加工等离子体的能量和质谱

等离子体由复杂的中性和带电物种组成。对于对给定等离子体的组件的任何表面工程过程的设计和控制肯定是对给定等离子体的组件的设计和控制，关于这些组件的行为如何随着等离子体的电气条件而变化的方式，并且关于在等离子体组分和暴露于它们的基板和靶表面之间进行的相互作用。本文概述了质量/能量分析仪在一系列处理系统的诊断中的应用。

使用Hiden质量/能谱仪进行的测量，其中最常见的形式如图1所示。以下是仪器的主要部分：内部电离源（从中取样时关闭等离子体），其离子采样区域，四极质量选择器，圆柱形，静电能量分析仪和通道离子检测器和脉冲计数电路。还使用了某些其他形式的光谱仪，最新是分析仪的结合在Hiden HPR60仪器中，该仪器被设计用于从在大气压下操作的等离子体采样。

图1。Hiden Mass / Energy Analyzer。

实验研究

a）中性物种

中性物质的质量识别，首先在没有等离子体的情况下，然后在等离子体运行的情况下，是任何反应堆最简单的测量方法。在等离子体中或通过其与反应器壁或衬底和目标表面的相互作用产生新物种，以及工作气体的碎裂，都可以毫不费力地确定。为了提高测量的准确性，偶尔建议通过双或三差分泵浦几何结构进行采样，并结合“斩波器”安排，以改善所需等离子体信号和竞争背景效应之间的区别(1,2)。

如果可以改变在质谱仪源的电磁的能量，则可以显着地添加到围绕等离子体中产生的中性物种的信息。然后，研究通常接近阈值电离能量是可行的，因为通过血浆条件的变化改变了源中产生的特定离子的种群的变化。图2显示了用于分析在空气和氦气（2）的混合物中操作的等离子体针放电的Hiden HPR60仪器的典型数据。

图2。离子信号作为质谱仪源中电子能量的函数。

特别用于沉积DLC和光学涂层和半导体蚀刻的几个处理气体是电极的;这种电极气体的实例包括氧气，六氟化二氧化碳，二氧化碳和甲烷。因此，操作质谱仪的电离源通常有益，以产生负离子（3,4,5）。即使由两个不同的父母形成的主导负离子是相同的，也具有电子能量的产生的变化非常独特。这是显而易见的，如二氧化碳和氧化氮的情况下，两者都给o^-作为他们的主导负离子。

b）离子物种

关闭隐藏分析仪的电离源，直接对等离子体离子进行采样，便于识别等离子体中产生的正离子和负离子并到达衬底表面。对于大量选择的离子来说，确定它们的能量分布似乎是合理的，因为能量分布会极大地影响沉积膜的硬度、附着力和其他特性，如类金刚石、氧化钛、氮化钛和其他化合物。如果相对丰度和能量的测量是在与被处理的衬底上的离子直接等效的一点上进行的，这通常是有帮助的。这可以通过在衬底支架的表面包括质量/能量分析仪的取样孔，或在另一个电极的表面，如果这是直接等效的电条件。为了展示一个例子，图3展示了N的能量分布⁺当直流等离子体的电势保持在-600至-750 V之间时，到达阴极的离子。

图3。n的能量分布⁺从氮气放电，在50托的压力下获得650,700,750和800V的阴极电压。

可以将反应器中特定离子的相对丰度的变化及其在血浆条件下的改性的能量与沉积薄膜特性的紧急变化进行比较。例如，采用电感耦合（ICP）源和D.C.磁控管的组合的钛氮化物沉积系统的数据用于增加n的量⁺和n₂⁺，表示（6）将少量氦添加到I.C.P源上，显着增加氮离子信号，并与锡膜的摩擦学特性的改进进行了正相关。还记录了类似的用于光学质量二氧化钛膜的生长实验。

在各种脉冲模式下运行磁控沉积反应器逐渐常见。林等。（7）最近公布了通过使用A沉积CRALN薄膜的测量希登质量/能量分析器连接到双磁控系统系统。这些测量表明，这种系统中的离子能量分布如何受到施加到两个磁控管的脉冲电压的精确波形的高度影响。测量的能量分布的样品如图4所示。在林等人的纸张中标题为TF1-2。，在本次会议上详细说明了与沉积膜的特性的分布及其相关性。布拉德利和他的合作者（8）已经解释了其他工作，包括与脉冲磁控反应器的Hiden仪器的时间分辨测量。

图4。A1的离子能量分布⁺作为探针位置的函数。

高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)系统是磁控沉积领域的最新发展。在HIPIMS中，重点是在磁控管附近产生大量的电离金属离子。一些小组再次检查离子居群的能量分布和相应的离子居群与隐藏质量/能量分析仪。Ehiasarian等人(9,10)将他们的HIPIMS反应堆与能量大约高出三倍的更传统的磁控管系统进行了比较。结果表明，HIPIMS反应器可以释放4到5倍的活性钛和氮离子。Vicek等人(11)发现，到衬底的离子通量中含有高达92%的铜离子，相对于地电位的能量高达45 eV。施加在磁控管电极上的电压产生波形。然后将这些波形与能量分布进行比较。这种比较对设计和解释操作条件非常有帮助。

结论

显然是，在广泛的处理等离子体中存在的中性物质和离子的质量和能量分布光谱的测量在提高反应器的操作和设计方面具有很大的帮助。隐藏质量/能量仪器已发现这种测量的广泛用途，以及分子束采样系统，现在应用于在大气压下操作的等离子体。

参考文献

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2. Y Aranda Gonzalvo，T D惠尔莫尔，J A Rees，D L Seymour和E Stoffels J Vaci Technola24,550,2006
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4. W Stoffels，E Stoffels和K. Tachibana JPN。J. Appl。物理。36,4638,1997
5. K Teii，M Hori，M ITO，T GoTo和N Ishii J. VAC。SCI。技术。A18,1,2000
6. C Muratore J J Moore和J A Rees Surf Coat Tech 12,163,2003
7. J Lin J J Moore B Mishra W D Sproul和J A Rees Surf Coat Technol 201,4640 2006
8. J W Bradley，HBäcker，yArandaGonzalvo，P J Kelly和R D Arnell等离子源SCI。Technol-11,165,2002
9. E Ehiasanian, Y Aranda gonzevo和T D Whitmore Plasma Proc & Polymers 2007(待出版)
10. J Bohlmark, M Lattemann, J T Gudundsson, A P Ehiasarian, Y Aranda gonzavo, N Brenning and U Helmersson Thin Solid Films 515, 1522, 2006
11. J vicek p Kudlacek K Burcalova和J Musil J Vaci Technol A25,22,2007

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