Способ определения параметров частиц десорбирующих с электропроводящей поверхности Советский патент 1993 года по МПК G01N5/04 

Изобретение касается технической физики, физической и молекулярной газовой динамики, химической физики, плаэмохи- мии и может быть использовано для определения параметров части, десорбирующих с электропроводящей поверхностью.

Цель изобретения - расширение области применения способа определения параметров десорбирующих частиц с электропроводящей поверхности на случай бомбардировки образца (поверхности твердого тела) частицами набегающего газового потока, увеличение числа определяемых параметров десорбирующих частиц и повышение точности получаемых результатов.

На фиг.1 показано положение образца в ходе эксперимента; на фиг.2 - экспериментально регистрируемые характеристики; на фиг.З и 4 - схемы обработки соответственно ВАХ и силовой характеристики.

Образец 1 (см. фиг.1) выполнен в виде плоской пластины или диска, к которому присоединены термопара 2 и элементы то- коподвода (держатель микровесов) 3 в единой системе с регулирующим прибором микровесов 4, Боковая и тыльная поверхность образца 1 защищена от окружающей среды - частично диссоциированного ионизованного газа 5 - экраном 6.

На фиг.2-4 принята единая нумерация позиций, где кривая 1 - зависимость потока заряженных частиц на рабочую поверхность образца от его потенциала в случае Отсутствия на поверхности адсорбированных веществ; кривая 2 - аналогичная зависимость при наличии адсорбента на поверхности образца; кривая 3 - зависимость суммарного импульса, передаваемого рабочей поверхности образца потоком частиц в случае чистой поверхности; кривая 4 - аналогичная зависимость в случае поверх00

ю о

СА О

ности, покрытой слоем адсорбента: кривая J5 - температурная характеристика.

Предлагаемый способ определения параметров частиц, десорбирующих с электропроводящей поверхности при бомбардировке набегающим потоком частично диссоциированного ионизованного газа, реализуют следующим образом.

Образец 1, выполненный в виде плоской пластины или диска, к экранированной стороне которого присоединены термопара 2 и элементы токоподвода 3, помещают на вакуумные микровесы, размещенные в потоке разреженной плазмы.

В ходе эксперимента по реализации предлагаемого способа синхронно регистрируют следующие характеристики (фиг.2):

1) & ((р) - зависимость потока заряженных частиц на поверхность образца от его потенциала р относительно потенциала потока разреженной плазмы - вольт-амперная характеристика образца;

2) FЈ fy( p ) - зависимость импульса, передаваемого частицами потока поверхности образца, от потенциала р - силовая характеристика, регистрируемая микровесами;

3) EW Ew(y) - зависимость ЭДС термопары от потенциала р - температурная характеристика.

Эти характеристики синхронно регистрируют как для образца, поверхность которого покрыта слоем адсорбированного вещества, так и для образца с чистой поверхностью.

На ВАХ (фиг.3} из-за десорбции частиц наблюдается резкое увеличение ионного тока в переходной области потенциалов- крючок (7). Как видно из фиг.З, ионный ток в точке А увеличивается на величину Id, соответствующую интенсивности десорбировавших частиц. Выражая Id через концентрацию и среднюю скорость частиц (вторичных ионов), получим

Id Ае

(1)

Foi yf Fellf+ Fn + Fro + Рпбыстр, (2) VfV Fcl / F «+ F + F« + рпбЫСТР + Fd. ()

где - сила воздействия потока на поверхность с потенциалом р, свободную от адсорбента;

FЈ afy сила воздействия потока на поверхность с потенциалом , покрытую слоем адсорбированного вещества;

Foi f,ir сила воздействия на поверхность с потенциалом р положительных ионов набегающего потока разреженной плазмы;

Рв| сила воздействия на поверхность с потенциалом электронов набегающего потока;

Fn, Fm, Fn6blCTp - силы воздействия на поверхность соответственно нейтральных частиц, метастабильных частиц и быстрых нейтралов;

Fd - сила воздействия на поверхность десорбирующих частиц.

Fd определяется как разность

25РН F здс - F чист

d Ч w 1 ч7

(4)

что позволяет определять Fd по силовой характеристике (фиг,4).

При этом для образца, выполненного в

виде плоской пластины или диска, характер-, ный размер которого R Ad, где Ad - деба- евский радиус в невозмущенной плазме, влиянием электростатических сил можно пренебречь (их вклад в общий баланс сил

пренебрежимо мал) (8).

Наличие Fd на силовой характеристике

является результатом действия на поверхность десорбирующих частиц и медленных

ионов, возникших при ионизации десорбированных частиц набегающим потоком. В области высоких отрицательных потенциалов на силовой характеристике (фиг.З) Fd рЈ3дс - определяется только десор- бированными нейтральными частицами (вторичные медленные ионы здесь отсутствуют, об этом свидетельствует ионный ток ВАХ)

Использование: определение параметров частиц, десорбирующих с электропроводящей поверхности. Сущность: синхронно регистрируют зависимости потока заряженных частиц, интегрального импульса и температуры поверхности образца от его потенциала относительно потенциала потока разреженной плазмы при наличии и отсутствии слоя адсорбированного вещества на поверхности образца, определяют значения интенсивности потока частиц, десорбирующих с поверхности, силу давления этих частиц на поверхность образца и температуру поверхности при значении потенциала, соответствующего максимуму десорбции, определяют силу давления Десорбирующих частиц на поверхность образца в области высоких отрицательных потенциалов и вычисляют концентрацию, среднюю скорость и среднюю молекулярную массу десорбирующих частиц. 4 ил.

На силовой характеристике, как видно из фиг,4, десорбция частиц с поверхности, стимулированная набегающим потоком, вызывает в определенном диапазоне потенциалов увеличение значения суммарного импульса, переносимого на поверхность образца. При детальном рассмотрении процесса можно получить следующие зависимости для интегральной силы, действующей на поверхность образца

50

Fd1 Fdn - ndn К Tw.

(5)

В области крючка на поверхность воздействуют уже и ионизованные десорбиро- еанные частицы в виде медленных вторичных ионов (о чем свидетельствует рост ионного тока на ВАХ и сдвиг плавающего потенциала в область более положительных значений)

Fd2 Fdn + fd «

К Т„(пйп + ndi), (6)

где А - площадь поверхности образца;

К г- постоянная Больцмана;

Tw - температура поверхности образца;

ndn - концентрация десорбирующих нейтральных частиц;

ndi - концентрация медленных вторичных ионов.

При этом предполагается, что для частиц, десорбированных с поверхности, имеет место максвелловское распределение с температурой, равной температуре поверх- ности(9,10).

Из соотношений (5), (6) при известных Tw и А

2Fdi

ndn

АКТ

()

j

ndi AI/T (Fd2- Fdl)

AM w

(8)

Из соотношений (Т) и (8) определяется средняя скорость десорбирующих частиц

Vd

4ld Aeridi

(9)

При максвелловском распределении Vd V8TC ,(10)

лЭДГ

откуда определяется средняя молекулярная масса десорбирующих частиц

Md

8KTW

(rD

После подстановки в формулы (7), (8), (9), (1.1) измеренных и определенных по ВАХ, силовой и температурной характеристикам значений Id, Fdi, Fd2, Tw и зная площадь поверхности образца А, вычисляют параметры частиц, десорбирующих с поверхности, а именно концентрацию, среднюю скорость и среднюю молекулярную массу.

Пример. Для определения параметров десорбирующих частиц образец был изготовлен в виде круглого алюминиевого диска диаметром 38 мм, к изолированной от контакта с плазмой стороне которого присоединялись хромелькопелевая термопара и элементы токоподвода.

Образец был помещен на вакуумные микровесы в поток частично диссоциированного ионизованного азота при давлении в вакуумной камере мм рт.ст. и концентрации ионов набегающего потока .

5

10

15

0

Информация о давлении в рабочей камере и параметрах набегающего потока не имеет принципиального значения для реализации заявляемого способа - эти данные для определения параметров десорбирующих частиц нигде не используются и приведены лишь для иллюстрации конкретного примера.

На снятых экспериментальным путем зависимостях 1,. .($,. ), Ew Ewfy) (см. фиг,2-4) были выбраны точки 1 и II при фиксированных потенциалах поверхности: pi -125 В, fn -10 В. Экспериментальные параметры, определенные из зависимостей Fd1 8 дин, Fd2 - 1,4- 10 1 дин, Id - 4,25-10 3 A, Tw 400K,

После вычислений по формулам (7), (8), (9), (11) получаем значения концентраций, средней скорости и средней молекулярной массы частиц, десорбирующих с поверхности:

ndn 2,56

1011см 3,

25ndi 1,92 -Ю11 .

Vd 4,88 -104см/с,

30

Md 36a.e.M. .

Полученные результаты не вступают в противоречие с известными физико-химическими моделями процесса десорбции. Значение Md позволяет предполагать наличие на поверхности таких адсорбированных соединений, как СО, GOz, НгО, что согласуется сданными масс-спектрометрии фоновой остаточной среды в вакуумных камерах.

Таким образом, использование предпо- лагаемого способа определения параметров частиц, десорбирующих с поверхности электропроводящих материалов, позволяет увеличить число определяемых параметров: определить концентрацию десор- бирующих частиц, их среднюю скорость и среднюю молекулярную массу;

расширить диапазон применения способа как для статических условий, так и для потоков разреженной плазмы при лроиз- вольной скорости потока;

определять параметры потока заряженных частиц, соответствующие непосредственно моменту измерений, по ВАХ с использованием традиционных методов зон- довой диагностики;

контролировать этапы протекания процесса: начало, протекание и завершение десорбции непосредственно в ходе измерений.

Формула изобретения Способ определения параметров частиц, десорбирующих с электропроводящей поверхности образца твердого тела, в набегающем потоке частично диссоциированного ионизированного газа, включающий измерение суммарного импульса, передаваемого частицами поверхности образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения за счет увеличения числа определяемых параметров десорбирующих частиц, синхронно регистрируют зависимости потока заряженных частиц, интегрального импульса и температуры поверхности образца от его потенциала относительно потенциала потока разреженной плазмы при наличии и отсутствии слоя адсорбированного вещества на поверхности образца, определяют значения интенсивности потока частиц, десорбирующих с поверхности, силу давления этих частиц на поверхность образца и температуру поверхности при значении потенциала, соответствующего максимуму десорбции, определяют .силу давления десорбирующих частиц на поверхность образца в области высоких отрицательных потенциалов и вычисляют концентрацию, среднюю скорость и среднюю мол.м. десорбирующих частиц по формулам

2Fdi

Odl

Ain ;{Ff--Fdl) где ndn - концентрация десорбирующих нейтральных частиц;

- концентрация медленных вторичных ионов (ионизованных десорбированных частиц);

Fdi - сила давления частиц на поверхность в области высоких отрицательных потенциалов;

Fd2 -сила давления частиц на поверхность в- области максимума десорбции; А - площадь поверхности образца; К - постоянная Больцмана; Tw - температура поверхности образца.

20

Vd,

где Vd - средняя скорость десорбирующих частиц;

Id - лоток десорбированных ионов на поверхность образца;

е - заряд электрона;

Md

8кТ„

30

лЯа

где Md - средняя мол.м. десорбирующих частиц..

Л

VsИ

ъял

2i Ј

у.

S

k

loi

9:

и