Úvod do spektroskopie plazmatu Zdeněk Navrátil

Úvod do spektroskopie plazmatu

• Zdeněk Navrátil

• Ústav fyzikální elektroniky PřF MU

Osnova

• Stručně k počátkům

• Instrumentace

• Metody OES pro diagnostiku plazmatu

• Aplikace v průmyslu

• Závěr

Stručně k počátkům

• Isaac Newton (1672): interpretace lomu světla na hranolu

• Joseph von Fraunhofer (kolem 1815): analýza spektra Slunce

• Robert Wilhelm Bunsen, Gustav Robert Kirchhoff (1860)

• simulace absorpce,

• spektrální analýza

Instrumentace

• Typický spektrometr

• vstupní štěrbina

• závěrka

• zrcadla

• difrakční mřížka

• detektor (fotonásobič, CCD, ICCD…)

• vlákno

Instrumentace

Difrakční mřížka – charakteristiky

• podmínka pro maximum

• rozlišovací schopnost

• odleskový úhel (vlnová délka)

Volba mřížky

Volba mřížky

Metody OES pro diagnostiku plazmatu

• chemické složení plazmatu, přítomnost a koncentrace excitovaných částic

• koncentrace a teplota elektronů

• koncentrace a teplota neutrálního plynu

• elektrické pole

• rozsah vlnových délek 190 - 1200 nm

• OES/OAS

Metody měření teploty

• základní metody vycházejí z předpokladu Boltzmannova rozdělení pro populace stavů atomů a molekul

Metody měření teploty

• Př. měření rotační teploty OH

Metody nízkého rozlišení

• studuje se nerozlišená struktura molekulárních pásů

• vhodné pro malé spektrometry

• př. rotační teplota - aproximuje teplotu plynu

Metody měření koncentrace elektronů

• Čistě spektroskopické metody většinou využívají

• absolutní intenzitu spektrálních čar

• relativní intenzity spektrálních čar (poměry)

• šířku nebo profil spektrální čáry

• absolutní intenzitu kontinua

Stanovení ne z absolutní intenzity

• koronová rovnováha

• lokální termodynamická rovnováha

Stanovení ne z relativních intenzit

• z relativních intenzit se běžně stanovuje teplota (existuje-li)

• v některých případech je závislost na ne silnější

Stanovení ne z poměru intenzit

Stanovení ne, Te z poměru intenzit

Stanovení ne z profilu spektrální čáry

• Rozšíření spektrální čáry může mít různý původ:

• Dopplerovo
• přirozené
• Starkovo → ne
• rezonanční
• Van der Waalsovo
• přístrojové

• Starkův jev

• mikropole elektronů a iontů
• rozdílný pro vodík a ostatní atomy

Stanovení ne z profilu spektrální čáry

Aplikace v průmyslu

• vývoj světelných zdrojů (světelný výkon, spektrální složení, teplota chromatičnosti, UV)

• monitorování plazmových procesů (čistota plynu, stabilita podmínek, koncentrace produktů – např. ozónu, detekce ukončení)

Monitoring odleptávání GaN

• RIE GaN na Al2O3 substrátu

• RF výboj 13,56 MHz, 6 Pa Cl2

Monitoring PVD technologie SHM

• monitorování povlakovacího procesu

• nc-(Ti1-xAlx)N/a-Si3N4 vrstvy

• odpařování katod Ti / AlSi elektrickým obloukem

Monitoring PVD technologie SHM

Monitoring PVD technologie SHM

Závěr

• optická spektroskopie poskytuje řadu metod pro diagnostiku plazmatu, které mohou být použity i v průmyslové praxi

• dovoluje monitoring důležitých parametrů ovlivňujících účinnost plazmového procesu

• její zapojení do průmyslového systému je poměrně snadné a nenákladné

Automatizace spektroskopie

• hardware: připojení k počítači přes USB, RS232, GPIB

• software: určitá podpora v dodávaném softwaru (spouštění měření, digitální výstupy, specifické výpočty)

• vlastní programování přes DLL; C++, Delphi, Java, LabView

Ovládání spektrometru

• Params:= InitParams(Mode, Average, IntgrTime, ScanDark,

• CorrectDark, @Master, @Slave, ShowSetup);

• OOI_ParamSet(@Params);

• OOI_EnableMultichannelSpectra(1);

• OOI_ContinuousScan(HInstance);

• procedure TSpRMainForm.DataHandler(var Message:TMessage);

• message OOI_DATAREADY;

• begin

• for pixel:= 0 to MasterCount-1 do

• begin

• wl:= MI + MC1*Pixel + MC2*Power(Pixel,2) + MC3*Power(Pixel, 3);

• int:= Master[pixel];

• end;

• OOI_BufferEmpty(HInstance, Message.wParam);

• end;

• OOI_Stop(HInstance);