脉冲调制射频容性耦合等离子体中高能电子动力学研究

摘要

容性耦合等离子体（CCP）源具有结构简单、能够产生大面积的等离子体等优势，被广泛应用于材料处理工艺，比如半导体制造业和平板显示器工业中的等离子体刻蚀以及等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺。由于等离子体中高能电子的激发动力学行为对等离子体中各种复杂的化学反应速率和活性基团的浓度有很大的影响，所以研究等离子体中高能电子的动力学行为具有重要的实际意义与理论参考价值。随着半导体和微电子工艺的发展，刻蚀槽内的充电效应以及等离子体对晶圆造成的损伤在所难免，因此人们在双频容性放电的基础上提出了脉冲调制等离子体来缓解刻蚀槽内电荷积累效应以及减小对晶圆的损伤。 本文采用相分辨发射光谱法研究了脉冲调制射频容性耦合Ar以及Ar/CF4混合气体放电中高能电子的激发动力学行为。实验中研究了放电功率、工作气压和脉冲占空比对高能电子激发动力学的影响。实验结果表明，在Ar气脉冲放电中，随着放电功率或者气压的增加，在脉冲开启阶段，等离子体进入稳态的时间缩短，并且在脉冲初期等离子体中的电子激发速率比较高。在较高的气压或者射频功率下，离子轰击驱动电极表面会诱导二次电子发射，从而引起激发。我们发现在电正性气体Ar气脉冲放电初期，由于等离子体密度较低，电场可以渗透到放电中心区域，产生体区加热模式。随着放电的持续，电子密度不断增加，体区电场不断减弱，体区加热模式会逐渐向鞘层加热模式过渡。在Ar/CF4混合气体放电中，由于电负性气体CF4的掺入，等离子体中F?离子含量增加，电子密度降低。为了维持一定的电流流经放电区域，体区的迁移电场不断增大，电子在增强的体区电场的作用下获得较高的能量，导致体区的电子激发速率不断增大。不同于氩气放电，在脉冲放电的不同阶段，CF4等离子体一般运行于体区加热模式。

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