低气压射频等离子体研究进展

【作者】 刘永新； 赵凯； 温德奇； 刘刚虎； 李宏； 高飞； 张钰如； 宋远红； 王友年；

【机构】 大连理工大学物理学院三束材料改性教育部重点实验室；

【摘要】 低气压射频等离子体技术已在集成电路,平板显示以及太阳能电池等工业中得到了广泛地应用。尤其是对于等离子体刻蚀工艺,目前刻蚀的特征线宽越来越小,刻蚀槽的深宽比越来越大,即材料的"深刻蚀"工艺成为当今发展的趋势;而对于薄膜沉积工艺,人们越来越注重对沉积薄膜厚度的精确控制,因此"原子层沉积"成为当前的关注热点。然而,这些技术水平的提高在很大程度上取决于人们对射频等离子体源的认识。在电正性容性耦合等离子体(CCP)中,鞘层振荡引起的电子加热维持着等离子体。当气压足够低,电源频率与电极间隙满足某一条件时,电子可以在两个鞘层之间来回反弹,于是被"共振加热",其结果是等离子体密度的反常增强。当射频电压或工作气压足够高时,轰击到电极表面的离子会诱导二次电子发射。我们在实验上发现在较高的气压(大于50 Pa)或较低的驱动频率(小于20 MHz)下,随着射频电压的增加,等离子体密度先呈线性增加,随后增长率大幅度提高。这表明随着电压增加,等离子体从"鞘层加热"模式向"二次电子"模式转变。在电负性CCP中,电子加热模式变得复杂。除了上述两种加热模式外,体区强电场也可以加热电子,维持着等离子体。然而,在这种"离子-离子"等离子体中,当电源频率低于正、负离子的特征频率时,体区的正、负离子可以响应射频振荡的电场从而向相反的方向运动,于是导致周期性的空间电荷的产生。这种效应经过放大后,便形成了空间调制的等离子体放电结构—辉光条纹结构。我们发现这种条纹放电结构广泛存在于电负性气体CCP放电中,外界控制参数对其性质有显著的影响。初步研究结果已发表在Phys.Rev.Lett.116,255002(2016)。在甚高频CCP电磁效应研究方面,我们实验上观察到了多节点的驻波效应。通过施加第二个低频源,初步探索出一种抑制驻波效应,提高等离子体均匀性的参数窗口。我们采用自我研发的磁探针测量甚高频CCP中磁场分量的空间分布。首次发现电磁场的高次谐波分量与基频波共同决定甚高频CCP中等离子体的空间分布。我们还针对射频感性耦合等离子体(ICP)开展了相关的实验研究,如研究了大功率负氢感性耦合等离子体源中电子的局域动理学行为和轴向输运现象;研究了脉冲电源对等离子体参数及离子能量分布的调制行为等。此外,针对射频等离子体工艺腔室,开发了具有自主知识产权的多物理场耦合的仿真程序"MAPS",为相关半导体设备制造企业研发等离子体设备提供仿真服务。更多还原