CN108419352A - 一种等离子体中负离子密度测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体中负离子密度测量系统和方法，系统包括真空室；所述真空室底板或所述真空室盖板通过直线驱动部件密封连接有陶瓷杆，所述陶瓷杆内设有微波探针；第一石英玻璃窗或第二石英玻璃窗的外侧设有激光器，激光器发射出的激光能够透过第一石英玻璃窗和第二石英玻璃窗并与微波探针的探针尖相交，激光器发射出的激光能够对穿透区域内的负离子进行全剥离。方法包括S1：向真空室内通入电负性工作气体，并使电负性工作气体产生电负性等离子体；S2：开启网络分析仪，测量电负性等离子体中的电子密度n_e0；S3：打开激光器，测量电子密度n_e1；电负性等离子体中的负离子密度n^‑即为n_e1‑n_e0。本发明能够实现准确测量等离子体中的负离子密度。

Description

一种等离子体中负离子密度测量系统和方法

技术领域

本发明涉及等离子体设备技术领域，特别是涉及一种等离子体中负离子密度测量系统和方法。

背景技术

在微电子半导体工业中，用于制造半导体器件的主要材料有SiO₂，Si等。针对这些不同材料的基材，等离子体刻蚀机内应用的化学反应气体成份也各不相同，但是主要成份是氟化物和氯化物两种，如CF₄、C₄F₈、Cl₂，SF₆等气体及与其它气体的混合气。而氯化物和氟化物气体是电负性气体，其产生的等离子体中含有大量的负离子。负离子密度的在线监测，有助于控制刻蚀工艺过程，因此对负离子密度的精确测量是一个非常必要的环节。

对于等离子体中的负离子密度(如CF₄放电等离子体中的F^-，O₂放电等离子体中O^-等)，常规的测量方法就是采用Langmuir单探针配合激光光致解离负离子的方法进行测量。其测量原理是：在未开启激光光致解离负离子之前，先用Langmuir单探针测量等离子体中的电子密度以及饱和电子电流；然后开启激光光致解离负离子，同时使用Langmuir单探针测量等离子体中的电子密度以及饱和电子电流；最后将激光开启前后的Langmuir探针测量的电子密度进行相减，就能计算出负离子密度。然而在这种测量负离子密度的方法中，假设的是Langmuir单探针测量电负性气体(放电能够产生负离子的气体，如CF₄，SF₆，O₂等)放电等离子体中的电子密度是准确的。但是在使用Langmuir单探针测量电负性气体放电等离子体时，其电子密度已经不准确了，因为在扫描伏安特性曲线时，饱和电子电流已经包含了电子电流和负离子电流，如图2所示。根据Langmuir单探针测量的伏安特性曲线计算电子密度过程如下：

首先根据伏安特性曲线过渡区计算电子温度T_e：

其中：I_e是探针电流；V_probe是探针电压；e是元电荷电量；k_B是玻尔兹曼常数。

然后根据伏安特性曲线饱和电子流计算电子密度n_e：

其中m_e是电子质量；A是探针尖的表面积。

因此，根据含有负离子电流的饱和电子电流计算的电子密度是偏高的。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子体中负离子密度测量系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，使等离子体中的负离子密度能够被准确测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种等离子体中负离子密度测量系统，包括包括真空室底板、真空室盖板、第一石英玻璃窗和第二石英玻璃窗，所述真空室底板、所述真空室盖板、所述第一石英玻璃窗和所述第二石英玻璃窗密封连接构成真空室；所述真空室底板或所述真空室盖板上设有中空法兰，所述中空法兰密封连接有直线驱动部件，所述直线驱动部件的尾端密封连接有陶瓷杆，所述陶瓷杆内设有微波探针，所述微波探针的一端位于所述真空室内，所述微波探针的另一端与网络分析仪电连接；所述第一石英玻璃窗或第二石英玻璃窗的外侧设有激光器，所述激光器发射出的激光能够透过所述第一石英玻璃窗和第二石英玻璃窗并与所述微波探针的探针尖相交，所述激光器发射出的激光能够对穿透区域内的负离子进行全剥离。

优选地，所述激光器设置在一升降平台上。

优选地，所述升降平台上还设有一光学透镜，所述光学透镜设置在所述激光器与所述第一石英玻璃窗或所述第二石英玻璃窗之间。

优选地，还包括架台，所述真空室底板和所述升降平台均设置在所述架台上，所述架台的底部设有万向轮。

优选地，所述微波探针的探针尖与所述激光器产生的激光等高且能够同步上下移动。

优选地，所述激光器为YAG激光器。

优选地，所述微波探针为发夹探针。

本发明还提供了一种等离子体中负离子密度测量方法，包括如下步骤：

S1：向真空室内通入电负性工作气体，并采用与通入的电负性工作气体相应的产生等离子体的方法使电负性工作气体产生电负性等离子体；

S2：开启网络分析仪，保持激光器关闭，采用网络分析仪和微波探针测量电负性等离子体中的电子密度n_e0；

S3：打开激光器，并保持网络分析仪开启，采用网络分析仪和微波探针测量电子密度n_e1；电负性等离子体中的负离子密度n^-可通过公式n^-＝n_e1-n_e0求得。

优选地，还包括如下步骤：

S4：同时上下移动微波探针和激光器，并循环进行步骤S2和S3，测出真空室沿Z轴方向不同高度处的负离子密度，得到真空室中Z轴方向上负离子密度的空间分布情况。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明通过利用微波探针和激光器来进行等离子体中负离子密度的测量，因微波探针是以微波共振为基础的微波探针，相对于传统的采用Langmuir单探针配合激光光致解离负离子的方法进行测量而言，本申请并不是根据含有负离子电流的饱和电子电流来计算负离子密度，消除了饱和电子电流对负离子密度的影响，提高了检测精度。此外，本申请的微波探针和激光器可以同时上下移动，还能够把真空室中Z轴方向上负离子密度的空间分布测量出来。

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为本发明等离子体中负离子密度测量系统的结构示意图；

图2为Langmuir单探针测量的伏安特性曲线；

其中：1-架台，2-直线驱动部件，3-陶瓷杆，4-微波探针，5-真空室，6-第一石英玻璃窗，7-法兰，8-真空室盖板，9-第二石英玻璃窗，10-光学透镜，11-激光器，12-升降平台，13-真空室底板。

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种等离子体中负离子密度测量系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，使等离子体中的负离子密度能够被准确测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示：本实施例提供了一种等离子体中负离子密度测量系统，包括真空室底板13、真空室盖板8、第一石英玻璃窗6和第二石英玻璃窗9，所述真空室底板13、所述真空室盖板8、所述第一石英玻璃窗6和所述第二石英玻璃窗9密封连接构成真空室5。真空室底板13和真空室盖板8上设有法兰7，以便于通入电负性气体或者抽真空。

所述真空室底板13或所述真空室盖板8连接有陶瓷杆3，优选地，所述真空室底板13上设有中空法兰，所述中空法兰密封连接有直线驱动部件2，所述直线驱动部件2的尾端密封连接有陶瓷杆3，所述陶瓷杆3通过所述直线驱动部件2与所述真空室底板13连接。所述陶瓷杆3内设有微波探针4，所述微波探针4优选为发夹探针，发夹探针是一种以微波共振为基础的微波探针4，由于其结构酷似发夹而得名。真空室底板13、陶瓷杆3及微波探针4之间需密封，以保证真空室5的真空度。所述微波探针4的一端位于所述真空室5内，另一端通过电缆与网络分析仪电连接。陶瓷杆3及微波探针4可在直线驱动部件2的驱动下上下移动，直线驱动部件2可选为直线导轨等。

第二石英玻璃窗9的外侧设有激光器11，所述激光器11优选为YAG激光器。所述激光器11设置在一升降平台12上，所述激光器11产生的激光与所述微波探针4的探针尖等高且能够与微波探针4同步上下移动。所述升降平台12上还设有一光学透镜10，所述光学透镜10设置在所述激光器11与所述第二石英玻璃窗9之间。所述激光器11发射出的激光能够透过光学透镜10、第二石英玻璃窗9并与所述微波探针4的探针尖相交，且YAG激光器输出激光的功率需足够大，以使所述激光器11发射出的激光能够对穿透区域内的负离子进行全剥离(激光通过后这个区域内没有负离子存在)为准。

本实施例还可包括架台1，所述真空室底板13和所述升降平台12均可设置在所述架台1上，且所述架台1的底部可设有万向轮，以便于移动。

本实施例还提供了一种等离子体中负离子密度测量方法，包括如下步骤：

S1：向真空室5内通入电负性工作气体，并采用与通入的电负性工作气体相应的产生等离子体的方法(如射频感性耦合放电或射频容性耦合放电以及微波放电等)使电负性工作气体产生电负性等离子体；

S2：开启网络分析仪，保持激光器11关闭，采用网络分析仪和微波探针4测量电负性等离子体中的电子密度n_e0；

S3：打开激光器11，并保持网络分析仪开启，采用网络分析仪和微波探针4测量电子密度n_e1；电负性等离子体中的负离子密度n^-可通过下式求得；

n^-＝n_e1-n_e0

S4：同时上下移动微波探针4和激光器11，并循环进行步骤S2和S3，测出真空室5沿Z轴方向不同高度处的负离子密度，得到真空室5中Z轴方向上负离子密度的空间分布情况。

本实施例通过利用微波探针4和激光器11来进行等离子体中负离子密度的测量，因微波探针4是以微波共振为基础的微波探针4，相对于传统的采用Langmuir单探针配合激光光致解离负离子的方法进行测量而言，本申请并不是根据含有负离子电流的饱和电子电流来计算负离子密度，消除了饱和电子电流对负离子密度的影响，提高了检测精度。

微波探针4借助网络分析仪提供的微波信号，在等离子体中，电子振荡频率处于微波波段，当外界提供的微波信号满足一定条件时，就会与电子相互作用产生共振，通过接收的微波信号就可以获得电子的相关信息，进而可计算得出其电子密度。计算公式如下：

其中：n_e为负离子密度，f₁为等离子体中的电子在特定的电子密度下与微波探针4的共振频率，f₀为微波探针4在真空环境下的微波共振频率，f₁和f₀的单位都为GHz。

通过激光器11发射出激光对穿透区域内的负离子进行全剥离，即激光通过后这个区域内没有负离子存在，通过检测激光发射前后的电子密度，其差值即为负离子密度。

此外，本实施例的微波探针4和激光器11可以同时上下移动，还能够把真空室5中Z轴方向上负离子密度的空间分布测量出来。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：包括真空室底板、真空室盖板、第一石英玻璃窗和第二石英玻璃窗，所述真空室底板、所述真空室盖板、所述第一石英玻璃窗和所述第二石英玻璃窗密封连接构成真空室；所述真空室底板或所述真空室盖板上设有中空法兰，所述中空法兰密封连接有直线驱动部件，所述直线驱动部件的尾端密封连接有陶瓷杆，所述陶瓷杆内设有微波探针，所述微波探针的一端位于所述真空室内，所述微波探针的另一端与网络分析仪电连接；所述第一石英玻璃窗或第二石英玻璃窗的外侧设有激光器，所述激光器发射出的激光能够透过所述第一石英玻璃窗和第二石英玻璃窗并与所述微波探针的探针尖相交，所述激光器发射出的激光能够对穿透区域内的负离子进行全剥离。

2.根据权利要求1所述的等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：所述激光器设置在一升降平台上。

3.根据权利要求2所述的等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：所述升降平台上还设有一光学透镜，所述光学透镜设置在所述激光器与所述第一石英玻璃窗或所述第二石英玻璃窗之间。

4.根据权利要求2或3所述的等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：还包括架台，所述真空室底板和所述升降平台均设置在所述架台上，所述架台的底部设有万向轮。

5.根据权利要求2或3所述的等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：所述微波探针的探针尖与所述激光器产生的激光等高且能够同步上下移动。

6.根据权利要求1所述的等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：所述激光器为YAG激光器。

7.根据权利要求1所述的等离子体中负离子密度测量系统，其特征在于：所述微波探针为发夹探针。

8.一种等离子体中负离子密度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：向真空室内通入电负性工作气体，并采用与通入的电负性工作气体相应的产生等离子体的方法使电负性工作气体产生电负性等离子体；

S2：开启网络分析仪，保持激光器关闭，采用网络分析仪和微波探针测量电负性等离子体中的电子密度n_e0；

S3：打开激光器，并保持网络分析仪开启，采用网络分析仪和微波探针测量电子密度n_e1；电负性等离子体中的负离子密度n^-可通过公式n^-＝n_e1-n_e0求得。

9.根据权利要求8所述的等离子体中负离子密度测量方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S4：同时上下移动微波探针和激光器，并循环进行步骤S2和S3，测出真空室沿Z轴方向不同高度处的负离子密度，得到真空室中Z轴方向上负离子密度的空间分布情况。