本章学习目标

认识工具链

区分核心仿真器、交互工具和结果文件。

读懂输入

识别命令、参数、类型、变量和注释。

追踪结果

从运行输出走到结构、曲线和截线证据。

三节课的学习路线

• 第1节：认识 ATHENA、ATLAS 与交互工具的分工。
• 第2节：理解输入命令的动作、参数和值。
• 第3节：掌握 DeckBuild 运行控制与 TonyPlot 判读。

工具链分为三层

核心仿真

ATHENA 与 ATLAS 执行工艺和器件物理计算。

交互环境

DeckBuild、TonyPlot、DevEdit、MaskViews、Optimizer。

结果与自动化

输入、结构、日志、数据和显示设置贯穿任务。

各工具通过命令与文件协作

• 命令告诉模拟器执行什么动作。
• 模拟器把状态写入结构、日志和实时输出。
• TonyPlot 和 EXTRACT 把原始状态变成可读视图与指标。
• 工具之间的文件接口决定结果能否继续传递。

ATHENA 生成可交给 ATLAS 的工艺结构

• ATHENA 是二维工艺仿真核心，子模块扩展注入、刻蚀、淀积和光刻等能力。
• 工艺步骤按输入顺序改变几何、材料与掺杂。
• 每个关键步骤都可以保存结构，形成“工艺历史”。
• 最终结构可进入 ATLAS，继续计算电学响应。

工艺仿真的核心问题是：制造步骤如何塑造可计算的器件结构？

ATLAS 计算端口响应和内部物理量

• ATLAS 是二维器件仿真核心，求解给定结构上的电学、热学等行为。
• 它输出端口特性和内部载流子、电势、电场等分布。
• 材料参数、物理模型、接触和偏压条件必须匹配器件工作区。
• 器件结构可以来自 ATHENA、DevEdit 或已有结构文件。

DeckBuild 是输入与运行控制中心

界面分工

• 上部输入窗口保存可执行命令。
• 中部控制区负责运行与停止。
• 下部实时输出显示状态和错误。
• 菜单提供示例、绘图、提取和工具入口。

TonyPlot 把结果变成可读证据

统一的可视化入口

• 二维结构与材料区域
• 一维截线和用户数据
• 端口特性曲线
• 多个结果的叠加比较

理解数据结构，比记住每个按钮位置更重要。

DevEdit 面向结构编辑与重新划分网格

• 用于创建、修改和重新网格化器件结构。
• 适合导入或手工调整无法由标准工艺流直接得到的结构。
• 几何修改会改变后续器件仿真的物理问题。
• 新版结构必须重新检查材料、电极、掺杂和网格。

MaskViews 把版图截面接入工艺仿真

MaskViews 是面向 TCAD 的集成电路版图接口，可从版图选择感兴趣区域并生成截面，供工艺仿真使用。

• 支持用户绘制或导入版图数据。
• 工艺输入中的层名或掩膜名必须与版图定义一致。
• 截面的位置和范围决定后续二维仿真看到什么。
• 版图尺寸、晶圆尺寸和工艺偏差需要分别说明。

Optimizer 用目标和变量组织参数搜索

Optimizer 依赖 DeckBuild，适合组织搜索，但不能替代物理合理性判断。

工具分工清晰，结果责任才不会丢失

• ATHENA 对工艺结构与掺杂负责。
• ATLAS 对器件方程、模型和端口响应负责。
• DeckBuild 对输入与运行控制负责。
• TonyPlot 对可视化负责。
• 使用者对条件、解释和结论负责。

仿真工作从问题定义开始

1. 器件类型与工作状态是什么？
2. 结构来自工艺、版图还是已有文件？
3. 需要哪些材料与物理模型？
4. 偏压和温度如何扫描？
5. 最终用哪些指标和内部场判断结果？

输入文件是一份可执行的技术说明

一个输入文件通常包含：

• 模拟器和版本选择；
• 网格、区域、材料和电极；
• 掺杂或工艺步骤；
• 物理模型与接触；
• 求解、扫描和输出命令；
• 注释和变量，用于解释与复用。

输入文件应当让另一个研究者在不询问作者的情况下重建任务框架。

完整链路需要四类交接物

GO 语句切换仿真器但不应切断上下文

GO 语句让 DeckBuild 从当前环境进入指定模拟器。切换后，已有结构、文件路径和运行状态仍然影响后续任务。

• 明确当前模拟器与目标模拟器。
• 检查结构文件是否已保存并位于预期目录。
• 确认后续命令属于新模拟器的语法体系。
• 在日志中保留从工艺到器件的切换点。

输出文件承担不同证据角色

统一工作目录避免文件找错

• 输入、结构、日志和图像应放在可识别的任务目录。
• 文件名应体现器件、偏压或参数差异。
• 不要在多个目录随意覆盖同名结构。
• 运行前确认相对路径的起点。
• 结束前将设置文件与对应结果一起保存。

文件管理是仿真流程的一部分。

交互模式适合探索，批处理适合复现

示例库与手册是最可靠的学习入口

示例

完整输入展示命令顺序、文件交接和典型结构。

用户手册

给出参数定义、默认值、单位和模型说明。

当前版本

版本变化可能改变功能与默认行为。

运行历史支持回溯和分支比较

• 工艺历史记录每个工艺步骤后的状态。
• 可以选择较早的输入行重新初始化，再尝试不同分支。
• 历史文件有助于比较工艺变化，但必须保留分支点。
• 器件仿真日志同样记录扫描状态，但不是工艺历史。

第1节复盘：画出一次仿真链

请用“问题—工具—输入—中间结构—最终结果—证据文件”六个框，画出一个功率二极管的仿真链。

• 工具选择服务于问题，而不是反过来。
• ATHENA 与 ATLAS 之间以结构文件交接。
• DeckBuild 组织输入和运行，TonyPlot 负责可视化。
• 目录、历史和版本决定结果能否复现。

Silvaco 命令遵循动作加参数结构

command parameter1=<n> parameter2=<c> [parameter3 | parameter4]

• 第一个词说明要执行的动作。
• 后续字段用参数名和参数值描述细节。
• 方括号表示文档中的可选部分。
• 竖线表示同一组选项之间的互斥关系。

命令关键字不区分大小写

培训资料明确指出，Silvaco 命令关键字不区分大小写。

• 大小写不改变命令类别。
• 但参数值中的材料名、文件名和层名仍应遵循文档与文件系统。
• 团队协作时应统一书写风格。
• 不要依赖“能运行”来证明大小写语义完全一致。

空格划分命令与参数边界

• 命令与第一个参数之间需要分隔。
• 不同参数之间同样需要清晰分隔。
• 参数值内部如包含空格，应按文档要求使用引号或字符串形式。
• 不应通过删除空格来“压缩”命令。

参数值分为字符、整数、逻辑和实数

类型错误即使“看起来像数字”，也可能无法被正确解释。

参数名常由属性路径拼接而成

• 单属性参数可能使用完整单词或标准缩写。
• 多属性参数常把对象、方向、量或范围拼在一起。
• 点号常用于组织层级，例如位置、方向和属性。
• 长参数名更容易读，缩写更短但需要核对。

不要根据字面猜单位。参数名的含义、默认值和量纲应以当前版本手册为准。

单位和缺省值必须查对应手册

• 同一物理量在不同命令中可能采用不同默认单位。
• 省略参数不等于没有效果，可能采用默认值。
• 单位换算错误会表现为数量级异常，而不是语法错误。
• 材料、温度和几何参数尤其容易出现量纲混用。

输入文件中应保留关键单位和来源注释。

缩写能省字符，也可能制造歧义

• 培训资料允许在无冲突时使用命令缩写。
• 缩写是否合法取决于可用命令集合和当前版本。
• 团队代码应优先选择清楚、稳定的写法。
• 修改命令后要重新检查缩写是否仍无冲突。

长命令要优先保持可读性

• 一条逻辑命令包含大量参数时，可借助文档允许的续行方式排版。
• 不要随意在参数值中间断行。
• 续行符、空格和注释的具体规则应以当前手册为准。
• 每条命令旁可记录物理目的，而不是只写语法说明。

注释解释物理意图

培训资料使用 # 标记输入注释。

# 4H-SiC drift region: doping and thickness are calibrated together
doping uniform conc=1e15 n.type

• 注释不进入物理求解。
• 好的注释说明为什么采用该参数。
• 注释应引用数据来源或校准条件。
• 注释不能替代实际存在的命令。

空行服务结构阅读

• 空行通常不执行命令。
• 可用空行分隔网格、工艺、器件和输出段落。
• 分段应体现输入文件的逻辑层级。
• 空行过多或没有分段都会增加审阅成本。

让输入文件像实验记录一样有段落。

文档中的竖线表示互斥选项

[ parameter3 | parameter4 ]

• 方括号内的内容可能是可选项。
• 竖线表示在若干选项中选择一个。
• 选项是否可组合，要看命令说明，不能只凭括号推断。
• 省略可选项时，默认行为需要单独确认。

SET 把重复数值变成可追踪变量

SET 语句可以把输入文件中的数值变为变量，供后续命令复用，也为参数扫描和优化提供统一入口。

• 变量名应表达物理含义。
• 一个参数只在一个位置赋初值。
• 修改变量后检查所有依赖命令。
• 变量值和单位来源应可追溯。

网格命令定义求解空间骨架

• LINE 语句用于定义坐标线和局部间距。
• 网格需要覆盖器件几何和后续工艺变化区域。
• 间距应从关键界面向外平滑过渡。
• 工艺仿真得到的网格进入器件仿真后仍需复核。

区域与材料命令建立结构语义

• 区域命令把几何空间分配给具体材料和编号。
• 材料名称决定可用参数与模型集合。
• 区域重叠、空隙或编号错误会改变物理问题。
• 结构输出后应检查材料图和边界，而不是只看命令是否通过。

电极和掺杂把端口与电荷带入模型

求解与扫描命令组成偏置路径

• 求解命令设定器件在当前偏置下的状态。
• 扫描命令按顺序改变电压、电流或温度。
• 保存命令在关键状态写出结构或日志。
• 输出命令连接可视化与数据提取。

偏置路径应覆盖目标工作区，并在快速变化处减小步长。

EXTRACT 把原始结果转换为指标

• 工艺仿真可提取结深、氧化层厚度、表面浓度等。
• 器件仿真可从日志提取端口参数或曲线目标。
• 提取结果可以打印到实时输出或写入数据文件。
• 提取公式、作用对象和条件必须随结果保存。

指标提取不是最后一步装饰，而是连接仿真结果与工程判据的桥梁。

TONYPLOT 语句连接运行与可视化

• 可在输入中调用 TonyPlot 打开指定结构或日志。
• 自动绘图提高效率，但显示内容依赖默认设置。
• 关键结果仍应主动设置物理量、范围、图例和截线。
• 保存显示设置，才能重现同一张图。

错误信息要回到命令与状态

1. 找到报错前最后执行成功的命令。
2. 对照当前模拟器、参数类型和单位。
3. 检查结构或模型是否已进入异常状态。
4. 在对应版本文档中确认合法取值。
5. 做最小修改后重新运行，避免同时改多项。

第2节复盘：逐词拆解一条命令

• 哪个词决定动作？
• 哪些字段是参数名？
• 参数是字符、整数、逻辑还是实数？
• 数值对应什么单位和适用条件？
• 该命令改变结构、模型还是偏置状态？

DeckBuild 分为输入区和输出区

• 上部窗口显示当前输入文件。
• 下部窗口显示运行状态、警告、错误和提取结果。
• 控制条提供运行、逐步执行、停止和初始化。
• 菜单组织文件、编辑、命令、执行、示例和工具。

读界面时先找“当前文件”和“当前状态”。

菜单按任务阶段组织

文件与编辑

打开、保存、设置工作路径和修改输入。

命令与工具

插入标准命令、绘图、提取或调用其他工具。

执行状态

运行、暂停、继续、停止与初始化。

Run 执行到末尾或断点

• Run 从当前状态开始向下执行输入。
• 如果设置了断点，运行可在断点前停止。
• 运行过程中实时输出持续更新。
• 结束条件不保证结果收敛或物理正确。

看到“运行结束”后仍要检查警告、收敛状态和输出文件是否完整。

Stop、Next 与 Continue 对应不同粒度

Kill 会立即强制结束，可能留下不完整产物。

Initialize 从历史步骤重启

断点把长输入切成观察节点

• 在关键工艺或偏置步骤前设置停止行。
• 运行到断点后查看结构、日志和实时输出。
• 每次只改变一个条件，比较分支差异。
• 分支完成后保留新的结果文件和输入版本。

断点让调试从“整段黑箱”变为“可观察步骤”。

实时输出要先找第一条错误

• 状态信息说明当前模拟器和执行进度。
• 警告可能在后续导致结构或收敛异常。
• 错误通常包含行号、命令和参数线索。
• 后续大量重复错误可能只是第一个错误的连锁反应。

先定位首因，再判断是否需要修改模型。

TonyPlot 的同一界面承载两类数据

先识别数据源

• 结构文件给空间分布和材料几何。
• 日志文件给端口变量和扫描曲线。
• 显示菜单中的可用量与数据类型有关。
• 标题栏和文件路径应被保留在记录中。

Display 菜单决定你看见什么

常用显示层

• Mesh：查看网格分布
• Edges / Regions：查看边界与材料
• Contours：查看物理量等值线
• Junction / Electrodes：查看结与电极

显示层可以叠加，但不应一次打开全部内容。

结构视图要分别检查三类语义

材料区域

区域是否闭合，材料名称和界面是否符合设计。

结与边界

PN 结、异质界面和耗尽区位置是否合理。

电极

名称、位置和接触类型是否与偏置命令一致。

曲线视图要核对轴、图例与单位

• 横轴表示什么扫描变量？
• 纵轴是电流、电流密度还是其他量？
• 对数轴是否改变了视觉趋势？
• 图例中的曲线对应哪个文件或条件？
• 曲线是否覆盖目标工作区和电流拐点？

Cutline 将二维分布转为一维证据

读图顺序

1. 确认截线所在的结构和偏压。
2. 确认起点、终点和方向。
3. 检查一维曲线的物理量和单位。
4. 与二维图中的高场或结位置对应。

截线位置必须记录，否则曲线不可复核。

Ruler 与函数运算服务派生指标

• Ruler 可读取两点距离、连线角度和斜率。
• 一维曲线可做积分或函数组合。
• 派生量必须写清原函数和单位。
• 视觉测量要与原始数据提取交叉核对。

能从图上量出来，不等于应当只靠手工量；关键指标应尽量由数据或 EXTRACT 生成。

叠加比较要求条件一致

• 结构比较应尽量采用相同坐标范围和色标。
• 曲线比较应采用相同轴范围与电流判据。
• 图例要区分结构、偏压、温度或参数值。
• 叠加前先单独检查每条曲线或每个结构。
• 不要用不同网格或模型的结果直接得出参数趋势。

保存显示设置让图可复现

• 保存曲线、场图、色标和截线设置。
• 记录设置文件与对应结构或日志。
• 重新打开时核对默认路径和文件版本。
• 报告中的图应能由保存设置重建。

图的外观也是结果证据的一部分。

输出文件与运行记录共同构成证据

可执行输入

命令、变量、模型、注释和版本。

原生结果

结构、日志、提取数据和显示设置。

运行记录

警告、失败点、参数来源和人工判断。

注释与变量降低复现成本

• 用注释解释每个物理段落的意图。
• 用变量统一重复数值和扫描参数。
• 变量名包含物理对象和单位含义。
• 参数来源写在注释或外部记录中。
• 修改后保留输入版本和输出对应关系。

可复现的输入通常比“最短的输入”更有价值。

从示例学习语法要回到当前文档

1. 先读示例说明和预期结果。
2. 识别命令所属模拟器和版本。
3. 在用户手册中确认参数定义。
4. 只修改一个变量并观察变化。
5. 保存修改后的输入和结果证据。

理论案例：复原一次功率器件分析链

从界面到结论

1. DeckBuild 输入并运行结构或器件任务。
2. 检查实时输出是否完整、是否收敛。
3. TonyPlot 打开结构，核对材料、电极和网格。
4. 打开日志曲线，定位击穿或通态指标。
5. 用 Cutline 读取关键位置的内部场。

第3节复盘：界面、命令与文件闭环

能运行只是起点；能说明输入做了什么、结果来自哪个文件、图对应哪个条件，才算完成闭环。

• DeckBuild 管理输入、运行状态和历史。
• TonyPlot 识别的第一件事应是文件类型。
• Display 选择显示语义，Cutline 提供一维证据。
• 输入、原生结果、显示设置和运行记录共同支撑结论。

本章小结

• Silvaco 工具链由核心仿真、交互环境和结果数据共同组成。
• ATHENA 输出工艺结构，ATLAS 计算器件响应。
• 输入命令由动作、参数名、参数值和适用条件构成。
• DeckBuild 组织运行，TonyPlot 负责结构、曲线和截线判读。
• 只有输入、原生结果、设置和运行记录形成闭环，截图才具备证据价值。

课堂任务与检查点

任选一个功率器件结果页，书面还原它的工具链：输入文件做了什么、产生哪些原生文件、图从哪个文件来、关键条件是什么。

• 检查点 1：能否区分工艺结构、器件日志和显示设置？
• 检查点 2：能否逐词解释一条输入命令？
• 检查点 3：能否定位 Run、Stop、Continue 和 Initialize 的状态差异？
• 检查点 4：能否记录 cutline 的位置、偏压和来源文件？

本章参考文献

1. SILVACO INTERNATIONAL. Silvaco TCAD Framework, Interactive Tools and Basic Operations[Z]. Silvaco TCAD Training Materials, n.d.
2. SILVACO INTERNATIONAL. Silvaco TCAD Simulation Flow and Syntax Rules[Z]. Silvaco TCAD Training Materials, n.d.
3. SILVACO INTERNATIONAL. Introduction to Interactive Tools[Z]. Silvaco International, n.d.
4. SILVACO INTERNATIONAL. Guide to Using TCAD with Examples[Z]. Silvaco International, 2009.
5. SILVACO INTERNATIONAL. TCAD Workshop Using Silvaco TCAD Tools: Volume I[Z]. Silvaco International, n.d.