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CN110402005B - 一种用于等离子体诊断的中空探针 - Google Patents

一种用于等离子体诊断的中空探针 Download PDF

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CN110402005B CN201910638413.5A CN201910638413A CN110402005B CN 110402005 B CN110402005 B CN 110402005B CN 201910638413 A CN201910638413 A CN 201910638413A CN 110402005 B CN110402005 B CN 110402005B
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Abstract

一种用于等离子体诊断的中空探针，属于等离子体科学参数测量技术领域，包括中空壳体、绝缘套管和金属导线，所述的中空壳体一端为封闭端，另一端为开放端，所述的绝缘套管通过开放端进入中空壳体内部且与中空壳体固定连接，所述的中空壳体位于绝缘套管的外侧，所述绝缘套管与中空壳体之间有间隙，所述的金属导线安装在绝缘套管内，金属导线的一端与中空壳体相导通，另一端延伸至绝缘套管外部。能够用于导电薄膜沉积环境等离子体诊断，避免探针与绝缘支架上的导电镀膜短路而报废，并且能够更准确地测量获得等离子体的密度。

Description

一种用于等离子体诊断的中空探针
技术领域
本发明属于等离子体科学参数测量技术领域，具体涉及到一种用于等离子体诊断的中空探针。
背景技术
探针是诊断等离子体参数常用的装置，可以分为单探针、双探针、三探针等诊断方法。单探针方法是一个置于等离子体中的小金属电极，在探针与等离子体地之间加上扫描偏置电压，然后测量探针电流随扫描偏置电压的变化，得到伏安特性曲线，再通过分析伏安特性曲线就可以得到等离子体的参数。双探针方法使用两个相互靠近的小金属电极，扫描偏置电压加在两电极之间，也是通过分析伏安特性曲线获得等离子体的参数。三探针方法使用三个相互靠近的小金属电极，在其中两个电极之间加一个固定电压，测量这两个电极与第三电极之间的电压和电流，利用公式就可以计算出等离子体密度和电子温度。
现有技术采用的探针形状通常为圆柱形、球形或平面型。圆柱形探针由于其易制作和对等离子体扰动较小而最为广泛使用，但圆柱形探针空间对称性不好，尖端电场较强，探针上的收集电流密度不均匀，从而产生沿面电势差和电流，影响测量的准确性。另外，圆柱形探针靠近其绝缘支架的部分会受到绝缘支架鞘层的遮挡而不能有效收集电荷，因此不能准确确定有效的电荷收集面积，从而使电子密度计算不准确。与圆柱形探针相比，球形探针对等离子体扰动更小且空间对称性好，但球形探针也不能避免其靠近绝缘支架的部分受绝缘支架鞘层的遮挡而不能有效收集电荷的问题，使有效的电荷收集面积不能准确确定以及由此导致电子密度计算不准确。平面探针因其对等离子体扰动大和理论不完善而最少使用，且平面探针同样存在电场不均匀和探针受绝缘支架鞘层遮挡的问题。
更主要的是，这些形状的探针都不能用在导电薄膜沉积环境的等离子体诊断上，因为在这样的环境中，这些形状的探针和它的绝缘支架表面会很快被镀上一层导电薄膜而短路，使探针不能继续使用。由于实际生产应用中存在大量导电薄膜沉积环境的等离子体需要进行诊断，比如TiN、CrN、ITO等薄膜沉积环境的等离子体，解决这一问题非常必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于等离子体诊断的中空探针，以解决现有技术探针不能用于导电薄膜沉积环境等离子体诊断，以及用于其他等离子体诊断测量不准确的问题。
本发明是通过以下方式实现的一种用于等离子体诊断的中空探针，包括中空壳体、绝缘套管和金属导线。所述的中空壳体一端为封闭端，另一端为开放端，其内部为一空腔。所述的绝缘套管通过开放端进入中空壳体内部后，绝缘套管可以通过胶粘的方式与中空壳体的封闭端内壁固定连接，也可以通过螺丝拧紧的方式与中空壳体的封闭端内壁固定连接，这样中空壳体套设在绝缘套管的外壁，使中空壳体位于绝缘套管的外侧。所述绝缘套管与中空壳体之间留有间隙，所述的金属导线安装在绝缘套管内，即绝缘套管把金属导线包裹起来，金属导线的一端与中空壳体相导通，导通的方式分为两种，一种为金属导线直接与中空壳体相接触进行导通，另一种方式为金属导线通过导电介质与中空壳体间接接触进行导通，另一端延伸至绝缘套管外部，跟外部的设备相连接。
所述的中空壳体采用金属材质制成。
优选的中空壳体为半球形壳体或者球顶圆筒壳体。
所述绝缘套管与中空壳体固定的一端设置有至少两条凹槽。
所述的中空壳体的外径为1mm-100mm，中空壳体的壁厚为0.1mm-1mm。
所述的间隙的宽度小于中空壳体外直径的五分之一，所述间隙的深度大于间隙最大宽度的3倍。
优选的金属材质为钨或钼或钽或镍或铂或黄铜或不锈钢。
本发明的有益效果是：在导电薄膜沉积环境中使用，能够避免探针与绝缘支架上的导电镀膜短路而报废，因而能够用于导电薄膜沉积环境等离子体诊断；另一方面，避免了绝缘支架的鞘层对探针的遮挡，能够更准确地测量获得等离子体的密度。
附图说明
图1为中空壳体为半球形壳体的中空探针结构图；
图2为中空壳体与绝缘套管用螺丝连接的中空探针结构图；
图3为中空壳体为球顶圆筒壳体的中空探针结构图；
图4为采用带有凹槽的绝缘套管的中空探针结构图；
如图1至图4所述，中空壳体（1），绝缘套管（2），金属导线（3），封闭端（4），开放端（5），间隙（6），螺丝（7），凹槽（8）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4，一种用于等离子体诊断的中空探针，包括中空壳体1、绝缘套管2和金属导线3。所述的中空壳体1一端为封闭端4，另一端为开放端5，其内部为一空腔，中空壳体1采用钨或钼或钽或镍或铂或黄铜或不锈钢等金属材质制成，中空壳体1的尺寸选择与被测量等离子体的密度有关，外径一般的范围为：1mm-100mm，为了保证中空壳体1的强度，所以壁厚的范围为：0.1mm-1mm；所述的绝缘套管2通过开放端5进入中空壳体1内部后，绝缘套管2可以通过胶粘的方式与中空壳体1的封闭端4内壁固定连接，也可以通过螺丝7拧紧的方式与中空壳体1的封闭端4内壁固定连接，这样中空壳体1套设在绝缘套管2的外壁，使中空壳体1位于绝缘套管2的外侧，所述绝缘套管2与中空壳体1之间留有间隙6，间隙6的宽度小于中空壳体1外直径的五分之一，间隙6的深度大于其最大宽度的3倍；所述的金属导线3安装在绝缘套管2内，金属导线3的一端与中空壳体1相导通，即金属导线3直接与中空壳体1相接处导通，或者金属导线3通过导电介质与中空壳体1间接接触导通，另一端延伸至绝缘套管2外部，跟外部的设备相连接。
优选的中空壳体1为半球形壳体或者球顶圆筒壳体。
所述绝缘套管与中空壳体固定的一端设置有至少两条凹槽。
实施例1，如图1所示测量导电薄膜沉积环境的等离子体诊断中使用的中空探针，等离子体密度范围为108-1010/cm3，中空壳体1采用304不锈钢制成的半球形壳体，外径为1.2mm，壁厚0.1mm，绝缘套管2的外径为0.6mm，绝缘套管2与中空壳体1之间的间隙6小于0.24mm，间隙6深度大于其最大宽度的3倍，绝缘套管2用银胶与中空壳体1粘接固定，金属导线3用银胶粘接与中空壳体1直接导通，并穿过绝缘套管2引出。
实施例2，如图2所示测量低密度空间等离子体诊断中使用的中空探针，等离子体密度范围为105-106/cm3，中空壳体1采用黄铜制成的半球形壳体，外径为50mm，壁厚1mm，绝缘套管2的外径为30mm，绝缘套管2与中空壳体1之间的间隙6小于10mm，间隙6深度大于其最大宽度的3倍，螺丝7固定在中空壳体1的封闭端4内壁上，且绝缘套管2通过螺纹连接安装在螺丝7上，金属导线3通过焊接固定在螺丝7上与中空壳体1形成间接导通，并穿过绝缘套管2引出。
实施例2与实施例1相比，绝缘套管2与中空壳体1不直接接触，形成一个弯曲的间隙6，能够更有效地避免中空壳体1与绝缘套管2上的导电镀膜短路。
实施例3，如图3所示测量导电薄膜沉积环境的等离子体诊断中使用的中空探针，等离子体密度范围为108-1010/cm3，中空壳体1采用304不锈钢制成的球顶圆筒壳体，球顶和圆筒的外径均是1.2mm，壁厚均是0.1mm，绝缘套管2的外径为0.6mm，绝缘套管2与中空壳体1之间的间隙6小于0.24mm，间隙6深度大于其最大宽度的3倍，绝缘套管2用银胶与中空壳体1粘接固定，金属导线3用银胶粘接与中空壳体1直接导通，并穿过绝缘套管2引出。
实施例3与实施例1相比，绝缘套管2与中空壳体1之间的间隙更深，导电镀膜成分更不容易沉积进入缝隙内部，能够更有效地避免中空壳体1与绝缘套管2上的导电镀膜短路。但是与半球形壳体的中空壳体1相比，同样直径的球顶圆筒壳体的中空壳体1的表面积较大，收集电流较大，对等离子体扰动较大，探针功耗也较大。所以使用中需要根据等离子体实际情况，选用适合的中空壳体1，使得既能克服导电镀膜短路问题，又能减小收集电流和等离子体扰动，获得准确的测量结果。
实施例4，如图4测量导电薄膜沉积环境的等离子体诊断中使用的中空探针，中空壳体1采用304不锈钢制成的球顶圆筒壳体，绝缘套管2的一端上开有至少两条环形的凹槽8，绝缘套管2用银胶与中空壳体1粘接固定，金属导线3用银胶粘接与中空壳体1直接导通，并穿过绝缘套管2引出。
实施例4与实施例3相比，绝缘套管2上开有环形的凹槽8，导电镀膜成分不容易形成连续的导电膜层，能够更有效地避免中空壳体1与绝缘套管2上的导电镀膜短路。另一方面，增强的防短路效果放宽了间隙6的深度要求，可以减小中空壳体1的表面积，从而减小收集电流和对等离子体的扰动以及探针功耗。
实施例1-4中，中空壳体1均位于绝缘套管2的外侧，避免了中空壳体1被绝缘套管2的鞘层遮蔽，电荷收集面积准确地为中空壳体1的外表面积，使得能够准确地测量等离子体密度；与之相比，现有技术中金属探针都位于绝缘套管的内侧，不可避免地被绝缘套管的鞘层部分遮蔽，使得不能准确确定探针的有效电荷收集面积，因而不能准确地测量等离子体密度。另外，实施例1-4中，绝缘套管与中空壳体之间的间隙不直接面对镀膜源和等离子体，一方面能够更有效地避免间隙6内沉积镀膜物质；另一方面等离子体不易进入间隙6被额外收集，测量更准确。

Claims (6)

1.一种用于等离子体诊断的中空探针，其特征在于，包括中空壳体(1)、绝缘套管(2)和金属导线(3)，所述的中空壳体(1)一端为封闭端(4)，另一端为开放端(5)，所述的中空壳体(1)位于绝缘套管(2)的外侧，所述的绝缘套管(2)通过开放端(5)进入中空壳体(1)内部并且与中空壳体(1)的内壁通过胶粘或螺丝(7)固定连接，所述绝缘套管(2)与中空壳体(1)之间有间隙(6)，所述的金属导线(3)安装在绝缘套管(2)内，金属导线(3)的一端与中空壳体(1)相导通，另一端延伸至绝缘套管(2)外部；所述间隙(6)的宽度小于中空壳体(1)外直径的五分之一，间隙(6)的深度大于间隙(6)最大宽度的3倍；所述绝缘套管(2)与中空壳体(1)固定的一端设置有至少两条凹槽(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于等离子体诊断的中空探针，其特征在于，所述的中空壳体(1)采用金属材质制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于等离子体诊断的中空探针，其特征在于，所述的中空壳体(1)为半球形壳体或者球顶圆筒壳体。
4.根据权利要求3所述的一种用于等离子体诊断的中空探针，其特征在于，所述中空壳体(1)的外径为1mm-100mm，中空壳体(1)的壁厚为0.1mm-1mm。
5.根据权利要求2所述的一种用于等离子体诊断的中空探针，其特征在于，所述的金属材质为钨或钼或钽或镍或铂或黄铜或不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种用于等离子体诊断的中空探针，其特征在于，所述的螺丝(7)固定在封闭端(4)的内壁上。
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