一种更快速、更可靠的计算机芯片制造用等离子体模拟方法

现在，一种新方法为感应耦合等离子体的动力学模拟提供了更高的稳定性和效率。该方法通过一项公私合作伙伴关系在美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）与芯片设备制造商应用材料公司之间开发的代码中实现，该工具已被后者投入使用。来自阿尔伯塔大学、PPPL和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员参与了该项目。

对这些等离子体进行详细模拟对于深入理解不同制造工艺中等离子体如何形成和演化至关重要。模拟越逼真，其提供的分布函数就越精确。例如，这些度量可显示粒子处于特定位置并以特定速度运动的概率。最终，理解这些细节有助于实现如何更精细地利用等离子体将图案蚀刻到硅片上，从而制造出速度更快的芯片或存储容量更大的存储器。

"这是我们能力的一次重大进步，"PPPL首席研究物理学家、详细阐述模拟发现的期刊文章《Physics of Plasmas》的合著者Igor Kaganovich表示。

确保代码可靠性

该代码的初始版本采用了一种已被证明不可靠的旧方法。论文第一作者、阿尔伯塔大学研究员Dmytro Sydorenko表示，他们对方法进行了重大修改以提高代码稳定性。"我们修改了方程，因此模拟立即变得非常可靠且不再崩溃，"他说，"现在我们拥有一个可用于二维空间感应耦合等离子体模拟的有效工具。"

代码的改进部分源于电场计算方式的改变。电场如同围绕电荷和电流的无形力场，对粒子施加作用力。在感应耦合等离子体中，载流线圈产生变化的磁场，进而产生加热等离子体的电场。研究团队重点攻关的正是这个被称为螺线管电场的物理量。

代码采用洛斯阿拉莫斯国家实验室Salomon Janhunen开发的程序计算电磁场。PPPL的陈进（音译）对这些程序进行了优化，他在该项目的物理学、数学和计算机科学领域之间架起了桥梁。"对于复杂问题而言，这项改进意义重大，"陈进表示。

该模拟被称为粒子网格法代码，因为它追踪单个粒子（或聚集成所谓宏粒子的小粒子群）在空间中从一个网格单元移动到另一个网格单元的过程。这种方法特别适用于工业设备中使用的低压气体等离子体。流体方法对此类等离子体无效，因为它使用平均值而非追踪单个粒子。

遵循能量守恒定律

"新模拟使我们能够快速建模更大规模的等离子体，同时精确保持能量守恒，有助于确保结果反映真实的物理过程而非数值伪影，"Kaganovich解释道。

现实世界中能量不会随机产生或消失，它遵循能量守恒定律。但计算机模拟中的微小误差会随每个步骤累积。由于每次模拟可能涉及数千甚至数百万个步骤，微小误差会导致结果严重失真。确保能量守恒能使模拟更真实地反映实际等离子体。

PPPL的Stéphane Ethier也参与了新模拟代码的开发。该工作由应用材料公司与PPPL根据合同号DE-AC02-09CH11466下的合作研发协议提供支持。