Sb98627

чину Ie. Для этого задать постоянное напряжение на зонд (ключ S2 выключен), замерить с помощью тестера значение тока на зонд I1, включить постоянное и переменное напряжения (ключ S2 замкнут), замерить второе значение тока I2, Ie = I2 – I1. Определить Ie для четырех значений А.

6. После подготовительной работы, выбрав частоту и амплитуду переменного сигнала, дающих минимальное, но заметное значение Ie, приступить к снятию ФРЭ. Для этого менять через 0.5 В постоянное напряжение, подаваемое на зонд от Uст, до значения, при котором Ie = 0. Снять ФРЭ три раза и привести в отчете среднее ее значение.

7.Выключить питание разряда и цепи зонда, не выключая накал катода!

8.Выключить источник питания накала катода спустя 3 мин после выключения анодного напряжения.

3.3. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Физика явлений. Описание методики снятия ФРЭ.

3.Электрическая схема установки, ее описание.

4.Таблицы экспериментальных данных.

5. Графики экспериментальной зависимости Ie = f(A) и расчетной кривой Ie ≡ А2. На основе предварительных исследований выбрать значения А и частоту переменного напряжения.

6. Среднее значение функции распределения электронов по энергиям f(еUе) – см. (3.6), f дать в относительных единицах, еUе – в электрон-вольтах.

7. Выводы о проделанной работе.

Лабораторная работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

Цели работы: исследование спектров излучения газоразрядной плазмы; ознакомление со спектрометрическим оборудованием, применяемым для контроля ионно-плазменных процессов.

21

4.1. Основные теоретические сведения о методах и оборудовании спектрометрического контроля

Оптическая эмиссионная спектроскопия имеет широкое применение для контроля ионно-плазменных процессов травления и осаждения материалов. В данных процессах удаляемое или осаждаемое вещество находится в распыленной фазе и, испытывая соударения с электронами, частично переходит

ввозбужденное состояние. Обратный переход частиц из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием излучения, которое несет информацию о плотности возбужденных состояний атомов и молекул распыленного вещества и других компонентов газовой среды.

Атомная система устойчива только в определенных (стационарных) состояниях, соответствующих некой (дискретной или непрерывной) последовательности значений энергии. Любое изменение энергии связано со скачкообразным переходом системы из одного стационарного состояния в другое. В соответствии с законом сохранения энергии переходы из одного состояния в другое связаны с получением (поглощением) или потерей (излучением) энергии системой. Такое излучение будет монохроматическим (с одной длиной волны). Таким образом, каждому возможному переходу между уровнями в атоме соответствует определенная спектральная линия, характеризуемая в спектре монохроматическим излучением с определенной длиной волны.

Уровни энергии отличаются для разных атомов, поэтому каждый атом характеризуется своей совокупностью спектральных линий. При этом атомы

вразных энергетических состояниях существуют с разной вероятностью, и, следовательно, количества фотонов с разной длиной волны будут различаться. В результате получается зависимость интенсивности от длины волны электромагнитного излучения, т. е. атомный спектр.

Спектр атома дискретный, он состоит из отдельных, очень узких линий, но так как оптические приборы не идеальны и искажают спектр, то на выходе спектральные линии имеют заметную ширину.

Также при спектрометрическом контроле технологических процессов может наблюдаться сплошной спектр излучения, который возникает при квантовых переходах между двумя совокупностями уровней энергии, из которых, по крайней мере, одна принадлежит к непрерывной последовательности уровней (к непрерывному энергетическому спектру). Примером может служить сплошной спектр атома водорода, получающийся при переходах

22

между дискретными уровнями энергии с различными значениями квантового числа и непрерывной совокупностью уровней энергии, лежащих выше границы ионизации.

При переходах между разными парами уровней энергии, принадлежащими к непрерывной совокупности уровней (свободно-свободные переходы), также возникают сплошные спектры, соответствующие тормозному излучению при испускании и обратному процессу при поглощении. Переходы же между разными парами дискретных уровней энергии создают линейчатый спектр (связанно-связанные переходы).

Сплошной спектр может получаться для многоатомных молекул при переходах между совокупностями близких дискретных уровней энергии в результате наложения очень большого числа спектральных линий, имеющих конечную ширину.

Основными преимуществами спектрометрических систем контроля являются: простота встраивания в технологический процесс, отсутствие контакта с вакуумным объемом технологической камеры, высокая помехозащищенность, а также возможность наблюдения за параметрами процесса в реальном времени.

Вывод излучения может осуществляться интегрально из всего объема технологической камеры или выборочно из определенной зоны, представляющей наибольший интерес. Поскольку плазма обычно представляет собой протяженный, диффузно излучающий объект, ее излучение трудно сконцентрировать на входной щели спектрометра.

Для исследования распределения интенсивности излучения компонентов плазмы в межэлектродном пространстве используется перемещение приемного оптического волокна в различных направлениях вдоль окна технологической камеры (рис. 4.1).

Световод Разряд

Окно Спектрометр

ISM3600

Технологическая камера

Рис. 4.1. Схема вывода излучения из технологической установки

23

Вспектре излучения каждого вещества присутствуют слабые и сильные линии, и если ориентироваться на последние, то для обнаружения примесей или слежения за присутствием наиболее важных для технологии компонентов достаточно иметь разрешение прибора порядка 0.5…1.5 нм.

Втабл. 4.1 приводятся сведения о некоторых используемых эмиссионных линиях веществ, являющихся реагентами или продуктами реакции в ионно-плазменных процессах.

Таблица 4.1

Линии, используемые для мониторинга ионно-плазменных процессов

При выборе оптической схемы спектрометра предпочтение чаще всего отдают схеме с постоянной линейной дисперсией (линейной зависимостью углового положения спектральной линии от длины волны), что позволяет сохранить высокое оптическое разрешение во всем диапазоне длин волн.

24

Наиболее компактными и простыми являются однокаскадные спектрометры, выполненные на основе вогнутых дифракционных решеток (рис. 4.2).

Оптическая схема такого спектрометра представляет собой полихроматор. Пучок света, спектральный состав которого несет информацию о свойствах источника излучения и оптических свойствах среды, через которую он прошел или от которой отразился, подводится ко входной щели 1 спектрометра при помощи оптического волокна 2. С помощью вогнутой дифракционной решетки 3 изображение щели строится на поверхности фотоприемника 4.

В силу того что каждая длина волны в спектре дифрагированного решеткой излучения обладает собственным углом дифракции, изображение входной щели, формируемое на поверхности фотоприемника с зарядовой связью (ФПЗС) за счет вогнутой формы решетки, будет располагаться на различном удалении от положения зеркально отраженного луча: чем больше длина волны спектральной составляющей, тем дальше. Таким образом, происходит пространственное разделение спектральных составляющих излучения, вошедшего в спектрометр. Благодаря большому числу дискретных фоточувствительных элементов ФПЗС воспринимает отдельные пространственные составляющие и преобразует их в электрические сигналы.

Соотношение сигналов, снимаемых с отдельных пикселей, будет эквивалентно соотношению интенсивностей соответствующих спектральных составляющих входного излучения. Внутренний оптический затвор 5 служит для перекрытия входного оптического излучения с целью записи темнового сигнала прибора при калибровке и установке чувствительности.

Выбор ФПЗС в качестве основы для построения спектрометра обусловлен не только его высокой чувствительностью, данный фотоприемник имеет ряд

25

неоспоримых достоинств по сравнению с другими приемниками оптического излучения. Заряд, возникающий в каждом элементе секции накопления, пропорционален площади элемента, интенсивности падающего излучения и интервалу времени, в пределах которого сток заряда в потенциальную яму перекрыт с помощью затвора переноса. Таким образом, эффект взаимозаменяемости интенсивности и времени накопления создает широкие возможности для управления чувствительностью прибора с помощью цифровых устройств.

Подобный способ позволяет снимать сигнал от источников с интенсивностями излучения, отличающимися в десятки раз. Необходимая продолжительность накопления заряда в ФПЗС связана с уровнем освещенности: чем ниже освещенность, тем продолжительнее должен быть период накопления для получения приемлемой амплитуды сигнала на выходе.

4.2. Основные функции программного обеспечения спектрометра

Программа для персонального компьютера (ПК) Aspect (рис. 4.3) предназначена для управления спектрометрическим комплексом и визуализации полученных с его помощью спектров оптического излучения.

Программное обеспечение поддерживает следующие функции: управление чувствительностью фотоприемника, автоматический учет темнового сигнала, изменение масштаба по шкале длин волн при отображении спектра, однократная запись спектра, запись спектра с усреднением по заданному числу измерений, периодическое отображение спектра в осциллографическом режиме, расчет ширины спектральной полосы в выбранном диапазоне.

Соединение прибора и ПК осуществляется при помощи кабеля USB. В случае успешной связи ПК с прибором в строке состояния программы будет выведена информация о текущем статусе устройства, номере порта связи, текущей чувствительности и температуре ФПЗС (рис. 4.4).

В программе Aspect имеется возможность снятия спектра в двух режимах: осциллографическом и одиночном. В осциллографическом режиме спектр снимается непрерывно через равные промежутки времени, определяемые чувствительностью прибора (временем накопления заряда) и временными затратами на передачу и обработку данных. Включить осциллографический режим можно с помощью значка в панели управления программы либо через соответствующий пункт меню (рис. 4.5). В одиночном режиме (рис. 4.6) спектр снимается только один раз.

26

Программа предоставляет возможности выделения некоторой области отображения спектра (масштабирования). Для этого необходимо найти соответствующий значок в панели управления программы либо пункт меню и выбрать мышью интересующую область.

Рис. 4.3. Внешний вид программы Aspect (показан линейчатый спектр ртутной лампы)

Рис. 4.4. Пример строки состояния при подключенном приборе

Рис. 4.5. Включение осциллографического режима

Рис. 4.6. Включение одиночного режима снятия спектра

Также имеется возможность сохранения спектра в виде файла в специальном формате программы или в виде обычного текстового файла для последующей работы с данными в других программах. При этом в итоговом

27

текстовом файле будет содержаться набор строк, в каждой из которых будет указана длина волны и амплитуда.

Для точного измерения длины волны и соответствующей ей амплитуды линии спектра в программе есть три режима функционирования. В данных режимах можно навести указатель на спектральную линию и около нее появятся цифры, характеризующие амплитуду, длину волны линии и ее спектральную ширину на выбранной указателем высоте (рис. 4.7).

а б в Рис. 4.7. Режимы измерения при работе со спектрами: а – независимое измерение;

б– измерение по уровню спектра; в – ручное детектирование пиков

Врежиме независимого измерения перемещение мыши в пределах спектра позволяет посмотреть значение длины волны и соответствующей амплитуды без привязки к спектру (рис. 4.7, а). Измерение по уровню спектра дает возможность привязаться к текущему спектру (рис. 4.7, б). Ручное детектирование пиков позволяет определить положение центра (по центру тяжести пика), максимума и значение его ширины на выбранном уровне, который указывается в виде отношения положения уровня к максимуму (рис. 4.7, в). В данном режиме необходимо поместить курсор мыши внутрь исследуемого пика.

Впрограмме Aspect имеется возможность снятия спектра как с учетом темнового сигнала, так и без. Для того чтобы вычесть из результатов измерения темновой сигнал ФПЗС, необходимо включить соответствующий режим.

Рис. 4.8. Выбор элемента из Периодической таблицы в программе Aspect

28

Для упрощения работы со спектрами излучения на экране программы можно отобразить спектральные линии любого элемента из Периодической таблицы Д. И. Менделеева (рис. 4.8). Например, при анализе ртутной лампы требуется выбрать линии ртути, нажав на правую кнопку мыши и выбрав требуемые состояния элемента.

4.3.Порядок выполнения работы

1.По заданию преподавателя получить спектры излучения плазмы технологической установки. Сохранить полученные данные в файл для последующей обработки.

2.Определить соответствие спектральных линий элементам Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

3.По полученным спектральным зависимостям сделать вывод об отличиях в условиях существования плазмы в разных экспериментах.

4.4. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Схема экспериментальной установки.

3.Полученные спектры излучения с отмеченными на них спектральными линиями и соответствующими химическими элементами.

4.Выводы о проделанной работе.

29

Список рекомендуемой литературы

Алексеев Б. В., Котельников В. А. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 238 с.

Грановский В. Л. Электрический ток в газе. М.: Наука, 1971. 543 с. Давыденко В. И., Иванов А. А., Вайсен Г. Экспериментальные методы

диагностики плазмы. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1999. 148 с.

Демидов В. И., Колоколов Н. Б., Кудрявцев А. А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996. 235 с.

Иванов Ю. А., Лебедев Ю. А., Полак Л. С. Методы контактной диагностики в неравновесной плазмохимии. М.: Наука, 1981. 143 с.

Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969. 291 с. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издательский

дом «Интеллект», 2009. 736 с.

Середа И. Н., Целуйко А. Ф. Зондовые методы диагностики плазмы. Харьков: Изд-во ХНУ им. В. Н. Каразина, 2015. 189 с.

Физика и технология плазменных эмиссионных систем / под общ. ред. В. Т. Барченко. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 262 с.

30