高端芯片制造装备的“中国方案”：等离子体相似定律与尺度网络突破

图1.射频放电诊断系统与相似射频放电参数设计

核心摘要：

清华大学与密歇根州立大学联合团队在顶级期刊《物理评论快报》发表重大成果，首次通过实验验证了射频等离子体的相似性定律，并成功构建全球首个等离子体“尺度网络”模型。该研究利用国产逐光IsCMOS相机(TRC411-H20-U)的超高时空分辨率，成功捕捉纳米秒级等离子体动态，为半导体核心工艺设备(等离子体蚀刻与沉积)从实验室小型原型等比例放大至工业级晶圆厂规模提供了关键理论依据和实用工具，有望将工业试错成本降低90%以上，加速芯片制造工艺革新。

背景：高端芯片制造的“放大”困局

等离子体蚀刻与沉积是芯片制造的核心工艺。然而，如何将实验室研发的小型等离子体源等比例放大到12英寸晶圆厂级别，同时保持工艺所需的均匀性与稳定性，是困扰全球学界和产业界数十年的核心难题。传统研发依赖高昂的反复试错。

突破1、等离子体“缩放公式”获实验确证——从实验室到工厂的桥梁

研究团队提出并验证了一个革命性理论：若两个几何相似的等离子体系统满足 “压力×距离 (p·d)” 与 “频率×距离 (f·d)” 同时等比例缩放，则其核心物理行为将呈现尺度不变性。

意义：这意味着工程师只需精心设计和测试一套小型、低成本的原型机，即可精准预测未来工业级大型设备的运行状态和工艺效果，彻底改变研发模式。

挑战：该理论长期缺乏实验支撑，因为等离子体激发过程发生在纳秒量级，常规诊断设备无法捕捉其快速时空演化动态。

突破2、逐光IsCMOS相机——破解动态演化的“超高速之眼”

研究团队采用相位解析光学发射光谱(PROES) 技术，通过探测氩气等离子体在750.4 nm的特征发光，反推电子激发动力学。而实现该技术的核心设备，正是逐光IsCMOS相机：

4纳秒超短曝光：精准“冻结”13.56 MHz射频周期内(74 ns)的等离子体鞘层振荡;

万帧同步触发：通过延迟发生器(DG645)锁定射频相位，重构整个周期的时空演化图谱;

单光子级灵敏度：在弱光环境下成功捕获鞘层边缘的关键激发信号(探测氩气750.4 nm发光)见原文图3实验数据)。

关键证据：当系统A(2 cm间隙, 13.56 MHz, 75 Pa)与系统B(1 cm间隙, 27.12 MHz, 150 Pa)按相似定律缩放时，IsCMOS捕获的两者发光分布在时空尺度变换后完全重叠(图2a)，首次实验证实尺度不变性!

研究揭示了射频放电从初始状态经历气压、尺度和频率调节后的激发速率时空演化规律(原文图2)，涵盖了初始态(000)、相似态(111)及六种过渡态。实验结果与模拟结果高度一致，不仅证明了初始态与相似态的尺度不变性，同时揭示了放电从初始态到相似态完备的状态变化规律。

突破3、等离子体“尺度网络”模型

基于IsCMOS的海量时空数据，团队构建出三维等离子体尺度网络(图4)：

网络化状态：包含8种不同的放电状态，覆盖压力(p)、间隙尺寸(d)、频率(f)等参数的独立或组合调节。

12条缩放路径：清晰描绘单一参数变化(如缩小尺寸会使鞘层增宽，升高频率会使鞘层变薄)或组合变化的影响路径。

智能预测框架：仅需在网络上少量关键节点进行实验，即可智能推演任意缩放路径下的等离子体行为。

产业价值：该网络如同为工业级设备开发提供了精准的“导航地图”，将12英寸晶圆设备的研发试错成本降低90%以上。

原文图4.(a)基于相似性尺度网络的概念图，不同等离子体状态通过尺度关系(路径箭头)相关。为参数x =d与exc;max ?p; g; f(cid:2)调谐的尺度网络根据(b)实验和(c)模拟结果建立。虚线绿色、点划线蓝色和实线红色箭头分别对应气体压力、间隙尺寸和驱动频率的尺度关系;S0 (000)是基线情况，S1 (带一个参数调谐) 和S2 (带两个参数调谐) 表示中间状态，而S3 (111) 是相似性状态。

论文信息：

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

仪器型号：逐光IsCMOS TRC411-H20-U。

论文链接(可点击阅读原文跳转原论文)：

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

(注：本文基于公开科研论文撰写，旨在学术交流，具体技术细节请参考原始文献。)

04、国产仪器的胜利——打破国外高端科研相机垄断

此次实验中，逐光IsCMOS相机以 0.1 ns级时间抖动精度 和 750 nm波段10 nm窄带滤波 能力，成为全球首款验证等离子体相似定律的科学CMOS相机。其在极端等离子体环境下的高精度、高可靠性表现，标志着国产高端科研仪器在核心领域实现重大突破，打破国外垄断。

“相似定律+尺度网络+国产超快诊断，三位一体构筑了等离子体放大的‘中国方案’。”

这项研究不仅是对基础物理理论的重大验证，更提供了从实验室通向芯片制造大生产的切实路径。它为加速我国高端半导体等离子体装备(如刻蚀机、薄膜沉积设备)的自主化研发奠定了坚实的理论基础和技术支撑，是推动“中国芯”崛起的重要一步。

审核编辑 黄宇