專利名稱：一種等離子體浸沒注入劑量的檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于等離子體技術領域，具體為一種等離子體浸沒注入設備中，標定和測 試等離子體注入劑量的附屬裝置。
背景技術：
等離子體浸沒注入技術為上世紀80年代產生的一種新型離子注入技術，廣泛應 用于材料表面改性和半導體材料制備等領域。等離子體浸沒注入設備改變了傳統(tǒng)離子束狀 注入的視線特性，受到了廣泛的應用和發(fā)展。等離子體浸沒注入設備如附圖1所示，主要包 括為等離子體射頻源，真空腔體以及高壓電源三大部分。在離子注入時，射頻源耦合腔內氣 體電離產生等離子體，而加在靶臺上的負高壓電源加速了等離子體往靶臺的運動，從而注 入到樣品工件表面。與傳統(tǒng)束狀離子注入相比，離子加速直接注入到柵極靶臺上。等離子 體浸沒注入技術相對于傳統(tǒng)于束狀離子注入有著批量化、高效且易于處理異型工件的諸多 優(yōu)勢，使其在材料表面改性和半導體材料制備等領域越來越得到重視和應用。然而等離子浸沒注入技術存在著一些自身缺陷，如離子注入劑量的標定和控制困 難，使得該技術存在著一定的局限性。由于等離子體浸沒注入劑量受到諸多參數的影響，如 離子注入類型，靶臺材料以及射頻源耦合功率，注入電壓的大小和類型等等，因此目前還缺 乏準確標定等離子體注入劑量的方法。目前為止，有一些研究關于等離子體浸沒注入的理論模型。從Child公式以及離 子殼層模型，推導等離子體浸沒注入的劑量。以脈沖方波電壓為例，如果注入電壓大小為V， 脈沖頻率為f，脈沖寬度為tp，則在時間t內，單位面積的離子注入劑量公式為
rnnncl η,2、1/3,1/2 ^ 1 厶-1/6 M 2/3…-l/6T,l/2, 1/3/1 \Dtotal = (-) 2 ε0 tje n0 m V tpU；上式中，ε C1為真空介電常數，e和m為注入離子的電量和質量，Iitl為等離子體密 度，而t，f, V, tp等可以通過實驗參數精確控制。上述方法首先假定在靶臺表面存在著恒定均勻的電場，等離子漂移和擴散嚴格 滿足離子殼層模型，另在腔體內部的等離子體密度恒定為no，這些假設均使劑量的標定有 一定的誤差。準確測定等離子體密度Iitl十分困難繁瑣，目前主要采用的離子色譜法以及 Langmuir雙探針系統(tǒng)來測量等離子體密度都存在很大誤差，測量時在腔體的不同位置變化 (如腔體的軸向和徑向位置變化)，都會使 產生極大的波動。此外Iitl受到氣體類型和耦 合功率等多個參數的影響，當注入參數改變時需要重新測定IV使得此方法繁雜而不可行。近年來，等離子體浸沒注入技術被廣泛應用于各類新型領域，如冶金和高分子材 料改性以及半導體等領域。特別是等離子體浸沒注入技術的非視線性特點，使其在半導體 材料的摻雜和制備方面(如集成電路工藝中的溝道摻雜)，有其不可替代的優(yōu)勢。因此，等 離子體浸沒注入劑量的精確控制將對最后的半導體器件性能產生決定性影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種精度高，操作簡便的快速測定等離子體浸沒注入劑量的裝置。本發(fā)明提供的等離子體浸沒注入劑量測定裝置，為等離子體浸沒注入設備的附屬 裝置。簡易裝置如圖2所示，將其安置在等離子體浸沒注入腔體的靶臺上，通過檢測裝置的 信號采集即能獲得離子劑量注入的信息，從而達到簡便而精確地控制注入劑量的效果。本發(fā)明裝置包括靶臺上的信號采集器，內部的引接導線(簡稱引線)以及外圍測 量設備。信號采集器如圖2所示，分為上下兩層，上層為導電金屬片載體(如不銹鋼)，用于 接收離子注入的信息；下層為絕緣體基片(如云母片)，用于隔絕靶臺和信號采集器之間的 連接。連接引線為剛性結構(如剛性銅線)，用于連接信號采集器和外圍檢測設備。引線可 以通過外圍機械傳動來控制信號采集器在靶臺上的移動。引線在測量離子浸沒注入劑量時 加載電壓，并由此引線引出信號，收集信息。引線轉接采用焊接和彎曲導線的方法。外圍檢 測設備需包括高壓探頭，用于加載信號收集器上的高壓信號轉換，再進一步通過示波器等 進行信號收集和存儲數據處理。本發(fā)明裝置作為等離子體浸沒注入設備儀器的附屬裝置時，其銜接處有兩處，一 為靶臺上，信號采集器和靶臺為絕緣性接觸，而信號采集器可以通過轉動外圍引線在靶臺 上自由滑動。另一接觸點為腔體底端引線引出點，此處采用橡膠0型圈和特氟龍材料制備 的模具來實現密封，引線從模具和0型圈中間穿出。這樣特氟龍模具實現了引線和腔體之 間的絕緣，而0型圈實現了引線引出口的真空密封。本發(fā)明的特點是，不需要傳統(tǒng)劑量計算方法先進行不同位置不同狀態(tài)的等離子體 密度監(jiān)測，而是通過此裝置進行不同位置的信號采集獲得離子注入劑量的信息。這樣不僅 簡便了離子注入劑量標定的程序，更大大提高了離子注入劑量標定的精度。本發(fā)明裝置具體涉及等離子體浸沒注入的一切需要劑量標定的使用過程，可以通 過其更精確可靠地測定等離子體浸沒注入的劑量。本發(fā)明裝置改變了等離子體注入劑量傳 統(tǒng)模型標定困難，復雜度高，誤差大等缺點。此裝置可以在不同的等離子體浸沒注入設備， 如高溫等離子體注入、低電壓等離子體注入、直流高壓等離子體注入等等加以應用。


圖1為等離子體浸沒注入裝置示意圖。圖2為本發(fā)明裝置圖示。圖3為信號采集器在靶臺上移動示意圖(腔體內部靶臺俯視圖)。圖4為外圍測量系統(tǒng)測定的電流電壓體數據圖。圖中標號1為離子射頻源；2為射頻耦合線圈；3為絕緣有機玻璃；4為進氣窗口 ； 5為真空腔體；6為分子泵接口 ；7為樣品靶臺；8為靶臺引線的絕緣層；9為外接負高壓電 源；10為信號采集器的上層導電金屬片；11為信號采集器的下層絕緣體基片；12為引接導 線；13為真空腔體的底部；14為絕緣用的特氟龍模具；15為真空密封的橡膠0型圈；16為 腔體內部靶臺；17為信號采集器；18為連接引線；19為旋轉軸線時信號采集器在靶臺上的 運動軌跡；20為控制運動的軸線；21為頂端引線。
具體實施例方式下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。本發(fā)明裝置各個附屬結構的參數為信號采
4集裝置大小為IOmmX IOmmX 5mm的長方體結構，其中上層金屬片厚度為2mm，下層絕緣云母 片厚度為3mm。銅引線尺寸可以根據各等離子體浸沒注入設備腔體的參數進行調節(jié)。信號 采集器和弓I線的材料類型和尺寸可以根據測量精度的需求進行調節(jié)。本發(fā)明裝置測量等離子體浸沒注入劑量的方法為分別檢測靶臺上各個點的離子 注入速率，從而獲得樣品在靶臺上的離子注入信息。即針對等離子體密度在腔體的ζ軸向 上有不同的分布，因而信號采集器的厚度越接近加工樣品厚度就越能模擬真實注入情況。 在腔體同一高度上，等離子體密度成軸對稱分布，因此靶臺上各點的離子注入速率也成軸 對稱分布。所以如果精確測量了靶臺圓盤園面徑向各點的離子注入速率，就得到了吧臺上 所有點的離子注入劑量信息。本發(fā)明裝置采用旋轉軸導線的方式實現信號采集器在靶臺上的移動。如圖3所 示，當旋轉外圍引線時，由于裝置結構為剛性結構，信號采集器將會受到傳動，在靶臺表面 上繞軸線進行圓周旋轉。假設外圍引線旋轉軸與靶臺相交于0’，為了保證信號采集器能夠 檢測到靶臺上各點信息，將剛性導線的長度設定為剛好經過靶臺中心點0。則信號采集器將 以軸線和靶臺的交點0’為圓心，00’為半徑做圓周運動。設定靶臺半徑為Rtl，00’距離為r0O當信號采集器位于靶臺中心時，則頂端引線恰 好和00’重合，此時測定的劑量為靶臺中心點的注入劑量。當信號采集器偏離中心點0，如 果頂端引線和00’旋轉了 θ角度時候，假設信號采集器(測定點)位于距離靶臺中心X的 距離，則有滿足關系χ = 2ν ι|。當設定rQ > R0/2時，信號采集器將會采集到靶臺面徑向位置從0到 R0的即所有位置的離子注入信息。本發(fā)明裝置的外部測量設備為帶高壓探頭的信號檢測系統(tǒng)，如帶高壓探頭的示波 器。當在外引線上加上負高壓時，則可以通過示波器檢測回路電壓以及回路電流。如圖4 所示，當電壓注入波形為脈沖方波電壓時候采集的電流和電壓信號。信號采集讀取和存后， 進行數據處理，從而獲得靶臺不同位置的離子劑量注入速率的信息。在移開注入劑量測定 裝置進行樣品加工處理過程時，即可根據樣品在靶臺所處位置，以及樣品尺寸大小，獲得離 子注入劑量的精確信息。在一種優(yōu)化的發(fā)明裝置中，等離子體浸沒注入的電壓類型可以變化，當電壓類型 發(fā)生改變時，只需改變后續(xù)的數據處理即可。劑量測定的方法不變。在一種優(yōu)化的發(fā)明裝置中，等離子體浸沒注入過程的各類參數發(fā)生變化，如射頻 耦合功率，氣體類型等發(fā)生改變時候，秩序修改數據處理過程，即可獲得離子注入劑量速率 fn息ο在一種優(yōu)化的發(fā)明裝置中，裝置信號采集器的材料類型，尺寸參數可以發(fā)生改變 從而滿足不同的要求。但其基本結構為金屬導體和絕緣體的雙層結構。在一種優(yōu)化的發(fā)明裝置中，裝置引線的材料類型，尺寸參數可以根據測試需要進 行調節(jié)，從而達到更符合實際地模擬離子注入過程，并獲得更為精確的離子注入劑量測定。在一種優(yōu)化的發(fā)明裝置中，不需要通過旋轉外圍引線軸的方式來獲得信號采集器 在靶臺上的移動，而是加入電傳輸裝置使得信號采集器在靶臺上能夠根據需要更精確的移 動。
本發(fā)明的特點是，不需要傳統(tǒng)劑量計算方法先進行不同位置不同狀態(tài)的等離子體 密度監(jiān)測，而是通過此裝置進行不同位置的信號采集獲得離子注入劑量的信息。這樣不僅 簡便了離子注入劑量標定的程序，更大大提高了離子注入劑量標定的精度。本發(fā)明裝置具體涉及等離子體浸沒注入的一切需要劑量標定的使用過程，可以通 過其更精確可靠地測定等離子體浸沒注入的劑量。此發(fā)明裝置改變了等離子體注入劑量傳 統(tǒng)模型標定困難，復雜度高，誤差大等缺點。此裝置可以在不同的等離子體浸沒注入設備， 如高溫等離子體注入、低電壓等離子體注入、直流高壓等離子體注入等等加以應用。實施例1本實施例說明了具體的實施手段。在等離子體浸沒注入時候，腔體內射頻源耦合 產生等離子體，此時在外引線上加上電壓時候，外接的檢測設備可以通過高壓探頭檢測得 到回路電流電壓等信息。然后通過數據處理得到此點的劑量注入信息。通過旋轉外引線實 現信號收集器在靶臺上的移動，從而得到靶臺各點的離子注入劑量信息。由此來測定等離 子體浸沒注入的劑量。實施例2本實施例說明在不銹鋼表面改性時的應用。如設定參數為為氮氣氣氛為0. 5Pa, 射頻源耦合功率為80W，工作電壓為負脈沖高壓，其電壓為20kV，脈寬為20 μ s，頻率為50Hz 時，如外接測量設備為示波器時，測定得到電流電壓圖如附圖4。由此可以計算出在此位置 時候的離子注入劑量為6. SAE+Hmir^cnT2。實施例3本實例說明在硅片中注入氧，模擬SIMOX工藝時。采用此方法精確控制注入劑 量。在不同的實驗條件設定下，如改變了等離子腔體氣壓(KT2Pa IPa)，耦合功率(50W 200W)。此時，避免了等離子體狀態(tài)改變時候需重新測量等離子體密度。而通過此裝置可以 標定各個位置的離子劑量注入速率。據此結果設定整體注入時間，即可獲得注入劑量的精 確控制。
權利要求
一種等離子體浸沒注入劑量的檢測裝置，為等離子體浸沒注入設備的附屬裝置，其特征在于包括安裝于腔體內靶臺的信號采集器，引線以及外圍測量儀器；其中，所述信號采集器為導電金屬片和絕緣體基片的雙層結構，上層的導電金屬片實現注入電場模擬，下層的絕緣體基片實現采集器與靶臺的電絕緣；所述引線為剛性結構，用于連接信號采集器和外圍檢測儀器，引線通過外圍機械傳動來控制信號采集器在靶臺上的移動，引線在測量等離子浸沒注入劑量時加載電壓，并由此引線引出信號，收集信息；所述外圍檢測儀器包括高壓探頭，用于加載信號收集器上的高壓信號轉換，并進一步通過示波器進行信號收集和存儲數據處理。
2.如權利要求1所述的等離子體浸沒注入劑量的檢測裝置，其特征在于，引線與等離 子體真空腔體為電絕緣和真空密封，通過特氟龍材料模具和0型密封圈實現。
3.如權利要求1所述的等離子體浸沒注入劑量的檢測裝置，其特征在于，所述信號采集器到靶臺中心位置的距離與轉動角度θ存在關系χ = 2/^ η|，其中所述引線的旋轉軸 心到靶臺中心的距離r(i大于二分之一的靶臺半徑Rci，即r(i>R(i/2，θ為引線的轉動角度。
全文摘要
本發(fā)明屬于等離子體技術領域，具體為一種等離子體浸沒注入劑量檢測裝置。該裝置包括安裝于腔體內靶臺的信號采集器，引線以及外圍測量儀器；其中，信號采集器為導電金屬片和絕緣體基片的雙層結構，所述引線為剛性結構，用于連接信號采集器和外圍檢測儀器。該裝置通過控制引線轉動使信號采集器在靶臺上移動，得到靶臺各點的離子注入劑量信息，進而得到離子注入劑量在靶臺上的分布。本發(fā)明裝置解決了以往測試劑量通過檢測等離子體濃度的復雜性，并提高了精確度。本發(fā)明裝置也可以在各類衍生的等離子體浸沒注入設備中使用。
文檔編號C23C14/48GK101899646SQ201010191678
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權日2010年6月3日
發(fā)明者盧茜, 吳曉京, 張昕, 王一鵬 申請人:復旦大學