等離子第一個(gè)電子是從哪里及如何產(chǎn)生的？

當(dāng)兩個(gè)電極通過射頻高電壓時(shí)，它們之間就產(chǎn)生一個(gè)交流電場。如果射頻功率足夠高，自由電子受到交流電場的影響被加速，直到獲得足夠的能量和反應(yīng)室中的原子或分子碰撞產(chǎn)生一個(gè)離子和另一個(gè)自由電子。由于離子化碰撞是一連串的反應(yīng)，因此整個(gè)反應(yīng)室就迅速充滿了等量的電子和離子，也就是充滿了等離子體。

等離子體中，有些電子和離子通過與電極和反應(yīng)室的室壁發(fā)生碰撞，并利用電子和離子之 間的再結(jié)合碰撞，最后持續(xù)損失或被消耗掉。當(dāng)利用離子化碰撞產(chǎn)生電子的速率和電子損失速率相等時(shí)，這個(gè)等離子體即處于穩(wěn)定狀態(tài)。

其他等離子體包括直流(DC)等離子體源、感應(yīng)式耦合等離子體(ICP)、電子回旋共振(ECR)及微波(MW)遙控等離子體源。

一個(gè)小問題：

問：如果等離子體工藝反應(yīng)室沒有第一個(gè)電子，就無法開始產(chǎn)生等離子體。問第一個(gè)電子是從哪里及如何產(chǎn)生的？

答：可能由宇宙射線產(chǎn)生，也有可能是經(jīng)過加熱(產(chǎn)生熱電子)或自然放射性衰變產(chǎn)生。

等離子體中的碰撞

等離子體中有兩種碰撞:彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞經(jīng)常發(fā)生，但由于彈性碰撞 過程中，碰撞分子間沒有能量交換，因此并不重要。許多非彈性碰撞同時(shí)發(fā)生在等離子體中：電子和中性分子、中性分子和離子、離子和離子、電子和離子等之間的碰撞。任何碰撞在等離子體中都有可能發(fā)生，不同的碰撞有不同的發(fā)生概率，所以每種類型的重要性也不相同。對于使用在半導(dǎo)體工藝中的等離子體，有三種碰撞最重要：離子化碰撞，激發(fā)-松弛碰撞，分解碰撞。

離子化碰撞

當(dāng)電子與原子或分子碰撞時(shí)，會(huì)將部分能量傳遞到受原子核或分子核束縛的軌道上。如果軌道電子獲得的能量足以脫離核的束縛，就會(huì)變成自由電子（見下圖）。這個(gè)過程稱為電子碰撞離化。離子化碰撞可表示為：

e_+ A -> A++ 2e_

其中，e_代表電子，A代表中性原子或分子，A +代表正離子。離子化是非常重要的，因?yàn)樗鼘a(chǎn)生并維持等離子體。

激發(fā)-松弛碰撞

有時(shí)軌道電子無法從碰撞過程中獲得足夠能量以逃脫原子核的束縛。然而，如果碰撞能夠傳遞足夠的能量使軌道電子跳躍到能量更高的軌道層（見下圖）,則這個(gè)過程稱為激發(fā)，可以表達(dá)為：

e- +A-> A*+ e-

其中，A*是激發(fā)狀態(tài)下的A，表示它有一個(gè)電子在能量較高的軌道層。

激發(fā)狀態(tài)不穩(wěn)定且短暫，處于激發(fā)態(tài)軌道的電子不能在能量較高的軌道層中停留太久，將 落回到最低的能級或基態(tài)，這個(gè)過程稱為松弛。激發(fā)原子或分子將迅速松弛到原來的基態(tài)，并且以光子的形式把從電子碰撞過程中獲得的多余能量釋放出來，這就是發(fā)光。

A*-> A + hv（光子）

其中，hv是光子能量，h是普朗克常數(shù)，v為決定等離子體發(fā)光顏色的發(fā)光頻率。不同原子或分子有不同的軌道結(jié)構(gòu)和能級，因此發(fā)光頻率也不同，這說明了為什么不同氣體在等離子體中會(huì)呈現(xiàn)出各種不同的顏色。氧氣發(fā)出的光呈灰藍(lán)色，氮?dú)鉃榉奂t色，気氣為紅色，而氟氣為橘紅色。

下圖說明了激發(fā)-松弛過程。半導(dǎo)體制造中廣泛應(yīng)用監(jiān)測等離子體的發(fā)光變化決定刻蝕和CVD反應(yīng)室清潔過程的終點(diǎn)。后面將對這些內(nèi)容予以詳細(xì)討論。

審核編輯：劉清