等离子体与器壁表面相互作用的基础研究

等离子体与器壁表面之间的复杂相互作用可以同时改变等离子体和表面的状态，影响各种等离子体应用，所以一直被认为是等离子体科学领域一个非常重要的研究课题。要解决这一科学问题，需要借助诊断实验同时对等离子体和器壁表面的状态进行观测。然而表面诊断的超高真空条件与等离子体环境是矛盾的，这使得目前此类研究工作在国际上仍十分缺乏。针对这一难题，本项目提出了一种新型的半原位诊断实验系统。它能够在保持真空的同时转移样品，在等离子体腔室和表面分析腔室中交替进行等离子体诊断和表面诊断。通过结合两部分诊断实验，再辅以包含等离子体和表面的物理化学过程的粒子连续性模型，可以确定相互作用中主要的粒子和反应过程。为此，我们将充分利用国际合作中积累的研究经验，建立一个由等离子体诊断、表面诊断和模型分析相互结合的研究体系。其研究成果不仅会直接影响半导体刻蚀设备的优化，也将有助于从根本上揭示等离子体与器壁相互作用的一般性规律。

A在国内首次建立了一套研究等离子体与器壁表面相互作用的实验平台，具有以下特点：.1. 放电腔体集成了电容耦合及直流辉光放电系统，差分抽质谱系统；分析腔体（超高真空腔体，〖5×10〗^(-8) Pa）集成了X射线光电子能谱，俄歇能谱以及电子能量损失谱系统。.2. 样品（器壁材料）可以在高真空下往返于放电腔体和分析腔体，以避免由于暴露大气所造成的污染。.3. 该平台将气相诊断技术（发射光谱，探针，离子能量分布和质谱）与表面分析技术（X射线光电子能谱，俄歇能谱，电子能力损失谱）结合，对等离子体与器壁表面相互作用进行研究。.B关于器壁表面物理化学过程的主要研究成果：.a)研究了铝器壁表面的化学演化过程。该表面在纯氩气放电环境下，由于强烈的溅射过程，保持金属态；在放电间隙，该表面会逐渐被氧化，直到进入下次放电，该表面再次由氧化态过渡为金属态。.b)研究了铝器壁初始氧化过程中的氧的总覆盖度与氧负离子的覆盖度之间的定量关系，并提出了一种氧从化学吸附态到形成氧化核的形核机制，基于该机制得到了一个解释氧的总覆盖度与氧负离子的覆盖度之间关系的模型，该模型与实验数据吻合很好。.c)结合Townsend直流放电模型获得铝器壁材料的离子诱导二次电子发射系数，通过X射线和电子束照射器壁材料并对出射电子进行分析的方法得到X射线光子和电子束诱导的二次电子发射系数；基于此，研究了铝器壁表面在化学演化过程中的二次电子发射系数的变化规律。.d)得到了表面等离子体激元的能量和器壁表面的介电响应随铝器壁氧化过程的变化规律。.e)研究了氩氧混合等离子体去除器壁表面的有机物的过程。.f)通过时间分辨光谱研究了Ar/CF4等离子体的器壁表面结构以及该表面在Ar等离子体中的结构演化。.C关于气相等离子体特性的主要研究成果：建立应用于发射光谱法的碰撞辐射模型，通过实验确定了相关速率系数；基于发射光谱法得到等离子体的关键参数（电子密度，电子温度，电子能量分布，活性粒子密度等）；研究探针技术在电容耦合等离子体中的应用；建立了器壁附近离子能量分布的模型，并与实验数据进行了比较。