射频容性耦合等离子体放电中电非对称效应机理的研究

The etch rate, uniformity and anisotropy of the etching process are the key issues in plasma processing applications. The electrical asymmetry effect (EAE) has been widely used in large area plasma etching processes, since EAE allows one to control the ion energy and ion flux separately, even in geometrically symmetric discharges. In this project, a two dimensional fluid model is developed to investigate the EAE on the plasma characteristics in complex gas mixtures. When the number of harmonics is increased, the electromagnetic effects should be taken into account, and therefore the EAE on the plasma properties may be different, especially the EAE on the plasma uniformity is an important issue for optimizing the plasma processing. Besides, the EAE on the separate control of the ion energy and ion flux has also been investigated under different discharge conditions, such as pressure, waveform and reactor geometry, focusing on the optimization of the EAE in dual frequency capacitively coupled radio frequency discharges. Lastly, to validate the model prediction, the charged particle density, temperature and the ion energy and angle distribution functions, as well as their spatial and temporal characteristics, are diagnosed in capacitively coupled plasmas by means of Langmuir probes and other diagnosis methods.

针对下一代450 mm，16/14 nm的晶片刻蚀工艺，如何能够在较高的刻蚀率下，实现均匀的各向异性刻蚀，是制约微电子工业发展的关键问题之一。由于能够在对称结构放电中，实现对轰击到基片表面的离子通量和离子能量的独立控制，电非对称效应被广泛地应用于大面积等离子体刻蚀工艺中。本项目将针对实际工艺中使用的复杂反应性气体，建立一套多场耦合模型。通过二维流体力学模拟的方法，系统地研究电非对称效应对等离子体特性的影响，以及当高次谐波存在时，电磁效应与电非对称效应的相互作用和二者对放电过程，尤其是等离子体均匀性的影响。此外，通过改变放电气压、电压波形、腔室结构等参数，重点考察不同放电条件下，电非对称效应对离子通量和离子能量的独立控制，为实现大面积均匀刻蚀提供优化方案。最后，将模拟结果与实验诊断相比较，进一步验证模型的可靠性。

在实际的等离子体工艺过程中，为了实现对离子通量和离子能量的独立控制，电非对称放电受到了人们越来越广泛的关注。本项目采用自主开发的二维流体力学模型，耦合麦克斯韦方程组，系统研究了电非对称放电的特性。研究结果表明，随着驱动电压谐波次数的增加，谐波之间的相位差对直流自偏压的调控作用有所不同。当放电由8次连续谐波驱动时，直流自偏压随相位差的变化周期为2π，且自偏压的极正值出现在θ1 = 3π/2时。由于在连续谐波驱动放电中，最高次谐波的频率处于甚高频的范围，因此电磁效应也会对等离子体特性，尤其是径向均匀性产生影响。在电磁效应和电非对称效应的共同作用下，当相位差从0增加为π时，等离子体密度逐渐从边缘高的分布变为均匀分布。当相位差增加为3π/2，等离子体密度的最大值再次向边缘处移动。不同的放电条件下，相位差对等离子体分布的调控作用是不同的。当相位差为7π/4，电压幅值为33.3 V时，由于驻波效应较为显著，等离子体密度的最大值出现在放电中心处。随着电压幅值的增加，等离子体密度上升，趋肤效应变得显著。因此，当电压幅值为55.6 V时，等离子体的径向分布较为均匀。随着电压幅值进一步增加为100 V，等离子体密度的最大值出现在径向边缘处。此外，在本项目中还系统研究了低频功率对等离子体均匀性的影响。当高频频率为60 MHz时，随着低频功率增加为300 W，刻蚀率的均匀性得到显著改善。最后，通过将模拟结果和实验测量值进行比较，验证了模型的可靠性。本项目的研究成果，有望为大面积刻蚀工艺的优化，提供一定的理论依据。