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    我國學者在低溫等離子體物理領域取得重要進展

    日期 2019-06-04   來源:數理科學部   作者:李會紅 戴朝卿 章志明  【 】   【打印】   【關閉

    圖. 不同氣壓下的甚高頻100 MHz容性耦合Ar等離子體中,前五次諧波磁場的徑向分布。圖中符號代表實驗結果,線代表模擬結果

      在國家自然科學基金項目(批準號:11335004,11722541)等支持下,大連理工大學王友年教授課題組與美國加州大學伯克利分校Michael A. Lieberman教授及美國休斯頓大學Demetre J. Economou教授合作,在低溫等離子體物理領域取得重要進展,首次在實驗上觀測到甚高頻容性放電中的非線性駐波效應,并利用數值模型揭示了其物理本質。相關成果以“Observation of Nonlinear Standing Waves Excited by Plasma-Series-Resonance-Enhanced Harmonics in Capacitive Discharges”(容性放電中等離子體串聯共振激發非線性駐波的觀察)為題,于2019年5月7日在線發表于Physical Review Letters(《物理評論快報》)上。論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.185002。

      在半導體芯片制造過程中,有三分之一以上的工序需要利用低溫等離子體加工技術。容性耦合等離子體源由于具有放電均勻性好等優勢,已被廣泛應用于干法刻蝕和薄膜沉積等芯片制造工藝中。近年來,隨著晶圓尺寸和電源驅動頻率的日趨增大,由駐波效應引起的等離子體不均勻性已成為制約半導體工藝設備發展的重要因素,由此引起了工業界及科技界的廣泛關注。

      大連理工大學研究人員利用自主研制的高頻磁探針,首次在實驗上觀測到低氣壓容性放電中由等離子體串聯共振引起的高次諧波所激發的非線性駐波效應,并結合非線性傳輸線模型揭示了非線性駐波激發的物理機制。研究結果表明,在氣壓較低的條件下,鞘層的非線性振蕩會激發高次諧波,這些諧波在串聯共振頻率附近得到增強。在特定的放電條件下,這些非線性諧波將會引起徑向駐波,導致放電電壓及電流在極板中心處出現最大值,從而造成等離子體密度的“中心峰”分布。然而,隨著氣壓的升高,高次諧波激發逐漸受到抑制(如圖),并使等離子體均勻性得到改善。

      該研究成果不僅證實了甚高頻容性放電中激發的非線性高次諧波對等離子體不均勻性的重要貢獻,而且揭示了高次諧波與等離子體之間的非線性相互作用。這些發現對下一代基于450 mm晶圓的半導體工藝設備的設計及參數優化具有重要指導意義。




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