Индуктивно-связанная плазма

Индукти́вно-свя́занная пла́зма (ИСП), англ. inductively coupled plasma, ICPплазма, образующаяся внутри разрядной камеры, горелки или иного плазменного реактора при приложении высокочастотного переменного магнитного поля.

Горелка аналитической ИСП, наблюдаемой через тёмное зелёное стекло (как в очках для сварки)

Принцип действияПравить

Индуктивно-связанная плазма (ИСП) – это тип газового разряда, возбуждаемого переменным магнитным полем при помощи индукционной катушки (индуктора). ИСП также имеет другие названия: индукционная плазма, индукционный разряд. ИСП зажигается и поддерживается за счёт циклических индуцированных вихрей электрического тока свободных электронов (и ионов) в плазме. Для возбуждения ИСП обычно используется переменное электромагнитное поле на частоте 1 – 100 МГц. ИСП впервые наблюдал Хитторф в 1884 году, который обнаружил свечение остаточного газа в разрядной камере при пропускании высокочастотного тока через соленоид, охватывающий разрядный объём.

Главное отличие ИСП от ёмкостного разряда заключается в том, что ИСП возбуждается (индуцируется) магнитным полем, в то время как ёмкостной разряд возбуждается и поддерживается за счёт электрического поля (постоянного или переменного). При прочих равных условиях ИСП характеризуется существенно более высокой концентрацией электронов по сравнению с ёмкостным разрядом.

ИСП при атмосферном давлении (обычно в аргоне) в виде открытой горелки используется в спектроскопических методах аналитической химии для определения состава веществ и материалов. ИСП при низком давлении (часто в агрессивных газах) в закрытых реакторах используется для плазменного травления (этчинга, от etching - травление) при производстве полупроводниковой микроэлектроники.

В аналитической ИСП в горелку обычно подаётся растворённое анализируемое вещество, распыляемое в виде аэрозоля и вносимое в плазменную горелку потоком аргона. Когда в плазму аргоновой горелки попадают капельки аэрозоля, они моментально испаряются и распадаются на атомы и ионы. Другой метод ввода интересующего материала в плазму состоит в том, чтобы химически превратить определяемое вещество в молекулы газа, например, легколетучие гидриды. Третий способ - создание "сухого" аэрозоля с помощью мощного лазерного луча, который выжигает кратер в подставленном под него кусочке материала, переводя небольшую его часть в мелкодисперсное аэрозольное состояние — это так называемая лазерная абляция). Возбуждённые в плазме атомы и ионы детектируются методами атомно-эмиссионной спектрометрии (ИСП-АЭС), либо масс-спектрометрии (ИСП-МС).

Плазменное травление в реакторах ИСП для изготовления полупроводниковой продукции обычно производится при давлениях 0.1 – 10 Па. В то же время для изотропного удаления слоёв или очистки внутренних поверхностей реактора часто требуется увеличение давления до ~1000 Па, что тем не менее значительно ниже атмосферного давления (100 кПа = 1000 гектопаскалей). Кроме плазменного травления, в микроэлектронной промышленности используются разнообразные технологические плазменные процессы, например, ионная имплантация, плазмохимическое выращивание слоёв, удаление слоёв путём их распыления, плазменная чистка поверхностей и другие. При этом применяются различные газовые смеси и различные типы реакторов.

ПреимуществаПравить

  • Аналитическая ИСП характеризуется высокой концентрацией электронов (порядка 1015 см-3), а также высокой температурой (более 6000 К), что позволяет практически полностью атомизировать любые анализируемые вещества.
  • Высокая концентрация электронов и ионов в ИСП также является одним из её главных преимуществ при плазменном травлении, поскольку обеспечивает высокую скорость и качество травления.
  • Обычно индукционная катушка находится вне камеры горения, поэтому она не взаимодействует с плазмой, не разрушается агрессивными компонентами плазмы и не загрязняет плазму продуктами этого воздействия. Другими словами, данный тип газового разряда является безэлектродным.

ПримененияПравить

См. такжеПравить

ИсточникиПравить

  • А. Монтасер, Д. Голайтли, «Индуктивно-связанная плазма в аналитической атомной спектрометрии» // VCH Publishers, Нью-Йорк, 1992.
  • А. Монтасер, ред., «Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой» // Wiley-VCH: Нью-Йорк, 1998.
  • Hittorf W. Ueber die electricitaetsleitung der gase / W. Hittorf // Ann.Phys. Chem. – 1884. – Vol.21. – P.90-139.

СсылкиПравить