圖1.射頻放電診斷系統與相似射頻放電參數設計

核心摘要：

清華大學與密歇根州立大學聯合團隊在頂級期刊《物理評論快報》發表重大成果，首次通過實驗驗證了射頻等離子體的相似性定律，并成功構建全球首個等離子體“尺度網絡”模型。該研究利用國產逐光IsCMOS相機(TRC411-H20-U)的超高時空分辨率，成功捕捉納米秒級等離子體動態，為半導體核心工藝設備(等離子體蝕刻與沉積)從實驗室小型原型等比例放大至工業級晶圓廠規模提供了關鍵理論依據和實用工具，有望將工業試錯成本降低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，如何將實驗室研發的小型等離子體源等比例放大到12英寸晶圓廠級別，同時保持工藝所需的均勻性與穩定性，是困擾全球學界和產業界數十年的核心難題。傳統研發依賴高昂的反復試錯。

突破1、等離子體“縮放公式”獲實驗確證——從實驗室到工廠的橋梁

研究團隊提出并驗證了一個革命性理論：若兩個幾何相似的等離子體系統滿足 “壓力×距離 (p·d)” 與 “頻率×距離 (f·d)” 同時等比例縮放，則其核心物理行為將呈現尺度不變性。

意義：這意味著工程師只需精心設計和測試一套小型、低成本的原型機，即可精準預測未來工業級大型設備的運行狀態和工藝效果，徹底改變研發模式。

挑戰：該理論長期缺乏實驗支撐，因為等離子體激發過程發生在納秒量級，常規診斷設備無法捕捉其快速時空演化動態。

突破2、逐光IsCMOS相機——破解動態演化的“超高速之眼”

研究團隊采用相位解析光學發射光譜(PROES) 技術，通過探測氬氣等離子體在750.4 nm的特征發光，反推電子激發動力學。而實現該技術的核心設備，正是逐光IsCMOS相機：

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

萬幀同步觸發：通過延遲發生器(DG645)鎖定射頻相位，重構整個周期的時空演化圖譜;

單光子級靈敏度：在弱光環境下成功捕獲鞘層邊緣的關鍵激發信號(探測氬氣750.4 nm發光)見原文圖3實驗數據)。

關鍵證據：當系統A(2 cm間隙, 13.56 MHz, 75 Pa)與系統B(1 cm間隙, 27.12 MHz, 150 Pa)按相似定律縮放時，IsCMOS捕獲的兩者發光分布在時空尺度變換后完全重疊(圖2a)，首次實驗證實尺度不變性!

研究揭示了射頻放電從初始狀態經歷氣壓、尺度和頻率調節后的激發速率時空演化規律(原文圖2)，涵蓋了初始態(000)、相似態(111)及六種過渡態。實驗結果與模擬結果高度一致，不僅證明了初始態與相似態的尺度不變性，同時揭示了放電從初始態到相似態完備的狀態變化規律。

突破3、等離子體“尺度網絡”模型

基于IsCMOS的海量時空數據，團隊構建出三維等離子體尺度網絡(圖4)：

網絡化狀態：包含8種不同的放電狀態，覆蓋壓力(p)、間隙尺寸(d)、頻率(f)等參數的獨立或組合調節。

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

智能預測框架：僅需在網絡上少量關鍵節點進行實驗，即可智能推演任意縮放路徑下的等離子體行為。

產業價值：該網絡如同為工業級設備開發提供了精準的“導航地圖”，將12英寸晶圓設備的研發試錯成本降低90%以上。

原文圖4.(a)基于相似性尺度網絡的概念圖，不同等離子體狀態通過尺度關系(路徑箭頭)相關。為參數x =d與exc;max ?p; g; f(cid:2)調諧的尺度網絡根據(b)實驗和(c)模擬結果建立。虛線綠色、點劃線藍色和實線紅色箭頭分別對應氣體壓力、間隙尺寸和驅動頻率的尺度關系;S0 (000)是基線情況，S1 (帶一個參數調諧) 和S2 (帶兩個參數調諧) 表示中間狀態，而S3 (111) 是相似性狀態。

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：逐光IsCMOS TRC411-H20-U。

論文鏈接(可點擊閱讀原文跳轉原論文)：

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

(注：本文基于公開科研論文撰寫，旨在學術交流，具體技術細節請參考原始文獻。)

04、國產儀器的勝利——打破國外高端科研相機壟斷

此次實驗中，逐光IsCMOS相機以 0.1 ns級時間抖動精度 和 750 nm波段10 nm窄帶濾波 能力，成為全球首款驗證等離子體相似定律的科學CMOS相機。其在極端等離子體環境下的高精度、高可靠性表現，標志著國產高端科研儀器在核心領域實現重大突破，打破國外壟斷。

“相似定律+尺度網絡+國產超快診斷，三位一體構筑了等離子體放大的‘中國方案’。”

這項研究不僅是對基礎物理理論的重大驗證，更提供了從實驗室通向芯片制造大生產的切實路徑。它為加速我國高端半導體等離子體裝備(如刻蝕機、薄膜沉積設備)的自主化研發奠定了堅實的理論基礎和技術支撐，是推動“中國芯”崛起的重要一步。

審核編輯 黃宇