Multiple diagnostic techniques measured neutral gas temperatures in N2 plasma and Ar-N2 mixed plasma
Year: 2025
Type: article
Abstract: 低温感应耦合射频等离子体作为半导体制造中的关键等离子体源，其中性气体温度通过调控化学反应动力学、活性自由基分布以及等离子体-表面相互作用，对高质量芯片制造工艺具有重要影响. 本工作通过光谱法、布拉格光栅和光纤传感测温等三种测温手段，系统研究了氮气以及氮氩混合等离子体在不同射频功率、气体压力和气体组分条件下的中性气体温度（Tg）的变化规律. 另外，还结合 Langmuir 探针测量的电子密度、电子温度、电子能量概率函数以及整体模型模拟，分析了中性气体加热的物理机制. 结果表明，当射频功率增大时，耦合到等离子体的能量增多，电离反应增强，电子-中性粒子之间的碰撞过程和能量传递增多，使 Tg 呈单调递增趋势. 而当气压升高初期，电子密度和背景气体密度增加共同提升了加热效率，Tg 快速上升，但在气压超过 3 Pa后，电子平均自由程缩短，电子密度下降，而背景气体密度持续增加，因而导致 Tg 增加变缓. 在氮/氩混合体系放电中，氩气比例增加显著提高了 Tg 的上升速率，这是由于随着氩气比例增加，高能电子比例和电子密度上升，增强了电离和中性气体加热，同时氩亚稳态原子通过 Penning 过程提高了氮激发态粒子密度，并促使氮分子向高能级激发，进一步加热气体. 此外，研究发现纯氮等离子体的径向温度分布在轴向高度增加时呈现由抛物线形向马鞍形的转变，这是因为离线圈越近，受到电磁场的影响电子碰撞激发反应越强.研究还发现了径向边缘处的Tg随气压的升高几乎不发生变化，这是由于当气压不断升高时，线圈下方的电子很难运动到径向边缘处与中性粒子发生碰撞，从而限制了边缘中性粒子的加热.
Source: Acta Physica Sinica
Authors: Yanlin AN, Mingliang ZHAO, Qian LUO, Fei GAO, Younian WANG
Language: English
Subfield: Electrical and Electronic Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: diamond
OpenAlex ID: W7091400691