Спектрометр тлеющего разряда Profiler 2

Практическая работа со спектрометрами тлеющего разряда (glow discharge spectrometers) Profiler максимально упрощена:

• Образец не надо помещать в высоковакуумную камеру, поэтому установка образца и начало анализа занимают менее минуты;
• Уникальный подстраиваемый генератор и регистрирующая система – позволят проводить анализ образцов без дополнительных предустановок;
• Процесс анализа и изменения структуры образца вы можете наблюдать в режиме реального времени;
• Анализ может быть остановлен, когда Вы увидите, что получили всю интересующую Вас информацию;
• При наличии калибровок процесс квантификации результатов занимает несколько секунд;
• Конструкция прибора оптимизирована для любых типов образцов;
• Среднее время анализа на глубину 10 мкм – менее 5 минут.

Схема прибора

Источник тлеющего разряда
Источник тлеющего разряда, используемый в спектрометрах серии Profiler, обладает геометрией, которая ненамного отличается от первоначального устройства В. Гримма.

Анод представляет собой медную трубку диаметром, как правило, 4 мм. Располагаемый перед анодом и отделенный от анода керамикой с кольцевым уплотнением образец является катодом. Образец устанавливается на источнике прикладыванием к кольцевому уплотнению. Пространство внутри анода и из полости между образцом и керамикой вакуумируется, после чего в трубку поступает аргон. Под воздействием электрического поля ионы аргона ускоряются к образцу, обладая достаточной энергией для распыления поверхности образца. Распыленные частицы, в свою очередь, поступают в плазму и возбуждаются через соударения. Возникающая оптическая эмиссия характеризует элементный состав образца. Регистрация спектра осуществляется на оптическом спектрометре.

Для поддержания плазмы тлеющего разряда в спектрометре Profiler-2 используется радиочастотный генератор. Генератор работает на частоте 13,56 МГц и может функционировать в импульсном режиме, что дает возможность анализировать хрупкие и низкотеплопроводные образцы. Геометрия источника тлеющего разряда гарантирует, что распыляться будет только образец. Глубина распыления зависит от типа образцов и, как правило, лежит в диапазоне от нескольких нм до 150-200 мкм.

Спектрометр
В спектрометрах Profiler используется полихроматор высокого разрешения Пашена-Рунге. Спектральный диапазон спектрометра Profiler достаточно широк – 120-766 нм. Такой диапазон необходим, так как в УФ-области находятся наиболее чувствительные линии газов, что критично для анализа покрытий – H(121нм), О(130нм), Cl(134нм), N(149нм), C(156нм). В ИК-области излучают щелочные металлы - Li(670нм), K(766 нм). В приборах исследовательских конфигураций в дополнение к полихроматору устанавливается дополнительный монохроматор. Монохроматор настраивается на любую спектральную линию, что дает возможность измерения элементов, не вошедших в аналитическую программу.

Детекторы

В процессе анализа вглубь неоднородного образца нередка ситуация, когда измеряемый элемент содержится на следовом уровне в одном слое и является основным в другом слое. Из-за высокой скорости распыления невозможно остановить измерение между слоями и отрегулировать коэффициент усиления детекторов, поэтому должно использоваться предустановленное значение. Если оптический сигнал мал, устанавливается высокое значение. Если сигнал сильный, то предпочтительнее будет более низкое значение. Но как быть, когда концентрация элемента изменяется от слоя к слою? Ответом является применение специальных запатентованных детекторов на основе фотоэлектронных умножителей. Конструкция данных детекторов позволяет автоматически перенастраивать их усиление в процессе анализа. Такая конструкция получила название HDD, что означает High Dynamic Detection. Это дает возможность увеличить реальный динамический диапазон детекторов до 109 для всех аналитических линий. Таким образом, при работе со спектрометром нет необходимости в предварительной настройке прибора перед анализом неизвестных образцов.

Калибровка спектрометра и квантификация
Как и все относительные методы анализа, спектрометрия тлеющего разряда требует калибровки для установления зависимости концентрации от глубины на основании зависимости измеренных интенсивностей от времени.

Если прибор откалиброван, то программное обеспечение преобразует качественный профиль в количественный за доли секунды. Принципы калибровки просты и основаны на той уникальной особенности, что в плазме тлеющего разряда распыление и возбуждение физически разделены и могут рассматриваться независимо. Эффективность распыления зависит от материала образца, а также от настроек прибора. Интенсивность же спектральных линий, регистрируемая спектрометром, зависит только от содержания того или иного элемента в плазме, но никак не зависит от типа образца и настроек прибора. Это дает нам возможность добавить в калибровочное уравнение так называемую скорость распыления (sputtering rate), которая определяется массой материала, распыляемой в единицу времени. Скорости распыления сильно отличаются для разных материалов. Например, при одинаковых рабочих условиях, образец цинка будет распылен быстрее, чем медный образец. В среднем металлы распыляются со скоростью 1-5 мкм/мин.

Учитывая данный коэффициент q в калибровочном уравнении C_i*q=k_i*I_i, мы сможем использовать образцы совершенно разной природы для построения калибровочной кривой. Например, карбиды могут быть использованы для калибровки высоких содержаний углерода, слои оксида алюминия – для калибровки кислорода, стеклянные образцы – для кальция и натрия.

В процессе анализа в любой момент времени производится запись всех интенсивностей, поэтому все значения k_i*I_i рассчитываются. Сумма этих значений равна величине коэффициента распыления, то есть q=∑k_i*I_i, так как ∑C_i=1. Далее мы можем вычислить концентрации каждого элемента в любой момент времени как C_i=k_i*I_i/q. Зная концентрацию каждого элемента в любой момент времени и распылённую массу, мы сможем через плотность материала определить глубину.