劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)的研究人员正在与半导体芯片制造商应用材料公司合作，以改进在用于高效LED灯和其他产品的晶圆上沉积薄膜材料的工艺。该 能源公司的高性能计算的制造(HPC4Manufacturing)系 程序正在资助的努力。

可靠地制造具有有利的电学，光学，结构和化学性质的薄膜是制造中的重要问题。一种可能的沉积具有受控性能的薄膜的技术是高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)，由于在相关密度下建模磁控管等离子体放电是一项“重大挑战计算问题”，因此尚未进行优化，研究人员表示。

磁控溅射涉及用高密度等离子体(包含离子和电子)反复轰击“目标”，使材料从靶破裂并“溅射”到诸如硅晶片的衬底上。在HiPIMS中，磁控溅射的一种变体，等离子体通常是高能量和脉冲的。研究人员表示，HiPIMS的主要优势在于它们可以电离更多的溅射材料，从而更好地控制所得薄膜的均匀性和密度。

使用LLNL的高性能计算系统Cab和Quartz以及名为Chicago的商业代码，研究人员已经能够在HiPIMS过程中对三维等离子体的行为进行建模，为过程带来预测能力，并帮助科学家确定反应器几何结构如何专为获得行业所需的性能和均匀性而设计，以获得最佳的设备性能。

“基本上，拥有这样的模型你可以学到关于等离子体的所有知识，”LLNL研究员Andrea Schmidt说道，该项目的首席研究员。“你可以跟踪原子级别的东西，它们来自哪里，它们将去哪里。这些磁控管等离子体可具有复杂的磁场结构。应用材料公司有一个他们认为是秘密酱油的反应堆 - 我们可以研究其他几何形状，看看我们是否可以调整它以获得他们想要的东西，而无需通过实验来尝试所有这些配置。“

Lawrence Livermore和应用材料公司于2017年夏季签订了合作研发协议，此后不久该项目启动。应用材料项目的首席研究员米勒艾伦表示，通过使用芝加哥代码和LLNL的HPC资源，该团队能够获得模拟电压和电流与公司实验结果的近似匹配，具有真实的等离子体功率，首次。

“与LLNL等离子建模专家的合作非常令人兴奋，”艾伦说。“以前，由于计算密集等离子体的计算复杂性和计算成本，我们只能在低于实际工作范围两到三个数量级的情况下对三维几何进行建模。

通过HPC4Mfg合作，我们立即获得了直接适用于我们未来室设计的等离子体引发，结构和演变的见解。“

Schmidt说，最初，等离子模型没有达到预期，但最终建模团队，包括Ihor Holod和Tony Link，使模型可靠运行，首先是2D，然后是3D，使用沉积速率将模型与实验进行比较数据。

Holod表示，该结果具有独特的HiPIMS建模能力，具有逼真的等离子参数，器件尺寸和工作电压。还考虑了多种粒子物种的动力学和相互作用，包括电子，惰性气体中性物质和离子，以及中性和离子态的溅射物质。

“在将所有物理和数字组合在一起，并进行了长时间昂贵的模拟后，我们非常高兴看到在电流演变和溅射效率方面与实验测量的一致性，”Holod说。“动力学模拟为我们提供了等离子体行为的见解。这使我们能够看到磁控管室内溅射材料分布的演变，从而通过调整器件的几何形状实现可能的优化。此外，了解磁控管靶附近的磁化等离子体的动力学可以提高溅射效率。“

Holod说，这项工作的最大挑战是确定多个互补过程的适当参数，从而使集成电流与实验相匹配。另一个挑战是选择数值参数，因为团队需要解决阴极表面附近非常窄的鞘区域，其中离子和电子加速到对应于工作电压的能量。

研究小组完成了该项目的第一阶段，最近通过HPC4Mfg计划获得DOE先进制造办公室的资助，用于第二阶段。该后续项目将研究更广泛的HiPIMS放电现象，包括更大磁控管和等离子体积的3D等离子体建模，更长的沉积时间以及对反应化合物的溅射产率进行建模。