimated reaction process.

本発明によれば、反応過程の推算を容易にし、反応過程の理解に基づいたプロセスの最
適化を行うことが可能になる。
According to the present invention, it is possible to easily estimate a reaction process and optimize a process based on an understanding of the reaction process.

[発明の具体的説明]
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。なお、全図面にわたり同一構
成要素には同一符号を付してある。
[Detailed Description of the Invention]
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component over all the drawings.

本発明の第一の反応メカニズム算出方法は、一つ乃至複数の化学種が、どのような反応
つまり反応素過程を起こすか、また反応を起こしたときにはどのような遷移状態を経由し
て、どのような反応生成物を形成させるかを推定するためのものである。この反応メカニ
ズム算出方法を図1に示したフローチャートに従って説明すると以下の通りである。
In the first reaction mechanism calculation method of the present invention, what kind of reaction, that is, what kind of reaction is caused by one or more chemical species, and what kind of transition state when the reaction occurs, It is for estimating whether such a reaction product is formed. This reaction mechanism calculation method will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.

本発明で対象とする化学種は任意であり、最も典型的には複数の原子から構成される分
子であるが、単原子分子、イオン、ラジカル、およびその他、どのような化学種であって
もよい。従って、CF 、CF 、CFまたは電子のような化学種を計算に用いる
こともできる。また、光により電子励起された化学種を用いることもできる。最も典型的
には、複数の原子からなる分子について動力学的な手法で反応メカニズムが検討される。
The chemical species of interest in the present invention is arbitrary and most typically is a molecule composed of a plurality of atoms, but any chemical species such as monoatomic molecules, ions, radicals, and others. Good. Therefore, chemical species such as CF 3 + , CF 3 , CF 3 or electrons can also be used in the calculation. In addition, a chemical species electronically excited by light can be used. Most typically, a reaction mechanism is examined by a kinetic method for a molecule composed of a plurality of atoms.

化学種は、一般には複数の原子からなる。本発明では、反応を調べる原料化学種の種類
を入力する。例えば、化学種の名前を入力すれば、データベースから、化学種の3次元座
標を読み込むようにしておく。化学種の安定構造のポテンシャルエネルギは、データベー
スに保存しておいてもよく、読み込んだ構造から分子軌道法などにより逐次算出してもよ
い。エネルギを算出するために用いる分子軌道法としては、半経験的分子軌道法、分子力
学法、ab initio法、密度汎関数法などが挙げられる(例えばExplorin
g Chemisry With Electronics Structure Me
thods, 2nd ed., Ed. James B. Foresman &
Aeleen Frisch, Chap. 1, Computation Mode
ls & Model Chemistries, pp. 3−11を参照)。また、
複数の分子に与える運動エネルギのレベルも入力する(図1の101)。
The chemical species generally consists of a plurality of atoms. In the present invention, the type of a raw material chemical species to be examined for reaction is input. For example, if the name of a chemical species is input, the three-dimensional coordinates of the chemical species are read from the database. The potential energy of the stable structure of the chemical species may be stored in a database, or may be sequentially calculated from the read structure by a molecular orbital method or the like. Examples of molecular orbital methods used for calculating energy include semi-empirical molecular orbital methods, molecular mechanics methods, ab initio methods, and density functional methods (for example, Explorin).
g Chemistry With Electronics Structure Me
thods, 2nd ed. Ed. James B.B. Foresman &
Aeleen Frisch, Chap. 1, Computation Mode
ls & Model Chemistries, pp. 3-11). Also,
The level of kinetic energy given to a plurality of molecules is also input (101 in FIG. 1).

次いで、読み込んだ化学種の結合情報をデータとして保存する。化学種の構造を、読み
込んだ結合を崩さない範囲でランダムに変化させる。また、任意に入力された運動エネル
ギをほぼ満たすように、化学種の各原子に振動速度を与え、化学種に回転速度を与える。
複数の化学種の動力学計算を行うときには、各化学種を適当な間隔をおいて配置させ、ラ
ンダムな方向に配向させる。化学種が相互作用をするような方向に並進速度を与える。並
進エネルギは入力された運動エネルギをほぼ満たすようにする。並進ベクトルは、一般的
に化学種の重心が衝突する方向に向けられるが、この方向とずれていてもかまわない(図
1の102)。
Next, the binding information of the read chemical species is stored as data. The structure of the chemical species is randomly changed as long as the read bonds are not broken. In addition, a vibration speed is given to each atom of the chemical species and a rotational speed is given to the chemical species so as to substantially satisfy the arbitrarily input kinetic energy.
When performing dynamic calculation of a plurality of chemical species, the chemical species are arranged at appropriate intervals and oriented in a random direction. Provides translational speed in the direction in which chemical species interact. The translational energy substantially satisfies the input kinetic energy. The translation vector is generally directed in the direction in which the center of gravity of the chemical species collides, but may be deviated from this direction (102 in FIG. 1).

このようにして決定された化学種の初期構造と各原子の初期速度を初期状態として、動
的反応計算を行う。各原子に働く力を分子軌道法により決定し、その力に応じて、New
ton力学的に各原子を適当な時間ステップで移動させていく。化学種のポテンシャルエ
ネルギと運動エネルギの和を一定に保つように原子を移動させるが、適当な方法で、運動
エネルギをスケーリングすることもできる(図1の103)。
The dynamic reaction calculation is performed using the initial structure of the chemical species thus determined and the initial velocity of each atom as the initial state. The force acting on each atom is determined by the molecular orbital method, and according to the force, New
Ton dynamically moves each atom at an appropriate time step. The atoms are moved so as to keep the sum of the potential energy and kinetic energy of the chemical species constant, but the kinetic energy can be scaled by an appropriate method (103 in FIG. 1).

特に複数の化学種間の反応を計算したい場合には、複数の化学種が衝突する前後におけ
る分子軌道計算を詳細に行うべきである。このとき、イオンなどの電荷を有する化学種で
は電荷により発生するクーロン力、あるいは電場や磁場などの外力による加速なども考慮
に入れる必要があり、メカニズムを算出するためにはより複雑な計算が必要となるのが普
通である。例えば、複数の化学種が衝突する際の分子軌道計算として半経験的分子軌道法
を用い、化学種が衝突する前後では分子力学法を用いることが可能である。この場合には
全体の計算時間を短縮することが可能となる。もちろん、化学種間の反応を全て同一の計
算手法で、例えば半経験的分子軌道法で、行うこともできる。
In particular, when calculating the reaction between a plurality of chemical species, the molecular orbital calculation before and after the collision of the plurality of chemical species should be performed in detail. At this time, it is necessary to take into account the Coulomb force generated by the charge or acceleration by an external force such as an electric field or a magnetic field for chemical species having a charge such as ions, and more complicated calculation is required to calculate the mechanism. It is normal to become. For example, a semi-empirical molecular orbital method can be used as a molecular orbital calculation when a plurality of chemical species collide, and a molecular mechanics method can be used before and after the chemical species collide. In this case, the entire calculation time can be shortened. Of course, all reactions between chemical species can be performed by the same calculation method, for example, by a semi-empirical molecular orbital method.

また、クラスタや、周期境界条件により、固体表面を模擬することにより、表面の反応
素過程を同様の動力学的な手法により調べることも可能である。固体表面を模擬する場合
は、表面を模擬している化学種の並進と回転の自由度は0とする。この設定により表面へ
継続的に原料や反応生成物を衝突させることができ表面反応を模擬することが可能となる
。固体表面を模擬した場合、一部の原子の座標を動的反応計算の際に動かないように固定
してもよい。
In addition, by simulating a solid surface based on clusters and periodic boundary conditions, it is possible to investigate the reactive process on the surface using the same dynamic technique. When simulating a solid surface, the degree of freedom of translation and rotation of the chemical species simulating the surface is zero. By this setting, it is possible to continuously collide the raw material and the reaction product with the surface and to simulate the surface reaction. When simulating a solid surface, the coordinates of some atoms may be fixed so as not to move during dynamic reaction calculation.

さらに、溶媒中の反応を模擬することもできる。この場合には、溶媒効果を考慮したポ
テンシャル、すなわち溶媒和ポテンシャル、を用いて動力学計算を行うことができる。こ
のような手法としては、例えばCOSMO法(Conductor−like Scre
ening Model)が挙げられる(例えばFujitsu MOPAC 93 M
anual, Revision Number 2, by James J. P.
Stewart, 1993 8. 26 COSMO at p217を参照)。あ
るいは、溶媒分子を配置して、溶媒分子までも含めた動力学計算を行ってもよい。
Furthermore, the reaction in a solvent can be simulated. In this case, the kinetic calculation can be performed using the potential in consideration of the solvent effect, that is, the solvation potential. As such a technique, for example, the COSMO method (Conductor-like Score) is used.
ening Model) (for example, Fujitsu MOPAC 93 M).
annual, Revision Number 2, by James J. et al. P.
Stewart, 1993 8. 26 COSMO at p217). Or you may arrange | position a solvent molecule | numerator and may perform the kinetic calculation also including a solvent molecule | numerator.

これらの分子軌道計算により、例えば、ある化学種と別の化学種とを衝突させると、ど
のような変化が化学種に起こるかが計算される。
By these molecular orbital calculations, for example, what kind of change occurs in a chemical species when a certain chemical species collides with another chemical species is calculated.

このような場合、典型的には、衝突後、遷移状態を経て別の化学種となるか、衝突して
も化学種の構造変化が起こらないかのいずれかである。このような構造変化の有無、すな
わち反応が起きたか否か、を判定する。一定時間動力学計算を行った後の化学種の結合情
報を算出して、保存しておいた化学種の結合情報と比較し、結合の変化があれば、反応が
生じたと判定する。結合情報の一例は表1に示すとおりである。

Figure 2005034843
SiHとSiHとが反応する場合を例に取ると、SiHとSiHが離れて存在
している場合には、Si1にH1〜H4が、Si2にH5〜H8が結合している。マトリ
ックス中の1は原子と原子の結合がある場合、0は無い場合を示している。マトリックス
の上三角部分は、下三角部分と同一なので省略してある。 In such a case, typically, after collision, either a different chemical species passes through a transition state, or the structural change of the chemical species does not occur upon collision. The presence or absence of such a structural change, that is, whether or not a reaction has occurred is determined. The bond information of the chemical species after performing the dynamic calculation for a certain time is calculated and compared with the stored bond information of the chemical species. If there is a change in the bond, it is determined that a reaction has occurred. An example of the combined information is as shown in Table 1.
Figure 2005034843
Taking the case where SiH 4 and SiH 4 react as an example, when SiH 4 and SiH 4 exist apart from each other, H1 to H4 are bonded to Si1, and H5 to H8 are bonded to Si2. In the matrix, 1 indicates that there is an atom-to-atom bond and 0 does not exist. The upper triangular part of the matrix is omitted because it is the same as the lower triangular part.

一定時間後の計算の結果、結合が表2のようになったとする。Si1にはH1〜H3お
よびSi2が、Si2にはSi1とH5〜H7が結合している。また、一方でH4とH8
が結合している。すなわち、SiとHが生じている。

Figure 2005034843
このように計算前後の結合マトリックスを比較することにより、反応の有無を判定する
ことができる。結合マトリックスは、分子軌道法により結合次数を計算し、結合次数があ
る値(例えば0.4)より大きければ結合があると判断して、作成する。結合があると判
断する次数は原子の種類によって変化させてもよい。 As a result of calculation after a certain time, it is assumed that the binding is as shown in Table 2. H1 to H3 and Si2 are bonded to Si1, and Si1 and H5 to H7 are bonded to Si2. On the other hand, H4 and H8
Are joined. That is, Si 2 H 6 and H 2 are generated.
Figure 2005034843
Thus, the presence or absence of reaction can be determined by comparing the binding matrices before and after the calculation. The bond matrix is created by calculating the bond order by the molecular orbital method, and determining that there is a bond if the bond order is larger than a certain value (for example, 0.4). The order in which it is determined that there is a bond may be changed depending on the type of atom.

また、2つの原子の距離が、それぞれの原子の原子半径の和に一定の値を乗じた値(例え
ば1.5)より小さければ結合があると判断して作成してもよい。
Further, if the distance between two atoms is smaller than a value (for example, 1.5) obtained by multiplying the sum of the atomic radii of each atom by a certain value, it may be determined that there is a bond.

反応の有無の判定は、結合情報のみでなく、化学種のポテンシャルエネルギや、運動エ
ネルギの変化により判定してもよい。例えばSiHとSiHが衝突する場合、SiH
分子の並進エネルギは、単なる衝突で反射するだけの場合は、衝突の際に並進エネルギ
が減少し、衝突の後は、振動や回転の運動エネルギ、もしくは衝突した相手のSiH
子の並進エネルギとエネルギ交換して、多少のエネルギレベルの変化はあるものの、衝突
前の並進エネルギとほぼ同等レベルの並進エネルギをもつ。ところが、反応が生じる場合
には、他のSiH分子と結合したり、他のSiH分子の構成原子と新たな分子を形成
したりするために、衝突前のSiHを構成している原子を基準とした並進エネルギは衝
突後には大きく変化する。このような並進エネルギが極小または0に近くなる点は、反応
の遷移状態に近い構造をとっている可能性が高い。遷移状態の構造最適化を行わせる場合
に、この時点の構造を遷移状態の構造最適化の初期構造として採用することもできる。
The presence / absence of reaction may be determined not only by binding information but also by changes in potential energy of chemical species and kinetic energy. For example, when SiH 4 and SiH 4 collide,
Translation energy of 4 molecules, in the case of simply reflected simply crash, translation energy is reduced upon impact, after the collision, vibrations and rotational kinetic energy or translational energy of the SiH 4 molecules collided partner, The energy is exchanged with each other, and although there is a slight change in the energy level, it has a translational energy almost equal to the translational energy before the collision. However, when the reaction occurs, or combined with other SiH 4 molecules, to or forming a constituent atom and new molecules other SiH 4 molecules constitute a SiH 4 before collision atoms The translational energy with reference to changes greatly after a collision. Such a point where the translational energy is minimal or close to 0 is likely to have a structure close to the transition state of the reaction. When the transition state structure optimization is performed, the structure at this point can be adopted as the initial structure of the transition state structure optimization.

衝突後、別の化学種となる場合、これをその系における反応素過程の一つとして挙げる
ことができる。衝突後に生じる別の化学種は反応生成物として同定される。同定された化
学種の安定構造は、例えば分子軌道法により計算することができる。化学種の初期状態や
、衝突における条件などを変化させると、動力学的に求められる反応素過程も変化するた
め、全体として反応素過程は何通りもある場合が普通である。このような反応素過程や反
応の起こった場合の反応生成物の構造は、逐一記録媒体に保存され、またディスプレイな
どの表示手段に表示することもできる。記録情報の表示は、例えば適当に設計されたユー
ザーインターフェースにより行うことができる。反応が起きる場合には、この反応生成物
を入力化学種に指定することにより、反応生成物同士の反応や反応生成物と原料との反応
の計算を行うこともできる。
If it becomes another chemical species after collision, it can be cited as one of the reactant processes in the system. Another species that occurs after the collision is identified as a reaction product. The stable structure of the identified chemical species can be calculated, for example, by the molecular orbital method. When the initial state of chemical species, the conditions in collision, etc. are changed, the reactive element process required dynamically is also changed. Therefore, there are usually many kinds of reactive element processes as a whole. The reaction element structure and the structure of the reaction product when the reaction occurs can be stored in a recording medium one by one, and can also be displayed on a display means such as a display. The display of the record information can be performed by, for example, an appropriately designed user interface. When a reaction occurs, by designating this reaction product as an input chemical species, the reaction between the reaction products and the reaction between the reaction product and the raw material can be calculated.

したがって、反応メカニズムを明らかにするためには、これらの反応素過程をすべて明
らかにすることが重要である。このために、初期条件を変えて、繰り返し動力学計算を行
うことが好ましい。より好ましくは、統計学に基づいて処理することにより、一定の結論
が導ける程度の回数の計算を行う。すなわち、本発明の第1の反応メカニズム算出方法は
、動力学計算を特定回数繰り返すことで完結する。また、初期条件も重要であり、特定の
初期条件として、例えば化学種の並進、回転、または振動エネルギ、を温度の関数として
与えることが好ましい。このとき、温度に応じた各種のエネルギは熱力学に基づいて決定
することが好ましい。
Therefore, in order to clarify the reaction mechanism, it is important to clarify all these reactant processes. For this purpose, it is preferable to perform dynamic calculation repeatedly by changing the initial conditions. More preferably, the number of times that a certain conclusion can be derived is calculated by processing based on statistics. That is, the first reaction mechanism calculation method of the present invention is completed by repeating the kinetic calculation a specific number of times. The initial conditions are also important, and it is preferable to provide the specific initial conditions, for example, translation, rotation, or vibrational energy of the chemical species as a function of temperature. At this time, it is preferable to determine various energies according to temperature based on thermodynamics.

また、初期の化学種は、最も簡単には反応メカニズムを解明しようとする反応系の原料
が挙げられるが、前記した方法により推定される生成物も、動力学計算の際の初期化学種
として扱うことができる。生成物を初期化学種として扱うことは、実際の複雑な反応メカ
ニズムを明らかにするのに重要である。
In addition, the initial chemical species are the raw materials of the reaction system that is most easily clarified, but the product estimated by the above method is also treated as the initial chemical species in the kinetic calculation. be able to. Treating the product as an initial species is important to reveal the actual complex reaction mechanism.

このような反応過程を算出した結果は、適当な表示手段により表示されるか、適当な記
録手段により記録媒体に記録され、利用される。表示手段や記録手段は特に限定されない
が、一般に各種ディスプレイに表示したり、適当な支持体に印刷したり、光ディスクや磁
気記録媒体に記録される。
The result of calculating such a reaction process is displayed by an appropriate display means or recorded on a recording medium by an appropriate recording means and used. Although the display means and the recording means are not particularly limited, they are generally displayed on various displays, printed on an appropriate support, or recorded on an optical disk or magnetic recording medium.

本発明である反応メカニズム算出方法の別の態様を図2に従って説明すると以下の通り
である。
Another embodiment of the reaction mechanism calculation method according to the present invention is described below with reference to FIG.

あらかじめ設定した回数、ここではn回の動力学計算を行うところまでは前述の方法と
同様である。n回の動力学計算のうち、反応が生じた回数が、特定の回数、例えばL回だ
けであったとする。L回より反応が生じた回数が少ない場合は、初期条件で与える運動エ
ネルギが小さいので、運動エネルギを△T1増加させ、再度所定の回数動力学計算を行わ
せる。図6に破線で示された反応確率を参照して温度を適当に設定することにより、運動
エネルギが増加し、反応確率が高くなる。また、特定の回数、例えばm回より多くの反応
が生じた場合、運動エネルギが大きすぎて反応が多く起こりすぎてしまい、素反応の評価
が困難となる。この場合には運動エネルギを△T2低減させることにより運動エネルギを
低減させ、再度所定の回数だけ動力学計算を行わせる。このようにすることにより、適切
な運動エネルギを持たせて反応解析を行うことができる。
The method is the same as that described above until a predetermined number of times, in this case, n times of dynamic calculations are performed. It is assumed that the number of times that the reaction has occurred in n dynamic calculations is only a specific number of times, for example, L times. When the number of times of reaction occurs less than L times, the kinetic energy given in the initial condition is small. Therefore, the kinetic energy is increased by ΔT1, and the dynamic calculation is performed a predetermined number of times again. By appropriately setting the temperature with reference to the reaction probability indicated by the broken line in FIG. 6, the kinetic energy is increased and the reaction probability is increased. In addition, when the reaction occurs more than a specific number of times, for example, m times, the kinetic energy is too large and the reaction occurs too much, making it difficult to evaluate the elementary reaction. In this case, the kinetic energy is reduced by reducing the kinetic energy by ΔT2, and the dynamic calculation is performed again a predetermined number of times. In this way, reaction analysis can be performed with appropriate kinetic energy.

反応素過程データや、計算過程データの情報を用いることにより、生成物や、遷移状態
の構造最適化が可能となる。反応素過程データからは、どのような生成物が生じたかの情
報が得られるため、得られた生成物の構造を初期構造として、安定構造とポテンシャルエ
ネルギを得ることができる。遷移状態を求めるためには、原料と生成物の構造から遷移状
態の構造を推定して構造最適化の初期構造としてもよく、また、計算過程データより、反
応の遷移状態に近い構造を抽出して、遷移状態の構造最適化の初期構造に用いることも可
能である。反応速度を算出するため場合は、ab initio法や、密度汎関数法のよ
うに、活性化エネルギや、
反応熱が実験値とよい一致を示すといわれている方法を用いることが望ましい。
By using the information of the reactive element process data and the calculation process data, the structure of the product and the transition state can be optimized. Since the information on what kind of product is generated is obtained from the reactant process data, a stable structure and potential energy can be obtained using the structure of the obtained product as an initial structure. In order to obtain the transition state, the structure of the transition state may be estimated from the structure of the raw material and the product, and it may be used as the initial structure of the structure optimization. Also, the structure close to the transition state of the reaction is extracted from the calculation process data. Thus, it can be used for the initial structure of the structure optimization of the transition state. In order to calculate the reaction rate, activation energy, such as ab initio method or density functional method,
It is desirable to use a method that is said to have a good agreement between the heat of reaction and the experimental value.

反応速度k、例えば原料AとBとが反応する場合の反応速度k、は遷移状態分配関数を
、AおよびBの分配関数をQおよびQ、活性化エネルギをE、ボルツマン定数
をk、プランク定数をh、気体定数をR、絶対温度をT、ガスの体積をV、また、並進
、回転、および振動に対する項をそれぞれtrans、rot、およびvib、とすると
以下のように示される。

Figure 2005034843
単分子分解の場合には、反応速度定数に圧力依存性が現れるので、RRKM(Rice
−Ramsperger−Kassel−Marcus)モデル(例えばChemica
l Kinetics, 3rd Ed. by Keith J.Laidler,
Harper Collinsm 1987, Sect. 5.3.5 at p16
4を参照)などに基づいた、圧力依存を考慮した反応速度式とするべきである。 The reaction rate k, for example, the reaction rate k when raw materials A and B react, is Q * for the transition state partition function, Q A and Q B for the partition function of A and B , E 0 for the activation energy, and Boltzmann constant Where k B , Planck's constant is h, gas constant is R, absolute temperature is T, gas volume is V, and terms for translation, rotation, and vibration are trans, rot, and vib, respectively, as follows: Indicated.
Figure 2005034843
In the case of monomolecular decomposition, pressure dependence appears in the reaction rate constant, so RRKM (Rice
-Ramsperger-Kassel-Marcus) model (eg Chemica)
l Kinetics, 3rd Ed. by Keith J.M. Laidler,
Harper Collinsm 1987, Sect. 5.3.5 at p16
The reaction rate formula should be based on the pressure dependence and the like.

同様の方法で、生成物を自動的に初期化学種に指定して、原料や、生成物同士の反応を
指定した回数だけ計算を行わせることもできる。この場合には、生成物が複数ある場合に
は、複数の生成物の中で原子数の大きい分子を選んだりすることができる。また、原料と
する化学種は、同一のものであってもよく、また複数の原料から適当な確率でランダムに
選定してもよい。
In the same manner, the product can be automatically designated as the initial chemical species, and the calculation can be performed as many times as the number of times specified for the reaction between the raw material and the product. In this case, when there are a plurality of products, a molecule having a large number of atoms can be selected from the plurality of products. Moreover, the chemical species used as the raw material may be the same, or may be selected randomly from a plurality of raw materials with an appropriate probability.

一方、特定の物質を既知の原料から合成しようとする場合、合成方法が未知の場合があ
る。本発明の第二の反応メカニズム算出方法は、このような場合に所与の原料から目的と
する化学種を得るための反応過程を明らかにするものである。
On the other hand, when a specific substance is to be synthesized from known raw materials, the synthesis method may be unknown. The second reaction mechanism calculation method of the present invention clarifies a reaction process for obtaining a target chemical species from a given raw material in such a case.

この反応メカニズム算出方法を図3に従って説明すると以下の通りである。 This reaction mechanism calculation method will be described with reference to FIG.

まず、目的化学種と、その原料となる化学種の群(例えば、A、B、C…)、必要に応
じて反応経路数kを入力する(図3の301および302)。
First, a target chemical species, a group of chemical species as a raw material (for example, A, B, C...), And a reaction path number k are input as necessary (301 and 302 in FIG. 3).

原料化学種の群からランダムに選択された化学種について、前記した反応メカニズム算
出方法と同様に、各原子の変位、配向、ならびに並進、振動、および回転速度を決定し、
動力学計算を行う(図3の303)。計算の結果、ディスプレィなどを通じて反応の可能
性が認められれば、それを反応素過程として記録する(図3の310)と共に、反応生成
物を原料となる化学種として追加する(図3の308)。なお、これらの反応素過程また
は反応生成物のデータは、本発明の方法によって求められたもののほかに、既知のものを
あらかじめ記録しておいてもよい。また、反応生成物がどのように反応するかを反応デー
タベースを検索して調べ、その生成物を追加してもよい。
For the chemical species randomly selected from the group of the raw material chemical species, as in the reaction mechanism calculation method described above, the displacement, orientation, and translation, vibration, and rotation speed of each atom are determined.
Dynamic calculation is performed (303 in FIG. 3). As a result of the calculation, if the possibility of reaction is recognized through a display or the like, it is recorded as an elementary process (310 in FIG. 3), and a reaction product is added as a chemical species as a raw material (308 in FIG. 3). . In addition to the data obtained by the method of the present invention, known data may be recorded in advance for the data of these reactant processes or reaction products. Further, how the reaction product reacts may be searched by searching a reaction database, and the product may be added.

一方、反応生成物が生じる場合は、反応生成物が目的化学種と一致するかどうか判定し
(図3の305)、一致したときは記録されている反応データを用いて原料にいたるまで
遡って反応経路を決定する(図3の311)。
On the other hand, if a reaction product is generated, it is determined whether or not the reaction product matches the target chemical species (305 in FIG. 3), and if they match, the recorded reaction data is used to go back to the raw material. The reaction route is determined (311 in FIG. 3).

このような計算を経路数がkになるまで繰り返すことにより、所望の数の合成経路を算
出することができる。
By repeating such calculation until the number of paths reaches k, a desired number of combined paths can be calculated.

また、実際のプロセスにより、どのような反応生成物が、どのような割合で生成するか
を検討する場合には、プロセス条件の原料濃度、温度、圧力、およびその他の条件から、
動力学計算の初期条件を決定することもできる。例えば、原料ガスの濃度比が2:1であ
るならば、A+A、A+B、およびB+Bの各組み合わせの計算回数を、各組み合わせの
衝突発生確率に応じて、4/9、4/9、および1/9の割合で行う。逆に、等しい割合
で反応計算を行った後に、衝突の確率に応じて反応生成物の濃度を推定することもできる
。例えば、A+A、A+B、およびB+Bの各組み合わせの計算を同等に行った後、B+
Bにより生成する反応生成物の発生割合を1/4とすればよい。
In addition, when examining what kind of reaction product is produced at what ratio by the actual process, from the raw material concentration of process conditions, temperature, pressure, and other conditions,
It is also possible to determine initial conditions for dynamic calculations. For example, if the concentration ratio of the source gases is 2: 1, the number of calculations for each combination of A + A, A + B, and B + B is 4/9, 4/9, and 1 depending on the collision occurrence probability of each combination. / 9. Conversely, the concentration of the reaction product can be estimated according to the probability of collision after performing the reaction calculation at an equal rate. For example, after calculating each combination of A + A, A + B, and B + B equally, B +
What is necessary is just to make the generation | occurrence | production ratio of the reaction product produced | generated by B 1/4.

また、運動エネルギもプロセス温度のマックスウェル分布に従い、サンプリングするこ
ともできる。後述するように、運動エネルギの大きい条件で反応計算を行った方が効率よ
く反応過程を見出すことができるので、検討されるエネルギのマックスウェル分布の中で
の存在割合から、プロセス温度における反応割合に換算することもできる。
The kinetic energy can also be sampled according to the Maxwell distribution of process temperature. As will be described later, since the reaction process can be found more efficiently when the reaction calculation is performed under the condition of large kinetic energy, the reaction rate at the process temperature is determined from the existing rate in the Maxwell distribution of energy to be studied. Can also be converted to

また、プロセス圧力に従って、原料およびキャリアの分子を発生させて動力学計算を行
うこともできる。例えば、一辺が100オングストロームの立方体の中に、プロセス条件
に従って化学種を発生させ、周期境界条件のもとで、発生させた分子を動力学的に運動さ
せ、どのような反応が生じるかを検討することができる。ここで圧力が低い場合には三体
衝突の確率が低いため、任意の2つの化学種の組み合わせについて動力学計算を行う方が
効率がよい。
It is also possible to perform dynamic calculations by generating raw material and carrier molecules according to the process pressure. For example, in a cube with a side of 100 angstroms, chemical species are generated according to process conditions, and the generated molecules are dynamically moved under periodic boundary conditions to examine what kind of reaction occurs. can do. Here, when the pressure is low, the probability of a three-body collision is low, so that it is more efficient to perform the dynamic calculation for a combination of any two chemical species.

本発明の反応メカニズム算出方法は、任意の記録媒体に記録することができる。具体的
な記録媒体は、フロッピーディスク(R)、CD−ROM、MD(Mini Disk)
、MO(Magneto−Optical disk)、PD(Phase−chang
e Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)、およびそ
の他が挙げられる。本発明の反応メカニズム算出方法
を記憶し実行するために半導体チップを用いてもよい。
The reaction mechanism calculation method of the present invention can be recorded on any recording medium. Specific recording media are floppy disk (R), CD-ROM, MD (Mini Disk).
, MO (Magneto-Optical disk), PD (Phase-chang)
e Disk), DVD (Digital Versatile Disk), and others. A semiconductor chip may be used to store and execute the reaction mechanism calculation method of the present invention.

図8は、上述した反応メカニズム算出手段を具備したシミュレーション装置をハードウ
ェアで実現したシミュレーション装置の概観を例示する鳥瞰図である。
FIG. 8 is a bird's-eye view illustrating an overview of a simulation apparatus in which the simulation apparatus including the reaction mechanism calculation unit described above is realized by hardware.

このシミュレーション装置801の本体は、反応メカニズム算出手段を内蔵し、更に、フ
ロッピーディスク(R)の装置(フロッピーディスク(R)のドライブ)802及び光デ
ィスク装置(光ディスクドライブ)803を具備している。フロッピーディスク(R)の
ドライブ802に対してはフロッピーディスク(R)804を、また光ディスクドライブ
803に対してはCD−ROM805をその挿入口から挿入し、所定の読み出し操作を行
うことにより、これらの記録媒体に格納されたプログラムをシステム内にインストールす
ることができる。また、所定のドライブ装置を接続することにより、例えばゲームパック
等に利用されているメモリ装置としてのROM806や、磁気テープ装置としてのカセッ
トテープ807を用いることもできる。
The main body of the simulation apparatus 801 includes a reaction mechanism calculation means, and further includes a floppy disk (R) apparatus (floppy disk (R) drive) 802 and an optical disk apparatus (optical disk drive) 803. A floppy disk (R) 804 is inserted into the floppy disk (R) drive 802 and a CD-ROM 805 is inserted into the optical disk drive 803 from the insertion slot, and these are read out. A program stored in a recording medium can be installed in the system. Further, by connecting a predetermined drive device, for example, a ROM 806 as a memory device used for a game pack or the like, or a cassette tape 807 as a magnetic tape device can be used.

ランダムな回転、振動モードを初期状態として分子に与え、ランダムな方向をむけた分
子を動力学的に動かすことにより、実際の反応に近い状態を計算機内で模擬することが可
能になる。このような計算を複数回、好ましくは統計論に基づいて結論が導かれるだけの
回数、の動力学計算をおこなうことにより、反応素過程として生じるものを選び出すこと
が可能になる。
By giving a random rotation and vibration mode to the molecule as an initial state and moving the molecule in a random direction dynamically, it is possible to simulate a state close to an actual reaction in a computer. By performing such a calculation a plurality of times, preferably the number of times that a conclusion is derived based on statistical theory, it is possible to select what occurs as a reaction process.

分子内の原子iの質量、座標、および速度が、それぞれm、x、およびvである
とする。ここでxおよびvはベクトルである。また、分子の並進、回転、および振動
の自由度をそれぞれνtrans、νrot、およびνvibとする。このとき、分子の
並進、回転、および振動に相当する温度Ttran、Trot、およびTvibは、k
をボルツマン定数とすると下式で表される。

Figure 2005034843
分子の安定構造のエネルギをE、安定構造からある構造へ変位したときのエネルギを
E’とする。ポテンシャルエネルギと振動エネルギとの和は一定であるので、ポテンシャ
ルエネルギと振動エネルギとの保存を考慮した振動温度Tvib’は下式の通りとなる。
Figure 2005034843
目的とする温度に相当する、並進、回転、および振動のエネルギを、分子構造の平衡状
態からの変位と、原子の速度であたえ、各原子に作用する力を分子軌道法により求め、そ
の力に従って、原子をニュートン力学的に動かす操作を行う。 Mass of atoms i in the molecule, coordinates, and velocity, respectively m i, assumed to be x i, and v i. Here, x i and v i are vectors. Also, let ν trans , ν rot , and ν vib be the degrees of freedom of translation, rotation, and vibration of the molecule, respectively. At this time, the temperatures T tran , T rot , and T vib corresponding to the translation, rotation, and vibration of the molecule are k B
If Boltzmann's constant is used, it is expressed by the following equation.
Figure 2005034843
The energy of the stable structure of the molecule is E 0 , and the energy when displaced from the stable structure to a certain structure is E ′. Since the sum of the potential energy and the vibration energy is constant, the vibration temperature T vib ′ considering the preservation of the potential energy and the vibration energy is expressed by the following equation.
Figure 2005034843
The translational, rotational, and vibrational energy corresponding to the target temperature is given by the displacement from the equilibrium state of the molecular structure and the velocity of the atoms, and the force acting on each atom is determined by the molecular orbital method. , Do the operation to move the atom Newton mechanically.

このような操作を行った場合の、2個のSiH分子を衝突する方向に並進の速度を与
えた場合の計算結果の例は図4および図5に示す通りである。
An example of the calculation result when the translation speed is given in the direction in which two SiH 4 molecules collide when such an operation is performed is as shown in FIGS.

図1に示した例では単に衝突して離れていくだけである(すなわち、分子間の反応は起
こらない)。まず、初期の各SiH分子は、各原子がそれぞれのエネルギをもった状態
で接近し、遷移状態に近い状態となる。ここで、各原子のエネルギから次の状態が決定さ
れるが、図4の場合においては、反応するに至らず、もとの分子として離れていく。
In the example shown in FIG. 1, they simply collide and move away (that is, no intermolecular reaction takes place). First, each initial SiH 4 molecule approaches in a state in which each atom has its own energy, and becomes a state close to a transition state. Here, the next state is determined from the energy of each atom, but in the case of FIG. 4, it does not react and leaves as the original molecule.

これに対して図5に示した例では、2分子が衝突して遷移状態に近い状態となる。その
状態での各原子のエネルギから計算したところ、次の段階でSiとHが生成して
おり、2分子が反応していることがわかる。このとき動力学計算の計算時間は、初期構造
(SiH)の2分子の間隔と並進速度とにより算出される衝突に要する時間より長くと
ってある。
On the other hand, in the example shown in FIG. 5, two molecules collide and become a state close to a transition state. As calculated from the energy of each atom in this state, it can be seen that Si 2 H 6 and H 2 are generated at the next stage, and two molecules are reacted. At this time, the calculation time of the dynamic calculation is longer than the time required for the collision calculated by the distance between the two molecules of the initial structure (SiH 4 ) and the translation speed.

この例では半経験的分子軌道法であるPM3法を用いて各原子に働く力を求めたが、原
子に働く力は、分子力学法や、ab initio法、密度汎関数法などの他の理論より
求めてることもできる。
In this example, the force acting on each atom was obtained by using the PM3 method which is a semi-empirical molecular orbital method. You can ask more.

また、衝突させる方向はランダムに選ぶことが可能であり、並進、回転、または振動の
温度もランダムに選ぶことが可能である。また、衝突する方向は対向していなくてもよく
、衝突させる分子は2個より多くてもかまわない。2個以上の分子を衝突させる場合には
分子軌道法を用いることが好ましく、分子力学法を用いる場合には計算に必要なパラメー
タとして適当なものを選択する必要がある。
Further, the direction of collision can be selected at random, and the temperature of translation, rotation, or vibration can also be selected at random. Further, the collision directions do not have to be opposed to each other, and the number of colliding molecules may be more than two. When two or more molecules collide, the molecular orbital method is preferably used, and when the molecular mechanics method is used, it is necessary to select an appropriate parameter necessary for the calculation.

また1個の分子だけの反応、例えば分解反応、を上記と同様の手法で計算することもで
きる。
A reaction of only one molecule, for example, a decomposition reaction, can also be calculated by the same method as described above.

このような操作を複数、好ましくは統計的処理により結論が導くことができる程度の回
数、繰り返すことにより例えば特定の分子の反応により、どのような化学種が、どのよう
な化学反応により生成されるかを推定することが可能になる。
By repeating such operations a plurality of times, preferably a number of times that a conclusion can be drawn by statistical processing, what kind of chemical species are generated by what kind of chemical reaction, for example, by reaction of a specific molecule It becomes possible to estimate.

また、このような方法により推定される生成物と原料の分子、もしくは生成物同士をさ
らに同様の手法で計算することにより、さらに詳しい反応メカニズムを調べることも可能
になる。
It is also possible to investigate a more detailed reaction mechanism by further calculating the product and raw material molecules estimated by such a method, or the products by a similar method.

図5の反応の遷移状態に近い構造を、通常の分子軌道法による遷移状態構造最適化の初
期構造とすることにより、遷移状態を求めることができる。遷移状態の構造最適化を行う
ことにより、原料系と、遷移状態の分配関数と、エネルギ差とを求め、絶対反応速度論よ
り反応速度を求めることが可能になる。
The transition state can be obtained by setting the structure close to the transition state of the reaction in FIG. 5 as an initial structure for transition state structure optimization by a normal molecular orbital method. By optimizing the structure of the transition state, it is possible to obtain the raw material system, the partition function of the transition state, and the energy difference, and to obtain the reaction rate from the absolute reaction kinetics.

動力学の計算過程は、適当なサンプリング間隔で保存しておくことが可能であるが、多
数の計算結果のすべてを保存することは、計算数が多くなるに従い、困難となる場合があ
る。そのような場合は、動力学計算の初期条件と計算時間内での最終構造だけを保存する
ことにより、どのような反応が生じたかを調べることが可能である。
The calculation process of dynamics can be stored at an appropriate sampling interval, but it may be difficult to store all of a large number of calculation results as the number of calculations increases. In such a case, it is possible to investigate what kind of reaction has occurred by storing only the initial condition of the dynamic calculation and the final structure within the calculation time.

また、初期の分子構造と異なる最終構造を持つもののみを抽出して、そのデータのみを
保存することも可能である。また、初期の分子構造と異なる最終構造を持つと判断された
データの遷移状態、またはそれに近い構造と、最終構造のみを保存してもよい。
It is also possible to extract only those having a final structure different from the initial molecular structure and save only the data. Further, only the transition state of data determined to have a final structure different from the initial molecular structure, or a structure close thereto, and the final structure may be stored.

反応が生じたかどうかの判定は、初期構造の結合を示すパラメータ、例えば、距離、角
度、ボンドオーダ情報、およびその他、と最終構造が異なっているかを調べることにより
行うことが可能である。
The determination of whether or not a reaction has occurred can be made by examining whether the final structure is different from parameters indicating the bonding of the initial structure, such as distance, angle, bond order information, and others.

気体分子のエネルギ分布は一般の熱エネルギの場合、図6に示すようなボルツマン分布
(実線で示す)をしている。
In the case of general thermal energy, the energy distribution of gas molecules has a Boltzmann distribution (shown by a solid line) as shown in FIG.

例えば1000Kの平均エネルギを持つ分子集団の中には、固有エネルギが異なる分子
が含まれている。中には数千度のエネルギを持つ分子が存在し、このような高いエネルギ
を持つものの反応性が高い。
For example, molecules having an average energy of 1000K include molecules having different intrinsic energies. Some molecules have energy of several thousand degrees, and those having such high energy are highly reactive.

図6に示すような反応確率(破線で示す)をもつような反応の場合、反応確率とボルツ
マン分布との積の積分値が、その温度におけるその分子の反応性を示す。動力学的に反応
させる場合には、ボルツマン分布の高エネルギに相当する温度である分子に着目し、反応
シュミレーションを行わせることにより、効率的に反応を調べることが可能になる。
In the case of a reaction having a reaction probability as shown in FIG. 6 (shown by a broken line), the integral value of the product of the reaction probability and the Boltzmann distribution indicates the reactivity of the molecule at that temperature. When reacting kinetically, it is possible to investigate the reaction efficiently by focusing on the molecule at a temperature corresponding to the high energy of the Boltzmann distribution and performing reaction simulation.

このようなエネルギの差による反応確率の変化は、本発明の反応メカニズム算出方法に
よっても確認することができる。
Such a change in the reaction probability due to the energy difference can also be confirmed by the reaction mechanism calculation method of the present invention.

例えば2分子のSiHを衝突させた場合の計算を500回行ったとき、初期の分子に
与えたエネルギが大きくなると反応回数も多くなる。この結果を図に示したものが図7で
ある。
For example, when calculation is performed 500 times when two molecules of SiH 4 collide, the number of reactions increases as the energy applied to the initial molecule increases. FIG. 7 shows the result.

動力学的に反応させた温度におけるボルツマン分布に従った分子の割合と、反応確率と
により反応速度を推定することが可能である。
The reaction rate can be estimated from the proportion of molecules according to the Boltzmann distribution at the kinetic reaction temperature and the reaction probability.

動力学計算時に与える温度は複数の分子で異なっていてもよく、回転、振動、および並
進の各エネルギで異なっていてもよい。
The temperature applied at the time of dynamic calculation may be different for a plurality of molecules, and may be different for each energy of rotation, vibration, and translation.

具体的には、窒化ケイ素膜のCVD法(例えば熱CVD法)による成膜には、原料ガス
として、SiHClとNHとが用いられている。この原料ガスを使用すると、反応
性生成物として、NHClが発生し、ウェハ上のパーティクルの一因となると考えられ
ており、デバイスの歩留まり低下の要因となっている。本発明の方法によりSiHCl
とNHとの気相反応過程を調べたところ、以下の通りの反応が起こることがわかった
Specifically, SiH 2 Cl 2 and NH 3 are used as raw material gases for forming a silicon nitride film by a CVD method (for example, a thermal CVD method). When this raw material gas is used, NH 4 Cl is generated as a reactive product, which is considered to contribute to particles on the wafer, which is a cause of device yield reduction. SiH 2 Cl by the method of the present invention
When the gas phase reaction process between 2 and NH 3 was examined, it was found that the following reaction occurred.

SiHCl+NH → HNSiHCl+HCl
NSiHCl+NH → HNSiHNH+HCl
NSiHCl+SiHCl → HClSiNHSiHCl+HCl
2HNSiHCl → HNSiH+HNSiHCl
・・・(以下略)
これらの反応で、生じるものの中からHNSiHNHなどのClガスを含まない
ガスを原料ガスとして用いることにより、NHClの発生しない窒化ケイ素膜の成膜が
可能であった。このように、CVD反応機構を本発明の方法でシュミレーションし、成膜
種を調べ、望ましい成膜特性を得ることのできる成膜種を直接供給することにより、プロ
セスの大幅な改善をすることが可能となる。
SiH 2 Cl 2 + NH 3 → H 2 NSiH 2 Cl + HCl
H 2 NSiH 2 Cl 2 + NH 3 → H 2 NSiH 2 NH 2 + HCl
H 2 NSiH 2 Cl + SiH 2 Cl 2 → H 2 ClSiNHSiH 2 Cl + HCl
2H 2 NSiH 2 Cl → H 2 NSiH 3 + H 2 NSiHCl 2
... (Omitted)
By using a gas containing no Cl gas, such as H 2 NSiH 2 NH 2, as a source gas among those generated by these reactions, it was possible to form a silicon nitride film that does not generate NH 4 Cl. As described above, the CVD reaction mechanism is simulated by the method of the present invention, the film formation species is examined, and the film formation species capable of obtaining the desired film formation characteristics are directly supplied to greatly improve the process. It becomes possible.

これらの素過程をab initio法を用いた構造最適化から、反応の活性化エネル
ギと頻度因子を算出し、装置内の成膜シュミレーションを行い、原料ガス流量、圧力、ま
たは温度などの成膜条件の最適化などを行うことが可能である。一般には装置内のガス流
れ、温度、および圧力を数値解析法などによって解析し、算出された反応速度式に従って
物質収支をとることにより、装置内の濃度分布を算出し、成膜速度などの成膜特性を算出
する。
From the structural optimization of these elementary processes using the ab initio method, the activation energy and frequency factor of the reaction are calculated, the film formation simulation in the apparatus is performed, and the film formation conditions such as the raw material gas flow rate, pressure, or temperature Can be optimized. In general, the gas flow, temperature, and pressure in the system are analyzed by numerical analysis methods, etc., and the mass balance is calculated according to the calculated reaction rate equation to calculate the concentration distribution in the system, and the film formation rate and other components are achieved. Calculate membrane properties.

また、本発明の第2の反応メカニズム算出方法により原料から目的化学種への合成経路
を見出す場合の具体的な例を示すと以下の通りである。
A specific example of finding the synthesis route from the raw material to the target chemical species by the second reaction mechanism calculation method of the present invention is as follows.

目的化学種として、SiH(NHを合成する経路を見出す場合を考える。まず
、原料として、SiH、SiHCl、SiHCl、SiCl、およびNH
原料化学種の群にリストアップしておく。本発明の方法に従い、リストの中からランダム
に反応させる化学種を選択し、動力学計算を行う。
Consider the case of finding a route for synthesizing SiH 2 (NH 2 ) 2 as the target chemical species. First, SiH 4 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , and NH 3 are listed as raw materials in a group of raw material chemical species. According to the method of the present invention, a chemical species to be reacted at random is selected from the list, and kinetic calculation is performed.

SiHClとNHとを選択して、これらが衝突する場合の動力学的反応計算から
SiHClNHが生じるので、これを初期の化学種の群に追加する。このとき、Si
ClとNHとからSiHClNHが生成することを情報として蓄積しておく
。繰り返し計算を行う過程で、SiHClNHとNHとからSiH(NH
が生成する。このSiH(NHを初期の化学種の群に追加するとともに、合成経
路も情報として蓄積する。このSiH(NHは目的化学種であるので、その合成
経路を、反応素過程の原料が初期の化学種のリストの中のものに一致するまで遡らせて出
力する。
Select SiH 2 Cl 2 and NH 3 and add them to the initial species group as SiH 2 ClNH 2 results from kinetic reaction calculations when they collide. At this time, Si
Information that SiH 2 ClNH 2 is generated from H 2 Cl 2 and NH 3 is stored as information. In the course of the repeated calculations, SiH from SiH 2 ClNH 2 and NH 3 Metropolitan 2 (NH 2) 2
Is generated. This SiH 2 (NH 2 ) 2 is added to the initial group of chemical species, and the synthesis route is also stored as information. Since this SiH 2 (NH 2 ) 2 is the target chemical species, its synthesis route is output retroactively until the raw material of the reactant process matches that in the initial chemical species list.

SiH(NH ← SiHClNH+NH
SiHClNH ← SiHCl+NH
SiHClとNHは、初期の原料化学種の群に含まれるので、この段階で出力は
終了し、合成経路が決定される。
SiH 2 (NH 2 ) 2 ← SiH 2 ClNH 2 + NH 3
SiH 2 ClNH 2 ← SiH 2 Cl 2 + NH 3
Since SiH 2 Cl 2 and NH 3 are included in the group of the initial raw material chemical species, the output ends at this stage, and the synthesis route is determined.

この反応メカニズム算出方法において、反応素過程は、計算で求められるもののほかに
、既知の反応をあらかじめ登録しておいて、それを用いることもできる。このとき、登録
されている既知の反応により得られる反応生成物は、自動的に追加の原料化学種としても
よい。
In this reaction mechanism calculation method, the reaction process can be used by previously registering a known reaction in addition to the one obtained by calculation. At this time, the reaction product obtained by the registered known reaction may be automatically used as an additional raw material chemical species.

例えば、SiHClはSiClとHに分解することが知られている。従って、
原料化学種の群に、SiHClが存在する場合にはSiClとHとが自動的に原
料化学種の群に追加されるようにしてもよい。
For example, it is known that SiH 2 Cl 2 decomposes into SiCl 2 and H 2 . Therefore,
If SiH 2 Cl 2 is present in the group of source chemical species, SiCl 2 and H 2 may be automatically added to the group of source species.

このような記録媒体に記録された反応メカニズム算出手順を実行する場合について説明
すると以下の通りである。
The case of executing the reaction mechanism calculation procedure recorded on such a recording medium will be described as follows.

まず、反応メカニズム算出手順をプログラムは、図8ではフロッピディスク(R)のド
ライブ802、または光ディスクドライブ803、あるいは半導体チップなどの記録媒体
に記録される。続いて上記読み取り装置に接続されたコンピュータ801のCPUによっ
て上記記録媒体から上記プログラムが読み出されて順次実行される。
First, the reaction mechanism calculation procedure program is recorded in a recording medium such as a floppy disk (R) drive 802, an optical disk drive 803, or a semiconductor chip in FIG. Subsequently, the program is read from the recording medium and sequentially executed by the CPU of the computer 801 connected to the reading device.

また、本発明の実施例における処理をコンピュータで実行可能なプログラムで実現し、
このプログラムをコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録することが可能である。
In addition, the processing in the embodiment of the present invention is realized by a computer executable program,
This program can be recorded on a computer-readable recording medium.

なお、本発明における記録媒体としては、磁気ディスク、フロッピディスク(R)、ハ
ードディスク、光ディスク(CD−ROM、CD−R、DVDなど)、光磁気ディスク(
MOなど)、半導体メモリ、およびその他の、プログラムを記憶でき、かつコンピュータ
が読み取り可能な記録媒体であれば、その記憶形態はいずれの形態であってもよい。
The recording medium in the present invention includes a magnetic disk, floppy disk (R), hard disk, optical disk (CD-ROM, CD-R, DVD, etc.), magneto-optical disk (
The storage form may be any form as long as the storage medium can store a program and can be read by a computer.

また、記録媒体からコンピュータにインストールされたプログラムの指示に基づきコン
ピュータ上で稼働しているOS(オペレーティングシステム)や、データベース管理ソフ
ト、ネットワークなどのMW(ミドルウェア)などが本実施形態を実現するための各処理
の一部を実行してもよい。
Further, an OS (operating system) operating on the computer based on an instruction of a program installed in the computer from the recording medium, database management software, MW (middleware) such as a network, and the like for realizing the present embodiment A part of each process may be executed.

さらに、本発明における記録媒体は、コンピュータと独立した媒体に限られず、LAN
やインターネットなどにより伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記
憶した記録媒体も含まれる。
Furthermore, the recording medium in the present invention is not limited to a medium independent of a computer,
In addition, a recording medium in which a program transmitted via the Internet or the like is downloaded and stored or temporarily stored is also included.

また、記録媒体は一つに限られず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行され
た場合も、本発明における記録媒体に含まれ、媒体の構成はいずれの構成であってもよい
Further, the number of recording media is not limited to one, and even when the processing in the present embodiment is executed from a plurality of media, it is included in the recording media in the present invention, and the configuration of the media may be any configuration.

なお、本発明におけるコンピュータは、記録媒体に記憶されたプログラムに基づき、本
実施形態における各処理を実行するものであって、パーソナルコンピュータなどの1つか
らなる装置、複数の装置がネットワーク接続されたシステムなどのいずれの構成であって
もよい。
The computer according to the present invention executes each process according to the present embodiment based on a program stored in a recording medium, and a single device such as a personal computer or a plurality of devices are connected to a network. Any configuration such as a system may be used.

また、本発明におけるコンピュータとは、パーソナルコンピュータに限られず、情報処
理機器に含まれる演算処理装置、マイクロコンピュータなども含み、プログラムによって
本発明の機能を実現することが可能な機器、または装置を総称している。
In addition, the computer in the present invention is not limited to a personal computer, and includes an arithmetic processing device, a microcomputer, and the like included in an information processing device, and is a generic term for devices or devices that can realize the functions of the present invention by a program. is doing.

本発明の第1の反応メカニズム算出方法による反応メカニズム決定の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the reaction mechanism determination by the 1st reaction mechanism calculation method of this invention. 本発明の第1の反応メカニズム算出方法による反応メカニズム決定の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the reaction mechanism determination by the 1st reaction mechanism calculation method of this invention. 本発明の第2の反応メカニズム算出方法による反応メカニズム決定の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the reaction mechanism determination by the 2nd reaction mechanism calculation method of this invention. 本発明の反応メカニズム算出法に従って、2つSiHを衝突させたとき、反応が起きなかった場合の計算結果を示す図。According to the reaction mechanism calculation method of the present invention, when the colliding two SiH 4, illustrates a calculation result when the reaction did not occur. 本発明の反応メカニズム算出法に従って、2つSiHを衝突させたとき、反応が起きた場合の計算結果を示す図。According to the reaction mechanism calculation method of the present invention, when the colliding two SiH 4, shows the calculation results when the reaction occurs. 平均エネルギが1000Kの分子のエネルギ分布および反応確率を示す図。The figure which shows the energy distribution and reaction probability of a molecule | numerator whose average energy is 1000K. 動力学計算により求めた、SiHを2分子衝突させたときの反応が起こる頻度を示す図。It was determined by dynamic calculation, shows the frequency with which the reaction occurs when the SiH 4 was 2 molecule collisions. 本発明の反応メカニズム算出方法を実施するための装置の外観を示す鳥瞰図である。It is a bird's-eye view which shows the external appearance of the apparatus for enforcing the reaction mechanism calculation method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

801 シミュレーション装置
802 フロッピーディスク(R)の装置(フロッピーディスク(R)のドライブ)
803 光ディスク装置(光ディスクドライブ)
804 フロッピーディスク(R)
805 CD−ROM
806 ROM
807 カセットテープ
801 Simulation device 802 floppy disk (R) device (floppy disk (R) drive)
803 Optical disk device (optical disk drive)
804 Floppy disk (R)
805 CD-ROM
806 ROM
807 cassette tape

Claims (15)

化学反応を生起する一つ乃至複数の化学種を構成する原子のそれぞれの動力学的運動を
シミュレーションするステップと、
一定時間後の系の状態を複数化にわたって計算するステップと、
前記計算結果よりその化学種の反応過程を推定するステップと、
を有することを特徴とする、反応メカニズム算出方法。
Simulating the dynamic motion of each of the atoms constituting one or more species that cause a chemical reaction;
A step of calculating the state of the system after a certain time over pluralizations;
Estimating a reaction process of the chemical species from the calculation result;
The reaction mechanism calculation method characterized by having.
前記反応素過程または前記反応素過程における反応生成物を表示する、請求項1に記載
の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to claim 1, wherein the reaction process or a reaction product in the reaction process is displayed.
前記反応素過程または前記反応素過程における反応生成物を所定の記録媒体に記録する
、請求項1または2に記載の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to claim 1, wherein the reactant process or a reaction product in the reactant process is recorded on a predetermined recording medium.
分子軌道法によりそれぞれの原子に働く力を求め、その力に従い原子を運動させる、請
求項1〜3のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to any one of claims 1 to 3, wherein a force acting on each atom is obtained by a molecular orbital method, and the atom is moved according to the force.
並進、回転、および振動のエネルギをランダムに化学種に与え、それによって決まる化
学種内の原子変位、原子速度、および化学種の向きを初期状態として動力学計算を行う、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
Giving translational, rotational, and vibrational energy to a chemical species at random, and performing dynamics calculations with atomic displacement, atomic velocity, and chemical species orientation in the chemical species determined by the initial state,
The reaction mechanism calculation method of any one of Claims 1-4.
化学種にランダムに与えられる並進、回転、および振動のエネルギが温度の関数として
選定される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
6. The reaction mechanism calculation method according to any one of claims 1 to 5, wherein the energy of translation, rotation, and vibration randomly given to the chemical species is selected as a function of temperature.
複数の動力学の計算結果から、一定時間後の化学種の状態が初期の化学種と異なる状態
を持つ計算結果を抽出して反応過程を推定する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の反
応メカニズム算出方法。
7. The reaction process is estimated by extracting a calculation result having a state in which a state of a chemical species after a certain time is different from an initial chemical species from a plurality of kinetic calculation results. The reaction mechanism calculation method of description.
複数回の動力学計算結果を統計論に基づいて処理して、反応素過程の反応速度式を算出
する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to any one of claims 1 to 7, wherein a reaction rate equation of a reaction element process is calculated by processing a plurality of kinetic calculation results based on statistical theory.
動力学計算の結果から、反応素過程の遷移状態を抽出して、統計力学に基づいて反応速
度を算出する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to claim 1, wherein a transition state of a reaction element process is extracted from a result of kinetic calculation, and a reaction rate is calculated based on statistical mechanics.
初期の化学種が、任意の動力学計算により求められた反応素過程で生じる反応生成物で
ある、請求項1〜9のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to any one of claims 1 to 9, wherein the initial chemical species is a reaction product generated in a reaction element process obtained by an arbitrary kinetic calculation.
動力学計算の結果から確率論に基づいて反応の生じる割合を算出し、反応速度を算出す
る、請求項1〜10のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
The reaction mechanism calculation method according to any one of claims 1 to 10, wherein a reaction rate is calculated by calculating a reaction rate based on probability theory from a result of kinetic calculation.
特定の化学種に連続的に他の化学種が衝突するように分子を運動させる、請求項1〜1
1のいずれか1項に記載の反応メカニズム算出方法。
The molecule is moved so that other chemical species continuously collide with the specific chemical species.
The reaction mechanism calculation method according to any one of 1 above.
コンピュータを動作させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記
録媒体において、
前記プログラムは、
化学反応を生起する一つ乃至複数の化学種を構成する原子のそれぞれの動力学的運動をシ
ミュレーションする手順と、
一定時間後の系の状態を複数回にわたって計算する手順と、
前記計算結果よりその化学種の反応過程を推定する手順と、
を有することを特徴とする、反応メカニズム算出法を記録した記録媒体。
In a computer-readable recording medium recording a program for operating a computer,
The program is
A procedure for simulating the dynamic motion of each of the atoms constituting one or more chemical species that cause a chemical reaction;
A procedure for calculating the state of the system after a certain time multiple times;
A procedure for estimating the reaction process of the chemical species from the calculation result;
A recording medium on which a reaction mechanism calculation method is recorded.
前記反応素過程または前記反応素過程における反応生成物を表示する、請求項13に記
載の記録媒体。
The recording medium according to claim 13, wherein the reactive element process or a reaction product in the reactive element process is displayed.
前記反応素過程または前記反応素過程における反応生成物を所定の記録媒体に記録する
、請求項13または14に記載の記録媒体。

The recording medium according to claim 13 or 14, wherein the reactant process or a reaction product in the reactant process is recorded on a predetermined recording medium.

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