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射频等离子体放电

低气压放电所得到的低温等离子体是目前高新技术产业的重要加工手段，它被广泛用以刻蚀、去灰、表面溅射、材料氧化、薄膜沉积、离子注入等。可以说如微电子、光电子、新型通讯等高新技术产业的发展离不开低温等离子体微细加工技术的发展。为了满足工业应用的需求，低温等离子需要具备以下特征：（1）均匀性：为了材料处理时的均匀性，尽可能提高产品优秀率，就需要使用的等离子体源是均匀分布的，具体指等离子体密度，温度等物理参数。（2）高密度性：在材料刻蚀应用时，等离子体的密度直接决定了刻蚀速率，更高的等离子体密度能进一步保障工业生产的效率。（3）简便性：在实际工业应用当中，设备的简单可以在使用中更稳定可靠，出现了问题也更好维护修理。（4）高效率：在较低的功率输入时，能够获得满足生产需求的等离子体。

射频（频率为1-500MHz）等离子体放电与直流等离子体放电相比，能够在更低的气压下产生等离子体（电源的输入频率越大，等离子体的阻抗就会越小），电离机制特殊（在整个射频周期内，电子都能够获得能量）除此之外，射频等离子体的空间分布比较均匀，射频等离子体放电装置要求简单，电源价格相对于微波放电的电源更加便宜，所以射频等离子体成为了一般工业中常用的等离子体源。

射频等离子体主要包含容性耦合放电等离子体（Capacitive Coupled Plasma，CCP）、感性耦合放电等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）、螺旋波共振放电等离子体（Helical Resonant Plasma，HRP）。射频等离子体的等离子体能量都是通过射频电源馈入获得能量，但是这三种等离子体的放电原理和能量馈入方式有所不同，所产生的等离子体也会有所差别。

（1）容性耦合放电
射频容性耦合放电是指利用两个平行的电极板，把射频电压通过电容耦合的方式，把射频功率馈入到等离子体放电腔室。其装置简单示意如图1-1，一般有单频型和双频型两种。因为电场的高频变化使腔室内的气体电离产生等离子体。容性耦合等离子体的等离子体密度一般在10⁹-10¹¹cm^-3，电子温度一般为3eV左右。与其他等射频离子体放电相比，容性耦合放电等离子体电子密度低，电子温度较高，被广泛使用在工业生产中，如材料处理，刻蚀镀膜等场合。但是CCP离子源很难实现单独控制等离子体密度(与刻蚀率成正比)以及到达到目标材料表面的离子能量。

图 1-1 射频容性耦合放电原理示意图

（2）感性耦合放电
射频感性耦合放电等离子体是一种具有较高等离子体密度的低温等离子体。射频感性耦合放电是利用一个非谐振线圈，通过电感耦合的方式把射频功率馈入到等离子体中。而且感性耦合放电装置比较简单，通常只需要三个部分：射频电源和进行信号调制的匹配网络，等离子体放电线圈以及配备了合适泵抽系统的真空放电腔室。线圈的形状和位置都能影响到等离子体本身的状态（密度，位置等）。由于绝缘形状的设置以及线圈本身的形状，电感耦合等离子体线圈大致可分为三种：螺线圈式和盘绕状线圈以及浸入到等离子体内部的浸入式线圈。线圈通过电感耦合作用，将射频功率馈入到等离子体之后，由于沿天线线圈的方向有感应电流，且感应而生的电场一般近乎平行于真空器壁，电场的能量就会以横向加热的方式传递给电子，电子轰击中性粒子，引发出更多的电子，引起雪崩效应从而产生等离子体。由于存在碰撞效应，电场会把能量传递给位于等离子体表面的趋服层内的电子，称为欧姆加热。在等离子体内部，电子虽然没有碰撞加热，但会与趋服层内的振荡电场碰撞，从而被加速获得动能。
电感耦合等离子体的密度通常为10¹¹~10¹²cm^-3、电子温度约为2~4eV。电感耦合等离子体可以0.1Pa~40Pa的大范围气压下产生大面积，密度较高的等离子体，所以越来越多的工业生产把电感耦合等离子体源作为主要离子源进行使用。

（3）螺旋波共振等离子体
螺旋波共振等离子体是通过电磁波加热而产生等离子体。在等离子体内部，电磁波不仅可以在等离子体内传播，也可以在等离子体表面进行输送，最终波被等离子体所吸收。在传播过程中，电磁波除了产生等离子体中的电子以外，还有维持等离子体放电和加热等离子体的作用。