脉冲感应耦合Ar等离子体中时空磁诊断与过冲现象的数值模拟研究

为解决脉冲感应耦合等离子体(ICP)放电中电子密度过冲现象与射频(RF)磁场分布的关联机制问题，研究人员通过磁探针与Langmuir探针联用技术，结合流体模型模拟，揭示了低气压下残余电子密度对RF磁场穿透深度及过冲现象的关键影响，为半导体刻蚀工艺的等离子体参数调控提供了新见解。

　　

在半导体制造领域，随着器件特征尺寸的不断缩小，等离子体刻蚀工艺面临电荷积累效应导致的"底切"(notching)问题。脉冲感应耦合等离子体(ICP)因其可通过脉冲间歇期中和正电荷的特性，成为解决这一难题的有效途径。然而，脉冲放电过程中电子密度出现的过冲现象(overshoot)会导致等离子体参数不稳定，直接影响刻蚀均匀性。这种过冲现象与射频(RF)磁场的时空分布密切相关，但其中的物理机制尚不明确。

大连理工大学的研究团队在《Vacuum》发表的最新研究中，通过创新性地结合磁探针与Langmuir探针的时空分辨诊断技术，配合流体模型数值模拟，系统揭示了Ar气脉冲ICP中RF磁场与过冲现象的关联规律。研究发现，在10 mTorr低气压条件下，残余电子密度较低会导致RF磁场穿透深度增加，产生高强度轴向磁场分量(B_z)，进而引发显著电子密度过冲；而在高气压条件下，残余电子密度升高会抑制RF磁场穿透，使过冲现象消失。该研究为工业等离子体工艺中过冲现象的主动调控提供了重要理论依据。

研究团队采用三项关键技术方法：1) 可移动Langmuir探针测量电子密度和有效电子温度时空分布；2) 磁探针阵列获取RF磁场(B_z和B_r分量)的时空演化；3) 基于流体模型计算电磁场与等离子体参数的二维分布。实验在直径485 mm的不锈钢真空腔室内进行，采用两匝平面螺旋线圈激发Ar等离子体。

空间位置对RF磁场及过冲现象的影响
研究发现：线圈下方区域电子密度增长最快，过冲现象最显著；腔室中心表现为中等增长速率；而腔室边缘增长最慢且过冲微弱。磁场的径向分布呈现符合贝塞尔函数的非线性特征，腔室中心以B_z为主导，线圈下方则同时存在显著的B_z和径向分量B_r。

气压对过冲现象的调控机制
低气压(10 mTorr)下，前驱余辉阶段的残余电子密度低，导致RF磁场振幅出现强峰值，产生高能电子和高电离率，引发明显过冲；高气压下，残余电子密度增加会减小RF磁场穿透深度，削弱感应电场，使过冲现象消失。

该研究首次建立了脉冲ICP中RF磁场时空分布与电子密度过冲现象的定量关联模型，不仅深化了对等离子体非平衡动力学过程的理解，更重要的是为半导体刻蚀工艺中等离子体参数的精确调控提供了新思路。通过调节气压、线圈几何参数等条件，可有效抑制过冲现象，提升刻蚀均匀性。研究采用的磁诊断与流体模型相结合的方法，也为其他类型等离子体装置的优化设计提供了可借鉴的技术路线。