CN108051844B - 一种离子源束流均匀性测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空中电源束流测量技术领域，尤其涉及一种离子源束流均匀性测量装置。该测量装置包括离子源和栅网，所述栅网设于所述离子源的离子出口，以从所述离子源内吸引出离子并形成离子源束流，还包括支架、电流表和多个安装于所述支架上的探头，多个所述探头均位于所述离子源束流的区域内，所述探头的第一端用于接收所述离子源发出的正离子，所述探头的第二端与所述电流表的输入端连接，所述电流表的输出端接地。本测量装置放置在离子源束流的区域内，能够有效测量离子源束流区域内的均匀性状况。本测量装置结构简单，成本低廉，操作方便，大大节省了操作人员的时间及精力。
Description
技术领域
本发明涉及真空中电源束流测量技术领域，尤其涉及一种离子源束流均匀性测量装置。
背景技术
离子源做为一种电源，应用在半导体等众多领域，如图形加工干法刻蚀(ICP)中的离子束刻蚀，同时可作为磁控溅射辅助沉积电源使用，还比如物理气相沉积(PVD)中可作为清洗电源使用。在这些应用中都是基于离子源能够产生稳定的等离子体(或离子束)的原理，产生离子束的形式有多种，常用的方法是，阴极灯丝产生大量电子，并在电子聚集附近区域通入氩气，碰撞产生大量氩离子，通过栅网加速等作用将离子吸引出离子源形成束流(即Kaufman离子源)。
在离子束刻蚀中对离子源产生的等离子体的均匀性要求很高，即离子束所覆盖的有效区域内的离子能量大致要相同，否则样品表面被刻蚀出的沟道深浅不一，不仅对器件的特性产生很大影响，而且对后续工艺不利，造成废片。所以必须要保证有效区域内的离子能量均匀。
以下三种情况需要对离子束的能量均匀性做测试：①设备验收阶段要对离子源进行工艺初试调试时；②设备维护后重新恢复生产时；③产品出现不合格情况时。目前只能通过离子束电源间接判断产生的等离子体的大小，而均匀性方面只能等待工艺结束后，通过检测设备测量刻蚀的均匀性，之后再做判断。判断过程复杂，同时会产生大量废片。
当发现离子源发出的离子束不均匀时，部分离子源可通过加修正板的方式对离子束进行修正，即修正板做出一个图形，遮盖能量较大的区域，可改善刻蚀后的效果。如果一直通过检测设备测量刻蚀后的样片，不仅浪费时间，耗费人力，同时反映到刻蚀区域的位置不精确。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种离子源束流均匀性测量装置，以解决现有检测设备结构复杂、成本高昂的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种离子源束流均匀性测量装置，包括离子源和栅网，所述栅网设于所述离子源的离子出口，以从所述离子源内吸引出离子并形成离子源束流，还包括支架、电流表和多个安装于所述支架上的探头，多个所述探头均位于所述离子源束流的区域内，所述探头的第一端用于接收所述离子源发出的正离子，所述探头的第二端与所述电流表的输入端连接，所述电流表的输出端接地。
进一步地，所述离子源束流均匀性测量装置还包括旋转开关，所述探头的第二端与所述旋转开关的输入端连接，所述旋转开关的输出端与所述电流表的输入端连接。
优选的，所述旋转开关为多通道的旋转开关。
进一步地，所述离子源束流均匀性测量装置还包括真空腔室和带有多个电极的进出线装置，所述进出线装置设于所述真空腔室侧壁上，所述离子源和支架均设于所述真空腔室内，所述旋转开关和电流表均位于所述真空腔室的外部，所述探头与所述电极一一对应，所述探头的第二端与对应的电极的一端通过第一引线连接，所述电极的另一端通过第二引线与所述旋转开关的输入端连接。
进一步地，所述第一引线通过线耳与所述探头的第二端连接。
进一步地，所述进出线装置为封接法兰。
优选的，所述封接法兰为陶瓷封接法兰。
进一步地，所述离子源束流均匀性测量装置还包括电阻，所述旋转开关的输出端通过所述电阻与所述电流表的输入端连接。
进一步地，所述探头呈柱状，且设有外螺纹，所述探头通过安装件安装于所述支架上，所述安装件包括杯体、第一垫片、第二垫片以及用于和所述探头的外螺纹配合的第一螺母，所述第一垫片和第二垫片分别设于所述支架的两侧，且所述第一垫片卡设于所述杯体内，所述探头的第一端依次穿过所述支架和杯体并固定于所述第一垫片内，所述第二垫片和第一螺母自所述探头的第二端顺次套接于所述探头的外围，且所述第一螺母与所述探头的外螺纹进行螺纹连接。
优选的，所述探头为金属探头；优选的，所述杯体为金属杯；优选的，所述第一垫片和第二垫片均为陶瓷垫；优选的，所述线耳套接在所述柱状探头的外围，再利用第二螺母套接于探头上以固定线耳。
进一步地，多个所述探头竖向排列于所述支架上。
进一步地，所述离子源束流均匀性测量装置还包括可横向移动的载台，且所述载台的下方设有与所述载台的移动路径相对应的刻度尺，所述支架设于所述载台上。
关于所述载台的横向移动有如下两种实现方式：
第一种：所述载台连接有用于驱动载台横向移动的手轮。
第二种：所述离子源束流均匀性测量装置还包括用于驱动所述载台横向移动的驱动机构，所述驱动机构包括滚珠丝杠和与所述滚珠丝杠传动连接的电机，所述载台通过螺母座与所述滚珠丝杠的螺母连接。
进一步地，所述探头与电流表一一对应(此时缺省了旋转开关)，每个所述探头的第二端均与对应的电流表的输入端连接。优选的，每个所述探头的第二端依次通过对应的电极和引线与对应的电流表输入端直接连接。由此，通过多个电流表，可以自动记录同一时刻多个不同位置上的电流值变化，即可以检测有效刻蚀区域内同一时刻不同位置上的离子束的均匀性状况。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：
1、本发明的离子源束流均匀性测量装置，设置了栅网、探头和电流表。工作时，离子源通过栅网加速可产生大量带有正电的离子，在刻蚀的有效区域(离子源束流的区域)内探头接收这种正离子，并与电流表形成一个通畅的回路，电流表可以显示出该回路上的电流值及电流变化；记录电流表数值可以表征固定点的束流的能量，分别记录不同点每一时刻的数值则可以得到束流的均匀性情况。因此，本测量装置放置在离子源束流的区域内，能够对其所发出的束流能量进行检测，不仅可以表征不同位置点之间的差异，同时可以表征出同一点不同时间上的差异，即能够测量离子源束流区域内的均匀性状况。本测量装置结构简单，成本低廉，操作方便，大大节省了操作人员的时间及精力。
2、本发明在上述的回路上增加可以选择多通道的旋转开关，利用旋转开关分别切换不同探头与同一电流表之间的连接，则可以便于表征出每个探头在不同时间上接收到的电荷数量，进而测得同一位置不同时间点上的离子束能量。
3、本发明的多个探头可纵向排列，此时该测量装置能够检测到垂直方向一条线上的离子束均匀性；本发明的多个探头还可随着支架的横向移动而进行横向移动，使得该测量装置可在该横向上进行移动测量，由此可测得水平方向上的离子束均匀性；从而，本测量装置能够测得整个离子源束流区域内的离子束的均匀性状况。也就是说，本测量装置可以实时表征被测点(或区域内)的离子束能量，同时可以检测整个区域内的离子束均匀性状况；而且不必使用高精度的台阶仪等昂贵设备测量样品，能够通过简单电路实现精确测量；进一步减少了测量均匀性所需要的时间，进一步节约了人工成本。
4、本发明的真空腔室内可不放样片，从而避免了多次测量不准确而造成的大量废片。
附图说明
图1为本发明实施例所述离子源束流均匀性测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述安装件的结构示意图；
图3为本发明实施例所述支架横向移动时的侧视图；
其中，1、离子源；2、栅网；3、离子束；4、探头；5、封接法兰；6、旋转开关；7、电阻；8、电流表；9、杯体；10、第一垫片；11、第二垫片；12、真空腔室；13、真空腔室的侧壁；14、电极；15、支架；16、第一螺母；17、第二螺母；18、离子源束流的区域；19、第一引线；20、第二引线；21、滚珠丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1～图3所示，本实施例发明提供了一种离子源束流均匀性测量装置，包括离子源1、栅网2，支架15、旋转开关6、电流表8和多个安装于支架15上的探头4，栅网2设于离子源1的离子出口，以从离子源1内吸引出离子并形成离子束3，多个探头4均位于离子源束流的区域18内，探头4的第一端用于接收离子源1发出的正离子，探头4的第二端与旋转开关6的输入端连接，旋转开关6的输出端与电流表8的输入端连接，电流表8的输出端直接接地。而且，该离子源束流均匀性测量装置还可包括电阻7，旋转开关6的输出端通过电阻7与电流表8的输入端连接。
进一步地，该离子源束流均匀性测量装置还包括真空腔室12和带有多个电极14的封接法兰5，封接法兰5设于真空腔室的侧壁13上，离子源1固定在真空腔室12的内侧壁上，支架15垂直固定在真空腔室12的内底板上，旋转开关6和电流表8均位于真空腔室12的外部，探头4与电极14一一对应，探头4的第二端与对应的电极14的一端通过第一引线19连接，电极14的另一端通过第二引线20与旋转开关6的输入端连接。
本实施例中，探头4呈柱状，且设有外螺纹。探头4通过安装件安装于支架15上，该安装件包括杯体9、第一垫片10、第二垫片11以及用于和探头4的外螺纹配合的第一螺母16；第一垫片10和第二垫片11分别设于支架15的两侧，且第一垫片10卡设于杯体9内，探头4的第一端依次穿过支架15和杯体9并固定于第一垫片10内，第二垫片11和第一螺母16自探头4的第二端顺次套接于探头4的外围，且第一螺母16与探头4的外螺纹进行螺纹连接。第一引线19通过线耳与探头4的第二端连接，具体为将线耳套接在柱状探头4的外围，再利用第二螺母17套接于探头4上以固定线耳。
本实施例中，探头4为金属探头，共有六个，如图1所示分别为1#、2#、3#、4#、5#和6#；杯体9为金属杯；第一垫片10和第二垫片11均为陶瓷垫；旋转开关6为多通道的旋转开关；封接法兰5为陶瓷封接法兰。
本实施例中，多个探头4在支架15上呈竖向排列，因此该测量装置能够检测到垂直方向一条线上的离子束均匀性。除此之外，该测量装置还包括可横向移动的载台，且载台的下方设有与载台的移动路径相对应的刻度尺，支架15设于载台上，所以支架15可带动多个探头4在横向上进行移动测量，从而能得到整个刻蚀区域(离子源束流区域)面上的离子束均匀性，其可以由以下两种方式实现：
第一种：载台连接有用于驱动载台横向移动的手轮；在离子束的有效刻蚀区域内，横向(水平方向)上每次通过手轮移动载台至固定距离，人视线可以方便地通过真空腔室侧壁13上开设的视孔观察载台每次移动的位移，并通过刻度尺记录刻度，同时通过电流表8(可优选数字电流表)记录该刻蚀区域的横向上每一位置的电流值，根据位移绘制该离子束有效刻蚀区域内的电流值变化；
第二种：离子源束流均匀性测量装置还包括用于驱动载台横向移动的驱动机构，驱动机构包括滚珠丝杠21和与滚珠丝杠21传动连接的电机(可选择步进电机或伺服电机)，载台通过螺母座与所述滚珠丝杠21的螺母连接；在离子束有效刻蚀区域内，滚珠丝杠21带动支架15在横向上移动(如图3所示)，以在横向上进行离子束均匀性的测量，滚珠丝杠21由步进电机或伺服电机驱动，能够更精确地控制横向上的移动量，以进行横向上离子束均匀性的测量。
另外，探头4还可与电流表8一一对应连接(此时缺省了旋转开关6)，即每个探头4的第二端依次通过对应的电极14和第二引线20与对应的电流表8的输入端直接连接。由此，通过多个电流表，可以自动记录同一时刻多个不同位置上的电流值变化，即可以检测有效刻蚀区域内同一时刻不同位置上的离子束的均匀性状况。由此本装置不仅可以表征不同位置在同一时间上的离子束差异，同时可以表征同一位置在不同时间上的离子束差异，据此可以自动绘制曲线，直观地观察水平方向和竖直方向上离子束均匀性的变化趋势。
本实施例的离子源束流均匀性测量装置，原理是：离子源通过栅网加速可产生大量带有正电的离子，在刻蚀的有效区域内放置可以接收到这种正离子的金属探头，由于电流形成的原理是通过单位截面积的电荷的数量，如果提供一个通畅的回路，电荷就能够以金属探头及引线作为媒介进行传导，在这个回路上增加一个能够测量电流的电流表，则可以显示出回路上的电流值及电流变化。限流电阻可根据情况增加，在这个回路上增加可以选择多通道的旋转开关，则可以表征出每个探头上接收到的电荷数量。记录电流表数值则可以表征固定点的束流的能量，分别记录不同位置点每一时刻的数值则可以得到束流的均匀性情况。
综上所述，本实施例的离子源束流均匀性测量装置，设置了栅网、探头和电流表。工作时，离子源通过栅网加速可产生大量带有正电的离子，在刻蚀的有效区域(离子源束流的区域)内探头接收这种正离子，并与电流表形成一个通畅的回路，电流表可以显示出该回路上的电流值及电流变化；记录电流表数值可以表征固定点的束流的能量，分别记录不同点每一时刻的数值则可以得到束流的均匀性情况。本测量装置结构简单，成本低廉，操作方便，大大减少了测量均匀性所需要的时间，节省了操作人员的时间及精力成本。本实施例在上述的回路上增加可以选择多通道的旋转开关，利用旋转开关分别切换不同探头与同一电流表之间的连接，则进一步便于表征出每个探头在不同时间上接收到的电荷数量。
本实施例的多个探头可纵向固定排列，此时该测量装置能够检测到垂直方向一条线上的离子束均匀性；本实施例的多个探头和支架还可跟随滚珠丝杠在有效刻蚀区域内进行横向移动，则可以动态精确测量整个有效刻蚀区域内的离子束均匀性状况。同时，探头还可与电流表一一对应连接(此时缺省了旋转开关)，即每个探头的第二端依次通过对应的电极和第二引线与对应的电流表的输入端直接连接。由此，通过多个电流表，可以自动记录同一时刻多个不同位置上的电流值变化，即可以检测有效刻蚀区域内同一时刻不同位置上的离子束的均匀性状况。
因此，本测量装置放置在离子源束流的区域内，能够对其所发出的束流能量进行检测，不仅可以表征不同位置点之间的差异，同时可以表征出同一点不同时间上的差异，即能够测量离子源束流区域内的均匀性状况。
综上所述，本测量装置可以实时表征被测点(或区域内)的离子束能量，同时可以检测整个区域内的离子束均匀性状况；而且不必使用高精度的台阶仪等昂贵设备测量样品，能够通过简单电路实现精确测量；进一步减少了测量均匀性所需要的时间，进一步节约了人工成本。真空腔室内可不放样片，从而避免了多次测量不准确而造成的大量废片。
本发明的实施例是为了示例和描述而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种离子源束流均匀性测量装置，包括离子源和栅网，所述栅网设于所述离子源的离子出口，以从所述离子源内吸引出离子并形成离子源束流，其特征在于，还包括支架、电流表和多个安装于所述支架上的探头，多个所述探头均位于所述离子源束流的区域内，所述探头的第一端用于接收所述离子源发出的正离子，所述探头的第二端与所述电流表的输入端连接，所述电流表的输出端接地；
多个所述探头竖向排列于所述支架上；
还包括可横向移动的载台，且所述载台的下方设有与所述载台的移动路径相对应的刻度尺，所述支架设于所述载台上。
2.根据权利要求1所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，还包括旋转开关，所述探头的第二端与所述旋转开关的输入端连接，所述旋转开关的输出端与所述电流表的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，还包括真空腔室和带有多个电极的进出线装置，所述进出线装置设于所述真空腔室侧壁上，所述离子源和支架均设于所述真空腔室内，所述旋转开关和电流表均位于所述真空腔室的外部，所述探头与所述电极一一对应，所述探头的第二端与对应的电极的一端通过第一引线连接，所述电极的另一端通过第二引线与所述旋转开关的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，所述第一引线通过线耳与所述探头的第二端连接。
5.根据权利要求3所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，所述进出线装置为封接法兰。
6.根据权利要求2所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，还包括电阻，所述旋转开关的输出端通过所述电阻与所述电流表的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，所述探头呈柱状，且设有外螺纹，所述探头通过安装件安装于所述支架上，所述安装件包括杯体、第一垫片、第二垫片以及用于和所述探头的外螺纹配合的第一螺母，所述第一垫片和第二垫片分别设于所述支架的两侧，且所述第一垫片卡设于所述杯体内，所述探头的第一端依次穿过所述支架和杯体并固定于所述第一垫片内，所述第二垫片和第一螺母自所述探头的第二端顺次套接于所述探头的外围，且所述第一螺母与所述探头的外螺纹进行螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，所述载台连接有用于驱动载台横向移动的手轮。
9.根据权利要求1所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，还包括用于驱动所述载台横向移动的驱动机构，所述驱动机构包括滚珠丝杠和与所述滚珠丝杠传动连接的电机，所述载台通过螺母座与所述滚珠丝杠的螺母连接。
10.根据权利要求1所述的离子源束流均匀性测量装置，其特征在于，所述探头与电流表一一对应，每个所述探头的第二端均与对应的电流表的输入端连接。
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