（测试计量技术及仪器专业论文）微波ecr等离子体探针检测的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，微波电子回旋共振( e c r ) 等离子体源越来越受到人们的关注，因 为它能在低气压下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体。微波e c r 等 离子体还具有无内极放电和放电离子低溅射率的优点，正是由于这些优点，使其 在刻蚀技术、薄膜制备技术和离子源等方面得到了广泛应用。而应用效果的好坏 直接与等离子体的重要参数电子温度、离子密度、能量分布等相关。因此，准确 可靠的测量等离子体放电参数不仅对等离子体基础理论的研究，而且对应用等离 子体工艺技术的改进都是十分重要的。 目前，国内多数等离子体应用领域均缺少对等离子体参数进行测量的环节。 在微波e c r 等离子体诊断技术中，探针技术具有结构简单、操作简便和测量得到 的参数较全面的优点。国内目前没有商用的朗缪尔探针( l a n g m u i r ) ，因此开发朗 缪尔探针诊断系统具有创新意义和实用价值。本文引入了探针诊断技术，并将计 算机及单片机集成技术应用于该探针诊断系统，提高了系统运行的自动化程度。 本文完成的主要工作归纳为以下几点： 1 结合了微波e c r 等离子体的特点以及等离子体探针诊断技术，设计了一种 新型的朗缪尔探针，很好的解决了真空密封和微波泄漏的问题。 2 设计了频率可调的锯齿波扫描电压，达到了快速扫描的要求。 3 设计了探针电流、电压检测电路，并很好的解决了p c 和单片机的串口通信， 实现了实时采样和特性曲线的实时显示。 4 完成了基于v c + + 6 0 的人机界面的设计，可视化效果好，功能齐全。 5 将该诊断系统应用于微波e c r 等离子体c v d 系统上进行实验，获取等离 子体参数，对实验结果进行分析，提出系统改进方案。 关键词：微波e c r 等离子体，l a n g m u i r 探针，探针诊断系统，电子温度，离子 密度 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o w a v ee l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ( e c r ) p l a s m ah a sa t t r a c t e dal o to f a t t e n t i o n 勰l e yc a ng e n e r a t eu n i f o r mp l a s m ao nl a r g ea r e aw i t hh i g hd e g r e eo f i o n i z a t i o na n dh i 曲d e n s i t ya tl o w o p e r a t i n gp r e s s u r e f u r t h e ra d v a n t a g e so ft h ee c r p l a s m a sa l el o ws p u t t e r i n gr a t e sb yt h ec h a r g e dp a r t i c l e sa n de l e c t r o d e l e s sd e s i g n w i t ht h e s ea d v a n t a g e s ，m i c r o w a v ee c rp l a s m a 缸d sn u m b e ro fa p p l i c a t i o n si nt h e a r e a so f e t c h i n gt e c h n o l o g i e s ，t h i nf i l md e p o s i t i o na n dp l a s m as o u r c e t h el e v e lo ft h e a p p l i c a t i o n s i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h ep l a s m a , s u c ha s e l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，i o nd e n s i t ya n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o ne n e r g y t h e r e f o r e ， d i a g n o s i n gp l a s m ad i s c h a r g ep a r a m e t e ri sc r i t i c a li nt h ef u n d a m e n t a ls t u d yo fp l a s m a a n dt h ei m p r o w * m e n to fp l a s m at e c h n o l o g y b u tw ea r el a c ko ft h ed i a g n o s i n gp a r ti nm o s tp l a s m aa p p l i c a t i o na r e a sa tp r e s e n t a m o n gt h o s ep l a s m ad i a g n o s e st e c h n o l o g i e s ，t h ep r o b et e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e s o fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，b e i n ge a s yt oo p e r a t ea n d g e t t i n gt h ea l l s i d e dp a r a m e t e r p l u s t h e r ei sn oc o m m e r c i a ll a n g m u i rp r o b ea th o m e ，8 0i t sr e a l l ym e a n i n g f u lt od e v e l o p t h el a n g m u i rp r o b ed i a g n o s t i c ss y s t e m 1 1 1 i st h e s i se m p l o y st h ep r o b ed i a g n o s t i c s t e c h n o l o g ya n di m p r o v e st h ea u t o m a t i o nl e v e lo ft h es y s t e m 、析t l lt h eh e l po fc o m p u t e r a n ds c mi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y n 圮c o n t e n t st h i st h e s i si n c l u d e da sb e l o w ： 1 o nt h eb a s e o ft h ek n o w l e d g eo fm i c r o w a v ee c rp l a s m aa n dp r o b e d i a g n o s t i c st e c h n o l o g y , t h i st h e s i sd e s i g n san e w l yl a n g m u i rp r o b ea n ds o l v e st h e p r o b l e m so ft h em i c r o w a v el e a k i n ga n d v a c u t l l l ls e a l 2 t h i st h e s i sd e s i g n sas a w - t o o t hp o w e rs u p p l y 、i t l lt h eo u t p u tf r e q u e n c y a d j u s t a b l ea n da c h i e v e s t h er e q u i r e m e n t so ff a s ts w e e p 3 t h i st h e s i sd e s i g n st e s tc i r c u i to fp r o b ec u r r e n ta n dv o l t a g ea n dw o r k st h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n ds c mo 此a n dr e a l i z e st h er e a l t i m es a m p l i n ga n d d i s p l a yo ft h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 4 t h eu s e ri n t e r f a c eb a s e do nv i s u a lc + + 6 0h a sg o o dv i s u a l i z a t i o na n d c o m p l e t ef u n c t i o n 5 ad i a g n o s t i c si sd o n eo nt h em i c r o w a v ee c rp l a s m ac v d f a c i l i t y w eg e tt h e p l a s m ap a r a m e t e r , t h e na n a l y z et h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dg i v e t h ei m p r o v e m e n t a d v i c e s k e y w o r d s ：m i c r o w a v ee c rp l a s m a ，l a n g m u i rp r o b e ，p r o b ed i a g n o s t i c ss y s t e m ， e l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，i o nd e n s i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔 日期：川年占月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 新躲辑 日期：砷年与月目 第一章绪论 1 1 微波e c r 等离子体概述 第一章绪论 冰升温至0 会变成水，如果温度继续上升至1 0 0 ，那么水就会沸腾成为水 蒸气。随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态、液态、气态三种物 态的转化过程，这三种基本形态被称为物质的三态。那么对于气态物质，温度升 至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞， 就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电 子组成的混合物。我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 ) t 。等离子体中存在高密度的带正电荷的离子和带负电的电子，它们不停 的运动着。对于离子和电子来说，电离产生的正负电荷总是成对出现的，所以等 离子体容器中的正电荷量与负电荷量大致相等，从整体上说为电中性。反过来， 我们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。 1 1 1 微波e c r 等离子体特点 随着人们对微波放电技术的深入研究，微波放电已经发展成为气体放电物理 和技术研究中的新兴领域，并且得到了广泛的应用。研究人员发现，使用适当的 微波腔，当工作气压在几个大气压到1o 3 p a 之间时，微波放电都能有效的建立和 维持。高气压、高温( 1 0 0 0 k ) 微波放电被用于等离子体切割、冶金、喷涂等热 处理方面，低气压、低温微波放电被用于等离子体镀膜、刻蚀、表面清洗等方面。 低气压、低温等离子体是在气压范围1 p a 到l o o p a 的气体中进行直流或射频 放电产生的。直流辉光放电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电。而且 密度低、电离度低，运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电 技术逐步地发展起来，这是一种无极放电，且等离子体参数比辉光放电有所提高， 因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度低，运行气压高，应用范围仍然 受到限制。 电子科技大学硕士学位论文 在低气压、低温放电方面一个重要的最新发展是电子回旋共振( e l e c t r o n c y c l o t r o nr e s o n a n c e ) 放电【2 1 。表1 1 为不同放电形式下，等离子体参量的比较。 表1 - 1 不同放电形式的等离子体参量比较【3 1 等离子体产生方式d c 放电 r e 放电e c r 放电 放电频率( m n z ) d c1 3 5 6 2 4 5 0 电子温度( e v ) 几个几个几个至几十个 等离子体密度 0 1 l- 11 0 1 0 0 ( * 1 0 1 0 锄3 ) 工作气压( p a ) l 1 0 0l 1 0o 0 0 l o 1 电离度( ) 1 0 ) i 5 等离子体发生区与样品台分开，使轰击样品表面的荷电粒子能量和流量可 以独立控制： 6 低温下激发的高密度活性基有利于高温材料的低温合成； 7 没有电场加速，离子能量低( 2 0 - - 3 0 e v ) 。 正是由于上述特点，e c r 放电等离子体在许多等离子体应用中得到广泛而迅 速的发展。 2 第一章绪论 1 1 2 微波e c r 等离子体技术的应用前景 近年来，微波e c r 等离子体技术越来越受到人们的关注，因为它能在低气压 下产生高密度、高电离度、大体积均匀的等离子体。微波e c r 等离子体还具有无 内极放电和放电离子低溅射率的优点，正是由于这些优点，使其在刻蚀技术、薄 膜制备技术和离子源等方面得到了广泛应用【4 】。 1 等离子体刻蚀 与其他等离子体相比较，电子回旋共振( e c r ) 微波放电产生的等离子体密 度高( 1 0 i o1 0 1 2 c m 3 ) ，电离度大，并且当工作气压低于l o - 2 p a ，离子能量在( 2 0 - - 5 0 ) e v 范围内，在刻蚀技术方面有很大的发展潜力。e c r 等离子体最初就是被用于 刻蚀硅的。随着微波e c r 等离子体技术在微细加工领域的发展，其可以在晶片上 刻蚀出0 3 5 9 m 并且精度较高的图样。加上射频( 1 心) 偏压( 功率5 0 6 0 w ) 时， 刻蚀速率达2 5 0 n m m i n ，均匀性好( 1 4 2 t r ) 【5 1 。 表1 2 为e c r 等离子体技术对几种材料的反应离子刻蚀情况，刻蚀气体、工 艺参数的选择是影响刻蚀速率、选择性以及刻蚀图形的主要因素，工作气压、气 流量及流量比、衬底偏置、微波功率是e c r 刻蚀工艺的主要控制参数。 表1 - 2e c r 等离子体刻蚀的材料和刻蚀气体【6 】 刻蚀材料刻蚀气体刻蚀速率( a m s )选择性：1 ：艺条件 s i 栅 s i c h m s 矾 p o l y - s i c 1 2 s f 6 ( + 少量0 2 ) c 4 】f 8 ( 或o f , ，c 2 f 6 ) s ic h ( 或c c h , b c l ) c f 4 + 0 2 c f 6 + 0 2 + a r 2 8 石2 1 7 1 7 o 0 4 3 7 s i s i 0 22 0 - 5 01 0 - 2 1 0 - 1 p a ，8 0 0 w , c h s f 6 ：5 0 c m 2 m i n s i 0 2 0 22 0 3x1 0 吐p a , 1 0 0 3 0 0 w a i s i 0 26 离子电流密度0 5 l ma 锄。2 l o - 5 1 0 4 p a , s 0 0 w , 衬偏：1 0 0 m h z p o l y - s i s i 0 28 5 1 2 5 1 0 一。p a 2 薄膜制备技术 微波e c r 等离子体在各类薄膜的制备技术上应用最多，如i c f 基础、基准物 理实验薄膜靶、类金刚石薄膜( d l c ) 、氧化物薄膜、氮化物薄膜、光学薄膜，还 可以和磁控溅射技术、离子束溅射技术、分子束外延技术等相结合，制备各种类 型的薄膜【7 1 。 e c r 等离子体与固体表面的相互作用，及其在薄膜沉积过程中的作用是个 电子科技大学硕士学位论文 十分复杂的问题。理论和实践表明，等离子体参数( 如电子温度、等离子体密度、 离子轰击能等) 对薄膜的沉积速率、沉积的均匀性、及薄膜的结构和性能有很大 的影响，高的等离子体密度则意味着更多的离子、活性基成分，这些都有利于薄 膜的制备。而e c r 等离子体就具有这些优点。由于e c r 等离子体能在低温、低 气压下产生高活性等离子体，从而避免了高温对仪器造成的损害及薄膜晶格缺陷 的产生，在薄膜材料合成，尤其是在高温材料的低温合成中具有无法比拟的优势。 3 离子源 用高密度离子束进行表面处理是- i - j 新兴的技术，在微波e c r 等离子体发展 的初期，其就在离子刻蚀技术上开始应用。如k e i z os u z u k i 等将c f 4 和0 2 混合在 一起，调节其混合比来调节刻蚀速率，当混合比y = o 2 时，刻蚀速率达 2 6 x 1 0 - 2 j u r a r a i n 。后来，n o r i y u v ds a k u d o 等把时、h 2 在磁镜中用2 4 5 g h z 的微 波进行放电，得到了高密度的等离子体。法拉第筒测试表明：在直径3 m m 的范 围内，经三级多孔棱镜后，氩离子束流为2 0 0 m a ，氢离子束流为4 0 0 m a 。eg h a n b a r i 等采用功率为1 k w 、频率为2 4 5 g h z 的微波源，用氩气( p j i 。因此，金属丝刚插入等离子体内的极短时间内，金属 丝表面会出现净的负电荷。该负电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子。过程平 衡时，金属丝的电位为v f o 若以放电管的阴极或与等离子接触的管壁为参考电极， 设等离子体空间电位为，则在k v f 作$ v ，j , - - j i 。v f 即为悬浮地插入等离子 体中的金属丝的悬浮电位。显然，咻，亦即在金属丝与等离子体之间形成了 一个电位差为- v f 的鞘层。 向金属丝飞来的正离子不受鞘层电场的影响；而电子在穿越鞘层时，受到拒 斥场的作用，只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面。根据 玻尔兹曼分布函数，可知能穿过这个势垒的电子浓度为： 巩e x p 卜掣】 ( 2 - 5 ) 其中1 1 c 0 为等离子体区域内的电子浓度。平衡时，j d i ，即： l o 第二章静电探针的测量方法 一ve x p 一掣h 虿 ( 2 6 ) 因n e o - - n i ( 设等离子体离子为单电荷离子) ，粒子平均热运动速度为v ： 8 k t ( 兀 m ) 1 2 故( 2 6 ) 式可改写为： = 等h 睁纠( 他m i t 豹。 仁7 ， 2 2 1 静电单探针的工作原理 静电探针及其测量电路如图2 - 1 所示。将探针插入等离子体内，它收集到的 电流i p 及其电位v p 之间的关系称为探针伏安特性。调节电位器可使探针的电位 发生变化。假设在探针电位变化的过程中，待测等离子体的状态保持稳定。对应 探针电位由负变到正的每一个电位值，记录下电流表所指示的相应的每一个流过 探针的电流值。据此即可得探针伏安特性曲线如图2 2 所示。其中，横坐标是探 针电压v p ，纵坐标是探针电流i v 。 l 印k o j 丌 i 1 丫n 0 i v s p 7 i 图2 - 1 单探针诊断装置图2 - 2 单探针伏安特性曲线 。哆 探针电流与未受扰动的等离子体和探针之间的电位有关。如取一个基准电极， 则有v = v p - v s p ，其中v s p 是探针附近未受扰动的等离子体和基准电极之间的电位 差。为了便于说明，可根据v 的大小和符号，将整个单探针特性曲线划分为三个 区域。 1 离子饱和区 电子科技大学硕士学位论文 这个区域对应的范围是v 0 ，即探针电位v p 远远小于等离子体空间电位v s p ， 即v p = v s p 时，探针电流到达 电子饱和电流；而当v p ( v s p 时，探针电流按指数函数衰减。故在i - v 曲线上会出 现一拐点，此拐点对应的横坐标即为等离子体空间电位。 1 2 第二章静电探针的测量方法 在v f a 得以满 足，静电探针理论还是成立的。 2 3 。3 时间响应 等离子体与金属、电介质等固体接触的交界区域，会形成被称为鞘层的空间 电荷层。通常，鞘层的厚度约为德拜长度的数倍【1 1 ，表示为： 吼，而 德拜长度毛= ( 南等) 当探针电位v p 变化时，空间电荷层也将随之变化，并 且要经过一定的时间后才能到达新的平衡值，所以探针收集的粒子电流也是逐渐 地趋向新的平衡值的。由于电子速度远大于离子速度，电子几乎可以瞬时地响应 外电压的变化，因此探针的响应时间【1 6 】主要由离子的运动决定。离- - y 运动的平均 速度为i = 厝量级，因此由鞘层厚度矗和离子的平均运动速度巧可以估算出探 针的最高频率响应，约为离子响应频率国= 而实际情况不是这么简单，因为探针工作于正负扫描电压区时的响应时间是 有差别的。当探针工作于离子饱和区时，离子鞘层厚度的变化主要是由电子的运 动引起，因而其响应时间快些。当静电探针工作于电子饱和电流区时，电子鞘层 厚度的变化主要是由离子的运动引起的，因而其响应时间要慢些，约1 “j 。当探 针工作于过渡区时，离子鞘层厚度几乎不变，只有电子的惯性限制了其频率响应， 因而其响应时间可短达1 0 。8 s 。 所以，在实际测量探针的伏安特性曲线时，应该采用快速扫描的方法，以尽 量减少空间电位变化对测量结果的影响。 2 3 4 二次电子发射 在前述的静电探针的简单理论中，都是认为带电粒子到达探针后都有被完全 吸收。但是，实际情况不尽如此，总还会有一些其它过程存在，例如可能发生二 次电子发射、电子的反射、光致电子发射和探针材料的溅射等。 电子反射会使电子电流减少，但是按麦克斯韦分布的电子到达探针时其速度 分布不受v p 的影响，因而其反射系数不随v p 变化，所以电子反射现象并不会影 第二章静电探针的测量方法 响由过渡区l n i v 曲线的斜率所测定的k t e 的数值。光致电子发射效应一般只有 工作电压较高时和在高温等离子体中应用时才比较重要。而本文所研究的微波 e c r 等离子体属于低温等离子体的范畴，所以光致电子发射效应产生的影响不 大。二次电子发射效应【l6 】会使探针在正偏压区测得的离子电流偏高，当探针工作 在负偏压时，由于二次电子仍被探针所收集，其影响不大。为了减少二次电子的 发射，就需要采用功函数高、二次发射系数低的材料做探针材料。本文第三章探 针设计部分将详细讨论探针材料的选择。 2 3 5 探针污染 探针的污染一般是指等离子体中各种杂质在探针表面的沉积，也包括探针表 面形成的各种氧化层这里是指广义的氧化产物，包括氮化物，碳化物等。探针 表面污染层的存在将增大探针实际的带电粒子接收面积，并使探针表面形成了一 个电阻层，使得按通常方法测得的电子温度偏高，严重的情况下使得测量根本无 法进行。所以，一个新探针或一个长期不用的探针必须清洗。 消除污染的方法一般是对探针进行放电清洗，在探针材料的选择上也应该挑 那些不易被氧化，不易形成沉积层的材料。本文采取的清洗方法如下：用一个容 器，注满饱和n a o h 溶液，把探针浸入溶液中，同时在溶液中放一个直径约2 m m 的铜杆作为电极，把探针头接到正电压端，铜杆接到负电压端，慢慢增加电压， 直至有气泡出现，约十分钟后，关掉电源，用酒精再对其清洗并吹干。 2 4 本章小结 本章首先介绍了静电探针的适用条件和应用范围，并较为详尽的介绍了单双 探针的工作原理，最后对静电探针在测试中可能出现的几个问题作了详细的分析， 并提出了相应的解决方法。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章静电探针测试系统的设计 实验室所使用的简易探针测试系统主要是由电流表、电压表这样简单的分立 元件搭建的电路，设备比较简单，只能满足基本的测试需求，但是实验结果存在 很大的误差，因为扫描和采样频率都相当有限，器件抗干扰能力差。随着集成芯 片技术的发展和采样率的提高，实验室引入了带前端隔离的数据采集卡，这样采 样率和精度都得到了提高，但是缺点是系统的集成化程度低，抗干扰能力还是没 有得到提高。由于测试系统元器件多，接线复杂，可扩展性差，当测试系统应用 于不同实验现场时，又存在适应性差的问题。针对现有测试仪器存在的不足，所 以有必要设计一个集成化的抗干扰能力强的测试系统。 3 1 静电探针测试系统的搭建 等离子体探针诊断技术和其他测试技术一样，在其发展过程中要求不断的提 高测量的速度和精度，减少测量对象的扰动。按照所研究的等离子体的性质的不 同，在测量电路中逐渐形成了两大测试技术“静态测试技术 和“瞬态测量技术一。 对于稳态等离子体，由于其处于稳态，可以在任意时刻内记录采集数据，为此采 用静态测量技术。研究瞬态等离子体时，由于衰减和波动的存在，必须瞬时记录 数据，为此采用动态测量技术。不管是采用哪种测量技术，有一点是相同的，那 就是都需要迅速改变探针对等离子体的电位，同时测得该电位所对应的探针电流， 从而完成探针伏安特性的测量。 e c r 等离子体属于瞬态等离子体的范畴，因此需要采用动态测量技术。本论 文采用快速扫描法对e c r 等离子体进行诊断。本文构建了图3 1 所示的探针测量 系统。 由图3 1 所示，系统主要包括探针扫描电源模块、探针电流电压检测模块、 单片机p c 串口通信和实时数据采集模块。为了提高系统的抗干扰性，我们在探 针电流电压检测电路和单片机之间设置了光电隔离，另外我们也尽量选用低功耗 和集成度高的器件，使系统便于携带，方便安装。在第四章我们将介绍各部分详 细设计情况。另外需要说明的是，该测试系统所使用的探针是结合了微波e c r 离 第三章静电探针测试系统的设计 子体的特点和现有的e c r 等离子体c v d 系统的结构来设计的。在后序章节将详 细介绍探针设计要点和探针结构。 图3 1探针测试系统框图 3 2 静电探针测试系统介绍 3 2 1 系统结构介绍 本文所设计的探针测试系统是一个数据采集和闭环控制系统，我们引入了计 算机和自动化控制技术，主要是通过软件设置来进行控制，比如扫描电压范围以 及a d 采样速率等。本文第五章将给出软件设计的详细情况。它连续的采集等离 子体在线性扫描电压下的导通电流信号和对应的探针电压信号，并且送到p c 机 进行处理，实时显示等离子体i v 特性曲线，并通过数据处理依次推导出有关等 离子体的电子温度、密度、空间电位和悬浮电位等重要参数。 实际操作步骤如下： 第一步，由测试系统的应用软件控制，设置扫描模式、启动扫描。 第二步，d a 转换芯片通过软件编程，产生幅度在呲4 v 、频率可调的锯齿 波扫描电压。 第三步，探针电源产生电路首先将这个单极性连续变化的信号转变为双极性 的，再根据需要适当放大，把它加到探针上，进行等离子体探针扫描测试。 第四步，由取样电阻，将探针电流信号线性转变为电压信号，同时探针电压 信号按比例衰减后，和探针电流信号一起送到1 2 位的刖d 转换电路，得到的探 针电流值和电压值再经过串口送回计算机。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 第五步，应用软件实时显示等离子体的i v 特性曲线，并根据静电探针的理 论公式，给出我们所需要的等离子体基本参数值。 3 2 2 系统指标设计 1 探针扫描电压范围：1 0 0 v 1 0 0 v ，扫描频率范围：4 0 0 h z 2 0 z ； 2 探针最大扫描电流g2 0 m a ； 3 1 2 位d a c ，扫描步长 o 0 5 v ； 4 1 2 位a d c ，转换速率1 0 0 k s p s ； 5 顺4 试系统软件实现功能g 1 ) 参数设置功能：可以在软件中设置“扫描模式 。根据实验需要选取“单 探针“模式 或“双探针 模式；测试软件通过m s c o m m 控件进行串口通信参 数设置。 2 ) 曲线实时显示功能：通过m s c h a r t 控件设置，实现了等离子体i - v 曲线 的实时显示。 3 ) 曲线缩放、保存功能：曲线可以根据显示窗口的大小变化而变化，并以图 片形式保存。 4 ) 数据处理功能：曲线拟合后，可以计算出等离子体的电子温度、密度等参 数，并显示在主界面上。 3 3 静电探针的设计 本文第二章介绍了探针的工作原理，由此知道探针理论是在一定的假设条件 下提出的。而实际上探针和等离子体之间是有相互作用的，探针的尺寸、几何形 状、温度、表面状况都会引起探针伏安特性曲线的扰动【1 1 】。针对微波等离子体的 特性，在微波泄漏和真空密封方面也做了考虑，下面就探针的这几个可能存在的 扰动因素进行探针设计要点的讨论。 3 3 1 设计要点 1 ) 探针尺寸选择 根据第二章阐述的探针的适用条件可知，探针的尺寸应该满足如下基本条件： 第三章静电探针测试系统的设计 砧r 乃 其中，k 为等离子体粒子的平均自由程，乃为德拜长度，r 为探针的半径。 在此范围内，我们认为应该选用尽可能小的探针直径，以减少对等离子体的 干扰，提高空间分辨能力，消除空间电荷效应等不良影响。为了取得较好的平均 以消除类似端部效应等问题，一般选择探针的长径比大于2 0 。 2 ) 探针材料的选择 常用的制作双探针的材料有不锈钢丝、钨丝、钽丝、铜丝等。其中钨丝比较 容易获得，加上其本身又是熔点最高的金属，所以常被作为选用的材料。但是钨 丝存在着一些缺点：如高温下容易被氧化，材料脆性较强一不容易弯折成各种形 状，和其他材料焊接性能不好这给安置引出线带来许多不便。铜丝这种材料则 非常容易得到，延展性和焊接性能都比较好，作为对低温低密度等离子体的测量 是可行的探针材料，其缺点就是熔点较低，在装置中存在尖端放电的可能时( 如在 我们的表面波微波装置中) 及对探针表面进行放电清洗的时候容易损坏，它的化学 性质也较活泼，容易与某些等离子体中成分发生反应。实验中选用的比较理想的 材料是钽丝，主要考虑的是其延展性和耐高温性能都比较好，不容易氧化，同时 它与铜引出线的焊接比较方便。 在2 3 3 节中，我们对于探针表面升温的讨论中，提到了探针材料的q 值越 高，使材料熔化所需要的时间就越长。因为探针受粒子轰击和电磁波辐射，使其 本身温度升高，甚至可能使探针熔化，所以我们应选择q 值高的材料作为探针材 料，即熔点高的材料如上面提到的钨丝、钽丝。表3 1 列出了几种绝缘材料和不 锈钢的q 值。由表可看出，不锈钢和氧化铝陶瓷都有较高的q 值，可使用它们分 别做探针材料和复套材料。 材料 q 值【( w m 之) 2 s 】 石英玻璃6 x 1 0 1 2 氧化铝陶瓷 l x l 0 1 4 尼龙 2 1 0 1 0 聚四氟乙烯 5 x 1 0 1 0 不锈钢 l 1 0 1 4 另外为了减少二次电子的发射，就需要采用功函数高、二次发射系数低的材 料做探针材料。表3 - 2 给出了几种常用的探针材料的物理性质。 电子科技大学硕+ 学位论文 表3 - 2 探针材料的物理性质 材料原子量 比重( 锄3 ) 功函数( v )熔点( c ) 溅射率( g c m 2 ) a l2 72 6 74 2 06 6 0 11 0 7 f e5 5 97 8 14 6 31 5 3 52 3 1 n i5 8 78 94 9 11 4 5 32 4 m o9 61 0 24 2 42 6 1 03 9 t a1 8 1 0 1 6 64 1 32 9 9 67 4 w 1 8 3 91 9 44 5 33 3 9 57 7 p t1 9 5 22 1 4 55 3 61 7 6 91 5 8 表中所列的溅射率是用电流密度为l a c r t l 2 、能量为l k e v 的h g 离子轰击材 料时所测得的实验值。最常用的探针材料是铝( m o ) 、钨( m 、铂u 9 1 。而绝缘 材料一般是用玻璃、石英和高纯的氧化铝陶瓷等，也可以采用氮化硼、氧化铍等， 氮化硼比较容易加工，而且它们的热导系数都比较高。 3 ) 探针的几何形状 在实际应用过程中，探针理论通常都把探针的几何形状假定为平面的、圆柱 形的或者球形的【1 3 1 ，如图3 - 2 所示。一般情况下，没有考虑探针引导线对探针的 影响。为了满足平面探针的几何条件，可以采用保护环的方法，从而克服平面探 针的边缘效应。但是，保护环的办法对于球探针或圆柱探针是不适用的。 保护环 绝缘套筒i 蔽套 卷线 绝缘支撑 导线 球探针 图3 - 2 从左至右：平面探针、圆柱形探针和球形探针 为了减少由探针边缘效应引起的对等离子体的扰动，平面探针通常被做成圆 盘形，而且圆盘形收集平面突出在绝缘简之外，这样就避免了绝缘套筒对探针场 的破坏，也方便了探针有效面积的确定。同时为了保持绝缘套筒的绝缘性能，尽 量避免导电膜蒸发或溅射到绝望套筒上，可以在平面探针外围设置一保护圆环， 制作材料可以相同也可以不同，这样也进一步降低了探针边缘效应的影响。保护 第三章静电探针测试系统的设计 圆环与探针之间存在很小的间隙，间隙要小于或等于鞘层厚度，另外保护圆环的 电位要和探针的电位保持一致。 球探针和圆柱探针对等离子体的扰动比平面探针的扰动小，但是球探针和圆 柱探针的理论相对来说比平面探针要复杂。 圆柱形探针长度应远大于其直径，被广泛应用于等离子体诊断中。实际应用 中，可以通过改变探针的长度来消除探针的端部效应。当探针的长径比( 长度和 直径的比值) 大于或等于1 0 ：1 时，探针的端部效应很小，甚至可以忽略其影响。 然而实际的圆柱探针长度是有限的，为了克服探针的边缘端部效应，在选择探针 长度时，应尽量接近无限长圆柱的假定条件。和平面探针一样，在实验过程中， 会有探针金属材料溅射到圆柱探针的绝缘支撑上，这样将导致探针有效面积增加， 从而使测量误差增大。可以采取在探针支撑周围加屏蔽套，并在探针和屏蔽套之 间放上隔离卷线的方法，以达到降低误差的效果。 以上讨论了如何采用保护环的方法来消除平面探针和圆柱探针边缘效应的影 响，以及引导线对探针的影响。 假设在探针引导线周围加上绝缘层，那么绝缘层外面鞘层的扰动比没有加绝 缘层的引线外面鞘层的扰动要大。如果加上绝缘层之后，探针引线长度就要做长 些，因为太短的话不能支撑引线，因此也不能减少扰动。绝缘层通常具有悬浮电 位，绝缘层不仅能影响探针附近的电位分布，而且还影响带电粒子密度。总之， 为了尽量减少探针及其支撑部分对区域等离子体性质的影响和测量，要尽可能的 将探针引线做得又细又长，并使其表面积远小于探针的表面积，好的探针支撑部 分的尺度要小于电子和离子的平均自由程，这样对等离子体影响最小。 3 3 2 探针结构的设计 根据3 3 1 节所述的探针设计要点，本文采用了钨丝作为探针材料，探针屏 蔽体和支撑体分别选用了氧化铝陶瓷和不锈钢管，都是q 值高的材料。 探针结构如图3 3 所示。钨丝有一段露出屏蔽体，钨丝与铜丝用电火花焊接 相连，为了实际应用的方便，也可以不用电火花焊接，只要保证钨丝和铜丝接触 良好就可以了。同时为了确保探针能恰好位于陶瓷套管内孔的中心，在探针伸入 陶瓷套管之前，给它加套上一个直径在1 到1 5 m m 的聚四氟乙烯的同芯套管，然 后再将其推入陶瓷套管内，以刚好不露出为宜。另外即使陶瓷套管表面被沉积上 了导电膜，探针也不会与导电膜接触，这样也确保了探针有效面积的不变。 电子科技大学硕士学位论文 1 钨丝：2 聚四氟乙烯套管! 焊接点：4 陶瓷管；! 铜丝6 不锈钢管，7 腔体壁 l 焊接件：9 转接件a ，1 0 金属环：1 i 不锈钢片，1 20 型匪1 3 转接件b 纠3 - 3l a n g m i u r 探针结构图 探针支撑体不锈钢管加工成细长型，是为了尽量减少其对被测等离子体的影 响。铜丝经真空密封处理后引出不锈钢管，作为与探针电路的连接头。 理论上讲，探针尺寸是越小越好( 愈细愈好) ，因为探针愈细，对待测等离子 体的干扰就愈小。但是从加工难度以及防止微波泄漏的角度考虑，本文设计的钨 丝直径为o 5 m m ，陶瓷套管的内径为45 m m 。由截止波长的计算公式 ( 4 ) m = 2 ( 口2 一q ) ，可得由陶瓷套管和钨丝构成的同轴线截止波长约为4 m m 。而 本文传输微波的工作频率为2 4 5 g h z ，波长约为1 2 2 m m ，远大于截止波长，因此 微波不可能由探针传输。另外，在不锈钢管的尾部，如图3 3 所示，加入了o 型 的橡胶圈，其中添加了高频材料可以吸收微波，从而抑制了微波的泄漏。 实际设计过程中，如何解决探针装置的真空密封问题也是一个难点。本文主 要从两个方面着手，一方面：在位于等离子体室外的不锈钢套管的内部上下对称 焊接两个具有一定厚度的不锈钢片，其旁边放置一大小适当的o 型圈，不锈钢管 末端外部和转接件b 的内部都加工成螺纹当我们顺着螺纹拧动转接件b 的时候， 转接件b 的底端往前移动从而挤压o 型圈，使之变形、紧贴旁边的不锈钢片，这 第三章静电探针测试系统的设计 样就确保了探针部分的密封性。另一方面：如图3 3 所示，利用转接件a ，使探 针的支撑部分不锈钢管穿过真空室壁上的焊接件的通孔，这样，就可以使探针装 置固定于腔体壁上，并保持探针悬浮于待测等离子体室中。焊接件与腔体壁接触 的边缘采取了满焊，另外焊接件的外端部和转接件a 内部加工成螺纹，焊接件与 不锈钢管之间的空隙放置大小合适的金属环和o 型圈。实际应用时，把转接件顺 着螺纹拧紧，拧紧的同时转接件的底端随之挤压金属环，金属环顺势挤压o 型圈， 使之变形、紧贴焊接件底端内侧，从而解决了焊接件部分的真空密封问题，保证 了不锈钢和腔体壁孔接触的密封性。 实验结果表明，本文的探针装置对c v d 系统真空室的真空度造成的影响甚微。 由于不锈钢管和与之接触的孔壁都极为光滑，实验时可在探针装置安装之前，推 动不锈钢管以达到改变探针伸入等离子体室内的位置。 3 4 本章小结 本章前两小节就诊断系统的设计要求给出了简明的设计方案，并结合系统结构 说明了该系统的工作原理，给出了设计指标参数以及系统软件实现功能。第三小 节从探针的尺寸、材料选择以及几何形状等方面讨论了探针的设计要点，并给出 了探针结构的详细设计说明。 2 7 电子科技大学硕十学位论文 第四章静电探针测试系统硬件电路设计 在这一章节中，本文将介绍系统硬件电路组成：锯齿波扫描电源产生电路、 探针电流电压检测电路、基于v c + + 6 0 的单片机和p c 的实时数据采集和串口通 信模块。 扫描电源产生电路( 单片机d a 转换) 产生频率可调的锯齿波，最大幅度为 1 0 0 v ，最大驱动电流可达5 a 。该锯齿波为探针提供周期性扫描电压，探针电流 也随之改变。这两路信号分别由探针电流测量电路和扫描电压测量电路收集，经 过单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0a d 转换，由串口上传到计算机。 4 1 扫描电源设计 在3 1 节中，本文提出要采用动态测试技术对e c r - m p 进行诊断，本设计采 用的是快速扫描法。要保障在测量i v 特性过程中等离子体状态完全不变也不是 很容易的事，因此势必带来较大的误差。如果采用快速扫描的方法来测量i v 特 性，则不仅可以大大提高工作效率，而且可以显著降低误差。 扫描电源产生电路框图如图4 - 1 所示，以单片机为核心，d a 转换输出需要 的低电压锯齿波信号，光电隔离后再经过功率放大器放大，从而得到探针的扫描 电压信号。 图4 1 扫描电源电路框图 一般情况下，由单片机构成的信号发生器，因为受到单片机本身运行速度的 限制，其输出频率都提高不上去。因此在实际设计时要选择一款性能高的单片机， 第