T/BEA 40001-2022 感应耦合等离子体发生器校准规范

内容简介

本标准适用于真空环境下使用的新制造（或新购置）和修理后的感应耦合等离子体发生器等离子体参数的校准和周期性校准
1范围1.1主题内容本规范规定了感应耦合等离子体发生器的计量特性、校准条件、校准项目、校准方法、校准结果的处理。1.2适用范围本标准适用于真空环境下使用的新制造（或新购置）和修理后的感应耦合等离子体发生器等离子体参数的校准和周期性校准。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。JJF1001-2011　通用计量术语及定义3术语定义3.1感应耦合等离子体发生器inductivecoupledplasmagenerator感应耦合等离子体发生器是一种在真空环境下，利用加载在射频感应线圈上的高频功率信号，由电流产生的交变磁场引起感应电场，从而激发和产生高密度稳定等离子体的一种气体电离装置。3.2等离子体电子密度plasmaelectrondensity单位体积内的等离子体的电子数量，用于表征气体被电离成等离子体的程度，单位为个每立方米（/m3）。3.3等离子体电子温度plasmaelectrontemperature当等离子体处于热平衡状态时，用于表征等离子体中电子平均动能的大小，单位为电子伏特（eV）。3.4径向比radialdirectionratio真空腔室内产生的均匀等离子体区域，沿径向方向与等离子体发生器半径的比值大小。4概述4.1用途感应耦合等离子体发生器是一种通过电离气体产生稳定等离子体的一种设备，已被广泛应用于刻蚀加工、电推进等领域。4.2原理及结构感应耦合等离子体发生器的工作原理为在射频感应线圈上加载射频功率信号，当射频信号通过匹配网络加到天线上时，绕在圆筒形石英筒外边的感应天线会在真空腔室中产生射频磁通，并且在真空腔室的内部沿着圆筒形石英筒的角方向感应出射频电场。真空容器中的电子被电场加速，由这些电子与其它粒子碰撞产生密集的等离子体，同时天线的能量被耦合到等离子体中，从而可以激发和产生高密度等离子体。根据天线类型可将常见的感应耦合等离子体发生器分为：圆筒型和平面型。感应耦合等离子体发生器主要由真空腔室、射频功率电源、天线与匹配网络、石英窗以及Langmuir探针组成。5计量特性5.1外观感应耦合等离子体发生器上的射频功率电源、真空计、流量计、Langmuir探针应有以下标志：仪器名称、型号、制造厂名及出厂编号、制造日期等。感应耦合等离子体发生器气体管路接口可靠，真空腔室上应留有标准的法兰接口。5.2均匀性感应耦合等离子体发生器沿径向方向，径向比1.5范围内产生等离子体的均匀性误差不大于±15%。5.3电子密度示值误差感应耦合等离子体发生器可产生的等离子体电子密度范围：1×1014/m3~1×1018/m3，示值误差不大于±50%。5.4电子密度重复性感应耦合等离子体发生器的等离子体电子密度重复性，重复性不大于50%。5.5电子温度示值误差感应耦合等离子体发生器可产生的等离子体电子温度范围：1eV~10eV，示值误差不大于±50%。6校准条件6.1环境条件环境温度：（25±5）℃；相对湿度：≤85%；供电电源：(220±22)V，(50±1)Hz；周围无明显振动，无强电、磁场干扰，无腐蚀性气体，无火源，通风良好。6.2校准项目及设备序号　校准项目　校准类别　　首次校准　后续校准　使用中校准1　外观检查　+　+　+2　均匀性　+　+　-3　电子密度示值误差　+　+　+4　电子密度重复性　+　+　+5　电子温度示值误差　+　+　+6　电子温度重复性　+　+　+注：“+”为必校准项目；“-”为不校准项目校准所用仪器设备应经过计量技术机构校准，满足校准使用要求，并在有效期内。校准用主要设备及性能要求如下：表2校准所用设备性能一览表序号　校准所用设备　主要技术指标或等级1　等离子体发生器校准装置　1)电子密度校准范围：优于1×1012/m3~1×1018/m3，测量结果的不确定度：优于15%(k=2)；2)电子温度校准范围：1eV~10eV，测量结果的不确定度：优于15%(k=2)。校准所用其他辅助设备包括：a)钢直尺、水平台；b)高纯氮气、氦气、氖气；c)压缩空气。7校准方法7.1外观检查目测检查。7.2安装a）将等离子体发生器校准装置通过真空腔室上的标准法兰接口，对称安装在感应耦合等离子体发生器上。同时，打开真空腔室大门，对校准装置针尖的安装位置与Langmuir探针的针尖相对位置进行测量，确保其满足对称安装的位置要求；b)关闭真空室舱门，进行通电检查；c)对真空舱室进行抽气，检查真空舱室的气密性是否满足要求。7.3均匀性a)调节感应耦合等离子体发生器真空腔室内的真空度，调节气体流量计，注入放电所需的气体，使得感应耦合等离子体发生器处于可产生气体放电的状态；b)打开感应耦合等离子体发生器的射频电源，预热30min；c)调节被校准感应耦合等离子体发生器的射频电源功率、匹配网络及进气气体流量，使得感应耦合等离子体发生器的等离子体电子密度分别可稳定在1×1014/m3、1×1016/m3、1×1018/m3共3个测试点上，测试时，在长径比1.5范围内，移动等离子体发生器校准装置径向位置不少于3次，并记录等离子体发生器校准装置的电子密度值，按照式（1）计算均匀性：（1）U=(nmax-nmin)/2nav×100%式中，nmax——同一电子密度下，不同径向位置处测得的电子密度最大值，m-3；nmin——同一电子密度下，不同径向位置处测得的电子密度最小值，m-3；nav——同一电子密度下，不同径向位置处测得的电子密度平均值，m-3。7.4电子密度示值误差调节被校准感应耦合等离子体发生器的射频电源功率、气体流量，由低到高，使得感应耦合等离子体发生器的等离子体电子密度分别可稳定在1×1014/m3、3×1014/m3、1×1015/m3、3×1015/m3、1×1016/m3、3×1016/m3、1×1017/m3、3×1017/m3、1×1018/m3共9个测试点上，测试时，每个电子密度测试点的实际值与设定值的偏差不超过设定值的±20%，对于每一个测试点，稳定1min后进行数据记录。分别记录各测试点感应耦合等离子体发生器的电子密度示值n和等离子体发生器校准装置的电子密度示值n0，按照式（2）计算其示值误差：（2）δ=(n-n0)/n0×100%式中，n——各测试点感应耦合等离子体发生器的示值，m-3；n0——各测试点的等离子体发生器校准装置示值，m-3；δ——感应耦合等离子体发生器示值与校准装置示值的最大相对误差。7.5电子密度的重复性按照公式（3）计算每点的重复性误差，并取最大值作为感应耦合等离子体发生器电子密度的重复性。（3）b=丨nmax-nmin丨/n式中，b——各校准点的重复性误差，%；n——各测试点的微波ECR等离子体发生器的电子密度三次测量示值平均值，m-3；nmax——各测试点三次测量中的电子密度最大示值，m-3；nmin——各测试点三次测量中的电子密度最大示值，m-3。7.6电子温度的示值误差调节被校准感应耦合等离子体发生器的射频电源功率、气体流量，由低到高，使得感应耦合等离子体发生器的等离子体电子温度分别可稳定在1eV、2eV、4eV、6eV、8eV、10eV共6个测试点上，测试时，每个电子温度测试点的实际值与设定值的偏差不超过设定值的±20%，对于每一个测试点，稳定1min后进行数据记录。分别记录各测试点感应耦合等离子体发生器的电子温度示值T和等离子体发生器校准装置的电子温度示值T0，按照式（4）计算其示值误差：（4）δ=(t-t0)/t0×100%式中，T——各测试点感应耦合等离子体发生器的示值，eV；T0——各测试点的等离子体发生器校准装置示值，eV；δ——感应耦合等离子体发生器示值与校准装置示值的最大相对误差。7.7电子温度的重复性按照，按照公式（5）计算每点的重复性误差，并取最大值作为感应耦合等离子体发生器电子温度的重复性。（5）c=丨Tmax-Tmin丨/t式中，c——各校准点的重复性误差，%；t——各测试点的感应耦合等离子体发生器的电子温度三次测量示值平均值，m-3；Tmax——各测试点三次测量中的电子温度最大示值，m-3；Tmin——各测试点三次测量中的电子温度最大示值，m-3。8校准结果的处理8.1校准结果的处理经校准的感应耦合等离子体发生器应出具校准证书。校准证书的校准结果记录表格可参照附录A。8.2校准周期建议感应耦合等离子体发生器的复校时间间隔为一年。