圖1.射頻放電診斷系統(tǒng)與相似射頻放電參數(shù)設(shè)計(jì)

核心摘要：

清華大學(xué)與密歇根州立大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表重大成果，首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了射頻等離子體的相似性定律，并成功構(gòu)建全球首個(gè)等離子體“尺度網(wǎng)絡(luò)”模型。該研究利用國(guó)產(chǎn)逐光IsCMOS相機(jī)(TRC411-H20-U)的超高時(shí)空分辨率，成功捕捉納米秒級(jí)等離子體動(dòng)態(tài)，為半導(dǎo)體核心工藝設(shè)備(等離子體蝕刻與沉積)從實(shí)驗(yàn)室小型原型等比例放大至工業(yè)級(jí)晶圓廠規(guī)模提供了關(guān)鍵理論依據(jù)和實(shí)用工具，有望將工業(yè)試錯(cuò)成本降低90%以上，加速芯片制造工藝革新。

背景：高端芯片制造的“放大”困局

等離子體蝕刻與沉積是芯片制造的核心工藝。然而，如何將實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的小型等離子體源等比例放大到12英寸晶圓廠級(jí)別，同時(shí)保持工藝所需的均勻性與穩(wěn)定性，是困擾全球?qū)W界和產(chǎn)業(yè)界數(shù)十年的核心難題。傳統(tǒng)研發(fā)依賴高昂的反復(fù)試錯(cuò)。

突破1、等離子體“縮放公式”獲實(shí)驗(yàn)確證——從實(shí)驗(yàn)室到工廠的橋梁

研究團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一個(gè)革命性理論：若兩個(gè)幾何相似的等離子體系統(tǒng)滿足 “壓力×距離 (p·d)” 與 “頻率×距離 (f·d)” 同時(shí)等比例縮放，則其核心物理行為將呈現(xiàn)尺度不變性。

意義：這意味著工程師只需精心設(shè)計(jì)和測(cè)試一套小型、低成本的原型機(jī)，即可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)未來(lái)工業(yè)級(jí)大型設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝效果，徹底改變研發(fā)模式。

挑戰(zhàn)：該理論長(zhǎng)期缺乏實(shí)驗(yàn)支撐，因?yàn)榈入x子體激發(fā)過(guò)程發(fā)生在納秒量級(jí)，常規(guī)診斷設(shè)備無(wú)法捕捉其快速時(shí)空演化動(dòng)態(tài)。

突破2、逐光IsCMOS相機(jī)——破解動(dòng)態(tài)演化的“超高速之眼”

研究團(tuán)隊(duì)采用相位解析光學(xué)發(fā)射光譜(PROES) 技術(shù)，通過(guò)探測(cè)氬氣等離子體在750.4 nm的特征發(fā)光，反推電子激發(fā)動(dòng)力學(xué)。而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的核心設(shè)備，正是逐光IsCMOS相機(jī)：

4納秒超短曝光：精準(zhǔn)“凍結(jié)”13.56 MHz射頻周期內(nèi)(74 ns)的等離子體鞘層振蕩;

萬(wàn)幀同步觸發(fā)：通過(guò)延遲發(fā)生器(DG645)鎖定射頻相位，重構(gòu)整個(gè)周期的時(shí)空演化圖譜;

單光子級(jí)靈敏度：在弱光環(huán)境下成功捕獲鞘層邊緣的關(guān)鍵激發(fā)信號(hào)(探測(cè)氬氣750.4 nm發(fā)光)見(jiàn)原文圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))。

關(guān)鍵證據(jù)：當(dāng)系統(tǒng)A(2 cm間隙, 13.56 MHz, 75 Pa)與系統(tǒng)B(1 cm間隙, 27.12 MHz, 150 Pa)按相似定律縮放時(shí)，IsCMOS捕獲的兩者發(fā)光分布在時(shí)空尺度變換后完全重疊(圖2a)，首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)尺度不變性!

研究揭示了射頻放電從初始狀態(tài)經(jīng)歷氣壓、尺度和頻率調(diào)節(jié)后的激發(fā)速率時(shí)空演化規(guī)律(原文圖2)，涵蓋了初始態(tài)(000)、相似態(tài)(111)及六種過(guò)渡態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果高度一致，不僅證明了初始態(tài)與相似態(tài)的尺度不變性，同時(shí)揭示了放電從初始態(tài)到相似態(tài)完備的狀態(tài)變化規(guī)律。

突破3、等離子體“尺度網(wǎng)絡(luò)”模型

基于IsCMOS的海量時(shí)空數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出三維等離子體尺度網(wǎng)絡(luò)(圖4)：

網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)：包含8種不同的放電狀態(tài)，覆蓋壓力(p)、間隙尺寸(d)、頻率(f)等參數(shù)的獨(dú)立或組合調(diào)節(jié)。

12條縮放路徑：清晰描繪單一參數(shù)變化(如縮小尺寸會(huì)使鞘層增寬，升高頻率會(huì)使鞘層變薄)或組合變化的影響路徑。

智能預(yù)測(cè)框架：僅需在網(wǎng)絡(luò)上少量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即可智能推演任意縮放路徑下的等離子體行為。

產(chǎn)業(yè)價(jià)值：該網(wǎng)絡(luò)如同為工業(yè)級(jí)設(shè)備開(kāi)發(fā)提供了精準(zhǔn)的“導(dǎo)航地圖”，將12英寸晶圓設(shè)備的研發(fā)試錯(cuò)成本降低90%以上。

原文圖4.(a)基于相似性尺度網(wǎng)絡(luò)的概念圖，不同等離子體狀態(tài)通過(guò)尺度關(guān)系(路徑箭頭)相關(guān)。為參數(shù)x =d與exc;max ?p; g; f(cid:2)調(diào)諧的尺度網(wǎng)絡(luò)根據(jù)(b)實(shí)驗(yàn)和(c)模擬結(jié)果建立。虛線綠色、點(diǎn)劃線藍(lán)色和實(shí)線紅色箭頭分別對(duì)應(yīng)氣體壓力、間隙尺寸和驅(qū)動(dòng)頻率的尺度關(guān)系;S0 (000)是基線情況，S1 (帶一個(gè)參數(shù)調(diào)諧) 和S2 (帶兩個(gè)參數(shù)調(diào)諧) 表示中間狀態(tài)，而S3 (111) 是相似性狀態(tài)。

論文信息：

Dong Yang et al., Demonstration of Scaling Law and Scale Network in RF Plasmas, Phys. Rev. Lett. (2025).

儀器型號(hào)：逐光IsCMOS TRC411-H20-U。

論文鏈接(可點(diǎn)擊閱讀原文跳轉(zhuǎn)原論文)：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.045301

(注：本文基于公開(kāi)科研論文撰寫，旨在學(xué)術(shù)交流，具體技術(shù)細(xì)節(jié)請(qǐng)參考原始文獻(xiàn)。)

04、國(guó)產(chǎn)儀器的勝利——打破國(guó)外高端科研相機(jī)壟斷

此次實(shí)驗(yàn)中，逐光IsCMOS相機(jī)以 0.1 ns級(jí)時(shí)間抖動(dòng)精度 和 750 nm波段10 nm窄帶濾波 能力，成為全球首款驗(yàn)證等離子體相似定律的科學(xué)CMOS相機(jī)。其在極端等離子體環(huán)境下的高精度、高可靠性表現(xiàn)，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)高端科研儀器在核心領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，打破國(guó)外壟斷。

“相似定律+尺度網(wǎng)絡(luò)+國(guó)產(chǎn)超快診斷，三位一體構(gòu)筑了等離子體放大的‘中國(guó)方案’。”

這項(xiàng)研究不僅是對(duì)基礎(chǔ)物理理論的重大驗(yàn)證，更提供了從實(shí)驗(yàn)室通向芯片制造大生產(chǎn)的切實(shí)路徑。它為加速我國(guó)高端半導(dǎo)體等離子體裝備(如刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備)的自主化研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，是推動(dòng)“中國(guó)芯”崛起的重要一步。

審核編輯 黃宇