中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著材料基因工程的推進(jìn)，以高性能材料計(jì)算軟件與平臺(tái)、AI 技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究大幅優(yōu)化了新材料及器件開(kāi)發(fā)的流程與成本。
半導(dǎo)體器件一直是IT革命的主要推動(dòng)力，隨著半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵尺寸向10nm以下的方向發(fā)展，了解納米尺度內(nèi)的氣體輸運(yùn)和反應(yīng)現(xiàn)象成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在開(kāi)發(fā)特定工藝設(shè)備時(shí)，必須考慮到傳熱、氣體動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)等相互作用。盡管器件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)主要依靠實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，但模擬仿真的重要性越來(lái)越凸顯。
多尺度仿真技術(shù)
多尺度仿真技術(shù)是將不同尺度下的材料結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行集成并在不同尺度之間建立聯(lián)系的技術(shù)。其應(yīng)用范圍非常廣泛，包括但不限于新材料的設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料的開(kāi)發(fā)、復(fù)雜材料的制備、材料的損傷分析、疲勞壽命預(yù)測(cè)等等。
具體來(lái)說(shuō)，多尺度仿真技術(shù)是通過(guò)建立不同尺度的模型來(lái)對(duì)材料進(jìn)行計(jì)算和模擬。它可以分為宏觀尺度、介觀尺度和微觀尺度三個(gè)層次。
在宏觀尺度下，多尺度模擬可以用來(lái)研究材料的宏觀性質(zhì)，如力學(xué)性能和熱學(xué)性能等。其中，在有限元法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，它可以被用來(lái)更好地模擬材料在高溫、高壓等極端條件下的行為。另外，通過(guò)有限元方法，學(xué)者們可以模擬不同材料的裂紋擴(kuò)展和斷裂行為，進(jìn)而設(shè)計(jì)更耐用、更韌性的材料。
在介觀尺度下，多尺度模擬涉及到材料的中等尺度結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在這個(gè)尺度環(huán)
節(jié)中可使用分子動(dòng)力學(xué)模擬、蒙特卡羅方法等來(lái)研究材料的力學(xué)特性、熱學(xué)特性
介電特性等。利用介觀尺度模擬，可以更好地理解材料中的缺陷、位錯(cuò)等局部特征，這對(duì)于材料的改性和優(yōu)化有很大的幫助。
在微觀尺度下，多尺度模擬典型的應(yīng)用是分子動(dòng)力學(xué)和量子化學(xué)模擬。在這個(gè)尺度下，研究人員可以很好地了解材料的分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括分子間相互作用、熱力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)等。
半導(dǎo)體制造過(guò)程是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的物理學(xué)任務(wù)，其中涉及傳熱、連續(xù)或稀薄氣體動(dòng)力學(xué)、等離子體和化學(xué)反應(yīng)。多尺度仿真技術(shù)有助于我們更好地了解材料的微觀結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)以及電力學(xué)等過(guò)程，同時(shí)也在半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)和器件制造方面起到了重要作用。
半導(dǎo)體材料與多尺度研究
硅基半導(dǎo)體材料的多尺度研究是在金屬材料順序多尺度缺陷動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。與金屬不同，在半導(dǎo)體中要同時(shí)考慮位移損傷和電離損傷兩種過(guò)程，研究相對(duì)困難。不管對(duì)于哪種材料，跨空間尺度和多種微觀機(jī)制耦合都是非常復(fù)雜的過(guò)程。因此，理論上發(fā)展跨尺度動(dòng)力學(xué)模型對(duì)理解半導(dǎo)體中存在的物理化學(xué)機(jī)制十分必要。
多尺度計(jì)算模擬方法
先進(jìn)半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)在很大程度上依賴于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)，該技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)和學(xué)術(shù)界已經(jīng)使用多年，它主要用于半導(dǎo)體工藝及器件模擬。
TCAD可以分為兩個(gè)關(guān)鍵方面：半導(dǎo)體工藝和器件模擬。一直以來(lái)，TCAD主要應(yīng)用于器件研發(fā)階段。過(guò)程模擬器主要是連續(xù)介質(zhì)過(guò)程模擬器，其校準(zhǔn)是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后利用過(guò)程模擬器進(jìn)行器件的研發(fā)和優(yōu)化。當(dāng)半導(dǎo)體工藝技術(shù)引入新材料時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行重新建�；蛐�(zhǔn)。
由于材料、工藝和模型的日益復(fù)雜，以及有用的實(shí)驗(yàn)或設(shè)備的缺乏，僅僅利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)建立有用的模型是具有挑戰(zhàn)性的。顯然，這需要校準(zhǔn)更少且預(yù)測(cè)性更好的物理模型。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法是使用越來(lái)越多的物理模型，尤其是基于原子層次上的模型。物理建模的優(yōu)點(diǎn)如下：具有預(yù)測(cè)性；提供了對(duì)該過(guò)程的物理和化學(xué)機(jī)理更深入的解釋；以更容易理解的方式為理論知識(shí)提供了一個(gè)切入點(diǎn)；相較于實(shí)驗(yàn)研究具有性價(jià)比高,節(jié)省時(shí)間和資源等優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)狀與未來(lái)
半導(dǎo)體材料多尺度模擬涉及耦合多通道，其中包括傳熱、連續(xù)或稀薄氣體動(dòng)力學(xué)、等離子體和化學(xué)反應(yīng)。目前尚無(wú)商業(yè)軟件包能夠同時(shí)模擬所有這些物理現(xiàn)象，因此必須通過(guò)解耦使用單一物理模型進(jìn)行仿真。然而，這種解耦可能導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際條件偏離。為了彌合這種差距，仿真通常用于揭示未知中間過(guò)程參數(shù)并建立修正方法。
在新材料及器件的設(shè)計(jì)中，多尺度仿真技術(shù)能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)予以簡(jiǎn)化，促使設(shè)計(jì)過(guò)程更為高效。與此同時(shí)，借助計(jì)算方法確定最優(yōu)的材料組成以及特定的生產(chǎn)方式，進(jìn)而提高材料制備的效率與質(zhì)量。該技術(shù)還能幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)材料在特定條件下的行為表現(xiàn)，推動(dòng)了許多新型功能材料的發(fā)現(xiàn)與研究。
總之，多尺度仿真技術(shù)對(duì)于半導(dǎo)體材料的發(fā)展和半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)是非常重要的。它不僅可以幫助我們更好地了解材料的基本特性和動(dòng)態(tài)行為，而且可以支持我們開(kāi)發(fā)出新的材料，并改善現(xiàn)有材料的性能和使用體驗(yàn)。通過(guò)多尺度仿真技術(shù)，未來(lái)，科學(xué)家們有很大的可能性創(chuàng)造出一些過(guò)去無(wú)法想象的、具有革命性意義的新材料。
2024年12月24日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到鄭州大學(xué)周俊杰教授出席本次大會(huì)并作題為《半導(dǎo)體材料多尺度仿真及性能優(yōu)化》的報(bào)告，周俊杰教授將圍繞材料、器件創(chuàng)新與性能優(yōu)化等問(wèn)題，基于多尺度仿真方法對(duì)其建模分析，進(jìn)行性能優(yōu)化，尤其是硅基半導(dǎo)體材料的性能，并對(duì)多尺度仿真技術(shù)在半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)行展望。
專家簡(jiǎn)介
周俊杰，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授，新能源與低碳技術(shù)研究所所長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事多尺度模擬、多能源集成及過(guò)程強(qiáng)化研究，主持國(guó)家自然基金1項(xiàng)，省教育廳科技攻關(guān)1項(xiàng)，參與鄭州市科技攻關(guān)2項(xiàng)，主持教改項(xiàng)目2項(xiàng)，主持橫向課題20余項(xiàng)，獲河南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，周口市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，河南省自然科學(xué)學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)4項(xiàng)，河南省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲國(guó)家專利7項(xiàng)，軟件版權(quán)2項(xiàng)。
近年來(lái)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，主編和參編專著和教材4部，指導(dǎo)研究生20余名，并獲河南省教育廳研究生優(yōu)秀指導(dǎo)教師稱號(hào)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人與中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司華中分公司、中國(guó)船舶集團(tuán)公司第713研究所等開(kāi)展校企合作研發(fā)工作。
參考來(lái)源：
1.王偉. 寬帶隙半導(dǎo)體4H-SiC核輻射探測(cè)器的設(shè)計(jì)與仿真.大連理工大學(xué)
2.沈雪陽(yáng)等. 相變存儲(chǔ)器材料設(shè)計(jì)與多尺度模擬的研究進(jìn)展.金屬學(xué)報(bào)
3.李鵬迪. 硅半導(dǎo)體離子/中子輻照效應(yīng)的多尺度模擬.河南大學(xué)
4.Siqing Lu . Simulation of Semiconductor Manufacturing Equipment and Processes.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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