Induktiivisesti kytketty plasma (ICP) — määritelmä ja toimintaperiaate

Induktiivisesti kytketty plasma (ICP) on eräänlainen plasmalähde. Sähkömagneettinen induktio luo energiaa lähteeseen saamalla ionit kiertämään. Ionien liike tuottaa energiaa lämmön muodossa.

Toimintaperiaate

Induktiivisesti kytketty plasma toimii siten, että vaihtovirtaa syötetään kelalle tai käämille, joka on sijoitettu lähelle tai ympäröi plasmakammiota tai liekkiä. Kelan kautta kulkeva vaihtovirta synnyttää muuttuvan magneettikentän, ja Faradayn lain mukaan tämä aiheuttaa sähkökentän, joka indusoi pyörrevirtoja kaasun elektronijoukossa. Nopeat elektronit törmäävät neutraaleihin atomisiin ja molekyylihiukkasiin ja voivat ionisoida niitä — näin plasma muodostuu ja ylläpidetään.

Keskeisiä ilmiöitä ovat:

• Sähkömagneettinen induktio (muuttuva magneettikenttä → indusoitu sähkökenttä),
• elektronien lämpö- ja kineettinen energia, joka ylläpitää ionisaatiota,
• ihon/skin-ilmiö,
• ja joukkohäiriöiden (collisional) vaikutus ionisaation ja lämmönsiirron tehokkuuteen.

Tyypilliset toteutukset ja parametrit

ICP-lähteitä on useita eri sovelluksiin sovitettuja muotoja:

• Analyyttinen ICP (ICP-OES, ICP-MS): runsasenerginen argon-plasma, joka toimii lähes ilmakehäpaineessa (tokioissa n. 1 atm). Tavalliset RF-taajuudet ovat kymmenien megahertsien luokkaa (esim. 27–40 MHz) ja tehot ~500–1500 W. Tätä käytetään näytteen atomisointiin ja ionisointiin spektrometrisiin mittauksiin.
• Teollinen ja mikrosiruteollisuuden ICP: matalapaineinen RF-plasma (tyypillisesti 13.56 MHz, sillä taajuus on teollinen standardi), painealueita n. 0.1–10 Pa (≈0.75–75 mTorr) ja tehoja muutamasta kymmenestä watista useisiin kilowatteihin. Tätä käytetään esimerkiksi etsaus- ja pinnoitusprosesseissa, joissa halutaan korkea plasman tiheys ja erillinen ionien energia-alasäätö.

Erot induktiivisen ja kapasitiivisen kytkennän välillä

Induktiivisesti kytketty plasma (ICP) eroaa kapasitiivisesta kytkennästä (CCP) siten, että ICP:ssä energiansyöttö tapahtuu pääasiassa magneettikentän kautta eikä suoraan elektrodien välisen jännitteen aiheuttamana. Tämän seurauksena ICP tuottaa yleensä suuremman plasman tiheyden ja pienen levyjännitteen (pienemmät sheat-voltaatit), mikä mahdollistaa paremman kontrollin ionivirran ja ionien energian välillä (esim. substrate-biasilla ohjattaessa).

Sovelluksia

• Analyyttinen kemia: ICP-OES (optinen emissiospektrometria) ja ICP-MS (massaspektrometria) pienten pitoisuuksien alkuaineanalyysiin.
• Puolijohde- ja nanoteknologia: kuviointi, etsaus, plasmadioksidit, kalvon poisto ja pintojen aktivointi.
• Pintakäsittely: puhdistus, hapetus, plasmalla aktivoiminen tai toiminnallinen pinnoitus.
• Tutkimus: korkean tiheyden plasmafysiikan ja kaasreaktioiden tutkimus.

Edut ja rajoitukset

• Edut: korkea plasman elektronitiheys, tehokas ionisaatio, hyvä prosessikontrolli (erillinen ionien tiheyden ja energian säätö), suhteellisen puhdas prosessi (esim. argon-matriisi analytisissa sovelluksissa).
• Rajoitukset: vaatii RF-tehonlähteen ja sovitusverkon (matching network), kelan ja lasiputken kuumeneminen, mahdollinen kuluminen ja kontaminaatio, sekä elektromagneettinen häiriö (EMI), jota on hallittava suojauksin.

Käytännön huomioita ja turvallisuus

ICP-laitteet käyttävät suuritehoisia RF-lähteitä ja kuumaa plasmaa, joten turvallisuuteen kuuluu asianmukainen suojelu sähkölaitteita, kuumuutta ja UV-säteilyä vastaan. Analyyttisissa ICP-liekeissä käytetään usein argonia, jonka kulutus ja kustannukset on otettava huomioon. Matalapaineisissa prosesseissa on huolehdittava kaasunpoistoista, vuotojen ennakkotarkastuksista ja jäämien hallinnasta.

Yhteenveto

Induktiivisesti kytketty plasma on monipuolinen ja tehokas plasmanlähde, joka perustuu sähkömagneettiseen induktioon. Sen toimenpidealue kattaa korkean tiheyden matalapaineplasmat teollisuudelle ja erittäin kuumat liekit analyyttiseen kemiaan. ICP tarjoaa hyvän kontrollin prosessiparametreihin, mutta vaatii myös asianmukaista laitteistoa ja huoltoa parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Hae kirjaimella