DE4026229C2 - Meßvorrichtung zur Plasmaanalyse von beschichteten Plasmen nach Art einer Langmuir-Sonde - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Plasmaanalyse von beschichteten Plasmen nach Art einer Langmuir-Sonde nach einer Gattung des Hauptanspruchs.

Langmuir-Sonden zur Plasmaanalyse sind seit langem bekannt. Sie bestehen üblicherweise aus einer kleinen metallischen Sonde, z. B. einem dünnen Draht, der in ein zu untersuchen­ des Plasma hineinragt und mit einer sogenannten Sondenspan­ nung beaufschlagt wird. Diese besitzt dann gegenüber dem Plasma ein bestimmtes Potential, das gleich der Differenz von Sondenspannung und Plasmapotential am Ort der Sonde ist. Die Messung des über die Sonde abfließenden Sondenstroms als Funktion der Sondenspannung ergibt die sogenannte Sonden­ charakteristik. Mit einer derartigen Sonde kann lokal die Ladungsträgerdichte, die Elektronentemperatur sowie das Plasmapotential bestimmt werden.

In der Dünnschicht-Technik gewinnen plasmaunterstützte Verfahren zunehmend an Bedeutung, so daß auch der Bedarf an Plasmadiagnoseverfahren wächst. Bei der Verwendung von Langmuir-Sonden besteht das Problem, daß beschichtende Plasmen die Sonde sehr schnell mit einer isolierenden Schicht überziehen, so daß weitere Messungen nicht mehr mög­ lich sind. In der Zeitschrift J.Vac.Technologie A6 (3), Mai 1988, haben Brent C. Berl und David A. Glockner darauf hinge­ wiesen, daß eine Messung in beschichtenden Plasmen mittels einer Langmuir-Sonde dann möglich ist, wenn die Sonde auf hoher Temperatur gehalten wird. In aus dieser Zeitschrift be­ kannter Weise wird diese hohe Temperatur dadurch erreicht, daß dem zu messenden Sondenstrom ein nicht massengebundener Gleich­ strom überlagert wird, welcher infolge des Ohmschen Wider­ standes des Sondendrahts zur gewünschten Erhitzung führt.

Als Nachteile der bekannten Sondenheizungen sind zum einen die Verfälschungen der Messungen zu nennen, welche sowohl durch den vom Heizstrom hervorgerufenen Spannungsabfall entlang der Sonde, als auch durch die Temperaturänderungen während der Messungen hervorgerufen werden. Ferner führt eine Sonden­ heizung über den Ohmschen Widerstand des Drahtes zu einer starken Wärmebelastung der Drahtkontakte, was die Konstruk­ tion einer solchen Sonde erschwert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Sonde genau so einfach zu bauen ist, wie eine konventio­ nelle Langmuir-Sonde und nur einen Anschluß aufweisen muß. Während der Heizperiode trifft infolge des Potentials der Heizspannungsquelle ein Strom von Elektronen aus dem Plasma auf die Sondenoberfläche auf, wobei die kinetische Energie der Elektronen an der Oberfläche in Wärme umgewandelt wird. Da nur die Spitze des Sondendrahts unisoliert ist, wird diese auch nur dort erhitzt, also an der Stelle, an der die hohe Tempe­ ratur erforderlich ist. Dies erspart Kontaktierungsprobleme. Weiterhin wird durch die zeitliche, wie auch galvanische Ent­ kopplung von Heizung und Messung verhindert, daß während der Messung über der Sonde eine die Kennlinie verfälschende Spannung abfällt. Der Meßvorgang wird dadurch genauer. Ebenfalls zu einer höheren Meßgenauigkeit führt die erreichte konstantere Sondentemperatur, da auch eine sich ändernde Sondentemperatur die Kennlinie verfälscht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Meßvorrichtung möglich.

Die Verbindung des positiven Anschlusses der Heizspannungs­ quelle über die Umschalteinrichtung mit dem Sondendraht ge­ währleistet insbesondere bei konstantem Potential der Heiz­ spannungsquelle die Aufrechterhaltung bzw. Einstellung einer gleichbleibenden Sondentemperatur bzw. Temperatur der uniso­ lierten Spitze der Sonde durch auftreffende Elektronen.

Die zyklische Meßzeit beträgt vorzugsweise weniger als eine Zehntelsekunde, wobei die Heizzeit länger als die Meßzeit ist, zweckmäßigerweise wesentlich länger als die Meßzeit. Auch diese Maßnahme trägt zur Aufrechterhaltung einer sehr konstanten Sondentemperatur bei.

Das Potential der Heizspannungsquelle wird dabei so gewählt, daß der Sondendraht auf eine Temperatur von mehreren 100 Grad Celsius bis 1000 Grad Celsius gebracht werden kann. Dies hängt nicht zuletzt von der Art des Plasmas ab.

Die Umschalteinrichtung ist zweckmäßigerweise als Umschalt­ relais oder als elektronischer Umschalter ausgebildet und wird vorzugsweise durch einen Rechner gesteuert, der bei­ spielsweise auch die Meßzyklen steuern und die Meßwerter­ fassung vornehmen kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine in eine Plasmakam­ mer eintauchende Meßsonde sowie die elektronische Schal­ tung der Auswerte- und Heizeinrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In eine geerdete Plasmakammer 10 taucht elektrisch isoliert eine Plasmasonde 11 ein, die nach Art einer Langmuir-Sonde aufgebaut ist. Sie besteht im wesentlichen aus einem dünnen Draht 12, der bis auf seine Spitze bzw. seinen Spitzenbe­ reich isoliert ist. Weiterhin ragt zur Erzeugung des Plas­ mas, also zur Umwandlung des in der Plasmakammer 10 enthal­ tenen Gases in Elektronen und Ionen eine isoliert durchge­ führte Elektrode 13 in die Plasmakammer 10. Sie ist über einen Widerstand 14 mit einem Frequenzgenerator 15 verbun­ den, der das erforderliche elektrische Feld an der Elektrode 13 zur Bildung der Ladungsträger erzeugt. Die Frequenz dieses Frequenzgenerators 15 hängt von der Art des zu er­ zeugenden Plasmas und von der Dimensionierung ab und kann sich zwischen dem kHz-Bereich und dem Mikrowellenbereich erstrecken. Selbstverständlich sind auch andere bekannte Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmen verwendbar.

Der Draht 12 ist über eine Umschalteinrichtung 16 alternativ mit einem Meßkreis 17 oder einer Heizspannungsquelle 18 ver­ bindbar. Diese Umschalteinrichtung 16 kann entweder als Umschaltrelais oder als elektronischer, aus Halbleiterschal­ tern bestehender Umschalter ausgebildet sein. Eine elektro­ nische Steuervorrichtung 19 bewirkt ein zyklisches Hin- und Herschalten der Umschalteinrichtung 16. Diese elektronische Steuervorrichtung 19 kann beispielsweise ein Frequenzgene­ rator mit einstellbarem Tastverhältnis oder ein Rechner sein, der beispielsweise auch die Steuerung des Meßvorgangs mit übernehmen kann, was durch eine gestrichelte Linie 20 angedeutet ist.

Der positive Pol der Heizspannungsquelle 18 ist über einen Widerstand 21 an die Umschalteinrichtung 16 angeschlossen und kann über diese mit dem dünnen Draht 12 der Plasmasonde 11 verbunden werden. Die erforderliche Spannung hängt von der Art des Plasmas und sonstigen Dimensionierungen ab und beträgt im allgemeinen zwischen 10 und 150 Volt.

Der Meßkreis 17 stellt einen bekannten Meßkreis für eine Langmuir-Sonde dar und soll daher nur kurz beschrieben werden. Eine variable Spannungsquelle 21 liefert eine Span­ nung von zum Beispiel zwischen minus 20 und plus 20 Volt und ist über einen Meßwiderstand 22 an die Umschalteinrichtung 16 angeschlossen, über die sie mit der Plasmasonde 11 verbun­ den werden kann. Parallel zur variablen Spannungsquelle 21 ist eine aus zwei Widerständen 23, 24 bestehende Reihenschal­ tung angeordnet, die wie die Spannungsquelle 21 einseitig an Masse liegt. Eine Spannungsmeßvorrichtung 25 ist parallel zum Widerstand 24 geschaltet. Weiterhin kann noch - durch gestrichelte Linien angedeutet - ein Kondensator 26 parallel zur Spannungsmeßvorrichtung 25 geschaltet werden, um Wechsel­ spannungseinflüsse zu verhindern. Eine der Anordnung 23 bis 26 entsprechende Anordnung 27 bis 30 ist zwischen den Ver­ knüpfungspunkt zwischen dem Meßwiderstand 22 und der Um­ schalteinrichtung 16 einerseits und Masse andererseits ge­ schaltet.

Die Wirkungsweise des bekannten Meßkreises 17 in Verbindung mit der Plasmasonde 11 besteht im wesentlichen darin, daß durch die Meßanordnung 27 bis 30 die Sondenspannung 11 erfaßt wird, während die Meßanordnung 23 bis 26 noch zusätzlich den Spannungsabfall am Meßwiderstand 22 erfaßt, dessen Wert von dem durch die Sonde fließenden Strom bestimmt wird. Eine Variation der Spannung an 21 ermöglicht die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie der Sonde 11. Aus dieser können in bekannter Weise die ein Plasma charakterisierenden Zustands­ größen wie die lokale Ladungsträgerdichte, die Elektronen­ temperatur und das Plasmapotential erfaßt werden.

Durch die Umschalteinrichtung 16 wird jeweils nur während einer sehr kurzen Zeit von weniger als einer Zehntelsekunde die Verbindung zwischen dem Meßkreis 17 und der Plasmasonde 11 hergestellt, um einen Meßvorgang durchzuführen. Anschließend wird dann jeweils auf die Heizspannungsquelle 18 umge­ schaltet, die für eine wesentlich längere Zeit mit der Plasmasonde 11 verbunden bleibt. Danach erfolgt der zykli­ sche Vorgang von vorne. Das Tastverhältnis der Steuerspan­ nung für die Umschalteinrichtung 16 muß daher so gewählt werden, daß diese zeitliche Aufteilung gewährleistet ist. Liegt das positive Potential der Heizspannungsquelle 18 an dem dünnen Draht 12 der Plasmasonde 11 an, so werden Elek­ tronen des Plasmas auf die Oberfläche des nichtisolierten Bereichs des Drahts 12 beschleunigt, wobei beim Auftreffen ihre kinetische Energie in Wärme umgewandelt wird. Die Heizspannung wird dabei so gewählt, daß der Draht eine Tem­ peratur annimmt, die verhindert, daß das Plasma eine Schicht auf der Plasmasonde 11 bildet. Dies ist für beschichtende Plasmen erforderlich, beispielsweise für Cyclohexan oder Azetylen. Die lange Heizzeit in Relation zur relativ kurzen Meßzeit bewirkt, daß die Temperatur der Plasmasonde 11 sehr konstant eingestellt werden kann, um ein möglichst exaktes Meßergebnis zu erreichen. Andererseits reicht die relativ kurze Meßzeit aus, um die erforderlichen Meßwerte zu er­ halten.

Claims (8)

1. Meßvorrichtung zur Plasmaanalyse von beschichtenden Plasmen nach Art einer Langmuir-Sonde, mit einem im wesentlichen bis auf die Spitze isolierten, in das Plasma eintauchenden und von einem Meßkreis mit einer Meßspannung beaufschlagbarem Sondendraht, der auf einer eine Schichtbildung verhindernden hohen Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondendraht (12) über eine im Betrieb zyklisch betätigte Umschalteinrichtung (16) abwechselnd mit dem Meßkreis (17) und einer Heizspannungsquelle (18) verbunden ist und daß die Spannungsquelle (21) des Meßkreises (17) variabel ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Anschluß der Heizspannungsquelle (18) über die Umschalteinrichtung (16) mit dem Sondendraht (12) ver­ bindbar ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizspannungsquelle (18) ein konstantes Potential aufweist.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklische Meßzeit weniger als eine Zehntelsekunde beträgt, wobei die Heizzeit länger als die Meßzeit ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzeit wesentlich länger als die Meßzeit ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannungsquelle (18) ein den Sondendraht (12) auf eine Temperatur von mehreren 100 Grad Celsius bis 1000 Grad Celsius erhitzendes Potential aufweist.

7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (16) als Umschaltrelais oder als elektronischer Umschalter ausgebil­ det ist.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (16) rechnergesteuert ist.