裁剪波形电负性气体容性耦合放电机理的混合模拟和实验验证

For the purpose of developing next-generation plasma processing reactor, tailored waveforms which are non-sinusoidal waveforms composed of multiple harmonics, have been introduced to open the doors to a wide range of novel ideas and interesting new physics in capacitively coupled plasmas (CCP), for example, allowing separate the control of the ion flux and ion energy, and enhancing certain desirable chemical reactions by tailoring the electron distribution function. In this project, we will establish a nonlinear self-consistent simulation model involving multi physics and chemistry discharge processes by adopting the hybrid method of fluid/PIC/MC simulation, to describe the electron heating mechanism, plasma transport and chemical reactions, in reactive electronegative mixture gases in CCP driven by tailored-waveforms. We will emphasize our research attention on identifying the main control mechanism and subtle influences of the tailored waveforms on the electric field, plasma density, electron temperature, electron energy distribution, ion energy and angle distribution on the substrate, as well as main chemical reaction path. Based on main reactive gases in plasma etching and deposition, such as in CF4/O2/Ar, SF6/O2/Ar and SiH4/H2/Ar , corresponding experiment results will be obtained and compared with those from simulation. We will try to obtain helpful theoretical evidences and experimental validation, to put forward optimized parameter guidance in the new developing plasma etching and deposition in microelectronics industry, with the support of this foundation.

为了研究下一代等离子体源，人们正在试图采用裁剪波形，即多频谐波耦合，以取代传统的射频驱动电源，也为我们带来了新的研究思路和物理问题，比如如何做到离子通量和离子能量的分别控制，如何通过裁剪电子能量分布加强某些需要的化学反应等等。本项目希望通过建立非线性自洽的多物理和化学混合模型，耦合流体模型、离子模拟和蒙特卡罗方法，研究在裁剪波形驱动下，反应性电负性混合气体在CCP放电过程中的电子加热、等离子体输运和化学反应等过程。我们将着重研究裁剪波形对放电腔室中电场、等离子体密度、电子温度、电子能量分布、离子通量、离子能量和角度分布、化学反应路径的微观调控机理。针对刻蚀和沉积中主要的反应性气体，如CF4/O2/Ar、 SF6/O2/Ar、SiH4/H2/Ar 等，相关的实验结果将与模拟结果对比和验证。我们希望能为新一代等离子体刻蚀、薄膜沉积提高工艺水平提供必要的理论指导和参数选择依据。

射频容性耦合等离子体被广泛用于微电子工业中高端芯片生产的等离子体刻蚀和薄膜沉积过程。在过去十几年里，由于芯片特征尺寸不断缩小，为下一代芯片制造中原子尺度精确控制形貌处理技术提出了更高的要求。项目执行期的四年以来，为了实现各种粒子在材料处理表面通量和能量分别调控，采用各种裁剪波形产生电非对称容性耦合等离子体的研究愈发重要。本项目基于自主研发的1D 和2D 流体/粒子模拟/MC混合模型以及表面反应模型，研究了裁剪波形调控的反应性电负性混合气体容性耦合放电的电子加热机理、放电模式、等离子体输运和其中化学反应过程。除了轴向的非对称问题，我们也从模拟和实验中注意到裁剪波放电电磁效应、高次谐波对放电径向均匀性的影响，特别是几何和电非对称都存在的情况下。这也说明想要达到精确调控这种非线性、非局域的等离子体放电过程还是非常受限的。基于本项目的研究，我们申请并最终获批了国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目，研究裁剪波形施加方式，以及几何、电和磁非对称效应，并结合腔室结构设计，达到先进调控各种带电粒子通量和能量分布的目的，为提高下一代等离子体源刻蚀、薄膜沉积工艺水平提供必要的科学依据。