在等离子体处理中,功率输送与非线性负载的匹配是一项持续的挑战。微电子制造中使用的等离子体反应器越来越多地采用多频率和/或脉冲方式,从而产生非线性且在许多情况下非稳态的电气终端,这可能会使功率与等离子体的有效耦合变得复杂。对于脉冲电感耦合等离子体尤其如此,其中等离子体的阻抗在启动瞬态期间可能会发生显著变化,并经历 E – H(电容到电感)转换。在本文中,我们讨论了使用固定组件阻抗匹配网络对脉冲电感耦合等离子体(Ar/Cl 2 混合物,压力为数十毫托)进行功率匹配的动态计算研究的结果及其对等离子体特性的影响。在本次研究中,我们使用了设定点匹配,其中匹配网络的组件在脉冲周期的选定时间提供最佳阻抗匹配(相对于电源的特性阻抗)。在脉冲早期匹配阻抗使功率能够为 E 模式供电,从而强调电容耦合和等离子体电位的大偏移。这种早期功率耦合使等离子体密度能够更快地上升,而在脉冲后期的 H 模式中不匹配。早期匹配还会产生更多能量离子轰击表面。在脉冲后期匹配会降低 E 模式中耗散的功率,但代价是降低等离子体密度的增加速度。
基于苯硼酸的水凝胶夹层射频 (RF) 谐振器被证明是一种用于监测葡萄糖的高响应、无源和无线传感器。结构由未锚定的电容耦合开口环组成,中间是葡萄糖响应水凝胶。苯硼酸水凝胶会根据环境葡萄糖浓度表现出体积和介电变化——这些变化被有效地转化为夹层 RF 传感器谐振响应的大幅变化。这些微型、可拉伸和可扩展的传感器(5 毫米 × 5 毫米 × 250 微米)不需要传感节点的微电子或电源,可以通过近场耦合远程读取。传感器表现出高灵敏度(每 150 毫克/分升葡萄糖谐振频率偏移约 10%——相当于 50 MHz),检测限为 10 毫克/分升,对碳水化合物浓度突然变化的阶跃响应时间约为 1 小时。值得注意的是,这些传感器在本文描述的时间段内(室温下 45 天)没有表现出信号漂移或滞后现象。我们通过连接单个 LED 将传感器转变为生物电子 RF 报告标签——它们通过发射光远程报告葡萄糖浓度。我们预计,RF 读出和苯硼酸基水凝胶的非降解性和长期性将使生物传感器能够长期远程读取葡萄糖。
LPP-CNRS,巴黎综合理工学院,法国帕莱索 Jean-Paul Booth 是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的研究主管,该中心自 2000 年起驻扎于法国综合理工学院等离子体物理实验室。他在牛津大学物理化学实验室获得博士学位,后加入 CNRS(最初在格勒诺布尔大学)。他还曾担任加州 Lam Research Corporation 的技术总监 (2006-08),负责应用于等离子蚀刻反应器的传感器和终点检测。他专门从事反应气体中低压等离子体的物理和化学实验研究及其与表面的相互作用。他专注于微电子行业材料加工中的射频等离子体,目前正致力于通过全面的诊断测量对双原子气体中的等离子体模型进行严格验证。他完善并应用了许多新颖的光学诊断技术(单光子和双光子激光诱导荧光、高灵敏度宽带吸收光谱、腔衰荡光谱、同步真空紫外吸收)来测量绝对反应物种密度和动力学。他还开发了用于带电粒子诊断的新型电探针和微波共振技术,以及用于现场控制工业等离子体过程的更简单的传感器。他还对电容耦合射频等离子体的物理学感兴趣:射频击穿、甚高频等离子体中的电磁效应,以及用于控制离子和电子通量和能量分布的定制电压波形激励。
电负性电感耦合等离子体 (ICP) 用于微电子工业中半导体制造的导体蚀刻。天线功率和偏置电压的脉冲化提供了额外的控制,以优化等离子体 - 表面相互作用。然而,由于在前一次余辉结束时电子密度较低,因此脉冲 ICP 在功率脉冲开始时易受电容到电感模式转变的影响。电容 (E) 到电感 (H) 模式的转变对前一次余辉结束时等离子体的空间结构、电路(火柴盒)设置、操作条件和反应器配置(包括天线几何形状)很敏感。在本文中,我们讨论了通过计算研究的结果,研究了在 Ar/Cl 2 和 Ar/O 2 气体混合物中维持的脉冲 ICP 中的 E - H 跃迁,同时改变操作条件,包括气体混合物、脉冲重复频率、功率脉冲的占空比和天线几何形状。在 Ar/Cl 2 混合气体中维持的脉冲 ICP 容易发生显著的 E – H 跃迁,这是因为余辉期间与 Cl 2 发生热解离附着反应,从而降低了预脉冲电子密度。这些突然的 E – H 跃迁会从等离子体边界(尤其是天线下方)形成的鞘层发射静电波。在 Ar/O 2 混合气体中观察到的更平滑的 E – H 跃迁是由于缺乏对 O 2 的热电子附着反应,导致功率脉冲开始时的电子密度更高。讨论了入射到晶片和天线下方的介电窗口上的离子能量和角度分布 (IEAD)。天线的形状影响 E – H 跃迁和 IEAD 的严重程度,天线具有面向等离子体的较大表面积,会产生较大的电容耦合。通过将计算出的电子密度与实验测量值进行比较来验证模型。
该通道是通过电容耦合和在栅极电极上施加适当的偏压来实现的。然而,在传统 FET 架构中,卤化物钙钛矿在室温和低频(尤其是直流操作)下的电流调制具有挑战性,这主要是由于钙钛矿层的混合离子-电子特性。[2] 溶液处理的 FET 通常以累积模式工作,而传统的 Si 基晶体管则以反转模式工作,其中耗尽层将导电通道与半导体块体隔离。为了实现电流的栅极调制和累积模式下的大开关电流比,需要具有低离子浓度的钙钛矿层。在高离子浓度下,如图 1a 所示,无法形成累积通道,因为栅极场被移动离子屏蔽,如图 1b 所示。只有当栅极偏压足够大以至于离子无法完全屏蔽栅极场时,才能观察到场效应电流。因此,形成一个积累层,如图 1c 所示。溶液处理的钙钛矿中可移动离子的浓度估计为 10 25 m − 3 的数量级,[3,4] 导致表面电荷密度为几个 μ C cm − 2,例如甲基铵卤化铅的表面离子密度为 5 μ C cm − 2。[3] 当使用厚度为 200 nm 的典型 SiO 2 栅极电介质(相对介电常数,k = 3.9)时,如此大的密度需要施加大于 300 V 的栅极电压才能感应积累通道,但这是不切实际的,因为它会导致电介质击穿。因此,钙钛矿 FET 中的电流调制主要在低温下实现,此时离子电导率显著降低,或者在高频下使用脉冲模式操作,此时离子无法响应电场的快速变化。[5] 低温或高频操作严重限制了钙钛矿 FET 的实际应用。为了解决这些问题,人们尝试了材料改性,例如合成单晶微板、[6] 准二维纳米片 [7] 或多组分钙钛矿 [8,9]。然而,这些方法可能会损害高通量制造、可重复性或高效电荷传输。因此,减轻或补偿离子迁移率对于实现实用的钙钛矿基 FET 至关重要。在这里,我们建议使用能够诱导大表面电荷密度的介电材料,例如