论文总字数：33777字

摘 要

随着电子芯片尺寸的不断纳型化，半导体加工技术的发展已进入到一个与物理极限斗争的阶段。面对集成电路的进一步小型化和高度集成，研究人员正从新加工技术和新材料两条路径尝试推进突破。对于开发新材料路径，众多研究人员尝试新发现的低维材料，例如碳纳米管、石墨烯、硫化钼等，这些低维材料有望从原理上实现单元尺寸更小、集成度更高的电子器件。在新材料的研究开发中，人们首先需要认知材料在纳米尺度下的结构稳定性和物性演化。表征测试纳米材料最直接的方式便是使用透射电子显微镜（TEM）。然而，TEM通常只能表征材料结构和物性，难以对材料进行可控的修剪加工。等离子体是用于加工材料的重要技术手段，在工业上已有着广泛的应用，然而等离子体目前尚且不能和TEM结合，没办法实现在TEM中对材料的结构进行原位加工并同步表征测试。本文尝试将TEM与等离子相结合，制作一种兼容TEM的远程等离子体系统，使得未来能够对材料进行原位刻蚀分析。

基于以上目标，本文尝试构建原位等离子体系统，包括商业化的等离子体源、诊断装置和差分系统，本文着重对诊断装置开展设计和搭建，诊断的方式选用朗缪尔探针这一简便有效的方式。论文设计包含了扫描电压源、电流测量、电压测量以及供电电路，采用单片机作为控制中心以及数据传输的媒介。将测量的电流电压数据传递到计算机端，用于绘制I-V特性曲线。论文最终实现了对检测系统的构建，也验证了检测探针系统可以输出合适的扫描电压，较为精确的测量电压电流，可在等离子体检测上实际应用。

关键词：原位分析 等离子体 朗缪尔探针 数据采集

Abstract

With the fast development of integrated circuits and microelectronic devices, the semiconductor processing technology is facing great challenges as the feature sizes are decreasing to sub-10 nm scale. The Moore's Law, which is known as the golden rule of integrated circuits, has been predicted to soon reach its end because of the physical limitations of silicon microprocessors. To overcome the limitations, researchers have been investigating new materials continuously to further minimize the device size via the fundamental approach. As for nanomaterials, the transmission electron microscope (TEM) is a powerful tool used to characterize their structures and properties. Though the TEM is able to observe the atomic information of diverse electronic materials, it still lacks capability in tailoring their structures in situ. In comparison, plasma etching is an important technique frequently used for processing materials in the industry. In order to establish the relationship between material size and the corresponding property, researchers need to observe the material behaviors together with in-situ processing. This thesis attempts to combine the TEM with plasma etching so as to create a TEM-compatible remote plasma system for in-situ investigation.

It mainly comprises the plasma source, the diagnostic unit and the differential pumping system. Here we mainly focus the design of the diagnostic device for the plasma system, based on a simple and effective method using a Langmuir probe. The design includes a sweep voltage source, current-measurement unit, voltage-measurement unit, and power supply circuitry. We use a MCU as the control center and the medium for data transmission. The measured data of current and voltage is transferred to the computer for plotting the I-V graphs.

KEY WORDS: in-situ analysis, plasma, Langmuir probe, data acquisition

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2等离子体简介 3

1.2.1等离子体的概念 3

1.2.2等离子体的性质 4

1.2.3等离子体的分类 4

1.2.4等离子体参量 5

1.2.5等离子体的应用 7

1.3等离子体系统构成 8

1.3.1等离子体发生源 8

1.3.2等离子体诊断方法 10

1.3.3等离子体差分气路系统 12

1.4本文主要内容 12

第二章 静电探针系统原理简介 13

2.1单探针介绍 13

2.1.1单探针I-V特性曲线 14

2.1.2等离子体参数的获取 15

2.1.3单探针的优缺点及误差来源 16

2.2双探针简介 17

2.3国内外朗缪尔探针仪状况 17

2.3.1国外产品举例 17

2.3.2国内研究举例 18

2.3.3小结 19

第三章 电路硬件结构设计 19

3.1设计仿真软件 21

3.2扫描电压源电路 21

3.2.1扫描电压源电路设计及原理 22

3.2.2扫描电压源电路主要元件介绍 22

3.3电压检测电路 26

3.4电流检测电路 27

3.5元件供电电路 28

3.5.1 ±5 V电压产生电路 28

3.5.2 参考电平（-4 V， 2 V） 30

3.6关键参数选取及测量计算 31

3.6.1扫描电压源的参数选取 31

3.6.2电压测量电路 31

3.6.3电流测量电路 32

3.7电路仿真 32

3.7.1扫描电压源 32

3.7.2电压测量电路 34

3.7.3电流检测电路 35

第四章 软件系统设计 35

4.1单片机及相关模块简介 35

4.2软件系统结构 38

第五章 系统测试与应用 39

5.1电路PCB的制作 39

5.2电路功能测试 41

5.2.1供电电路测试 42

5.2.2扫描电压电路测试 42

5.2.3电压检测电路测试 46

5.2.4电流检测电路测试 47

5.2.5系统整体功能测试 47

第六章 总结与展望 49

6.1总结 49

6.2展望 50

致 谢 51

参考文献 52

附录 53

第一章 绪论

1.1引言

自从1958年第一块真正意义上的现代集成电路诞生以来，它的发展已经走过了60个年头，这六十年来集成电路产业一直遵循着摩尔定律——每18至24个月，单个芯片上所集成的晶体管数目便会翻一番，相应的电路的性能也会翻一番，成本则变为原来一半[1]。随着大规模集成电路的不断发展，集成电路的规模已经达到前所未有的高度，目前10 nm和7 nm工艺都已经实现量产，实验室也已经在研究5 nm甚至是3 nm的工艺制程。但是随着器件的尺寸不断地缩小、器件的速度越来越快，各种各样的问题也接踵而来，这导致人们曾一度质疑摩尔定律的适应性。然而在研究人员的共同努力下，摩尔定律至今依旧在延续。

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