感應耦合等離子清洗機的放電原理及特點是什么？
文章導讀：感應耦合真空（低壓）等離子清洗機是隨著半導體行業(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。嚴格意義上講，等離子刻蝕已經屬于另外的工藝設備范疇，今天我們來探討一下感應耦合等離子清洗機的放電原理、模型及特點。
等離子清洗機的螺旋線圈通入高頻電流時，在它的空間會同時存在兩種電場。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。
我們會看到一個有趣的現(xiàn)象，當?shù)入x子體密度較低時，放電是容性模式；在高密度時，放電轉向感性模式。利用感應電場來加速電子從而維持等離子體，這種方式產生的等離子體稱為感應耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）ICP的中性氣體氣壓一般低于一個大氣壓，102~104Pa，有時也會超出這個范圍，甚至達到大氣壓。
等離子清洗機感性放電等離子體是通過將射頻功率加在一個非共振線圈上產生的。常見的結構有兩種，比較適用于低長寬比的放電系統(tǒng)。第一種常見的感應耦合等離子體源結構采用圓筒螺旋狀線圈類型（簡稱螺旋型），結構見圖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，采用準靜態(tài)方法來處理心做場。等離子體中的電子受到這個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形成等離子體內的渦電流。
雖然電子在感應電場的作用下時而被加速時而被減速，但如果對這種效應進行時間平均，在無碰撞時的能量凈收支為零，功率不能進人等離子體。用νe表示電子與中性粒子、離子發(fā)生碰撞的頻率，可計算出導體“等離子體”的直流電導率σ。通常，當對電導率為σ的導體板從外部施加交變磁場時，導體中會有渦電流流動，從而引起焦耳加熱效應。這時，磁場從導體表面到內部呈指數(shù)函數(shù)衰減，所以進入導體深度有限（趨膚效應）
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是衡量電子響應集體運動快慢的一個指標。ω低于ωp，電子的運動便能阻止波的電場進人等離子體中，這就是等離子體屏蔽。此時波將沿等離子體表面?zhèn)鞑ィ瑯颖砻娌ㄒ部梢杂脕砩筛呙芏鹊入x子體。
一旦進人低氣壓狀態(tài)，等離子體的電阻便會変小，趨膚深度也要下降，所以焦耳加熱效應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制必定是另外一種機制，這就是做熱運動的電子通過局部電場引起的反常趨膚效應。我們要考慮這樣的無碰撞過程：以熱運動速度ν運動著的電子，無論其怎樣進人趨膚深度δ的強感應電場區(qū)域，都會返回等離子體。當電子通過這個電場區(qū)域的時間δ/ν大致等于或者略小于高頻電壓周期2π/ω的時候，電子的加速、減速是隨機發(fā)生的，經統(tǒng)計平均后電子能夠高效率的獲得能量，這就是反常趨膚效應。
通過以上等離子清洗機的原理分析，我們可以了解感應耦合等離子體的一些基本原理和特點，但在設計等離子清洗機的時候，還應兼顧工藝和效率。例如用于處理LCD液晶屏的等離子清洗機，就采用內置盤繞狀線圈感應生成等離子體，如圖4所示
我們會看到一個有趣的現(xiàn)象，當?shù)入x子體密度較低時，放電是容性模式；在高密度時，放電轉向感性模式。利用感應電場來加速電子從而維持等離子體，這種方式產生的等離子體稱為感應耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）ICP的中性氣體氣壓一般低于一個大氣壓，102~104Pa，有時也會超出這個范圍，甚至達到大氣壓。
等離子清洗機感性放電等離子體是通過將射頻功率加在一個非共振線圈上產生的。常見的結構有兩種，比較適用于低長寬比的放電系統(tǒng)。第一種常見的感應耦合等離子體源結構采用圓筒螺旋狀線圈類型（簡稱螺旋型），結構見圖1所示 ：
圖1 圓筒螺旋狀線圈生成感應耦合等離子體
另一種常見的感應耦合等離子體源結構采用平面盤繞狀線圈類型（簡稱盤香型），結構見圖2所示：
圖2 平面盤繞狀線圈生成感應耦合等離子體
另外，也有將盤繞狀線圈加入等離于體內部的放電類型，結構如圖3所示。
圖3 內置盤繞狀線圈生成感應耦合等離子體
驅動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絡。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30cm。因為較寬的壓強范圍內（1~40Pa）易于獲得大口徑，高密度的等離子體，所以ICP近年來被廣泛的應用于半導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，采用準靜態(tài)方法來處理心做場。等離子體中的電子受到這個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形成等離子體內的渦電流。
雖然電子在感應電場的作用下時而被加速時而被減速，但如果對這種效應進行時間平均，在無碰撞時的能量凈收支為零，功率不能進人等離子體。用νe表示電子與中性粒子、離子發(fā)生碰撞的頻率，可計算出導體“等離子體”的直流電導率σ。通常，當對電導率為σ的導體板從外部施加交變磁場時，導體中會有渦電流流動，從而引起焦耳加熱效應。這時，磁場從導體表面到內部呈指數(shù)函數(shù)衰減，所以進入導體深度有限（趨膚效應）
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是衡量電子響應集體運動快慢的一個指標。ω低于ωp，電子的運動便能阻止波的電場進人等離子體中，這就是等離子體屏蔽。此時波將沿等離子體表面?zhèn)鞑ィ瑯颖砻娌ㄒ部梢杂脕砩筛呙芏鹊入x子體。
一旦進人低氣壓狀態(tài)，等離子體的電阻便會変小，趨膚深度也要下降，所以焦耳加熱效應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制必定是另外一種機制，這就是做熱運動的電子通過局部電場引起的反常趨膚效應。我們要考慮這樣的無碰撞過程：以熱運動速度ν運動著的電子，無論其怎樣進人趨膚深度δ的強感應電場區(qū)域，都會返回等離子體。當電子通過這個電場區(qū)域的時間δ/ν大致等于或者略小于高頻電壓周期2π/ω的時候，電子的加速、減速是隨機發(fā)生的，經統(tǒng)計平均后電子能夠高效率的獲得能量，這就是反常趨膚效應。
通過以上等離子清洗機的原理分析，我們可以了解感應耦合等離子體的一些基本原理和特點，但在設計等離子清洗機的時候，還應兼顧工藝和效率。例如用于處理LCD液晶屏的等離子清洗機，就采用內置盤繞狀線圈感應生成等離子體，如圖4所示
圖4 處理LCD液晶屏的內置盤繞狀線圈感應等離子清洗機
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