[发明专利]一种等离子体浸没注入设备的剂量控制系统

说明书

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，具体涉及一种等离子体浸没注入设备的剂量控制系统。

背景技术

等离子体浸没注入技术是20世纪80年代出现的一种新型离子注入技术，它改变了传统束状离子注入视线性的局限，有着加工批量高效、易于处理异型工件的诸多优势，广泛应用于材料表面改性和材料制备领域。等离子体浸没注入设备如附图1所示，主要包括等离子体发生源，真空腔体以及负载电源三大部分。进行等离子体浸没注入时，等离子体发生源在腔体内部产生等离子体，加载于靶台上的负高压加速等离子体往靶台运动，离子注入到靶台上的样品表面。

但是等离子浸没注入技术存在如注入层较薄、剂量和能量控制不均匀等缺陷，其中离子注入剂量的控制直接决定了该技术在半导体材料制备中的应用前景。等离子体浸没注入剂量受到诸多参数的影响，如注入离子类型、靶台材料及等离子体源的功率、注入电压等，因此缺乏准确标定等离子体注入剂量的方法。目前存在的一些剂量标定的理论模型，如基于Child公式和离子壳层模型，在脉冲方波电压负载下推导出的等离子注入剂量公式：

      （1）

其中D_total为注入剂量，ε₀为真空介电常数，e和m为注入离子的电量和质量，n₀为等离子体密度，而t，V，f，t_p分别为注入时间，注入电压，电压频率和脉冲宽度。

上述方法中等离子体密度n₀的测量存在一定难度，常用的光谱法和双探针法都存在着较大的误差；且理论模型假设等离子体密度n₀保持恒定，而实验测量n₀在腔体纵向z轴上有较大的差别；模型还省略了脉冲内注入过程中等离子体的恢复和补充，上述近似和假设均使剂量的精确标定产生困难。此外等离子体密度n₀还受到气体类型和等离子体源功率等多个参数的影响，当注入参数改变时需要重新测定n₀，使得此方法繁杂而缺乏可操作性。

近年来，等离子体浸没注入技术已越来越多地应用于各类新型领域，如冶金学和生物高分子学。特别是等离子体浸没注入技术的非视线性特点，使其在半导体材料的沟道掺杂和材料制备方面有着巨大优势。因此，等离子体浸没注入剂量的精确控制尤为重要。

发明内容

本发明旨在提供一种能对等离子体浸没注入剂量进行精确控制的自动控制系统。

本发明提供的等离子体浸没注入剂量控制系统，如图2所示，包括等离子体浸没注入设备内部的信号采集器，外部的信号测量系统以及计算机处理系统；其中，所述信号采集器单独收集等离子体注入设备的腔体内靶台各处的等离子体注入信号，实时模拟不同位置样品的离子注入情况；所述外部的信号测量系统接受并测量由信号采集器收集的信号，并将此信号传递给计算机处理系统；所述计算机处理系统，接受并处理信号测量系统测量得到的信号，并据此对等离子体浸没注入设备进行控制；计算机处理系统处理信号是根据样品工件的实际注入情况，按照本发明提出的离子体浸没注入剂量标定方法，计算得到离子的注入剂量，并反馈控制等离子体浸没注入设备的工作。当离子注入剂量满足设定条件之后，计算机处理系统自动控制等离子体浸没注入设备停止工作。通过这套系统能够达到等离子体浸没注入剂量的自动精确控制。

本发明提供了一种离子体浸没注入剂量标定方法，即使用测定电流总量来标定离子注入剂量，通过经实验确定的注入剂量和回路电流波形的关系，即可得到更为精确和可靠的离子注入剂量值。具体方法如下： 

首先通过示波器实时测定离子注入脉冲的电压电流。如附图1所示，即在等离子体浸没注入装置中，在高压脉冲电源和等离子腔体以及靶台两端形成电路回路，从高压探头连接处6测定脉冲电压，在回路线路中测定相应脉冲内的回路电流。回路电流（图3）中，主要包括注入离子电流和溅射二次电子电流以及壳层扩散电流的成分。而在整个回路内，壳层扩散电流由于等离子体的产生扩散等重新复合，可以忽略不计。所以如果能够确定二次电子电流在整个回路电流的贡献，即可以得到离子电流部分，从而确定注入离子的剂量。

离子注入的电量总量可以通过积分电流，并且消除二次电子所得。由电量总量除以相应离子类型所带的电荷数即可以得到单位面积时间注入的离子剂量，计算公式如下：

          (2)