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低温冷等离子体的诊断 林揆训石旺舟王洪林璇英+姚若河+余楚迎+ (汕头大学材料科学技术研究所，汕头，515063) (+汕头大学物理系，汕头，515063) 摘要等离子体诊断是研究等离子体的空间反应 粒子成分和能嚣分布，光谱和质谱则用于诊断稳态、 过程、基片袁面反应过程、优化刻蚀和沉积工艺的重 亚稳态的活性基团和离子。本文结合我们自己的工 要问题。本文综述了低温冷等离子体的诊断技术，结 作，在一般综述的基础上，着重分析各种诊断技术所 合我们自己的研究工作，着重分析了为适应研究的深 碰到的各种技术难题、解决办法和尚待解决的问题。 八和应用的发展而在工作气体、放电机和激励模式等 方面不断改进和更新的等离子体诊断过程中，所碰到 2荷电粒子参数的测量 的各种困难及其解决办法和尚待解决的问题。 关键词低温冷等离子体诊断技术荷电粒子 早在本世纪20年代，人们就开始利用Langmuir 中性基团 探针测量的I—V曲线获得等离子体的荷电粒子参 数。几十年来，随着低温冷等离子体在微电子工业和 1引言 新型光电薄膜材料和器件等领域上应用的不断扩展， 促使放电气体和等离子体的激励模式的不断更新， 低温冷等离子体刻蚀、沉积和表面改性的工艺技 Langmulr探针的诊断技术也随着不断的改进，抑制 术广泛应用于微电子工业、太阳能电池等光电能量转 和排除了各种新出现的干扰。至今，Langmuir探针仍 换装置、挂壁式彩色电视和计算机终端等大面积平面 然是探测等离子体荷电粒子参数的主要手段。 显示、录音录像的“磁”记录系统以及用于制备金剐石 膜、类金剐石膜和超导体膜等新型薄膜材料。 2．1探针射频干扰的抑制 光刻工艺的质量和薄膜的性能品质与等离子体 参数密切相关。低温冷等离子体是一种非平衡态的等 Langmuir探针用于诊断射频辉光放电等离子 离子体，电子的温度可以高达几十万度，而离子、分 体，探针的直流壳层电压被感应了一个随机的交流信 子、原于等重粒子的温度则近似于或略高于室温。电 号，使1一V曲线发生严重的畸变，成为探针诊断技术 子的能量接近麦克斯韦分布，不同能量的电子与气体 的一大难题——射频干扰。射频辉光放电成为PCVD 分子碰撞发生了激发、分解和电离等各种不同的反 薄膜淀积和现代微电子光刻的主要工艺技术以后，抑 应。因此，低温冷等离子体中除了具有一定密度的电 制射频干扰就成为众所关注的课题。近十几年来，在 子、离子等荷电粒子外，还存在着分子、原子、各种基 关于抑制射频干扰的大量学术论文“叫23中，最典型 态和激发亚稳态的基团等中性粒子。电子和离子的密 的是英国皇家信号和雷达研究所与牛津大学使用”1 度和能量分布、基态和亚稳态的话性基团类塑及丰度 和美国斯坦弗大学“1所提出的两种类型。前者从射频 分布等等离子体参数，是由工作气体的种类、压强和 功率源耦合一个与探针壳层上射频干扰同相位等幅 流量、气体放电的激励模式和反应室的结构和几何尺 度的信号，叠加到探针的直流偏置电压上，如图1所 寸等各种因素所决定的，很难用一种统一的理论模型 示；后者是在探针与地之间插进～个LC谐振回路， 进行计算与表征。因此，诊断的测量等离子体参数及 如图2所示，使在工作频率下，探针对地的交流阻抗 其随放电工艺条件的变化规律t就成为研究等离子体