Диссертация (1150372), страница 14
Текст из файла (страница 14)
В частности, эмиссионный вариант позволяет использоватьбольший диапазон рабочих давлений, чем масс-спектральный.В работе использовался оптический эмиссионный спектрометр GDA-650 (SpectrumaAnalytik GmbH, Germany) с ПЗС детектированием спектров. Все GDOES измеренияпроводились в Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) в Дрездене, Германия.Спектрометр имеет геометрию Пашена-Рунге с искривленной дифракционной решеткой исистемой ПЗС детекторов, расположенных в круге Роланда, что позволяет получатьодновременно весь спектр в оптическом диапазоне. С помощью GDA-650 в целях поискаэффективнойсхемыраспылениянепроводящихматериаловпроведеносравнительноерассмотрение разрядных ячеек Гримма и КПК в различных режимах разряда (непрерывный иимпульсный радиочастотный, импульсный разряд тока смещения).
Спектрометр имеетстандартную ячейку Гримма (Рисунок 2(а)), использовался анод диаметром 4 мм. Дляполучения ячейки КПК применялась специально изготовленная конструкция КПК (Рисунок2(б)), аналогичная ячейке КПК (Рисунок 2(в)), используемой в масс-спектрометре Люмас-30,который применялся в дальнейших исследованиях. При этом вспомогательный катод в видеметаллического диска с отверстием глубиной 2,3 мм и внутренним диаметром 4 ммприсоединялся к стандартному интерфейсу прибора коаксиально к аноду при помощи двухстержней.Внешнийдиаметрдиска–40мм.вспомогательного катода: алюминий, медь и тантал.Рассмотреныразличныематериалы52(а)(б)(в)Рисунок 2.
Схемы используемых разрядных ячеек. (а) — ячейка Гримма в спектрометре GDA650, (б) — ячейка Гримма с конструкцией КПК в спектрометре GDA-650, (в) — ячейка КПК вмасс-спектрометре Люмас-30.Учитывая специфику анализируемых проб (полупроводники и диэлектрики) ячейкуГримма использовали в непрерывном и импульсном радиочастотном режимах, ячейку КПК – внепрерывном радиочастотном режиме и импульсном режиме тока смещения. На Рисунке 2(а)показаны два варианта подключения питания к ячейке Гримма: Питание1 и Питание 2. Питание1 организуется непосредственно через фланец ячейки.
Питание 2 производится с тыльнойстороны образца через прижимаемый держателем медный диск. Для формированиярадиочастотного разряда во всех случаях использовался встроенный генератор радиочастотногонапряжения. DC PGD в КПК осуществлялся с помощью источника постоянного тока высокогонапряжения (RUP-3A, GBS-Elektronik GmbH, Germany), синхронизированного при помощивнешнего TTL генератора импульсов (HP 33120A, Hewlett-Packard Company, USA). В этомслучае ток и напряжение разряда регистрировались при помощи встроенных конвертеров токаи напряжения, соединенных с внешним цифровым осциллоскопом (HMO3524, HamegInstrumentsGmbH,Germany).Фланцыизполиэфирэфиркетона(PEEK)иметаллаиспользовались для RF GD и DC PGD соответственно.
Для устранения перегрева применяливодяное охлаждение.В качестве исследуемых образцов использовали пробы различной проводимости:полупроводниковые (кремний, карбид кремния, нитрид галлия) и диэлектрические (кварц иоксид алюминия в виде поликора и сапфира). В случае поликора для исследования влияниятолщины диэлектрика на аналитический сигнал рассмотрены пробы разной толщины (от 0,50до 4,00 мм). При этом использовались оба варианта подключения радиочастотного питания. Востальных случаях использовался только вариант Питание 2.Сравнение различных режимов и ячеек проводили в условиях одинаковой мощности.Интенсивности линий для ячейки Гримма и КПК сравнивались при одинаковых значенияхсредней мощности и давления.
Измерения проводили в режиме постоянного напряжения идавления, необходимая мощность устанавливалась выбором подходящего напряжения.53Поскольку установление требуемой мощности осуществлялось косвенно через напряжение,были получены эмиссионные спектры в широком интервале параметров разряда (см. Таблицу2), и среди них выбирались измерения, произведенные при одинаковой мощности.Таблица 2. Рабочие параметры вариантов разряда, используемые в экспериментеПараметрДавление, ПаНапряжение, ВЧастота, кГцРабочий цикл, %Средняя мощность, ВтRF GD (6,36 MГц),Grimm300-3000350-150010-110Режим, ячейкаRF GD (6,36 MГц),КПК300-3000350-90010-110DC PGD, КПК300-3000500-13000,25-50,5-105-90Для определения мощности в RF GD измеряли ток и напряжение источника постоянноготока, питающего радиочастотный генератор.
Полученная их перемножением суммарнаямощность включает помимо мощности разряда еще и мощность, потребляемую генератором,которую необходимо было измерить и исключить из суммарной мощности. Для этого дляразных значений напряжения, подаваемого на генератор, были измерены значения тока вотсутствие плазмы. В случае DC PGD средняя мощность вычислялась умножением мощности впериод импульса на рабочий цикл. Мощность во время импульса, в свою очередь, определяласьумножением значений напряжения и тока разряда, регистрируемых осциллоскопом. Посколькусила тока менялась во время импульса, использовали ее среднее значение.Все спектры регистрировались в 3 секундном динамическом режиме (автоматическоепереключение времени экспозиции с 10 до 250 мс, нахождение оптимального времениэкспозиции и приведение к 10 мс виду). Поскольку использовалось ПЗС детектирование,записывался весь спектр в диапазоне длин волн 120-600 нм.
Для каждого элемента пробы иливспомогательногокатодавыбиралосьнескольколинийсразнойотносительнойинтенсивностью, чтобы контролировать самопоглощение и избежать использования линий, емуподверженных.Для каждого измерения регистрировались напряжение, сила тока и интенсивностьвыбранных линий, а также их зависимость от времени распыления. Исследования поверхностикратера после распыления и расчет скоростей распыления проводили с помощью оптическогопрофилометра (FRT MicroProf, Fries Research & Technology GmbH, Germany).2.2. Масс-спектрометр с импульсным тлеющим разрядом (GDMS) Люмас-30В дальнейших экспериментах использовался времяпролетный масс-спектрометр симпульсным тлеющим разрядом в комбинированном полом катоде Люмас-30 (ООО «Люмасс»,Санкт-Петербург, Россия).
Внешний вид Люмас-30 представлен на Рисунке 3.54Рисунок 3. Внешний вид масс-спектрометра Люмас-30.Масс-спектрометр состоит из разрядной ячейки для ионизации твердотельных проб вимпульсном тлеющем разряде в КПК, времяпролетного масс-анализатора с ортогональнойгеометрии с масс-рефлектроном, и микроканального детектора. Разрядная ячейка представленана Рисунке 2(в). Принципиальная схема Люмас-30 представлена на Рисунке 4.
Принципработы спектрометра заключается в следующем. Образовавшиеся в источнике ионы вместе снейтральными атомами под действием небольшого вытягивающего потенциала на скиммере иразницы давлений транспортируются в дифференциальную зону (в дифференциальной зоне между сэмплером и скиммером давление составляет 0,1 Па), где большинство нейтральныхчастиц удаляется вакуумной откачкой, а ионы с помощью системы фокусировки игазодинамического переноса собираются на щелевой диафрагме выталкивающей зоны.Рисунок 4.
Принципиальная схема Люмас-30.55В выталкивающую зону попадает узкий ленточный пучок ионов, параллельныйвыталкивающему электроду. Далее, под действием выталкивающего импульса ионывбрасываются в высоковольтную дрейфовую трубу, где давление составляет 10 -3 – 10-4 Па, чтопозволяет практически исключить столкновительные процессы. В времяпролетной трубепроисходит их пространственно-временное разделение по времени пролета в зависимости отсоотношения массы к заряду (m/z). После этого ионы отразившись в рефлектроне, применяемомдля увеличения разрешающей способности, проходят через энергетический фильтр, которыйотсекает низкоэнергетичные ионы (для устранения «хвостов» пиков в масс-спектре).
Далееионы детектируются на микроканальном детекторе, сигнал с которого, через усилитель(коэффициент усиления 2·102) передается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далеена компьютер, где с помощью соответствующего программного обеспечения формируетсямасс-спектр как функция интенсивности ионов от их отношения массы к заряду (m/z).Формируются пакеты спектров, содержащие обычно от 1000 до 4000 спектров (задается взависимости от требуемого разрешения по времени). Если не оговаривается особо,регистрировалось 4000 спектров в пакете. Устройство Люмас-30 и его возможности прианализе различных объектов рассмотрены в работах [136,149,162].В ячейке КПК использовали вспомогательные катоды, диаметром 6 мм, изготовленныеиз высокочистых (99,9999%) алюминия, меди, тантала и ниобия.
Для проведения сравненияячеек КПК, Гримма и ВК, ячейку, аналогичную ячейке Гримма, получали удалениемвспомогательного катода (проба прижималась непосредственно к кварцевому интерфейсу), аячейку ВК получали наложением танталовой фольги толщиной 0,1 мм с отверстием, диаметром6 мм на анализируемую пробу так же без вспомогательного катода. Для каждого типа пробпроводилась оптимизация параметров разряда: частоты и длительности разрядных импульсов,напряжения разряда, давления в ячейке и времени задержки выталкивающего импульса.Наиболее типичные значения этих параметров: частота (F) — 3,2 кГц, длительность разрядныхимпульсов (τi) — 4-5 мкс, напряжение разряда (ti ) — 1200-1500 В, давление в ячейке — 45 Па,время задержки выталкивающего импульса — 160-200 мкс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
