感應(yīng)耦合等離子清洗機(jī)的放電原理及特點(diǎn)是什么？
文章導(dǎo)讀：感應(yīng)耦合真空（低壓）等離子清洗機(jī)是隨著半導(dǎo)體行業(yè)的工藝要求發(fā)展起來的，主要的用途是在晶圓制造的光刻膠去除和刻蝕。嚴(yán)格意義上講，等離子刻蝕已經(jīng)屬于另外的工藝設(shè)備范疇，今天我們來探討一下感應(yīng)耦合等離子清洗機(jī)的放電原理、模型及特點(diǎn)。
等離子清洗機(jī)的螺旋線圈通入高頻電流時(shí)，在它的空間會(huì)同時(shí)存在兩種電場。第一種是由線圈兩端的高頻電位差建立的軸向電場E1，這是E型放電的電場；第二種是由放電空間變化磁場產(chǎn)生的渦旋電場E0，也就是H型電場。這兩種電場的比例隨線圈繞制的方式不同而變化。
我們會(huì)看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)入x子體密度較低時(shí)，放電是容性模式；在高密度時(shí)，放電轉(zhuǎn)向感性模式。利用感應(yīng)電場來加速電子從而維持等離子體，這種方式產(chǎn)生的等離子體稱為感應(yīng)耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）ICP的中性氣體氣壓一般低于一個(gè)大氣壓，102~104Pa，有時(shí)也會(huì)超出這個(gè)范圍，甚至達(dá)到大氣壓。
等離子清洗機(jī)感性放電等離子體是通過將射頻功率加在一個(gè)非共振線圈上產(chǎn)生的。常見的結(jié)構(gòu)有兩種，比較適用于低長寬比的放電系統(tǒng)。第一種常見的感應(yīng)耦合等離子體源結(jié)構(gòu)采用圓筒螺旋狀線圈類型（簡稱螺旋型），結(jié)構(gòu)見圖1所示 ：
由c=λν,13.56MHz電磁波的波長為22m，大于天線長度，所以可以忽略位移電流，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法來處理心做場。等離子體中的電子受到這個(gè)電場的作用而被加速，因此，在抵消天線電流磁場的方向上會(huì)形成等離子體內(nèi)的渦電流。
雖然電子在感應(yīng)電場的作用下時(shí)而被加速時(shí)而被減速，但如果對這種效應(yīng)進(jìn)行時(shí)間平均，在無碰撞時(shí)的能量凈收支為零，功率不能進(jìn)人等離子體。用νe表示電子與中性粒子、離子發(fā)生碰撞的頻率，可計(jì)算出導(dǎo)體“等離子體”的直流電導(dǎo)率σ。通常，當(dāng)對電導(dǎo)率為σ的導(dǎo)體板從外部施加交變磁場時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)有渦電流流動(dòng)，從而引起焦耳加熱效應(yīng)。這時(shí)，磁場從導(dǎo)體表面到內(nèi)部呈指數(shù)函數(shù)衰減，所以進(jìn)入導(dǎo)體深度有限（趨膚效應(yīng)）
在氣壓較低（νe/ω <<1）、等離子體密度較高（ωp>>ω）的情況下,趨膚深度表示為δ=c/ωp。從物理意義上講ωp是衡量電子響應(yīng)集體運(yùn)動(dòng)快慢的一個(gè)指標(biāo)。ω低于ωp，電子的運(yùn)動(dòng)便能阻止波的電場進(jìn)人等離子體中，這就是等離子體屏蔽。此時(shí)波將沿等離子體表面?zhèn)鞑?，同樣表面波也可以用來生成高密度等離子體。
一旦進(jìn)人低氣壓狀態(tài)，等離子體的電阻便會(huì)変小，趨膚深度也要下降，所以焦耳加熱效應(yīng)無法使功率輸人等離子體，因此在低氣壓下維持高密度等禺子體的機(jī)制必定是另外一種機(jī)制，這就是做熱運(yùn)動(dòng)的電子通過局部電場引起的反常趨膚效應(yīng)。我們要考慮這樣的無碰撞過程：以熱運(yùn)動(dòng)速度ν運(yùn)動(dòng)著的電子，無論其怎樣進(jìn)人趨膚深度δ的強(qiáng)感應(yīng)電場區(qū)域，都會(huì)返回等離子體。當(dāng)電子通過這個(gè)電場區(qū)域的時(shí)間δ/ν大致等于或者略小于高頻電壓周期2π/ω的時(shí)候，電子的加速、減速是隨機(jī)發(fā)生的，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均后電子能夠高效率的獲得能量，這就是反常趨膚效應(yīng)。
通過以上等離子清洗機(jī)的原理分析，我們可以了解感應(yīng)耦合等離子體的一些基本原理和特點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)等離子清洗機(jī)的時(shí)候，還應(yīng)兼顧工藝和效率。例如用于處理LCD液晶屏的等離子清洗機(jī)，就采用內(nèi)置盤繞狀線圈感應(yīng)生成等離子體，如圖4所示
我們會(huì)看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)入x子體密度較低時(shí)，放電是容性模式；在高密度時(shí)，放電轉(zhuǎn)向感性模式。利用感應(yīng)電場來加速電子從而維持等離子體，這種方式產(chǎn)生的等離子體稱為感應(yīng)耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）ICP的中性氣體氣壓一般低于一個(gè)大氣壓，102~104Pa，有時(shí)也會(huì)超出這個(gè)范圍，甚至達(dá)到大氣壓。
等離子清洗機(jī)感性放電等離子體是通過將射頻功率加在一個(gè)非共振線圈上產(chǎn)生的。常見的結(jié)構(gòu)有兩種，比較適用于低長寬比的放電系統(tǒng)。第一種常見的感應(yīng)耦合等離子體源結(jié)構(gòu)采用圓筒螺旋狀線圈類型（簡稱螺旋型），結(jié)構(gòu)見圖1所示 ：
圖1 圓筒螺旋狀線圈生成感應(yīng)耦合等離子體
另一種常見的感應(yīng)耦合等離子體源結(jié)構(gòu)采用平面盤繞狀線圈類型（簡稱盤香型），結(jié)構(gòu)見圖2所示：
圖2 平面盤繞狀線圈生成感應(yīng)耦合等離子體
另外，也有將盤繞狀線圈加入等離于體內(nèi)部的放電類型，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 內(nèi)置盤繞狀線圈生成感應(yīng)耦合等離子體
驅(qū)動(dòng)電感線圈的射頻源的輸出阻抗為50Ω，其頻率一股為13.56 MHz或者更低。在射頻源與電感線圈之間有容性匹配網(wǎng)絡(luò)。所得到的等離子體密度為1017~1018m-3、電子溫度為2~4eV，直徑可達(dá)30cm。因?yàn)檩^寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)（1~40Pa）易于獲得大口徑，高密度的等離子體，所以ICP近年來被廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體等離子體加工工藝。由c=λν,13.56MHz電磁波的波長為22m，大于天線長度，所以可以忽略位移電流，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法來處理心做場。等離子體中的電子受到這個(gè)電場的作用而被加速，因此，在抵消天線電流磁場的方向上會(huì)形成等離子體內(nèi)的渦電流。
雖然電子在感應(yīng)電場的作用下時(shí)而被加速時(shí)而被減速，但如果對這種效應(yīng)進(jìn)行時(shí)間平均，在無碰撞時(shí)的能量凈收支為零，功率不能進(jìn)人等離子體。用νe表示電子與中性粒子、離子發(fā)生碰撞的頻率，可計(jì)算出導(dǎo)體“等離子體”的直流電導(dǎo)率σ。通常，當(dāng)對電導(dǎo)率為σ的導(dǎo)體板從外部施加交變磁場時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)有渦電流流動(dòng)，從而引起焦耳加熱效應(yīng)。這時(shí)，磁場從導(dǎo)體表面到內(nèi)部呈指數(shù)函數(shù)衰減，所以進(jìn)入導(dǎo)體深度有限（趨膚效應(yīng)）
在氣壓較低（νe/ω <<1）、等離子體密度較高（ωp>>ω）的情況下,趨膚深度表示為δ=c/ωp。從物理意義上講ωp是衡量電子響應(yīng)集體運(yùn)動(dòng)快慢的一個(gè)指標(biāo)。ω低于ωp，電子的運(yùn)動(dòng)便能阻止波的電場進(jìn)人等離子體中，這就是等離子體屏蔽。此時(shí)波將沿等離子體表面?zhèn)鞑?，同樣表面波也可以用來生成高密度等離子體。
一旦進(jìn)人低氣壓狀態(tài)，等離子體的電阻便會(huì)変小，趨膚深度也要下降，所以焦耳加熱效應(yīng)無法使功率輸人等離子體，因此在低氣壓下維持高密度等禺子體的機(jī)制必定是另外一種機(jī)制，這就是做熱運(yùn)動(dòng)的電子通過局部電場引起的反常趨膚效應(yīng)。我們要考慮這樣的無碰撞過程：以熱運(yùn)動(dòng)速度ν運(yùn)動(dòng)著的電子，無論其怎樣進(jìn)人趨膚深度δ的強(qiáng)感應(yīng)電場區(qū)域，都會(huì)返回等離子體。當(dāng)電子通過這個(gè)電場區(qū)域的時(shí)間δ/ν大致等于或者略小于高頻電壓周期2π/ω的時(shí)候，電子的加速、減速是隨機(jī)發(fā)生的，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均后電子能夠高效率的獲得能量，這就是反常趨膚效應(yīng)。
通過以上等離子清洗機(jī)的原理分析，我們可以了解感應(yīng)耦合等離子體的一些基本原理和特點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)等離子清洗機(jī)的時(shí)候，還應(yīng)兼顧工藝和效率。例如用于處理LCD液晶屏的等離子清洗機(jī)，就采用內(nèi)置盤繞狀線圈感應(yīng)生成等離子體，如圖4所示
圖4 處理LCD液晶屏的內(nèi)置盤繞狀線圈感應(yīng)等離子清洗機(jī)
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