等离子第一个电子是从哪里及如何产生的？

当两个电极通过射频高电压时，它们之间就产生一个交流电场。如果射频功率足够高，自由电子受到交流电场的影响被加速，直到获得足够的能量和反应室中的原子或分子碰撞产生一个离子和另一个自由电子。由于离子化碰撞是一连串的反应，因此整个反应室就迅速充满了等量的电子和离子，也就是充满了等离子体。

等离子体中，有些电子和离子通过与电极和反应室的室壁发生碰撞，并利用电子和离子之 间的再结合碰撞，最后持续损失或被消耗掉。当利用离子化碰撞产生电子的速率和电子损失速率相等时，这个等离子体即处于稳定状态。

其他等离子体包括直流(DC)等离子体源、感应式耦合等离子体(ICP)、电子回旋共振(ECR)及微波(MW)遥控等离子体源。

一个小问题：

问：如果等离子体工艺反应室没有第一个电子，就无法开始产生等离子体。问第一个电子是从哪里及如何产生的？

答：可能由宇宙射线产生，也有可能是经过加热(产生热电子)或自然放射性衰变产生。

等离子体中的碰撞

等离子体中有两种碰撞:弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞经常发生，但由于弹性碰撞 过程中，碰撞分子间没有能量交换，因此并不重要。许多非弹性碰撞同时发生在等离子体中：电子和中性分子、中性分子和离子、离子和离子、电子和离子等之间的碰撞。任何碰撞在等离子体中都有可能发生，不同的碰撞有不同的发生概率，所以每种类型的重要性也不相同。对于使用在半导体工艺中的等离子体，有三种碰撞最重要：离子化碰撞，激发-松弛碰撞，分解碰撞。

离子化碰撞

当电子与原子或分子碰撞时，会将部分能量传递到受原子核或分子核束缚的轨道上。如果轨道电子获得的能量足以脱离核的束缚，就会变成自由电子（见下图）。这个过程称为电子碰撞离化。离子化碰撞可表示为：

e_ + A -> A+ + 2e_

其中，e_代表电子，A代表中性原子或分子，A +代表正离子。离子化是非常重要的，因为它将产生并维持等离子体。

激发-松弛碰撞

有时轨道电子无法从碰撞过程中获得足够能量以逃脱原子核的束缚。然而，如果碰撞能够传递足够的能量使轨道电子跳跃到能量更高的轨道层（见下图）,则这个过程称为激发，可以表达为：

e- + A -> A* + e-

其中，A*是激发状态下的A，表示它有一个电子在能量较高的轨道层。

激发状态不稳定且短暂，处于激发态轨道的电子不能在能量较高的轨道层中停留太久，将 落回到最低的能级或基态，这个过程称为松弛。激发原子或分子将迅速松弛到原来的基态，并且以光子的形式把从电子碰撞过程中获得的多余能量释放出来，这就是发光。

A* -> A + hv （光子）

其中，hv是光子能量，h是普朗克常数，v为决定等离子体发光颜色的发光频率。不同原子或分子有不同的轨道结构和能级，因此发光频率也不同，这说明了为什么不同气体在等离子体中会呈现出各种不同的颜色。氧气发出的光呈灰蓝色，氮气为粉红色，気气为红色，而氟气为橘红色。

下图说明了激发-松弛过程。半导体制造中广泛应用监测等离子体的发光变化决定刻蚀和CVD反应室清洁过程的终点。后面将对这些内容予以详细讨论。

审核编辑：刘清