面向刻蚀工艺的脉冲调制射频感应耦合等离子体源的特性研究

Pulsed inductively coupled plasmas (ICP) have been widely used in the etching process of the semiconductor manufacturer industries due to more flexible control the ion energy distribution (IED), better control the plasma chemical components and lower plasma induced damage. In this project, the pulsed-ICP discharge mechanism will be investigated by experimental diagnostics and numerical simulation. In the experiment, we will use a variety of diagnostics with a time resolution, such as Langmuir probe, retarding field energy analyzer, ICCD and optical probe, etc, to measure the evolution of electron density, temperature, electron energy distribution function， plasma emission intensity, IED with pulse period under different combinations of the pulsed ICP power and the pulsed bias power, and different external control parameters, such pulse frequency, duty radio, gas component, gas pressure, RF power. Meanwhile, the hybrid model will be employed to study the evolution of plasma parameters with time in pulsed discharges, respectively. Then the numerical results will be compared with experimental results. The aim of this project is to reveal the underlying physic of pulsed ICP and to provide scientific basis for plasma etching process in the industrial application of pulsed ICP.

脉冲调制感应耦合等离子体（ICP）源与连续波ICP源相比具有更好的控制等离子体化学活性、更好的柔性控制离子能量分布、更低的等离子体诱导损伤等优点，因而被广泛应用于半导体芯片生产的刻蚀工艺中。本项目将分别从实验诊断测量和数值仿真模拟两个方面对脉冲调制ICP的放电机理进行系统的研究。实验上联合采用多种具有时间分辨功能的诊断手段，如Langmuir探针、离子能量分析仪、ICCD及光探针等，对主射频源和偏压射频源的脉冲调制组合方式，以及外界参数（脉冲频率、占空比、气体组份、工作气压、射频功率等）对等离子体中的电子密度、温度、电子能量分布函数、等离子体发光强度和离子能量分布等的调控行为进行详细的观察。同时，在数值模拟上采用混合模型对脉冲ICP中等离子体的产生过程进行系统的研究，最后与实验结果进行相互验证，揭示脉冲调制ICP的运行机理，为我国企业脉冲调制ICP刻蚀机的优化控制参数提供科学依据。

本项目主要面向半导体芯片生产的刻蚀工艺中的脉冲调制射频感应耦合等离子体源（ICP）通过实验诊断和数值仿真模拟两种方法开展脉冲调制ICP的放电机理的研究工作。实验上联合采用多种具有时间分辨功能的诊断手段，如Langmuir探针、离子能量分析仪、ICCD及光探针等，对主射频源和偏压射频源的脉冲调制组合方式，以及外界参数（脉冲频率、占空比、气体组份、工作气压、射频功率等）对等离子体中的电子密度、温度、电子能量分布函数、等离子体发光强度和离子能量分布等的调控行为进行详细的观察。同时，在数值模拟上采用混合模型对脉冲ICP中等离子体的产生过程进行系统的研究。通过研究，揭示了脉冲频率、占空比等对等离子体参数的影响。尤其是在实验上首次发现了功率的脉冲时间演化曲线存在两个峰值，并详细分析了其存在的原因。特别是针对脉冲放电中的过冲现象，分析了气压、功率及气体组份对其的演化规律。本项目所取得研究成果不仅揭示了脉冲调制ICP的运行机理，而且为我国企业研制脉冲调制ICP刻蚀机提供了重要的科学依据。