振幅调制对脉冲射频容性放电影响的实验研究

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射频容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma,CCP)具有结构简单、造价低、能够产生比较均匀的等离子体等优点,被广泛应用于薄膜沉积与刻蚀等。但是随着刻蚀线宽越来越窄,连续波CCP刻蚀已经不能满足工艺要求,于是有人提出脉冲CCP刻蚀。这是因为脉冲调制射频CCP可以通过调节脉冲重复频率、占空比和脉冲形状来提高工艺的灵活性,而对于脉冲调制射频CCP相关研究大都着重于前两个变量,很少聚焦在脉冲形状。通过对射频信号的振幅调制,可以增加调控放电参数的维度。本论文在脉冲调制射频容性耦合氩气放电中,基于多种实验诊断方法(微波共振探针、相分辨发射光谱、电压-电流传感器),研究了脉冲振幅对一些重要的电参数和等离子体参数随时间演化的影响。通过函数发生器设置了两种定制的脉冲调幅方式:“线性”和“阶梯式”波形。其中,“线性”变化的波形分为“线性上升+常数”、“常数+线性下降”以及“线性上升与下降组合”三种幅值调制方式。“阶梯式”幅值调制分为“阶梯式上升”和“阶梯式下降”两种调幅方式。重点研究了这几种调幅方式对放电的影响。“线性”变化的调幅方式中,电参数随时间的演化受到“线性”振幅的严格调制。对于“线性上升+常数”调幅方式来说,功率和光强的过冲现象随着振幅上升阶段(T1)时长的增加变得越来越不显著。脉冲关闭后电子密度的衰减速率受到T1时长的影响,随着T1的增加衰减速率逐渐减慢,这可能是由于T1时长越长,中性气体温度越低,密度越高,导致电子扩散损失变慢。在“常数+线性下降”调幅方式下,通过增加常数振幅阶段的时长(T1),可以降低点火所需电压,并使功率的过冲变得越来越显著。“线性上升与下降组合”调幅方式下得到了与以上结论自洽的结果。“阶梯式”幅值调制方式中,对于脉冲重复频率为2 k Hz的“阶梯式上升”波形来说:(1)当点火发生在低电压(T1)阶段时,通过增加T1时长,可以使点火发生的时间延后。这是由于低电压条件下的电子密度增长速率较慢,需要更长的时间才能发生点火。在高电压(T2)阶段,射频电压、射频电流幅值随高(VH)-低(VL)台阶间振幅比η(η=VH/VL)的增加而增强,伴随着电子密度、射频功率沉积和光强的增加;(2)当点火发生在T2阶段时,增加T1时长可以使点火所需电压降低。随振幅比ζ(ζ=VL/VH)的增加,点火开始的时间提前,功率和光强的过冲变得越来越不显著。对于脉冲重复频率为4 k Hz的“阶梯式上升”以及2 k Hz的“阶梯式下降”波形来说,大ζ值的变化对等离子体参数的演化影响较小。当ζ较小时,在低电压阶段均可观察到参数的异常演化。
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