ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 524-530
-- ПЛАЗМОХИМИЯ
УДК 537.924
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МИШЕНЯМИ ИЗ ОКСИДОВ ТИТАНА
© 2007 г. В. Ä. Шахатов*, О. Ä. Гордеев**
*Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук
119991, Москва, Ленинский просп., 29 E-mail: shakhatov@ips.ac.ru **Московский авиационный институт 125993, Москва, Волоколамское шоссе, 4 Поступила в редакцию 21.05.2007 г.
Исследованы спектральные характеристики и кинетические процессы лазерно-индуцированной плазмы, используемой для выращивания пленок из оксидов титана. Эксперименты проводились в вакууме, в кислороде, в плазме ВЧ-разряда в кислороде и его послесвечении. Предложена столкно-вительно-излучательная модель, описывающая поуровневую кинетику атомов и ионов титана на различных стадиях разлета лазерно-индуцированной плазмы. Показано, что условия локального термодинамического равновесия нарушаются вследствие быстрого газодинамического расширения плазмы. При этом функции распределения атомов и ионов титана по возбужденным состояниям описываются формулами Больцмана с различными температурами.
Методы выращивания пленок из оксидов титана (TiO и TiO2) основываются на испарении мишени под действием мощного лазерного излучения [1]. Один из методов приготовления тонких пленок осуществляется в вакууме либо в атмосфере кислорода. В другом методе выращивание пленок проводится при наличии ВЧ-разряда в кислороде [2-8]. Удаление материала мишени под воздействием лазерного излучения носит сложный характер, и это явление изучено недостаточно. Для анализа происходящих физико-химических процессов требуются основные параметры лазерно-индуцированной нестационарной плазмы (ЛИП): концентрации электронов Ne и нейтральных частиц N, температуры электронов Te, атомов Ta и ионов T.
В работе исследовалась временно эволюция концентрации электронов, функций распределения атомов (ФРА) и ионов (ФРИ) титана по возбужденным состояниям в ЛИП методом оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС). ЛИП образовывалась в результате взаимодействия излучения эксимерного лазера с мишенями из TiO и TiO2. Плазма создавалась в вакууме либо в атмосфере кислорода, в плазме ВЧ-разряда в кислороде либо его послесвечении. Она исследовалась на различных расстояниях от мишеней. Для интерпретации экспериментальных данных, полученных при осаждении пленок, предложена столкно-вительно-излучательная модель, описывающая поуровневую кинетику атомов (Til) и ионов (Till) титана на различных стадиях разлета ЛИП в процессе и после окончания действия лазерного излучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из эксимерного лазера KrF, оптической системы, вакуумной камеры для осаждения пленок, устройства генерации и поддержания плазмы ВЧ-разряда в кислороде, газо-вакуумной системы и спектрального диагностического комплекса.
Эксимерный лазер (LPX 315, LAMBDA PHYSIK) работал на длине волны X = 248 нм при частоте повторения 1-150 Гц и длительности импульса 30 нс. Энергия излучения лазера в отдельной вспышке могла достигать 1.0 Дж. Оптическая система служила для регулирования и фокусировки лазерного пучка на мишень. Мишени были изготовлены из оксидов титана TiO и TiO2 с чистотой 99.99%. Мишень приводилась во вращение для того, чтобы избежать образования глубоких кратеров на ее поверхности и тем самым повысить воспроизводимость результатов. Площадь лазерного пятна на мишени составляла 4 х 4 мм2. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности мишени достигала 6 Дж см-2.
Вакуумная камера объемом 15 см3 была оборудована окнами для ввода лазерного излучения и проведения спектральных исследований ЛИП, отверстиями для измерения давления, напуска и откачки кислорода. Расстояние между мишенью и подложкой составляло 3 см. Рабочее давление кислорода в камере поддерживалось в диапазоне 10-4-10-1 Торр. Плазма создавалась в камере между двумя плоскопараллельными металлическими электродами диаметром 10 см посредством источника питания мощностью до 100 Вт, работаю-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - эксимерный лазер (эксиплекс KrF); 2 - компьютер; 3 - генератор импульсов; 4 - оптический многоканальный анализатор (OMA) и матричная камера (ICCD); 5 - монохроматор; 6 - осциллограф; 7 - контроллер; 8 - измеритель мощности и фотодиод; 9 - напуск кислорода; 10 - заземленный электрод; 11 - мишень; 12 - камера для выращивания пленок; 13 - световолокно; 14 - вольфрамовая лампа; 15 - ртутная и аргоновая лампы; 16 -собирающая линза; 17 - лазерно-индуцированная плазма; 18 - плазма ВЧ-разряда; 19 - подложка для выращивания пленок; 20 - откачка газа; 21 - запитанный электрод; 22 - источник питания ВЧ-разряда; 23 - согласующее устройство; 24 - система контроля циклических колебаний зеркала; 25 - зеркало, совершающее циклические колебания; 26 - измеритель поглощенной мощности.
щего на частоте 27 МГц. К верхнему заземленному электроду крепились мишени. Нижний электрод являлся запитанным электродом. На рис. 2 приведена фотография ЛИП при наличии плазмы ВЧ-разряда.
В ряде экспериментов спектральные исследования были выполнены и в послесвечении плазмы. С этой целью в камере было предусмотрено отверстие для ввода кварцевой трубки с внутренним диаметром 3.7 см и длиной 40 см, в которой возбуждалась плазма ВЧ-разряда. Через данное отверстие обеспечивалась подача кислорода и продуктов распада плазмы в камеру. Источник питания для поддержания плазмы ВЧ-разряда в кварцевой трубке имел характеристики, аналогичные источнику питания, с помощью которого осуществлялась генерация плазмы ВЧ-разряда между плоскопараллельными электродами. Медные электроды имели прямоугольную конструкцию и располагались заподлицо на внешней поверхности кварцевой трубки.
Спектры использовались для определения компонентного состава ЛИП и исследования временной эволюции интенсивности спектральных линий и их спектральной ширины, ФРА и ФРИ титана по возбужденным электронным состояниям и концентрации электронов. Для регистрации спектров в диапа-
зоне X = 250-700 нм применялся спектральный комплекс, состоящий: из монохроматора, контроллера, используемого для управления перестройкой дифракционной решетки шаговым двигателем; детекторов регистрации эмиссионного излучения - камеры с диодной матрицей (512 х 512 пиксел-диодных элементов) и оптического многоканального анализатора с диодной линейкой (1024 пиксел).
Время задержки измеряемое относительно начала взаимодействия лазерного излучения с мишенью, и интервал времени в течение которого интегрируется детектором изменяющийся во времени полезный сигнал из ЛИП, устанавливались импульсными генераторами. Спектры измерялись при значении ^ = 15 нс. В ряде экспериментов величина ^ варьировалась от 50 нс до 2 мкс с целью улучшения отношения сигнала к шуму. В диапазоне времен задержки = 100-600 нс точность установления ^ составляла 4 нс. Эмиссионные спектры излучения регистрировались из центральной части ЛИП на расстоянии 0.6-6 мм от поверхности мишени с пространственным разрешением 0.5 мм. Для калибровки использовалась градуированная светоизмерительная вольфрамовая лампа. Для идентификации эмиссионных спектров ЛИП использовались ртутная и аргоновая лампы низкого давления. ФРА и ФРИ титана по возбужденным
Рис. 2. Интегральная фотография ЛИП в ВЧ-разря-де (вводимая мощность 80 Вт, давление кислорода 10 Торр, плотность лазерного излучения 4 Дж см-2).
состояниям восстанавливались из измерений отношений интенсивностей спектральных линий [9].
МОДЕЛЬ КИНЕТИКИ ПЛАЗМЫ
Для интерпретации результатов измерений временной эволюции концентрации электронов, ФРА и ФРИ титана по возбужденным состояниям на расстоянии 0.6 мм от мишени и на временах задержки td вплоть до 300 нс была развита столкно-вительно-излучательная модель (СИМ). В ЛИП возбуждено значительное число уровней, что делает численное моделирование поуровневой кинетики процессов в ЛИП весьма сложным. Для того, чтобы обойти эту трудность, предполагается, что при рассматриваемых условиях (1014 < Ы, Ые < 1020 см-3, 104 < Те, Т, Та < 3 х 104 К) элементарные процессы, которые формируют ФРА и ФРИ по возбужденным состояниям, связаны в основном со столкновениями электронов с частицами. Процессами столкновений между тяжелыми частицами можно пренебречь по двум причинам: во-первых, состояние ЛИП характеризуется высокой степенью ионизации [1, 10]; во-вторых, согласно результатам измерений и расчетов работ [11-14], характерные значения констант скоростей столкновений электронов с тяжелыми частицами приблизительно на два порядка выше констант скоростей столкновений между тяжелыми частицами. Этот вывод также подтверждается результатами спектральных измерений временной эволюции интенсивности линий ТО и ТШ, их спектральной ширины и формы, выполненных в данной работе.
В модели рассматриваются электроны и состояния частиц, относящиеся к оптически разрешенным переходам: учитываются ТО в 62-х электронных состояниях, ТО! в 32-х электронных состояниях. При решении системы уравнений для компонентного состава учитываются следующие процессы: возбуждение и девозбуждение электронных состояний ТО и ТШ электронным ударом; ионизация нейтральных частиц электронным ударом и трехчастичная рекомбинация с участием электрона в качестве третьей частицы; ступенчатая ионизация; излучательная рекомбинация и фотоионизация ТО в возбужденных состояниях; спонтанный радиационный распад возбужденных состояний ТО и ТШ; процессы стимулированного излучения и реабсорбции. Вероятности спонтанного и стимулированного излучения рассчитывались в зависимости от эффективных температур Тга и Т„-, соответствующих локальной спектральной плотности излучения ТО и ТШ.
Константы скорости процессов вычислялись на основе соотношений, представленных в [14-19]. Сечения для определения констант скоростей процессов были взяты из [15-18]. В СИМ предполагается, что температуры Тга и Ти в ЛИП совпадают с температурами Та и Т. Функция распределения электронов по энергии описывается распределением Максвелла вследствие высокой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.