Способ измерения концентраций радикалов в потоке газа

Изобретение относится к измерениям радикалов при исследовании фотохимических и плазмохимических процессов в лазерных системах, а также при использовании плазмохимических реакторов в технологии изготовления полупроводниковых приборов в микро- и наноэлектронике. Способ заключается в том, что на поток газа на выходе разрядного промежутка, генерирующего распадающуюся плазму с химически активными частицами (радикалами), накладывается дополнительный высокочастотный разряд, в который вкладывается энергия, не превышающая 5% энергии, вкладываемой в основной разряд. Методом актинометрии измеряют концентрацию радикалов в основном разряде и в дополнительном разряде в заданной области потока газа, затем измеряют концентрацию радикалов только в дополнительном разряде при отсутствии основного разряда, а по разнице двух измерений в дополнительном разряде определяют концентрацию радикалов, генерируемых основным разрядом, в заданной области потока газа в условиях, когда происходит распад плазмы и гибель радикалов. Изобретение позволяет измерять концентрации радикалов на выходе разрядного промежутка в заданной области потока газа в распадающейся плазме. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерению радикалов при исследовании фотохимических и плазмохимических процессов в лазерных системах, а также при использовании плазмохимических реакторов в технологии изготовления полупроводниковых приборов в микро- и наноэлектронике.

При измерениях концентраций радикалов обычно применяется метод оптической актинометрии [1].

Известен способ измерения радикалов в процессе плазмохимического травления методом оптической актинометрии путем сравнения сигнала в ходе процесса с контролируемым сигналом [2].

В ряде случаев возникает необходимость определения концентрации радикалов в проточных газовых системах как в области источника радикалов (область разряда), так и в области послесвечения разряда вдоль потока газа, когда происходит процесс распада газоразрядной плазмы и гибель радикалов. Например, эта задача приобретает особую актуальность в процессе создания электроразрядного генератора синглетного кислорода как элемента кислородно-йодного лазера, когда создается поток радикалов O₂ (a ¹Δ_g) для смешения с йодом. Интерес к процессам с участием метастабильных электронно-возбужденных молекул O₂ (a ¹Δ_g) - синглетного кислорода связано с тем, что синглетный кислород имеет очень большое радиационное время жизни t≈4500 с и низкие скорости нерезонансной дезактивации, что позволяет создавать и сохранять длительное время неравновесный энергозапас в среде, содержащей синглетный кислород. Такая особенность синглетного кислорода используется во многих областях, в частности, при создании электроразрядного генератора синглетного кислорода. Достаточно перспективным способом возбуждения синглетного кислорода может быть использование высокочастотных разрядов и микроволновых разрядов. С ростом давления фактором, ограничивающим рост синглетного кислорода, становится быстрое тушение синглетного кислорода атомами кислорода в процессе:

Поскольку насыщение концентрации синглетного кислорода определяется процессом (1), необходимо измерять концентрации атомов O(³P) в разряде, а также в области за разрядом.

В самом разряде концентрацию этих радикалов можно измерить стандартным методом актинометрии, так как они возбуждаются электронным ударом. В потоке газа за разрядом измерить концентрацию радикалов таким способом нельзя, так как возбужденные состояния радикалов быстро релаксируют.

В предлагаемом изобретении решается задача измерения концентрации радикалов на выходе разрядного промежутка в заданной области потока газа в условиях распадающейся плазмы и гибели радикалов.

Предлагаемый способ измерения концентрации радикалов с использованием метода актинометрии на выходе разрядного промежутка в заданной области потока газа в послесвечении состоит в том, что на поток газа за разрядом накладывается дополнительный разряд, в который вкладывается энергия, не превышающая 5% энергии, вкладываемой в основной разряд. Методом актинометрии проводят два измерения концентрации радикалов, когда включены два разряда, а затем включен только дополнительный разряд, а по разнице двух измерений концентрации радикалов в дополнительном разряде определяют концентрацию радикалов, генерируемых основным разрядом, в заданной области потока газа.

Дополнительный разряд не изменяет концентрацию радикалов, а лишь возбуждает их. Далее для возбужденных радикалов используется стандартная актинометрическая методика измерения их концентрации.

Схема эксперимента приведена на чертеже, где представлена функциональная схема метода измерения концентрации радикалов в потоке газа на выходе разряда. Здесь: 1 - ВЧ-генератор 13.56 МГц с мощностью 300 Вт, 2 - ВЧ-генератор 40 МГц с мощностью 30 Вт, 3 - блок измерения положения световодов и ВЧ-разряда 40 МГц относительно ВЧ-разряда 13.56 МГц, 4 - световоды, 5 - монохроматоры, 6 - фотоприемники для регистрации излучения радикалов, 7, 9 - усилители, 8 - устройство вычитания сигналов, 10 - компьютер.

Исследуемый газ, например кислород O₂, протекает через разрядный промежуток, где образуются радикалы. Здесь разряд поддерживается высокочастотным (ВЧ) генератором 1 с мощностью P=300 Вт. Высокочастотное напряжение приложено к двум внешним электродам длиной 10 см. Рабочая область давлений может варьироваться в широком диапазоне, определяемом областью применимости актинометрической методики. Для определения профиля снижения концентрации радикалов в потоке газа в области послесвечения плазмы за срезом основных электродов в заданной области проточной системы организуется дополнительный слабый диагностический разряд, к которым подключен ВЧ-генератор с мощностью P=1 Вт. Высокочастотное напряжение приложено к коротким электродам длиной порядка 1 см. Методом актинометрии измеряется интенсивность линий радикала в основном мощном разряде и в дополнительном маломощном разряде, а затем в дополнительном маломощном разряде при выключенном основном мощном разряде. Разница отношений интенсивностей является искомым сигналом, определяющим концентрацию радикалов за разрядом. Излучение возбужденных радикалов в этой области с помощью световодов 4 выделяется двумя монохроматорами 5 и поступает на фотоприемники 6.

Сигналы с фотоприемников усиливаются усилителями 9 и затем анализируются компьютером 10.

Таким образом, с помощью достаточно простой предлагаемой методики решается задача определения концентрации радикалов вне разрядной области.

Источники информации

1. X.Окабе «Фотохимия малых молекул» Москва, Изд-во «Мир», 1981, стр.154-158.

2. Патент РФ №2248646, 2003.05.06, H01L 21/56.

Способ измерения концентрации радикалов в потоке газа с использованием метода актинометрии, отличающийся тем, что на поток газа за разрядом в заданной области накладывается дополнительный разряд, в который вкладывается энергия, не превышающая 5% энергии, вкладываемой в основной разряд, методом актинометрии проводят два измерения концентрации радикалов, когда включены оба разряда, а затем включен только дополнительный разряд, после чего по разнице двух измерений концентрации радикалов в дополнительном разряде определяют концентрацию радикалов, генерируемых основным разрядом, в заданной области потока газа.