[发明专利]一种等离子体中负离子密度测量系统和方法

说明书

本发明公开了一种等离子体中负离子密度测量系统和方法，系统包括真空室；所述真空室底板或所述真空室盖板通过直线驱动部件密封连接有陶瓷杆，所述陶瓷杆内设有微波探针；第一石英玻璃窗或第二石英玻璃窗的外侧设有激光器，激光器发射出的激光能够透过第一石英玻璃窗和第二石英玻璃窗并与微波探针的探针尖相交，激光器发射出的激光能够对穿透区域内的负离子进行全剥离。方法包括S1：向真空室内通入电负性工作气体，并使电负性工作气体产生电负性等离子体；S2：开启网络分析仪，测量电负性等离子体中的电子密度n_e0；S3：打开激光器，测量电子密度n_e1；电负性等离子体中的负离子密度n^‑即为n_e1‑n_e0。本发明能够实现准确测量等离子体中的负离子密度。

技术领域

本发明涉及等离子体设备技术领域，特别是涉及一种等离子体中负离子密度测量系统和方法。

背景技术

在微电子半导体工业中，用于制造半导体器件的主要材料有SiO₂，Si等。针对这些不同材料的基材，等离子体刻蚀机内应用的化学反应气体成份也各不相同，但是主要成份是氟化物和氯化物两种，如CF₄、C₄F₈、Cl₂，SF₆等气体及与其它气体的混合气。而氯化物和氟化物气体是电负性气体，其产生的等离子体中含有大量的负离子。负离子密度的在线监测，有助于控制刻蚀工艺过程，因此对负离子密度的精确测量是一个非常必要的环节。

对于等离子体中的负离子密度(如CF₄放电等离子体中的F^-，O₂放电等离子体中O^-等)，常规的测量方法就是采用Langmuir单探针配合激光光致解离负离子的方法进行测量。其测量原理是：在未开启激光光致解离负离子之前，先用Langmuir单探针测量等离子体中的电子密度以及饱和电子电流；然后开启激光光致解离负离子，同时使用Langmuir单探针测量等离子体中的电子密度以及饱和电子电流；最后将激光开启前后的Langmuir探针测量的电子密度进行相减，就能计算出负离子密度。然而在这种测量负离子密度的方法中，假设的是Langmuir单探针测量电负性气体(放电能够产生负离子的气体，如CF₄，SF₆，O₂等)放电等离子体中的电子密度是准确的。但是在使用Langmuir单探针测量电负性气体放电等离子体时，其电子密度已经不准确了，因为在扫描伏安特性曲线时，饱和电子电流已经包含了电子电流和负离子电流，如图2所示。根据Langmuir单探针测量的伏安特性曲线计算电子密度过程如下：

首先根据伏安特性曲线过渡区计算电子温度T_e：

其中：I_e是探针电流；V_probe是探针电压；e是元电荷电量；k_B是玻尔兹曼常数。

然后根据伏安特性曲线饱和电子流计算电子密度n_e：

其中m_e是电子质量；A是探针尖的表面积。

因此，根据含有负离子电流的饱和电子电流计算的电子密度是偏高的。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子体中负离子密度测量系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，使等离子体中的负离子密度能够被准确测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：