Индуктивно-связанная плазма (Nu;rtmnfuk-vfx[guugx hlg[bg)

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

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

Принцип действия

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.

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 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.

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.
Hittorf W. Ueber die electricitaetsleitung der gase / W. Hittorf // Ann.Phys. Chem. – 1884. – Vol.21. – P.90-139.

Ссылки