（化工过程机械专业论文）溅射法镀膜等离子体诊断的研究.pdf

b yh u a n g x i n x i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rb ad e c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：屯 思0 学位论文作者签名：兹名睑 日 期：y 。扩7 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年d 学位论文作者签名：囔钦 签字日期： 沙子一7 。j 导师签名： 签字日期： 谢胁v 功名、7 卢 l _ j 东北大学硕士学位论文 摘要 溅射法镀膜等离子体诊断的研究 摘要 等离子体作为“物质的第四态”从近代开始被人们所研究、利用，从工业上的镀膜、 刻蚀、渗碳等处理方法，到航空航天领域对空间状况的研究等等，都离不开等离子体。 为了更好地对等离子体进行研究，就需要掌握能够诊断等离子体参数的方法。l a n m g u i r 探针作为2 0 世纪2 0 年代出现的一种等离子体诊断方法及工具，具有设备简单，使用方 便的特点，而且它的诊断能力也比较强，诊断得到的信息也比较丰富，适用的范围除主 要在低温低压等离子体领域外还在逐渐扩大。 本文主要是基于溅射法渡膜过程中等离子体诊断的研究，通过等离子体诊断技术来 测量和理解等离子体中荷能粒子的分布规律，实现薄膜的可控制生长。本文的主要工作是 设计了两种探针，第一种采用朗缪尔单探针，第二种是采用的发射探针，并且根据两种 不同的探针设计了相关的探针诊断电路。诊断电路主要由探针部分、传感器、信号发生 器、功率放大器和数据采集卡等部分组成。发射探针诊断电路还包括探针加热电路。 本文实验是基于溅射法渡膜过程中对真空镀膜机内的等离子体进行诊断。实验的工 作主要包括两种探针的设计和相关诊断电路的设计，以及实验的条件、步骤、过程等。 实验内容包括单探针法和零发射法两个实验。朗缪尔单探针诊断法的特点是诊断方法简 单易行，可估算参数较多；但由于单探针诊断法中的i v 特性曲线不会存在明显的拐点， 所以确定等离子体空间电位很困难，因此我们又采用了零发射法，此方法主要的目的就 是针对等离子体的空间电位进行诊断和测量。并且本文在实验的基础上，对得到的实验 数据进行分析和计算，得出了等离子体的一些相关参数以及等离子体诊断的i v 特性曲 线图。 关键词：朗缪尔探针等离子体诊断发射探针诊断电路 u 。夕 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e p l a s m ad i a g n o s t i c sr e s e a r c h o ff i l mc o a t i n g a b s t r a c t a s “t h ef o u r t hm a t e r i a ls t a t e ”，p l a s m ai ss t u d i e da n du s e di nm o d e mt i m e sb yp e o p l e f r o mt h ei n d u s t r i a lc o a t i n g , e t c h i n g ，c a r b u r i z i n g ，a n do t h e rp r o c e s s i n gm e t h o d st ot h e r e s e a r c ho fa e r o s p a c ef i e l do ft h es p a c es t a t u sa n ds oo n ，p l a s m ai sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e m i n o r d e rt or e s e a r c hb e t t e ro nt h ep l a s m a ，i ti sn e c e s s a r yt om a s t e rt h em e t h o do fg e t t i n gp l a s m a p a r a m e t e r s a sap l a s m ad i a g n o s t i cm e t h o da n dt o o lw h i c ho c c u r r e di nt h e19 2 0 s ，l a n g m u i r p r o b eh a ss i m p l ee q u i p m e n t ，e a s y t o - u s ef e a t u r e s ，a n di t sd i a g n o s t i cc a p a b i l i t yi s a l s o r e l a t i v e l ys t r o n g , a n do n e c a ng e tr i c hi n f o r m a t i o nf r o mt h ed i a g n o s i s ，a n dt h es c o p eo fi t s a p p l i c a t i o nm a i n l y i nt h ef i e l do f l o w - t e m p e r a t u r el o w - p r e s s u r ep l a s m a i s g r a d u a l l y e x p a n d i n g t h i sa r t i c l ei sm a i n l yb a s e do nt h es p u t t e r i n gp r o c e s so fc r o s s i n gt h ep l a s m am e m b r a n e o ft h es t u d y , t h r o u g ht h ep l a s m ad i a g n o s t i ct e c h n i q u e st om e a s u r ea n du n d e r s t a n dt h ep l a s m a p a r t i c l e sc a nb ei nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef i l mc a n b ec o n t r o l l e dt oa c h i e v eg r o w t h t h em a i n w o r ki st od e s i g nt h et w op r o b e s ，t h ef i r s ts i n g l e u s el a n g m u i rp r o b e ，t h es e c o n di st h e e m i s s i v ep r o b e a c c o r d i n gt ot w od i f f e r e n tp r o b ed e s i g nap r o b er e l a t e dt ot h ed i a g n o s t i c e l e c t r o c i r c u i t t h ed i a g n o s t i ce l e c t r o c i r c u i ti s m a i n l yi n c l u d i n gp r o b e s ，s e n s o r s ，s i g n a l g e n e r a t o r s ，p o w e ra m p l i f i e r sa n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n do t h e rc o m p o n e n t s t h ed i a g n o s t i c e l e c t r o c i r c u i to fe m i s s i v ep r o b ea l s oi n c l u d e sh e a t i n gc i r c u i t t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lf i l ms p u t t e r i n gp r o c e s so fc r o s s i n gt h ev a c u u m c o a t i n gm a c h i n ei nt h ep l a s m af o rd i a g n o s i s t h ee x p e r i m e n t a lw o r ko ft h et w op r o b e s i n c l u d e st h ed e s i g na n dr e l a t e dd i a g n o s t i cc i r c u i td e s i g n , a n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，s t e p s ， s u c ha st h ep r o c e s s t h i sa r t i c l ei n c l u d e ss i n g l e - p r o b em e t h o da n dz e r oe m i s s i o no ft w o e x p e r i m e n t s l a n g m u i rs i n g l ep r o b ed i a g n o s t i c si sc h a r a c t e r i z e db yas i m p l ed i a g n o s t i c m e t h o d s ，e s t i m a t e sm o r ep a r a m e t e r s ，b u tb e c a u s eo fs i n g l e p r o b ed i a g n o s t i c si nt h ei - v c h a r a c t e r i s t i cc u r v e so ft h ei n f l e c t i o np o i n tw i l ln o tb eo b v i o u s ，s p a c ep l a s m ap o t e n t i a li s d e t e r m i n e dd i f f i c u l t i e s ，w ea l s oa d o p t e daz e r oe m i s s i o n ，t h em a i np u r p o s eo ft h i sm e t h o di s f o rt h es p a c ep l a s m ap o t e n t i a lf o rd i a g n o s i sa n dm e a s u r e m e n t i ne x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r a n do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e df o ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h e n u m b e ro fp l a s m aa n dp l a s m ap a r a m e t e r so ft h ec h a r a c t e r i s t i ci vc u r v c s m 东北大学硕士学位论文 k e yw o r d ：l a n g m u i rp r o b e ：s i n g l ep p r o b e ；d i a g n o s t i ce l e c t r o c i r c u i t i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明l 摘要“i i a b s t r a c t - i i i 目录v 主要参数符号x 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 等离子体的相关理论1 1 2 1 等离子体的分类2 1 2 2 等离子体的基本性质2 1 2 3 等离子体的主要应用3 1 3 溅射法镀膜4 1 3 1 溅射法镀膜的简单介绍4 1 3 2 射频磁控溅射方法基本原理4 1 4 本课题主要研究内容及工作6 第2 章等离子体诊断学的概念及理论9 2 1 等离子体诊断的发展历程9 2 2 等离子体的诊断方法1 0 2 2 1 接触类方法1 0 2 2 2 非接触类方法”1 2 2 3 等离子体的生成方法1 4 第3 章朗缪尔单探针诊断1 6 3 1 朗缪尔单探针诊断法的基本理论1 6 3 1 1l a n g m u i r 探针适用的条件1 6 3 1 2 朗缪尔单探针诊断法的诊断原理1 6 v 东北大学硕士学位论文目录 3 1 3l a n g m u i r 探针的i v 特性曲线的性质1 9 3 2 朗缪尔单探针诊断法的参数确定理论2 2 3 2 1o m l 理论：2 2 3 2 2a b r 理论：2 3 3 2 3b r l 理论：2 3 3 3 朗缪尔单探针诊断法的参数确定步骤2 3 3 3 1 确定探针的表面2 3 3 3 2 从研华p c l - 8 1 8 h g 数据采集卡采集电压电流信号2 3 3 3 3 绘出i v 特性曲线，并对i v 特性曲线作平滑处理2 3 3 3 4 初步确定空间电位2 3 3 3 5 初步估计电子温度2 4 3 3 6 初步估计等离子密度”2 4 3 3 7 确定悬浮电位”2 4 3 3 8 初步估计德拜长度2 4 3 3 9 由o m l 理论初步估计过渡区的离子浓度2 4 3 3 1 0 求出过渡区的电子电流并显示2 5 3 3 1 1 重新计算得到电子温度和悬浮电位”2 5 3 3 1 2 重复上面的步骤求上面的参数“2 6 3 3 1 3 求电子能量分布函数( e e d f ) 2 6 3 3 1 4 求电子密度”2 6 3 3 1 5 求电子能量概率分布函数( e e p f ) 2 6 第4 章发射探针诊断2 7 4 1 探针的分类与比较2 7 4 2 发射探针的原理一2 9 第5 章朗缪尔探针诊断电路的设计”3 2 5 1 信号发生器3 2 5 1 1 信号发生器的种类介绍3 2 5 1 2 信号发生器的选择与比较3 2 5 1 3m a x 0 3 8 的功能和电路原理“3 7 v i 东北大学硕士学位论文 目录 5 2 集成运算放大器4 1 5 2 1 集成运算放大器的分类4 2 5 2 2 高压大功率运算放大器p a 8 8 ”4 3 5 3 数据采集卡p c l - 8 1 8 h g 4 5 5 3 1 数据采集卡p c l - 8 1 8 h g 的简单介绍4 5 5 3 2 数据采集卡p c l - 8 1 8 h g 的主要参数4 6 第6 章等离子体诊断实验”4 7 6 1 朗缪尔单探针法实验4 7 6 1 1 单探针诊断法的探针设计4 7 6 1 2 朗缪尔单探针诊断法的实验步骤及过程4 7 6 1 3 朗缪尔单探针诊断法的实验条件及结果”4 8 6 2 零发射法实验5 1 6 2 1 发射探针的设计5 1 6 2 2 零发射法的实验步骤及过程5 2 6 2 3 零发射法的实验条件及结果5 3 第7 章结论与展望”5 6 7 1 结论5 6 7 2 展望5 6 参考文献5 8 致谢- - - - - - 6 0 v 东北大学硕士学位论文主要参数符号 主要参数符号 符号中文说明英文说明 彳p 探针面积 p r o b ea r e a c c p 电容耦合等离子体c a p a c i t i v e l y c o u p l e dp l a s m a e e d f ；电子能量分布函数 e l e c t r o ne n e r g yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n e e p f ；电子能量概率函数 e l e c t r o ne n e r g yp r o b a b i l i t yf u n c t i o n m i 离子质量 i o nm a s s ，l e 电子密度 e l e c t r o nd e n s i t y ，l j离子密度 i o nd e n s i t y 足t 电子温度 e l e c t r o nt e m p e r a t u r e 匕 相对离子体电位 p l a s m ap o t e n t i a l v f悬浮电位 f l o a t i n gp o t e n t i a l 空间电位 s p a t i a lp o t e n t i a l ，p 豇r 饱和电子电流 s a t u r a t e de l e c t r o ne l e c t r i cc u r r e n t a 平均自由程 m e a nf r e ep a t h e 单位电荷量： e l e c t r i cc h a r g e 1 6 2 x1 0 1 9 c 德拜长度 d e b y el e n g t h 0 真空介电常数： v a c u u md i e l e c t r i cc o n s t a n t 8 8 5 1 0 1 2 c 2 n * c m 2 i ， 流过探针的电流p a s tt h ep r o b ee l e c t r i cc u r r e n t i t 离子电流 i o nc u r r e n t i t 电子电流 e l e c t r o ne l e c t r i cc u r r e n t 互 离子温度 i o nt e m p e r a t u r e k 波尔兹曼分布常数 b o h r z i m a nd i s t r i b u t i o nc o n s t a n t 1 3 8x 1 0 - 2 3 j k 朋c 电子质量 e l e c t r o nm a s s 9 1 0 9 x 1 0 。1k g r | p 探针半径 p r o b er a d i u s l 探针长度 p r o b el e n g t h ， i j 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 随着薄膜集成电路、等离子平面显示器及其他光电子器件的发展，在微电子工业中， 低温低密度等离子体得到了广泛应用。比如人们用等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 法来沉积薄膜以及用等离子体刻蚀( p e ) 法在基片上刻蚀图形。p e c v d 法沉积薄膜比常 规c v d 法相比，能在较低温度下沉积大面积的优质薄膜；等离子体刻蚀具有湿法刻蚀无 法比拟的精度和方向性。但是，在等离子体技术的工业应用中，对等离子体的物理过程 及特性的了解甚少，通常都是不恰当的把等离子体当作一个只具有输入输出端的“黑匣 子 ，期望通过调节输入参量便能得到相应的输出。显然，这种方法不会很好的满足生 产过程中各个性能指标的工艺参数的要求，因此我们需要深入了解等离子体运行机理， 以便更好的确定并控制等离子体的特性参数，解决存在的问题；对于等离子体沉积过程 中的成膜机理的研究以找到最佳工艺条件，都需要对等离子体的状态及特性进行诊吲。 目前低压等离子刻蚀加工精度已能达到0 2 5l am 。加工精度的好坏和等离子体中电 子、离子密度，能量分布和平均能量等等离子体的参数特性有直接的关系。所以对等离 子体参数特性的测试要求也在不断提高。等离于体的诊断和测试的方法很多，其中 l a n g m u i r 探针诊断技术是l a n g m u i r 于1 9 2 4 年提出的，虽已有了近八十年的历史，但其 处理方法简单、可靠，工作范围宽，探针能直接与等离子体接触，便于测量等离子体各 个部位，并且是测量电子温度的唯一手段。因而l a n g m u i r 探针仍然是迄今应用最广泛的 等离子体诊断技术。但因等离子体放电技术的不断进步，所以探针在形状、材料、数据 采集及处理等方面都有很大改进。本文对l a n g m u i r 探针的设计以及探针电路的设计进行 了深入的研究，并且在溅射法镀膜的过程中对等离子体进行了诊断以及实验结果分析。 1 2 等离子体的相关理论 我们知道，随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态一液态一气态三种 物态的转化，我们把这三种基本形态称为物质的三态。对于气态物质，由于物质分子热 运动加剧，相互间的碰撞就可能使气体分子产生电离，这样的物质就变成由自由运动并 相互作用的正离子和电子的混合物，人们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即 等离子体( p l a s m a ) 。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离 子和电子的总数是大致相等的，总体看来为准电中性，所以也可以把等离子体定义为： 正离子和电子的密度大致相等的电离气体。 ( 2 ) 冷等离子体 指电子温度高、气体温度低的稀薄低压的等离子体。 另外，其他分类方法还有：按存在分类、按电离度分类等。 按产生分类包括【3 j ： ( 1 ) 天然等离子体：就是由自然界自发产生及宇宙中存在的等离子体； ( 2 ) 人工等离子体：就是由人工通过外加能量激发电离物质形成的等离子体。 本文中研究的是人工等离子体。 按电离度分类包括： ( 1 ) 完全电离等离子体：即电离度等于1 的等离子体； ( 2 ) 部分电离等离子体：即电离度大于1 且不是完全电离的等离子体； ( 3 ) 弱电离等离子体：一般指屯离度小于l 的只有少量分子( 或原子) 电离的等 离子体。 1 2 2 等离子体的基本性质 等离子体中包含有电子、离子以及中性粒子。通常情况下，电子带电总量基本等于 离子的带电总量，使等离子体对外表现为宏观的准电中性。虽然等离子体对外界表现为 电中性，但是在等离子体的内部，粒子之间不仅有着引力、斥力的作用，由于所带电荷 的原因它们互相之间还有电磁力这种长程力的作用。由于等离子体内部具有各种带电粒 子且整体呈准电中性，内部具有很强的维持电中性的能力，而且对外有很强的对电场及 磁场的响应特性。等离子体内部粒子活动非常活跃，使等离子体适合于进行能量转换及 参与化学反应。 等离子体的电中性是宏观平均意义的，因为实际上每个带电粒子附近都存在电场， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 该电场被周围粒子场完全“屏蔽”时，在一定的空间区域外呈现电中性，这种“屏蔽” 称为“德拜屏蔽 ，“屏蔽”粒子场所占的空间尺度称为“德拜长度厶。德拜长度厶是 l a n g m u i r 探针诊断方法所求的等离子体参数中的一个【4 1 。 当等离子体稍微偏离电中性时，其内部会产生巨大的静电恢复力，使电荷发生运动 来中和电荷分布的不均匀状态，这样就会产生等离子体的振荡，这种震荡是具有一定频 率的，被称为等离子体的频率。 如果把一个固体浸入等离子体中，固体与等离子体的接触处会产生一层在外界看起 来不发光的薄层区域，这层区域整体带负电位，这个薄层的厚度与德拜长度处于一个数 量级，这就是等离子体的鞘层【5 1 。l a n g r n u i r 探针等离子体诊断技术与鞘层的关系非常密 切，几乎所有关于等离子体参数的理论及公式推导的基础都与鞘层有关。 等离子体还具有扩散的性质，就是气体的浓度由不均匀到均匀混合的过程，在等离 子体中分为两种扩散，一种是带电粒子如电子、离子等的双极扩散，另一种是中性粒子 或原子的扩散。 因为等离子体内部包括带电粒子，带电粒子的运动会引起磁场，所以等离子体内部 也会产生相应的磁场效应。 此外，等离子体还具有波动现象，能够向外界辐射电磁波。 总的来说，等离子体主要具有的性质为温度高、具有导电的特性、化学性质活泼， 容易发生化学反应、能够发光等。 1 2 3 等离子体的主要应用 等离子体技术现在广泛应用于诸多专业领域，而且变得越来越重要。在新材料和加 工领域，等离子体工艺( p l a s m ap r o c e s s ) 或者叫等离子体加i ( p l a s m a - - - p r o c e s s i n g ) 的有关 技术正在广泛地被人们利用。利用等离子体化学活性的薄膜沉积( d e p o s i t i n o ) 与刻蚀 ( e t c h i n g ) ，是尖端电子器件制造中不可缺少的工艺。其中，等离子体化学气相沉积( p l a s m a c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p c v d ) 技术，己经在太阳能电池与液晶显示器件的制造中得 到应用，p c v d 还可以用来研制各种聚合物薄膜、金刚石薄膜、及碳纳米管等新材料。 另一方面，反应性离子刻蚀( r e a e t i v e i o n e t e h i n g ，r i e ) 已成为超大规模集成电路( v e r yl a r g e s c a l ei n t e r g r a t i o n ，v l s 0 与辅助存储器d r a m 等器件的微细加工中必不可少的工艺技 术【6 】。 等离子体技术，主要是低温等离子体技术的实际应用在近年来逐渐得到了广泛的发 展。其中包括在能源领域利用超高密度、超高温等离子体的核聚变发电，等离子体的辉 光放电用于照明，无声放电等离子技术用于化学工业的天然气转化及二氧化碳的利用， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 微波放电用于化学气相沉积，放电等离子体在薄膜制备中的应用，等离子体在化学方面 的应用如高分子化学中的聚合处理等，其他还有等离子体在航天方面的推进技术等。因 此，等离子体正在许多方面得到越来越多的应用，发挥越来越大的作用。 1 3 溅射法镀膜 1 3 1 溅射法镀膜的简单介绍 薄膜材料和薄膜技术已成为当代材料科学与真空技术中最活跃的研究领域之一，在 新材料、新技术革命中具有举足轻重的地位。自从2 0 世纪7 0 年代以来，薄膜技术得到 突飞猛进的发展，无论是在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果，各种新的成 膜方法不断涌现。薄膜制备技术已从最早单一的真空蒸发镀膜发展到目前包括蒸镀、离 子镀、溅射镀膜、化学气相沉积( c v d ) 、物理气相沉积( p v d ) 等在内的门类丰富的 成膜技术。其中，物理气相沉积是由真空蒸镀法、溅射镀膜法、离子镀法组成。最常用 的物理气相沉积方法是溅射【j 7 1 。 溅射现象是一百多年前由g r o v e 发现，在当时便被用于制备薄膜，但早年所用的直 流溅射法有许多缺点，如溅射沉积率太低、维持自持溅射放电的气压高等，所以很长时 间未能得到应有的发展。直到上个世纪六十年代，由于高技术兴起对优质功能薄膜的需 求，加之相关学科的发展，使溅射技术重新受到重视并得到不断完善。特别是1 9 7 4 年 c h a p i n 发明了平面磁控技术以后，溅射沉积技术进入了快速发展时期1 8 一。 溅射法是微电子领域中通用的一种技术，其制备出的薄膜显微结构、均匀性、附着 力都很好，厚度容易控制，并且由于溅射技术的不断发展与改进，使得低温溅射镀膜成 为可能，从而有利于介电薄膜与基体间界面的控制。 溅射法制备薄膜的方法很多，从电极结构上分为：- - 极溅射、三极溅射；从起辉的方 式上分为：直流溅射和射频溅射；此外还有反应溅射、离子束溅射、偏压溅射、激光辅助 溅射、非对称交流溅射、吸气溅射等。 1 3 2 射频磁控溅射方法基本原理 溅射镀膜是利用气体放电产生的荷能离子在电场作用下高速轰击作为阴极的靶，使 靶材中的原子或分子逸出而沉积到被镀基片或衬底的表面，形成所需要的薄膜。若在溅 射系统中加装磁控装置，经由其所建立的磁场可将电子限制在靶材附近作螺旋运动，从 而大大增加电子与气体分子碰撞而离化的几率。当工作气体的离化率增加时，就有更多 的离子轰击靶材而溅射出更多的原子沉积在基片上，因此磁控装置可有效地提高溅射镀 膜的速率。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 众所周知，电子在电场s 和磁场b 的共同作用下，其运动方程为： 譬= 兰( ；+ 孑否) ( 1 1 )一= 一f 十，xn i，11 、 d tm 、7 即电子在电场力和磁场洛仑兹力的作用下，当磁场和电场互相垂直时，则电子的运 动轨迹为一螺旋前进的轨迹。实际上，电子不是由静止状态开始，而是带有一定的速度， 所以电子的运动轨迹不是严格的摆线，而是随阴极的结构不同其电子轨迹发生不同的变 形。 片 磁控靶 图1 1 磁控溅射的下作原理 f i g 1 1p r i n c i p l eo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g 磁控溅射的工作原理如图1 1 所示，它就是以磁场来改变电子运动方向，束缚和延 长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率，有效地利用了电子的能量。 因此，在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击所引起的溅射更加 有效，同时受正交电磁场束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上，这就 是磁控溅射具有“低温”，“高速”两大特点的原型1 0 l 。 在直流溅射中，由于撞击到绝缘体靶的离子会使靶带电，靶的电位上升，致使离子 不能继续对靶进行溅射，因此直流溅射含磁控溅射只能溅射良导体，不能制备绝缘膜， 为此导致了射频溅射技术的发展。射频溅射相当于直流溅射装置中的直流电源部分改由 射频发生器、匹配网络和电源代替，利用射频辉光放电产生溅射所需的正离子。射频电 源的频率可在i - 3 0 m h z 范围内，通常使用的是1 3 5 6 m h z 。在射频电场作用下，电子 时而向这个方向运动，时而向另一方向运动，因而能在阴阳极之间来回振荡，使电离几 率大大提高，因此射频溅射可在低气压( 低到2 x 1 0 - z p a ) 下进行。 射频电源与磁控溅射相结合，就可以实现射频磁控溅射。射频磁控溅射兼有射频和 磁控两类溅射的优点，可很好地提高膜的生长速率和质量，得到了越来越广泛的应用 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 本课题主要研究内容及工作 为了更清楚的理解等离子体从产生到损失的过程状态，要对等离子体的参数( 等离 子体密度、空间电位、悬浮电位、电子能量分布等) 进行测量和控制，即等离子体诊断。 本文的主要研究目的和意义在于溅射法镀膜中，诊断等离子体的参数及特性对薄膜生长 来说非常重要。等离子体诊断技术被用来测量和理解等离子体中荷能粒子的分布规律， 实现薄膜的可控制生长。作为重要的等离子体诊断技术，朗缪尔探针提供了一个接触式测 量低温等离子体参数的简便的办法。 本文的工作主要是利用了两种探针对溅射法镀膜过程中的等离子体进行诊断。第一 种采用朗缪尔单探针，第二种是采用的发射探针。并根据两种不同的探针设计了探针诊 断电路。诊断电路主要由探针部分、传感器、信号发生器、功率放大器和数据采集卡等 部分组成。信号发生器采用的是美国马克希姆公司研制的单片高频精密函数波形发生器 m a x 0 3 8 ，功率放大器采用的是美国a p e x 公司生产的高电压、大功率宽带运算放大器 p a 8 8 ，数据采集卡采用的是台湾研华公司生产的p c l - 8 1 s h g 型嵌入式数据采集卡。探针 探头采用的是直径为0 1 7 5 m m 的钨丝，暴露在镀膜机等离子体区域内的长度约为3 m m ， 探头由传感器连接到外部的探针诊断电路。 图1 2f j l 5 6 0 c i i 型超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机 f i g 1 2f j l 5 6 0 c 1 1u l t r ah i g hv a c u u mm a g n e t r o ns p u t t e r i n gc o m b i n e dw i t hi o nb e a mc o a t i n gm a c h i n e 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 朗缪尔单探针实验过程中采用射频磁控溅射法在制备w s 2 过渡n i 膜的过程中对等 离子体进行诊断实验，实验所用的镀膜装置是采用沈阳科学仪器有限公司生产的 f j l 5 6 0 c 1 1 型超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机，如图1 2 所示。真空系统由2 x z 8 b 型直联旋片泵、f f l 6 0 6 2 0 c 型复合分子泵、预抽阀、挡板阀、放气阀、进气阀以及真 空管道等组成。实验设备还包括射频电源、射频匹配器、电控柜、工控机、水箱等装置 以及d 0 7 型m f c 质量流量控制器、d 0 8 4 b z m 型流量显示仪、数显压强自动控制仪、 z d f 5 2 0 1 型数显复合真空计等测量和控制装置等。 发射探针实验是采用共溅射复合镀膜设备，如图1 3 所示，其中真空抽气系统采用 的是由上海曙光机械厂生产的j k - 4 0 0 t 高真空油扩散泵、抚顺真空设备厂生产的2 x 7 0 旋片式真空泵、沈阳真空设备厂生产的z j 1 5 0 l 罗茨泵、预抽阀、挡板阀、放气阀、进 气阀以及真空管道等组成，本底极限真空度优于1 0 3 p a ，扩散泵预热后可在1 5 m i n 内达 到1 0 3 p a 。具体的探针诊断电路将在后面的章节做详细的介绍。 本文还在实验的基础上，对得出的朗缪尔探针i v 特性曲线进行了分析与比较，得 出了等离子体的一些参数，如：电子温度，等离子体密度，空间电位和悬浮点位等。 图1 3 共溅射复合镀膜设备 f i g 1 3m a g n e t r o ns p u t t e r i n g m u l t i p l e 锄呜e q u i p m e n t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 本文主要的结构安排如下： 绪论：本章节主要介绍课题的研究背景及主要工作，并对等离子体和溅射法镀膜 的相关理论进行了简单的介绍。 第二章：因本文既涉及到有关等离子体物诊断学的基础知识，所以本章节主要讲述 了等离子体诊断学的相关概念及理论，主要内容包括等离子体诊断学的发展和等离子体 的诊断方法。 第三章：本章节主要介绍了朗缪尔单探针诊断的基本理论，以及由实验数据得到朗 缪尔单探针i - v 特性曲线，从而确定等离子体参数的步骤。 第四章：本章节主要介绍了朗缪尔单探针诊断的基本理论，以及由实验数据得到的 l - v 特性曲线，从而确定等离子体空间电位的原理。 第五章：本章主要介绍的是朗缪尔探针诊断电路的设计，其中包括信号发生器的设 计、集成运算放大器的选择和外围电路的设计以及数据采集卡的选用等。 第六章：本章主要介绍了等离子体诊断的实验方面的内容，实验的工作主要包括两 种探针的设计和相关诊断电路的设计，以及实验的条件、步骤、过程等。实验内容包括 单探针法和零发射法两个实验。两种实验探针的诊断电路基本部件都相同，但发射探针 诊断系统中多了一个探针加热电路，目的是通过加热电路来使探针发射电子，这是发射 探针法所必须具备的条件。 结论与展望：就本课题所作的工作得出相应的结论，并对结论和未来工作提出了一 些建议。 东北大学毕业设计( 论文)第2 章等离子体诊断学的概念及理论 第2 章等离子体诊断学的概念及理论 2 1 等离子体诊断的发展历程 朗缪尔探针研究是1 9 2 3 年诺贝尔奖获得者朗缪尔提出的，至今有8 0 多年的历史。 1 9 2 4 年的l a n g m u i r 与m o t t s m i t h 发表了朗缪尔探针理论，2 0 世纪3 0 年代d r u y v e s t e y n 导出了探针电压一电流特性曲线与电子速度分布的关系，到现在朗缪尔探针已经发展出 了多种多样的诊断方法，探针个数包括双探针、三探针、四探针，探针性质包括差分探 针( x 2 探针的一种) 、射频探针、发射探针等探针技术已经用于实际。单探针在数据采 集中需要一个与等离子体接触良好的电极或室壁作为参考电极，有时不具备这种条件， 并且有时等离子体的空间电位是不断变化的，这样，1 9 5 0 年j o h n s o n 和m a l t e r 创立了对 称双探针系统，适用于等离子体空间电位不确定的放电，它比单探针系统能够更方便准 确地确定等离子体的空间电位。三探针主要用于测量空间电位不断变化的等离子体参 数。 朗缪尔探针的研究主要集中在理论研究和探针结构生产上。 理论研究上，美国的等离子体诊断专家eec h e n 自2 0 世纪6 0 年代开始发表了一 系列对于l a n g m u i r 探针的研究著作，对相关的各种理论包括在高密度等离子体中的探 针诊断应用以及多种离子收集理论如o m l 、a b r 及b r l 等进行了总结性的研究【1 l l ， 也制作了一些用于等离子体实验的探针，并且通过实验数据总结出一些结论。 如今我国等离子体的基础研究和应用中越来越多的要求对等离子体进行实时测量， 所以对于l a n g m u i r 探针的研究发展也比较迅速，但主要是在于其应用，对于其理论推 广及研究也有所涉及。林揆训等比较详细地研究了用探针诊断射频等离子体的方法，这时 必须克服很强的射频干扰他们采用了一种调谐探针的技术，即在探针回路中串联一可调 谐其谐振频率的电抗，使得在探针与等离子体之间的鞘层上所降的射频电压远远小于直 流电压，从而抑制了射频干扰他们还采用了加热探针的技术，克服了在薄膜沉积过程中诊 断等离子体的困难( 我国低温等离子体研究进展) 。大连理工大学近年来对于1 a n g m u i r