中国粉体网讯 随着材料基因工程的推进，以高性能材料计算软件与平台、AI 技术为驱动的科学研究大幅优化了新材料及器件开发的流程与成本。
半导体器件一直是IT革命的主要推动力，随着半导体器件的关键尺寸向10nm以下的方向发展，了解纳米尺度内的气体输运和反应现象成为一项极具挑战性的任务。在开发特定工艺设备时，必须考虑到传热、气体动力学和化学反应等相互作用。尽管器件产品开发主要依靠实验设计，但模拟仿真的重要性越来越凸显。
多尺度仿真技术
多尺度仿真技术是将不同尺度下的材料结构和性能进行集成并在不同尺度之间建立联系的技术。其应用范围非常广泛，包括但不限于新材料的设计、先进材料的开发、复杂材料的制备、材料的损伤分析、疲劳寿命预测等等。
具体来说，多尺度仿真技术是通过建立不同尺度的模型来对材料进行计算和模拟。它可以分为宏观尺度、介观尺度和微观尺度三个层次。
在宏观尺度下，多尺度模拟可以用来研究材料的宏观性质，如力学性能和热学性能等。其中，在有限元法和计算流体动力学领域，它可以被用来更好地模拟材料在高温、高压等极端条件下的行为。另外，通过有限元方法，学者们可以模拟不同材料的裂纹扩展和断裂行为，进而设计更耐用、更韧性的材料。
在介观尺度下，多尺度模拟涉及到材料的中等尺度结构和形态。在这个尺度环
节中可使用分子动力学模拟、蒙特卡罗方法等来研究材料的力学特性、热学特性
介电特性等。利用介观尺度模拟，可以更好地理解材料中的缺陷、位错等局部特征，这对于材料的改性和优化有很大的帮助。
在微观尺度下，多尺度模拟典型的应用是分子动力学和量子化学模拟。在这个尺度下，研究人员可以很好地了解材料的分子结构和动态过程，包括分子间相互作用、热力学性质、电子结构等。
半导体制造过程是一项极具挑战性的物理学任务，其中涉及传热、连续或稀薄气体动力学、等离子体和化学反应。多尺度仿真技术有助于我们更好地了解材料的微观结构、动力学以及电力学等过程，同时也在半导体材料的设计和器件制造方面起到了重要作用。
半导体材料与多尺度研究
硅基半导体材料的多尺度研究是在金属材料顺序多尺度缺陷动力学模型的基础上建立起来的。与金属不同，在半导体中要同时考虑位移损伤和电离损伤两种过程，研究相对困难。不管对于哪种材料，跨空间尺度和多种微观机制耦合都是非常复杂的过程。因此，理论上发展跨尺度动力学模型对理解半导体中存在的物理化学机制十分必要。
多尺度计算模拟方法
先进半导体器件的开发在很大程度上依赖于计算机辅助设计技术(TCAD)，该技术在半导体行业和学术界已经使用多年，它主要用于半导体工艺及器件模拟。
TCAD可以分为两个关键方面：半导体工艺和器件模拟。一直以来，TCAD主要应用于器件研发阶段。过程模拟器主要是连续介质过程模拟器，其校准是基于实验数据，然后利用过程模拟器进行器件的研发和优化。当半导体工艺技术引入新材料时，需要对现有模型进行重新建模或校准。
由于材料、工艺和模型的日益复杂，以及有用的实验或设备的缺乏，仅仅利用实验测量来建立有用的模型是具有挑战性的。显然，这需要校准更少且预测性更好的物理模型。实现这一点的方法是使用越来越多的物理模型，尤其是基于原子层次上的模型。物理建模的优点如下：具有预测性；提供了对该过程的物理和化学机理更深入的解释；以更容易理解的方式为理论知识提供了一个切入点；相较于实验研究具有性价比高,节省时间和资源等优势。
现状与未来
半导体材料多尺度模拟涉及耦合多通道，其中包括传热、连续或稀薄气体动力学、等离子体和化学反应。目前尚无商业软件包能够同时模拟所有这些物理现象，因此必须通过解耦使用单一物理模型进行仿真。然而，这种解耦可能导致仿真结果与实际条件偏离。为了弥合这种差距，仿真通常用于揭示未知中间过程参数并建立修正方法。
在新材料及器件的设计中，多尺度仿真技术能够对复杂结构予以简化，促使设计过程更为高效。与此同时，借助计算方法确定最优的材料组成以及特定的生产方式，进而提高材料制备的效率与质量。该技术还能帮助科学家预测材料在特定条件下的行为表现，推动了许多新型功能材料的发现与研究。
总之，多尺度仿真技术对于半导体材料的发展和半导体器件的设计是非常重要的。它不仅可以帮助我们更好地了解材料的基本特性和动态行为，而且可以支持我们开发出新的材料，并改善现有材料的性能和使用体验。通过多尺度仿真技术，未来，科学家们有很大的可能性创造出一些过去无法想象的、具有革命性意义的新材料。
2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到郑州大学周俊杰教授出席本次大会并作题为《半导体材料多尺度仿真及性能优化》的报告，周俊杰教授将围绕材料、器件创新与性能优化等问题，基于多尺度仿真方法对其建模分析，进行性能优化，尤其是硅基半导体材料的性能，并对多尺度仿真技术在半导体材料的应用进行展望。
专家简介
周俊杰，工学博士，硕士生导师，郑州大学机械与动力工程学院教授，新能源与低碳技术研究所所长。长期从事多尺度模拟、多能源集成及过程强化研究，主持国家自然基金1项，省教育厅科技攻关1项，参与郑州市科技攻关2项，主持教改项目2项，主持横向课题20余项，获河南省科技进步二等奖1项，周口市科技进步二等奖2项，河南省自然科学学术论文奖4项，河南省自然科学优秀学术著作二等奖1项，获国家专利7项，软件版权2项。
近年来，发表学术论文50余篇，主编和参编专著和教材4部，指导研究生20余名，并获河南省教育厅研究生优秀指导教师称号。作为项目负责人与中国大唐集团科学技术研究有限公司华中分公司、中国船舶集团公司第713研究所等开展校企合作研发工作。
参考来源：
1.王伟. 宽带隙半导体4H-SiC核辐射探测器的设计与仿真.大连理工大学
2.沈雪阳等. 相变存储器材料设计与多尺度模拟的研究进展.金属学报
3.李鹏迪. 硅半导体离子/中子辐照效应的多尺度模拟.河南大学
4.Siqing Lu . Simulation of Semiconductor Manufacturing Equipment and Processes.
（中国粉体网编辑整理/轻言）
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