低气压脉冲调制容性耦合等离子体特性研究

Pulsed capacitively coupled plasmas (CCP) have been widely used in the large-scale integrated circuit manufacturer industries as material etching processes. In this project, the properties of pulsed CCP and the effect of external control parameters (pulse frequency, duty radio, working pressure, gas component and chamber geometry, etc.) on the pulsed CCP will be investigated by both experimental diagnostics and numerical simulation. In experiment, we will employ a variety of diagnostics, such as Langmuir probe, hairpin probe, optical probe, retarding field energy analyzer and ICCD camera, etc., to measure the evolution of electron density, plasma emission intensity, charged particle energy distribution on the electrode and electron excitation rate with pulse period under different external control parameters. Meanwhile, the global model and Particle in Cell/Monte Carlo Collision (PIC/MCC) simulation will be adopted to study the evolution of plasma macroparameter and microscopic dynamic behavior with time in pulsed discharges, respectively. Then the simulation results will be compared with experimental ones. The aim of the project is to reveal the underlying physics of pulsed discharges and explore the optimal parameter windows for plasma etching processes.

脉冲调制容性耦合等离子体（CCP）被广泛应用于大规模集成电路制造业中的材料刻蚀工艺。本项目分别从实验诊断与数值模拟两个方面对脉冲调制CCP的放电特性以及外界参数（脉冲频率及占空比、工作气压及气体组分、腔室几何等）对放电特性的影响进行系统地研究。实验上同时采用多种诊断手段，如Langmuir探针、hairpin探针、光探针、减速场能量分析仪以及ICCD相机等，在不同外界控制参数下分别对脉冲放电中电子密度，等离子体发光强度，极板上带电粒子的能量分布以及电子激发率随脉冲周期的演化进行系统地测量。理论上借助于整体模型以及粒子模拟(PIC/MCC模拟)分别研究脉冲调制等离子体的宏观状态参数以及微观电子动力学行为随脉冲周期的演化，并且将得到的模拟结果与实验结果进行对比研究，揭示脉冲调制等离子体放电的规律，并探索刻蚀工艺的最佳参数窗口。

容性耦合等离子体源广泛应用于半导体、光伏等产业中的刻蚀或沉积工艺。随着半导体行业的发展，刻蚀槽的深宽比越来越大，这对等离子体源的要求越来越高。由于脉冲调制射频容性耦合等离子体具有诸多优势，因此受到了工业界的青睐，也激起了学术界的极大兴趣。在本项目中，我们在实验上采用相分辨发射光谱测量了脉冲放电中电子激发率的时空分布，尤其考察了在等离子体点燃阶段高能电子动力学行为。同时，借助于PIC/MCC计算机模拟对脉冲容性耦合等离子体进行了模拟。我们首次观察到了在Ar气脉冲放电的辉光期，放电从体区加热模式转变到鞘层加热模式。模拟结果表明，在脉冲的上升沿，体区传导电流出现了高次谐波分量。另外，我们首次在实验上发现了电负性容性放电的发光出现了明暗相间的条纹结构，计算机模拟非常好地重复出了这一实验结果。我们发现工作气压、射频电压以及驱动频率可以诱导等离子体放电模式的转换。在实验上观察到了多节点的驻波效应以及电磁波的截止效应，在此基础上提出了抑制驻波效应，提高等离子体均匀性的方法。首次将布拉格光栅温度传感器应用到低气压容性放电中测量中性气体的温度，并且研究了中性气体的加热机制。.在该项目的资助下，项目负责人在SCI收录的国际期刊上发表论文13篇，其中第一作者5篇，通讯作者3篇。申请发明专利一项。在射频等离子体物理前沿基础研究方面取得了一些创新性的研究成果，如实验上首次观察到电负性射频等离子体中的“辉光条纹”现象，该研究结果以第一作者发表在物理学顶级国际期刊Physical Review Letters上。此外，负责人先后在国内外学术会议上做大会邀请报告3次，国际会议分会邀请报告2次。并担任国际会议的分会主席1次。