中國粉體網訊 隨著材料基因工程的推進，以高性能材料計算軟件與平臺、AI 技術為驅動的科學研究大幅優(yōu)化了新材料及器件開發(fā)的流程與成本。
半導體器件一直是IT革命的主要推動力，隨著半導體器件的關鍵尺寸向10nm以下的方向發(fā)展，了解納米尺度內的氣體輸運和反應現象成為一項極具挑戰(zhàn)性的任務。在開發(fā)特定工藝設備時，必須考慮到傳熱、氣體動力學和化學反應等相互作用。盡管器件產品開發(fā)主要依靠實驗設計，但模擬仿真的重要性越來越凸顯。
多尺度仿真技術
多尺度仿真技術是將不同尺度下的材料結構和性能進行集成并在不同尺度之間建立聯系的技術。其應用范圍非常廣泛，包括但不限于新材料的設計、先進材料的開發(fā)、復雜材料的制備、材料的損傷分析、疲勞壽命預測等等。
具體來說，多尺度仿真技術是通過建立不同尺度的模型來對材料進行計算和模擬。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，如力學性能和熱學性能等。其中，在有限元法和計算流體動力學領域，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，學者們可以模擬不同材料的裂紋擴展和斷裂行為，進而設計更耐用、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構和形態(tài)。在這個尺度環(huán)
節(jié)中可使用分子動力學模擬、蒙特卡羅方法等來研究材料的力學特性、熱學特性
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用是分子動力學和量子化學模擬。在這個尺度下，研究人員可以很好地了解材料的分子結構和動態(tài)過程，包括分子間相互作用、熱力學性質、電子結構等。
半導體制造過程是一項極具挑戰(zhàn)性的物理學任務，其中涉及傳熱、連續(xù)或稀薄氣體動力學、等離子體和化學反應。多尺度仿真技術有助于我們更好地了解材料的微觀結構、動力學以及電力學等過程，同時也在半導體材料的設計和器件制造方面起到了重要作用。
半導體材料與多尺度研究
硅基半導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模型的基礎上建立起來的。與金屬不同，在半導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制耦合都是非常復雜的過程。因此，理論上發(fā)展跨尺度動力學模型對理解半導體中存在的物理化學機制十分必要。
多尺度計算模擬方法
先進半導體器件的開發(fā)在很大程度上依賴于計算機輔助設計技術(TCAD)，該技術在半導體行業(yè)和學術界已經使用多年，它主要用于半導體工藝及器件模擬。
TCAD可以分為兩個關鍵方面：半導體工藝和器件模擬。一直以來，TCAD主要應用于器件研發(fā)階段。過程模擬器主要是連續(xù)介質過程模擬器，其校準是基于實驗數據，然后利用過程模擬器進行器件的研發(fā)和優(yōu)化。當半導體工藝技術引入新材料時，需要對現有模型進行重新建模或校準。
由于材料、工藝和模型的日益復雜，以及有用的實驗或設備的缺乏，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，這需要校準更少且預測性更好的物理模型。實現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：具有預測性；提供了對該過程的物理和化學機理更深入的解釋；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。
現狀與未來
半導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、等離子體和化學反應。目前尚無商業(yè)軟件包能夠同時模擬所有這些物理現象，因此必須通過解耦使用單一物理模型進行仿真。然而，這種解耦可能導致仿真結果與實際條件偏離。為了彌合這種差距，仿真通常用于揭示未知中間過程參數并建立修正方法。
在新材料及器件的設計中，多尺度仿真技術能夠對復雜結構予以簡化，促使設計過程更為高效。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方式，進而提高材料制備的效率與質量。該技術還能幫助科學家預測材料在特定條件下的行為表現，推動了許多新型功能材料的發(fā)現與研究。
總之，多尺度仿真技術對于半導體材料的發(fā)展和半導體器件的設計是非常重要的。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，并改善現有材料的性能和使用體驗。通過多尺度仿真技術，未來，科學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，中國粉體網將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業(yè)用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到鄭州大學周俊杰教授出席本次大會并作題為《半導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，進行性能優(yōu)化，尤其是硅基半導體材料的性能，并對多尺度仿真技術在半導體材料的應用進行展望。
專家簡介
周俊杰，工學博士，碩士生導師，鄭州大學機械與動力工程學院教授，新能源與低碳技術研究所所長。長期從事多尺度模擬、多能源集成及過程強化研究，主持國家自然基金1項，省教育廳科技攻關1項，參與鄭州市科技攻關2項，主持教改項目2項，主持橫向課題20余項，獲河南省科技進步二等獎1項，周口市科技進步二等獎2項，河南省自然科學學術論文獎4項，河南省自然科學優(yōu)秀學術著作二等獎1項，獲國家專利7項，軟件版權2項。
近年來，發(fā)表學術論文50余篇，主編和參編專著和教材4部，指導研究生20余名，并獲河南省教育廳研究生優(yōu)秀指導教師稱號。作為項目負責人與中國大唐集團科學技術研究有限公司華中分公司、中國船舶集團公司第713研究所等開展校企合作研發(fā)工作。
參考來源：
1.王偉. 寬帶隙半導體4H-SiC核輻射探測器的設計與仿真.大連理工大學
2.沈雪陽等. 相變存儲器材料設計與多尺度模擬的研究進展.金屬學報
3.李鵬迪. 硅半導體離子/中子輻照效應的多尺度模擬.河南大學
4.Siqing Lu . Simulation of Semiconductor Manufacturing Equipment and Processes.
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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