Вакс В. Л., Домрачева Є. Г., Клюєва Н. В., Черняєва М. Б. Інститут фізики мікроструктур РАН, МСП-105, Н. Новгород 603950, Росія Тел.: (8312) 607648; e-mail: elena@ipm.sci-nnov.ru Сєнніков П. Г., Чупров Л. А. Інститут хімії високочистих речовин РАН, МСП-75, Н. Новгород 603950, Росія


Анотація Розглядаються можливості використання методу мікрохвильової газової нестаціонарної спектроскопії для дослідження домішкового складу тетрафториду кремнію. Проаналізовано лінії поглинання ряду основних відомих домішок в 2-х міліметровому діапазоні довжин хвиль. Експериментально виявлено наявність фреонів CHF3, CH2F2, CH3F.

I. Вступ

В даний час у зв’язку з виникненням нових областей застосування силану і тетрафториду кремнію [1] і зростаючими вимогами до їх чистоті з’являється необхідність отримання більш повної інформації про їх домішковому складі. Найбільш поширеними методами дослідження є методи ІЧ-фур’є-спектроскопії високого дозволу в низькотемпературних інертних матрицях і ІК-фур’є-спектроскопії розчинів в зріджених інертних газах. Однак інтерпретація одержуваної спектроскопічної інформації вкрай утруднена через складний спектра системи, яка складається з основної речовини і великого числа домішок, в тому числі, і структурно родинних і, крім того, можливо, що вступають в реакції з основною речовиною. Дана робота присвячена можливостям використання методу мікрохвильової газової нестаціонарної спектроскопії, перевагами якого є висока роздільна здатність і однозначність визначення досліджуваних речовин за результатами вимірювань спектрів поглинання [2].

II. Теорія

До числа безперечних достоїнств мікрохвильової газової нестаціонарної спектроскопії, крім високої чутливості і високої роздільної здатності, відносяться: висока інформативність спектроскопічного сигналу; можливість неруйнівного контролю газових сумішей, що забезпечує інформацію про реальний зміст домішок у досліджуваному газі; можливість аналізу багатокомпонентних газових сумішей, коли реалізується дистанційний, неруйнівний метод дослідження. Крім того, процес приготування зразка до вимірювань не має особливих технологічних труднощів і являє собою тільки відкачування досліджуваного обсягу до робочого тиску порядку 0.05 Торр. Для високочутливого аналізу досить малої кількості досліджуваної речовини та аналіз може відбуватися в режимі реального часу. Аналітичні спектральні лінії відомих молекул (тобто високоінтенсивні лінії поглинання аналізованих молекул) не перекриваються між собою, що дозволяє проводити вимірювання практично при будь-яких можливих поєднаннях компонентів в газових сумішах.

В домішковому складі тетрафториду кремнію крім молекул, що володіють нульовим дипольним моментом і не мають дозволених обертальних

переходів СН4, РН3, Присутні такі добре вивчені в мікрохвильовому діапазоні молекули, як СО, Н20, а також молекули, лінії поглинання яких відомі на більш низьких частотах, SiFH3, SiH2F2, Та ін

Було висловлено припущення про наявність фреонів в домішковому складі тетрафториду кремнію. В ході теоретичного аналізу розглядалися молекули CHF3, CH2F2, CH3F. Для теоретичних оцінок використовувалися відомі дані про обертальних константах і дипольних моментах [3], а також розглядалися відомі лінії цих сполук [3, 4]. За отриманими обертальним константам розраховувалися частоти обертальних переходів для молекули CHF3 і оцінювалися інтенсивності ліній поглинання для молекул CHF3, CH3F (для концентрації 100%) [5].

III. Експеримент

Дослідження проводилися з використанням мікрохвильового спектрометра з фазовою маніпуляцією впливає випромінювання в діапазоні частот 115-183 ГГц. Осередок представляла собою кварцову трубу довжиною 1 м, в яку напускала досліджувана багатокомпонентна суміш. Робочий тиск в осередку становила 0.05 Торр. В ході експерименту в мікрохвильовому спектрі системи тетрафторид кремніяпрімесі були виявлені лінії CHF3, CH2F2, CH3F. Експериментальні дані порівнювалися з розрахованими даними (для CHF3) і зданими з каталогів (для CH2F2, CH3F) [3,4]. Результати теоретичних і експериментальних досліджень наведені в таблицях 1 (CH3F), 2 (CH2F2) І 3 (CHF3).

Таблиця 1. Характеристики ліній поглинання CH3F.

^ Reop.i МГЦ

-1

Y теор, СМ

^ Експ. j М Гц

-1

У експ.) СМ

153207.65

1*10′4

153207.18

1.6*10′7

153210.44

1*10′4

153210.58

9.6*10′8

Таблиця 2. Характеристики ліній поглинання CH2F2.

^ Геор., МГЦ

-1

Утеор) СМ

^ Експ., М Гц

-1

У експ.) СМ

115641.14

1.6*10′5

115641.3

4.25*10′8

115771.95

1.2*10′6

115771.3

4.4*10′8

116208.22

0,00016

116208.6

1.82*10′7

135984.95

3.1*10′2

135984.35

9.5*10′7

152028.39

4.2*10′2

152028.8

7.78*10′8

158945.78

4.2*10′2

158944.2

7.05*10′8

162631.74

4.3*10′2

162630.3

3.76*10′8

^ Reop.i МГЦ

-1

Y теор, CM

^ Експ. 1 M Гц

-1

У експ.) CM

124175.1

1.91*10“5

121173.2

4.92*10′8

124175.3

3.72*1 O’5

124174.2

5.83*10′8

124175.9

3.4*1 O’5

124176.3

6.9*10′8

124177.1

2.9*1 O’5

124177.9

3.16*10′8

124178.5

2.12*1 O’5

124179.7

4.05*10′8

124180.5

1.17*1 O’5

124180.5

8.08*10′8

IV. Висновок

Таким чином, в роботі показані можливості методу мікрохвильової газової нестаціонарної спектроскопії для вирішення задач аналітичної спектроскопії на прикладі його застосування для аналізу домішкового складу тетрафториду кремнію. Наведено характеристики спостережуваних експериментальних ліній поглинання фреонів, які знаходяться в доброму відповідно до результатів теоретичного аналізу. Подальший напрямок робіт пов’язано з проведенням вимірювань домішкової води, а також із застосуванням мікрохвильового спектрометра для вирішення завдання дослідження кінетики передбачуваних хімічних реакцій

Робота виконана за підтримки РФФМ (проект № 03-02-16338)

V. Список літератури

[1] Ігнатов С. К., Сенніков П. Г., Разуваєв А. Г та ін Квантово-хімічне дослідження структурних, спектральних і електрооптичних параметрів фторсіланов SiH4.xFx (Х = 0-4) Оптика і спектроскопія, 2001, т.90, № 5 с. 654-664.

[1] V. L. Vaks, V. V. Khodos, Е. V.Spivak. A nonstationary microwave spectrometer. Review of Scientific Instruments.

[2]    1999.              V. 70. №8. P. 3447-3453

Microwave spectral tables. Volume IV. Polyatomic molecules without internal rotation. National Bureau of Standards Monograph 70. 1968.

[3]    www.spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/

[4] Таунс Ч., Шавлов А. Радіоспектроскопія. М.: 1959.

ON INVESTIGATION OF IMPURITIES OF TETRAFLUOROSILANE BY MICROWAVE GAS SPECTROSCOPY METHOD

Vaks V. L., Domracheva E. G., Klyueva N. V., Chernyaeva М. B.

Institute for Physics of Microstructures RAS GSP-105 Nizhny Novgorod 603950, Russia Phone: (8312) 607648 E-mail: elena@ipm.sci-nnov.ru Sennikov P. G., Chuprov L. A.

Institute of Chemistry of High-Purity Substanses RAS GSP-75, Nizhny Novgorod 603950, Russia

Abstract The possibilities of using of the microwave gas spectroscopy method for investigation of impurities of tetrafluorosilane are considered. The absorption lines of known impurities at 2-mm wavelength range are analyzed. The presence of freon was experimentally found.

I.  Introduction

At present, it is necessary to have more information about impurity compound of tetrafluorosilane because new fields of its use are appeared and requirements to its purity are grown. Usually the FTIR-spectroscopy methods are used for this investigation. But interpretation of spectroscopy information is very difficult because the system is formed from the main substance and has a number of impurities. The present paper deals with possibilities of using of microwave gas spectroscopy method advantages such as high resolution and the unambiguous determination of investigated substances by measurements of absorption spectra.

II.  Theory

Besides the known advantages of microwave gas spectroscopy, such as high sensibility and resolution, the high selfdescriptiveness of spectroscopic signal, possibility of noninvasive control of gas mixtures with ensuring of information of real impurity content in investigated gas, the possibility of multi-component gas mixtures analysis when remote noninvasive investigation method is realized and it should be mentioned as undoubted advantages. A small quantity of investigated substances is enough for high sensitive analysis, and it is possible to make realtime measurements. High intensity spectral lines of known molecules are not overlapped, hence it is possible to take measurements at any combination of molecules.

At impurity composition of tetrafluorosilane, first of all, we deal with molecules having zero dipole momentum and, therefore, without permitted rotational transitions (as CH4, PH3 etc.). Besides, there are molecules with well-known microwave spectra, such as CO, H20. And there are also molecules, such as SiFH3, SiH2F2 etc., for which absorption lines are known at lower frequencies.

The presence of molecules of freons such as CHF3, CH2F2, CH3F in impurity composition of tetrafluorosilane was expected. The absorption lines characteristics of these molecules are theoretically considered here. The frequencies and absorption coefficients of rotational transitions are estimated by using of known rotational constants and dipole moments. The known absorption lines of these molecules are also used for identification of experimental spectrum.

III.   Experiment

The experimental measurements of microwave spectrum of system tetrafluorosilane-impurities were taken with phaseswitching microwave spectrometer in 115-183 GHz frequency range. The absorption lines of molecules CHF3, CH2F2, CH3F were detected. The characteristics of absorption lines are in good accordance with results of theoretical analysis.

IV.  Conclusion

This work is concerned with advantages of microwave gas spectroscopy method and possibilities of its application for the investigation of impurity composition of tetrafluorosilane. The experimental characteristics of absorption lines of freons and their comparison estimations are presented.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.