CN101899646A - 一种等离子体浸没注入剂量的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体技术领域，具体为一种等离子体浸没注入剂量检测装置。该装置包括：安装于腔体内靶台的信号采集器，引线以及外围测量仪器；其中，信号采集器为导电金属片和绝缘体基片的双层结构，所述引线为刚性结构，用于连接信号采集器和外围检测仪器。该装置通过控制引线转动使信号采集器在靶台上移动，得到靶台各点的离子注入剂量信息，进而得到离子注入剂量在靶台上的分布。本发明装置解决了以往测试剂量通过检测等离子体浓度的复杂性，并提高了精确度。本发明装置也可以在各类衍生的等离子体浸没注入设备中使用。

Description

一种等离子体浸没注入剂量的检测装置

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，具体为一种等离子体浸没注入设备中，标定和测试等离子体注入剂量的附属装置。

背景技术

等离子体浸没注入技术为上世纪80年代产生的一种新型离子注入技术，广泛应用于材料表面改性和半导体材料制备等领域。等离子体浸没注入设备改变了传统离子束状注入的视线特性，受到了广泛的应用和发展。等离子体浸没注入设备如附图1所示，主要包括为等离子体射频源，真空腔体以及高压电源三大部分。在离子注入时，射频源耦合腔内气体电离产生等离子体，而加在靶台上的负高压电源加速了等离子体往靶台的运动，从而注入到样品工件表面。与传统束状离子注入相比，离子加速直接注入到栅极靶台上。等离子体浸没注入技术相对于传统于束状离子注入有着批量化、高效且易于处理异型工件的诸多优势，使其在材料表面改性和半导体材料制备等领域越来越得到重视和应用。

然而等离子浸没注入技术存在着一些自身缺陷，如离子注入剂量的标定和控制困难，使得该技术存在着一定的局限性。由于等离子体浸没注入剂量受到诸多参数的影响，如离子注入类型，靶台材料以及射频源耦合功率，注入电压的大小和类型等等，因此目前还缺乏准确标定等离子体注入剂量的方法。

目前为止，有一些研究关于等离子体浸没注入的理论模型。从Child公式以及离子壳层模型，推导等离子体浸没注入的剂量。以脉冲方波电压为例，如果注入电压大小为V，脉冲频率为f，脉冲宽度为t_p，则在时间t内，单位面积的离子注入剂量公式为

$D_{\mathrm{total}}={\left(\frac{2}{3}\right)}^{1/3}{2}^{1/2}{{\mathrm{\ϵ}}_0}^{1/3}{\mathrm{tfe}}^{-1/6}{n_0}^{2/3}{m}^{-1/6}{V}^{1/2}{t_p}^{1/3}---\left(1\right)$

上式中，ε₀为真空介电常数，e和m为注入离子的电量和质量，n₀为等离子体密度，而t，f，V，t_p等可以通过实验参数精确控制。

上述方法首先假定在靶台表面存在着恒定均匀的电场，等离子漂移和扩散严格满足离子壳层模型，另在腔体内部的等离子体密度恒定为n₀，这些假设均使剂量的标定有一定的误差。准确测定等离子体密度n₀十分困难繁琐，目前主要采用的离子色谱法以及Langmuir双探针系统来测量等离子体密度都存在很大误差，测量时在腔体的不同位置变化(如腔体的轴向和径向位置变化)，都会使n₀产生极大的波动。此外n₀受到气体类型和耦合功率等多个参数的影响，当注入参数改变时需要重新测定n₀，使得此方法繁杂而不可行。

近年来，等离子体浸没注入技术被广泛应用于各类新型领域，如冶金和高分子材料改性以及半导体等领域。特别是等离子体浸没注入技术的非视线性特点，使其在半导体材料的掺杂和制备方面(如集成电路工艺中的沟道掺杂)，有其不可替代的优势。因此，等离子体浸没注入剂量的精确控制将对最后的半导体器件性能产生决定性影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高，操作简便的快速测定等离子体浸没注入剂量的装置。

本发明提供的等离子体浸没注入剂量测定装置，为等离子体浸没注入设备的附属装置。简易装置如图2所示，将其安置在等离子体浸没注入腔体的靶台上，通过检测装置的信号采集即能获得离子剂量注入的信息，从而达到简便而精确地控制注入剂量的效果。

本发明装置包括：靶台上的信号采集器，内部的引接导线(简称引线)以及外围测量设备。信号采集器如图2所示，分为上下两层，上层为导电金属片载体(如不锈钢)，用于接收离子注入的信息；下层为绝缘体基片(如云母片)，用于隔绝靶台和信号采集器之间的连接。连接引线为刚性结构(如刚性铜线)，用于连接信号采集器和外围检测设备。引线可以通过外围机械传动来控制信号采集器在靶台上的移动。引线在测量离子浸没注入剂量时加载电压，并由此引线引出信号，收集信息。引线转接采用焊接和弯曲导线的方法。外围检测设备需包括高压探头，用于加载信号收集器上的高压信号转换，再进一步通过示波器等进行信号收集和存储数据处理。

本发明装置作为等离子体浸没注入设备仪器的附属装置时，其衔接处有两处，一为靶台上，信号采集器和靶台为绝缘性接触，而信号采集器可以通过转动外围引线在靶台上自由滑动。另一接触点为腔体底端引线引出点，此处采用橡胶O型圈和特氟龙材料制备的模具来实现密封，引线从模具和O型圈中间穿出。这样特氟龙模具实现了引线和腔体之间的绝缘，而O型圈实现了引线引出口的真空密封。

本发明的特点是，不需要传统剂量计算方法先进行不同位置不同状态的等离子体密度监测，而是通过此装置进行不同位置的信号采集获得离子注入剂量的信息。这样不仅简便了离子注入剂量标定的程序，更大大提高了离子注入剂量标定的精度。

本发明装置具体涉及等离子体浸没注入的一切需要剂量标定的使用过程，可以通过其更精确可靠地测定等离子体浸没注入的剂量。本发明装置改变了等离子体注入剂量传统模型标定困难，复杂度高，误差大等缺点。此装置可以在不同的等离子体浸没注入设备，如高温等离子体注入、低电压等离子体注入、直流高压等离子体注入等等加以应用。

附图说明

图1为等离子体浸没注入装置示意图。

图2为本发明装置图示。

图3为信号采集器在靶台上移动示意图(腔体内部靶台俯视图)。

图4为外围测量系统测定的电流电压体数据图。

图中标号：1为离子射频源；2为射频耦合线圈；3为绝缘有机玻璃；4为进气窗口；5为真空腔体；6为分子泵接口；7为样品靶台；8为靶台引线的绝缘层；9为外接负高压电源；10为信号采集器的上层导电金属片；11为信号采集器的下层绝缘体基片；12为引接导线；13为真空腔体的底部；14为绝缘用的特氟龙模具；15为真空密封的橡胶O型圈；16为腔体内部靶台；17为信号采集器；18为连接引线；19为旋转轴线时信号采集器在靶台上的运动轨迹；20为控制运动的轴线；21为顶端引线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。本发明装置各个附属结构的参数为：信号采集装置大小为10mm×10mm×5mm的长方体结构，其中上层金属片厚度为2mm，下层绝缘云母片厚度为3mm。铜引线尺寸可以根据各等离子体浸没注入设备腔体的参数进行调节。信号采集器和引线的材料类型和尺寸可以根据测量精度的需求进行调节。

本发明装置测量等离子体浸没注入剂量的方法为：分别检测靶台上各个点的离子注入速率，从而获得样品在靶台上的离子注入信息。即针对等离子体密度在腔体的z轴向上有不同的分布，因而信号采集器的厚度越接近加工样品厚度就越能模拟真实注入情况。在腔体同一高度上，等离子体密度成轴对称分布，因此靶台上各点的离子注入速率也成轴对称分布。所以如果精确测量了靶台圆盘园面径向各点的离子注入速率，就得到了吧台上所有点的离子注入剂量信息。

本发明装置采用旋转轴导线的方式实现信号采集器在靶台上的移动。如图3所示，当旋转外围引线时，由于装置结构为刚性结构，信号采集器将会受到传动，在靶台表面上绕轴线进行圆周旋转。假设外围引线旋转轴与靶台相交于O’，为了保证信号采集器能够检测到靶台上各点信息，将刚性导线的长度设定为刚好经过靶台中心点O。则信号采集器将以轴线和靶台的交点O’为圆心，OO’为半径做圆周运动。

设定靶台半径为R₀，OO’距离为r₀。当信号采集器位于靶台中心时，则顶端引线恰好和OO’重合，此时测定的剂量为靶台中心点的注入剂量。当信号采集器偏离中心点O，如果顶端引线和OO’旋转了θ角度时候，假设信号采集器(测定点)位于距离靶台中心x的距离，则有满足关系：

当设定r₀＞R₀/2时，信号采集器将会采集到靶台面径向位置从0到R₀的即所有位置的离子注入信息。

本发明装置的外部测量设备为带高压探头的信号检测系统，如带高压探头的示波器。当在外引线上加上负高压时，则可以通过示波器检测回路电压以及回路电流。如图4所示，当电压注入波形为脉冲方波电压时候采集的电流和电压信号。信号采集读取和存后，进行数据处理，从而获得靶台不同位置的离子剂量注入速率的信息。在移开注入剂量测定装置进行样品加工处理过程时，即可根据样品在靶台所处位置，以及样品尺寸大小，获得离子注入剂量的精确信息。

在一种优化的发明装置中，等离子体浸没注入的电压类型可以变化，当电压类型发生改变时，只需改变后续的数据处理即可。剂量测定的方法不变。

在一种优化的发明装置中，等离子体浸没注入过程的各类参数发生变化，如射频耦合功率，气体类型等发生改变时候，秩序修改数据处理过程，即可获得离子注入剂量速率信息。

在一种优化的发明装置中，装置信号采集器的材料类型，尺寸参数可以发生改变从而满足不同的要求。但其基本结构为金属导体和绝缘体的双层结构。

在一种优化的发明装置中，装置引线的材料类型，尺寸参数可以根据测试需要进行调节，从而达到更符合实际地模拟离子注入过程，并获得更为精确的离子注入剂量测定。

在一种优化的发明装置中，不需要通过旋转外围引线轴的方式来获得信号采集器在靶台上的移动，而是加入电传输装置使得信号采集器在靶台上能够根据需要更精确的移动。

本发明的特点是，不需要传统剂量计算方法先进行不同位置不同状态的等离子体密度监测，而是通过此装置进行不同位置的信号采集获得离子注入剂量的信息。这样不仅简便了离子注入剂量标定的程序，更大大提高了离子注入剂量标定的精度。

本发明装置具体涉及等离子体浸没注入的一切需要剂量标定的使用过程，可以通过其更精确可靠地测定等离子体浸没注入的剂量。此发明装置改变了等离子体注入剂量传统模型标定困难，复杂度高，误差大等缺点。此装置可以在不同的等离子体浸没注入设备，如高温等离子体注入、低电压等离子体注入、直流高压等离子体注入等等加以应用。

实施例1

本实施例说明了具体的实施手段。在等离子体浸没注入时候，腔体内射频源耦合产生等离子体，此时在外引线上加上电压时候，外接的检测设备可以通过高压探头检测得到回路电流电压等信息。然后通过数据处理得到此点的剂量注入信息。通过旋转外引线实现信号收集器在靶台上的移动，从而得到靶台各点的离子注入剂量信息。由此来测定等离子体浸没注入的剂量。

实施例2

本实施例说明在不锈钢表面改性时的应用。如设定参数为为氮气气氛为0.5Pa，射频源耦合功率为80W，工作电压为负脉冲高压，其电压为20kV，脉宽为20μs，频率为50Hz时，如外接测量设备为示波器时，测定得到电流电压图如附图4。由此可以计算出在此位置时候的离子注入剂量为6.54E+14min^-1cm^-2。

实施例3

本实例说明在硅片中注入氧，模拟SIMOX工艺时。采用此方法精确控制注入剂量。在不同的实验条件设定下，如改变了等离子腔体气压(10^-2Pa～1Pa)，耦合功率(50W～200W)。此时，避免了等离子体状态改变时候需重新测量等离子体密度。而通过此装置可以标定各个位置的离子剂量注入速率。据此结果设定整体注入时间，即可获得注入剂量的精确控制。

Claims (3)

1.一种等离子体浸没注入剂量的检测装置，为等离子体浸没注入设备的附属装置，其特征在于包括：安装于腔体内靶台的信号采集器，引线以及外围测量仪器；其中，所述信号采集器为导电金属片和绝缘体基片的双层结构，上层的导电金属片实现注入电场模拟，下层的绝缘体基片实现采集器与靶台的电绝缘；所述引线为刚性结构，用于连接信号采集器和外围检测仪器，引线通过外围机械传动来控制信号采集器在靶台上的移动，引线在测量等离子浸没注入剂量时加载电压，并由此引线引出信号，收集信息；所述外围检测仪器包括高压探头，用于加载信号收集器上的高压信号转换，并进一步通过示波器进行信号收集和存储数据处理。

2.如权利要求1所述的等离子体浸没注入剂量的检测装置，其特征在于，引线与等离子体真空腔体为电绝缘和真空密封，通过特氟龙材料模具和O型密封圈实现。

3.如权利要求1所述的等离子体浸没注入剂量的检测装置，其特征在于，所述信号采集器到靶台中心位置的距离与转动角度θ存在关系：

其中所述引线的旋转轴心到靶台中心的距离r₀大于二分之一的靶台半径R₀，即r₀＞R₀/2，θ为引线的转动角度。

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