电机系付洋洋副教授课题组在《物理评论快报》发表射频等离子体研究进展-九游会平台

近日，清华大学电机系付洋洋课题组在射频等离子体相似性与标度律研究方面取得重要进展。相关成果以“demonstration of similarity laws and scaling networks for radio-frequency plasmas”为题，发表在物理学高水平期刊《物理评论快报》（physical review letters）上，论文作者包括清华大学电机系2020级博士生杨栋（第一作者）、密歇根州立大学john p. verboncoeur教授（ieee副主席、ieee fellow），电机系付洋洋副教授为论文通讯作者。

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，已发展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，付洋洋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，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

图2展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，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（见图3），基于实验与模拟构建了放电参数的标度网络，二者展现出具有良好的一致性，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

研究成果以“demonstration of similarity laws and scaling networks for radio frequency plasmas”为题发表在学术期刊《物理评论快报》（prl）上。论文第一作者为电机系2020级博士生杨栋，通讯作者为付洋洋副教授。研究期间，课题组与匈牙利魏格纳物理中心zoltán donkó教授、普林斯顿等离子物理研究所igor kaganovich教授与alexander v. khrabrov博士等领域专家进行了深入交流。该研究工作得到了国家自然科学基金委原创探索计划项目（资助号：52250051）、清华大学学推计划及自主科研项目等基金的支持。

通讯作者简介：

付洋洋，清华大学电机系特别研究员、副教授、博士生导师，高电压与绝缘技术研究所副所长，气体放电与等离子体实验室主任。主要研究方向包括气体击穿与绝缘、低气压射频放电、高气压脉冲放电、激光维持等离子体、微放电器件及应用。担任 high voltage副编辑，ieee transactions on plasma science、frontiers in physics等期刊客座编辑，ieee 高级会员，中国电工技术学会高级会员，中国电工技术学会等离子体专委会青年委员，中国物理学会静电专委会青年委员。入选国家海外高层次人才引进计划（青年项目）。作为项目负责人，主持国家自然科学基金原创探索计划项目、面上项目、清华大学自主创新课题、清华大学电机系有组织科研、企业横项课题等科研项目十余项。曾获教育部高等学校科学研究优秀成果奖，ieee等离子体科学国际会议（icops）最佳论文奖，2024年度ieee核与等离子体学会（npss）早期成就奖（early achievement award）。多次担任ieee icops、ppps、cieec、iwm等国际会议分会主席。在prl（2）、apl（11）等期刊发表论文80余篇、会议论文及摘要集100余篇，授权美国专利（第一发明人）1项。在本领域学术会议做大会报告2次，主旨报告、特邀报告 30 余次。指导学生获国际学术会议（如ieee icops、icpsa）最佳论文等学术奖励7人次。

论文链接：

d. yang, j. p. verboncoeur, y. fu, “demonstration of similarity laws and scaling networks for radio-frequency plasmas”, physical review letters 134, 045301 (2025)

doi: 10.1103/physrevlett.134.045301

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

相关论文：

[1] d. yang, h. wang, b. zheng, x. zou, x. wang, and y. fu, “application of similarity laws to dual-frequency capacitively coupled radio frequency plasmas with electrical asymmetry effect”, plasma sources science and technology 31, 115002 (2022)

[2] d. yang, h. wang, b. zheng, x. zou, x. wang, and y. fu, “scale-invariant resonance characteristics in magnetized capacitive radio frequency plasmas”, physics of plasmas 30, 063510 (2023)

[3] y. fu, h. wang, and x. wang, “similarity theory and scaling laws for low-temperature plasma discharges: a comprehensive review”, reviews of modern plasma physics 7, 10 (2023)

[4] y. fu, h. wang, b. zheng, p. zhang, q. h. fan, x. wang, and j. p. verboncoeur, “generalizing similarity theory for radio frequency discharge plasmas across nonlinear transition regimes”, physical review applied 16, 054016 (2021)

[5] y. fu, b. zheng, d.-q. wen, p. zhang, q. h. fan, and j. p. verboncoeur, “similarity law and frequency scaling in low-pressure capacitive radio frequency plasmas”, applied physics letters 117, 204101 (2020)