CZ307505B6 - A method of measuring the impedance of the deposited layer in the discharge plasma using and a device for performing this method - Google Patents
A method of measuring the impedance of the deposited layer in the discharge plasma using and a device for performing this method Download PDFInfo
- Publication number
- CZ307505B6 CZ307505B6 CZ2017-613A CZ2017613A CZ307505B6 CZ 307505 B6 CZ307505 B6 CZ 307505B6 CZ 2017613 A CZ2017613 A CZ 2017613A CZ 307505 B6 CZ307505 B6 CZ 307505B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- probes
- probe
- impedance
- plasma
- deposited layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 108
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 51
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 19
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 13
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000012552 review Methods 0.000 description 3
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 241001432959 Chernes Species 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Způsob měření impedance deponované vrstvy ve výbojovém plazmatu a zařízení k provádění tohoto způsobuA method for measuring the impedance of a deposited layer in a discharge plasma and an apparatus for carrying out this method
Oblast technikyField of technology
Vynález spadá do oblasti měření parametrů nízkotlakého plazmatu, které se používá pro různé aplikace, jako je plazmatická depozice tenkých vrstev, plazmové leptání, plazmové iontové zdroje atd., a týká se způsobu měření impedance deponované vrstvy ve výbojovém plazmatu a zařízení k provádění tohoto způsobu.The present invention is in the field of measuring low pressure plasma parameters used for various applications such as plasma thin film deposition, plasma etching, plasma ion sources, etc., and relates to a method for measuring the impedance of a deposited layer in a discharge plasma and an apparatus for carrying out the method.
Dosavadní stav technikyPrior art
V současné době existuje celá řada metod a zařízení pro měření parametrů výbojového plazmatu přímo při technologickém procesu, jako je plazmatické nanášení tenkých vrstev, úprava povrchů a plazmové leptání. Tato zařízení umožňují analyzovat při procesu buď vlastní plazma, nebo tenkou vrstvu přímo při růstu. Jako základní metoda pro měření parametrů plazmatu při technologickém procesu jsou používány různé modifikace Langmuirovské sondy, a to buď jednosondové popsané ve stati: V. I. Demidov, S. V. Ratynskaia, and K. Rypdal, Electric Probes for Plasmas: The Link Between Theory and Instrument, Review of Scientific Instruments 73, 3409 (2002), nebo dvousondové popsané ve stati: E. O. Johnson and L. Matter, A Floating Double Probe Method for Measurements in Gas Discharges, Physical Review 80 (1950) 58-68. Tyto metody jsou používané v mnoha uspořádáních vhodných pro technologické plazma. To zahrnuje například vyhřívanou sondu popsanou ve stati: P. Adámek, J. Kalčík, M. Šleha, M. Tichý, H. Biederman, L. Soukup, L. Jastrabík, Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 49 (1999), 16851701, která díky ohřevu povrchu sondy zajistí její čistý povrch při měření. Další uspořádání využívají rychlé měření sondových charakteristik tj. s takovou rychlostí měření než se sonda stihne pokrýt tenkou vrstvou a dojde k ovlivnění měření. Na tomto principu fungují i časově rozlišené sondové systémy popsaných ve statích: P Adámek, M. Čada, Z. Hubička, L. Jastrabík, Š. Kment, J. Olejníček, Způsob synchronizace měření pro sondovou diagnostiku plazmatu a měřicí systém k provádění tohoto způsobu, patent CZ 304249; a dále: P. Adámek, M. Čada, Z. Hubička, L. Jastrabík, Š. Kment, J. Olejníček, Zařízeni pro umožnění diagnostiky plazmatu s vyloučením měřeni narušených nestabilitami a přechodovými jevy v plazmatu, užitný vzor CZ 29928; které umožňují analyzovat nestacionární a časově nestabilní plazma. Z důvodu pokrývání povrchu sondy dielektrickou vrstvou v některých nanášecích procesech byly použity metody a zařízení na bázi vysokofrekvenčních metod diagnostiky plazmatu. Tyto metody zahrnují různá měření vysokofrekvenčních impedancí plazmatu popsaných ve statích: M. A. Sobolewski, Monitoring Sheath Voltages and Ion Energies in HighMensity Plasmas using Noninvasive Radio-frequency Current and Voltage Measurements, Journal of Applied Physics 95, 4593 (2004); a dále: Hopkins M, 2000, Patent US 6061006. Používány jsou jak vektorové, tak skalární vysokofrekvenční měřicí metody. Dále jsou používána vysokofrekvenční měření iontových toků na sondu v případě jejího pokrytí dielektrickou nebo polovodivou tenkou vrstvou. Jedna základní metoda měření iontového toku na substrát v depozičním plazmatu je popsaná ve stati: N. St. J. Braithwait, J. P Boothy and G. Cunge, Plasma Sources Sci. Technol. 5 (1996) 677-684; a využívá modulovaného RF napětí aplikovaného na substrát, kdy je měřen vybíjecí proud tvořený dopadem iontů na sondu v době modulační pauzy. Tato metoda v některých modifikacích diskutuje vliv deponované vrstvy na substrátu a jejích izolačních vlastností na přesnost měření, nicméně tyto metody nejsou schopny určit impedanci deponované vrstvy přímo z těchto měření. Další metoda měření vysokofrekvenčních impedancí plazmatu a toku iontů na různě pokrytou sondu tenkou vrstvou je popsána ve statích: M. A. Sobolewski, Appl. Phys. Letí. 72, 1146 (1998). Tyto metody využívají měření průběhu vysokofrekvenčních napětí a proudů a jejich fázového rozdílu různými digitálními záznamníky signálů či digitálními osciloskopy. Bylo nalezeno několik postupů, jak z těchto průběhů signálů určit iontový tok na sondu případně impedanci plazmatu. Tyto postupy jsou dále popsány ve statích: M. A. Sobolewski, Phys. Rev. E 59, 1059Currently, there are a number of methods and devices for measuring discharge plasma parameters directly in the technological process, such as plasma deposition of thin layers, surface treatment and plasma etching. These devices make it possible to analyze either the plasma itself or a thin layer directly during growth during the process. As a basic method for measuring plasma parameters in the technological process, various modifications of the Langmuir probe are used, either single-probe described in the article: VI Demidov, SV Ratynskaia, and K. Rypdal, Electric Probes for Plasmas: The Link Between Theory and Instrument, Review of Scientific Instruments 73, 3409 (2002), or two-probe described in EO Johnson and L. Matter, A Floating Double Probe Method for Measurements in Gas Discharges, Physical Review 80 (1950) 58-68. These methods are used in many configurations suitable for process plasma. This includes, for example, the heated probe described in the article: P. Adámek, J. Kalčík, M. Šleha, M. Tichý, H. Biederman, L. Soukup, L. Jastrabík, Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 49 (1999), 16851701, which, thanks to the heating of the probe surface, ensures its clean surface during measurement. Other arrangements use fast measurement of the probe characteristics, ie with such a measurement speed before the probe manages to cover with a thin layer and the measurement is affected. The time-resolved probe systems described in the following articles also work on this principle: P Adámek, M. Čada, Z. Hubička, L. Jastrabík, Š. Kment, J. Olejníček, Method of measurement synchronization for plasma plasma diagnostics and measuring system for performing this method , patent CZ 304249; and further: P. Adámek, M. Čada, Z. Hubička, L. Jastrabík, Š. Kment, J. Olejníček, Device for enabling plasma diagnostics with the exclusion of measurements disturbed by instabilities and transients in plasma, utility model CZ 29928; which allow the analysis of non-stationary and time-unstable plasma. In order to cover the surface of the probe with a dielectric layer, methods and devices based on high-frequency plasma diagnostic methods have been used in some deposition processes. These methods include various measurements of high frequency plasma impedances described in the following articles: M. A. Sobolewski, Monitoring Sheath Voltages and Ion Energies in HighMensity Plasmas using Noninvasive Radio-Frequency Current and Voltage Measurements, Journal of Applied Physics 95, 4593 (2004); and further: Hopkins M, 2000, U.S. Patent 6,061,006. Both vector and scalar high frequency measurement methods are used. Furthermore, high-frequency measurements of ion fluxes per probe are used in the case of its coverage by a dielectric or semiconducting thin layer. One basic method of measuring ion flux to a substrate in a deposition plasma is described in the article: N. St. J. Braithwait, J. P Boothy and G. Cunge, Plasma Sources Sci. Technol. 5 (1996) 677-684; and uses a modulated RF voltage applied to the substrate to measure the discharge current generated by the impact of ions on the probe at the time of the modulation pause. In some modifications, this method discusses the effect of the deposited layer on the substrate and its insulating properties on the measurement accuracy, however, these methods are not able to determine the impedance of the deposited layer directly from these measurements. Another method of measuring high-frequency plasma impedances and ion flux on a differently coated thin-film probe is described in the following articles: M. A. Sobolewski, Appl. Phys. He's flying. 72, 1146 (1998). These methods use the measurement of the course of high-frequency voltages and currents and their phase difference by various digital signal recorders or digital oscilloscopes. Several methods have been found to determine the ionic flux to the probe or the plasma impedance from these signal waveforms. These procedures are further described in the following articles: M. A. Sobolewski, Phys. Roar. E 59, 1059
- 1 CZ 307505 B6 (1999). I v těchto případech je vliv impedance deponované vrstvy v některých uvedených statích diskutován ve vztahu k přesnosti určení impedance plazmatu, nicméně o určení impedance vlastní deponované vrstvy a velikosti její reálné a imaginární části z těchto měření přímo při depozičním procesu v plazmatu se dosud v žádných případech a statích nehovoří.- 1 CZ 307505 B6 (1999). Even in these cases, the influence of the impedance of the deposited layer in some of the mentioned articles is discussed in relation to the accuracy of plasma impedance determination, however, the impedance of the deposited layer itself and the size of its real and imaginary part from these measurements directly during the plasma deposition process and the articles do not speak.
Střídavé a vysokofrekvenční impedance polovodivých a dielektrických tenkých vrstev deponovaných na vodivém substrátu jsou standardně měřeny metodou impedanční spektroskopie. Tenké vrstvy deponované na vodivém substrátu jsou vkládány do kapalných či pevných elektrolytů aje měřena jejich impedance v širokém rozsahu frekvencí. V tomto případě je měřena souhrnná impedance soustavy tenká vrstva+elektrolyt. Jelikož je tato impedance měřena v širokém rozsahu frekvencí, lze sestrojit tak zvané Nyquistovy grafy, kde je zachycena závislost reálné a imaginární části měřené celkové impedance na frekvenci. Z charakteru těchto Nyquistových grafů a znalosti modelu jednotlivých impedancí v systému lze od sebe oddělit impedance jednotlivých částí, a tak určit impedanci tenké vrstvy nebo impedanci blízko povrchu tenké vrstvy (v případě polovodivých vrstev tzv. Schottkyho bariéry atd.). Impedanční spektroskopie tenkých vrstev v kapalných a pevných elektrolytech byla popsána ve statích: I. M. Hodge, M. D. Ingram and A. R. West, Impedance and Modulus Spectroscopy of Polyctystalline Solid Electrolytes, J. Electroanal. Chern., 74 (1976) 125-143; a dále: D. Armstrong, M. F. Bell, and A. A. Metcalfe, The AC Impedance of Complex Electrochemical Reactions, Electrochemistry, Chemical Society Specialist Periodical Reports 6, (1978) 98-127. Tato impedanční spektroskopická měření byla dosud prováděna pouze v kapalných nebo pevných elektrolytech, ale nikdy v plynném výbojovém plazmatu. Tato měření by byla totiž v klasické konfiguraci ve výbojovém plazmatu značně obtížná díky silné nelineární volt-ampérové charakteristice stěnové vrstvy prostorového náboje kolem měřené elektrody s tenkou vrstvou. Je dobře známo, že voltampérové charakteristiky planámí sondy ve výbojovém plazmatu mají značně nelineární charakter, což je podrobně popsáno například ve stati: V. L Demidov, S. V. Ratynskaia, and K. Rypdal, Electric Probes for Plasmas: The Link Between Theory and Instrument, Review of Scientific Instruments 73, 3409 (2002) Pokud by bylo přivedeno RF napětí na sondu kolem Uf] (plovoucí potenciál), díky nelineárnímu charakteru charakteristiky by vznikaly zejména na měřeném proudu vyšší harmoniky, a to by komplikovalo stanovení a interpretaci měřených impedančních spekter.The alternating and high frequency impedances of semiconductor and dielectric thin films deposited on a conductive substrate are standardly measured by impedance spectroscopy. Thin layers deposited on a conductive substrate are embedded in liquid or solid electrolytes and their impedance is measured over a wide range of frequencies. In this case, the total impedance of the thin film + electrolyte system is measured. Since this impedance is measured in a wide range of frequencies, so-called Nyquist graphs can be constructed, where the dependence of the real and imaginary part of the measured total impedance on the frequency is captured. From the nature of these Nyquist graphs and the knowledge of the model of individual impedances in the system, it is possible to separate the impedances of individual parts, and thus determine the impedance of the thin layer or impedance near the surface of the thin layer Thin film impedance spectroscopy in liquid and solid electrolytes has been described in the following articles: I. M. Hodge, M. D. Ingram and A. R. West, Impedance and Modulus Spectroscopy of Polyctystalline Solid Electrolytes, J. Electroanal. Chern., 74 (1976) 125-143; and further: D. Armstrong, M. F. Bell, and A. A. Metcalfe, The AC Impedance of Complex Electrochemical Reactions, Electrochemistry, Chemical Society Specialist Periodical Reports 6, (1978) 98-127. These impedance spectroscopic measurements have so far been performed only in liquid or solid electrolytes, but never in gaseous discharge plasma. This is because these measurements would be quite difficult in the classical configuration in a discharge plasma due to the strong nonlinear volt-ampere characteristic of the wall layer of the spatial charge around the measured electrode with a thin layer. It is well known that the volt-ampere characteristics of a flame probe in a discharge plasma are highly non-linear, as described in detail in, for example, V. L Demidov, SV Ratynskaia, and K. Rypdal, Electric Probes for Plasmas: The Link Between Theory and Instrument. Review of Scientific Instruments 73, 3409 (2002) If an RF voltage were applied to the probe around Uf] (floating potential), due to the nonlinear nature of the characteristics, higher harmonics would arise mainly at the measured current, complicating the determination and interpretation of measured impedance spectra.
Úkolem předkládaného vynálezu je představit způsob měření impedance deponované vrstvy ve výbojovém plazmatu a zařízení k provádění tohoto způsobu, které umožňuje na základě měření průběhu napětí a proudu ve zvolených frekvencích a následného vyhodnocení impedančních spekter určit komplexní impedanci samostatné deponované vrstvy na povrchu planámí sondy.It is an object of the present invention to provide a method for measuring the impedance of a deposited layer in a discharge plasma and an apparatus for carrying out this method which allows to determine the complex impedance of a single deposited layer on a flame probe surface by measuring voltage and current at selected frequencies and subsequently evaluating impedance spectra.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je způsob měření impedance deponované vrstvy ve výbojovém plazmatu, které je generováno plazmovým depozičním zdrojem do prostoru nade dvěma identickými symetricky zrcadlově uspořádanými planárními sondami jednak pracujícími v blízkém okolí sondového napětí ¢/^=0 V a sondového proudu I^Q mA a jednak připojenými k signálovému generátoru, jehož pracovní frekvence nastavitelná v intervalu 1 Hz až 10 MHz je rozmítána přes transformátor. Podstata vynálezu spočívá v tom, že data obsahující časové průběhy sondového proudu (I) na planárních sondách, a sondového napětí (t/s) mezi planárními sondami zjištěná paralelně napojenými osciloskopickými sondami a proudovou sondou jsou přenášena do digitálního osciloskopu, z něhož jsou exportována do vyhodnocovacího a řídicího počítače, ve kterém jsou určovány amplitudy fU$o) a {lso\ jejich okamžitá frekvence (/) a jejich vzájemný fázový posuv z nichž je následně stanovována pro každou nastavenou frekvenci signálového generátoru komplexní impedance (Z) deponované vrstvy a její reálná část (ReZ) a imaginární část (ImZ).The stated object is achieved by the invention, which is a method of measuring the impedance of a deposited layer in a discharge plasma which is generated by a plasma deposition source into space above two identical symmetrically mirror-arranged planar probes operating in the immediate vicinity of probe voltage ¢ / ^ = 0 V and probe current I ^ Q mA and on the one hand connected to a signal generator, the operating frequency of which adjustable in the range of 1 Hz to 10 MHz is swept through a transformer. The essence of the invention lies in the fact that data containing time courses of probe current (I) on planar probes, and probe voltage (t / s ) between planar probes detected by parallel connected oscilloscope probes and current probe are transmitted to a digital oscilloscope, from which they are exported to evaluation and control computer, in which the amplitudes fU $ o) and {lso \ their instantaneous frequency (/) and their mutual phase shift are determined, from which the complex impedance (Z) of the deposited layer and its real phase are subsequently determined for each set frequency of the signal generator. part (ReZ) and imaginary part (ImZ).
-2CZ 307505 B6-2GB 307505 B6
Dále je podstatou vynálezu zařízení pro měření impedance deponované vrstvy ve výbojovém plazmatu, tvořené vakuovou komorou vybavenou alespoň čerpací jednotkou a depozičním zdrojem pro generování plazmatu, které je charakterizováno tím, že ve vnitřním prostoru vakuové komory je instalována nosná souprava vyrobená z dielektrického materiálu a uzpůsobená pro uložení dvou symetricky zrcadlově uspořádaných elektricky vodivých planámích sond, které jsou vyvedeny vně vakuové komory, kde jsou přes transformátor propojeny s uzemněným signálovým generátorem, přičemž před transformátorem je k vývodům planámích sond přes osciloskopické sondy připojen digitální osciloskop, propojený jednak s vyhodnocovacím a řídicím počítačem a jednak s proudovou sondou, která je osazena před transformátorem na jednom z vývodů planámích sond.The invention further relates to a device for measuring the impedance of a deposited layer in a discharge plasma, comprising a vacuum chamber equipped with at least a pumping unit and a deposition source for generating plasma, characterized in that a support set made of dielectric material is installed in the interior of the vacuum chamber; accommodating two symmetrically mirror-arranged electrically conductive flame probes, which are led out of the vacuum chamber, where they are connected via a transformer to a grounded signal generator, a digital oscilloscope connected to the evaluation and control computer connected to the flame probe terminals via oscilloscope probes. on the one hand with a current probe, which is mounted in front of the transformer on one of the outlets of the flame probes.
Ve výhodném provedení jsou vývody planámích sond vně vakuové komory opatřeny hlavními spínači, před nimiž je k vývodům přes dvojici oddělovacích spínačů a oddělovací kondenzátor paralelně připojen vysokofrekvenční generátor, přičemž planámí sondy jsou tvořeny dvojicí přilehlých půlkruhů.In a preferred embodiment, the terminals of the flame probes outside the vacuum chamber are provided with main switches, in front of which a high-frequency generator is connected in parallel to the terminals via a pair of isolating switches and a separating capacitor, the flame probes being formed by a pair of adjacent semicircles.
Předkládaným vynálezem se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že pomocí nového způsobu měření je možno během doby růstu tenké vrstvy v plazmatu určit a vyčlenit z celkové naměřené impedance v reálném čase samostatnou impedanci deponované vrstvy, tedy její reálnou a imaginární část, v závislosti na frekvenci a určit kapacitu Cv a paralelní odpor Ry deponované vrstvy. Oddělením impedance deponované vrstvy na sondách je možno získat také samostatnou impedanci vlastního výbojového plazmatu a z této impedance je dále možno získat informaci o hustotě výbojového plazmatu tedy koncentrace elektronů ne ve výbojovém plazmatu. Konstrukce zařízení je nová v tom, že využívá pro měření impedančních spekter v plazmatu dvojici identických rovinných sond v symetrickém zapojení, pracující v lineární oblasti jejich voltampérové charakteristiky v okolí sondového napětí Ud=0 V, přičemž rozmítaný signální generátor je připojen k dvojici sond přes oddělovací transformátor, který sníží vnitřní impedanci zdroje signálu a zároveň systém dvou sond galvanicky oddělí od země.The present invention achieves a new and higher effect in that a new measurement method can determine and separate from the total measured impedance in real time a separate impedance of the deposited layer, i.e. its real and imaginary part, depending on the growth time of the thin film layer. frequency and determine the capacitance C v and the parallel resistance R y of the deposited layer. By separating the impedance of the deposited layer on the probes, it is also possible to obtain a separate impedance of the discharge plasma itself, and from this impedance it is also possible to obtain information about the density of the discharge plasma, i.e. the electron concentration n e in the discharge plasma. The design of the device is new in that it uses a pair of identical planar probes in symmetrical connection to measure impedance spectra in plasma, operating in the linear region of their volt-ampere characteristic around the probe voltage U d = 0 V, the swept signal generator being connected to the pair of probes via isolating transformer, which reduces the internal impedance of the signal source and at the same time galvanically separates the system of two probes from the ground.
Objasnění výkresůExplanation of drawings
Konkrétní příklady provedení zařízení podle vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:Specific embodiments of the device according to the invention are schematically illustrated in the accompanying drawings, where:
obr. 1 je celkové blokové schéma zařízení pro měření impedance deponované vrstvy ve výbojovém plazmatu, obr. 2 je dílčí schéma vlastního impedančního spektrografu z obr. 1 se znázorněním nosné soupravy planámích sond při pootočení o 90°, obr. 3 je schéma impedančního modelu tenké vrstvy a plazmatu v dvousondovém symetrickém systému pro měření spektroskopie v plazmatu, obr. 4 je grafické znázornění impedančního spektra získaného v dvousondovém systému bez pokrytí sond tenkou vrstvou, obr. 5 je grafické znázornění impedančního spektra získaného v dvousondovém systému s tenkou vrstvou analogickou na obou sondách o kapacitě Cv = 10 pF a paralelním odporu Rv = 500 Ω, obr. 6 je grafické znázornění impedančního spektra získaného v dvousondovém systému s tenkou vrstvou analogickou na obou sondách o kapacitě Cv = 10 pF a paralelním odporu Rv = 50 kΩ a obr. 7 je grafické znázornění impedančního spektra získaného v dvousondovém systému s tenkou vrstvou analogickou na obou sondách o kapacitě Cv = 10 pF a paralelním odporu R., = 50 Ω.Fig. 1 is an overall block diagram of a device for measuring the impedance of a deposited layer in a discharge plasma, Fig. 2 is a partial diagram of the impedance spectrograph of Fig. 1 showing the support set of flame probes when rotated by 90 °, Fig. 3 is a diagram of a thin impedance model layer and plasma in a two-probe symmetric system for measuring plasma spectroscopy, Fig. 4 is a graphical representation of the impedance spectrum obtained in a two-probe system without thin film coverage of the probes, Fig. 5 is a graphical representation of the impedance spectrum obtained in a two-probe thin film system analogous to both probes with capacitance C v = 10 pF and parallel resistance R v = 500 Ω, Fig. 6 is a graphical representation of the impedance spectrum obtained in a two-probe system with a thin layer analogous to both probes with capacitance C v = 10 pF and parallel resistance R v = 50 kΩ and Fig. 7 is a graphical representation of the impedance spectrum obtained in a two-probe system with a thin layer analogous to both probes of capacity C v = 10 pF and parallel resistance R., = 50 Ω.
-3 CZ 307505 B6-3 CZ 307505 B6
Obrázky, které znázorňují schémata zařízení podle vynálezu a prokazují účinky jeho užívání, a následně popsané příklady konkrétních provedení zařízení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.The figures, which show diagrams of the device according to the invention and show the effects of its use, and the examples of specific embodiments of the device described below, do not in any way limit the scope of protection given in the definition,
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
Zařízení podle vynálezu je v základním provedení znázorněném na obr. 1 tvořeno vakuovou komorou 1, v jejímž vnitřním prostoru 101 je instalována nosná souprava 2, vyrobená z dielektrického materiálu a uzpůsobená pro uložení dvou symetricky zrcadlově uspořádaných elektricky vodivých planámích sond 3, na které je deponována tenká vrstva 4. Planámí sondy 3 jsou v příkladném optimálním provedení zobrazeném na obr. 2 vytvořeny ve tvaru přilehlých půlkruhů. Vakuová komora 1 je přes spojovací hrdlo 102 opatřené oddělovacím regulačním ventilem 103 standardně propojena s čerpací jednotkou 104. například vývěvou. V horní části je vakuová komora i vybavena depozičním zdrojem 105 pro generování plazmatu 5 a je opatřena dvěma průtokoměry 106 pro vpouštění pracovních plynů. Planámí sondy 3 jsou přes průchodky 107 vyvedeny vně vakuové komory 1, kde jsou přes hlavní spínače 6 a transformátor 7, snižující vnitřní impedanci zdroje signálu na zanedbatelnou hodnotu, propojeny s uzemněným signálovým generátorem 8. Před transformátorem 7 je vně vakuové komory 1 k vývodům planámích sond 3 přes osciloskopické sondy 9 připojen digitální osciloskop 10 propojený jednak s vyhodnocovacím a řídicím počítačem 11 a jednak s proudovou sondou 12, která je osazena před transformátorem 7 na jednom z vývodů planámích sond 3. Zařízení je dále vybaveno vysokofrekvenčním generátorem 13, který je přes dvojici oddělovacích spínačů 14 a oddělovací kondenzátor 15 paralelně připojen před hlavními spínači 6 na vývody planámích sond 3.The device according to the invention in the basic embodiment shown in Fig. 1 consists of a vacuum chamber 1, in the inner space 101 of which a support set 2 is installed, made of dielectric material and adapted to accommodate two symmetrically mirror-arranged electrically conductive flame probes 3, on which it is deposited. thin layer 4. The flame probes 3 are formed in the shape of adjacent semicircles in the exemplary optimal embodiment shown in FIG. The vacuum chamber 1 is connected to the pump unit 104, for example a pump, as standard via a connecting neck 102 provided with a separating control valve 103. In the upper part, the vacuum chamber 1 is equipped with a deposition source 105 for generating the plasma 5 and is provided with two flow meters 106 for admitting working gases. The flame probes 3 are led out of the vacuum chamber 1 via bushings 107, where they are connected to a grounded signal generator 8 via main switches 6 and a transformer 7, reducing the internal impedance of the signal source to a negligible value. digital oscilloscope 10 connected via oscilloscope probes 9 connected to the evaluation and control computer 11 and to the current probe 12, which is mounted in front of the transformer 7 on one of the terminals of the planar probes 3. The device is further equipped with a high-frequency generator 13. a pair of isolating switches 14 and an isolating capacitor 15 connected in parallel in front of the main switches 6 to the terminals of the flame probes 3.
Měření komplexní impedance Z celkového měřeného obvodu zařízení popsaného výše je prováděno v plazmatu 5, které je generováno plazmovým depozičním zdrojem 105 do prostoru nade dvěma identickými symetricky zrcadlově uspořádanými planámími sondami 3 pracujícími v blízkém okolí sondového napětí Ud=0 V a sondového proudu Id=0 mA, kde lze charakteristiku planámích sond 3 považovat za téměř lineární. Planámí sondy 3 jsou přes sepnuté hlavní spínače 6 připojeny k signálovému generátoru 8, jehož pracovní frekvence je rozmítána přes transformátor 7, který snižuje vnitřní impedanci zdroje signálu, tedy signálového generátoru 8 na zanedbatelnou hodnotu a galvanicky sondový obvod odděluje od země. Přes paralelně napojené osciloskopické sondy 9 a přes proudovou sondu 12 jsou vývody z planámích sond 3 připojeny k digitálnímu osciloskopu 10, z něhož jsou naměřená data exportována do vyhodnocovacího a řídicího počítače 11 k dalšímu programovému zpracování.The measurement of the complex impedance Z of the total measured circuit of the device described above is performed in plasma 5, which is generated by a plasma deposition source 105 into space above two identical symmetrically mirror-arranged planar probes 3 operating in close proximity to probe voltage U d = 0 V and probe current I d = 0 mA, where the characteristic of the flame probes 3 can be considered almost linear. The flame probes 3 are connected via closed main switches 6 to a signal generator 8, the operating frequency of which is swept via a transformer 7, which reduces the internal impedance of the signal source, i.e. the signal generator 8, to a negligible value and galvanically separates the probe circuit from ground. Via the oscilloscope probes 9 connected in parallel and via the current probe 12, the terminals from the planar probes 3 are connected to a digital oscilloscope 10, from which the measured data are exported to the evaluation and control computer 11 for further program processing.
Takto jsou do vyhodnocovacího a řídicího počítače 11 přenesena data obsahující časové průběhy sondového proudu / na planámích sondách 3, a sondového napětí U* mezi planárními sondami 3, jak je graficky znázorněno na obr. 3. Z průběhů těchto veličin lze pomocí vyhodnocovacího a řídicího počítače 11 určit ze sondového napětí Us a sondového proudu Is jejich amplitudy Uso a Iso, jejich okamžitou frekvenci/danou okamžitou frekvencí rozmítaného signálového generátoru 8 a dále jejich vzájemný fázový posuv q. Takto lze stanovit pro každou nastavenou frekvenci signálového generátoru 8 komplexní impedanci Z, která má reálnou část ReZ a imaginární část ImZ. Tyto veličiny lze určit z naměřených veličin na základě následujících vztahů:In this way, data containing the time courses of the probe current / on the planar probes 3 and the probe voltage U * between the planar probes 3 are transferred to the evaluation and control computer 11, as shown graphically in FIG. 3. From the waveforms of these quantities, the evaluation and control computer can be used. 11 determine from the probe voltage Us and the probe current Is their amplitudes Uso and Iso, their instantaneous frequency / given by the instantaneous frequency of the swept signal generator 8 and further their mutual phase shift q. In this way, for each set frequency of the signal generator 8, a complex impedance Z can be determined, which has a real part ReZ and an imaginary part ImZ. These quantities can be determined from the measured quantities on the basis of the following relations:
ReZ(f) = — cos<p = Z = ~ ψ (I) (II) (III)ReZ (f) = - cos <p = Z = ~ ψ (I) (II) (III)
Pokud se vynese do 2D grafu na vertikální osu ImZ a na horizontální osu ReZ pro všechny změřené frekvence dostaneme Nyquistův graf stanovené komplexní impedance Z, který je znázorněn na obr. 4 a obr. 5. Horní křivka přidaná v grafech je závislost okamžité frekvence/na ReZ. aby byl patrný vztah mezi vynesenou impedancí a frekvencí.If it is plotted in a 2D graph on the vertical axis ImZ and on the horizontal axis ReZ for all measured frequencies we get a Nyquist graph of the determined complex impedance Z, which is shown in Fig. 4 and Fig. 5. The upper curve added in the graphs is the dependence of instantaneous frequency / on Rust. to show the relationship between the plotted impedance and frequency.
-4CZ 307505 B6-4GB 307505 B6
Takto je možno určit komplexní impedanci Z celkového měřeného obvodu, která se skládá z impedance Zv deponované vrstvy a dále impedance Zp plazmatu, přičemž platí vztah:Thus, it is possible to determine the complex impedance Z of the total measured circuit, which consists of the impedance Z in the deposited layer and the impedance Zp of the plasma, where the relation holds:
Z = Zť+Zp Z = Z ť + Z p
Na obr. 3 je znázorněn vhodný impedanční model dvou měřicích planámích sond 3 vložených do plazmatu 5. Vodivé planámí sondy 3 se pokryjí tenkou vrstvou 4, jejíž impedanci Zv lze modelovat paralelním spojení kapacity Cv vrstvy a rezistoru Rv vrstvy. Vztah mez Zn Cv a Rv lze určit podle vztahu:Fig. 3 shows a suitable impedance model of two measuring plane probes 3 inserted in a plasma 5. The conductive plane probes 3 are covered with a thin layer 4, the impedance Z v of which can be modeled by a parallel connection of capacitance C in the layer and resistor R in the layer. The relationship between Z n C v and R v can be determined according to the relationship:
- = - + )2nfC» J 1 - = - +) 2nfC » J 1
Právě tyto veličiny, které charakterizují deponovanou vrstvu během jejího růstu, je možno určit pomocí nového způsobu měření na novém zařízení ze získaných impedančních spekter, jak je patrné z obr. 4 a obr. 5. Na obr. 4 je vidět impedanční spektrum sondového systém pouze s plazmatem 5 bez deponované tenké vrstvy 4. Na obr. 5 je vidět impedanční spektrum sondového systému v plazmatu 5 s tenkou vrstvou 4, jejíž impedanci Zv lze vyjádřit paralelním spojením kapacity Cv a Rv. Po srovnání obou případů z obr. 4 a obr. 5 lze identifikovat v grafu dva oddělené půlkruhy frekvenční závislosti impedance, kdy levý patří zjevně k impedanci Z,, plazmatu 5 a pravý k impedanci Zv tenké vrstvy 4. Pak lze ze spektra oddělit frekvenční závislost impedance Zv samotné tenké vrstvy (ReZv a ImZA podle modelu z obr. 3 a stanovit podle vztahu (V) Rv a Cv deponované vrstvy.It is these quantities that characterize the deposited layer during its growth, which can be determined by a new method of measurement on a new device from the obtained impedance spectra, as shown in Fig. 4 and Fig. 5. Fig. 4 shows the impedance spectrum of the probe system only with plasma 5 without deposited thin layer 4. Fig. 5 shows the impedance spectrum of the probe system in plasma 5 with thin layer 4, the impedance Z v of which can be expressed by a parallel connection of the capacitances C v and R v . After comparing the two cases from Fig. 4 and Fig. 5, two separate semicircles of impedance frequency dependence can be identified in the graph, where the left clearly belongs to the impedance Z, of the plasma 5 and the right to the impedance Z in the thin layer 4. The frequency can also be separated from the spectrum. the dependence of the impedance Z in the thin layer itself (ReZ v and ImZA according to the model of Fig. 3 and determine according to the relation (V) R v and C in the deposited layer.
Na obr. 5 je příklad impedančního spektra dvojice planámích sond 3 v plazmatu 5 při pokrytí tenkou vrstvou 4 s kapacitou Cv = 10 pF a paralelním odporem Rv = 500 W. Impedanci vlastní tenké vrstvy 4 pro různé frekvence lze z impedančního spektra jasně identifikovat podle patrné půlkružnice v pravé části grafu. Impedanční příspěvek plazmatu lze v principu určit měřením v počátku depozice, kdy dvojice planámích sond 3 ještě není pokryta tenkou vrstvou 4. Srovnáním obr. 4 a obr. 5 lze impedančnímu spektru vlastního plazmatu 5 přiřadit půlkružnici v levé části grafu. Situace tenké vrstvy 4 s C, = 10 pF a odporem Rv = 50 kQ, což je případ relativně bezeztrátového dielektrika, je zobrazena na obr. 6. Rapidní změna ImZ pro oblast nízkých frekvencí je charakteristická pro dielektrické vrstvy s nízkou vodivostí. Naopak na obr. 7 je vidět případ velmi vodivé vrstvy C„ = lOpF a Rv=50 W, kdy je impedance tenké vrstvy 4 identifikovatelná krátkou oblastí v pravé části grafu.Fig. 5 shows an example of the impedance spectrum of a pair of flame probes 3 in plasma 5 when covered by a thin layer 4 with capacitance C v = 10 pF and parallel resistance R v = 500 W. The impedance of the own thin layer 4 for different frequencies can be clearly identified from the impedance spectrum according to the visible semicircle in the right part of the graph. The plasma impedance contribution can in principle be determined by measuring at the beginning of the deposition, when the pair of flame probes 3 is not yet covered by the thin layer 4. By comparing Fig. 4 and Fig. 5, the impedance spectrum of the plasma itself 5 can be assigned a semicircle. The situation of the thin layer 4 with C, = 10 pF and the resistance R v = 50 kQ, which is the case of a relatively lossless dielectric, is shown in Fig. 6. The rapid change ImZ for the low frequency range is characteristic for dielectric layers with low conductivity. In contrast, Fig. 7 shows the case of a very conductive layer Cn = 10pF and R v = 50 W, where the impedance of the thin layer 4 is identifiable by a short area in the right part of the graph.
Za účelem možnosti vyčištění obou planámích sond 3 před měřením je měřicí obvod deaktivován a odpojen otevřením hlavních spínačů 6 a následným sepnutím pomocných spínačů 14. Tak jsou obě planámí sondy 3 připojeny přes oddělovací kondenzátor 15 k vysokofrekvenčnímu generátoru 13. Tento generátor 13 generuje okolo obou planámích sond 3 přídavný vysokofrekvenční výboj, který způsobí odprášení deponované tenké vrstvy 4 na obou planámích sondách 3.In order to be able to clean both flame probes 3 before measurement, the measuring circuit is deactivated and disconnected by opening the main switches 6 and then closing the auxiliary switches 14. Thus both flame probes 3 are connected via an isolating capacitor 15 to a high frequency generator 13. This generator 13 generates around both flames. probe 3 an additional high-frequency discharge which causes dedusting of the deposited thin layer 4 on both flame probes 3.
Popsaný příklad konstrukce zařízení není jeho jediným možným provedením, ale jak je patrné z obr. 2, nemusí být vlastní impedanční spektrograf vybaven v základní verzi dvojicemi hlavních spínačů 6 a pomocných spínačů 14, pomocí jejichž střídavého spínání a vypínání je umožněno deaktivovat měřicí obvod a připojením vysokofrekvenčního generátoru 13 zajistit pomocí přídavného vysokofrekvenčního výboje odprášit deponované vrstvy na obou planámích sondách 3.The described example of the device design is not its only possible embodiment, but as can be seen from Fig. 2, the basic impedance spectrograph does not have to be equipped in the basic version with pairs of main switches 6 and auxiliary switches 14. of the high-frequency generator 13 to ensure that the deposited layers on both flame probes 3 can be dedusted by means of an additional high-frequency discharge.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-613A CZ307505B6 (en) | 2017-10-04 | 2017-10-04 | A method of measuring the impedance of the deposited layer in the discharge plasma using and a device for performing this method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-613A CZ307505B6 (en) | 2017-10-04 | 2017-10-04 | A method of measuring the impedance of the deposited layer in the discharge plasma using and a device for performing this method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2017613A3 CZ2017613A3 (en) | 2018-10-24 |
| CZ307505B6 true CZ307505B6 (en) | 2018-10-24 |
Family
ID=63998830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2017-613A CZ307505B6 (en) | 2017-10-04 | 2017-10-04 | A method of measuring the impedance of the deposited layer in the discharge plasma using and a device for performing this method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ307505B6 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022117130A1 (en) | 2020-12-03 | 2022-06-09 | Univerzita Palackého v Olomouci | Device for deposition of dielectric optical thin films by the help of sputtering plasma sources and sources of energy ions |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002075332A1 (en) * | 2001-03-16 | 2002-09-26 | Tokyo Electron Limited | Impedance monitoring system and method |
| JP2006084313A (en) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Method and apparatus for inspecting surface |
| JP2009188352A (en) * | 2008-02-08 | 2009-08-20 | Ulvac Japan Ltd | Vacuum treatment apparatus |
| US20100258529A1 (en) * | 2008-07-02 | 2010-10-14 | Masahito Mori | Plasma Processing Apparatus and Plasma Processing Method |
| KR20120098255A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-05 | 성균관대학교산학협력단 | In-situ measurment apparatus for film thickness using impedance, in-situ measurment method therefor and recording medium of the same method |
-
2017
- 2017-10-04 CZ CZ2017-613A patent/CZ307505B6/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002075332A1 (en) * | 2001-03-16 | 2002-09-26 | Tokyo Electron Limited | Impedance monitoring system and method |
| JP2006084313A (en) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Method and apparatus for inspecting surface |
| JP2009188352A (en) * | 2008-02-08 | 2009-08-20 | Ulvac Japan Ltd | Vacuum treatment apparatus |
| US20100258529A1 (en) * | 2008-07-02 | 2010-10-14 | Masahito Mori | Plasma Processing Apparatus and Plasma Processing Method |
| KR20120098255A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-05 | 성균관대학교산학협력단 | In-situ measurment apparatus for film thickness using impedance, in-situ measurment method therefor and recording medium of the same method |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022117130A1 (en) | 2020-12-03 | 2022-06-09 | Univerzita Palackého v Olomouci | Device for deposition of dielectric optical thin films by the help of sputtering plasma sources and sources of energy ions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2017613A3 (en) | 2018-10-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3321696B1 (en) | Non-contact electrical parameter measurement systems | |
| CN105659075B (en) | Fouling monitoring and inhibitor quantification technique in multiphase measurement | |
| CN102598200B (en) | For measuring the transducer of plasma parameter | |
| Liu et al. | Influence of humidity and air pressure on the ion mobility based on drift tube method | |
| Tuca et al. | Calibrated complex impedance of CHO cells and E. coli bacteria at GHz frequencies using scanning microwave microscopy | |
| Sobolewski | Measuring the ion current in electrical discharges using radio-frequency current and voltage measurements | |
| US10175268B2 (en) | Actively calibrated capacitively coupled electrostatic device for high voltage measurement | |
| CN102156001A (en) | Method for diagnosing self-biased probe of radio-frequency discharge plasma | |
| CZ307505B6 (en) | A method of measuring the impedance of the deposited layer in the discharge plasma using and a device for performing this method | |
| Xu et al. | Loss current studies of partial discharge activity | |
| CZ31194U1 (en) | An impedance spectrograph for impedance measurement of a deposited layer in discharge plasma | |
| US9121878B2 (en) | Method for contactless determination of electrical potential using oscillating electrode, and device | |
| Aliau-Bonet et al. | Effects of stray capacitance to ground in bipolar material impedance measurements based on direct-contact electrodes | |
| Callegaro et al. | An impedance spectrometer for the metrology of electrolytic conductivity | |
| Hu et al. | An impedance-analyser-based multi-channel imaging system and its applications | |
| KR101564787B1 (en) | 2 2 dimentional process monitoring apparatus | |
| Prado et al. | Auto balancing bridge method for bioimpedance measurement at low frequency | |
| Westenthanner et al. | Assessment of suspension medium conductivity by means of micro electrodes | |
| Ghezzi et al. | Current identification in vacuum circuit breakers by inverting magnetic field data | |
| Kito et al. | Multi-harmonic analysis in a floating harmonic probe method for diagnostics of electron energy and ion density in low-temperature plasmas | |
| Raju et al. | Performance evaluation of the newly developed impedance analyzer by measuring and comparing the electrical and thermal properties of BaTiO3+ Ni0. 5Zn0. 5Fe2O4 materials | |
| Horibe et al. | Methodology of Nanoscale Electrical Characterization for Wide-Range Dielectric Permittivity Materials by Scanning Microwave Microscopy | |
| KR20100025294A (en) | Process monitoring apparatus and the method of the same | |
| Hakiki et al. | Broadband complex dielectric permittivity: Combined impedance spectroscopy and time domain reflectometry | |
| Imachi et al. | Characteristics of electric antennas aboard scientific spacecraft |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20231004 |