一种离化率检测装置及方法与流程

本发明涉及微电子加工技术领域，尤其涉及一种离化率检测装置及方法。

背景技术：

薄膜工艺包括深孔(槽)填充工艺，具体地，深孔(槽)填充工艺用于实现深宽比比较高的孔(槽)的侧壁和基底部的薄膜覆盖，深孔(槽)填充工艺的难度较高，已经成为业内重点研究的对象。通常通过提高溅射粒子的离化率，然后通过负偏压加速溅射过程中产生的金属离子的方式，提高金属离子的方向性，进而较好地实现深孔(槽)的填充。由以上所述可知，溅射粒子的离化率越高，通过深孔(槽)填充工艺可以填充的孔槽就越深。因此，对溅射粒子的离化率进行准确检测非常重要。

现有技术中提供的离化率检测装置如图1所示，在该离化率检测装置中，检测晶片1’上需要检测溅射粒子的离化率的位置处设有测试孔，测试孔下设置有铜箔2’，铜箔2’连接电阻R的一端，电阻R的另一端连接直流电源的负极，直流电源的正极接地，通过与电阻R并联的电压表检测电阻R两端的电压，即可计算得到流经电阻R的电流，从而计算出到达铜箔2’的溅射过程中产生的金属离子数量，进而能够计算出溅射粒子的离化率。

但是，本申请的发明人发现，到达每一个测试孔下的铜箔2’上的粒子并不全是金属离子，还包含了电子、金属原子、工作气体离子和工作气体原子等。其中，金属原子和工作气体原子呈电中性，对于检测结果无影响。但是，电子和工作气体离子均带有电荷，将严重影响到检测所得的溅射粒子的离化率的精确度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种离化率检测装置及方法，用于准确检测溅射粒子的离化率。

为达到上述目的，本发明提供一种离化率检测装置，采用如下技术方案：

一种离化率检测装置包括：检测晶片和第一直流电源，所述检测晶片上设置有测试孔，所述测试孔底部设置有导电箔，所述导电箔连接所述第一直流电源的负极，所述第一直流电源的正极接地，在连接所述导电箔和所述第一直流电源之间的线路上设有电流检测单元，所述测试孔顶部叠加设置有至少一层第一栅网和至少一层第二栅网，所述第一栅网用于阻挡电子到达所述导电箔，所述第二栅网用于阻挡工作气体离子到达所述导电箔。

由于本发明中提供的离化率检测装置包括叠加设置于测试孔顶部的至少一层第一栅网和至少一层第二栅网，其中，第一栅网用于阻挡电子到达导电箔，第二栅网用于阻挡工作气体离子到达导电箔，从而使得只有溅射过程中产生的金属离子和原子能够到达导电箔，由于不带电的原子对电流检测单元检测出的电流的大小无影响，因此，通过电流检测单元检测出的电流的大小能够准确反映到达导电箔的金属离子的数量，从而使得根据该电流计算得出的溅射粒子的离化率更准确，进而实现了对溅射粒子的离化率的准确检测。

此外，本发明还提供一种离化率检测方法，该离化率检测方法包括使用以上所述的离化率检测装置检测溅射粒子的离化率，所述离化率检测方法具体包括：

在所述第一栅网上施加负电压，在所述第二栅网上施加正电压；

通过所述电流检测单元检测所述导电箔和所述第一直流电源之间的电流；

根据所述电流计算溅射粒子的离化率。

由于本发明提供的离化率检测方法中，在第一栅网上施加负电压，在第二栅网上施加正电压，从而使得第一栅网能够阻挡电子到达导电箔，第二栅网能够阻挡工作气体离子到达导电箔，从而使得只有溅射过程中产生的金属离子和原子能够到达导电箔，由于不带电的原子对电流检测单元检测出的电流的大小无影响，因此，通过电流检测单元检测出的电流的大小能够准确反映到达导电箔的金属离子的数量，从而使得根据该电流计算得出的溅射粒子的离化率更准确，进而实现了对溅射粒子的离化率的准确检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的离化率检测装置的示意图；

图2为本发明实施例中的离化率检测装置的示意图；

图3为本发明实施例中的测试孔所在位置的截面示意图；

图4为本发明实施例中的第一栅网对电子和第二栅网对工作气体离子的阻挡过程示意图；

图5为本发明实施例中的离化率检测方法的流程图。

附图标记说明：

1—检测晶片； 11—测试孔； 12—导电箔；

2—第一直流电源； 3—电流检测单元； 4—第一栅网；

5—第二栅网； 6—第二直流电源； 7—第三直流电源；

8—绝缘支架； 81—第一过孔； 82—第二过孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种离化率检测装置，如图2所示，该离化率检测装置包括检测晶片1和第一直流电源2，其中，检测晶片1上设置有测试孔11，测试孔11底部设置有导电箔12，导电箔12连接第一直流电源2的负极，第一直流电源2的正极接地，在连接导电箔12和第一直流电源2之间的线路上设有电流检测单元3，如图3所示，测试孔11顶部叠加设置有至少一层第一栅网4和至少一层第二栅网5，第一栅网4用于阻挡电子e^-到达导电箔12，第二栅网5用于阻挡工作气体离子到达导电箔12。其中，测试孔11顶部可以先设置一层或多层第一栅网4(或第二栅网5)，然后再在第一栅网4(或第二栅网5)上方设置一层或多层第二栅网5(或第一栅网4)，也可以第一栅网4和第二栅网5混乱叠加设置，本发明实施例对此不进行限定。

上述电流检测单元3可以包括电流表，也可以包括电阻R和并联在电阻R两端的电压表，当电流检测单元3包括电流表时，电流表显示的电流值即为导电箔12和第一直流电源2之间的电流，当电流检测单元3包括电阻R和并联在电阻R两端的电压表时，通过电压表显示的电压值除以电阻R的电阻值，则可以得到导电箔12和第一直流电源2之间的电流。

示例性地，当使用上述离化率检测装置检测金属铜(Cu)的离化率，工作气体为Ar(Ar主要起起辉作用)时，第一栅网4用于阻挡电子e^-到达导电箔12，第二栅网5用于阻挡Ar⁺到达导电箔12，从而使得只有Cu²⁺和原子能够到达导电箔12。

通常测试孔11的直径为10mm，为了使第一栅网4和第二栅网5完全遮盖住测试孔11，本发明实施例中的第一栅网4和第二栅网5的直径需要大于10mm，示例性地，第一栅网4的直径大于等于14mm，第二栅网5的直径大于等于12mm。另外，为了防止第一栅网4和第二栅网5的相互接触对检测结果的影响，本发明实施例中优选，第一栅网4和第二栅网5之间的距离大于等于3mm。

由于本发明实施例中提供的离化率检测装置包括叠加设置于测试孔顶部的至少一层第一栅网4和至少一层第二栅网5，其中，第一栅网4用于阻挡电子到达导电箔12，第二栅网5用于阻挡工作气体离子到达导电箔12，从而使得只有溅射过程中产生的金属离子和原子能够到达导电箔12，由于不带电的原子对电流检测单元3检测出的电流的大小无影响，因此，通过电流检测单元3检测出的电流的大小能够准确反映到达导电箔12的金属离子的数量，从而使得根据该电流计算得出的溅射粒子的离化率更准确，进而实现了对溅射粒子的离化率的准确检测。

此外，由于使用本发明实施例中的离化率检测装置检测溅射粒子的离化率的过程中，能够排除工作气体离子对溅射粒子的离化率的检测结果的干扰作用，因此，使用本发明实施例中的离化率检测装置还可以检测通入不同流量的工作气体时的溅射粒子的离化率。

示例性地，如图3所示，测试孔11顶部从上至下依次设置有一层第一栅网4和一层第二栅网5，其中，第一栅网4为施加负电压的导电网格，第二栅网5为施加正电压的导电网格。如图4所示，由于第一栅网4上施加有负电压，从而使得当电子e^-经过第一栅网4时，会被第一栅网4排斥，而工作气体离子、金属离子及原子则可以穿过第一栅网4，到达第二栅网5，进一步地，由于第二栅网5上施加有正电压，由于工作气体离子(图中以Ar⁺为例)带正电，且在多次碰撞后，已变成低能离子，在到达第二栅网5后，能量已经很低，而金属离子(图中以Cu²⁺为例)在到达第二栅网5时仍然属于高能粒子，因此，第二栅网5能够有效阻挡工作气体离子的通过，且金属离子能够不被第二栅网5阻挡，而到达导电箔12上。

其中，施加在第一栅网4上的负电压的大小和施加在第二栅网5上的正电压的大小可以通过以下方式确定：第二栅网5上施加的正电压不变，第一栅网上的电压从零连续减小，直至变化到某一负电压后，电流检测单元检测到的电流的大小不变，即到达导电箔12的带电的粒子的数量不变，则说明在此负电压下第一栅网4已经能够将所有电子e^-阻挡，则取该负电压作为施加在第一栅网4上的负电压。类似地，第一栅网4上施加的负电压不变，第二栅网5上施加的电压从零连续增加，直至变化到某一正电压后，电流检测单元检测到的电流的大小不变，即到达导电箔12的带电的粒子的数量不变，则说明在此正电压下第二栅网5已经能够将所有工作气体离子阻挡，则取该正电压作为施加在第二栅网5上的正电压。

示例性地，施加在第一栅网4上的负电压的大小为-10V～-15V；施加在第二栅网5上的正电压的大小为10V～15V。

需要说明的是，第一栅网4和第二栅网5的结构不局限于以上所述，本领域技术人员可以根据实际需要选择，凡是能使第一栅网4起到阻挡电子e^-到达导电箔12，第二栅网5起到阻挡工作气体离子到达导电箔12作用的结构均属于本发明实施例的记载范围。

进一步地，本发明实施例中优选，施加在第一栅网4上的负电压的大小可调，且施加在第二栅网5上的正电压的大小可调，从而使得在到达第一栅网4的电子e^-和/或到达第二栅网5的工作气体离子的能量发生改变时，通过调整施加在第一栅网4上的负电压的大小和/或施加在第二栅网5上的正电压的大小，即可保证第一栅网4和第二栅网5对e^-和工作气体离子的阻挡效果，能够有效保证对溅射粒子的离化率的准确检测。

此外，如图2所示，本发明实施例中的离化率检测装置还包括第二直流电源6和第三直流电源7，其中，第二直流电源6的负极与第一栅网4连接，第二直流电源6的正极接地，第二直流电源用于为第一栅网4施加负电压，第三直流电源7的正极与第二栅网5连接，第三直流电源7的负极接地，第三直流电源用于为第二栅网5施加负电压，从而使得施加在第一栅网4上的负电压和施加在第二栅网5上的正电压均与第一直流电源2提供的检测电压无关。

进一步地，如图2和图3所示，本发明实施例中的离化率检测装置还包括位于测试孔11顶部的绝缘支架8，绝缘支架8内侧设置有分别用于放置第一栅网4和第二栅网5的台阶，绝缘支架8上设置有与第一栅网4对应的第一过孔81和与第二栅网5对应的第二过孔82，第一栅网4通过穿过第一过孔81的导线与第二直流电源6的负极连接，第二栅网5通过穿过第二过孔82的导线与第三直流电源7的正极连接，以实现第一栅网4和第二栅网5之间相互绝缘、第一栅网4与第二直流电源6的负极的连接，和第二栅网5与第三直流电源7的正极的连接。示例性地，绝缘支架8为陶瓷支架。

此外，本申请的发明人发现，在检测溅射粒子的离化率的过程中，第一栅网4和第二栅网5会受到离子束的轰击，因此第一栅网4和第二栅网5应具有耐高温、溅射率低等特性。由于不绣钢材料是一种耐高温、易加工的金属材料,它的熔点为1700K，并且具有良好的导热性，与铁、铜等金属材料对比，不锈钢材料具有较低的溅射率，和较低的成本，因此，本发明实施例中的第一栅网4优选为施加负电压的不锈钢网格，第二栅网5优选为施加正电压的不锈钢网格，以达到有效的减小检测过程中离子束与第一栅网4和第二栅网5的轰击作用所产生的二次电子，以及降低成本的目的。

此外，本发明实施例还提供了一种离化率检测方法，该离化率检测方法包括使用以上任一项所述的离化率检测装置检测溅射粒子的离化率，具体地，如图5所示，该离化率检测方法具体包括：

步骤S501、在第一栅网上施加负电压，在第二栅网上施加正电压。

步骤S502、通过电流检测单元检测导电箔和第一直流电源之间的电流。

步骤S503、根据电流计算溅射粒子的离化率。

具体地，溅射粒子的离化率为离子沉积速率与总沉积速率之间的比值，其中，总沉积速率可以通过测量沉积至导电箔12上的薄膜的厚度计算，离子沉积速率可以根据以下方式获得：

首先，根据下述公式(1)获得单位时间内在连接导电箔12与第一直流电源2的电路中流经的电荷量：

Q＝I*t (1)

其中，Q为单位时间内在连接导电箔12与第一直流电源2的电路中流经的电荷量，I为电流检测单元检测到的电流，t为单位时间；

其次，根据下述公式(2)获得单位时间内沉积至导电箔12上的金属离子个数；

n＝Q/xe (2)

其中，n为单位时间内沉积至导电箔12上的金属离子个数，Q为单位时间内在连接导电箔12与第一直流电源2的电路中流经的电荷量，x为金属离子变为金属离子失去的电子的数目，e为元电荷；

再其次，根据下述公式(3)获得单位时间内沉积至导电箔12上的金属离子的物质的量；

M＝n/NA (3)

其中，M为单位时间内沉积至导电箔12上的金属离子的物质的量，n为单位时间内沉积至导电箔12上的金属离子个数，NA为阿伏伽德罗常数；

再其次，根据下述公式(4)获得单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的质量：

m＝M*u (4)

其中，m为单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的质量，M为单位时间内沉积至导电箔12上的金属离子的物质的量，u为溅射材料的相对原子质量，即沉积至导电箔12上的金属离子所属元素的相对原子质量；

再其次，根据下述公式(5)获得单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的体积：

V＝m/ρ (5)

其中，V为获得单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的体积，m为单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的质量，ρ为溅射材料的密度，即沉积至导电箔12上的金属离子所属元素的密度；

再其次，根据下述公式(6)获得单位时间内沉积至导电箔12上的额薄膜的厚度：

h＝V/S (6)

其中，h为单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的厚度，V为获得单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的体积，S为测试孔11的最小横截面面积；

最后，根据下述公式(7)获得离子沉积速率：

ν＝h/t (7)

其中，ν为离子沉积速率，h为单位时间内沉积至导电箔12上的薄膜的厚度，t为单位时间。

在上述过程中，通过依次计算参数Q、n、M、V和h，最终获得了离子沉积速率ν，在实际应用中，还可以首先根据上述公式(1)～(7)推导出下述公式(8)：

ν＝(I*u)/(e*NA*ρ*S) (8)

而后直接将参数I、u、e、NA、ρ、S代入上述公式(8)，从而更加简单得获得离子沉积速率。

由于本发明实施例提供的离化率检测方法中，在第一栅网4上施加负电压，在第二栅网5上施加正电压，从而使得第一栅网4能够阻挡电子到达导电箔12，第二栅网5能够阻挡工作气体离子到达导电箔12，从而使得只有溅射过程中产生的金属离子和原子能够到达导电箔12，由于不带电的原子对电流检测单元3检测出的电流的大小无影响，因此，通过电流检测单元3检测出的电流的大小能够准确反映到达导电箔12的金属离子的数量，从而使得根据该电流计算得出的溅射粒子的离化率更准确，进而实现了对溅射粒子的离化率的准确检测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。