Атомные линии ртути

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОМЕТРА С ПЗС-ДАТЧИКОМ»
5.1. Цель работы
Практическое изучение конструктивных особенностей и параметров современного
спектрометра S100 с датчиком регистрации на ПЗС-линейке. Приобретение навыков работы на спектрометре.
5.2. Теоретические сведения
Одним из широко распространенных в настоящее время методов исследований
неравновесной газоразрядной плазмы, используемой в технологии производства изделий
электронной техники, является оптическая диагностика, заключающаяся в регистрации и
анализе собственного излучения плазмы в широком интервале длин волн – от ультрафиолета (200 – 400 нм) до ближнего ИК диапазона (600 – 900 нм).
Целый ряд достоинств, присущих этому методу, в первую очередь бесконтактность,
а также возможность получения обширной информации о плазме ее составе (и его изменении в ходе процесса обработки либо в зависимости от внешних параметров разряда) и
ее основных параметрах (и их пространственно-временном распределении) делают его
широко используемым, а подчас и единственно применимым для изучения плазменных
процессов.
Для регистрации спектра излучения плазмы используют монохроматоры или спектрографы (спектрометры). В последние годы разработаны и стали доступными весьма эффективные, удобные, надежные, компьютеризированные спектрометры с датчиком на
ПЗС-линейке. Типичным представителем этого семейства является отечественный спектрометр S100, предлагаемый к использованию и изучению в данной работе. Следует отметить, что подобные спектрометры производимые в Республике Беларусь находятся в числе лучших мировых образцов и широко экспортируются в страны ближнего и дальнего
зарубежья.
При исследовании и контроле различных плазменных процессов обработки поверхности важно иметь информацию о компонентном составе плазмы и его изменении во времени. Такую информацию в значительной мере позволяет получить метод эмиссионной
спектроскопии, кроме того имеются возможности и в определении температур: электронов, ионов, вращательной и колебательной молекул, газовой. Даже при использовании относительно простой плазмообразующей газовой смеси, в результате процессов диссоциации молекул и химических реакций различного типа между образующимися в плазме частицами получается большое множество одно-, двух-, трехатомных и более крупных частиц. Каждая из этих частиц имеет характерный спектр излучения, атомы – линейчатый,
молекулы – полосатый, и спектры рассматриваемых частиц, накладываясь дуг на друга,
создают весьма сложный по своей структуре спектр излучения плазмы, идентифицирование элементов которого не является простой задачей. Молекулярные спектры, наблюдаемые с помощью приборов со средней дисперсией, имеют вид полос, с одной стороны
ограниченных резким краем – кантом, а с другой стороны постепенно ослабевающих до
нуля. Этот постепенный спад интенсивности называют оттенением полосы. В зависимости от его расположения со стороны длинных или коротких волн различают красное или
фиолетовое оттенение. Иногда полосы имеют несколько кантов (как бы ступенчатый вид),
в редких случаях канты совсем отсутствуют, тогда в спектральных таблицах приводятся
значения длины волны относящийся к максимуму полосы, а не к канту. Иногда, при
сложном виде полос, указывается лишь спектральный интервал занимаемый ими.
Под системой молекулярных полос понимают группу полос, обладающих рядом общих свойств, таких как: одновременное появление, расположение в определенной части
спектра, одинаковое оттенение (или вид), ширина.
При наблюдении молекулярных полос приборами большой разрешающей силы обнаруживается, что полоса состоит из отдельных линий, расстояние между которыми постепенно увеличивается по мере удаления от канта. Это вращательная структура полосы.
Линии принадлежащие этой структуре соответствуют оптическим переходам отличающимися только вращательным квантовым числом в верхнем или нижнем состояниях. Полоса соответствует переходу с определенными колебательными квантовыми числами
верхнего и нижнего состояний молекулы, а система полос соответствует определенному
«электронному» переходу. Таким образом, молекулярный спектр является электронноколебательно-вращательным, тогда как атомарный спектр – электронным (т. е. обусловлен
возбуждением только по электронным степеням свободы атомов).
Идентифицировать спектр – это значит установить принадлежность линий и полос
определенным атомам, молекулам и ионам. С этой целью определяют длины волн линий и
полос, а также вид полос. Для точного определения длин волн элементов спектра осуществляют градуировку спектрального прибора (или ее проверку и нахождение поправок)
по известному и относительно простому спектру, например по спектру ртутной лампы.
Затем сопоставляют полученные данные с данными известных таблиц и атласов, принимая во внимание условия наблюдения спектра (тип разряда, его мощность, состав плазмообразующего газа и контактирующих с плазмой поверхностей твердых тел). Проведение
качественного эмиссионного спектрального анализа позволяет установить наряду с продуктами деструкции молекул плазмообразующего газа и продукты взаимодействия плазмы с обрабатываемой поверхностью, проследить в ряде случаев динамику процесса обработки, что особенно важно при травлении и удалении тонких пленок и решении проблемы
контроля техпроцессов.
5.3. Задание по работе
1. Изучить техническое описание и инструкцию по эксплуатации спектрометра S100.
2. Практически освоить основные приемы регистрации спектра при использовании в качестве источника оптического излучения газоразрядной лампы дневного света.
3. Идентифицировать все элементы спектра. Результаты представить в виде таблицы с
указанием зарегистрированной и истинной длины волны каждого элемента спектра,
его интенсивности и принадлежности.
4. Определить величину аппаратного искажения профиля атомарной линии ртути (естественная полуширина линии около 0,1 нм). Зафиксировать для протокола в виде рисунка по пиксельное отображение линии.
Атомные линии ртути
Длина
волны, нм
Интенсивность,
усл. ед.
Длина
волны, нм
Интенсивность,
усл. ед.
1014,0
772,9
709,2
708,2
690,7
671,6
623,4
607,3
587,2
585,9
580,4
579,1
579,0
577,0
567,6
200
2
20
25
25
16
3
2
2
6
14
28
100
24
16
555,0
546,1
538,5
535,4
491,6
435,8
434,7
433,9
407,8
404,7
366,3
365,5
365,0
296,7
253,6
3
320
3
6
10
400
40
30
12
180
24
30
280
120
1500
2