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感应耦合等离子清洗机放电原理及其特点是什么?

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、模型及其特点


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 plasmaICPICP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),结构如图1所示:

螺旋型

图1 圆筒螺旋状线圈生成感应耦合等离子体


第二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),结构如图2所示:

盘香型

图2 平面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,其频率一般为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。


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。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,功率不能进入等离子体。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 <<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。


等离子活化机


一旦进入低气压状态,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入等离子体,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。

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