等离子体浸没离子注入系统研制及其相关物理研究

摘要

等离子体浸没离子注入克服了视线限制，具有注入效率高、对三维物体处理能力强、与等离子体工艺兼容的特点，在金属材料、化工材料的表面处理和微电子材料的制备等方面有着广阔的应用，本论文工作以作者为主独立研制了一套适用于微电子材料处理的等离子体浸没离子注入装置系统，系统采用顶部电感耦合等离子体源和固态开关电路的快上升沿高压脉冲电源。
　　 我们以该装置系统为实验平台研究了等离子体浸没离子注入的相关物理过程并在平台上进行微电子材料注入实验。
　　 本文提出拱形变气隙射频天线设计方法，通过有意识优化天线的电感耦合和电容耦合作用效果，实现射频电感耦合等离子体密度径向均匀性的提高和电子温度的降低，在源头上提高等离子体浸没离子注入的均匀性。经过模拟计算和理论分析，上述实验现象被认为是拱形天线产生的电磁场分布较为均匀和电容耦合作用被抑制的结果。
　　 本文为等离子体浸没离子注入寻找新的等离子体源--表面波等离子体，该等离子体源满足高密度、大面积、均匀的要求。我们设计三明治型环状狭缝天线提高表面波等离子体的均匀性，研究表面波通过环形波导狭缝天线在等离子体和介质的界面上所产生的等离子体激元，从驻波角度解释等离子体激元的发光方式，将表面波等离子体应用于等离子体浸没离子注入实验。
　　 本文分析了等离子体浸没离子注入各特征时间阶段的鞘层性质，研究了负脉冲高压的电学参数对鞘层外等离子体的影响，实验发现鞘层外等离子体密度随高压频率的增加和脉宽的加大而变大，对电压的变化不敏感。我们使用电子电离截面和二次电子发射系数随入射离子能量的关系来解释上述实验结果。
　　 本文在等离子体浸没离子注入平台上进行微电子材料实验，实验中发现经过等离子体浸没离子注入处理后的多孔硅发光光谱有蓝移现象，根据X光电子能谱仪检测的结果发现样品表面形成了Si-NxOy相，这一物相出现导致了光谱的蓝移；发现经过等离子体浸没离子注入并退火后的n型ZnO薄膜的电子迁移率和电子载流子浓度大幅下降，为通过等离子体浸没离子注入实现p型ZnO薄膜做出前期摸索性工作。