感应耦合等离子清洗机的放电原理及特点是什么？

感应耦合真空（低压）等离子清洗机是随着半导体行业的工艺要求发展起来的，主要的用途是在晶圆制造的光刻胶去除和刻蚀。严格意义上讲，等离子刻蚀已经属于另外的工艺设备范畴，今天我们来探讨一下感应耦合等离子清洗机的放电原理、模型及特点。

当螺旋线圈通入高频电流时，在它的空间会同时存在两种电场。第一种是由线圈两端的高频电位差建立的轴向电场E1，这是E型放电的电场；第二种是由放电空间变化磁场产生的涡旋电场E0，也就是H型电场。这两种电场的比例随线圈绕制的方式不同而变化。

我们会看到一个有趣的现象，当等离子体密度较低时，放电是容性模式；在高密度时，放电转向感性模式。利用感应电场来加速电子从而维持等离子体，这种方式产生的等离子体称为感应耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）ICP的中性气体气压一般低于一个大气压，102~104Pa，有时也会超出这个范围，甚至达到大气压。

感性放电等离子体是通过将射频功率加在一个非共振线圈上产生的。常见的结构有两种，比较适用于低长宽比的放电系统。第一种常见的感应耦合等离子体源结构采用圆筒螺旋状线圈类型（简称螺旋型），结构见图1所示

图1 圆筒螺旋状线圈生成感应耦合等离子体

另一种常见的感应耦合等离子体源结构采用平面盘绕状线圈类型（简称盘香型），结构见图2所示

图2 平面盘绕状线圈生成感应耦合等离子体

另外，也有将盘绕状线圈加入等离于体内部的放电类型，结构如图3所示

图3 内置盘绕状线圈生成感应耦合等离子体

驱动电感线圈的射频源的输出阻抗为50Ω，其频率一股为13.56 MHz或者更低。在射频源与电感线圈之间有容性匹配网络。所得到的等离子体密度为1017~1018m-3、电子温度为2~4eV，直径可达30cm。因为较宽的压强范围内（1~40Pa）易于获得大口径，高密度的等离子体，所以ICP近年来被广泛的应用于半导体等离子体加工工艺。

由c=λν,13.56MHz电磁波的波长为22m，大于天线长度，所以可以忽略位移电流，采用准静态方法来处理心做场。等离子体中的电子受到这个电场的作用而被加速，因此，在抵消天线电流磁场的方向上会形成等离子体内的涡电流。

虽然电子在感应电场的作用下时而被加速时而被减速，但如果对这种效应进行时间平均，在无碰撞时的能量净收支为零，功率不能进人等离子体。用νe表示电子与中性粒子、离子发生碰撞的频率，可计算出导体“等离子体”的直流电导率σ。通常，当对电导率为σ的导体板从外部施加交变磁场时，导体中会有涡电流流动，从而引起焦耳加热效应。这时，磁场从导体表面到内部呈指数函数衰减，所以进入导体深度有限（趋肤效应）

在气压较低（νe/ω <<1）、等离子体密度较高（ωp>>ω）的情况下，趋肤深度表示为δ=c/ωp。从物理意义上讲ωp是衡量电子响应集体运动快慢的一个指标。ω低于ωp，电子的运动便能阻止波的电场进人等离子体中，这就是等离子体屏蔽。此时波将沿等离子体表面传播，同样表面波也可以用来生成高密度等离子体。

一旦进人低气压状态，等离子体的电阻便会変小，趋肤深度也要下降，所以焦耳加热效应无法使功率输人等离子体，因此在低气压下维持高密度等禺子体的机制必定是另外一种机制，这就是做热运动的电子通过局部电场引起的反常趋肤效应。我们要考虑这样的无碰撞过程：以热运动速度ν运动着的电子，无论其怎样进人趋肤深度δ的强感应电场区域，都会返回等离子体。当电子通过这个电场区域的时间δ/ν大致等于或者略小于高频电压周期2π/ω的时候，电子的加速、减速是随机发生的，经统计平均后电子能够高效率的获得能量，这就是反常趋肤效应。

通过以上的原理分析，我们可以了解感应耦合等离子体的一些基本原理和特点，但在设计等离子清洗机的时候，还应兼顾工艺和效率。例如用于处理LCD液晶屏的等离子清洗机，就采用内置盘绕状线圈感应生成等离子体，如图4所示

图4 处理LCD液晶屏的内置盘绕状线圈感应等离子清洗机

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