等离子体基础知识介绍

（1）什么是等离子体（plasma）？

等离子（plasma）是除固体、液体、气体之外的第四种物质状态，主要是由气体在高电磁场作用下发生解离，形成一种包括电子（带负电），正离子（带正电），自由基和中性气体分子组成的高活性物质，通产情况下会发光，一般情况下，等离子中的正电荷数等于负电荷数，所以整体呈电中性（Quasi-neutral）。日常生活中见到的闪电、日光灯、霓虹灯就是等离子体发光现象。

图1 物质的四种状态

（2）等离子的产生

等离子的产生有很多种方法，但生成和维持都需要外部能量的输入。电子从外加电磁场获得能量，然后发生非弹性碰撞产生激发（excitation）、解离吸附（dissociative attachment）、解离（dissociation）、离子化（ionization）、在结合（recombination）反应，由此产生二次电子、原子、分子、离子等物质，然而在解离碰撞中，电子可能与气体离子有再结合作用，或者因为漂移及扩散而离开电磁场范围等原因消失，因此当电子产生与消失的速率相等时，此时的plasma即为稳定状态。这里列举四种ETCH常用产生plasma的方法，后面会详解介绍。

1. CCP：Capacitively Coupled Plasma

2. ICP：Inductively Coupled Plasma

3. TCP：Transformer Coupled Plasma

4. ECR：Electron Cyclotron Resonance

图2 plasma产生示意图

（3）等离子体的参数

• 平均自由路径（Mean Free Path，MFP）：

  粒子与粒子碰撞前能够移动的平均距离。MFP与环境压力P呈反比，压力越高，MFP越短，压力约低，MFP越长，这就是为什么plasma产生要在低压近似真空环境下产生，因为在大气压力下（760Torr），电子的MFP很短，很难获得足够的能力来使用气体离子化。

图3 MFP示意图

• 电离度：

  等离子体中电子浓度占离子和中性粒子浓度之和的比例。电离度主要取决于plasma中电子的能量，大部分plasma反应室中的电离度低于0.01%，高密度等离子体的电离度约1%~5%，太阳中心处的电离度近似100%。

（4）等离子体的应用

目前等离子体技术广泛应用于各类产业，如半导体产业，生物医药产业，食品与化工产业，汽车零件产业等，后面文章介绍plasma在半导体ETCH中的应用。

图4 ETCH chamber 示意图