超大規(guī)模集成電路（ULSI）產(chǎn)業(yè)直接關系到國家的經(jīng)濟發(fā)展、信息安全和國防建設，是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。在半導體芯片制備過程中，約有三分之一的工序要使用等離子體技術，因此配備等離子體工藝腔室的材料刻蝕和薄膜沉積設備是ULSI制造工藝的核心。目前，半導體工藝中最常用的兩種等離子體源是CCP（容性耦合等離子體）和ICP（感應耦合等離子體）。
等離子體工藝腔室制造過程極為復雜，不僅涉及到精密的機械加工技術，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。
等離子體放電過程是極其復雜的，受到多種外界參數(shù)的控制，如電源功率與頻率、氣體成分與壓強、腔室尺寸及材料屬性等。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。例如等離子體、鞘層、表面微槽等空間特征尺度相差10個量級；電磁場、帶電粒子、中性氣體及化學反應等時間特征尺度相差9個量級。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的挑戰(zhàn)。
為此，大連理工大學物理學院PSEG團隊在王友年教授的帶領下，自2005年開始，歷經(jīng)近二十年時間，在國內(nèi)率先研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的等離子體工藝腔室仿真軟件——MAPS（Multi-Physics Analysis of Plasma Sources）。通過采用物理建模、數(shù)值仿真與實驗診斷相結合的方法，解決了制約等離子體工藝腔室設計和制造中的一些關鍵技術難題，為我國研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的等離子體工藝腔室提供了技術支撐。
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)設計和表面處理工藝（材料刻蝕和薄膜沉積）的結果預測提供模擬服務。基于不同的等離子體模型，MAPS包含不同的數(shù)值模擬方法，如粒子/蒙特卡洛碰撞模擬方法、流體力學模擬方法、流體力學/蒙特卡洛碰撞混合模擬方法、整體模型模擬方法等。軟件平臺包含輸入部分、輸出部分以及七大模塊，分別是等離子體模塊、中性氣體模塊、電磁模塊、鞘層模塊、化學反應模塊、表面模塊、以及實驗驗證模塊。
此外，PSEG團隊研制了結構可變的大面積、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的模擬結果與實驗測量結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，能夠對ICP刻蝕機、CCP刻蝕機、PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）和PVD（物理氣相沉積）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)的多家半導體設備制造企業(yè)的青睞。近十年中，MAPS仿真軟件已分別為北方華創(chuàng)、中微半導體設備（上海）、拓荊科技、蘇州邁為、武漢長江存儲及理想能源設備（上海）等多家企業(yè)提供仿真服務。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，助力我國早日打破國外對芯片制造技術的封鎖。
