ГЛАВА 5. Методы контроля плазмы, плазмохимических и ионно-плазменных процессов

3. Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрический метод контроля (МС) основан на разделении ионизованных атомов и молекул в зависимости от отношения  и последующем измерении соответствующих ионных токов. Величина ионного тока определяет интенсивность пика в масс-спектре, которая, в свою очередь, пропорциональна концентрации в плазме регистрируемого компонента с данным значением .

В зависимости от типа регистрируемых частиц данный метод позволяет получать богатую информацию как о составе активных частиц плазмы, так и о протекании процесса травления. Контроль процессов травления с помощью МС базируется на положении химической кинетики о том, что скорость реакции пропорциональна либо концентрации реагентов, либо продуктов реакции. Таким образом характер изменения интенсивностей пиков ХАЧ и продуктов взаимодействия отражает кинетику процесса, при этом появление в спектре пика продукта (табл. 6.3.1) указывает на начало травления, а его исчезновение – на полное удаление слоя подвергаемого травлению материала.

Таблица 1

Продукты, характеризующие процесс травления при масс-спектрометрическом контроле

К аппаратному обеспечению МС предъявляются следующие требования:

• диапазон масс и разрешающая способность, достаточные для регистрации реагентов, продуктов реакции и промежуточных соединений, а также остаточных газов и примесей с массой до 300 а.е.м;
• высокая чувствительность, поскольку даже следы некоторых веществ могут играть важную роль в процессе травления;
• высокое быстродействие (~ 0.1 сек), позволяющее регистрировать изменения концентраций компонентов плазмы в реальном масштабе времени;
• невосприимчивость к значительному разбросу энергии анализируемых ионов;
• способность работать при сравнительно высоких давлениях в ионном источнике;
• минимальное влияние на плазму.

Перечисленным требованиям в наилучшей степени удовлетворяют квадрупольные и времяпролетные масс-спектрометры, позволяющие фиксировать малейшие изменения концентраций частиц.

При простоте измерений количественная интерпретация масс-спектров с целью получения данных по абсолютным значениям концентраций частиц и скоростей травления достаточно сложная процедура. Она требует, как минимум, проведения калибровки всей системы по всем компонентам, которые подлежат определению, и заключается в установлении зависимости между парциальным давлением i-го компонента в реакторе и измеряемым ионным током. При этом важны ионные токи и осколочных продуктов, так как в газовой смеси ионные пики разных компонентов могут налагаться. Для используемых в технологии газов характерен сложный состав продуктов, некоторые из которых только в разряде и получаются. Естественно, что прямая калибровка в этом случае невозможна. Относительную чувствительность к разным газам можно оценить, если известны сечения ионизации электронным ударом.

Наличие системы отбора пробы приводит также к тому, что измеряемый состав может не соответствовать реальному. Особенно это относится к ХАЧ, концентрации которых претерпевают существенные изменения за счет реакций как со стенками, так и в газовой фазе по пути до анализатора.