- Ионизация в индуктивно-связанной плазме
-
Горелка аналитической ИСП, наблюдаемой через тёмное зелёное стекло (как в очках для сварки)Индукти́вно-свя́занная пла́зма (ИСП), англ. inductively coupled plasma — плазма, образующаяся внутри горелки или иного плазменного реактора.
Содержание
Принцип действия
Индуктивно-связанная плазма (ИСП) – это тип плазмы, возбуждаемой переменным магнитным полем при помощи индукционной катушки. ИСП также имеет другое название: индукционная плазма. ИСП зажигается и поддерживается за счет циклических индуцированных вихрей электрического тока свободных электронов (и ионов) в плазме. Для возбуждения ИСП обычно используется переменное электромагнитное поле на частоте 1 – 100 МГц. Индукционная плазма была впервые разработана и исследована в СССР, но получила наиболее широкое практическое использование и распространение за его пределами.
Главное отличие ИСП от емкостной плазмы в том и заключается, что ИСП возбуждается (индуцируется) магнитным полем, в то время как емкостная плазма возбуждается и поддерживается за счет электрического поля (постоянного или переменного). При прочих равных условиях ИСП характеризуется существенно более высокой концентрацией электронов по сравнению с емкостной плазмой.
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) 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). Возбужденные 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 слоев или очистки внутренних поверхностей реактора часто требуется увеличение давления до ~1000 Па, что тем не менее значительно ниже атмосферного давления (100 кПа = 1000 гектапаскалей). Кроме плазменного травления в микроэлектронной промышленности используются разнообразные технологические плазменные процессы, например, ионная имплантация, плазмохимическое выращивание слоев, удаление слоев путем их распыления, плазменная чистка поверхностей и другие. При этом применяются различные газовые смеси и различные типы реакторов.
Преимущества
- 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 находятся вне камеры горения, поэтому она не взаимодействует с плазмой, не разрушается агрессивными компонентами плазмы и не загрязняет плазму продуктами этого воздействия.
Применения
- в атомной эмиссионной спектрометрии (ИСП-АЭС, англ. ICP-AES)
- в масс-спектрометрии: ИСП-МС, (англ. ICP-MS)
- в плазменном травлении (англ. ICP-RIE)
См. также
Источники
- 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.
Ссылки
Wikimedia Foundation. 2010.
