Monitoraggio processi al plasma



Un processo che sviluppi plasma può essere studiato mediante la spettroscopia di emissione ottica, che dà informazioni sulle specie atomiche e molecolari componenti il plasma stesso, sulla temperatura degli elettroni e sulle relative densità. Mikropack, un system integrator di strumenti Ocean Optics, ha ulteriormente aumentato le potenzialità di questa tecnica, sviluppando un prodotto che a partire da uno spettro ad alta risoluzione permette di controllare in feedback il processo al plasma in analisi.


  1. Materiali e metodi

    • Spettrometro HR2000+

    • Il cuore del sistema PLASCALC è uno spettrometro compatto ad alta risoluzione Ocean Optics HR2000+. Capace di acquisire un intero spettro da 200nm a 1100nm in soli 3ms con risoluzione di circa 1nm FWHM, è l’ideale per l’analisi di plasmi, anche durante fenomeni transitori. Le sue dimensioni compatte permettono di mantenere basso l’ingombro dell’intero sistema, mentre l’elettronica interna alza la velocità di trasmissione del dato e la semplicità di interfaccia col computer. Lo spettrometro viene venduto integrato e già funzionante all’interno dello strumento PLASCALC.

    • Sistema PLASCALC

    • Il vero e proprio sistema PLASCALC contiene lo spettrometro HR2000+ e provvede a fornire le linee di interfaccia con strumenti per il controllo del processo al plasma. Mette infatti a disposizione 8 I/O digitali TTL e 4 output analogici da 0-10V, nonché un’interfaccia USB per il collegamento al computer.
      PLASCALC è fornito assieme all’apposito software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati. Questo rende possibile la visualizzazione del dato in diversi modi, ad esempio come spettro istante per istante o come evoluzione nel tempo dell’intensità di uno o più picchi selezionati. Tuttavia l’aspetto più importante è l’editor di formule e procedure, tramite il quale si può facilmente istruire il sistema per dare le risposte di feedback adeguate durante il monitoraggio del sistema. PLASCALC ha un peso di 5Kg e dimensioni di 257 mm x 152 mm x 263 mm, si tratta perciò di uno strumento facilmente trasportabile ed utilizzabile anche per più applicazioni all’interno dello stesso laboratorio.

    • Collegamento ottico

    • Per permettere la raccolta dei dati dalla camera a vuoto, è necessario un collegamento in fibra ottica. Questo può essere realizzato o mediante una fibra ottica associata ad un collimatore da porre all’esterno della camera in corrispondenza di una finestra ottica, o attraverso un passante a vuoto che permette di raccogliere il dato spettrale direttamente dall’interno. Anche le qualità delle fibre ottiche possono essere selezionate per massimizzare la trasmissione di specifici intervalli spettrali, o per diverse intensità luminose del plasma.

    • Software SPECLINE

    • Il software SPECLINE è uno strumento molto potente per l’identificazione di linee di emissione atomiche e bande molecolari. Se il software di PLASCALC è sufficiente a monitorare l’andamento di un processo al plasma conosciuto, nel caso di modifica del setting può essere utile anche scoprire l’eventuale comparsa di nuove specie o il cambiamento del loro stato di ionizzazione. SPECLINE offre una libreria di linee spettrali tipiche di 100 elementi e oltre 400 composti elementari ed è in grado di riconoscere automaticamente la presenza di dette specie applicando speciali funzioni per la rimozione del rumore ed il filtraggio.
      Può essere usato anche per la simulazione ed il confronto di dati spettrali, anche di formati ed applicazioni diverse.

  2. Realizzazione dell’esperimento

  3. Un’interessante applicazione dello strumento PLASCALC che GHT Photonics ha seguito è stata quella dell’INFN di Legnaro (PD), che necessitava del controllo di un processo di deposizione via sputtering di materiali superconduttori su cavità risonanti.
    Dopo una prima dimostrazione delle potenzialità di uno spettrometro HR2000+ nell’analisi dei plasmi in vuoto ed in aria, eseguita direttamente presso il laboratorio del cliente, l’INFN ha deciso di acquistare lo strumento PLASCALC per assicurarsi che il processo di deposizione del layer superconduttore Nb3Sn su cavità in niobio funzionasse in modo omogeneo e senza la comparsa di impurità.
    Lo strumento è stato collegato all’unità di controllo del processo al plasma e, dopo aver individuato l’andamento di un processo di deposizione ideale, sono state predisposte varie procedure, per il mantenimento della temperatura e del flusso di materiale da depositare. Anche la presenza di impurità è stata monitorata, come indicatore dello stato di salute della camera e della presenza di eventuali falle. Il software SPECLINE ha inoltre permesso di procedere all’identificazione delle specie contaminanti e di alcune molecole in particolari stati di ionizzazione.
    PLASCALC ha così automatizzato un procedimento altrimenti altamente complesso e ridotto l’impiego di operatori per la sua sorveglianza. La memorizzazione degli andamenti di intensità nel tempo di alcuni picchi e di spettri completi ha inoltre reso possibile studiare anche a posteriori l’evoluzione dell’intero processo.

  4. Conclusioni

  5. Lo strumento PLASCALC trova importanti applicazioni sia nel settore della ricerca che in quello industriale, in genere dovunque ci sia un processo al plasma da monitorare per migliorarne la qualità, automatizzarlo o studiarne le proprietà. Deposizione di film sottili, incisioni al plasma, pulizia superficiale, controllo dello stato di salute della camera a vuoto, sono solo alcuni dei possibili usi.

  6. Ulteriori applicazioni

  7. Altre applicazioni di strumenti Ocean Optics nel campo dell’analisi del plasma sono:

    Ulteriori strumenti per la caratterizzazione e misura di film sottili sono invece:


Se si desidera maggiori informazioni su questa e altre possibili applicazioni degli strumenti offerti da GHT Photonics, lo staff del settore analisi ottica sarà lieto di rispondere alle vostre richieste.

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