攻关近20载，辽宁科学家率先研发这一“硬核”成果，助力“中国芯”！

在半导体芯片的制备过程中，约有三分之一的工序要使用等离子体技术，因此配备等离子体工艺腔室的材料刻蚀和薄膜沉积设备是ULSI制造工艺的核心。历经近20载不懈攻关，大连理工大学物理学院PSEG团队在国内率先研发出具有自主知识产权的等离子体工艺腔室仿真软件——MAPS（Multi-Physics Analysis of Plasma Sources）。为我国研发具有自主知识产权的等离子体工艺腔室提供了技术支撑。

超大规模集成电路（ULSI）是一种将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路，其集成度大于大规模集成电路。集成的晶体管数在不同的标准中有所不同，计算机内的控制核心微处理器就是超大规模集成电路的最典型实例。ULSI产业直接关系到国家的经济发展、信息安全和国防建设，是衡量一个国家综合实力的重要标志之一。

半导体芯片制备过程中所使用到的等离子体工艺腔室制造过程极为复杂，不仅涉及精密机械加工技术，还要统筹考虑电源、气体、材料等外部参数的优化，以及与晶圆处理工艺的兼容性。如果采用传统的“实验试错法”，不仅成本巨大，而且延长了设备的研发周期，将严重制约我国ULSI产业的快速发展。因此，采用建模仿真与实验诊断相结合的方式、为等离子体工艺腔室的研发与优化提供方案，成为一种必然趋势。但同时，等离子体放电过程极其复杂，受多种外界参数控制。此外等离子体系统还包含了多空间尺度和多时间尺度的变化，以及多物理化学场的耦合过程。如此复杂的等离子体工艺环境，给物理建模和数值仿真都带来了巨大挑战。

王友年教授

大连理工大学物理学院PSEG团队在学院王友年教授的带领下，自2005年开始相关工作。现阶段，团队已在国内率先研发出具有自主知识产权的等离子体工艺腔室仿真软件MAPS。通过采用物理建模、数值仿真与实验诊断相结合的方法，解决了制约等离子体工艺腔室设计和制造中的一些关键技术难题。

MAPS是一款专门面向等离子体工艺腔室的数值模拟软件平台，可以同时为等离子体工艺腔室的参数设计和表面处理工艺的结果预测提供模拟服务。此外，PSEG团队还研制了结构可变的大面积、多功能等离子体实验平台和多套CCP和ICP放电平台，并自主研发了射频磁探针、微波发卡探针、光探针、吸收光谱诊断系统、布拉格光栅测温系统、悬浮双探针等诊断工具和集成了商用的Langmuir探针、质谱仪、离子能量分析仪、光谱仪、ICCD及光致解离负离子诊断系统等。这些诊断手段为等离子体源多参数诊断提供条件。大量研究表明，MAPS的模拟结果与实验测量结果在量级和变化趋势上达到一致，证明了MAPS仿真软件的可靠性。

近期，针对工业中常用的CCP源，MAPS仿真软件提供了一种新的快速仿真算法：基于多时间步长、泊松方程的半隐式修正、超松弛迭代等，可以将模拟速度提高几十倍。此外，针对ICP源，PSEG团队也建立了一种新的双极扩散近似模型，可以对带有射频偏压的感性耦合放电过程进行仿真。该方法不仅模拟速度快，还适用于低气压放电。

MAPS仿真软件具有外界控制参数多、耦合物理场多、数值求解器多、数值仿真模型多等优势，能够对ICP刻蚀机、CCP刻蚀机、PECVD和PVD工艺腔室进行仿真，支持对优化工艺过程参数的进一步探索，受到了国内多家半导体设备制造企业的青睐。近十年中，MAPS仿真软件已分别为北方华创、中微半导体设备（上海）、拓荆科技、苏州迈为、武汉长江存储及理想能源设备（上海）等多家企业提供仿真服务。未来，PSEG团队将继续专注于对MAPS仿真软件的完善和升级，希望可以为半导体、光伏及平板显示等产业的创新与发展注入源源不断的强劲动力。

拓展阅读：

大连理工大学物理学院始建于1949年，由“两弹一星”著名物理学家、两院院士王大珩先生担任首任主任。学院现有物理学一级学科博士点、博士后流动站，下设等离子体物理、理论物理、凝聚态物理、原子与分子物理、光学5个二级学科，其中等离子体物理是目前国内仅有的两个等离子体物理国家重点学科之一。物理学科ESI国际排名全球前1%，QS国际排名500-550位次。

学院应用物理学专业是教育部高等学校特色专业、入选首批国家一流本科专业“双万计划”、教育部“强基计划”专业。2021年，王大珩物理学拔尖学生培养基地又入选拔尖计划2.0基地名单。面向磁约束核聚变、高端半导体芯片等离子体微细加工、量子通信和量子计算等国家重大战略需求，采取本硕博衔接、科教协同的人才培养模式，培养具有宽厚物理学理论基础，很强的科学开拓创新能力，具有家国情怀和国际视野的应用物理或相关领域的一流科学家和一流技术人才。

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注：文章部分素材来自大连理工大学官网、大连理工大学物理学院、大工招生等