感应等离子仪

项目编号：0773-2240SHHW0019项目名称：华东师范大学反应离子束刻蚀系统、感应耦合等离子体增强化学气相沉积系统项目预算金额：663.0789000 万元（人民币）最高限价（如有）：663.0789000 万元（人民币）采购需求：项目名称：华东师范大学反应离子束刻蚀系统、感应耦合等离子体增强化学气相沉积系统项目包件1：反应离子束刻蚀系统；数量及单位：1台；简要技术参数：3、等离子体源3.1、射频发生器：最大功率300瓦，13.56MHz，带自动匹配单元；★3.2、ICP源发生器：最大功率3000瓦，2.0MHz，带自动匹配单元；包件2：感应耦合等离子体增强化学气相沉积系统；数量及单位：1台；简要技术参数：★1、SiO2的标准沉积速率：≥40 nm/min；高速沉积速率：≥500 nm/min2、SiO2薄膜沉积厚度：≥6um。其余详见本项目招标文件。合同履行期限：自合同签订之日起250天内；本项目( 不接受 )联合体投标。

近年来，研究人员和业内主要厂商已将研发重心转向微型化、便携式且低成本的光谱仪系统，使之可以在日常生活中实现现场、实时和原位光谱分析的许多新兴应用。然而，受到过度简化的光学设计和紧凑型架构的机械限制，微型光谱仪系统的实际光谱识别性能通常远低于台式光谱仪系统。如今，克服这些限制的一种策略便是在光子方法学中引入深度学习（DL）进行数据处理。据麦姆斯咨询报道，近日，美国纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo，the State University of New York）与沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology）的联合科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”为主题的论文。该论文第一作者为Dylan Tua，通讯作者为甘巧强（Qiaoqiang Gan）教授。在这项研究工作中，研究人员开发了一种紧凑型等离子体“彩虹（rainbow）”芯片，能够实现快速、准确的双功能传感，其性能可在特定条件下超越传统的便携式光谱仪。其中的分光纳米结构由一维或二维的梯度金属光栅构成。该紧凑型等离子体光谱仪利用普通相机拍摄的单幅图像，即可精确地获得照明光源光谱的光谱信息和偏振信息。在经过适当训练的深度学习算法的辅助下，研究人员仅用单幅图像就能表征葡萄糖溶液在可见光光谱范围内的双峰和三峰窄带照明下的旋光色散（ORD）特性。该微型光谱仪具有与智能手机和芯片实验室（lab-on-a-chip）系统集成的潜力，为原位分析应用提供新的可能。研究人员利用彩虹捕获效应（rainbow trapping effect）来开发片上光谱仪系统。图1展示了该研究工作所提出的片上光谱仪和一维彩虹芯片的设计原理。如图1a所示，该光谱仪利用等离子体啁啾光栅实现分光功能。这种表面光栅几何形状的逐渐变化，导致了局部等离子体共振的空间调谐（即为光捕获“彩虹”存储）。如图1b所示，研究人员采用聚焦离子束铣削技术，在300 nm的银（Ag）薄膜上制备了啁啾光栅。当白光垂直入射时，通过简单的反射显微镜系统（如图1c），就可以观察到明显的“彩虹”色图像，如图1d的顶部所示，该现象源于光栅引发的等离子体共振。图1 片上光谱仪的等离子体啁啾光栅根据这些空间模式图像，可以建立共振模式与入射波长一一对应的关系，这是片上光谱仪的基础。因此，研究人员探讨了该光谱仪对任意光谱特征的空间分辨能力。通过深度学习辅助的数据处理和重建方法，研究人员利用这种分光功能可以构建用于光学集成的智能化、微型化光谱仪平台。具体而言，研究人员提出了基于深度学习的智能彩虹等离子体光谱仪概念，并构建了带有等离子体啁啾光栅的光谱仪示例，如图2所示。该光谱仪利用深度神经网络预测了所测量的共振模式图像中的未知入射光光谱，而无需使用传统的线性响应函数模型。实验中的光谱仪架构如图2a所示。智能光谱仪主要由三部分构成：空间模式、预训练神经网络以及对应的波长。图2 基于深度学习的数据重建光谱分辨率是评价传统光谱仪性能的重要参数之一。因此，研究人员对该光谱仪的分辨率做了详细测试，测试结果如图3所示。图3 智能等离子体光谱仪的分辨率以上初步测试数据表明，智能彩虹芯片光谱仪具有实现高分辨率光谱分析的潜力，其性能可与传统台式光谱仪相媲美。随后，研究人员将一维光栅扩展到二维，以利用紧凑型智能等离子体光谱仪实现偏振光谱的测定，其性能超越了传统的光学光谱仪系统。同时，研究人员展示了等离子体彩虹芯片光谱仪可以引入简化、紧凑且智能的光谱偏振系统，具有准确且快速的光谱分析能力。图4a为具有梯度几何参数的二维光栅。图4 用于测定偏振光谱的二维啁啾光栅接着，研究人员利用该二维偏振光谱仪芯片对旋光色散进行了简单而智能的表征。图5a为传统的旋光色散系统测量由物质引起的旋光度随入射波长的函数变化。最后，研究人员展示了将二维光栅作为光谱偏振系统，并介绍了用于葡萄糖传感应用的示例。图5 更简单、准确且智能的光谱偏振分析综上所述，本研究中提出了一种集成了片上彩虹捕获效应与紧凑型光学成像系统的智能芯片级光谱仪。研究结果表明，该等离子体芯片可以在可见光光谱（470 nm - 740 nm）范围内区分不同的照明峰值。该芯片充分利用其波长敏感结构，能够根据照明光谱峰值显示不同的等离子体共振模式。随后将芯片扩展到二维结构，共振模式的复杂性增加，从而在入射光偏振方面提供更多信息。通过使用片上共振模式的空间和强度分布图像来训练深度学习算法，研究人员在同一系统内分别实现了光谱分析和偏振分析。随后，研究人员利用一种将旋光引入透射光的手性物质（即葡萄糖），证明了所提出光谱仪在旋光色散传感方面的可行性，旋光色散是一种有助于手性物质检测和定量的偏振特异性特征。深度学习模型的分析表明，该算法能够基于等离子体芯片的共振模式准确预测葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式时，这种性能也得到了保留。这种由深度学习支持的基于图像的光谱仪能够通过利用纳米光子平台的单幅图像同时进行光谱分析和偏振分析。因此，该光谱仪标志着在单一紧凑型且轻量化设计中实现了高性能的光谱偏振分析，为深度光学和光子学在医疗保健监测、食品安全传感、环境污染检测、药物滥用传感以及法医分析等领域的应用赋能。这项研究获得了沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程部的科研基金（BAS/1/1415-01-01）和NTGC-AI项目（REI/1/5232-01-01）的资助和支持。

超大规模集成电路（ULSI）产业直接关系到国家的经济发展、信息安全和国防建设，是衡量一个国家综合实力的重要标志之一。在半导体芯片制备过程中，约有三分之一的工序要使用等离子体技术，因此配备等离子体工艺腔室的材料刻蚀和薄膜沉积设备是ULSI制造工艺的核心。目前，半导体工艺中最常用的两种等离子体源是CCP（容性耦合等离子体）和ICP（感应耦合等离子体）。等离子体工艺腔室制造过程极为复杂，不仅涉及精密机械加工技术，还要统筹考虑电源、气体、材料等外部参数的优化，以及与晶圆处理工艺的兼容性。如果采用传统的“实验试错法”，不仅成本巨大，而且延长了设备的研发周期，将严重制约我国ULSI产业的快速发展。因此，采用建模仿真与实验诊断相结合的方式、为等离子体工艺腔室的研发与优化提供方案，成为一种必然趋势。等离子体放电过程是极其复杂的，受到多种外界参数的控制，如电源功率与频率、气体成分与压强、腔室尺寸及材料属性等。此外，等离子体系统还包含了多空间尺度和多时间尺度的变化，以及多物理化学场的耦合过程。例如等离子体、鞘层、表面微槽等空间特征尺度相差10个量级；电磁场、带电粒子、中性气体及化学反应等时间特征尺度相差9个量级。如此复杂的等离子体工艺环境，给物理建模和数值仿真都带来了巨大挑战。物理学院PSEG团队在王友年教授的带领下，自2005年开始，历经近二十年时间，在国内率先研发出具有自主知识产权的等离子体工艺腔室仿真软件——MAPS（Multi-Physics Analysis of Plasma Sources）。通过采用物理建模、数值仿真与实验诊断相结合的方法，解决了制约等离子体工艺腔室设计和制造中的一些关键技术难题，为我国研发具有自主知识产权的等离子体工艺腔室提供了技术支撑。MAPS是一款专门面向等离子体工艺腔室的数值模拟软件平台，可以同时为等离子体工艺腔室的参数设计和表面处理工艺（材料刻蚀和薄膜沉积）的结果预测提供模拟服务。基于不同的等离子体模型，MAPS包含不同的数值模拟方法，如粒子/蒙特卡洛碰撞模拟方法、流体力学模拟方法、流体力学/蒙特卡洛碰撞混合模拟方法、整体模型模拟方法等。软件平台包含输入部分、输出部分以及七大模块，分别是等离子体模块、中性气体模块、电磁模块、鞘层模块、化学反应模块、表面模块及实验验证模块。此外，PSEG团队研制了结构可变的大面积、多功能等离子体实验平台和多套CCP和ICP放电平台，并自主研发了射频磁探针、微波发卡探针、光探针、吸收光谱诊断系统、布拉格光栅测温系统、悬浮双探针等诊断工具和集成了商用的Langmuir探针、质谱仪、离子能量分析仪、光谱仪、ICCD及光致解离负离子诊断系统等。这些诊断手段为等离子体源多参数诊断提供条件。大量研究表明，MAPS的模拟结果与实验测量结果在量级和变化趋势上达到一致，证明了MAPS仿真软件的可靠性。近期，针对工业中常用的CCP源，MAPS仿真软件提供了一种新的快速仿真算法：基于多时间步长、泊松方程的半隐式修正、超松弛迭代等，可以将模拟速度提高几十倍。此外，针对ICP源，PSEG团队也建立了一种新的双极扩散近似模型，可以对带有射频偏压的感性耦合放电过程进行仿真。该方法不仅模拟速度快，还适用于低气压放电。MAPS仿真软件具有外界控制参数多、耦合物理场多、数值求解器多、数值仿真模型多等优势，能够对ICP刻蚀机、CCP刻蚀机、PECVD（等离子体增强化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）工艺腔室进行仿真，支持对优化工艺过程参数的进一步探索，受到了国内的多家半导体设备制造企业的青睐。近十年中，MAPS仿真软件已分别为北方华创、中微半导体设备（上海）、拓荆科技、苏州迈为、武汉长江存储及理想能源设备（上海）等多家企业提供仿真服务。未来，PSEG团队将继续专注于对MAPS仿真软件的完善和升级，希望可以为半导体、光伏及平板显示等产业的创新与发展注入源源不断的强劲动力。