پلاسما در واقع گازی است که در آن بخش قابل توجهی از مولکول‌ها یونیزه شده‌اند. اگر شما نوری که از پلاسما منتشر می‌شود را با اسپکترومتر آنالیز کنید، می‌توانید به ترکیبات پلاسما دست پیدا کنید. تعریف پلاسما و پارامترهای کلیدی آن در مقاله اسپکترومتری در سیستم های پلاسما توضیح داده شده است.
کنترل پلاسما
احتمالا برای شما جالب باشد بدانید که از پلاسما در مجموعه‌ای از کاربردها استفاده می‌شود. چند نمونه از آن را برای شما لیست می‌کنیم.
● آنالیزهای عنصری
● لایه نشانی فیلم‌ها
● اچینگ (etching) پلاسما
● تمیز کردن سطوح
با اندازه گیری طیف نشری پلاسما می‌توانید در جریان جزئیات آنالیزهای عنصری قرار بگیرید. از طرفی مشخص کردن پارامترهای حساس پلاسما، شما را برای کنترل فرآیندهای مبتنی بر پلاسما آماده می‌کند. نکته مهم این است که طول موج این خطوط نشری نماینده عناصر موجود در پلاسما و شدت خطوط نشری نماینده چگالی ذرات و الکترون ها است. مزیت استفاده از این آنالیزها این است که به صورت real time هستند.
برای کنترل فرآیند پلاسما با سه پارامتر ترکیب‌های گاز، دما پلاسما و چگالی ذرات سر و کار داریم. اگر به محفظه پلاسما یک گاز دیگر ورود پیدا کند، این پارامترها به صورت real time تغییر می‌کنند. بنابراین از این ویژگی برای آنالیزها استفاده می‌کنیم.
در ادامه یک نمونه از کاربرد پلاسما در صنعت مهم نیمه رسانا مثال می‌زنیم.
نمونه موردی کاربرد پلاسما در نیمه رسانا
در این قسمت می‌خواهیم یک کاربرد مهم استفاده از پلاسما در نیمه رساناها را برای شما شرح دهیم. کنترل پلاسما در فرآیندهای اچینگ روی زیر لایه بسیار حائز اهمیت است که با پلاسما می‌توان آن را کنترل کرد. اگر در این حوزه آشنا باشید، می‌دانید که ویفرها (wafers) با تکنیک‌های لیتوگرافی تولید و کنترل می‌شوند. اچینگ یک قسمت بسیار مهم در فرآیند است که لایه نشانی آن حتما باید با یک ضخامت تعیین شده باشد. حساسیت این فرآیند بسیار بالا است. کاربرد پلاسما آن جایی خودش را نشان می‌دهد که لایه‌ها قرار است روی یک زیر لایه اِچ شوند. از پلاسما برای این که متوجه شویم به ضخامت مورد نظر رسیده‌ایم و یا زمان رفتن به لایه بعدی فرا رسیده است؛ استفاده می‌کنیم.
خطوط انتشاری پلاسما هنگام اچینگ با دقت مانیتور می‌شود.
برای کنترل پلاسما می‌توانید از یک اسپکترومتر با رزولوشن بالا و فیبر نوری مقاوم استفاده کنید. در شکل زیر می‌توانید چیدمان مناسب برای این آزمایش‌ها را مشاهده کنید.
در ادامه به شرایط اندازه گیری می‌پردازیم.
شرایط اندازه گیری آزمایش
برای این آزمایش، پلاسما شما باید درون یک چمبر باشد. نور جمع آوری شده از پلاسما به کمک یک پنجره کوچک خارج از چمبر به کمک یک سری المان رابط وارد فیبر می‌شود. پس از آن فیبر، نور هدایت شده را به یک اسپکترومتر high resolution می‌رساند. برای اطلاع از مشخصات این اسپکترومتر با کارشناسان شرکت تکسان در تماس باشید. اسپکترومتر با رزولوشن بالا مانند شکل زیر است.
نتایج آزمایش
شما می‌توانید طیف نشری پلاسما آرگون را در شکل زیر مشاهده کنید. خطوط طیفی در بازه ۹۰۰-۶۹۰ نانومتر که شدت بالایی هم دارند، متعلق به پلاسما خنثی (Ar I) است. در حالی که خطوط با شدت پایین‌تر که در بازه (nm) 400-650 قرار می‌گیرند ناشی از اتم‌های آرگون یک بار (Ar II) یونیزه است.
از اطلاعات طیفی که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، برای تعیین مجموعه‌ای از پارامترها در کنترل فرآیندهای مبتنی بر پلاسما استفاده می‌شود. از این فرآیند در نیمه هادی‌ها استفاده زیادی خواهد شد.
در این مرحله آزمایش را یک گام جلوتر می‌بریم. گاز هیدروژن را که یک گاز ثانویه است به پلاسما آرگون اضافه می‌کنیم. زمانی که گاز هیدروژن به محفظه اضافه می‌شود، ویژگی‌های پلاسما تغییر می‌کند. در مرحله بعدی باید ببینیم که با افزایش غلظت گاز هیدروژن چه اتفاقی می‌افتد. ویژگی‌های پلاسمای آرگون با افزودن گاز هیدروژن به وسیله کاهش شدت خطوط آرگون بین ۹۰۰-۷۰۰ نانومتر نمود پیدا می‌کند. ظاهر خطوط هیدروژن در بازه ۴۵۰-۳۵۰ نانومتر هم با افزایش گاز هیدروژن تغییر می‌کند. نتایج این آزمایش را می‌توانید در شکل زیر مشاهده کنید.
این طیف ها قدرت اندازه گیری انتشار پلاسما را در real time برای نظارت بر تاثیر گاز ثانویه بر خواص پلاسما نشان می‌دهند. تغییرات طیفی مشاهده شده می‌تواند برای اطمینان از مقدار بهینه گاز ثانویه اضافه شده به محفظه برای دستیابی به ویژگی های پلاسما مورد نظر استفاده شود.
این تغییرات نشان دهنده تاثیر گاز ثانویه بر خواص پلاسما است. شاید برای شما این سوال پیش بیاید که ردیابی این موارد چه کمکی به شما می‌کند؟ باید عرض کنم که از تغییرات طیفی مشاهده شده می‌توان به مقدار بهینه گاز ثانویه اضافه شده رسید. مقدار بهینه گاز ثانویه اضافه شده برای رسیدن به ویژگی‌های پلاسما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
طیف های نشری پلاسما قبل و بعد از اضافه کردن Sheath gas به چمبر در شکل های ۵ و ۶ نشان داده شده‌اند. Sheath gas در واقع گازهای دو اتمی مانند (هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن) است که وظیفه آن محافظت از راکتورها در برابر دماهای بالا است. از Sheath gas برای کاهش تماس بین injector و نمونه استفاده می‌شود. مزیت آن این است که مشکلات مربوط به رسوب و انتقال نمونه کاهش پیدا می‌کند. در شکل۵ طیف نشری پلاسما آرگون قبل از اضافه کردن Sheath gas نمایش داده شده است. این طیف بعد از اضافه شدن Sheath gas هم در شکل ۶ به نمایش گذاشته شده است. همان طور که مشاهده می‌کنید، اضافه کردن Sheath gas منجر به تغییرات در طیف می‌شود. به حدود طول موج‌های ۴۰۰ و ۵۲۰ نانومتر دقت کنید.
جمع بندی
همان طور که در این مقاله مشاهده کردید، طیف سنجی Uv-Vis-NIR یک روش قدرتمند در آنالیزهای پلاسما است که برای آنالیزهای عنصری پلاسما و کنترل دقیق فرآیندهای مبتنی بر پلاسما از آن استفاده می‌شود. دستگاه مناسب برای این آنالیزها اسپکترومتر با رزولوشن بالا است. مزیت کار با اسپکترومترها این است که شما می‌توانید آن را به دستگاه‌های دیگر متصل کنید تا بتوانید از تمام امکاناتی که می‌توانید استفاده کنید. اسپکترومترهای تریگ دار دقیقا برای همین مورد طراحی و ساخته می‌شوند.
برای اطلاعات بیشتر ما در ارتباط باشد.
منابع
۱-https://www.oceaninsight.com/globalassets/catalog-blocks-and-images/app-notes/plasma-monitoring-with-modular-high-resolution-spectroscopy.pdf
