技术科学论坛团队｜撰文

芯片已成为支撑人工智能、5G通信、新能源汽车、航空航天等战略性新兴产业发展的核心器件。而集成电路制造是一个集精密机械、光学工程、材料科学、电子信息等多学科于一体的高端制造领域，其中，光刻机负责“绘制蓝图”，将芯片设计图案精准转移到硅片上；气体刻蚀机负责“精雕细琢”，将转移后的图案精准蚀刻成型。两大装备缺一不可，直接决定了芯片制造的精度、效率与成本。

长期以来，全球微电子核心装备市场被荷兰ASML公司、美国应用材料公司、日本东京电子公司等少数企业垄断，我国在该领域长期面临“卡脖子”困境。

本文聚焦其中的等离子体刻蚀机，以及它工艺腔室内一个长期制约国产装备突破的技术难题——稀薄气体流场的精准控制。二十年前，北京大学与北方微电子的一段合作，用数值模拟方法把这个原本难以下手的问题变得可解。

气体刻蚀机（Gas Etching Machine）又称等离子体刻蚀机，是集成电路制造中刻蚀环节的核心设备，其核心功能是利用等离子体（由气体电离形成的带电粒子集合）与硅片表面的材料发生物理或化学反应，将光刻后残留的光刻胶图案下方的材料精准蚀刻去除，形成芯片所需的电路结构与器件结构。

气体刻蚀机的工作原理基于等离子体刻蚀技术，主要分为物理刻蚀、化学刻蚀和物理化学刻蚀三种类型。其中，物理刻蚀是利用等离子体中的带电粒子（如离子）高速轰击硅片表面，通过动量转移将表面材料剥离；化学刻蚀是利用等离子体中的活性基团（如氟离子、氯离子）与硅片表面材料发生化学反应，生成易挥发的产物，从而实现材料的去除；物理化学刻蚀则是结合了两种方式的优点，既能实现精准的刻蚀精度，又能保证刻蚀速率，是目前应用最广泛的刻蚀方式。

气体刻蚀机的工作过程主要包括：将硅片放入刻蚀腔体内，通入特定的刻蚀气体（如氟气、氯气、氧气等），通过射频电源激发气体电离形成等离子体；等离子体在电场的作用下，向硅片表面运动，与硅片表面的材料发生物理或化学反应，去除不需要的部分；刻蚀完成后，排出腔体内的废气，取出硅片，进入后续的清洗、沉积等环节。

刻蚀机可分为干法刻蚀机和湿法刻蚀机，其中干法刻蚀机（以等离子体刻蚀为主）凭借更高的刻蚀精度和更好的工艺可控性，成为高端芯片制造的主流装备。

气体刻蚀机的核心技术难点集中在刻蚀腔室、射频电源、气体控制系统、等离子体诊断与控制等关键部件，需要实现等离子体的稳定产生、刻蚀气体的精准控制、刻蚀过程的实时监测与调节，以确保刻蚀精度、均匀度和速率的平衡。不同刻蚀气体具备不同特性，如F基气体可与Si/SiO2反应产生易挥发产物，适合介质刻蚀；Cl基气体需结合物理轰击，适合金属刻蚀；O2可用于光刻胶灰化，N2可作为稀释气体提升等离子体稳定性，这些气体的合理搭配的是刻蚀工艺的关键。

气体刻蚀机的核心功能是实现芯片图案的精准成型，具体可分为四个层面：一是高精度刻蚀，确保刻蚀后的线路宽度、深度误差控制在纳米级，与光刻图案完全匹配；二是高选择性刻蚀，只刻蚀目标材料，不损伤周围的光刻胶和其他材料，避免出现刻蚀过度或刻蚀不足的问题；三是均匀性刻蚀，确保硅片表面不同区域的刻蚀速率和深度一致，保证芯片的一致性；四是高效刻蚀，满足大规模量产需求，提升芯片生产效率，同时降低刻蚀过程中的气体消耗和能耗。

随着芯片制程的不断升级，气体刻蚀机还需要具备更高的刻蚀选择性、更精细的刻蚀轮廓控制、更快的刻蚀速率等功能。例如，在7nm及以下先进制程中，需要刻蚀出高深宽比的电路结构（深宽比可达50:1以上），这就要求气体刻蚀机具备更强的等离子体控制能力和更精准的气体配比控制能力。

在等离子体刻蚀机的工作过程中，工艺腔室内的稀薄气体流场控制是核心技术难点之一。等离子体刻蚀机需通过精准控制稀薄气体流场，实现等离子体的均匀产生、稳定传输及刻蚀反应的精准调控，直接影响芯片刻蚀精度、均匀性及良率。随着芯片制程向5nm及以下先进节点升级，对稀薄气体流场的控制精度要求提升至纳米级，其控制难度进一步加大。数值模拟方法凭借高效、低成本、可预测的优势，已成为等离子体刻蚀机工艺腔室分析与设计的核心手段，可有效解决稀薄气体流场控制难题，优化腔室结构与工艺参数。

等离子体刻蚀机工艺腔室内的气体处于稀薄状态，其流场特性与常规大气环境下的气体流场存在本质差异，这也是其控制难度大的核心原因。稀薄气体的分子平均自由程与腔室特征尺寸相当甚至更大，分子间碰撞频率降低，连续介质假设不再完全适用，流场呈现出“连续-过渡-自由分子流”的多区域混合多尺度特性。同时，腔室内存在射频电场、温度梯度、化学反应等多物理场耦合，气体流场不仅受到腔室结构、进气方式、排气压力的影响，还与等离子体的电离、输运过程相互作用，进一步增加了流场控制的复杂性。此外，先进制程对气体流场的均匀性要求极高，如12英寸晶圆刻蚀中，流场均匀性误差需控制在±5%以内，任何微小的流场畸变都可能导致刻蚀速率不均、线条畸变等问题，加剧了控制难度。

数值模拟方法通过建立数学模型，对工艺腔室内稀薄气体流场、等离子体输运、化学反应等过程进行仿真模拟，可精准捕捉流场分布规律，为腔室设计与工艺优化提供科学依据。

其中最核心的一步，是数学模型的建立，这是数值模拟的基础，需结合稀薄气体流场特性，选择合适的控制方程与模型。针对稀薄气体流场，常用的模型包括连续介质模型、滑移流模型、直接模拟蒙特卡洛（DSMC）模型及混合模型。其中，连续介质模型适用于气体分子平均自由程远小于腔室特征尺寸的连续流区域，通过Navier-Stokes方程描述流场运动；滑移流模型适用于过渡流区域，在连续介质模型基础上引入滑移边界条件，修正分子滑移效应；DSMC模型适用于自由分子流区域，通过模拟大量气体分子的运动与碰撞，精准描述分子级别的流场特性；混合模型则结合上述三种模型的优势，可同时模拟腔室内多区域流场，兼顾计算精度与效率。同时，需耦合等离子体输运模型与化学反应模型，考虑射频电场对气体电离的影响、活性粒子的生成与消耗，以及刻蚀反应对气体流场的反馈作用，构建完整的多物理场耦合数学模型。

尽管数值模拟方法在等离子体刻蚀机工艺腔室设计中具有显著优势，但在实际应用中仍面临诸多难点，主要集中在模型精度、多物理场耦合、计算效率三个方面，需针对性采取解决办法。

第一个难点是稀薄气体流场模型的精准度不足。由于工艺腔室内流场呈现多区域混合多尺度特性，不同区域的流场规律差异较大，单一模型难以精准描述全区域流场，而混合模型的构建与求解难度较高，容易出现模型误差。同时，气体分子与壁面的相互作用、活性粒子的化学反应等过程复杂，难以精准量化，进一步影响模型精度。

解决办法主要有两种：一是优化混合模型结构，根据腔室结构与工艺参数，划分连续流、过渡流、自由分子流区域，针对性选择合适的子模型，如在进气口附近采用连续介质模型，在腔室边缘采用DSMC模型，提升不同区域的模拟精度；二是通过实验数据校准模型参数，结合等离子体诊断实验、流场测试实验，修正分子碰撞截面、壁面反射系数、化学反应速率等关键参数，减少模型假设带来的误差，提升模拟结果的可靠性。

第二个难点是多物理场耦合仿真的复杂性高。等离子体刻蚀机工艺腔室内存在气体流场、射频电场、温度场、化学反应场等多场耦合，各物理场之间相互影响、相互制约，如气体流场影响等离子体的输运与分布，等离子体的电离反应释放热量，改变腔室内温度场，进而影响气体流场特性。多场耦合的仿真计算难度大，容易出现计算不收敛、结果失真等问题。

解决办法包括：采用分步耦合策略，先求解气体流场，再将流场结果作为输入，求解等离子体输运与化学反应场，逐步实现多场耦合，降低计算复杂度；优化数值算法，选择稳定性强、收敛速度快的算法，如隐式有限体积法，减少多场耦合带来的计算振荡；简化次要物理过程，在保证模拟精度的前提下，忽略影响较小的副反应、微弱温度梯度等，聚焦核心物理过程，提升计算效率与收敛性。

第三个难点是计算效率与模拟精度的平衡难题。精准模拟稀薄气体流场与多物理场耦合过程，需要大量的计算资源与较长的计算时间，尤其是DSMC模型，模拟大量分子运动时，计算量极大，难以满足快速设计与优化的需求；而过度简化模型以提升计算效率，又会导致模拟精度下降，无法准确反映实际流场特性。

解决办法主要包括：采用并行计算技术，利用多核心处理器、分布式计算平台，拆分计算任务，缩短计算时间；优化网格划分，在流场变化剧烈的区域（如进气口、排气口、晶圆表面）采用加密网格，在流场平缓区域采用稀疏网格，兼顾计算精度与效率；引入机器学习算法，通过训练大量模拟数据与实验数据，建立流场特性与腔室结构、工艺参数的关联模型，快速预测流场分布，减少复杂仿真计算的次数，实现高效优化。

随着芯片制程的不断升级，等离子体刻蚀机工艺腔室的设计要求持续提高，稀薄气体流场的控制难度也将进一步加大，数值模拟方法的重要性愈发凸显。未来，需进一步完善稀薄气体流场模型，提升多物理场耦合仿真的精度与效率，结合实验测试与机器学习技术，实现腔室结构与工艺参数的智能化优化。

21世纪初期的几年间，北方微电子与北京大学曾经协力合作开展等离子体刻蚀机的数值模拟研究。2001年北方微电子成立之初，核心技术与高端设备均被“卡脖子”。

彼时，国内刻蚀机研发面临诸多瓶颈，尤其是工艺腔室稀薄气体流场控制难度极大——流场呈现“连续-过渡-自由分子流”多区域混合多尺度特性，且与射频电场、温度场、化学反应场深度耦合，传统实验方法研发成本高、周期长，难以满足技术迭代需求。而数值模拟作为高效、低成本的研发手段，虽在国际上广泛应用，但国内相关技术积累薄弱，缺乏兼具理论深度与工程实用性的核心模型，成为制约刻蚀机自主研发的关键障碍。

正是在这样的背景下，北京大学与北方微电子开启了校企合作之路。合作初期，双方就明确了核心目标：攻克等离子体刻蚀机数值模拟的关键技术，构建贴合实际生产场景的多物理场耦合仿真模型，解决稀薄气体流场模拟精度不足、多场耦合复杂、计算效率低下等痛点，为刻蚀机工艺腔室设计与工艺优化提供科学支撑。北京大学陈耀松教授领导科研骨干牵头，北方微电子资深工程师全程参与。

合作之路并非一帆风顺，首个核心难题便是稀薄气体流场模型的精准度不足。当时，国内常用的单一数值模型无法精准描述工艺腔室内多区域流场特性，要么精度不足，要么计算量过大，难以适配工程应用需求。为了攻克这一难题，联合团队奋斗了很长时间，科研人员反复推演数学模型，优化数值算法，通过大量仿真实验验证模型可行性；北方微电子的生产车间里，工程师们将仿真模型应用于实际腔室测试，采集流场、等离子体浓度等关键数据，反馈给高校团队进行模型校准。经过两年多的反复迭代，提出了多区域混合仿真模型，将DSMC模型与滑移流模型、连续介质模型结合，既保证了模拟精度，又大幅降低了计算量。

多物理场耦合仿真的复杂性，是双方合作攻克的第二个关键难关。等离子体刻蚀机工艺腔室内，气体流场、射频电场、温度场、化学反应场相互影响、相互制约，单一物理场模拟无法反映实际工作状态，而多场耦合仿真计算难度大、易出现收敛失真问题。针对这一痛点，联合团队采取了分步耦合的策略，引入隐式有限体积法提升计算稳定性；北方微电子工程师则聚焦实际工艺需求，梳理出影响刻蚀效果的核心物理过程，协助团队简化次要副反应与微弱温度梯度，让多物理场耦合仿真技术快速突破，可精准捕捉流场与等离子体、温度场的相互作用规律，仿真结果与实际测试误差控制在8%以内，大幅提升了刻蚀机工艺腔室的设计效率。

计算效率与模拟精度的平衡，是数值模拟技术走向工程应用的关键。初期，精准模拟稀薄气体流场与多场耦合过程需要大量计算资源，单组仿真实验往往需要数周时间，无法满足刻蚀机快速迭代需求。联合团队再次携手攻关，北京大学科研团队引入并行计算技术，优化网格划分策略，在流场变化剧烈的进气口、晶圆表面等区域采用加密网格，在流场平缓区域采用稀疏网格，兼顾精度与效率，大大提升了计算速度。

随着合作不断深入，成果开始显现。北方微电子成功优化了12英寸等离子体刻蚀机工艺腔室结构，射频线圈形状和布局，调整进气口分布与排气通道设计，改善了稀薄气体流场均匀性，使12英寸晶圆刻蚀均匀性误差控制在±5%以内，满足了28nm及以下制程的刻蚀需求。2014年，北方微电子自主研发的12英寸28纳米等离子硅刻蚀机全面通过中芯国际生产线全流程工艺验证并获得订单，其中数值模拟技术发挥了关键支撑作用，打破了国外对该领域的技术封锁与市场垄断。

这项研究成果2009年分别获得了国家科技进步二等奖和北京市科技进步一等奖，这是一次成功的校企合作，解决了国家迫切的需求，值得纪念。