Simdroid-FEMAG：助力突破EUV光刻机核心材料技术壁垒
半导体芯片的高集成度要求光刻机采用更短波长的光源，7纳米以下线宽的半导体芯片需要波长13.5nm的EUV（极紫外）光刻技术。大部分材料对于EUV光具有强力的吸收特性，因此EUV光刻机使用反射光学镜代替透射透镜。氟化钙（CaF2）因其对EUV光的低吸收性、低热膨胀性以及高耐久性，成为EUV光刻机窗口、反射镜的首选材料。然而，作为EUV光刻机核心材料的深紫外级氟化钙晶体，其供应和技术长期受制于国外厂商，成为我国半导体产业发展的关键瓶颈。
图1 EUV光刻机工作原理图
图2 深紫外级氟化钙晶体 图源：微米光学
深紫外级氟化钙晶体的生长工艺有布里奇曼法、直拉法、温度梯度法、气相沉积法等多种方式。在实际应用中，需综合考量应用需求、原料纯度、设备条件以及生长成本等因素。其中，布里奇曼法（VB）是最常用的方法。
伏图-晶体生长模块（Simdroid-FEMAG）拥有国际上先进、高效、全面的晶体生长工艺模拟技术和多物理场耦合仿真分析功能，可模拟各种晶体生长工艺，广泛应用于半导体芯片、太阳能光伏、化合物半导体和光学晶体等领域。
Simdroid-FEMAG拥有功能齐全的VB法仿真功能，可对目前比较主流的坩埚下降生长工艺进行模拟分析，为工艺优化提供有力支撑。
通过深入的仿真模拟，Simdroid-FEMAG能够精准预测氟化钙晶体生长炉内的全局温度分布。在某案例中，研究人员利用软件对炉内温度场进行了模拟，并通过反向计算加热器功率，得到了与真实实验数据高度吻合的数值结果。这一预测结果为工艺参数的设定提供了科学依据，为后期工艺优化提供必要的理论数据基础。
图3 坩埚下降炉局部及全局温度分布
Simdroid-FEMAG通过瞬态计算，可模拟随着坩埚部件不断下降，整个生长过程中的炉内温度变化以及结晶固液界面形状的变化情况。在同案例中，研究人员预测了从生长放肩到收尾阶段的整个长晶过程，并得到了转肩阶段的降距以及全部结晶的总降距，为后期优化工艺提供了重要的数据参考。
图4 瞬态模拟结果
图5 不同降距时温度变化及固液界面形状预测
Simdroid-FEMAG还能对熔体内部的流动情况进行模拟预测，协助研发人员深入了解熔体内部对流换热情况，以及对固液界面形状的影响因素，为保证掺杂均匀性提供了有力的支持。
图6 坩埚内部熔体流动分布
此外，针对不同坩埚形状及壁厚，研究人员还进行了模拟对比，用于预测结晶固液界面形状的变化情况。
图7 不同坩埚形状及壁厚的温度及固液界面形状对比
总结来说，Simdroid-FEMAG可以助力深紫外级氟化钙晶体：
优化生长环境:
通过模拟晶体生长过程中的温度场、流场等物理场，优化生长环境，减少晶体缺陷的形成。
提高晶体质量:
根据模拟结果，预测晶体的缺陷及力学性能等，指导实际晶体生长过程，提高晶体质量。
缩短研发周期:
通过数值模拟，可以快速筛选和优化晶体生长工艺参数，加速晶体研发进程。
数值模拟技术为突破晶体生长“工艺黑箱”提供了新范式。Simdroid-FEMAG助力氟化钙晶体的研发，将有力提升国产EUV光刻机的核心部件性能，为半导体产业突围注入核心动能。
