清华新闻网2月19日电 高端芯片制造装备已成为全球科技竞争的战略制高点。等离子体技术广泛应用于半导体加工，包括光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入与清洗等环节，其技术总成占据集成电路产业三分之一以上的份额，已经成为支撑国家重大战略、数字经济发展、信息产业安全的关键核心技术。低气压射频放电广泛用于生成刻蚀用的大尺寸等离子体源，是等离子体刻蚀机等关键半导体装备的核心技术之一。随着芯片制程的不断发展，产生大尺寸、均匀稳定的射频等离子体源成为发展先进刻蚀工艺的关键前提。掌握大尺寸射频等离子体的多参数耦合与调控规律已成为学术界与工业界共同探索的前沿课题。
受物理学中的“对称性”和“尺度不变性”思想的启发，清华大学电机系付洋洋副教授课题组提出并发展了考虑低气压非局域效应的射频放电相似理论，首次基于相分辨发射光谱（Phase Resolved Optical Emission Spectroscopy, PROES）技术，从实验角度证明了射频放电相似性的存在性。结合第一性粒子模拟与玻尔兹曼动理学方程，从数学上进一步阐明了相似放电的理论严格性。
基于相似理论分析，研究确定了低气压射频相似放电的实验参数与控制条件，放电腔及诊断系统如图1所示。通过调节放电气压p、电极尺寸（间距d、半径R）、射频源频率f，研究团队设计了两个大小成比例的几何相似射频放电系统，结合电学与光学诊断手段，确定了射频放电的激发速率、光强分布等参数满足相似不变性。
图1.射频放电诊断系统与相似射频放电参数设计
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（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。
图2.不同参数调节下射频放电激发速率的时空演化
基于上述研究，课题组进一步提出了参数网络标度方法（图3），基于实验与模拟构建了放电参数的标度网络，二者展现出良好的一致性，在3个控制参数的调节下，通过8个状态节点构建了12个参数标度规律。随着控制参数的增加，可进一步扩展状态数，确定更丰富的标度规律。结合现有参数标度规律，网络标度方法为刻蚀用大尺寸射频等离子体源的参数优化提供了理论依据，也为高端等离子体刻蚀装备与工艺研发开辟了新思路。
图3.基于相似理论构建射频放电网络标度方法
相关研究成果以“射频等离子体相似定律和标度网络的论证”（Demonstration of similarity laws and scaling networks for radio frequency plasmas）为题，于1月27日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
清华大学电机系2020级博士生杨栋为论文第一作者，电机系付洋洋副教授和美国密歇根州立大学约翰·菲尔彭库尔（John P. Verboncoeur）教授为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金委原创探索计划项目、清华大学学推计划及自主科研项目等的支持。
