基于等离子体注入设备的离子剂量检测装置

王兴，周临震

（盐城工学院 机械工程学院，江苏 盐城 224051）

离子注入是半导体制造和微电子领域中的常用方法［1-2］，它还被广泛应用于金属材料表面改性，可提高金属材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性［3-8］。等离子体浸没式离子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）技术通过将离子注入固体材料内部，改变材料的原子组成和结构，从而改变材料导电性。目前，PIII技术的研究已从最初的气体离子注入发展到了金属离子注入，PIII技术被广泛应用于多种材料和半导体芯片的制备，其在绝缘材料（聚合物、陶瓷等）领域的应用也有大量研究成果［9-12］。

操作时，实际注入离子数量由设备设定参数决定，但注入设备中没有可在线检测显示离子数量的装置。因此，在PIII设备注入基板周围加装离子检测装置，可以更好地观察实际注入情况。李衍存等［13］提出了一种基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法，能够有效反映卫星表面等离子体充电电流大小，为卫星表面带电状态和带电风险的评估提供依据。刘江涛［14］设计了一种法拉第杯用于高能量电子束强度的绝对测量，同时可以满足确切对应晶体发光强度和1.89 GeV电子束强度之间关系的实验要求。

因此，为了检测实际注入基底的离子剂量，本文设计了一种在线离子检测装置，检测不同区域注入的等离子体离子剂量，计算不同目标区域的注入离子密度，提高离子注入工艺的稳定性。

1 系统总体设计

PIII系统主要硬件包括：偏压电源、射频电源、气体流量控制系统、真空系统、真空表头、水冷系统和等离子体腔室等。对PIII设备腔室内离子剂量进行检测，检测系统如图1所示。检测系统主要包括3个板块，分别是离子检测装置、信号调理电路和LabVIEW数据采集卡。

图1 离子剂量检测系统Fig. 1 Ion dose detection system

离子剂量检测流程如图2所示。将离子检测装置放置于等离子体腔室内，通过贯穿法兰将离子检测装置与信号调理电路连接。开启PIII系统总电源，按流程操作设备，观察腔室内是否有等离子体产生，离子检测装置收集样品台周围的离子，然后通过信号线将检测装置的电流信号传输给信号调理电路和LabVIEW采集卡，对电流信号进行处理，最后转换为离子剂量数据。

图2 离子剂量检测流程Fig. 2 Ion dose detection procedure

2 离子剂量检测系统

2.1 离子剂量检测装置

对离子剂量检测装置进行建模设计，检测装置剖面图如图3所示。

图3 离子剂量检测装置剖面图Fig. 3 Profile of the ion dose detection device

由图3可知，离子剂量检测装置包括屏蔽外壳、盖板、离子收集装置和聚四氟固定架。其中，屏蔽外壳选用与腔室相同的铝制材料，避免对腔室内部造成污染；进行接地处理，避免腔室内的信号干扰。聚四氟固定架用来固定离子收集装置，避免离子收集装置与屏蔽外壳接触，选用聚四氟材料也是为了避免固定架对腔室的污染。

如图4所示，离子剂量检测装置分为6个检测区域，可以在检测离子剂量的同时检测不同区域中离子的均匀度。每个检测装置都有单独的信号传输线，电流信号线用锡箔纸包裹，并进行接地处理，避免分析电路及数据卡采集数据时受到腔室内电磁信号的干扰，确保数据更加准确。

图4 离子剂量检测装置Fig. 4 Ion dose detection device

离子具有能量，撞击检测装置表面时会产生二次电子，产生的二次电子如果未被捕获而逃出检测装置，会使检测结果出现误差。因此，本文对检测装置内部结构进行设计，以抑制二次电子的逃出，增加检测的准确性。

检测装置内部结构如图5所示。由图5可知，检测装置的侧壁是倾斜的（侧壁与底面的夹角θ小于90°），入射离子直接打在检测装置底面，二次电子多在检测装置底部生成。当检测装置采用较高的深宽比（h/x）时，装置底部产生的二次电子以一定速度向任意方向运动，与装置内壁多次碰撞后最终在装置内部被收集，不会逃出检测装置。此时，虽然离子在检测装置内产生了二次电子，但未逃出检测装置，不会对检测信号产生影响，可提升检测的准确度。

图5 离子剂量检测装置内部结构示意图Fig. 5 Internal structure diagram of ion dose detection device

随着检测装置深宽比的增加二次电子逃逸率减少，深宽比达到一定值时，二次电子逃逸率趋于稳定，继续增加检测装置深宽比不能再明显提升抑制效果，一定深宽比的检测装置即可大概率地收集二次电子。

离子剂量检测装置内二次电子的逃逸率P与深宽比的关系可以由以下公式进行计算：

式中：P为二次电子逃逸率；h为检测装置深度，mm；x为检测装置开口宽度，mm；θ为检测装置侧壁与底面的夹角，（°）。

考虑到实际腔室的尺寸限制，本文设计的离子剂量检测装置开口宽度x为2 mm，深度为7 mm，夹角角度为76°。

2.2 信号调理电路

信号调理电路主要包括差分放大器、低通滤波器和程控增益放大器3个板块的电路设计。其中，差分放大器电路如图6所示，目的是为了放大检测信号的差值，抑制信号中的共模干扰。

图6 差分放大器电路Fig.6 Differential amplifier circuit

差分放大电路的输出电压可以通过以下公式得到：

式中：U1为输出电压，V；R1、R3、R5为电路电阻，Ω；I1为检测电流信号，A。

采集到的微电流信号不可避免地存在高频噪声，故采用运放和阻容器件设计二阶巴特沃斯滤波器滤除高频噪声，与差分信号输出电路连接，可以大大提高采集信号信噪比，二阶巴特沃斯滤波器电路如图7所示。

图7 二阶巴特沃斯滤波器电路Fig.7 Second order Butterworth filter circuit

当射频电源功率和气体流量发生变化时输出电流会发生较大变化，为了使不同射频功率和气体流量下的输出电流能够匹配数据采集卡的采集范围，采用程控增益放大器调整信号放大倍数。程控增益放大器电路如图8所示。程控放大器输出信号交由LabVIEW处理得到离子密度。通过不同区域的检测装置可以得到不同区域注入离子密度分布情况。

图8 程控增益放大器电路Fig. 8 Programmed gain amplifier circuit

3 实验检测与数据分析

3.1 离子剂量检测

根据本研究的设计思路，在实验室PIII设备上搭建包括离子检测装置、调理电路和LabVIEW采集卡的检测平台，按照表1中的实验参数，对离子检测装置进行测试。通过贯穿法兰输出检测得到的腔室内的电流信号，通过信号调理电路和数据采集卡进行分析计算，最后通过LabVIEW处理得到离子密度。

表1 离子剂量检测实验参数Table 1 Experimental parameters for ion dose detection

3.2 实验结果分析

气体流量选用50 sccm（sccm为气体流量单位，表示标准毫升每分钟），在不同射频功率下对离子检测装置进行测试，检测结果如图9所示，图中区域1～区域6分别对应图4离子剂量检测装置的6个检测区域。

图9 不同射频功率下腔室内的离子密度Fig.9 Ion density in the chamber under different RF power

由图9可知，离子密度随射频功率的增加而增加。这是由于射频功率增大使得气体吸收功率增大，腔室内自由电子增加，电子与气体分子的碰撞次数增多，气体电离增加，导致离子密度增大。

射频功率选用100 W，在不同气体流量下对离子检测装置进行测试，检测结果如图10所示。

图10 不同气体流量下腔室内的离子密度Fig. 10 Ion density in the chamber under different gas flows

由图10可知，腔室内各区域离子密度存在明显差异。这是由于检测时真空泵一直处于运行状态，对腔室形成干扰，从而导致腔室内离子分布不均匀，其中，位于真空泵接口上方的区域5和区域6内离子密度最小。

4 结论

本文以PIII设备为平台设计离子剂量检测装置，通过信号调理电路、LabVIEW数据采集卡对检测到信号调理电路传输过来的信号进行分析处理。实验结果显示，离子剂量检测装置可以对等离子体腔室内的离子密度和分布均匀度情况进行检测，检测结果可以为腔室结构优化和注入工艺改良提供参考依据。