專利名稱：一種等離子體浸沒注入劑量標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種涉及等離子體浸沒注入的劑量標(biāo)定方法，從回路電流的角度提供了一種新穎，簡單可靠的方法。在等離子體浸沒注入過程中，采用測試電壓電流波形，通過電流積分的方法并且修正二次電子影響，來對(duì)注入離子的劑量進(jìn)行標(biāo)定。
背景技術(shù)：
等離子體浸沒注入技術(shù)，在材料表面改性和半導(dǎo)體材料制備方面有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的離子注入為視線過程，只有暴露在離子槍口下的工件表面才能得到離子注入，工件的內(nèi)表面或溝槽表面較難實(shí)現(xiàn)。而等離子體浸沒注入改變了離子束狀注入的特點(diǎn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如附圖l，在離子注入時(shí)候，等離子體通過射頻源產(chǎn)生，彌漫在工件周圍，當(dāng)在靶臺(tái)加上負(fù)脈沖的高壓后，等離子體注入到樣品表面。由于等離子體的形式是彌漫的，所以注入是全方位的。與傳統(tǒng)束狀離子注入相比，等離子體浸沒注入更適合體積大，形狀復(fù)雜的工件，適合低成本批量生產(chǎn)。
等離子體浸沒注入相較于束狀離子注入具備很多的優(yōu)點(diǎn)，但注入劑量的標(biāo)定比較困難。迄今為止，有一些等離子體浸沒注入的模型來模擬離子注入過程，從而來進(jìn)行對(duì)注入劑量的標(biāo)定。在這些模型中，禾l」用描述真空電場中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的Child公式，和等離子體殼層模型，可以運(yùn)算得到計(jì)算等離子體注入劑量的公式
<formula>formula see original document page 3</formula>在上式中，so, e， m為常量，而t, f， V， tp等可以通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)精確控制。但是在具體實(shí)驗(yàn)過程中，等離子體密度no受到眾多因素的影響，如等離子體氣體壓強(qiáng)，射頻源的耦合功率等等；再者，等離子體密度的測量工作量大，常規(guī)方法的雙探針法或光譜法誤差很大；此外，在等離子體浸沒注入的體系中，不同腔體位置的等離子體密度no差別很大，在z軸上的密度分布幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。由此可知，等離子體浸沒注入劑量標(biāo)定比較困難有了巨大的誤差。
近年等離子體浸沒注入技術(shù)被廣泛應(yīng)用于功能材料的表面改性和制備領(lǐng)域。其中包括半導(dǎo)體材料和光電子材料，而在這些材料的加工工藝過程中，注入離子摻雜濃度將極大地影響材料性能。所以，精確的劑量控制對(duì)等離子體浸沒注入方法將來的發(fā)展有著舉足輕重的意義，相應(yīng)的劑量標(biāo)定方法也十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明意在提供一種新的精度高，操作簡便的等離子體浸沒注入的劑量標(biāo)定方法。
本發(fā)明提供的等離子體浸沒注入的劑量標(biāo)定方法與傳統(tǒng)使用理論模型估算的方法不同，它是使用測定電流總量來標(biāo)定離子注入劑量。本方法通過經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的注入劑量和回路電流波形的關(guān)系，即可得到更為精確和可靠的離子注入劑量值。
首先通過示波器實(shí)時(shí)測定離子注入脈沖的電壓電流。如附圖1所示，在高壓脈沖電源和等離子腔體以及靶臺(tái)兩端形成的電路回路，從指示6處引出高壓探頭處測定脈沖電壓，在回路線路中測定相應(yīng)脈沖內(nèi)的回路電流?；芈冯娏?如圖2)中，主要包括注入離子電流和濺射二次電子電流以及殼層擴(kuò)散電流的成分。而在整個(gè)回合內(nèi)，殼層擴(kuò)散電流由于等離子體的產(chǎn)生擴(kuò)散等重新復(fù)合，可以忽略不計(jì)。所以如果能夠確定二次電子電流在整個(gè)回路電流的貢獻(xiàn)，即可以得到離子電流部分，從而確定注入離子的劑量。
離子注入的電量總量可以通過積分電流，并且消除二次電子所得。由電量總量除以相
應(yīng)離子類型所帶的電荷數(shù)即可以得到單位面積時(shí)間注入的離子劑量。提出的公式如下
",M=&/f似〃 (2)
其中il()為某一條件下假設(shè)的二次電子產(chǎn)生系數(shù)；5為二次電子的修正系數(shù)，此系數(shù)與不同類型的注入離子類型和靶臺(tái)類型相關(guān)，并與脈沖電壓的高低，脈寬和頻率相關(guān)；t為整體注入時(shí)間；f為脈沖電壓的頻率；tp為脈沖電壓寬度；I為實(shí)測電流；e為注入離子的電量；A為靶臺(tái)面積；D,m為單位面積離子注入劑量。除S以外，公式(2)中的其他參數(shù)均可由實(shí)驗(yàn)測定。而5除了與注入離子種類，靶臺(tái)材料類型相關(guān)之外，還與脈沖電壓的大小，脈沖頻率和寬度相關(guān)。將此相關(guān)性通過具體形式表示為^^"(7/F。);5(^/^)y(///。)，
其中，a、 p、 Y分別為二次電子與電壓、脈寬和頻率相關(guān)的修正因子；V。、 tpo和fo為對(duì)應(yīng)"0條件下的電壓、脈寬和頻率。則(2)式表示為
現(xiàn)在討論a、 p、 Y對(duì)注入劑量的具體影響。附圖3、 4和5給出了N2氣氛，等離子體氣壓為0.5Pa，射頻耦合功率為80W的情況下，不同電壓大小、脈寬和頻率所測的電流電壓波形圖。其中圖3所示在不同電壓的情況下，當(dāng)電壓高于某一閾值時(shí)，隨著電壓的增加離子注入能量增加，二次電子會(huì)隨之上升，故S有與電壓的關(guān)系。圖4所示在脈沖電壓脈寬發(fā)生變化的情況下，電壓在上升沿時(shí)存在一定的延遲之外，基本維持在恒定的電壓范圍內(nèi)，在電壓恒定的情況下，離子注入能量確定，二次電子產(chǎn)生率將維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，故注入脈寬對(duì)二次電子的修正系數(shù)(3約為1，這在實(shí)驗(yàn)過程中和理論模型中同樣得到驗(yàn)證。圖5所示當(dāng)電壓頻率發(fā)生改變時(shí)，在一般的注入?yún)?shù)設(shè)定下，等離子體將會(huì)在有效注入的間隙中達(dá)成等離子體殼層的恢復(fù)，腔體等離子體是動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定過程。故頻率f與注入劑量成正比關(guān)系，所以劑量與頻率相關(guān)Y修正值等于1，這與基于Child公式和殼層模型的傳統(tǒng)計(jì)算公式(1)完全吻合。
對(duì)a、 (3、 Y進(jìn)行修正后，由此可確定二次電子修正系數(shù)5為注入電壓的相關(guān)量，假定
5 = a(r/rQ) = W(r/P;)"，其中m， n為與注入離子類型等相關(guān)的常數(shù)系數(shù)。故劑量的標(biāo)定
計(jì)算將公式(3)化為如下公式
K/Wf似〃— (4)
此公式的使用方法為，在某一特定的注入離子種類和靶材類型下，設(shè)定某一注入條件
下的二次電子系數(shù)Tlo，此系數(shù)的確定可以參考?xì)永碚撚?jì)算模型數(shù)據(jù)。而后通過不同電壓
注入的情況，擬合確定公式(4)中的常數(shù)系數(shù)m和n。由此，在不同注入條件下，離子注入劑量可以通過測定回路電流和公式(4)進(jìn)行?；诖斯?4)的劑量標(biāo)定，與傳統(tǒng)的基于Child公式和等離子體殼層推導(dǎo)的理論公式(1)結(jié)果吻合較好。
在一種優(yōu)化的技術(shù)方案中，等離子體浸沒注入的電壓可以不為方波負(fù)脈沖電壓，為其他形式的負(fù)載電壓，相應(yīng)進(jìn)行^形式的修改即可。
在一種優(yōu)化的技術(shù)方案中，等離子體類型和靶材材料類型可以變換，對(duì)不同的材料等離子體類型和不同的靶材類型，相應(yīng)修改^形式的修改即可。
在一種優(yōu)化的技術(shù)方案中，劑量標(biāo)定計(jì)算公式(4)式可以更為精細(xì)復(fù)雜，包括對(duì)二次電子產(chǎn)生率進(jìn)行不同模型的修正，引入對(duì)不同可控變量如氣體壓強(qiáng)、射頻源耦合功率的微細(xì)修正等。
本發(fā)明的技術(shù)特征是，不需要傳統(tǒng)劑量計(jì)算方法先進(jìn)行不同位置不同狀態(tài)的等離子體
密度監(jiān)測，而是簡單通過脈沖電壓電流的測量來進(jìn)行劑量標(biāo)定。當(dāng)注入離子類型發(fā)生改變
時(shí)候，只需要修正公式(4)的參數(shù)m和n即可計(jì)算不同條件的離子注入劑量。
本發(fā)明具體涉及等離子體浸沒注入的一切需要?jiǎng)┝繕?biāo)定的使用過程，可以通過其更精
確可靠地標(biāo)定等離子體浸沒注入的劑量。而改變了傳統(tǒng)標(biāo)定劑量模型的復(fù)雜度高，誤差大
等缺點(diǎn)?？梢栽诎雽?dǎo)體材料改性制備，生物醫(yī)用材料改性等等需要較精確控制注入劑量的
范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。


圖1為等離子體浸沒注入設(shè)備示意圖。
圖2為0.5Pa氮?dú)鈿夥?，在注入電壓?0kV，脈寬為20ps，頻率為50Hz條件下測定的電流電壓波形圖。
圖3為在不同注入電壓條件下測定的電流電壓波形圖。圖4為在不同注入脈寬條件下測定的電流電壓波形圖。圖5為在不同注入頻率條件下測定的電流電壓波形圖。
圖l中標(biāo)號(hào)l為離子射頻源，2為觀察操作窗口； 3為真空泵；4為氣體注入窗口；5為靶臺(tái)；6為高壓探頭連接。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。實(shí)施例1
本實(shí)施例說明了具體的實(shí)施手段。在氮?dú)鈿夥盏入x子體氣壓為0.5Pa的情況下，設(shè)定射頻源耦合功率為80W,此時(shí)設(shè)定不同的電壓(5kV 30kV)、脈寬(1(His 5(His)、頻率(50Hz 100 Hz)，在等離子體浸沒注入實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電流電壓波形。在注入電壓Vo設(shè)定為20kV以及no設(shè)定為8.5的情況下，在不同的注入電壓下(5 kV 30 kV)擬合得到m值為1.02， n值為-1.12。由此可依照(4)式來標(biāo)定離子注入劑量。注入劑量和傳統(tǒng)等離子體殼層模型比較基本吻合。
實(shí)施例2
本實(shí)例說明在不銹鋼樣品中注氮，進(jìn)行表面改性。在不同的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定下，如改變了等離子腔體氣壓(10—2 Pa lPa)，耦合功率(50W 200W)。此時(shí)，若通過傳統(tǒng)理論公式(1)標(biāo)定注入劑量，由于等離子體密度發(fā)生變化，則需要重新測定等離子體密度，有較大誤差和工作量。通過公式(4)計(jì)算得到注入劑量操作方便，結(jié)果和傳統(tǒng)等離子體殼層模型比較吻合。
實(shí)施例3
本實(shí)施例說明在半導(dǎo)體材料ZnO中進(jìn)行摻雜注氮，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，如改變了注入電壓(5kV 30kV)、脈寬(10ps 50ns)、頻率(50Hz 100Hz)。通過劑量標(biāo)定公式(4)計(jì)算得到的離子注入劑量，能夠較好地控制摻雜劑量。并與原理論模型符合較好。
權(quán)利要求
1、一種等離子體浸沒注入劑量標(biāo)定的方法，其特征在于首先通過示波器實(shí)時(shí)測定離子注入脈沖的電壓電流，在高壓脈沖電源和等離子腔體以及靶臺(tái)兩端形成的電路回路，從高壓探頭處測定脈沖電壓，在回路線路中測定相應(yīng)脈沖內(nèi)的回路電流；然后采用積分回路電流并除去二次電子貢獻(xiàn)進(jìn)行注入劑量計(jì)算；其計(jì)算的公式為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>D</mi> <mi>im</mi></msub><mo>=</mo><mi>&delta;tf</mi><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mn>0</mn> <msub><mi>t</mi><mi>p</mi> </msub></msubsup><mi>Idt</mi><mo>/</mo><msub> <mi>e&eta;</mi> <mn>0</mn></msub><mi>A</mi><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009101972070002C1.tif" wi="41" he="7" top= "53" left = "139" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中η0為離子注入的二次電子產(chǎn)生效率，δ為不同條件下二次電子產(chǎn)生效率的修正因子，它與不同的離子注入類型并且和不同的注入?yún)?shù)設(shè)置相關(guān)，tp為脈沖電壓脈寬，I為實(shí)測電流，e為注入離子電量，A為靶材面積，t為整體注入時(shí)間，f為脈沖電壓頻率，Dim為單位面積離子注入劑量。
2、 如權(quán)利要求1所述的離子注入劑量標(biāo)定方法，其特征在于S為注入?yún)?shù)的函數(shù)，具 體形式表示為5 = "(「/。/ (^/^>(///。)，其中，a、卩、Y分別為二次電子效率與電壓、脈寬和頻率相關(guān)的修正因子；VQ、 tpo和f()為對(duì)應(yīng)Ti()條件下的電壓、脈寬和頻率。
3 、如權(quán)利要求2所述的離子注入劑量標(biāo)定方法，其特征在于"="(7 / 。 = m(7 /,則有離子注入劑量標(biāo)定公式D朋=附(「 / 。^ t M / ，通過m， n系數(shù)的擬合，即可以在不同注入條件下簡便準(zhǔn)確地標(biāo)定等離子體浸沒注入的劑
全文摘要
本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體浸沒注入劑量標(biāo)定方法。所述的標(biāo)定方法為通過實(shí)時(shí)測定等離子體浸沒注入過程中的脈沖電壓和回路電流，并且通過對(duì)電流在脈沖時(shí)間內(nèi)的積分，剔除二次電子的成分來得到離子電流的成分，從而進(jìn)行離子注入劑量的標(biāo)定。此方法得到了一個(gè)最后標(biāo)定的公式，根據(jù)不同的注入離子類型，靶材類型以及不同的注入?yún)?shù)可以修改其參數(shù)達(dá)到劑量標(biāo)定的準(zhǔn)確性。本發(fā)明解決了使用純粹理論模型測量等離子體密度的復(fù)雜和劑量標(biāo)定誤差大的缺點(diǎn)，可以在等離子體浸沒注入的范圍內(nèi)廣泛使用。
文檔編號(hào)H01J37/32GK101672920SQ20091019720
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者吳曉京, 昕 張, 王一鵬 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)