基于等離子體注入設備的離子劑量檢測裝置

王興，周臨震

（鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051）

離子注入是半導體制造和微電子領域中的常用方法［1-2］，它還被廣泛應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）技術通過將離子注入固體材料內部，改變材料的原子組成和結構，從而改變材料導電性。目前，PIII技術的研究已從最初的氣體離子注入發展到了金屬離子注入，PIII技術被廣泛應用于多種材料和半導體芯片的制備，其在絕緣材料（聚合物、陶瓷等）領域的應用也有大量研究成果［9-12］。

操作時，實際注入離子數量由設備設定參數決定，但注入設備中沒有可在線檢測顯示離子數量的裝置。因此，在PIII設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星表面等離子體充電電流監測方法，能夠有效反映衛星表面等離子體充電電流大小，為衛星表面帶電狀態和帶電風險的評估提供依據。劉江濤［14］設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晶體發光強度和1.89 GeV電子束強度之間關系的實驗要求。

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

1 系統總體設計

PIII系統主要硬件包括：偏壓電源、射頻電源、氣體流量控制系統、真空系統、真空表頭、水冷系統和等離子體腔室等。對PIII設備腔室內離子劑量進行檢測，檢測系統如圖1所示。檢測系統主要包括3個板塊，分別是離子檢測裝置、信號調理電路和LabVIEW數據采集卡。

圖1 離子劑量檢測系統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，通過貫穿法蘭將離子檢測裝置與信號調理電路連接。開啟PIII系統總電源，按流程操作設備，觀察腔室內是否有等離子體產生，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理電路和LabVIEW采集卡，對電流信號進行處理，最后轉換為離子劑量數據。

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

2.1 離子劑量檢測裝置

對離子劑量檢測裝置進行建模設計，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，避免對腔室內部造成污染；進行接地處理，避免腔室內的信號干擾。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個檢測區域，可以在檢測離子劑量的同時檢測不同區域中離子的均勻度。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，并進行接地處理，避免分析電路及數據卡采集數據時受到腔室內電磁信號的干擾，確保數據更加準確。

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生二次電子，產生的二次電子如果未被捕獲而逃出檢測裝置，會使檢測結果出現誤差。因此，本文對檢測裝置內部結構進行設計，以抑制二次電子的逃出，增加檢測的準確性。

檢測裝置內部結構如圖5所示。由圖5可知，檢測裝置的側壁是傾斜的（側壁與底面的夾角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。當檢測裝置采用較高的深寬比（h/x）時，裝置底部產生的二次電子以一定速度向任意方向運動，與裝置內壁多次碰撞后最終在裝置內部被收集，不會逃出檢測裝置。此時，雖然離子在檢測裝置內產生了二次電子，但未逃出檢測裝置，不會對檢測信號產生影響，可提升檢測的準確度。

圖5 離子劑量檢測裝置內部結構示意圖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，深寬比達到一定值時，二次電子逃逸率趨于穩定，繼續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二次電子的逃逸率P與深寬比的關系可以由以下公式進行計算：

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為檢測裝置側壁與底面的夾角，（°）。

考慮到實際腔室的尺寸限制，本文設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 信號調理電路

信號調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

當射頻電源功率和氣體流量發生變化時輸出電流會發生較大變化，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據采集卡的采集范圍，采用程控增益放大器調整信號放大倍數。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。通過不同區域的檢測裝置可以得到不同區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 實驗檢測與數據分析

3.1 離子劑量檢測

根據本研究的設計思路，在實驗室PIII設備上搭建包括離子檢測裝置、調理電路和LabVIEW采集卡的檢測平臺，按照表1中的實驗參數，對離子檢測裝置進行測試。通過貫穿法蘭輸出檢測得到的腔室內的電流信號，通過信號調理電路和數據采集卡進行分析計算，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Table 1 Experimental parameters for ion dose detection

3.2 實驗結果分析

氣體流量選用50 sccm（sccm為氣體流量單位，表示標準毫升每分鐘），在不同射頻功率下對離子檢測裝置進行測試，檢測結果如圖9所示，圖中區域1～區域6分別對應圖4離子劑量檢測裝置的6個檢測區域。

圖9 不同射頻功率下腔室內的離子密度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，腔室內自由電子增加，電子與氣體分子的碰撞次數增多，氣體電離增加，導致離子密度增大。

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

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

由圖10可知，腔室內各區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，對腔室形成干擾，從而導致腔室內離子分布不均勻，其中，位于真空泵接口上方的區域5和區域6內離子密度最小。

4 結論

本文以PIII設備為平臺設計離子劑量檢測裝置，通過信號調理電路、LabVIEW數據采集卡對檢測到信號調理電路傳輸過來的信號進行分析處理。實驗結果顯示，離子劑量檢測裝置可以對等離子體腔室內的離子密度和分布均勻度情況進行檢測，檢測結果可以為腔室結構優化和注入工藝改良提供參考依據。