感应耦合等离子体源(inductively coupled plasma, ICP)通常由布置在反应腔室外侧的射频线圈(即ICP天线)进行激励,其能量由高频振荡器经匹配网络耦合输入,并通过电介质窗与腔体内部实现隔离。当种子电子从射频电源在线圈附近激发的感应电磁场中获得的能量超过气体击穿时的能量阈值时,腔室内低压气体介质发生击穿放电。此后,电子在交变电磁场中持续获得能量,通过碰撞激发与雪崩电离效应不断倍增,最终形成并维持稳定的等离子体放电状态。

ICP放电初期通常由容性耦合模式(E模式)主导,其能量主要来源于天线匝间或天线与接地腔壁之间的静电场。该模式下等离子体鞘层较厚、电势起伏显著,易引发高能离子对电介质窗的轰击与损伤。随着射频输入功率的提升,放电逐步过渡至以感性耦合模式(H模式)为主导,此时电子加热主要由感应电磁场决定,等离子体鞘层明显变薄,等离子体密度显著提高,通常可超过10¹⁰cm^-3。尽管在H模式下仍可能残留一定程度的容性耦合,从而引发壁面溅射等不利效应,但通过引入法拉第屏蔽结构可对该影响进行有效抑制。通过对射频功率的精细分级调控,可实现E-H模式之间的可控动态转换。

受等离子体内部电磁阻尼效应的限制,交变电磁场激发的感生电流主要分布于等离子体表层,仅在有限的空间范围内参与电子加热,该现象即为趋肤效应。趋肤深度定义为感应电场强度衰减至腔体边界处峰值1/e时所对应的穿透厚度。当趋肤深度与腔室特征尺寸相当时,电子能量吸收与功率耦合效率达到最优;而当等离子体密度进一步升高,使趋肤深度远小于腔室尺寸时,电磁场的有效穿透能力受限,耦合功率随之下降。

图 1  ICP蚀刻系统示意图: (a) 平面线圈ICP; (b) 柱状线圈ICP 

根据线圈结构的不同,ICP源通常可分为平面线圈型与柱状线圈型两类,如图1所示。对于平面线圈ICP,其感应电场主要沿方位角方向分布,电场强度在距线圈中心约为线圈半径一半的位置达到最大,而在轴心区域趋近于零,如图2所示。在此类结构中,基片台通常布置在远离天线的区域,二者间距一般为趋肤深度的2.5~10倍。相较于主放电区,该区域内的电子-离子复合及中性粒子碰撞等能量耗散过程显著减弱,有利于提升材料表面等离子体的反应效率。相比之下,柱状线圈ICP的感应电场在腔壁附近最强,并向腔体中心方向逐渐衰减,容易引发等离子体的空间分布不均。同时,为实现稳定放电,天线线圈长度与腔室半径往往需要满足特定的几何匹配关系,从而在结构设计与尺度扩展方面存在一定限制。而平面线圈ICP的直径可实现更为灵活的放大,通过调节线圈尺寸即可对等离子体尺度进行有效扩展,因此在大面积晶圆刻蚀与规模化加工中展现出更为显著的工程优势。

图2 平面ICP的(a)电磁场示意图;和(b)俯视角度下电场示意图

在ICP系统中,等离子体密度由等离子体体区内电子加热与碰撞电离过程共同决定,主要通过ICP天线的射频信号调控。该射频电源的工作频率通常在1MHz~200MHz范围内,其中13.56MHz及其谐波是工业界的普遍选择;离子入射能量与动量则由鞘层区电势降决定,可通过接在基片台上的射频偏压源独立调节,常用偏压频率包括2MHz、13.56MHz及其谐波。这种体区与鞘层区分立调控的机制,使ICP体系在一定范围内能够实现等离子体密度与离子动量的近似解耦,构成了其相较于传统CCP的核心优势之一。

综上所述,ICP放电的建立与维持源于射频感应电磁场驱动下的电子加热与碰撞电离过程,其放电模式由初始的容性耦合向感性耦合主导的H模式演化,并受趋肤效应等电磁特性的显著影响。天线结构与腔室几何通过调制电磁场分布和粒子输运行为,进一步决定了等离子体密度水平及其空间均匀性。与此同时,ICP体系在一定条件下能够实现等离子体密度与离子动量的解耦调控,这一特性构成了ICP刻蚀工艺的物理基础。