一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法
2023-06-08 18:53:51 1
一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法
【專利摘要】一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法，在測量裝置上進行，測量步驟如下：1）將用於測量等離子體的金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內並通過真空封接裝置將真空腔室密封；2）在真空腔室內通入沉積鍍膜氣體矽烷和平衡氣體氫氣；3）採用數字存儲示波器記錄不同矽烷氣體流量情況下所測得的電流、電壓信號的時域波形和頻域波形；4）通過分析波形的諧波組成和震蕩幅度，獲得等離子體中的離子種類與數量密度分布。本發明的優點是：該測量方法設施簡單，無需頻率補償電路，成本低廉；同時不受反應氣體對金屬導體表面汙染的影響，可分析反應活性較強的氣體等離子體，適用範圍廣。
【專利說明】一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體薄膜沉積工藝，特別是一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法。
【背景技術】
[0002]等離子體增強的化學氣相沉積技術在半導體薄膜製備中應用廣泛，化學氣相沉積技術通過使特定氣體發生輝光放電形成等離子體，其中的離子、原子或中性基團等粒子到達具有一定溫度的襯底表面，並進行物理吸附以及化學反應，完成薄膜澱積。特別是在射頻頻率範圍內產生的輝光放電等離子體，具有離子能量低、密度高等優點，適合用於製備高性能的薄膜材料。
[0003]在薄膜的製備過程中，需要對等離子體的多個參數進行測量與控制，以優化材料性能。需要測量的參數包括電子密度、電子能量及其分布、離子種類及其密度分布、等離子體電勢等，目前對這些參數的測量主要通過等離子體發光光譜儀、朗繆爾探針、質譜儀、微波幹涉儀、雷射散射儀等手段進行，例如通過測量等離子體的光反射譜，可大致獲得電子密度、電子能量分布等信息，也可獲得特定基團的密度分布，其主要的限制為僅能測量可發光的基團，不能直接反應中性基團的情況；朗繆爾探針可直接置入等離子體中測量，可獲得電子密度與電子溫度等信息，同時可進行空間分布的測量，但是隨著測量時間的延長，其探針表面的汙染將對測量的準確性產生較顯著影響，同時在較高頻率下也難以獲得精確的結果；而質譜儀、微波幹涉儀以及雷射散射儀一方面非常昂貴，另一方面對使用環境與條件有較多限制，在科研與生產中有諸多不便。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法，該測量方法設施簡單，無需頻率補償電路，成本低廉；同時不受反應氣體對金屬導體表面汙染的影響，可分析反應活性較強的氣體等離子體，適用範圍廣。
[0005]本發明的技術方案:
一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法，在測量裝置上進行，所述測量裝置包括鉬金屬探針、真空封接裝置、同軸屏蔽電纜和數字存儲示波器，鉬金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內，鉬金屬探針穿過真空封接裝置並通過同軸屏蔽電纜與數字存儲示波器連接，測量步驟如下:
1)將用於測量等離子體的金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內並通過真空封接裝置將真空腔室密封；
2)在真空腔室內通入沉積鍍膜氣體矽烷和平衡氣體氫氣，調節反應氣體的壓力在1000帕斯卡以下，施加的功率密度為1-lOOW/cm2，使之發生輝光放電；
3)採用數字存儲示波器記錄不同矽烷氣體流量情況下所測得的電流、電壓信號的時域波形和頻域波形，時域波形和頻域波形均由帶電離子的荷質比以及探針周圍的電場分布決定;
4)通過分析波形的諧波組成和震蕩幅度，結合離子在電場中的運動模型和探針對離子的收集模型，獲得等離子體中的離子種類與數量密度分布。
[0006]本發明的優點是:該測量方法設施簡單，無需頻率補償電路，成本低廉；同時不受反應氣體對金屬導體表面汙染的影響，可分析反應活性較強的氣體等離子體，適用範圍廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為測量裝置示意圖。
[0008]圖中:1.待測等離子體的真空腔室 2.金屬探針 3.真空封接裝置
4.同軸屏蔽電纜5.由示波器、諧波分析器組成的測量儀器單元
圖2為矽烷氣體流量分別為2、4、8、125011時的波形，其中(&)2 SCCM ；(b) 4 SCCM ；(c) 8 SCCM ；(d) 12 SCCM。
[0009]圖3為等離子體電勢以及振蕩幅度隨矽烷濃度變化的曲線圖。
【具體實施方式】
[0010]實施例:
一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法，在測量裝置上進行，所述測量裝置，如圖1所示，包括鉬金屬探針2、真空封接裝置3、同軸屏蔽電纜4和數字存儲示波器5，鉬金屬探針2置入待測等離子體的真空腔室I內，鉬金屬探針2穿過真空封接裝置3並通過同軸屏蔽電纜4與數字存儲示波器5連接，測量步驟如下:
1)將長度為10_、直徑為0.15mm的鉬金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內電極之間的輝光區並通過真空封接裝置將鉬金屬探針引出，並通過真空封接裝置將真空腔室密封，數字存儲示波器的帶寬為100兆赫茲，輸入阻抗I兆歐姆；
2)真空腔室中通入矽烷和氫氣，氫氣的流量為200SCCM，矽烷的流量分別為2、4、8和12SCCM，電極間距為44毫米，反應氣壓為0.4託，反應功率密度為lw/cm2，等離子體的激發頻率為80兆赫茲；
3)採用數字存儲示波器記錄不同矽烷氣體流量情況下所測得的電流、電壓信號的時域波形和頻域波形；
4)分析波形獲得等離子體電勢以及其震蕩幅度隨矽烷氣體流量變化的曲線，等離子體電勢的平均值受矽烷濃度的影響情況，其中等離子體電勢的平均值為振蕩曲線的周期平均值，由示波器內置函數直接計算所得。
[0011]圖2為矽烷氣體流量分別為2、4、8、12SCCM時的波形，其中(a)2 SCCM;(b)4SCCM; (c) 8 SCCM ；(d) 12 SCCM。
[0012]圖3為等離子體電勢以及振蕩幅度隨矽烷濃度變化的曲線圖。
[0013]圖中表明:在矽烷與氫氣的混合氣體等離子體中，等離子體電勢均為負值，且隨著矽烷濃度的增加，等離子體電勢的絕對值逐漸變大。
【權利要求】
1.一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法，其特徵在於:在測量裝置上進行，所述測量裝置包括鉬金屬探針、真空封接裝置、同軸屏蔽電纜和數字存儲示波器，鉬金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內，鉬金屬探針穿過真空封接裝置並通過同軸屏蔽電纜與數字存儲示波器連接，測量步驟如下: 1)將用於測量等離子體的金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內並通過真空封接裝置將真空腔室密封； 2)在真空腔室內通入沉積鍍膜氣體矽烷和平衡氣體氫氣，調節反應氣體的壓力在1000帕斯卡以下，施加的功率密度為1-lOOW/cm2，使之發生輝光放電； 3)採用數字存儲示波器記錄不同矽烷氣體流量情況下所測得的電流、電壓信號的時域波形和頻域波形，時域波形和頻域波形均由帶電離子的荷質比以及探針周圍的電場分布決定; 4)通過分析波形的諧波組成和震蕩幅度，結合離子在電場中的運動模型和探針對離子的收集模型，獲得等離子體中的離子種類與數量密度分布。
【文檔編號】H05H1/00GK103635004SQ201310677178
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】許盛之, 趙穎, 張曉丹, 魏長春 申請人:南開大學