多频CCP/ICP混合放电等离子体源的若干关键物理问题的研究

本项目提出开展多射频驱动的CCP/ICP（电容耦合/电感耦合等离子体）混合放电等离子体源的关键物理与技术问题的研究。这种新型等离子体源的特点是：它由一组电容电极和一组电感线圈电极配搭构成，可以是ICP增强的CCP等离子体源，也可以是CCP增强的ICP等离子体源；而施加在电容和电感电极上的射频电压可以是单一频率，也可以是双频率或三频率，形成多频放电。本项目将研究多频电感电容耦合混合放电模式下等离子体的形成机制、功率和气压等宏观参量对等离子体密度和温度的影响规律、电子和离子的加热机理、频率对电子和离子能量分布函数的影响、多频等离子体鞘层的行为、到达基片电极上离子的通量和能量与施加的频率之间的关系、高的等离子体密度产生的趋肤效应、高频电磁波带来的驻波效应的控制方法等关键物理与技术问题。本研究将努力为这种新型多频CCP/ICP混合放电等离子体源在微细加工中的应用奠定理论基础。

ICP/CCP等离子体源是一种新型等离子体源，在大尺寸芯片、纳米尺度集成电路加工以及薄膜沉积中具有重要的应用。由于ICP/CCP混合放电中感性耦合与容性耦合的复杂性，以及高频与低频功率在控制等离子体性能中的差异，促使了对多频ICP/CCP混合等离子体源若干物理问题的研究。.本项目以双频ICP/CCP混合运行模式下的等离子体特性、等离子体化学过程及其在薄膜沉积和刻蚀中的应用研究为目标，发展了双频ICP/CCP混合放电等离子体技术，研究了双频ICP/CCP混合运行模式下等离子体形成机制、电子加热机制、EEDF分布规律及等离子体密度的径向分布，开展了ICP/CCP放电等离子体处理HfO2高k薄膜等改性、薄膜沉积、刻蚀的研究，完成了申请书预定的目标。.项目开展的主要工作是：（1）研究了13.56MHz/60MHz双频ICP/CCP混合运行模式下的等离子体特性，分析了等离子体形成机制、电子加热机制、EEDF分布规律及等离子体密度的径向分布；研究了13.56MHz/60MHz双频ICP/磁控溅射放电系统的等离子体特性；研究了双频等离子体溅射的离子能量分布特性；研究了双频CCP系统等离子体特性的频率效应。（2）开展了多频ICP/CCP混合放电及多频CCP放电等离子体化学过程及其在薄膜改性、沉积和刻蚀的应用研究。（3）初步开展了多频CCP/ICP放电的计算机模拟。.项目的重要成果是：（1）发展了双频ICP/CCP混合放电等离子体技术，研究了13.56MHz/60MHz双频ICP/CCP混合运行模式下等离子体形成机制、电子加热机制、EEDF分布规律及等离子体密度的径向分布；分析了13.56MHz/60MHz双频ICP/磁控溅射放电系统的EEDF分布及机制；研究了双频等离子体溅射的离子能量分布特性与机制；研究了双频CCP系统等离子体特性的频率效应及等离子体特性变化的机制。（2）利用双频ICP/CCP放电等离子体处理HfO2高k薄膜改善了薄膜的电学性能；采用双频等离子体开展了制备类石墨烯薄膜的研究；利用双频等离子体处理硅油制备了发光软物质材料；以及双频等离子体刻蚀SiCOH低k材料及放电等离子体化学的研究。（3）初步建立了多频CCP/ICP放电过程的流体力学模型。项目的研究对于发展大尺寸芯片、纳米尺度集成电路加工以及薄膜沉积中应用的ICP/CCP等离子体源，具有重要的参考价值和指导作用。