一种用于模拟计算机芯片制造所用等离子体的更快、更可靠的方法

如今，一种新方法显著提升了感应耦合等离子体动力学模拟的稳定性和效率。该方法通过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的公私合作项目所开发的代码实现，目前该工具已投入实际应用。阿尔伯塔大学、PPPL及洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员共同参与了该项目。

对这些等离子体进行精细模拟对于深入理解不同制造工艺中等离子体形成与演化过程至关重要。模拟越接近真实，其提供的分布函数就越精确。例如，这些函数可展示粒子处于特定位置并以特定速度运动的概率。最终，理解这些细节有望推动实现更精准地利用等离子体在硅片上蚀刻图案，从而制造出速度更快的芯片或存储容量更大的存储器。

"这是我们在能力建设上迈出的重大一步，"PPPL首席研究物理学家、详细阐述模拟发现的《等离子体物理》期刊论文合著者Igor Kaganovich表示。

提升代码可靠性

该代码初始版本采用的旧方法稳定性不佳。论文第一作者、阿尔伯塔大学研究员Dmytro Sydorenko指出，通过对方法进行重大修改显著提升了代码稳定性。"我们调整了方程组，模拟过程立即变得非常可靠且不再崩溃，"他解释道，"因此现在拥有了可用于二维空间感应耦合等离子体模拟的实用工具。"

代码改进的关键在于调整了电场计算方法。电场如同环绕电荷与电流的无形力场，施加作用力于粒子。在感应耦合等离子体中，载流线圈产生变化磁场，继而激发加热等离子体的电场。研究团队重点优化的正是这个被称为螺线管电场的物理量。

代码基于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）对这些程序进行了优化，他在该课题的物理、数学与计算机科学领域间架设了沟通桥梁。"针对复杂问题，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，因其能追踪单个粒子（或称为宏粒子的粒子团簇）在网格单元间运动的过程。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模拟。流体动力学方法对此类等离子体失效，因其采用平均值而非追踪单个粒子。

遵守能量守恒定律

"新模拟技术能快速构建大型等离子体模型，同时精确保持能量守恒，确保结果反映真实物理过程而非数值伪影，"Kaganovich强调。

现实世界中能量不会凭空产生或消失，遵循能量守恒定律。但计算机模拟中的微小误差会随步骤累积。鉴于每次模拟可能涉及数千甚至数百万计算步长，细微误差将导致结果严重失真。保持能量守恒可确保模拟结果真实反映实际等离子体行为。

PPPL的Stéphane Ethier也参与了新代码开发。该工作由应用材料公司与PPPL签订的DE-AC02-09CH11466号合作研发协议提供支持。