专利名称：一种用于等离子体动态鞘层诊断的测量方法
技术领域：
本发明涉及离子注入、等离子体刻蚀及增强沉积等领域中等离子体特性诊断的，一种用于等离子体动态鞘层诊断的测量方法。
背景技术：
在等离子体加工技术(如等离子体源离子注入一Plasma SourceIon Implantation、等离子增强沉积一P1asma Enhanced Deposition等)领域，随时间变化的等离子体动态鞘层是加工工艺中发生的重要物理过程之一。鞘层特点对加工质量及效率有明显的影响。实际生产或实验中，除了对鞘层进行数值模拟等理论分析外，在重要场合更需要通过某种手段对等离子体特性及鞘层行为进行实际测量，亦即对等离子体属性进行诊断。目前使用较多的是Langmuir探针方法，如图1所示。Langmuir探针放在基体附近，通过所接受的电子电流来检测等离子体鞘层的变化。当高压脉冲14加到基体15上时，基体周围形成鞘层16并扩展，根据探针17接受电子流的变化，来判断鞘层边缘是否扩展到了测量的位置。探针为钨或钽制造的平面针探(有时也为丝状)，平行于靶面。常用的Ar等离子体18一般由某种放电方式产生(比如100～200W的射频)，检测鞘层演化时探针偏压19加到+40V，由通道20通过示波器监测收集到的电子流。探针记录的电子流波形实例如图2所示。探针在不引起放电的距离范围依次被扫过，可以测到从脉冲高压的起始时刻到鞘层边缘到达探针的时间间隔，来检测鞘层的时空变化。
在Langmuir探针测量方法中，由于探针的直径约为零点几毫米，长度为几个毫米，较鞘层扩展尺寸的至少几个厘米要小很多，为了测量一个鞘层的较完整形貌，必须由近到远使探针移动到不同位置，以感觉所在位置的等离子体密度(鞘层区域等离子体密度很低)。实际上是一种间接测量方法。
Langmuir探针方法存在的问题是①在各个位置测量的波形实际上是该位置等离子体密度的变化，并未反映出鞘层边缘的扩展和回缩；②移动探针时，无法保证各处波形是同一个脉冲鞘层，对鞘层动态监测不直观；③由于不时地移动探针，使试验效率降低，误差增加。
发明内容
本发明的目的就是解决现有Langmuir探针测试方法存在的以上问题，提供一种用于等离子体动态鞘层诊断的测量方法。本发明的技术解决方案是，将直径为φ2～10mm，长度大于等于鞘层扩展估算尺寸的探针垂直指向真空室中的被测基体表面，调整探针偏压，得到无高压脉冲的初始探针电流；向被测基体施加负高压脉冲后，探针电流降低，得到鞘层尺寸。探针偏压的选择使探针电流远低于饱和电流。探针长度大于鞘层扩展尺寸。
本发明采用大尺寸探针，对探针施加低偏压，在不改变探针位置的情况下，连续观察鞘层的扩展、维持及退缩过程。所测波形准确地反映鞘层边缘的移动，使探针起到水位标尺的作用。鞘层波形放大示意如图4所示。图中包含着很丰富的物理信息。图中AB段或B点之前是探针完全浸没在等离子体里未受鞘层扰动时接收到的电子流幅值。在高压负脉冲的驱动下工件周围产生鞘层时，探针沿长度方向逐渐暴露到鞘层区域(不一定完全暴露，随高压脉冲宽度与幅度而变)，于是接受电子的面积相应减小BC段，探针电流随之降低；鞘层扩展到最大尺寸时有短暂的维持时间CD段；之后，随着鞘层按特定规律的减小退去，探针逐渐恢复接受电子面积，探针电流逐渐增大DE，直至鞘层完全消失而全部被等离子体淹没时，其接受的电子流达到未受鞘层扰动之前时的幅值E点之后。显然，鞘层的扩展和恢复速度是不一样的。
假设探针长度为L0，则初始探针电流Ip0可表达为Ip0＝kL0(1)其中k为比例系数，其物理意义为单位长度上接收的电流。当鞘层产生时，设有ΔL的长度暴露在鞘层中，则电流减少量应为ΔIΔI＝k·ΔL (2)显然，有下式成立ΔLL0=ΔIIp0]]>即ΔL=ΔIIp0L0---(3)]]>
而鞘层尺寸S应为S=ΔL+d0=ΔIIp0L0+d0---(4)]]>d0为探针顶端与基体表面距离。
如果写成随时间变化的表达式，可有S(t)=ΔI(t)Ip0L0+d0---(5)]]>S(t)为瞬时鞘层尺寸，ΔI(t)为瞬时电流变化量。
因此，电流的变化幅值，随时反映了鞘层的时空演化。这正是本发明的特点。
动态鞘层波形除了可以清楚地反映鞘层时空演变的各阶段之外，还可以得到其它重要的信息。例如BC对应的时间间隔是鞘层扩展时间，该下降段的斜率即为鞘层扩展速度；DE段对应着鞘层恢复时间，曲线各处的斜率即为不同时刻鞘层消退的空间速度。通过对不同宽度高压脉冲的鞘层初步测量结果发现，脉冲宽度对鞘层的恢复速率有较大影响，可能与鞘层内被注入消失的离子数量有关。鞘层内离子密度越低，鞘层恢复速度越慢，反之较快。
图1为现有一般探针布置结构示意图；图2为现有Langmuir探针法测得的电子流波形；图3为本发明大探针测量动态鞘层示意图；图4为本发明动态鞘层信号放大示意图；图5为本发明实施例动态鞘层信号放大示意图，其中，a高压7kV，5μs，300Hz，磁控溅射靶325V，2.05A，气压4×10-1Pa，b高压10kV，5μs，300Hz，磁控溅射靶325V，2.05A，气压4×10-1Pa；图6为本发明不同参数鞘层尺寸的实测值，图中每虚线间隔内的四点分别为100，300，500，700Hz重复频率的实测值。
具体实施例方式
本发明采用如图3所示布置。在真空室1中通过磁控溅射自维持放电产生等离子体2。大尺寸探针8垂直指向基体3表面(亦将与鞘层扩展波前垂直)。探针尺寸的确定大于等于鞘层扩展估算尺寸，鞘层扩展尺寸S的估算由公式S=S0(1+23ωpit)1/3]]>计算获得，其中S0为静态鞘层尺寸，ωpi为离子等离子的频率。探针顶端与基体表面相距d0＝4～5mm。当基体不施加高压脉冲6时，探针所有面积全都可以接受电子流。调整探针偏压12到一定值Up，可以获得合适的初始探针电流Ip0，并由电流表13读出。通过用示波器9监测取样电阻11两端的电压，即可得到该值。注意，探针偏压Up是重要实验参数。其值的选择要保证探针电流远低于饱和电流，否则等离子体波动引起的抖动将超过鞘层波形。当负高压脉冲经电缆5通过高压端口4加到基体上时，基体周围电子被排斥，形成离子点阵鞘层7，此时探针的顶部暴露在鞘层中。由于点阵鞘层中没有电子，因此，暴露在鞘层中探针的面积将接收不到电子，探针电流将降低。随着鞘层边缘沿探针的移动，探针电流要经历一个降低、维持然后恢复的过程。无高压脉冲时平直的电压信号，将会产生一个凹陷波形。这就是所测得的动态鞘层波形，见图4。根据凹陷波形的幅度即电流的减少量ΔI，再由探针总长度L0即可算出鞘层尺寸。
实施例一对φ200的磁控溅射靶产生的等离子体动态鞘层进行测试。根据本实验中所用最大参数高压脉冲10kV，脉宽10μs，由计算获得的鞘层扩展尺寸为5.22cm，确定探针长度75mm。探针为φ5×75mm的钨棒，探针偏压选择5V，获取的探针电流为50mA，在取样电阻R＝100Ω的情况下，无高压时得到5V的直流信号，示波器上观察到了水平直线。然后，分别用脉宽2μs、5μs、10μs，幅度5kV、7kV、10kV的高压脉冲进行了测试，测得结果后，按公式(5)算出S(t)的最大幅值，与Lieberman等人的理论模型基本相符。
实施例二对φ300的磁控溅射靶产生的等离子体动态鞘层进行测试。根据本实验中所用最大参数高压脉冲10kV，脉宽10μs，由计算获得的鞘层扩展尺寸为5.22cm，确定探针长度75mm。探针为φ8×75mm的钨棒，探针偏压选择7V，获取的探针电流为50mA，在取样电阻R＝100Ω的情况下，无高压时得到7V的直流信号，示波器上观察到了水平直线。然后，分别用脉宽2μs、5μs、10μs，幅度5kV、7kV、10kV的高压脉冲进行了测试，测得结果后，按公式(5)算出S(t)的最大幅值，与Lieberman等人的理论模型基本相符。
权利要求
1.采用探针测量等离子体动态鞘层移动的一种用于等离子体动态鞘层诊断的测量方法，其特征是，将直径为φ2～10mm，长度大于等于鞘层扩展估算尺寸的探针垂直指向真空室中的被测基体表面，调整探针偏压，得到无高压脉冲的初始探针电流；向被测基体施加负高压脉冲后，探针电流降低，得到鞘层尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种用于等离子体动态鞘层诊断的测量方法，其特征是，探针偏压的选择应使探针电流低于饱和电流值的五分之三。
全文摘要
本发明涉及离子注入、等离子体刻蚀及增强沉积等领域中等离子体特性诊断的一种用于等离子体动态鞘层诊断的测量方法。将直径为φ2～10mm，长度大于等于鞘层扩展估算尺寸的探针垂直指向真空室中的被测基体表面，调整探针偏压，得到无高压脉冲的初始探针电流；向被测基体施加负高压脉冲后，探针电流降低，得到鞘层尺寸。探针偏压的选择应使探针电流低于饱和电流值的五分之三。探针长度大于等于预计鞘层扩展尺寸。本发明采用大尺寸探针，对探针施加低偏压，在不改变探针位置的情况下，连续观察鞘层的扩展、维持及退缩过程。所测波形准确地反映鞘层边缘的移动，使探针起到水位标尺的作用。
文档编号H01L21/3065GK101017760SQ200710086479
公开日2007年8月15日 申请日期2007年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者武洪臣, 张华芳, 马国佳, 彭丽平, 冯建基 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所