Optické metody diagnostiky plazmatu pro depozice tenkých vrstev za nízkého tlaku

1. Optické metody diagnostiky plazmatu pro depozice tenkých vrstev za nízkého tlaku Doc. RNDr. František Krčma, Ph.D. Mgr. Pavel Slavíček, Ph.D. Malá Morávka 31. 5. 2005

2. Obsah • Energiové hladiny v molekulách a atomech • Principy spektroskopických měření • Přístrojové vybavení pro spektroskopii • Plazma jako prostorový objekt • Emisní atomová spektroskopie • Emisní molekulová spektroskopie • Absorpční spektroskopické metody • Shrnutí a perspektivy

3. Energiové hladiny v molekulách a atomechrotace molekul moment setrvačnosti tuhý rotátor – R = konst. – řešení Schrödingerovy rovnice skutečnost – R ≠konst. – řešení Schrödingerovy rovnice

4. Energiové hladiny v molekulách a atomechrotace molekul

5. Energiové hladiny v molekulách a atomechvibrace molekul nejjednodušší model pro vibrace představuje harmonický oscilátor řešení Schrödingerovy rovnice

6. Energiové hladiny v molekulách a atomechvibrace molekul Skutečnost je ale složitější – anharmonický oscilátor řešení Schrödingerovy rovnice

7. Energiové hladiny v molekulách a atomechvibrace molekul harmonický oscilátor anharmonický oscilátor

8. Energiové hladiny v molekulách a atomechvibrace molekul molekula při vibrování současně rotuje vlivem vibrací se mění délka vazeb => mění se i rotace

9. Energiové hladiny v molekulách a atomechvibrace molekul U složitějších molekul existuje více různých druhů a typů vibrací (valenční, deformační, grupové,…)

10. Energiové hladiny v molekulách a atomechelektronové stavy molekul a atomů elektrony v atomech a molekulách mohou být ve více různých stavech elektronové energie pro jednoelektronovou konfiguraci s obíháním elektronu kolem jádra je spojen orbitální moment hybnosti orbitální moment hybnosti má kvantovanou projekci do osy symetrie

11. Energiové hladiny v molekulách a atomechatomární elektronové hladiny jednoelektronové konfigurace

12. Energiové hladiny v molekulách a atomechhladiny dvouatomové molekuly

13. Principy spektroskopických měření h En stimulovaná emise emise absorpce h Em h 2h

14. Principy spektroskopických měření x zdroj záření zdroj záření I0 I absorbující prostředí detektor záření I detektor záření

15. Principy spektroskopických měření Atomové emisní spektrum Molekulové emisní spektrum Molekulové absorpční spektrum

16. Principy spektroskopických měřeníIdentifikace zářících atomů a molekul Ukázka spektra při depozici organosilanů v RF výboji

17. Principy spektroskopických měřeníIdentifikace zářících atomů a molekul V tabulkách se uvádí poloha čar Zpravidla lze identifikovat jen několik čar (nejčastěji rezonančních) Obvykle jen neutrální a jedenkrát ionizované atomy Častá přítomnost čar rtuti ze zářivek

18. Principy spektroskopických měřeníIdentifikace zářících atomů a molekul

19. Principy spektroskopických měřeníIdentifikace zářících atomů a molekul

20. Principy spektroskopických měřeníIdentifikace zářících atomů a molekul V tabulkách se uvádí zpravidla poloha hran pásů Vždy musí být více pásů stejného elektronového přechodu

21. Principy spektroskopických měřeníIntenzita atomární emisní spektrální čáry

22. Principy spektroskopických měřeníIntenzita atomární emisní spektrální čáry

23. Principy spektroskopických měřeníIntenzita molekulárního spektrálního přechodu

24. Principy spektroskopických měřeníProfil spektrální čáry

25. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiSpektrometr a jeho základní části zrcadlo štěrbina fotonásobič vstupní adaptér + filtry vícekanálový detektor mřížka optický kabel

26. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiSpektrometr a jeho základní části • Monochromátor • Čím větší ohnisková vzdálenost, tím větší rozlišení. Pro spektroskopii plazmatu je vhodné zpravidla rozmezí 300 až 650 mm. • Mřížky • 300 čar/mm – přehledová spektra (190 – 6000 nm) • 1200 čar/mm – univerzální (190 – 1500 nm) • 2400 čar/mm – kvalitní rozlišení rotačních čar (190 – 700 nm) 3600 čar/mm – profily čar (190 – 450 nm) Hranoly Výběr podle oblasti spektra, dnes již využívány omezeně

27. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiSpektrometr a jeho základní části Štěrbiny Vstupní – zajišťuje vstup světla do monochromátoru. Vlivem ohybu světla je s klesající šířkou štěrbiny osvětlována stále větší část mřížky a roste rozlišení (úměrné celkovému počtu osvětlených čar mřížky), ale klesá množství světla. Výstupní – pouze u výstupu na fotonásobič. Sklesající šířkou je vybírán menší úsek spektra jehož fotony jsou detekovány.

28. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiSpektrometr a jeho základní části Detektory Jednokanálové – fotonásobiče nebo fotodiody. Zpravidla umožňují díky předřazené výstupní štěrbině lepší rozlišení. Měření ale vyžaduje postupný zdlouhavý sken úseku spektra. Ideální pro měření profilů čar. Vícekanálové – řádkové PDA nebo plošné CCD. Snímají současně celý úsek spektra, zpravidla pak na několik záběrů, které se v PC spojují. Rozlišení je dáno velikostí (šířkou) jednotlivého pixelu (nejčastěji 26 μm). Vždy je nutné je chladit, buď vzduchem, vodou nebo kapalným dusíkem. Výběr detektoru je třeba provést podle spektrální oblasti, v níž se má měřit.

29. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiSpektrometr a jeho základní části Příslušenství Optické filtry – slouží k odfiltrování záření kratších vlnových délek, a tím k potlačení spekter vyššího řádu (na dvojnásobné nebo trojnásobné vlnové délce). Je vhodné využívat filtry absorbující záření do 350 nm, do 500 nm, případně do 800 nm. Optický kabel – slouží k přivedení světla na vstupní štěrbinu. Zpravidla je materiálem křemenné sklo. Užívá se v podobě svazku vláken, která jsou na vstupu uspořádána kruhově, na výstupu (vstup do monochromátoru) jsou uspořádána obdélníkově. Vstupní adaptér – slouží k zobrazení výstupu optického kabelu na vstupní štěrbinu. Díky zobrazovací schopnosti lze pomocí CCD detektoru současně měřit spektrum z více zdrojů, resp. více míst téhož objektu.

30. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiintegrační doba detektoru štěrbina 0,01 mm, mřížka 3600 čar/mm, 10 akumulací

31. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiintegrační doba detektoru štěrbina 0,01 mm, mřížka 3600 čar/mm, 10 akumulací

32. Přístrojové vybavení pro spektroskopiiintegrační doba detektoru štěrbina 0,01 mm, mřížka 3600 čar/mm, 10 akumulací

33. Přístrojové vybavení pro spektroskopiišířka vstupní štěrbiny integrační doba 1 s, mřížka 3600 čar/mm, 10 akumulací

34. Přístrojové vybavení pro spektroskopiišířka vstupní štěrbiny integrační doba 1 s, mřížka 3600 čar/mm, 10 akumulací

35. Přístrojové vybavení pro spektroskopiišířka vstupní štěrbiny integrační doba 1 s, mřížka 3600 čar/mm, 10 akumulací

36. Přístrojové vybavení pro spektroskopiivliv použité mřížky integrační doba 1 s, štěrbina 0,01 mm, 10 akumulací

37. Přístrojové vybavení pro spektroskopiivliv použité mřížky integrační doba 1 s, štěrbina 0,01 mm, 10 akumulací

38. Přístrojové vybavení pro spektroskopiivliv použité mřížky integrační doba 1 s, štěrbina 0,01 mm, 10 akumulací

39. Přístrojové vybavení pro spektroskopiivliv použité mřížky integrační doba 0,01 s, štěrbina 0,01 mm, 1 akumulace

40. Přístrojové vybavení pro spektroskopiivliv použité mřížky integrační doba 0,01 s, štěrbina 0,1 mm, 1 akumulace

41. Přístrojové vybavení pro spektroskopiivliv počtu akumulací integrační doba 0,01 s, štěrbina 0,01 mm, mřížka 3600 čar/mm

42. Přístrojové vybavení pro spektroskopiipoužití filtrů integrační doba 0,01 s, štěrbina 0,01 mm, 1 akumulace, mřížka 300 čar/mm

43. Přístrojové vybavení pro spektroskopiipoužití filtrů integrační doba 0,01 s, štěrbina 0,01 mm, 1 akumulace, mřížka 300 čar/mm

44. Přístrojové vybavení pro spektroskopiipoužití filtrů integrační doba 0,01 s, štěrbina 0,01 mm, 1 akumulace, mřížka 300 čar/mm

45. Přístrojové vybavení pro spektroskopiipoužití filtrů integrační doba 1 s, štěrbina 0,01 mm, 1 akumulace, mřížka 300 čar/mm

46. Přístrojové vybavení pro spektroskopiipoužití filtrů integrační doba 1 s, štěrbina 0,01 mm, 1 akumulace, mřížka 300 čar/mm

47. Plazma jako prostorový objekt

48. Emisní atomová spektroskopie • Stanovení teploty neutrálního plynu z intenzit spektrálních čar • Stanovení teploty elektronů z intenzit spektrálních čar • Stanovení teploty neutrálního plynu z rozšíření spektrálních čar • Stanovení koncentrace elektronů z rozšíření spektrálních čar • Stanovení koncentrace elektronů z intenzit spektrálních čar

49. Emisní atomová spektroskopieStanovení teploty neutrálního plynu z intenzit spektrálních čar intenzity atomárních emisních čár jsou dány v případě termodynamické rovnováhy vztahem změřením intenzit většího počtu čar s různou excitační energií En lze ze závislosti určit teplotu postup lze použít jen v případě termodynamické rovnováhy, což u nízkotlakého plazmatu bývá výjimečně

50. Emisní atomová spektroskopieStanovení teploty elektronů z intenzit spektrálních čar postup je identický jako v předchozím případě, předpokládáme, že jednotlivé stavy jsou ale obsazovány pouze srážkami s elektrony a tedy, že jejich populace odrážejí energetické rozdělení elektronů je-li i teplota neutrálního plynu vysoká, je třeba ji vzít do úvahy jako korekci pro teplotu elektronů