低气压电负性射频容性放电的条纹不稳定性研究

Low-pressure capacitively-coupled RF plasmas have widely been used in the large-scale integrated circuit manufacturing as the etching and deposition processes. Any improvement in these plasma processes is highly related to the study on the physical properties of the plasma sources. In this project, we will comprehensively investigate the underlying physics behind the novel "striation instability" in ectronegative rf capacitive discharges by experimental diagnostics and via computational simulation. In the experiment, we will employ a variety of diagnostics (e.g., phase resolved optical emission spectroscopy, absorption spectrocopy, hairpin probe, double probe, mass spectrometer, etc.) to measure some important plasma parameters (e.g., the spatial-temporal distribution of electronic excitation rate, the concentrations of radials, the electron and ion densities, the ion energy distribution, etc). Based on the measured results, we will discuss the effects of external control parameters on the striated discharge structures, and explore the dependence of plasma parameters in "striated mode" on external parameters. Finally, the potential influence of striation instability on practical processing will be analyzed. With the help of the PIC/MCC model, we will simulate the striated discharge structures under various conditions, whose results will be compared to the measured ones.

低气压射频容性耦合等离子体被广泛应用于大规模集成电路制造业中的刻蚀与沉积工艺。这些工艺水平的提高与人们对等离子体源物理特性的研究密切相关。本项目针对电负性射频容性放电中的“条纹不稳定性”分别从实验诊断与数值模拟两方面开展研究。在实验上，采用多种诊断手段（如相分辨发射光谱、吸收光谱、hairpin探针、双探针、质谱仪等）分别测量几个重要的等离子体参数（如电子激发率的时空分布、自由基浓度、电子及离子密度、离子能量分布等）。以测量结果为基础，分析外界放电条件对条纹结构的影响，以及在“条纹模式”下等离子体参数展示出的新行为，最后分析其对实际工艺产生的潜在影响。借助于PIC/MCC模型，对电负性射频容性放电中条纹放电结构进行模拟，并将模拟结果与实验结果进行比较。

射频容性耦合等离子体源已被广泛应用于微电子制造业中的材料刻蚀、薄膜沉积等核心工艺。如今，半导体工艺的快速发展，比如不断缩小的晶体管尺寸，采用更大的晶元尺寸等，对等离子体源性能的要求越来越高。因此，研究射频等离子体源的基本物理过程不仅具有理论意义，更具有实际应用价值。本项目针对电负性容性耦合等离子体的条纹放电结构，采用实验诊断与PIC/MCC模拟相结合的方式，对任务书中几个重要的研究方向进行了系统的研究，并取得了具有国际影响力的成果。具体如下，1）研究了双射频及直流叠加射频放电中条纹结构的新特征，发现改变高频功率可以诱导两种放电模式的转换，并伴随“回滞效应”。增加直流电压可以抑制“条纹模式”，并诱导放电向“γ模式”转化，通过PIC模拟揭示了背后机理。2）在脉冲调制等离子体方面，采用多种实验诊断系统、PIC/MCC模拟及电流解析模型三种方式相结合，首次揭示了等离子体点燃过程的阻抗变化及全新的电子功率吸收模式。研究了不同初始电荷密度、气体及射频电压下等离子体点燃过程。在项目的资助下，共发表论文15篇，其中9篇发表在PSST上。授权发明专利10项（含美国专利2项），负责人被重要国际会议邀请作邀请报告3次。获2019年全国等离子体科学技术会议首届“优秀青年创新奖”；获2021年教育部自然科学二等奖（第一完成人）。本项目取得的成果不仅推动了射频等离子体物理理论的发展，对国内半导体设备企业中等离子体源性能的优化提供了有价值的理论参考。