清華新聞網(wǎng)2月19日電 高端芯片制造裝備已成為全球科技競爭的戰(zhàn)略制高點。等離子體技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工，包括光刻、刻蝕、薄膜沉積、離子注入與清洗等環(huán)節(jié)，其技術(shù)總成占據(jù)集成電路產(chǎn)業(yè)三分之一以上的份額，已經(jīng)成為支撐國家重大戰(zhàn)略、數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展、信息產(chǎn)業(yè)安全的關(guān)鍵核心技術(shù)。低氣壓射頻放電廣泛用于生成刻蝕用的大尺寸等離子體源，是等離子體刻蝕機等關(guān)鍵半導(dǎo)體裝備的核心技術(shù)之一。隨著芯片制程的不斷發(fā)展，產(chǎn)生大尺寸、均勻穩(wěn)定的射頻等離子體源成為發(fā)展先進刻蝕工藝的關(guān)鍵前提。掌握大尺寸射頻等離子體的多參數(shù)耦合與調(diào)控規(guī)律已成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同探索的前沿課題。

受物理學(xué)中的“對稱性”和“尺度不變性”思想的啟發(fā)，清華大學(xué)電機系付洋洋副教授課題組提出并發(fā)展了考慮低氣壓非局域效應(yīng)的射頻放電相似理論，首次基于相分辨發(fā)射光譜（Phase Resolved Optical Emission Spectroscopy, PROES）技術(shù)，從實驗角度證明了射頻放電相似性的存在性。結(jié)合第一性粒子模擬與玻爾茲曼動理學(xué)方程，從數(shù)學(xué)上進一步闡明了相似放電的理論嚴(yán)格性。

基于相似理論分析，研究確定了低氣壓射頻相似放電的實驗參數(shù)與控制條件，放電腔及診斷系統(tǒng)如圖1所示。通過調(diào)節(jié)放電氣壓p、電極尺寸（間距d、半徑R）、射頻源頻率f，研究團隊設(shè)計了兩個大小成比例的幾何相似射頻放電系統(tǒng)，結(jié)合電學(xué)與光學(xué)診斷手段，確定了射頻放電的激發(fā)速率、光強分布等參數(shù)滿足相似不變性。

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

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)速率時空演化規(guī)律（圖2），涵蓋了初始態(tài)（000）、相似態(tài)（111）及六種過渡態(tài)。實驗結(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。

圖2.不同參數(shù)調(diào)節(jié)下射頻放電激發(fā)速率的時空演化

基于上述研究，課題組進一步提出了參數(shù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)度方法（圖3），基于實驗與模擬構(gòu)建了放電參數(shù)的標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，二者展現(xiàn)出良好的一致性，在3個控制參數(shù)的調(diào)節(jié)下，通過8個狀態(tài)節(jié)點構(gòu)建了12個參數(shù)標(biāo)度規(guī)律。隨著控制參數(shù)的增加，可進一步擴展?fàn)顟B(tài)數(shù)，確定更豐富的標(biāo)度規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)有參數(shù)標(biāo)度規(guī)律，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)度方法為刻蝕用大尺寸射頻等離子體源的參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，也為高端等離子體刻蝕裝備與工藝研發(fā)開辟了新思路。

圖3.基于相似理論構(gòu)建射頻放電網(wǎng)絡(luò)標(biāo)度方法

相關(guān)研究成果以“射頻等離子體相似定律和標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的論證”（Demonstration of similarity laws and scaling networks for radio frequency plasmas）為題，于1月27日發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

清華大學(xué)電機系2020級博士生楊棟為論文第一作者，電機系付洋洋副教授和美國密歇根州立大學(xué)約翰·菲爾彭庫爾（John P. Verboncoeur）教授為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計劃項目、清華大學(xué)學(xué)推計劃及自主科研項目等的支持。