Comosl半导体磁控系统建模_Comsol_半导体_理论_材料

Comosl半导体磁控系统建模

半导体磁控系统是一类依托磁场与半导体工艺对象（晶圆、等离子体、载流子、金属熔体等）的相互作用，实现工艺精准调控的专用装备，核心作用是提升半导体制造的精度、均匀性与良率，广泛应用于薄膜沉积、刻蚀、离子注入、晶圆传输等关键环节。

作者 |卷积Ace

编辑 | 小苏

审核| 赵佳乐

图片| 软件截图

研究背景及意义

随着半导体器件向高密度集成、纳米尺度制程及多功能化方向快速演进，12英寸及更大尺寸晶圆制造对工艺精度、均匀性及稳定性的要求已达到原子级尺度，磁控系统作为薄膜沉积、等离子体刻蚀等核心工艺设备的关键单元，其磁场调控能力直接决定半导体器件的电学性能与量产良率。当前，先进制程中薄膜厚度均匀性偏差需控制在±1.5%以内，高介质膜与低阻金属膜的界面质量、晶体取向等关键指标均对磁场分布的精准度存在极强敏感性，而传统静态磁场设计面临等离子体约束不足、靶材利用率低及边缘效应显著等技术瓶颈，难以适配FinFET等先进器件的制造需求。

同时，全球高端半导体磁控设备被国外厂商垄断，其核心磁场设计技术与闭环调控算法形成严密技术壁垒，国内设备在磁场均匀性、动态响应速度及长期稳定性上与国际先进水平存在差距，制约了我国半导体产业自主可控进程。在此背景下，开展半导体设备磁控系统的磁场研究，兼具重要理论价值与迫切工程意义。

图1. 磁控设备工作台

物理场建模

（1）几何模型

根据设计图纸搭建了三维半导体磁控系统简化模型，主要包括磁体和空气，具体简化模型如图2所示。模型计算过程需设置材料的电导率、相对介电常数和相对磁导率，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。

图2. 几何模型

图3. 材料参数

（2）物理场边界条件

计算模型选择磁场模块进行计算。磁场设置固体和流体中的安培定律进行建模，磁控系统外边界选择默认的磁绝缘边界，磁体选择磁化模型。详细的物理场边界条件如图4所示。

图4. 边界条件

（3）网格划分

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用非结构网格对模型进行划分，网格分布如图5所示。

图5.网格分布

（4）结果展示

计算模型稳态求解器求解，通过计算得到半导体磁控系统电磁特性分布如下所示。

图6. 磁场分布

图7. 磁场强度分布

图8.磁感线分布

来源：Comsol有限元模拟

Comosl两相流

两相流是指两种不同相态的物质（气、液、固三相中任意两相）共同流动的流体系统，广泛存在于化工、能源、冶金、环境等工业领域，例如管道内的气液混合输送、锅炉内的汽液两相沸腾、土壤中的水 - 气渗流等。Comsol提供了多相流模块用于模拟气-液、液-液、气-固等两相/多相介质流动行为，其核心在于通过相场法、水平集法、VOF法（体积分数法）等界面捕捉技术，结合流体力学控制方程，实现两相界面的动态演化与流动特性分析。文丨热流Es编辑丨小苏审核丨赵佳乐经典两相流问题分析往一个空容器内部灌水，水在灌注过程中空气和水的流动过程可以采用Comsol水平集耦合层流模块进行求解。（1）物理建模新建一个空容器，里面包含空气，从上部缺口注入水流，水流速度0.1cm/s，从顶部流出。容器内部初始流体为空气，一段时间后充满液态水，根据上述要求搭建的物理场模型如下所示。图1. 几何模型图2. 材料参数图3. 边界条件图4. 网格分布（2）结果展示采用相初始化+瞬态计算方式进行求解，计算总时长1h，得到速度、压力和各相体积分数云图如下所示。图5. 速度分布图6. 压力分布图7. 500s时空气与水流体积分布图8. 1000s时空气与水流体积分布图9. 1500s时空气与水流体积分布图10. 2000s时空气与水流体积分布图11. 3600s时空气与水流体积分布来源：Comsol有限元模拟