在半導體芯片的制備過程中，約有三分之一的工序要使用等離子體技術(shù)，因此配備等離子體工藝腔室的材料刻蝕和薄膜沉積設(shè)備是ULSI制造工藝的核心。歷經(jīng)近20載不懈攻關(guān)，大連理工大學物理學院PSEG團隊在國內(nèi)率先研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的等離子體工藝腔室仿真軟件——MAPS（Multi-Physics Analysis of Plasma Sources）。為我國研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的等離子體工藝腔室提供了技術(shù)支撐。

超大規(guī)模集成電路（ULSI）是一種將大量晶體管組合到單一芯片的集成電路，其集成度大于大規(guī)模集成電路。集成的晶體管數(shù)在不同的標準中有所不同，計算機內(nèi)的控制核心微處理器就是超大規(guī)模集成電路的最典型實例。ULSI產(chǎn)業(yè)直接關(guān)系到國家的經(jīng)濟發(fā)展、信息安全和國防建設(shè)，是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。

半導體芯片制備過程中所使用到的等離子體工藝腔室制造過程極為復雜，不僅涉及精密機械加工技術(shù)，還要統(tǒng)籌考慮電源、氣體、材料等外部參數(shù)的優(yōu)化，以及與晶圓處理工藝的兼容性。如果采用傳統(tǒng)的“實驗試錯法”，不僅成本巨大，而且延長了設(shè)備的研發(fā)周期，將嚴重制約我國ULSI產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，采用建模仿真與實驗診斷相結(jié)合的方式、為等離子體工藝腔室的研發(fā)與優(yōu)化提供方案，成為一種必然趨勢。但同時，等離子體放電過程極其復雜，受多種外界參數(shù)控制。此外等離子體系統(tǒng)還包含了多空間尺度和多時間尺度的變化，以及多物理化學場的耦合過程。如此復雜的等離子體工藝環(huán)境，給物理建模和數(shù)值仿真都帶來了巨大挑戰(zhàn)。

王友年教授

大連理工大學物理學院PSEG團隊在學院王友年教授的帶領(lǐng)下，自2005年開始相關(guān)工作?，F(xiàn)階段，團隊已在國內(nèi)率先研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的等離子體工藝腔室仿真軟件MAPS。通過采用物理建模、數(shù)值仿真與實驗診斷相結(jié)合的方法，解決了制約等離子體工藝腔室設(shè)計和制造中的一些關(guān)鍵技術(shù)難題。

MAPS是一款專門面向等離子體工藝腔室的數(shù)值模擬軟件平臺，可以同時為等離子體工藝腔室的參數(shù)設(shè)計和表面處理工藝的結(jié)果預測提供模擬服務(wù)。此外，PSEG團隊還研制了結(jié)構(gòu)可變的大面積、多功能等離子體實驗平臺和多套CCP和ICP放電平臺，并自主研發(fā)了射頻磁探針、微波發(fā)卡探針、光探針、吸收光譜診斷系統(tǒng)、布拉格光柵測溫系統(tǒng)、懸浮雙探針等診斷工具和集成了商用的Langmuir探針、質(zhì)譜儀、離子能量分析儀、光譜儀、ICCD及光致解離負離子診斷系統(tǒng)等。這些診斷手段為等離子體源多參數(shù)診斷提供條件。大量研究表明，MAPS的模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果在量級和變化趨勢上達到一致，證明了MAPS仿真軟件的可靠性。

近期，針對工業(yè)中常用的CCP源，MAPS仿真軟件提供了一種新的快速仿真算法：基于多時間步長、泊松方程的半隱式修正、超松弛迭代等，可以將模擬速度提高幾十倍。此外，針對ICP源，PSEG團隊也建立了一種新的雙極擴散近似模型，可以對帶有射頻偏壓的感性耦合放電過程進行仿真。該方法不僅模擬速度快，還適用于低氣壓放電。

MAPS仿真軟件具有外界控制參數(shù)多、耦合物理場多、數(shù)值求解器多、數(shù)值仿真模型多等優(yōu)勢，能夠?qū)CP刻蝕機、CCP刻蝕機、PECVD和PVD工藝腔室進行仿真，支持對優(yōu)化工藝過程參數(shù)的進一步探索，受到了國內(nèi)多家半導體設(shè)備制造企業(yè)的青睞。近十年中，MAPS仿真軟件已分別為北方華創(chuàng)、中微半導體設(shè)備（上海）、拓荊科技、蘇州邁為、武漢長江存儲及理想能源設(shè)備（上海）等多家企業(yè)提供仿真服務(wù)。未來，PSEG團隊將繼續(xù)專注于對MAPS仿真軟件的完善和升級，希望可以為半導體、光伏及平板顯示等產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展注入源源不斷的強勁動力。

拓展閱讀：

大連理工大學物理學院始建于1949年，由“兩彈一星”著名物理學家、兩院院士王大珩先生擔任首任主任。學院現(xiàn)有物理學一級學科博士點、博士后流動站，下設(shè)等離子體物理、理論物理、凝聚態(tài)物理、原子與分子物理、光學5個二級學科，其中等離子體物理是目前國內(nèi)僅有的兩個等離子體物理國家重點學科之一。物理學科ESI國際排名全球前1%，QS國際排名500-550位次。

學院應(yīng)用物理學專業(yè)是教育部高等學校特色專業(yè)、入選首批國家一流本科專業(yè)“雙萬計劃”、教育部“強基計劃”專業(yè)。2021年，王大珩物理學拔尖學生培養(yǎng)基地又入選拔尖計劃2.0基地名單。面向磁約束核聚變、高端半導體芯片等離子體微細加工、量子通信和量子計算等國家重大戰(zhàn)略需求，采取本碩博銜接、科教協(xié)同的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有寬厚物理學理論基礎(chǔ)，很強的科學開拓創(chuàng)新能力，具有家國情懷和國際視野的應(yīng)用物理或相關(guān)領(lǐng)域的一流科學家和一流技術(shù)人才。

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