автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Влияние особенностей разлета нейтралей лазерной плазмы в окружающий газ на аналитические характеристики лазерных спектрометров

3 од

\ ИЮН 1995

На правах рукописи

ГОРБУНОВ Сергей Владимирович

ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗЛЕТА НЕЙТРАЛЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В ОКРУЖАЮЩИЙ ГАЗ НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ

Специальность 05.27.02 Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 1906

Работа выполнена в Научно-исследовательском технологическом институте, г.Рязань

Научный руководитель - доктор физико-математических наук.

Ведущая организация - НПО "Полюс", г.Москва

V

Защита диссертации состоится 1995г.

в VО часов на заседании специализированного совета Д 063.92.02 в Рязанской государственной радиотехнической академии (390005, г.Рязань, уд. Гагарина, 59/1).

С диссертацией чожно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан "_" _1895г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор Закурдаев И.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Арефьев А.С.

- кандидат физико-математических наук, директор лазерного центра НИИ газоразрядных приборов Череэов В,М.

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Актуальность теш. С развитием науки и техники предъявлялся вез болсо аесткие требования к чистою применяемых материалов, технологических сргд н изделий, что приводит к необходимости разработки высокочувствительных аналитических приборов. Проведешшэ исследования показывают, что наиболее перспективны для создания шсокочувстгштгльных экспрессных аналитических пркбороп лазэриыэ спектроскопические методы. В частности, со-чэтшгаэ метода лазерной ятоиноЯ фдуорэсцешдин н электротермической атокйзацка позволило добгпься в отдельных случаях ракорда прэделоз обнаружения как для растворов, так и для тпер-дда образцов. Вместо с тен, термический атоютатор обладает рядом недостаткоа, s том числе исключает возыонность про-вэдонйя прямого и локального анализа твердых образцов.

Пр'шеяешгэ э качестве способа отбора пробы лазерного ис-парэккя позволяет получить информации о содержанки и распределения химических элементов по участку ксслодуеиого объекта, непосредственно наблюдаемому под микроскопом, К достоинствам, лазерного испарения мояко отнести высокуп локальность отбора проба; излоэ, кенео i юег, количество вещества, испаряемого за sa один, шпульс; слабую зависимость процесса от физико-химических свойств ; йозиои'.ость осуществлять анализ без какой-(Шбо специальной хтя1Ческой или механической обработки образцов; применимость игтода к вирокому классу веществ. Отдельно зледует откатить "возиогшость проводить анализ образцов послой-ю с вагон до долей шад.

Сочетание иетодэ лазерной атомной флуоресценции с лазерам способом отбора пробы является перспективным направление« развития аналитического оборудования. Для обеспечения зкепрве-:ности проведения анализа необходимо, с одной стороны, овто-«атизировать процесс, с другой стороны, проводить анализ при >тноснтельно высоких давлениях, что позволяет отказаться от ^пользования .высоковакуумного оборудования и сократить ерезд скачки. Для решения последней задачи необходимо изучение провесов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с !ишеныо, динамику разлета лазерной плазмы в условиях окружаю-[его газа.

Известно, что при умеренной плотности мощности лазерного

и ч.2

излучения (10 — 10 Вт/см ) более 80 процентов продуктов разлета лазерного факела находятся в ввдо нейтральных частиц, регистрация которых затруднена. Исследование продуктов разлета эмиссионным методом позволяет регистрировать только атоьа в возбувденноы состоянии. Исследование атомов в основном состоянии проводилось ионизацией электронный ударом с последуздэП регистрацией ыасс-спектроиетроьа. Последний метод применяй в условиях достаточно высокого вакуума. Поведение нейтральной нгвозбуаденной составляющей лазерной плазмы в условиях окружающего газа не изучалось. Представляется актуальные проведение исследований по изучению процессов, протекающих пря разлете лазерной плазмы в атиосферу газа при различных давлениях методом лазерной атомной флуоресценции с точка • зрения использования полученных результатов в аналитических целях.

Результаты исследования разлета нейтрального компонента лазерной плазгла мэтодаии лазерной атомной фяуоресценцап и оптической эмиссии позволяют оптимизировать условия проведения анализа н разработать лазерные спектрометры, удовлетворяйте современный требованиям. .

Целью работы являлось изучение влияния особенностей лазерного испарения и разлета нейтралей лазерной плазыы в окру-шкцай газ на ваанейпие аналитические характеристики эмиссионного и лазерно-флуоресцентного иетодоа анализа и создание лазерных спектрометров.

Научная новизна

1. Создана экспериментальная установка для проведеная исследований характеристик разлета продуктов лазерного аспарондя при различных давлениях о кругам® го газа эмиссионным и лазер-но-флуоресцентиьы ыетодаан, позволяющая проводить пряшЭ эде-кснтныЗ анализ твердых материалов.

2. Проведены экспериментальные исследования динамики разлета невозбузденных нейтралей лазерной плазмы в окружающий газ пря различных давлениях методом лазерной атомной флуоресценции, показизаюдае, что влияние газовой среды приводит к повышении плотности и времени нахождения атомов в основном состоянии а зоне регистрации в 102 раз.

3. Определены оптимальные условия для проведения лазерного

атогжо-флуорасцентного и эмиссионного методов анализа, позволявшие повысить чувствительность о два раза.

4. Разработана методика определения содержания примеси алг>-£ЗШ!Л в кремнии с помощью пленочных образцов сравнения.

5. Разработан и создан автоматизированный лазерный атокно-флуоресцентный спектрометр о лазерным отбором пробы для высокочувствительного экспрессного анализа твердых материалов, обеспечиващай пределы обкаруаеняя по ряду элементов Ю"т-

ю"9#.

3. Разработан а создан автоматизированный малогабаритный лзээрнкЗ эмиссионный спектрометр для экспрессного прямого эдегюнтпого анализа, инеюдай два канала регистрации, что позволяет использовать внутренний стандарт для повышения воспро-еэводшостй результатов.

Практическая ценность работы

Определены оптимальные реюога работы, обеспечивающие высокие аналитические характеристика лазерного атомно-флуорэс-цэнтного и эмиссионного спектрометров.

Разработана методика контроля примесей ка основе плеиоч-еых образцов сравнения для лазерного способа отбора пробы.

Получены пределы обнаружения для лазерного атоыно-флуо-рфсцэитиого спектрометра 10*7- 10"9Х, для лазерного эмиссионного спектрометра 10*ц- Ю'4^.

Опытный образец лазерного атомно-флуоресцентного спектро-ц-этра передан заказчику к внедрен о цель» использования его для 'реаения задач этого предприятия.

Информация, полученная при исследовании разлета лазерной плаокы в газову» среду, была использована при разработке авто-катизированного лазерно-флуоресцентного спектрометра и автоматизированного малогабаритного эмиссионного спектрометра,

Научные полоаения, выносимые на защиту

1. Метод и аппаратура лазерной атомной флуоресценции, во-пользущиеся для изучения динамики разлета невоэбуяденных нейтралей лазерной плазмы в окружающий газ от начальной стадия развития факела до стадии затухания, позволяет наблюдать атомы в основном состоянии в области регистрация до 10^ икс от момента лазерного импульса, что на два порядка больве, чем в условиях вакуума.

2. Максимальная концентрация нейтралей лазерной плазна, соответствующая максимальному соотношению сигнал/оуи, наблюдается при давлениях инертного газа р~ 102 Па в временах задержки ыезду импульсами лазера-испарителя я перестраиваемого лазара 70 - 120 икс. *

3. При давлении р > 400 Па резям разлета плазмы праобрэтаст ударно-волновой характер, что затрудняет реализацию методов атомной флуоресценции и эмиссии при атмосферном давлении.

4. Градуировочные характеристики, построенные на основе пленочных образцов сравнения, в области концентраций 10*г- 2 % кыеют линейный характер.

Б. Влияние газовой среда приводит к увеличении'чувствительности методов лазерной атомной флуоресценции и onwiscicoíi зииссии проведения анализа в два pasa.

Апробация работа. Материалы работы докладывались на Есо-ссвзной конференции "Совремешше проблема физики в се пршгсае-яий" (г. Москва, 1987г.), VIII Всесоюзной конференция по кгто-йам получения и анализа высокочистых веществ (г. ГорькиЯ, 1Ш8г.), I Всесоюзной конференции "Автоматизация, кятенсифяка-цяя, интеграция процессов технологии микрозлектрошш!" (г. Ленинград, 1989г.), III Всесоюзной'конференция "Применение лазз-ров в народном хозяйстве" (г. Ватура, 1989г.), XXI Всесошио' Конференции по эмиссионной электронике (г. Ленинград, 1631г.), VII Симпозиуме по вторичной эшссин и спектроскопии поверхности твердого тела (г.Ташкент, 1990г.), отраслевых конференция.

Публикации. Основные результаты, воаедкие в диссертации, отрааекы в 15 печатных работах, защищены одним. авторские свидетельством на изобретение и опубликованы в аурналах "Письма i ПФ", "Злектронкая промышленность", "Измерительная техника", иеявузовском сборнике научных трудов и трудах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Содержат 110 страниц, включая 25 страниц с рисунками и таблицами и 7 страниц библиографического списка.

СОДЕРЙАНИБ РАБОТЫ

Во введения обосновывается актуальность темы, методы и объект исследования, сформулирована цель диссертационной работы, отражены научная новизна к практическая ценность полученных результатов, изложены основные защищаемые положения.

Первая глава носят обзорный характер и отражает современное состояние вопросов, связанных с использованием лазерной плазмы в спектральных методах анализа, в частности, эмиссионном и лазерном атомно-флуоресцентном. Из рассмотрения вопросов, связанных с процессом лазерного испарения/делается вывод, что наиболее благоприятны для аналитических целей является режим модулированной добротности при нежесткой фокусировке лазерного излучения. Пра этом плазма имеет температуру Т ~ 10 - 20 эВ и степень ионизация составляет 3-4. Расширение лазерной плазмы приводят к снижению температуры и плотности, что способствует процессам рекомбинации, которые оказывает существенное влияние па образование нейтрального компонента лазерной плазкы. В диапазоне плотности носиости лазерного излучения ч » 10® - 109 Вт/сы? лааерио-плавменный сгусток в основном состоит из нейтральных частиц, вмевдях рекомбинационную природу.

Показано, что скорость остывания атомного пара > изменение •го плотности ва счет расширения и конденсации в значительной 1**ре определяются величиной давления н составом атмосферы, в которую происходит испарение вещества.

Эксперименты по исследованию оптической эмиссии лазерного факела в зависимости от давления окружающего газа показывают, что для улучшения аналитических характеристик лазерного спектрального анализа необходимо осуществлять пространственно-временную селекцию сигнала при пониженных давлениях. В случае применения в аналитических целях метода лазерной атомной флуоресценции ,.позволяющего получить значительно солее низкие пределы обнаружения, отмечается перспективность аналитической схемы, базирующейся на сочетании лазерного испарения с лазерным возбуждением флуоресценции в факеле.

Вторая глава содержит описание экспериментальной установки, предназначенной для пров°л»ния экспериментальных исследований по изучению вр»м«нных харчетеристик -разлета нейтралей лазерной

плазмы.

Установка работает следующим образом. Излучение лазера-испарителя ЛТИ-5 ("Х - 1.06 мкы, Е им„ « 30 »¿Да) с помощью линзы фокусируется на поверхность анализируемого ыатериала, находящегося в вакуумной камере. С помощью диафрагмы из испаренного разлетающегося вещества выделяется направленный пучок, который облучается излучением перестраиваемого лазера ЛНИ-504 с накачкой красителя излучением азотного лазера. Длина волны генерации перестраиваемого яазера настроена в резонанс с длиной волны поглощения атомов исследуемого элемента. Образовавшиеся флуоресцентные фотоны собираются конденсором, отделяются от фонового излучения монохроматором и регистрируются фотоэлектронным умножителей. Регулировка расстояния от поверхности образца до зона возбуждения и регистрации осуществляется одновременным перемещением линзы и предметного столика внутри вакуумной каперы. Для устранения влияния лазерного кратера на процесс пробоотбора предметный столик перемещался в горизонтальной плоскости. Система синхронизации обеспечивает изменение времени задераки между импульсами генерации лазеров. Система регистрации позволяет проводить измерение сигнала как каадого ахта взаимодействия лазерного излучения с мишень», так в усреднение сигнала по заданному количеству импульсов.

В области высоких концентраций , примеси больше .0.1 -вследствие высокой оптической плотности атошюго пучка возмоаны эффекты перепоглощения фотонов и префильтрации лазерного излучения, что приводит к нарушению линейности градуировочных характеристик. Для решения задачи по количественному определению содержания примеси и проверки линейности работы спектрометра, а следовательно, достоверности полученных результатов в указанном диапазоне концентраций, была разработана методика построения градуировочного графика с помощью пленочных образцов сравнения. В качестве образцов сравнения применялись полированные пластины кремния, на поверхность которых напылялись пленки алюминия заданной толщины. Учитывая, что в режиме модулированной добротности лазерного излучения отсутствует фракционность испарения, измерив глубину лазерного кратера и зная толщину напыленной пленки, можно утверждать, что испаренный материал обладает концентрацией алюминия в кремнии, определяющейся отношением толщины пленки к глубине кратера. Уравнение градуировочного графика находилось

катодом наименьших квадратов в билогарифмической системе координат. Эксперимента с использованием пленочных образцов сравнения позволили проверить линейность работы спектрометра в диапазоне концентраций 10"2 - 2 Х-

В третьей главе представлены результаты исследования временных характеристик разлета нейтралей лазерной плазкы в основ-ом состоянии в зависимости от давления окружающего газа методом лазерной флуоресценции.

Исследовался процесс разлета атомов Са в атмосферу аргона. В качестве микенеЯ использовались образцы 1п с содержанием ва 1, 10"', 10"2 % и исходны:? частый 1п. Атомы Са возбуядались из основного состояния излучение.'^ перестраиваемого лазера на длине волны 403.3 нм, флуоресценция регистрировалась на смещенной длине волны 417.2 нм. Измерение проводилось с накоплением сигнала от 20 импульсов для каждого установленного времени задержи. Вреиенныэ характеристики исследовались при давлениях 10"1, 10, 102, 105, 10*. 105 Па. Расстояние от поверхности образца до зоны вогбуадения и регистрации составляло 10 и 20 т.

Временная зависимость сигнала на длине волны флуоресценции, измеренная при давлении 10"* Па (Я - 20 им) имеет три пика. Первый из них обусловлен рассеянии излучением лазерной плазкы, образующейся у поверхности образца во время действия лазерного импульса. Второй пик регистрируется ео временном интервале 0.5 -1.5 мяс. Энергии атомов, образующих зторой пик, лепат в том не диапазоне, что и энергии ионов. Следовательно, второй пик имеет рекомбинационную природу и содеряит атомы как в основном, так и в возбужденном состоянии. Третий пик (2-50 мке) соответствует атомам в основной состоянии и обусловлен тепловым испарением. Последний спадает по времени более 100 мкс.

Динамика р'азлета нейтралей лазерной плазмы в зависимости от давления представлена на рис.1. Увеличение давления приводит к замедлению разлета атомов и повышению их плотности в зоне возбуждения и регистрации, торможение частиц лазерной плазмы газом захватывает как рекомбинационную составляющую, так и тепловую. При давлении 10г Па влияние окружающего газа приводит к формированию пика во временном диапазоне 102 - 105 мкс и увеличении интенсивности сигнала флуоресценции, а следовательно, и плотности

атомов, на два порядка. Время регистрации атомов в основном сос-

\

Рис 1 Временные зависимости плотности атомов ва в основном и возбужденном (1) и в возбужденном (2) состояниях. И - 20 мм.

тоянни, находящихся в аналитическом объеме, увеличилось до 10 юге, что на порядок больше времени регистрации атомов в возбужденном СОСТОЯНИЙ.

Одним из основных процессов, ведущим к снижению плотности атомного пара, является процесс диффузии, контролирующий тепло-и массперенос в зоне смешения атомов с молекулами среды. Из закона фика, описывающего процесс диффус-ии частиц, выводится зависящее от времени уравнение диффузии

где й - коэффициент диффузии. Если концентрация частиц в система убывает со временем по экспоненциальному закону, то решение уравнения (1) для сферы радиусом гв имеет вид *

о х \ уг> сч / >

(2)

где ■ - ктг (3)

постоянная времени "Е - время диффузии, а связь коэффициента' диффузии с давлением буферного газа р определяется выражением

Z> (Z , (4)

I TaJ р

где D0 - коэффициент диффузии при стандартных условиях ( ра - 1 бар. То • 273 К), п » 1,5 - 2 для различных газов. Таким образом, при диффузионном распаде лазерного факела время его жизни t ~ р . Увеличение времени жизни паров металла при увеличении давления буферного газа подтверждает, что процесс диффузии является пре-

О

обладающим в диапазоне давлений до 10 Па.

При повышении давления картина разлета нейтралей лазерной плазмы резко меняется и приобретает газодинамический характер. Образование ударно-волновой структуры происходит, когда длина пробега частиц 1 много меньше характерного радиуса торможения Re. Из необходимого условия образования ударной болны 1/R0 ч< 1/3 находится давление аргона, при котором происходит смена режима

разлета, и составляет р ~ 400 Па. На временной характеристике

»

(рис.!) при давлении 10 Па наблюдается характерный профиль.

свидетельствующий о возникновении волновой структуры. При давлении 1011 - Ю5 Па свободные атомы присутствуют в аналитическом объеме в незначительном количестве, что может быть обусловлено процессом низкопорогового пробоя газа вблизи поверхности кгшени и переходом плазмы пробоя из области вещества киэени в газ.

Таким образом, при давлениях р < 1 Па газ не-оказывает существенного влияния на процесс разлета; 1 Па < р < 100 Па - смо-иенне атомов плазмы с молекулами среды носит диффузионный характер; р > 100 Па - формируется ударная волна.

Поведение временных зависимостей на расстоянии 10 км от 1Г.:~ шенл в целом имеет схожий характер. Максимальный сигнал флуоресценции на порядок превышает сигнал на расстоянии 20 мм, т.е. плотность нейтралей спадает по закону ~ 1/Я5.

Поведение временных характеристик разлета нейтралей лазерной плазмы позволяет кайтк оптимальные значения времен эадеряки иевду импульсами лазера-кспарителя и перестраиваемого лазера. Данный параметр в значительной степени определяет аналитически возможности лазерно-флуоресцентного метода. Влияние газовой среды на аналитические характеристики определялось измерением сигнала флуоресценции с образцов с различным процентным содерканиеи примеси. При этом оптимальное время эадернки определялось по максимальному соотношению сигнал/шум, что соответствовало пику флуоресцентного сигнала после свечения эмиссии. По данным измерений флуоресцентного сигнала с образцов сравнения при найденных, значениях времен задераки строились градуировочные характеристики для различных давлений. Уравнения градуировочных характеристик находились методом наименьших квадратов в виде

1б А « Ьй + Ь< 1е С , . (5)

где А - флуоресцентный сигнал, С - концентрация примеси, .коэффициент Ь < - тангенс угла наклона графика и определяет чувствительность спектрометра. Из табл.1 видно, что влияние газовой среды приводит к повышению плотности атомов в аналитическом объеме на два порядка (коэффициент Ьс)и увеличению чувствительности (коэффициент Ь<) в два раза. Угол наклона градуировочного графика близок к 45 градусам.

Таблица 1. Влияние окрудаодего газа на характеристики лазерного атоино-флуоресцентного спектрометра

1 Р. Па | 1 задержки, | Уравнение град. |

1 1 МКС | характеристики . |

1 ю-А1 3.5 | 1б А - З.В1 + 0.52 С |

1 1 1 а 1 1й А - 3,81 + 0.70 18 С |

1 *<> | 30 1 18 А - 4.58 + 1.11 1в С |

1 ю2 1 100 1 А - 5.77 + 1.12 18 С |

Следует отдельно отметить, что влияние атмосферы не приводи? к улучызнив значений пределов обнаружений.

В четвертой главе дано описание опытного образца лазерного атоано-флуоресцентного спектрометра (ЛАОС) с лазерным отбором пробы "УАОП - 10"0 - 009" и автоматизированного спектрометра " УАО.пга - ю*8- он".

Информация, полученная в главе 3, была использована при разработке опытного образца ЛАФС, предназначенного для высокочувствительного контроля концентрации примеси в тверда материалах. Состоит из лазерной-. системы, блока вакуумного, агрегата откачного, устройства сканирования образца, блока регистрация я управления, блока синхронизации, ыонохроматора и системы напуска газа. В качестве лазера-испарителя использовался импульс-иьЗ твердотельный лазер ЛТИЛЧ-6, обеспечивающий на поверхности образца плотность мощности 10 3 - Ю9 Вт/см2 на длине волны 1.08 шш. Для возбуздения флуоресценции использовался перестраивае-шЗ лазер на красителях ЛШИ-507 с диапазоном перестройки 415695 ни. Оптическая накачка красителя осуществлялась излучением азотного лазера АЛ-202.

В ходе проведения испытаний спектрометра исследовались пределы обнаружения 1п в йа в чистом Эп марки ОВЧ-ООО класса В~5 и А1 в чистом Са 99.9999. Выбирались энергетические переходы в диапазоне перестройки лазера, обеспечивающие флуоресценцию на смещенной длине волны. Пределы обнаружения, оцененные по критерию 3 <эг составили 1.8-107# для А1, 2-10'э% для Са и 1.6-Ю"8^ для 1п. Правомочность определения предела обнаружения

по даной методике обусловлена линейностью аналитической граду-ировочной характеристики спектрометра.

Создание перестраиваемых лазеров на красителях на основе акусто-оптнческих фильтров с автоматической перестройкой длины волны излучения (ЛЖИ-500, Ш-508) позволило разработать автоматизированный ЛАФС с управлением режимами работы, регистрации и обработки информации с помощью ПЭВЧ. В основу автоматизации спектрометра положен принцип сочетания ручного режима работы по подготовке эксперимента (проверка работоспособности, откачка, загрузка-выгрузка образца, выбор места и условий проведенвл анализа) и автоматический рекии проведения анализа и обработки информации.

Автоматизированный ЛАФС предназначен для высокочувствительного экспрессного анализа твердых материалов на содержание химических элементов, длины волн поглощения которых лежат в диапазоне излучения лазера ЛЕИ-508. В состав спектрометра входят: аналитическая вакуумная камера с загрузочно-плюзовым устройством и средствами откачки и напуска газа; трехкоординатныЯ манипулятор для перемещения образца; лазер-испаритель ЛТИ-403; перестраиваемый лазер Л®И-508 (550-680, 275-340, 382-414 нм); светосильный монохроматор ММД-1; оптический аттенюатор; монокуляр для визуального наблюдения за местом отбора пробы; система регистрации я управления для управления режимами работы спектрометра на базе ПЭВМ "Электроника МС 0507".

Программное обеспечение системы управления обеспечивает управление режимами работы спектрометра, регистрация в накопление экспериментальных данных, обработку и документирование информации. Управление программной системой осуществляется последовательностью директив, обеспечивающих выполнение соответствующих функций,

Основные технические характеристики спектрометра: пространственное разрешение по поверхности образца - 0.1-1 мм; разрешение по глубине ~ 1 мкы (определяется теплофизическими свойствами материала образца); максимальный размер области отбора пробы - 10x10 мм2; максимальный диаметр анализируемого образца - 102 мы. Экспериментально полученные значения пределов обнаружения (9-10"9Ч для 1п в Sn) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным методам анализа".

- J3 -

Пятая•глава посвяцэиа исследовании динамики разлета нейтрале Л лазерной плазмы ¡.¡отодсм оптичоскоП эмиссии и разработке при-Ссроп для лазерного спектрального анализа.

Оуакцнональкие bocííokiocth ЛАК могут бить существенно рао-ojpasu в случае его работы з резоле регистрации оптической зшс-сяя лазерного факела, которой позволяет раснирять число обнару-гжых элементов, проводить последовательный многоэлеметныЯ анализ, работать с образцами с шсокоЯ^ концентрацией прзшесп, ко £5кет пределы обнаружения 10"2- Ю"^.

Изучалась воэаогность сн:;™енпл пределов обнаружения крутого лазерного спектрального анализа и использование й'олучеяних результатов при разработке эмиссионного спектрометра. Результаты яй:ераииЯ, аналогичные проведенным в главе 3, по изучен;:» влияния окруяаадего газа на характеристики оптической эмиссии приведет) ,з табл. 2. Из тйбл.2 видно, что слияние газовой среды при-'водя? к. увеличения чувствительности (коэффициент Ь<) в два раза. Прэдел обнаружения Gd в In, получен:!!,!,'! подстановкой а уравненяо грздуировочного' графика удвоенного значения флуктуация пуиа, состазия 7'10~5%.

Таблица 2. Влияние окружавшего газа на характеристики EüKccüoüüoro спектрометра

| D, Пй | t рэгистр., | Ураплеппе град. |

1 1 i?KC • I характеристика |

1 Ю-* 1 0,В 1 lg А « 1.34 + 0.37 lg С |

1 i Г 1.0 | lg А = 1.93 + 0.53 lg С |

1 ю 1 1.2 | lg А = 1.83 + 0.65 lg С |

1 ю* | 20 | lg А ° 1.53 + 0.81 lg С |

Полученные результаты в сочетании с применением лазерных систем нового поколения (опытный образец лазера "Квантекс-2"), шлогабарятных светосильных ыонохроматоров ММД-2 и средств вычислительной техники позволили разработать малогабаритный двух-канальный автоматизированный эмиссионный спектрометр э настольном исполнения.

Регистрация сигналов осуществляется на двух спектральных

лилиях - лиши определяемого элемента н линии элемента шшенн, отвечающих условиям гомологичности. Два канала регистрации позволяют определять отношение интенсивыостей этих линий (внутренний стандарт), что повышает воспроизводимость результатов, устраняет зависимость сигнала от флуктуация процесса испарения.

Программное обеспечение системы управления спектрометра, выполненной на базе IBM совместимого компьютера ("Искра 1030"), обеспечивает управление режимами работы, тестирование оборудования, регистрацию, накопление, обработку и документирование данных измерений. Спектрометр имеет пять рваимов работы, позволяющих проводить настройку прибора, снимать спектральные и временные характеристики, проводить анализ распределения примеси по растру и усреднение по плоцэдн.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Создана экспериментальная установка для проведения исследований разлета нейтрального компоненте лазерной плазмы мвтодг&а лазерной атомной флуоресценции и оптичесхой эмиссии при различных давлениях окружающего газа б на различных расстояньях от поверхности миссии. Создана система регистрации, позволяюсь проводить измерение сигнала как каадого акта взаимодействия лазерного излучения с мааеньв, так в усреднение сигнала со заданному количеству импульсов.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования динамики разлета невозбуаденных нейтрале! лазерной плазмы g атмосферу инертного газа пря различных давлениях методой лазерное атомной флуоресценции. Установлено, что время нахождения ето-<901 галлия в аналитическом объема увеличивается в 10 pas s превышает Ю^мкс, что на порядок больие, чем время нахонд®-ния атомов в воабуадеиноы состоянии. Рассмотрено влияние rasa ш вид аналитических характеристик ЛАФС. Показано, что влия-ино газа при давлениях до 10 2 Па повышает чувствительность s два разд. Найдены оптимальные значения времен задержки регистрации флуоресцентного сигнала.

3. Проведены экспериментальные исследования динамики раалета в05бунденных атомов лазерного факела в атмосферу инертного

газа при различных давлениях ыетодоа оптической эмиссии. Рассмотрено влияние газа на вид аналитических характеристик. Определены оптимальные времена регистрации эмиссионного сиг-пала, параметры и условия проведения лазерного спектрального анализа.

4. Разработана методика определения концентрации примеси на ос-поэо пленочках образцов сравнения аявманкя на кремнии, что позволило проверить линейность работы JIASC в диапазоне концентраций 10*2- 2

5. Разработан опытный образец лазерного атоино-флуоресцентного спектрометра с лазерным отбором пробы. Экспершентально получены пределы обнаружения на уровне 10"r- 10"9 # для элементов Ga, In, Al. Опытный образец спектрометра и методика контроля етфопр:шесей переданы и внедрены в НПО "Платан".

0. Разработан автоматизированный ЛАФС на основе автоматизированного лазера на красителях Л1И-508 на акусто-оптическои фильтра для экспрессного элементного анализа. Создано программное обеспечение системы управления спектрометра. Получен продел сбкарузения нндия в образцах особо чистого олова 9-10'9 %. Спектрометр внедрен в КШ.

7. На основе полученних результатов разработан малогабаритный автоматизированный лазерный эмиссионный спектрометр для экспрессного прямого элементного анализа тверда материалов. Создана дзухканальная систека регистрации для одновременной регистрация аналитической линии элемента а линии сравнения. Разработано программное обеспечение управления режимами работы спектро-кэтра. Установка передана заказчику.

■ Основные результаты диссертации опубликованы р работах:

1. Селективная лазерная ионизация атомов, распыленных ионным пучком /Горбунов C.B., Закурдаеэ И.В., Мучник M.JI. и др.// Письма 0 HT®. 1988. Т. 12. Вып.И. С.681-685.

2. Горбунов C.B., Глебов Д.Л., Чернобродов Е.Г. Построение калибровочной кривой для определения концентрации примеси методой лазерной атонно-флуоресцентной спектроскопии//'Приборостроение для !!Пкроэлектрсники: технология, физика и диагностика тонкопленочных структур: Тез. докл. конф. Сер.7, вып.4 (246). М.: ЦНИИ "Электроника",1986. С.22.

3. ЛлзерниЯ атсмяо-флуоресцентный спектрометр с лазерным отбором

- lö -

пробы для спектрального анализа / Горбунов C.B., Параш Г.Д., Чернобродоз Е.Г., Еэрозая Г.А.// Эдектрокн&я процыалекность. 1037. Вып.5(163). С.39-40.

4. Горбунов C.B., Миловзоров Д.Е., Чэрпобродов Е.Г. йетод калзб-ровки лазерного сторно-флуоресцентного спектрометра о псиощыэ образцов сравнения// ёигико-технологпчвскиэ исследования то-копленочных структур: Тез. докл. конф. Сор.7, ьып.2(287). И.; ЦНИИ "Электроника", 1937. С.23-28.

Б. Совдание стандартных образцов н построоиие аналитического гравировочного графика для лагерного ото^но-флуоросцентного cas-ктрокотра с лазерный отбором пробы /Горбунов C.B., Глобоо Д.Л. Закурдаев И.В. и др.// Тоз. докл. VIII Всесоюзной конф. по истодам получения и анализа высокочистых веществ. Ч.З. ГорькпВ, 1988. С.42-43.

0. АвтоаатизироБанкыЯ лазерный атоьшо-фяуоросцептиый споктро-отр/ Горбунов C.B., Глебов Д.Л., Пудом А.Д., Стреяьншшз Д.В. // Разработка новых методов и оборудования для фцзнко-шюяптвчоо-J..ÍX исследований произБодстеа изделий накроэдэктроиики: Tea. докл. конф. Сер.7, сып.1 (302). У.: ЦНИИ "Электроника", 16S3. С.28-29.

?. Горбунов C.B., Чернобродов Е.Г. Исследование кремниевых образцов иэтодоы лазерной атоыно-флуоресцентой спектроскопии // Ёвзкко-аналитаческое оборудование в научных исследованиях к технологии современной микроэлектроника: Тез. докл. кокф. Сер.7, вып.2(276). Н.: ЦНИИ "Электроника", 1088. С.10-12.

8. Автоматизированный лазерный атоыно-флуоресцентный спектроуэтр / Горбунов C.B., Глебов Д.Л., Закурдаев И.В. н др. // Тез. докл. I Всесоюзной конф. по автоматизации, интенсификации, интеграции процессов технологии микроэлектроники. 4.1, JH., 1883. . С. 70-72.

б. Использование перестраиваемых лазеров при разработке аналитических приборов для микроэлектроники /Горбунов C.B., Закурдаев И.В., Миловзоров Д.Е., Иишлаков Б.А., Шерозия Г.А. // Тез. докл. III Всесоюзной конф. " Применение лазеров в народном хозяйстве". Шатура, 168Э. С.335-338.

10. A.c. 1554892, МКИ 01 21/268. Детектор лазерного излучения / C.B. Горбунов, И.В. Постовский, Г.А. Шерозия.

И. Автоматизированный лазерный атомно-флуоресцентный спектрометр / Горбунов C.B., Глебов Д.Д., Гравшин U.M.. Чернобродов Е.Г.,

Шерозия Т.к.// Электронная прошпленность. 1890. Вып. 10. С.33-34.

12. Усовершенствование работы лазерного атомно-флуоресцентного спектрометра / Белов A.B., Горбунов C.B., Закурдаев И.В., Чернобродов Е.Г., Шерозия Г.А.// Электронная промышленность. 1990. Вып. 10. С.34-35.

13. Горбунов C.B., Закурдаев И.В., Шерозия Г.А. Исследование эмиссии ütowos с поазрхиости а разреаенный газ под дейотвием лазерного излучения// Тез. Докл. XXI Всесоюзной конф. по эмиссионной электронике. Т.1. Л.,1880. С.37.

14. Исследование потоков атомов, эмиттируемкх поверхностью, облученной лазерным импульсом/ Горбунов C.B., Закурдаев И.В., Чернобродов Е.Г., Шерозия Г.А.// Тез. докл. VII Симпозиума по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тала. Тапкент, 1990 С.100-101,

15. Лазерные атомно-флуоресцентный и атомно-ионизационный спектрометры / Горбунов C.B., ПияовЕоров Д.Е., Чернобродов Е.Г., Шерозия Г.А., Шишлакоэ В.А.// Измерительная техника. 1891. Вып.9. С.24-25.

18. Особенности регииа счета фотонов s системах регистрации лазерных спектрометров/ Горбунов C.B., Закурдаев И.В., Чернобродов Е.Г., Шерозия Г.А.//Вакуумная а плазаениая электроника. Рязань, 1891. С.124-125.

Горвуиоо Сергея Владимирович

Влияние особенностей разлета нейтралей лазерной плазмы а окруза&диЯ газ на аналитические характеристики лазерных спектрометров

Автореферат диссертации на, соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано а печать 18.05.95. Формат бумаги 60x84 1/16. Вумага газетная. Печать ротаприитная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-йэд. я. 1.0. Тирая 100 экэ. Заказ . Бесплатно. Рязанская государственная радиотехническая академия.

Э90005, Рязань, уя. Гагарина, 59/1. Участок оперативной полиграфии оелстатуправлвния. 390013, Рязань, ул. типанова, 4.