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研界的广泛关注。
近日，我校完美（中国）官方、三束材料改性教育部重点实验室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，在容性耦合等离子体中非线性驻波效应研究方面取得突破性进展。相关成果以“Observation of Nonlinear Standing Waves Excited by Plasma-Series-Resonance-Enhanced Harmonics in Capacitive Discharges”为题，于2019年5月7日在物理学国际顶级期刊——《Physical Review Letters》上发表。课题组博士生赵凯为该文第一作者，温德奇博士（现为美国密歇根州立大学博士后）为共同第一作者，王友年教授和刘永新教授为本文的共同通讯作者。
该课题组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（图1），并导致等离子体均匀性得到改善。
该研究成果首次在实验上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，并从理论角度深刻揭示了高次谐波与等离子体之间的非线性相互作用，这些发现对于下一代基于450 mm晶圆的半导体工艺设备的设计及参数优化具有重要的指导意义。
该项工作得到国家自然科学基金重点项目（批准号：11335004）和优秀青年基金项目（批准号：11722541)的资助。
图1 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。
期刊介绍：
《Physical Review Letters》是美国物理学会(APS)的会刊和旗舰杂志，主要发表物理和相关交叉学科的最新研究成果，是物理学领域顶级的国际学术期刊，最新的Science Citation Index影响因子为8.839。
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