中國粉體網(wǎng)訊 隨著材料基因工程的推進(jìn)，以高性能材料計算軟件與平臺、AI 技術(shù)為驅(qū)動的科學(xué)研究大幅優(yōu)化了新材料及器件開發(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)象成為一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在開發(fā)特定工藝設(shè)備時，必須考慮到傳熱、氣體動力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)等相互作用。盡管器件產(chǎn)品開發(fā)主要依靠實驗設(shè)計，但模擬仿真的重要性越來越凸顯。
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、先進(jìn)材料的開發(fā)、復(fù)雜材料的制備、材料的損傷分析、疲勞壽命預(yù)測等等。
具體來說，多尺度仿真技術(shù)是通過建立不同尺度的模型來對材料進(jìn)行計算和模擬。它可以分為宏觀尺度、介觀尺度和微觀尺度三個層次。
在宏觀尺度下，多尺度模擬可以用來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，在有限元法和計算流體動力學(xué)領(lǐng)域，它可以被用來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)。在這個尺度環(huán)
節(jié)中可使用分子動力學(xué)模擬、蒙特卡羅方法等來研究材料的力學(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、位錯等局部特征，這對于材料的改性和優(yōu)化有很大的幫助。
在微觀尺度下，多尺度模擬典型的應(yīng)用是分子動力學(xué)和量子化學(xué)模擬。在這個尺度下，研究人員可以很好地了解材料的分子結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程，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)體制造過程是一項極具挑戰(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)、動力學(xué)以及電力學(xué)等過程，同時也在半導(dǎo)體材料的設(shè)計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力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立起來的。與金屬不同，在半導(dǎo)體中要同時考慮位移損傷和電離損傷兩種過程，研究相對困難。不管對于哪種材料，跨空間尺度和多種微觀機(jī)制耦合都是非常復(fù)雜的過程。因此，理論上發(fā)展跨尺度動力學(xué)模型對理解半導(dǎo)體中存在的物理化學(xué)機(jī)制十分必要。
多尺度計算模擬方法
先進(jìn)半導(dǎo)體器件的開發(fā)在很大程度上依賴于計算機(jī)輔助設(shè)計技術(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可以分為兩個關(guān)鍵方面：半導(dǎo)體工藝和器件模擬。一直以來，TCAD主要應(yīng)用于器件研發(fā)階段。過程模擬器主要是連續(xù)介質(zhì)過程模擬器，其校準(zhǔn)是基于實驗數(shù)據(jù)，然后利用過程模擬器進(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，需要對現(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，以及有用的實驗或設(shè)備的缺乏，僅僅利用實驗測量來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)測性更好的物理模型。實現(xiàn)這一點的方法是使用越來越多的物理模型，尤其是基于原子層次上的模型。物理建模的優(yōu)點如下：具有預(yù)測性；提供了對該過程的物理和化學(xué)機(jī)理更深入的解釋；以更容易理解的方式為理論知識提供了一個切入點；相較于實驗研究具有性價比高,節(jié)省時間和資源等優(yōu)勢。
現(xiàn)狀與未來
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)或稀薄氣體動力學(xué)、等離子體和化學(xué)反應(yīng)。目前尚無商業(yè)軟件包能夠同時模擬所有這些物理現(xiàn)象，因此必須通過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程參數(shù)并建立修正方法。
在新材料及器件的設(shè)計中，多尺度仿真技術(shù)能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)予以簡化，促使設(shè)計過程更為高效。與此同時，借助計算方法確定最優(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)測材料在特定條件下的行為表現(xiàn)，推動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)對于半導(dǎo)體材料的發(fā)展和半導(dǎo)體器件的設(shè)計是非常重要的。它不僅可以幫助我們更好地了解材料的基本特性和動態(tài)行為，而且可以支持我們開發(fā)出新的材料，并改善現(xiàn)有材料的性能和使用體驗。通過多尺度仿真技術(shù)，未來，科學(xué)家們有很大的可能性創(chuàng)造出一些過去無法想象的、具有革命性意義的新材料。
2024年12月24日，中國粉體網(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”。屆時，我們邀請到鄭州大學(xué)周俊杰教授出席本次大會并作題為《半導(dǎo)體材料多尺度仿真及性能優(yōu)化》的報告，周俊杰教授將圍繞材料、器件創(chuàng)新與性能優(yōu)化等問題，基于多尺度仿真方法對其建模分析，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)械與動力工程學(xué)院教授，新能源與低碳技術(shù)研究所所長。長期從事多尺度模擬、多能源集成及過程強(qiáng)化研究，主持國家自然基金1項，省教育廳科技攻關(guān)1項，參與鄭州市科技攻關(guān)2項，主持教改項目2項，主持橫向課題20余項，獲河南省科技進(jìn)步二等獎1項，周口市科技進(jìn)步二等獎2項，河南省自然科學(xué)學(xué)術(shù)論文獎4項，河南省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作二等獎1項，獲國家專利7項，軟件版權(quán)2項。
近年來，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。作為項目負(fù)責(zé)人與中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司華中分公司、中國船舶集團(tuán)公司第713研究所等開展校企合作研發(fā)工作。
參考來源：
1.王偉. 寬帶隙半導(dǎo)體4H-SiC核輻射探測器的設(shè)計與仿真.大連理工大學(xué)
2.沈雪陽等. 相變存儲器材料設(shè)計與多尺度模擬的研究進(jìn)展.金屬學(xué)報
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.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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