微芯片由沙子中发现的相同元素制成，上面覆盖着复杂的图案，为智能手机提供动力，增强电器功能，帮助汽车和飞机运行。
现在，美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们正在开发计算机模拟代码，该代码将超越当前的模拟技术，并有助于利用等离子体生产微芯片。等离子体是物质的带电状态，也用于核聚变研究。
这些代码可以帮助提高制造过程的效率，并有可能刺激美国芯片行业的复兴。
“因为微芯片设备对我们的日常生活至关重要，它们是如何以及在哪里制造的，这是国家安全问题，”领导PPPL低温建模小组的首席研究物理学家伊戈尔·卡加诺维奇(Igor Kaganovich)说。
“强大而可靠的模拟工具可以准确预测等离子体的行为，缩短硅芯片的制造和设计周期，可以帮助美国在这一领域重新获得领导地位，并保持数十年。”
加快步伐
PPPL的一项研究工作涉及减少计算机模拟微芯片等离子体反应器所需的时间。这一创新将有助于私营企业广泛使用更复杂、更精确的模拟，并有助于它们降低微芯片成本。
“公司希望使用模拟来改进他们的流程，但它们通常在计算上是昂贵的，”安德鲁·塔斯曼·波维斯说，他是发表在《等离子体物理学》上的论文的合著者，也是PPPL的计算研究助理。“我们正在尽最大努力扭转这一趋势。”
物理学家通常希望模拟尽可能精确地再现等离子体，生成虚拟图像，以非常精细的细节揭示等离子体行为的复杂性。这个过程需要算法，需要遵循一套规则的程序，在很短的时间增量和很小的空间内模拟等离子体。
问题是，如此详细的模拟需要强大的计算机一次运行数天或数周。对于那些希望利用模拟技术改进其微芯片制造工艺的公司来说，这个时间框架太长，也太昂贵。
研究人员深入研究了等离子体物理学的历史，发现已经开发的算法可能能够缩短模拟微芯片等离子体所需的时间。研究人员从20世纪80年代找到了合适的算法;经过测试，该算法证明了在更短的时间内对微芯片等离子体系统进行建模的能力，而且精度只有很小的降低。
从本质上讲，研究人员发现，即使他们在更大的空间内模拟等离子体粒子，并使用更长的时间增量，他们也能得到很好的模拟。
“这一进展很重要，因为它可以为公司节省时间和金钱，”该研究的首席研究员、普林斯顿大学等离子体物理项目的前研究生孙浩民说。
“这意味着使用相同数量的计算资源，你可以创建更多的模拟。更多的模拟不仅能让你找到改进制造的方法，还能让你学到更多的物理知识。我们可以利用有限的资源做出更多的发现。”
波伊斯领导的相关研究强化了这种可能性。在发表在《等离子体物理学》上的一篇论文中，Powis证实，计算机代码可以在使用虚拟“细胞”或超过等离子体物理学中称为德拜长度的标准测量的小体积空间时生成等离子体粒子的精确模型。
这种发展意味着代码实际上可以使用更少的单元，并减少对计算时间的需求。“这是个好消息，因为减少电池的数量可以降低模拟的计算成本，从而提高性能，”Powis说。
这些算法可以模拟所谓的“电容耦合等离子体反应器”，这种反应器可以产生等离子体，工程师们用这种等离子体在硅片上蚀刻狭窄的通道。这些微小的通道形成了微电路，使微芯片能够工作。
“我们对这个过程的建模很感兴趣，这样我们就可以学习如何控制等离子体的特性，预测它们在新机器中的样子，然后预测蚀刻特性，这样我们就可以改进这个过程，”Powis说。
该团队计划通过添加不同种类的壁和电极材料的效果来进一步测试算法。“我们希望继续建立对这些算法的信心，这样我们就可以确保结果是准确的，”Powis说。
认识并克服固有的限制
另一项研究的重点是，由于模拟方法本身的固有局限性，等离子体模拟中可能出现的误差，这些方法模拟的等离子体粒子数量比真实等离子体中的要少。
“当你模拟等离子体时，你会理想地想要跟踪每一个粒子，并随时知道它在哪里，”塞拉·朱宾说，他是普林斯顿等离子体物理学项目的研究生，也是一篇论文的主要作者，报告了等离子体物理学的结果。“但我们没有无限的计算能力，所以我们做不到。”
为了解决这个难题，研究人员设计了代码，将数百万个粒子表示为一个巨大的粒子。这样做简化了计算机的任务，但也放大了虚拟大粒子之间的相互作用。因此，以一种速度运动的粒子的比例与以另一种速度运动的粒子的数量之间的变化——一个被称为热化的过程——比在自然界中发生得更快。从本质上讲，模拟与现实不符。
“这是一个问题，因为如果我们不解决这个问题，我们就无法模拟世界上实际发生的现象，”Jubin说。“如果我们想知道有多少电子以特定的速度运动，产生离子或与用于制造微芯片的材料相互作用的反应性化学物质，我们将无法获得准确的图像。”
为了弥补这些计算误差，研究人员发现，他们可以使超大粒子的体积更大，密度更低，从而减弱它们之间的相互作用，减缓粒子速度的变化。“实际上，这些结果为微芯片等离子体模拟的可能性设定了界限，指出了我们必须考虑的限制，并提出了一些解决方案，”Jubin说。
Jubin的发现强化了当前模拟技术必须改进的观点。无论是因为目前使用的代码需要较小的体积和时间增量，共同减缓模拟速度，还是因为它们根据计算要求产生错误，科学家们需要新的解决方案。“这实际上是该领域的一个范式转变，”Kaganovich说，“而PPPL正在引领这一方向。”
该团队包括来自普林斯顿大学、瑞士洛桑联邦理工学院等离子体中心、印度Birla技术与科学研究所、印度Homi Bhabha国家研究所、埃德蒙顿阿尔伯塔大学、应用材料公司和中法核工程与技术研究所的研究人员。
