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射頻等離子體放電

低氣壓放電所得到的低溫等離子體是目前高新技術產(chǎn)業(yè)的重要加工手段，它被廣泛用以刻蝕、去灰、表面濺射、材料氧化、薄膜沉積、離子注入等?？梢哉f如微電子、光電子、新型通訊等高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開低溫等離子體微細加工技術的發(fā)展。為了滿足工業(yè)應用的需求，低溫等離子需要具備以下特征：（1）均勻性：為了材料處理時的均勻性，盡可能提高產(chǎn)品優(yōu)秀率，就需要使用的等離子體源是均勻分布的，具體指等離子體密度，溫度等物理參數(shù)。（2）高密度性：在材料刻蝕應用時，等離子體的密度直接決定了刻蝕速率，更高的等離子體密度能進一步保障工業(yè)生產(chǎn)的效率。（3）簡便性：在實際工業(yè)應用當中，設備的簡單可以在使用中更穩(wěn)定可靠，出現(xiàn)了問題也更好維護修理。（4）高效率：在較低的功率輸入時，能夠獲得滿足生產(chǎn)需求的等離子體。

射頻（頻率為1-500MHz）等離子體放電與直流等離子體放電相比，能夠在更低的氣壓下產(chǎn)生等離子體（電源的輸入頻率越大，等離子體的阻抗就會越小），電離機制特殊（在整個射頻周期內(nèi)，電子都能夠獲得能量）除此之外，射頻等離子體的空間分布比較均勻，射頻等離子體放電裝置要求簡單，電源價格相對于微波放電的電源更加便宜，所以射頻等離子體成為了一般工業(yè)中常用的等離子體源。

射頻等離子體主要包含容性耦合放電等離子體（Capacitive Coupled Plasma，CCP）、感性耦合放電等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）、螺旋波共振放電等離子體（Helical Resonant Plasma，HRP）。射頻等離子體的等離子體能量都是通過射頻電源饋入獲得能量，但是這三種等離子體的放電原理和能量饋入方式有所不同，所產(chǎn)生的等離子體也會有所差別。

（1）容性耦合放電
射頻容性耦合放電是指利用兩個平行的電極板，把射頻電壓通過電容耦合的方式，把射頻功率饋入到等離子體放電腔室。其裝置簡單示意如圖1-1，一般有單頻型和雙頻型兩種。因為電場的高頻變化使腔室內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生等離子體。容性耦合等離子體的等離子體密度一般在10⁹-10¹¹cm^-3，電子溫度一般為3eV左右。與其他等射頻離子體放電相比，容性耦合放電等離子體電子密度低，電子溫度較高，被廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)中，如材料處理，刻蝕鍍膜等場合。但是CCP離子源很難實現(xiàn)單獨控制等離子體密度(與刻蝕率成正比)以及到達到目標材料表面的離子能量。

圖 1-1 射頻容性耦合放電原理示意圖

（2）感性耦合放電
射頻感性耦合放電等離子體是一種具有較高等離子體密度的低溫等離子體。射頻感性耦合放電是利用一個非諧振線圈，通過電感耦合的方式把射頻功率饋入到等離子體中。而且感性耦合放電裝置比較簡單，通常只需要三個部分：射頻電源和進行信號調(diào)制的匹配網(wǎng)絡，等離子體放電線圈以及配備了合適泵抽系統(tǒng)的真空放電腔室。線圈的形狀和位置都能影響到等離子體本身的狀態(tài)（密度，位置等）。由于絕緣形狀的設置以及線圈本身的形狀，電感耦合等離子體線圈大致可分為三種：螺線圈式和盤繞狀線圈以及浸入到等離子體內(nèi)部的浸入式線圈。線圈通過電感耦合作用，將射頻功率饋入到等離子體之后，由于沿天線線圈的方向有感應電流，且感應而生的電場一般近乎平行于真空器壁，電場的能量就會以橫向加熱的方式傳遞給電子，電子轟擊中性粒子，引發(fā)出更多的電子，引起雪崩效應從而產(chǎn)生等離子體。由于存在碰撞效應，電場會把能量傳遞給位于等離子體表面的趨服層內(nèi)的電子，稱為歐姆加熱。在等離子體內(nèi)部，電子雖然沒有碰撞加熱，但會與趨服層內(nèi)的振蕩電場碰撞，從而被加速獲得動能。
電感耦合等離子體的密度通常為10¹¹~10¹²cm^-3、電子溫度約為2~4eV。電感耦合等離子體可以0.1Pa~40Pa的大范圍氣壓下產(chǎn)生大面積，密度較高的等離子體，所以越來越多的工業(yè)生產(chǎn)把電感耦合等離子體源作為主要離子源進行使用。

（3）螺旋波共振等離子體
螺旋波共振等離子體是通過電磁波加熱而產(chǎn)生等離子體。在等離子體內(nèi)部，電磁波不僅可以在等離子體內(nèi)傳播，也可以在等離子體表面進行輸送，最終波被等離子體所吸收。在傳播過程中，電磁波除了產(chǎn)生等離子體中的電子以外，還有維持等離子體放電和加熱等離子體的作用。