基于等離子體注入設(shè)備的離子劑量檢測裝置

王興，周臨震

（鹽城工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

離子注入是半導(dǎo)體制造和微電子領(lǐng)域中的常用方法［1-2］，它還被廣泛應(yīng)用于金屬材料表面改性，可提高金屬材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性［3-8］。等離子體浸沒式離子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）技術(shù)通過將離子注入固體材料內(nèi)部，改變材料的原子組成和結(jié)構(gòu)，從而改變材料導(dǎo)電性。目前，PIII技術(shù)的研究已從最初的氣體離子注入發(fā)展到了金屬離子注入，PIII技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種材料和半導(dǎo)體芯片的制備，其在絕緣材料（聚合物、陶瓷等）領(lǐng)域的應(yīng)用也有大量研究成果［9-12］。

操作時，實際注入離子數(shù)量由設(shè)備設(shè)定參數(shù)決定，但注入設(shè)備中沒有可在線檢測顯示離子數(shù)量的裝置。因此，在PIII設(shè)備注入基板周圍加裝離子檢測裝置，可以更好地觀察實際注入情況。李衍存等［13］提出了一種基于法拉第杯的衛(wèi)星表面等離子體充電電流監(jiān)測方法，能夠有效反映衛(wèi)星表面等離子體充電電流大小，為衛(wèi)星表面帶電狀態(tài)和帶電風(fēng)險的評估提供依據(jù)。劉江濤［14］設(shè)計了一種法拉第杯用于高能量電子束強度的絕對測量，同時可以滿足確切對應(yīng)晶體發(fā)光強度和1.89 GeV電子束強度之間關(guān)系的實驗要求。

因此，為了檢測實際注入基底的離子劑量，本文設(shè)計了一種在線離子檢測裝置，檢測不同區(qū)域注入的等離子體離子劑量，計算不同目標(biāo)區(qū)域的注入離子密度，提高離子注入工藝的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

PIII系統(tǒng)主要硬件包括：偏壓電源、射頻電源、氣體流量控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、真空表頭、水冷系統(tǒng)和等離子體腔室等。對PIII設(shè)備腔室內(nèi)離子劑量進(jìn)行檢測，檢測系統(tǒng)如圖1所示。檢測系統(tǒng)主要包括3個板塊，分別是離子檢測裝置、信號調(diào)理電路和LabVIEW數(shù)據(jù)采集卡。

圖1 離子劑量檢測系統(tǒng)Fig. 1 Ion dose detection system

離子劑量檢測流程如圖2所示。將離子檢測裝置放置于等離子體腔室內(nèi)，通過貫穿法蘭將離子檢測裝置與信號調(diào)理電路連接。開啟PIII系統(tǒng)總電源，按流程操作設(shè)備，觀察腔室內(nèi)是否有等離子體產(chǎn)生，離子檢測裝置收集樣品臺周圍的離子，然后通過信號線將檢測裝置的電流信號傳輸給信號調(diào)理電路和LabVIEW采集卡，對電流信號進(jìn)行處理，最后轉(zhuǎn)換為離子劑量數(shù)據(jù)。

圖2 離子劑量檢測流程Fig. 2 Ion dose detection procedure

2 離子劑量檢測系統(tǒng)

2.1 離子劑量檢測裝置

對離子劑量檢測裝置進(jìn)行建模設(shè)計，檢測裝置剖面圖如圖3所示。

圖3 離子劑量檢測裝置剖面圖Fig. 3 Profile of the ion dose detection device

由圖3可知，離子劑量檢測裝置包括屏蔽外殼、蓋板、離子收集裝置和聚四氟固定架。其中，屏蔽外殼選用與腔室相同的鋁制材料，避免對腔室內(nèi)部造成污染；進(jìn)行接地處理，避免腔室內(nèi)的信號干擾。聚四氟固定架用來固定離子收集裝置，避免離子收集裝置與屏蔽外殼接觸，選用聚四氟材料也是為了避免固定架對腔室的污染。

如圖4所示，離子劑量檢測裝置分為6個檢測區(qū)域，可以在檢測離子劑量的同時檢測不同區(qū)域中離子的均勻度。每個檢測裝置都有單獨的信號傳輸線，電流信號線用錫箔紙包裹，并進(jìn)行接地處理，避免分析電路及數(shù)據(jù)卡采集數(shù)據(jù)時受到腔室內(nèi)電磁信號的干擾，確保數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

圖4 離子劑量檢測裝置Fig. 4 Ion dose detection device

離子具有能量，撞擊檢測裝置表面時會產(chǎn)生二次電子，產(chǎn)生的二次電子如果未被捕獲而逃出檢測裝置，會使檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，本文對檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以抑制二次電子的逃出，增加檢測的準(zhǔn)確性。

檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可知，檢測裝置的側(cè)壁是傾斜的（側(cè)壁與底面的夾角θ小于90°），入射離子直接打在檢測裝置底面，二次電子多在檢測裝置底部生成。當(dāng)檢測裝置采用較高的深寬比（h/x）時，裝置底部產(chǎn)生的二次電子以一定速度向任意方向運動，與裝置內(nèi)壁多次碰撞后最終在裝置內(nèi)部被收集，不會逃出檢測裝置。此時，雖然離子在檢測裝置內(nèi)產(chǎn)生了二次電子，但未逃出檢測裝置，不會對檢測信號產(chǎn)生影響，可提升檢測的準(zhǔn)確度。

圖5 離子劑量檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Internal structure diagram of ion dose detection device

隨著檢測裝置深寬比的增加二次電子逃逸率減少，深寬比達(dá)到一定值時，二次電子逃逸率趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加檢測裝置深寬比不能再明顯提升抑制效果，一定深寬比的檢測裝置即可大概率地收集二次電子。

離子劑量檢測裝置內(nèi)二次電子的逃逸率P與深寬比的關(guān)系可以由以下公式進(jìn)行計算：

式中：P為二次電子逃逸率；h為檢測裝置深度，mm；x為檢測裝置開口寬度，mm；θ為檢測裝置側(cè)壁與底面的夾角，（°）。

考慮到實際腔室的尺寸限制，本文設(shè)計的離子劑量檢測裝置開口寬度x為2 mm，深度為7 mm，夾角角度為76°。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要包括差分放大器、低通濾波器和程控增益放大器3個板塊的電路設(shè)計。其中，差分放大器電路如圖6所示，目的是為了放大檢測信號的差值，抑制信號中的共模干擾。

圖6 差分放大器電路Fig.6 Differential amplifier circuit

差分放大電路的輸出電壓可以通過以下公式得到：

式中：U1為輸出電壓，V；R1、R3、R5為電路電阻，Ω；I1為檢測電流信號，A。

采集到的微電流信號不可避免地存在高頻噪聲，故采用運放和阻容器件設(shè)計二階巴特沃斯濾波器濾除高頻噪聲，與差分信號輸出電路連接，可以大大提高采集信號信噪比，二階巴特沃斯濾波器電路如圖7所示。

圖7 二階巴特沃斯濾波器電路Fig.7 Second order Butterworth filter circuit

當(dāng)射頻電源功率和氣體流量發(fā)生變化時輸出電流會發(fā)生較大變化，為了使不同射頻功率和氣體流量下的輸出電流能夠匹配數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍，采用程控增益放大器調(diào)整信號放大倍數(shù)。程控增益放大器電路如圖8所示。程控放大器輸出信號交由LabVIEW處理得到離子密度。通過不同區(qū)域的檢測裝置可以得到不同區(qū)域注入離子密度分布情況。

圖8 程控增益放大器電路Fig. 8 Programmed gain amplifier circuit

3 實驗檢測與數(shù)據(jù)分析

3.1 離子劑量檢測

根據(jù)本研究的設(shè)計思路，在實驗室PIII設(shè)備上搭建包括離子檢測裝置、調(diào)理電路和LabVIEW采集卡的檢測平臺，按照表1中的實驗參數(shù)，對離子檢測裝置進(jìn)行測試。通過貫穿法蘭輸出檢測得到的腔室內(nèi)的電流信號，通過信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行分析計算，最后通過LabVIEW處理得到離子密度。

表1 離子劑量檢測實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters for ion dose detection

3.2 實驗結(jié)果分析

氣體流量選用50 sccm（sccm為氣體流量單位，表示標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘），在不同射頻功率下對離子檢測裝置進(jìn)行測試，檢測結(jié)果如圖9所示，圖中區(qū)域1～區(qū)域6分別對應(yīng)圖4離子劑量檢測裝置的6個檢測區(qū)域。

圖9 不同射頻功率下腔室內(nèi)的離子密度Fig.9 Ion density in the chamber under different RF power

由圖9可知，離子密度隨射頻功率的增加而增加。這是由于射頻功率增大使得氣體吸收功率增大，腔室內(nèi)自由電子增加，電子與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，氣體電離增加，導(dǎo)致離子密度增大。

射頻功率選用100 W，在不同氣體流量下對離子檢測裝置進(jìn)行測試，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同氣體流量下腔室內(nèi)的離子密度Fig. 10 Ion density in the chamber under different gas flows

由圖10可知，腔室內(nèi)各區(qū)域離子密度存在明顯差異。這是由于檢測時真空泵一直處于運行狀態(tài)，對腔室形成干擾，從而導(dǎo)致腔室內(nèi)離子分布不均勻，其中，位于真空泵接口上方的區(qū)域5和區(qū)域6內(nèi)離子密度最小。

4 結(jié)論

本文以PIII設(shè)備為平臺設(shè)計離子劑量檢測裝置，通過信號調(diào)理電路、LabVIEW數(shù)據(jù)采集卡對檢測到信號調(diào)理電路傳輸過來的信號進(jìn)行分析處理。實驗結(jié)果顯示，離子劑量檢測裝置可以對等離子體腔室內(nèi)的離子密度和分布均勻度情況進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以為腔室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和注入工藝改良提供參考依據(jù)。