[發明專利]一種等離子體中離子種類與數量密度分布的測量方法

無效

• 申請號: 201310677178.5
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103635004A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 許盛之;趙穎;張曉丹;魏長春
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

?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

等離子體增強的化學氣相沉積技術在半導體薄膜制備中應用廣泛，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，并進行物理吸附以及化學反應，完成薄膜淀積。特別是在射頻頻率范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，適合用于制備高性能的薄膜材料。

在薄膜的制備過程中，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、微波干涉儀、激光散射儀等手段進行，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，其探針表面的污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、微波干涉儀以及激光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

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污染的影響，可分析反應活性較強的氣體等離子體，適用范圍廣。

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，所述測量裝置包括鉑金屬探針、真空封接裝置、同軸屏蔽電纜和數字存儲示波器，鉑金屬探針置入待測等離子體的真空腔室內，鉑金屬探針穿過真空封接裝置并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）將用于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并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硅烷和平衡氣體氫氣，調節反應氣體的壓力在1000帕斯卡以下，施加的功率密度為1-100W/cm²,使之發生輝光放電；

3）采用數字存儲示波器記錄不同硅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。

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污染的影響，可分析反應活性較強的氣體等離子體，適用范圍廣。

附圖說明

圖1?為測量裝置示意圖。

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?為硅烷氣體流量分別為2、4、8、12SCCM時的波形，其中（a）2?SCCM；（b）4?SCCM；（c）8?SCCM；（d）12?SCCM。

圖3?為等離子體電勢以及振蕩幅度隨硅烷濃度變化的曲線圖。

具體實施方式

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，包括鉑金屬探針2、真空封接裝置3、同軸屏蔽電纜4和數字存儲示波器5，鉑金屬探針2置入待測等離子體的真空腔室1內，鉑金屬探針2穿過真空封接裝置3并通過同軸屏蔽電纜4與數字存儲示波器5連接，測量步驟如下：

1）將長度為10mm、直徑為0.15mm的鉑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并通過真空封接裝置將鉑金屬探針引出，并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1兆歐姆；

2）真空腔室中通入硅烷和氫氣，氫氣的流量為200SCCM，硅烷的流量分別為2、4、8和12SCCM，電極間距為44毫米，反應氣壓為0.4托，反應功率密度為1w/cm²，等離子體的激發頻率為80兆赫茲；

3）采用數字存儲示波器記錄不同硅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；