CN101361176A - 等离子体诊断设备及方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括插入到等离子体中或置于等离子体的边界处的探针单元的等离子体诊断设备，所述设备包括：信号提供单元，具有信号提供源；电流检测/电压转换单元，用于将从信号提供单元施加的周期性电压信号施加到探针单元、检测流过探针单元的电流的幅值并将检测的电流转换为电压；分频测量单元，用于通过接收从电流检测/电压转换单元输出的电压作为输入来计算流过探针单元的电流的各个频率分量的幅值和相位。

Description

等离子体诊断设备及方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体诊断设备，更具体地讲，涉及能够通过测量从等离子体设备中的等离子体产生的AC电流来快速精确地测量包括等离子体密度、电子温度、等离子体电势、浮置电势等的等离子体参数的设备和方法。

此外，本发明涉及一种能够通过可以使用硬件或软件来实现的分频(by-frequency)测量单元使用例如快速Fourier变换(Fast Fourier Transform，FFT)或相敏检波(Phase Sensitive Detection，PSD)来精确分离频率分量的等离子体诊断设备。

背景技术

在用于制造半导体装置的设备中，等离子体设备被广泛用于在真空状态的封闭腔中形成等离子体、通过注入反应气体在晶片上沉积薄膜以及蚀刻形成在晶片上的薄膜。

等离子体设备具有各种优点，即，当使用等离子体来执行沉积工艺时，可以在能使形成在晶片中的杂质不进一步扩散的低温下执行沉积工艺，并且形成在大尺寸的晶片上的薄膜的厚度均匀性优良，以及当执行蚀刻工艺时，晶片上的薄膜的蚀刻均匀性优良。因此，等离子体设备被广泛地使用。

Langmuir探针被极其广泛地用于测量在等离子体设备的等离子体中的等离子体参数，以及确定等离子体特性以及离子和电子分布。

在这样的Langmuir探针中，有Langmuir单探针、Langmuir双探针以及Langmuir三探针。通过在等离子体中插入由金属制成的探针、将电压施加到该探针并通过测量流过该探针的电流，Langmuir探针可以用于获得等离子体的电流-电压特性曲线。

例如，在单探针中，电流-电压曲线由等式(1)表示：

$I_P=I^{+}-I^{-}\exp \left[\frac{V_B-V_P}{T_e}\right]$

.....(1)

其中，I⁺、I^-、V_B、V_P分别为离子饱和电流、电子饱和电流、探针电势和等离子体电势。即，随着探针电势增加，流过探针的电流成指数地增加。

此外，在双探针中，电流-电压曲线由等式(2)表示：

$I_P=I^{+}\tanh \left(\frac{V_B}{2T_e}\right)$

.....(2)

可以从每个电流-电压特性曲线获得诸如离子饱和电流、电子饱和电流、电子温度、等离子体电势等的信息。这种方法简单，但是其不便在于必须获得电流-电压曲线，并且需要单独的信号处理以获得这些信息。

此外，当在等离子体中通过沉积而在探针表面上形成绝缘体层时，最大的问题在于探针不能正确地操作，从而不能获得电流-电压曲线。此外，最重要的要求在于完全不能影响在等离子体诊断中的测量对象。然而，由于提取了等离子体中的许多电荷，所以由于扰动而影响了所述对象。此外，实时等离子体分析也是困难的。

同时，虽然已经进行了使用等离子体鞘(plasma sheath)的非线性来诊断等离子体的各种尝试，但是这样的尝试未能获得满意的结果。存在一种使用在诸如Tokamak的核聚变等离子体中的非线性来近似地测量电子温度的方法。

在下面更具体地说明该方法。

在使用DC电流阻断电容器来浮置插入到等离子体腔中的等离子体中的探针之后，如果施加正弦波电压，则流过探针的电流由等式(3)表示：

i_pr＝i⁺-i^-exp[(V_B-V_p)/T_e]

.....(3)

其中，I_pr为流过探针的电流，i⁺和i^-分别为离子饱和电流和电子饱和电流，V_B、V_P和T_e分别为探针电势、等离子体电势和电子温度。

i⁺、i^-分别由等式(4)和等式(5)表示：

i⁺＝0.61e n_i u_BA

.....(4)

其中，n_i为离子密度，u_B为Bohm速度，A为探针面积。

$i^{-}=\frac{1}{4}e{n}_e{v}_{e}A$

.....(5)

其中，n_e为离子密度，v_e为电子速度。

因此，如果探针电势(V_B)为

$V_B=\stackrel{\‾}{V}+V_0\cos \mathrm{wt}$

则流过探针的电流由等式(6)表示：

$i_{\mathrm{pr}}=i^{+}-i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e]\exp \left[\frac{V_0}{T_e}\cos \mathrm{wt}\right]$

.....(6)

其中，

为浮置电势。

如果通过修正Bessel函数来展开探针电流(i_pr)，则结果由等式(7)表示：

$i_{\mathrm{pr}}=i^{+}-i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e][I_0\left(\frac{V_0}{T_e}\right)+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\cos \left(\mathrm{k\ωt}\right)]$

$=i^{+}-i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e]\left(I_0\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\right)-i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e]\left[2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\cos \left(\mathrm{k\ωt}\right)\right]$

$=i_{\mathrm{DC}}+i_{\mathrm{AC}}$

.....(7)

如等式(7)所示，探针电流(i_pr)由DC电流和AC电流组成。

如随后的描述，如果探针连接到根据本发明的DC电流阻断电容器，则DC电流不能流动。

因此，探针电流(i_pr)的DC电流(i_DC)由等式(8)表示：

$i_{\mathrm{DC}}=i^{+}-i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_p)/T_e]\left(I_0\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\right)=0$

.....(8)

此外，对等式(8)取对数，获得的结果如等式(9)：

$\frac{(\stackrel{\‾}{V}-V_p)}{T_e}+\log \left(I_0\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\right)=\log \left(\frac{I^{+}}{I^{-}}\right)$

.....(9)

浮置电势为在电容器之间的电势，可以使用浮置电势和电子温度从等式(9)获得等离子体电势。此外，浮置电势随V₀变化，因此，在获得随V₀变化的浮置电势变化

之后，可以使用等式(9)来获得电子温度。近似计算等式由等式(10)表示：

$T_e=-\frac{1}{4}\frac{V_0^2}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{V}}$

.....(10)

其中，

是浮置电势变化。

AC电流由等式(11)表示：

$i_{\mathrm{AC}}=-i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e](2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\cos \left(k_{\mathrm{\ω}}t\right)+\·\·\·)$

$=-2i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e][I_1\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_2\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)+I_3\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\cos \left(3\mathrm{\ωt}\right)+\·\·\·]$

$=-2i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e][i_{\mathrm{\ω}}+i_{2\mathrm{\ω}}+i_{3\mathrm{\ω}}+\·\·\·]$

.....(11)

因此，通过在探针电流的ω和2ω频率分量的幅值之间进行比较，获得的比较的结果如等式(12)：

.....(12)

从而在测量ω和2ω频率分量的幅值之后，从等式(12)获得电子温度。

在这种方法中，为了精确测量电子温度，最重要的在于精确测量探针电流的各个频率分量的幅值。

通常，在使用电流探针(变换器)将电流信号转换为电压信号之后，使用ω和2ωNotch滤波器来获得电流的两个频率分量。

发明内容

                          技术问题

如上所述的方法适于诸如在Tokamak中的大的流动电流。但是在用在半导体工艺等中的等离子体腔中的电流小于在Tokamak中的电流的百分之一，从而问题在于不能精确地测量电流。

此外，当电流被分为频率分量时，因为ω和2ω非常接近，所以难以将电流分为ω和2ω。

具体地讲，在诸如Tokamak的核聚变中，电子温度高于大约100eV，从而±5的误差范围不是问题。但是，在等离子体工艺中，电子温度最多为5eV，从而不能使用该方法。

                          技术方案

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于精确检测流过探针的小电流的频率分量的幅值以测量等离子体中的电子温度的等离子体诊断设备。

本发明的另一目的在于提供一种用于将寄生信号分量与各个频率分量分开的等离子体诊断设备。

本发明的又一目的在于提供一种为等离子体诊断提供作为等离子体参数的离子密度的等离子体诊断设备。

本发明的又一目的在于提供一种用于补偿鞘阻抗的影响并精确测量电子温度和离子密度的等离子体诊断设备。

本发明的又一目的在于提供一种用于能够在等离子体设备中快速测量等离子体参数并实时监视等离子体的等离子体诊断设备。

通过参照附图对本发明优选的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它的优点将变得更明显。

为了实现这些目的，本发明提供了一种包括插入到等离子体中或置于等离子体的边界处的探针单元的等离子体诊断设备。所述等离子体诊断设备可以包括：(i)信号提供单元，具有信号提供源；(ii)电流检测/电压转换单元，用于将从信号提供单元施加的周期性电压信号施加到探针单元、检测流过探针单元的电流的幅值并将检测的电流转换为电压；(iii)分频测量单元，用于通过接收从电流检测/电压转换单元输出的电压作为输入来计算流过探针单元的电流的各个频率分量的幅值和相位。

优选地，所述等离子体诊断设备还可以包括：另一探针单元，连接到信号提供单元并插入到等离子体中。

此外，电流检测/电压转换单元还可以包括：电流检测电阻器，串联连接到探针单元的后端；差分放大器，用于测量电流检测电阻器的两端的电势差，并计算流过探针单元的电流的幅值。

优选地，信号提供单元还可以包括：信号放大器，具有连接到信号提供源的一个输入端、连接到电流检测电阻器的前端或后端的另一输入端以及连接到电流检测电阻器的后端的输出端。

优选地，分频测量单元可以使用FFT。

优选地，分频测量单元可以包括：操作电路单元，用于通过接收从电流检测/电压转换单元输出的电压和周期电压信号作为输入来执行预置的操作；低通滤波单元，用于通过对操作电路单元的操作结果进行低通滤波来计算流过探针的电流的各个频率分量的幅值。

优选地，用于DC电流阻断的电容元件设置在等离子体和探针单元之间、在探针单元和电流检测/电压转换单元之间或在电流检测/电压转换单元和信号提供单元之间的至少一处。

通过等式(13)来补偿从信号提供单元施加到探针单元的周期性电压信号的幅值，并将其施加到等离子体。等式(13)表示如下：

V_sh＝R_shV₀/(R_s+R_sh)

.....(13)

其中，R_sh为作为离子密度和电子温度的函数的鞘电阻，V₀为施加到探针单元的周期性电压信号的幅值，R_s为连接到探针单元的电路和装置的电阻。

此外，可以通过在信号提供单元施加或不施加电信号之间的浮置电势变化来测量电子温度。

优选地，可以通过使用等式(14)由计算的各个频率分量来计算离子密度(n_i)。等式(14)表示如下：

$n_i=\frac{{2i}_{k,w}{I}_0\left(\frac{V_{\mathrm{sh}}}{T_e}\right)}{0.61e{u}_{B}A{I}_k\left(\frac{V_{\mathrm{sh}}}{T_e}\right)}$

.....(14)

其中T_e为电子温度，V_sh为探针单元和等离子体之间的鞘电压的幅值，A为探针面积，i_kω为流过探针单元的电流的第k谐振频率的幅值。

为了实现这些目的，提供了一种等离子体诊断方法，所述方法可以包括下面的步骤：将来自信号提供单元的周期性电压信号提供到插入到等离子体中的探针单元；在检测流过探针单元的电流的幅值并将检测的电流转换为电压之后输出转换的电压；通过接收输出电压作为输入来计算流过探针单元的电流的各个频率分量的幅值和相位。

优选地，可以使用FFT或PSD来执行计算各个频率分量的幅值和相位的步骤。

                      技术效果

根据本发明，存在的优点如下：即使当流过探针的电流很小，也可以精确地测量电流的各个频率分量的幅值；可以通过数字信号处理检测频率分量来分开流过探针的电流的频率分量，并由于数字信号处理，所以即使当频率分量的差异非常小时，也可以精确地分开频率分量，大大增强了抗噪声的能力；由于信号处理的速度快，所以能够快速测量等离子体参数并实时监视等离子体；即使当气体沉积在探针表面上时，也可以测量等离子体参数。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

图2和图3是将分别使用根据本发明的浮置探针和公知的Langmuir单探针在10mTorr的压强及氩气气氛中测量的电子温度和离子密度进行比较的曲线图。

图4和图5是将分别使用根据本发明的浮置探针和公知的Langmuir单探针在20mTorr的压强及氩气气氛中测量的电子温度和离子密度进行比较的曲线图。

图6和图7是示出了在以8∶2的比率混合氩气和在实际的半导体工艺中使用的CF₄气体之后分别使用公知的Langmuir探针和根据本发明的浮置探针来测量的结果的曲线图。

图8是示出了在本发明中使用和不使用电压分布运算来增强离子密度和电子温度的测量精确度的结果的曲线图。

图9是示出了根据本发明另一实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

图10是示出了根据本发明又一实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

图11是示出了根据本发明再一实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

具体实施方式

现在，将参照附图来详细描述根据本发明的一个优选实施例的等离子体诊断设备。

图1是示出了根据本发明的一个优选实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

(1)探针单元200和DC电流阻断电容器

节流箱(choke box)210可以选择性地内置在探针单元200中。节流箱210被设定为包括具有并联连接的电容器和电感器的LC谐振电路，并用于增加阻抗，从而降低探针和等离子体之间的电势差。

因此，将探针电势与等离子体电势的RF分量等同地振荡，这降低了流过探针单元200的RF分量电流并防止了浮置电势由于RF分量而改变。结果，可以防止流过探针单元200的电流信号失真。

参照图1，DC电流阻断电容器C安装在探针单元200的后端以阻断DC电流。与图1中不同，阻断电容器C可以置于探针单元200和等离子体之间，或可以置于电流检测电阻器R和信号提供单元500的信号提供源V之间。此外，如随后的描述，可以在没有DC电流阻断电容器C的情况下使用图1的诊断设备，可以安装电压源来调节施加的电压并测量DC电流信号。信号提供单元500可以包括多于两个的信号提供源并可以施加能够代替正弦波V的包括谐振频率分量的斩波、方波或锯齿波。

(2)电流检测/电压转换单元300

因为流过探针单元200的电流具有密度和温度信息，所以电流的幅值被精确地测量并被转换为相同频率的电压信号。

在这个实施例中，具有给定电阻的电流检测电阻器R串联连接到探针单元200的后端以产生与流过探针单元200的电流的幅值成比例的电流检测电阻器R两端的电势差。可以从使用差分放大器302测量的电势差得知流过探针单元200的电流的幅值。

那么，即使流过探针单元200的电流的幅值非常小，也可以通过选择具有适当的电阻器和带宽的差分放大器来精确地测量所述的幅值。

这样测量的电流幅值被转换成电压Vout并被输出。

在这个实施例中使用电流检测电阻器R和差分放大器302，另一方面，可以使用测量电流的电流探针。

(3)分频测量单元400

分频测量单元400用于将从电流检测/电压转换单元300输出的电压Vout分为频率分量。例如，分频测量单元400可以使用FFT。

如此，通过使用FFT或PSD来代替传统的模拟滤波器，可以将探针振动频率精确地分为各个频率分量，诸如ω、2ω和谐振频率。此外，因为FET或PDS处理数字信号，所以抗噪音环境的性能优越。

另一方面，根据本发明，可以从测量的电流的ω分量的幅值来计算离子密度，并可以另外地提供离子密度作为用于等离子体诊断的等离子体参数。

更具体地讲，当插入DC电流阻断电容器C时，DC电流应该为0。因此，从等式(8)获得等式(15)。等式(15)如下所示：

$i^{+}=i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_p)/T_e]\left(I_0\left(\frac{V_0}{T_e}\right)\right)$

.....(15)

通常，第一频率分量ω的电流幅值i_ω由等式(16)表示：

$i_{\mathrm{\ω}}=-2i^{-}\exp [(\stackrel{\‾}{V}-V_P)/T_e]I_1(V_0/T_e)$

.....(16)

因此，离子密度n_i近似地由等式(17)表示：

.....(17)

根据本发明，需要精确地知道探针鞘两端的电势差以能够精确地测量电子温度和离子密度。

当离子密度高时，在测量精确度上存在问题；当信号提供单元500施加具有振幅V_o的AC电压时，由于电压V_o分布到电流检测电阻器或节流箱，所以比电压V_o小的电压被施加到鞘两端，使得测量的电子温度和离子密度变得不准确。

因此，为了能够精确测量电子温度和离子密度，在计算鞘电阻之后应该执行与分布的电压一样多的补偿。鞘电阻R_sh为离子密度和电子温度的函数，从而由等式(18)表示：

R_sh＝T_e/(0.61e²n_iu_BA)

.....(18)

因此，当从信号提供单元500施加电压V₀时，鞘两端的电压V_sh表示如下：

V_sh＝R_shV₀/(R_s+R_sh)

.....(19)

应该将V_sh代入获得密度和温度的等式。其中，R_s为连接到探针的装置和电路元件(诸如节流箱和电流检测电阻器R)的阻抗。

如上所述，可以通过补偿电压分布的效果来显著地提高测量精确度(参照图8)。

实验性实例1

图2和图3是将分别使用根据本发明的浮置探针和公知的Langmuir单探针在10mTorr的压强及氩气气氛中测量的电子温度和离子密度进行比较的曲线图。

如所述曲线图中所示，在输入功率区域中，使用根据本发明的浮置探针测量的结果与使用Langmuir探针测量的结果对应，因此，这表示使用根据本发明的浮置探针测量的结果是非常可靠的。

实验性实例2

此外，图4和图5是将分别使用根据本发明的浮置探针和公知的Langmuir单探针在20mTorr的压强的氩气气氛中测量的电子温度和离子密度进行比较的曲线图。

如所述曲线图中所示，在输入功率区域中，使用根据本发明的浮置探针测量的结果也与使用Langmuir探针测量的结果对应，因此，这也表示使用根据本发明的浮置探针测量的结果是可靠的。

实验性实例3

图6和图7是示出了在以8∶2的比率混合氩气和在实际的半导体工艺中使用的CF₄气体之后分别使用公知的Langmuir探针和根据本发明的浮置探针来测量的结果的曲线图。

参照图6，由于Langmuir探针直接测量离子或电子的传导电流，所以当通过CF₄等离子体在Langmuir探针的表面上沉积绝缘层时，Langmuir探针不能进行测量。因此，在大量混合气体中不可以将Langmuir探针用于等离子体诊断(参照图6中的红色的曲线)。

另一方面，参照图7，因为根据本发明的浮置探针测量AC电流，所以虽然通过CF₄等离子体一定程度地在浮置探针的表面上沉积绝缘层，但是绝缘层不会显著地影响离子密度或电子温度的测量结果。

现在，参照图8，当在本发明中加入电压分布运算以提高等离子体诊断的精确度时，显著地提高了测量精确度。

图9是示出了根据本发明另一实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

根据所述实施例，信号提供单元500a还可以包括信号放大器502，所述信号放大器502具有连接到信号提供源V的输入端、连接到在电流检测/电压转换单元300中的电阻器R的前端的反馈端和连接到电阻器R的后端的输出端。

根据所述实施例，在电阻器R中没有出现压降，使得施加的电压几乎可以等于鞘电压。因此，优点在于可以在没有补偿鞘阻抗的影响的情况下解决电压分布问题。

虽然在所述实施例中的反馈端连接到电流检测/电压转换单元300中的电阻器R的前面，但是反馈端可以连接到电阻器R的后面。

图11是示出了根据本发明再一实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图，该等离子体诊断设备可以被构造为具有插入在等离子体中的两个探针单元200和1200。然后，可以通过在探针之间施加周期性电压信号，使用在探针之间流动的电流的谐振频率分量来获得等离子体密度和电子温度。优点在于在该实施例中可以不需要DC电流阻断电容器。

在探针之间流动的电流表示如下：

I_p＝I⁺tanh(V_B/T_e)。

.....(20)

当将周期性信号v/2T_e＜1带入到等式(20)中的V_B＝v(t)时，获得的高频率分量如下：

$I_w=I^{+}\left(\frac{v}{2T_e}\right)$

$I_{3w}=\frac{I^{+}}{12}{\left(\frac{v}{2T_e}\right)}^3$

.....(21)

因此，可以使用等式(21)来获得n_i和T_e，如下：

$n_i=\frac{I_w}{0.61e{u}_B{A}_p}\left(\frac{{2T}_e}{v}\right)$

$T_e=\frac{v}{24}\left(\frac{I_w}{I_{3w}}\right)$

.....(22)

在该实施例中，电流在探针之间循环流动，因此，自动实现浮置。因此，该实施例的优点在于不另外地需要DC电流阻断电容器。

图10是示出了根据本发明又一实施例的等离子体诊断设备的示意性电路图。

参照图10，分频测量单元400a包括操作电路单元402和低通滤波单元404，并使用作为公知方法的PSD方法。

操作电路单元402的输入信号为来自电流检测/电压转换单元300的放大器302的输出信号或从所述输出信号转换的TTL信号。

当输入信号和电流信号分别表示如下时：

V_R(t)＝V_Rcos(w_Rt+Φ_R)

I_S(t)＝I_1Scos(w_St+Φ_S)+I_2Scos(w_2St+Φ_2S)+.....

.....(23)

例如，如果操作电路单元402执行乘法运算时，结果表示如下：

I_S(t)V_R(t)＝I_1SV_Rcos(w_Rt+Φ_R)cos(w_St+Φ_S)+.....

$I_S\left(t\right)V_R\left(t\right)=\frac{I_{1S}{V}_R}{2}\left(\cos \right[(w_S-w_R)t+{\mathrm{\Φ}}_S-{\mathrm{\Φ}}_R]+\cos [(w_S+w_R)t+{\mathrm{\Φ}}_S+{\mathrm{\Φ}}_R\left]\right)+......$

.....(24)

其中，ω_R等于ω_S。如果I_S(t)V_R(t)通过低通滤波器，则仅有 $\frac{I_{1S}{V}_R}{2}\cos ({\mathrm{\Φ}}_S-{\mathrm{\Φ}}_R)$ 剩余。因此，得知参考信号的相位角和振幅，可以测量1ω频率分量的电流。类似地，可以将谐振频率或频率倍增施加到操作电路单元402以测量诸如2ω、3ω等的高频分量的相位角和振幅。

虽然这里已经参照本发明的优选的实施例描述并示出了本发明，但是本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出各种修改和变化。

因此，意图在于，不是由本发明的优选实施例的描述来限定本发明的范围，而是通过权利要求来限定本发明的范围。

产业上的可利用性

本发明的等离子体诊断设备可以能够快速精确地测量诸如等离子体密度、电子温度、等离子体电势、浮置电势等的等离子体参数，因此能够应用到相关技术。

Claims (14)

1、一种包括插入到等离子体中或置于等离子体的边界处的探针单元的等离子体诊断设备，所述设备包括：

信号提供单元，具有信号提供源；

电流检测/电压转换单元，用于将从信号提供单元施加的周期性电压信号施加到探针单元、检测流过探针单元的电流的幅值并将检测的电流转换为电压；

分频测量单元，用于接收从电流检测/电压转换单元输出的电压作为输入，并计算流过探针单元的电流的各个频率分量的幅值和相位。

2、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，还包括：

另一探针单元，连接到信号提供单元并插入到等离子体中。

3、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，其中，电流检测/电压转换单元包括：电流检测电阻器，串联连接到探针单元的后端；差分放大器，用于测量电流检测电阻器的两端之间的电势差，并计算流过探针单元的电流的幅值。

4、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，其中，信号提供单元还包括：信号放大器，具有连接到信号提供源的一个输入端、连接到电流检测电阻器的前端或后端的另一输入端以及连接到电流检测电阻器的后端的输出端。

5、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，其中，分频测量单元使用FFT。

6、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，其中，分频测量单元包括：

操作电路单元，用于接收从电流检测/电压转换单元输出的电压和周期性电压信号作为输入，并执行预置操作；

低通滤波单元，用于对操作电路单元的操作结果进行低通滤波，并计算流过探针的电流的各个频率分量的幅值。

7、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，其中，用于DC电流阻断的电容元件设置在等离子体和探针单元之间、在探针单元和电流检测/电压转换单元之间以及在电流检测/电压转换单元和信号提供单元之间的至少一处。

8、如权利要求1所述的等离子体诊断设备，其中，通过下面的等式来校正从信号提供单元施加到探针单元的周期性电压信号的幅值，并将其施加到等离子体：

V_sh＝R_shV₀/(R_s+R_sh)

其中，R_sh为作为离子密度和电子温度的函数的鞘电阻，V₀为施加到探针单元的周期性电压信号的幅值，R_s为连接到探针单元的电路和装置的电阻。

9、如权利要求1所述的等离子体设备，其中，通过在信号提供单元施加或不施加电信号之间的浮置电势变化来测量电子温度。

10、如权利要求1所述的等离子体设备，其中，通过下面的等式由计算的电流的各个频率分量来计算等离子体的离子密度(n_i)，

$n_i=\frac{2i_{k,w}{I}_O\left(\frac{V_{\mathrm{sh}}}{T_e}\right)}{0.61e{u}_{B}A{I}_k\left(\frac{V_{\mathrm{sh}}}{T_e}\right)}$

其中T_e为电子温度，V_sh为探针单元和等离子体之间的鞘电压的幅值，A为探针面积，i_kω为流过探针单元的电流的第k谐振频率的幅值。

11、一种诊断等离子体的方法，包括：

将来自信号提供单元的周期性电压信号施加到插入到等离子体中的探针单元；

检测流过探针单元的电流的幅值，将检测的电流转换为电压，并输出转换的电压；

接收输出电压作为输入，并计算流过探针单元的电流的各个频率分量的幅值和相位。

12、如权利要求10所述的方法，其中，使用FFT或PSD来执行计算各个频率分量的幅值和相位得步骤。

13、如权利要求10所述的方法，其中，通过下面的等式来校正施加到探针单元的周期性电压信号的幅值，并将其施加到等离子体，

V_sh＝R_shV₀/(R_s+R_sh)

其中，R_sh为作为离子密度和电子温度的函数的鞘电阻，V₀为施加到探针单元的周期性电压信号的幅值，R_s为连接到探针单元的电路和装置的电阻。

14、如权利要求10所述的方法，还包括：

使用计算的各个频率分量的比率来高速实时地获得电子温度；

使用下面的等式由计算的电流的各个频率分量来计算等离子体的离子密度：

$n_i=\frac{2i_{k,w}{I}_O\left(\frac{V_{\mathrm{sh}}}{T_e}\right)}{0.61e{u}_{B}A{I}_k\left(\frac{V_{\mathrm{sh}}}{T_e}\right)}$

其中，T_e为电子温度，V_sh为探针单元和等离子体之间的鞘电压的幅值，A为探针面积，i_kω为流过探针单元的电流的第k谐振频率的幅值。

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