常见的低温等离子体源及其工作原理简介

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-04-18

在工业生产中应用最广泛的一种等离子体是低温等离子体，这种等离子体的电子温度远大于离子温度和原子温度，通常其电子温度在几到几十电子伏特之间，而离子温度约为室温，在工业生产中不会对材料造成损伤。针对如何产生低温等离子体科学家们已经进行了大量研究，开发了多种不同类型的产生低温等离子体的装置，接下来将简要介绍一些常见的低温等离子体源及其工作原理。

常见的低温等离子体源及其工作原理简介

目前，常见的低温等离子体源包括：射频容性耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasmas，CCP）源、ICP源、微波电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）等离子体源以及螺旋波（Helicon）等离子体源。

在这些低温等离子体源中，CCP源是最早被应用于半导体芯片处理工艺中的，主要用于薄膜沉积和刻蚀。图1.1（a）为常用单频CCP源的结构装置，通过匹配网络将射频功率源连接到平板电极的高压端，平板电极的另一端直接与地相连。当电源接通之后，在上下两个电极之间形成高压电场，进而加速电子碰撞气体分子激发放电，从而得到大面积均匀的等离子体[6]。随着生产效率的不断提高，对工艺技术也提出了更高的要求，因此人们在原来单一射频源驱动的基础上提出了双频驱动的CCP源。所谓双频CCP源就是由一个高频电源和一个低频电源共同驱动，如图1.1（b）所示。其中高频电源主要用来控制电子能量，低频电源通过控制鞘层特性进而影响离子能量，从而改善了单频放电不能独立控制等离子体密度和离子能量的缺点。

图 1 .1 CCP 源结构示意图：（ a）单频 CCP 源；（ b）双频 CCP 源

第二种，ECR等离子体源是继CCP源之后提出的一种新的产生低温等离子体的装置。图1.2是常见的ECR等离子体源的结构装置，其中磁场线圈主要为放电系统提供稳恒磁场，使电子在洛伦兹力的作用下做回旋运动，而且必须保证电子的回旋频率等于微波源的频率或其频率的整数倍，这样电子才会与电磁波发生共振获得能量，待电子获得足够高的能量与中性粒子发生非弹性碰撞，进而电离产生等离子体。该装置可以在几毫托的气压下产生密度较高的等离子体，另外，可以通过改变微波功率的大小来调节电子温度、电子密度以及电子能量分布，从而增加高能电子的含量，同时可以通过磁场形状的选取产生均匀的等离子体。然而，由于该装置需要外加磁场线圈形成稳恒磁场，既提高了设备成本，又使装置结构更加复杂，不利于工业生产。

图 1 .2 ECR 等离子体源结构示意图

第三种，Helicon等离子体源常见放电装置如图1.3所示。当向磁场中的线圈通入高频电流时，电流周围会感应出一个交变的磁场，这个交变磁场会使等离子体内部的磁场发生扰动，进而将能量传递给电子。在电场的作用下，电子加速动能增大与周围的气体分子碰撞，从而产生等离子体。一般情况下，该装置所需外加磁场的强度为100G，产生的等离子体密度在1011-1012cm-3之间。该类型的等离子体源也可以获得密度较高的等离子体，同时可以实现等离子体密度和离子能量的独立控制。但在Helicon放电过程中存在多种模式的跳变，不利于工作参数的调节；另一方面，该装置也需要外加磁场，很难实现大面积均匀放电。

图 1.3 Helicon 等离子体源结构示意图

第四种，ICP源，根据天线的位置，一般将其分为两种：一种是平面天线结构，这种结构是将线圈放置在放电腔室顶部的石英介质窗上，如图1.4（a）所示；第二种是柱状线圈结构，即把通电线圈缠绕在石英放电腔的侧壁，如图1.4（b）所示。当线圈中通入射频电流时，线圈周围会感应出一个变化的磁场，这个变化的磁场又会感应出一个涡旋电场，反应腔室中的电子在涡旋电场的作用下，加速碰撞气体分子发生电离。在生产过程中，可以根据需要改变腔室的尺寸，从而产生大体积、大面积的等离子体。

图 1.7 ICP 源结构示意图：（ a ）平面天线；（ b ）柱面天线

与其他等离子体源相比，ICP源具有显著的优点：（1）不需要采用高压射频电极，可以减轻容性放电中常见的污染；（2）不需要复杂的微波和外磁场设备，装置成本较低且结构简单；（3）不需要考虑螺旋波与线圈之间的共振耦合，同时也不需要施加磁场。因此，近年来ICP被广泛应用于超大规模集成电路制造、材料加工、薄膜沉积及等离子体刻蚀等领域。

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