甚高频放电下大面积容性耦合等离子体的电磁效应

Very-high frequency (VHF) plasmas have been widely used in etch processes of wafers and deposition processes of microcrystalline films. In this project, we will study the characteristics of VHF plasmas and electromagnetic effects using experiments, diagnosis and numerical simulations. Firstly, we will establish a large-area capacitively-coupled plasma equipment under VHF discharges and matched with different diagnostic systems. Secondly, different diagnostic methods, such as the magnetic probe, electrostatic probe, ion-flux probe and optical probe, will be used to measure the radial distributions of the radio-frequency electromagnetic fields, electron density, ion density, ion flux, as well as light emission intensity，and other plasma characteristics under different discharge conditions, such as different driving frequencies, powers, pressures, gas components, and electrode radii. With the measurement results, we can show the electromagnetic effects (including edge effects, standing wave effects and skin effects) on plasma uniformity and find some new methods of controlling the electromagnetic effects. Lastly, we also establish multi-field coupling modes of the electromagnetic field, plasma, neutral gas and chemical reactions, numerically simulate characteristics of the VHF plasmas, and compare the numerical results with experiment data.

甚高频放电等离子体已经广泛地应用到晶圆刻蚀工艺及微晶硅太阳能电池薄膜沉积工艺。本项目将从实验、诊断及数值模拟三个方面对大面积甚高频容性耦合等离子体放电特性及电磁效应进行系统地研究。搭建一台在低气压、甚高频（13.56-200MHz）放电条件下的大面积容性耦合等离子体装置及配套的实验诊断系统，并分别采用磁探针、静电探针、离子通量探针、可移动的光探针等不同的诊断手段，测量在不同的放电条件下射频电磁场、电子密度、离子密度、离子通量及发射光谱强度等物理量的径向分布及等离子体的其他特性。借助于这些测量，揭示甚高频放电中的电磁效应（包括边缘效应、驻波效应及趋肤效应）对等离子体均匀性的影响，从而探索抑制驻波效应的新方法。同时，建立由电磁场、等离子体、中性气体及化学反应等模块构成的多场耦合物理模型，对甚高频容性耦合放电过程进行数值模拟，并与实验测量结果进行比较。

容性耦合等离子体源已被广泛应用于微电子工业中的材料刻蚀、薄膜沉积等工艺过程。目前，随着晶元尺寸的不断增大，以及驱动频率的逐渐升高，电磁效应（驻波效应、趋肤效应和边缘效应等）将会对等离子体空间均匀性产生严重影响。本项目针对甚高频容性耦合等离子体放电，采用多种实验诊断手段（发卡探针、全悬浮双探针，磁探针，光纤布拉格光栅温度传感器、离子通量探针及相分辨发射光谱等），并结合数值模拟方法（二维电磁流体模型及传输线模型），对电磁效应进行了系统的研究。通过研究，揭示了不同放电参数（如放电气压，高低频功率/频率/相位差，电极直径，放电间隙，放电气体种类等）对驻波效应的影响，并探索了抑制驻波效应的新方法。特别地，我们首次在实验上观察到甚高频放电中的多节点驻波现象和截止带现象，以及电负性等离子体中的“辉光条纹”现象。本项目所得的成果不仅对电磁效应的产生机制提供理论依据，而且对面向于半导体工业的甚高频放电中等离子体均匀性的改善提供了重要的实践指导意义。