容量結合プラズマ

容量結合プラズマ（capacitively coupled plasma, CCP）とは、対向する二つの電極間に生じる静電容量を介して高周波電力を供給し、その電界によって希薄な気体を電離して維持する低温プラズマである。電極に直接接触して放電空間を囲む誘導結合プラズマやマイクロ波プラズマと異なり、電極がコンデンサの極板として振る舞うため、電極近傍には強い静電シースが形成され、イオンがシースの電位差で加速されて基板に高エネルギーで入射する。この性質を利用して、半導体のプラズマエッチングや薄膜堆積などの材料プロセスで最も広く使われているプラズマ源の一つとなっている。典型的な駆動周波数は13.56 MHz帯の無線周波数（rf）であり、圧力は数パスカルから数百パスカル、電極間距離は数センチメートル程度の平行平板構造が標準である。

基本機構：高周波結合とシース

容量結合プラズマの本質は、高周波電圧が電極とプラズマ本体の間のシースという「容量性の絶縁層」を介して結合する点にある。プラズマ本体は導体に近いが、電極表面近くでは電子がイオンよりはるかに速く動くため、電子が電極側へ引き寄せられて正味の正電荷の層（イオンシース）が残る。このシースは電子を電極側へ通さない一種のダイオードとして働き、放電電流は主としてシースの容量性変位電流として流れる。

放電の維持は主に二つの電子加熱機構による。第一はシースの動きによる加熱である。高周波電圧に応じてシース縁が電極に向かって往復運動すると、シース内の電子は実効的に「押し込まれたり放出されたり」し、この運動に伴って電子が電界からエネルギーをもらう。第二は本体プラズマ内の加熱で、圧力が高いほど電子と中性粒子の衝突が頻繁になり、振動電界によるジュール加熱（オーミック加熱）の寄与が増す。低圧では前者が支配的であり、このため容量結合プラズマの電子エネルギー分布はシース運動との相互作用に強く依存する。駆動周波数を変えるとシース運動の速度とイオンの応答のバランスが変化し、電子エネルギー分布関数の形やプラズマ密度が大きく変わることが知られている。

シースの電圧降下は数十ボルトから数百ボルトに達し、ここでイオンが加速される。したがって容量結合プラズマでは、プラズマ密度（イオンフラックス）とイオン入射エネルギーの両方が同じ電極電圧に結び付いており、この「両方を独立に制御できない」という制約が、後述する二周波数駆動や波形制御という技術を生む動機となった。

自己バイアスと非対称性

二つの電極の面積や接地条件が非対称になると、プラズマは電位の再配分によって直流的な電位差（自己バイアス）を生じる。これはシースが容量性であり、かつ電子電流を整流する性質をもつためである。面積の小さい電極ほどシースの容量が小さく、そこにより大きな電圧降下がかかる。面積比で決まるこの整流作用により、たとえば基板側電極を小さくすれば、そこにほぼ全ての高周波電圧がかかるようになり、イオンエネルギーを高くできる。工業的には、反応室の壁が実質的に大きな接地電極として働くため、電極面積比は自然に非対称となり、基板電極に負の自己バイアスがかかるのが普通である。

逆に、幾何学的に対称な反応器でも非対称な応答を生み出す手段がいくつか知られている。一つは電極の駆動周波数を変える方法で、電子の二次電子放出の寄与が周波数によって非対称になる効果が理論的・実験的に調べられている。もう一つは後述する「電気的非対称効果」で、非正弦波の電圧波形を印加することで対称な電極構成のまま自己バイアスを発生させる。また、外部磁場を印加すると電子の動きが磁力線方向に拘束され、シースや二次電子の振る舞いが変化して非対称性が修飾されることが、数値シミュレーションや実験で示されている。強い磁場下では放電がフィラメント状に局在化する現象も報告されており、磁場は均一性を損なう要因にも制御手段にもなりうる。