我国学者在低温等离子体物理领域取得重要进展
日期 2019-06-04  来源:数理科学部  作者:李会红 戴朝卿 章志明

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图. 不同气压下的甚高频100 MHz容性耦合Ar等离子体中,前五次谐波磁场的径向分布。图中符号代表实验结果,线代表模拟结果


  在国家自然科学基金项目(批准号:11335004,11722541)等支持下,大连理工大学王友年教授课题组与美国加州大学伯克利分校Michael A. Lieberman教授及美国休斯顿大学Demetre J. Economou教授合作,在低温等离子体物理领域取得重要进展,首次在实验上观测到甚高频容性放电中的非线性驻波效应,并利用数值模型揭示了其物理本质。相关成果以“Observation of Nonlinear Standing Waves Excited by Plasma-Series-Resonance-Enhanced Harmonics in Capacitive Discharges”(容性放电中等离子体串联共振激发非线性驻波的观察)为题,于2019年5月7日在线发表于Physical Review Letters(《物理评论快报》)上。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.185002

  在半导体芯片制造过程中,有三分之一以上的工序需要利用低温等离子体加工技术。容性耦合等离子体源由于具有放电均匀性好等优势,已被广泛应用于干法刻蚀和薄膜沉积等芯片制造工艺中。近年来,随着晶圆尺寸和电源驱动频率的日趋增大,由驻波效应引起的等离子体不均匀性已成为制约半导体工艺设备发展的重要因素,由此引起了工业界及科技界的广泛关注。

  大连理工大学研究人员利用自主研制的高频磁探针,首次在实验上观测到低气压容性放电中由等离子体串联共振引起的高次谐波所激发的非线性驻波效应,并结合非线性传输线模型揭示了非线性驻波激发的物理机制。研究结果表明,在气压较低的条件下,鞘层的非线性振荡会激发高次谐波,这些谐波在串联共振频率附近得到增强。在特定的放电条件下,这些非线性谐波将会引起径向驻波,导致放电电压及电流在极板中心处出现最大值,从而造成等离子体密度的“中心峰”分布。然而,随着气压的升高,高次谐波激发逐渐受到抑制(如图),并使等离子体均匀性得到改善。

  该研究成果不仅证实了甚高频容性放电中激发的非线性高次谐波对等离子体不均匀性的重要贡献,而且揭示了高次谐波与等离子体之间的非线性相互作用。这些发现对下一代基于450 mm晶圆的半导体工艺设备的设计及参数优化具有重要指导意义。