常見的低溫等離子體源及其工作原理簡介

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2024-12-02

在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種等離子體是低溫等離子體，這種等離子體的電子溫度遠(yuǎn)大于離子溫度和原子溫度，通常其電子溫度在幾到幾十電子伏特之間，而離子溫度約為室溫，在工業(yè)生產(chǎn)中不會對材料造成損傷。針對如何產(chǎn)生低溫等離子體科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了多種不同類型的產(chǎn)生低溫等離子體的裝置，接下來將簡要介紹一些常見的低溫等離子體源及其工作原理。

常見的低溫等離子體源及其工作原理簡介

目前，常見的低溫等離子體源包括：射頻容性耦合等離子體（Capacitively Coupled Plasmas，CCP）源、ICP源、微波電子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）等離子體源以及螺旋波（Helicon）等離子體源。

在這些低溫等離子體源中，CCP源是最早被應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片處理工藝中的，主要用于薄膜沉積和刻蝕。圖1.1（a）為常用單頻CCP源的結(jié)構(gòu)裝置，通過匹配網(wǎng)絡(luò)將射頻功率源連接到平板電極的高壓端，平板電極的另一端直接與地相連。當(dāng)電源接通之后，在上下兩個電極之間形成高壓電場，進(jìn)而加速電子碰撞氣體分子激發(fā)放電，從而得到大面積均勻的等離子體[6]。隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，對工藝技術(shù)也提出了更高的要求，因此人們在原來單一射頻源驅(qū)動的基礎(chǔ)上提出了雙頻驅(qū)動的CCP源。所謂雙頻CCP源就是由一個高頻電源和一個低頻電源共同驅(qū)動，如圖1.1（b）所示。其中高頻電源主要用來控制電子能量，低頻電源通過控制鞘層特性進(jìn)而影響離子能量，從而改善了單頻放電不能獨立控制等離子體密度和離子能量的缺點。

圖 1 .1 CCP 源結(jié)構(gòu)示意圖：（ a）單頻 CCP 源；（ b）雙頻 CCP 源

第二種，ECR等離子體源是繼CCP源之后提出的一種新的產(chǎn)生低溫等離子體的裝置。圖1.2是常見的ECR等離子體源的結(jié)構(gòu)裝置，其中磁場線圈主要為放電系統(tǒng)提供穩(wěn)恒磁場，使電子在洛倫茲力的作用下做回旋運動，而且必須保證電子的回旋頻率等于微波源的頻率或其頻率的整數(shù)倍，這樣電子才會與電磁波發(fā)生共振獲得能量，待電子獲得足夠高的能量與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞，進(jìn)而電離產(chǎn)生等離子體。該裝置可以在幾毫托的氣壓下產(chǎn)生密度較高的等離子體，另外，可以通過改變微波功率的大小來調(diào)節(jié)電子溫度、電子密度以及電子能量分布，從而增加高能電子的含量，同時可以通過磁場形狀的選取產(chǎn)生均勻的等離子體。然而，由于該裝置需要外加磁場線圈形成穩(wěn)恒磁場，既提高了設(shè)備成本，又使裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)。

圖 1 .2 ECR 等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖

第三種，Helicon等離子體源常見放電裝置如圖1.3所示。當(dāng)向磁場中的線圈通入高頻電流時，電流周圍會感應(yīng)出一個交變的磁場，這個交變磁場會使等離子體內(nèi)部的磁場發(fā)生擾動，進(jìn)而將能量傳遞給電子。在電場的作用下，電子加速動能增大與周圍的氣體分子碰撞，從而產(chǎn)生等離子體。一般情況下，該裝置所需外加磁場的強(qiáng)度為100G，產(chǎn)生的等離子體密度在1011-1012cm-3之間。該類型的等離子體源也可以獲得密度較高的等離子體，同時可以實現(xiàn)等離子體密度和離子能量的獨立控制。但在Helicon放電過程中存在多種模式的跳變，不利于工作參數(shù)的調(diào)節(jié)；另一方面，該裝置也需要外加磁場，很難實現(xiàn)大面積均勻放電。

圖 1.3 Helicon 等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖

第四種，ICP源，根據(jù)天線的位置，一般將其分為兩種：一種是平面天線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是將線圈放置在放電腔室頂部的石英介質(zhì)窗上，如圖1.4（b）所示；第二種是柱狀線圈結(jié)構(gòu)，即把通電線圈纏繞在石英放電腔的側(cè)壁，如圖1.4（a）所示。當(dāng)線圈中通入射頻電流時，線圈周圍會感應(yīng)出一個變化的磁場，這個變化的磁場又會感應(yīng)出一個渦旋電場，反應(yīng)腔室中的電子在渦旋電場的作用下，加速碰撞氣體分子發(fā)生電離。在生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)需要改變腔室的尺寸，從而產(chǎn)生大體積、大面積的等離子體。

圖 4 ICP 源結(jié)構(gòu)示意圖：（ a ）平面天線；（ b ）柱面天線

圖 1.4 ICP 源結(jié)構(gòu)示意圖：（ a ）柱面天線；（ b ）平面天線

與其他等離子體源相比，ICP源具有顯著的優(yōu)點：（1）不需要采用高壓射頻電極，可以減輕容性放電中常見的污染；（2）不需要復(fù)雜的微波和外磁場設(shè)備，裝置成本較低且結(jié)構(gòu)簡單；（3）不需要考慮螺旋波與線圈之間的共振耦合，同時也不需要施加磁場。因此，近年來ICP被廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路制造、材料加工、薄膜沉積及等離子體刻蝕等領(lǐng)域。