感應耦合等離子清洗機的放電原理及特點是什麼?

感應耦合真空(低壓)等離子清洗機是隨著半導體行業的工藝要求發展起來的,主要的用途是在晶圓製造的光刻膠去除和刻蝕。嚴格意義上講,等離子刻蝕已經屬於另外的工藝裝置範疇,今天我們來探討一下感應耦合等離子清洗機的放電原理、模型及特點。

當螺旋線圈通入高頻電流時,在它的空間會同時存在兩種電場。第一種是由線圈兩端的高頻電位差建立的軸向電場E1,這是E型放電的電場;第二種是由放電空間變化磁場產生的渦旋電場E0,也就是H型電場。這兩種電場的比例隨線圈繞制的方式不同而變化。

我們會看到一個有趣的現象,當等離子體密度較低時,放電是容性模式;在高密度時,放電轉向感性模式。利用感應電場來加速電子從而維持等離子體,這種方式產生的等離子體稱為感應耦合等離子體(inductively coupled plasma,ICP)ICP的中性氣體氣壓一般低於一個大氣壓,102~104Pa,有時也會超出這個範圍,甚至達到大氣壓。

感性放電等離子體是透過將射頻功率加在一個非共振線圈上產生的。常見的結構有兩種,比較適用於低長寬比的放電系統。第一種常見的感應耦合等離子體源結構採用圓筒螺旋狀線圈型別(簡稱螺旋型),結構見圖1所示

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圖1 圓筒螺旋狀線圈生成感應耦合等離子體

另一種常見的感應耦合等離子體源結構採用平面盤繞狀線圈型別(簡稱盤香型),結構見圖2所示

感應耦合等離子清洗機的放電原理及特點是什麼?

圖2 平面盤繞狀線圈生成感應耦合等離子體

另外,也有將盤繞狀線圈加入等離於體內部的放電型別,結構如圖3所示

感應耦合等離子清洗機的放電原理及特點是什麼?

圖3 內建盤繞狀線圈生成感應耦合等離子體

驅動電感線圈的射頻源的輸出阻抗為50Ω,其頻率一股為13。56 MHz或者更低。在射頻源與電感線圈之間有容性匹配網路。所得到的等離子體密度為1017~1018m-3、電子溫度為2~4eV,直徑可達30cm。因為較寬的壓強範圍內(1~40Pa)易於獲得大口徑,高密度的等離子體,所以ICP近年來被廣泛的應用於半導體等離子體加工工藝。

由c=λν,13。56MHz電磁波的波長為22m,大於天線長度,所以可以忽略位移電流,採用準靜態方法來處理心做場。等離子體中的電子受到這個電場的作用而被加速,因此,在抵消天線電流磁場的方向上會形成等離子體內的渦電流。

雖然電子在感應電場的作用下時而被加速時而被減速,但如果對這種效應進行時間平均,在無碰撞時的能量淨收支為零,功率不能進人等離子體。用νe表示電子與中性粒子、離子發生碰撞的頻率,可計算出導體“等離子體”的直流電導率σ。通常,當對電導率為σ的導體板從外部施加交變磁場時,導體中會有渦電流流動,從而引起焦耳加熱效應。這時,磁場從導體表面到內部呈指數函式衰減,所以進入導體深度有限(趨膚效應)

在氣壓較低(νe/ω <<1)、等離子體密度較高(ωp>>ω)的情況下,趨膚深度表示為δ=c/ωp。從物理意義上講ωp是衡量電子響應集體運動快慢的一個指標。ω低於ωp,電子的運動便能阻止波的電場進人等離子體中,這就是等離子體遮蔽。此時波將沿等離子體表面傳播,同樣表面波也可以用來生成高密度等離子體。

一旦進人低氣壓狀態,等離子體的電阻便會変小,趨膚深度也要下降,所以焦耳加熱效應無法使功率輸人等離子體,因此在低氣壓下維持高密度等禺子體的機制必定是另外一種機制,這就是做熱運動的電子透過區域性電場引起的反常趨膚效應。我們要考慮這樣的無碰撞過程:以熱運動速度ν運動著的電子,無論其怎樣進人趨膚深度δ的強感應電場區域,都會返回等離子體。當電子透過這個電場區域的時間δ/ν大致等於或者略小於高頻電壓週期2π/ω的時候,電子的加速、減速是隨機發生的,經統計平均後電子能夠高效率的獲得能量,這就是反常趨膚效應。

透過以上的原理分析,我們可以瞭解感應耦合等離子體的一些基本原理和特點,但在設計等離子清洗機的時候,還應兼顧工藝和效率。例如用於處理LCD液晶屏的等離子清洗機,就採用內建盤繞狀線圈感應生成等離子體,如圖4所示

感應耦合等離子清洗機的放電原理及特點是什麼?

圖4 處理LCD液晶屏的內建盤繞狀線圈感應等離子清洗機

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