СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ПЕРЕНАПЫЛЁННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СЛОЁВ
METHOD FOR REMOVING OVER-SPRAYED HYDROCARBON LAYERS

Изобретение относится к технологии очистки вакуумных камер и других элементов в вакууме, находящихся в труднодоступных для очистки местах, от перенапыленных углеводородных слоев и может быть использовано в установках с обращенными к плазме элементами из углеродных материалов и в технологических установках.
Известен способ плазменной очистки, заключающийся в создании вакуума в рабочем объеме, напуске рабочего газа, зажигании емкостного ВЧ разряда, с специальной системой для подвода потока химически активных частиц из плазмы на обрабатываемую поверхность [патент РФ №2037343].
Недостатком данного способа является невозможность использования его для очистки поверхности с неоднородным, заранее неизвестным рельефом, в котором имеется большое количество щелей, а также крупных поверхностей, таких как стенки камеры. Как следует из описания прототипа, обработка поверхности происходит не за счет прямого воздействия плазмы на очищаемую поверхность, а за счет потока химически активных частиц, образовавшихся в плазме и попадающих на обрабатываемую поверхность уже за счет конфигурации вакуумной системы, что в общем снижает эффективность метода.
Известен способ плазменной очистки углеводородных слоев, который был выбран в качестве прототипа, заключающийся в создании вакуума в рабочем объеме, напуске рабочего газа (кислород или оксид азота) до давления от 100 до 800 Па, в зависимости от того какую область надо очищать (стенки камеры или один из электродов), с последующим зажиганием емкостного ВЧ разряда между электродами с характерным расстоянием между ними порядка нескольких десятков мм [US патент 20070248767 А1]. В вакуумный объем может дополнительно напускаться или буферный инертный газ для изменения давления и, следовательно, свойств плазмы или же фторосодержащие соединения для изменения скорости очистки поверхности.
Недостатком данного способа является, во-первых, невозможность очистки углеводородных слоев в щелях, на неоднородных поверхностях, или же в затененных от плазмы областях, поскольку сам метод ориентирован на очистку гладких поверхностей, напрямую прилегающих к области горения ВЧ разряда. Также имеют место геометрические ограничения размеров и конфигурации обрабатываемой поверхности. Кроме того, данный способ неприменим в случае, когда поверхность необходимо очищать при низком давлении.
-1
-2
Технический результат изобретения направлен на расширение возможностей по удалению углеводородных пленок в местах, где это практически невозможно сделать с использованием известных на данный момент технологий, то есть способ можно использовать для обработки поверхностей различных размеров и конфигураций, в том числе, для очистки в щелях и затененных от плазмы областях, при этом очистка происходит за счет прямого воздействия плазмы на обрабатываемую поверхность. При этом способ можно использовать, когда есть необходимость очистки при низком давлении порядка 10-10 Па.
Технический результат достигается за счет того, что в предложенном способе удаления перенапыленных углеводородных слоев, включающем в себя создание вакуума в рабочем объеме, зажигание ВЧ плазмы в атмосфере рабочего газа при давлении достаточном для генерации плазмы, используемой для удаления перенапыленных углеводородных слоев, ВЧ плазму создают с помощью электронного пучка в продольном магнитном поле не менее 1000 Гс, направленного на приемный электрод с коэффициентом вторичной эмиссии >1, при этом на приемный электрод подают напряжение смещения, необходимое для перехода разряда в автоколебательный режим. После перехода разряда в автоколебательный режим в примыкающих к разряду стенках наводятся высокочастотные токи, а в полостях и щелях возникают сильные переменные поля, способствующие появлению химически активных радикалов как в прилегающих к стенкам областях, так и в щелях и затененных от плазмы областях. Взаимодействие химически активных радикалов с углеводородными пленками приводит к появлению летучих соединений и соответственно очистке поверхности.
Конкретнее, в предложенном способе плазма инициируется электронным пучком, источником которого может служить электронная пушка, в простейшем варианте состоящая из прямонакального катода и анода. Разряд зажигается в продольном магнитном поле не менее 1000 Гс, это необходимо для того, чтобы плазменный шнур равномерно распространялся вдоль линий магнитного поля. Электроны ускоряются приложенной между катодом и анодом разностью потенциалов в несколько кВ вдоль линий магнитного поля. Прохождение электронного пучка через рабочий газ приводит к появлению пучково-плазменного разряда, обеспечивающего присутствие высокоэнергетичных электронов и достижение требуемого порога по плотности для распространения волн внутри замагниченной плазмы. Приемником пучка является электрод с коэффициентом вторичной эмиссии выше единицы (это может быть охлаждаемый электрод из алюминия (вольфрама, тантала) с тонкой диэлектрической пленкой на поверхности). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) такого электрода при контакте с плазмой пучково-плазменного разряда, в котором присутствует высокоэнергетичная группа электронов, будет иметь N-образную форму (Фиг. 1). На приемный электрод с блока питания подается отрицательное смещение, которое изменяет рабочую точку. С ростом величины отрицательного смещения, увеличивается ток разряда, а после достижения порогового значения, которое соответствует началу области отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) N-образной ВАХ (это значение зависит от материала, из которого изготовлен приемный электрод) происходит переход от устойчивого режима к неустойчивому. При дальнейшем увеличении смещения (до значений, соответствующих середине области ОДС участка N-образной ВАХ) устанавливается автоколебательный режим.
Мощность вкладывается в разряд через поддерживаемый источником напряжения смещения ток вторичных электронов с приемного электрода, который играет роль холодного катода, а также за счет возникновения переменных полей и ускорения ионов в приповерхностном слое. В автоколебательном режиме величина среднего тока с приемного электрода в несколько раз превышает величину тока в режиме без колебаний. Плазменный шнур транспортируется вдоль магнитного поля, заполняя весь промежуток от электронной пушки до приемного электрода. Наличие переменных полей в плазме повышает эффективность передачи энергии, приводя к возрастанию плотности плазмы.
На Фиг. 2 показано схематичное изображение токов, электрических и магнитных полей, возбуждаемых в разряде в автоколебательном режиме. Радиус плазменного шнура будет определяться размерами приемного электрода. Примыкание к плазме проводящей поверхности не влияет на автоколебательный режим. При этом в примыкающих к разряду областях наводятся высокочастотные токи, которые генерируют химически активные радикалы. В полостях и щелях примыкающих элементов возникает сильное переменное электромагнитное поле, которое также приводит к появлению химически активных радикалов. Таким способом решается проблема доставки радикалов как к очищаемым от перенапыленных слоев углеводородов прилегающим стенкам, так и к щелям и затененным от плазмы областям. Взаимодействие химически активных радикалов с углеводородными пленками приводит к появлению летучих соединений и соответственно очистке поверхности.
-2
-1
Пример конкретной реализации предложенного способа очистки был продемонстрирован на установке ПР-2 (НИЯУ МИФИ) (Фиг. 3) [K.М. Gutorov et al. // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, June 2016, Vol. 10, No. 3, pp. 612-616] состоящей из вакуумного объема 1, системы откачки 2, системы газонапуска 3, служащей для напуска рабочего газа до давления 10-10 Па, катушек магнитного поля 4, создающих продольное магнитное поле более 1000 Гс, электронной пушки 5, алюминиевого охлаждаемого приемного электрода 6.
-5
-2
Для проверки эффективности способа очистки из молибденовых пластин, покрытых 15 мкм углеводородной пленкой, была сделана следующая сборка (Фиг. 4), которая имитировала щелевые и затененные от плазмы области. Сборка помещалась в рабочий объем, после чего вакуумная камера откачивалась до давления 10 Па. Через систему газонапуска в рабочий напускался кислород до давления 10 Па. С помощью электронной пушки в рабочем объеме зажигался пучково-плазменный разряд (который является частным случаем ВЧ разряда) в магнитном поле порядка 1000 Гс. Перевод разряда в автоколебательный режим осуществляется подачей отрицательного напряжения на приемный электрод до достижения порогового значения. Автоколебательный режим поддерживался в течение 15 минут.
По прошествии 15 минут сборка вынималась и с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA 3 SBH Tescan с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа с безазотным детектором INCA X-Act анализировалась толщина углеводородной пленки. Указанная система позволила оценить элементный состав поверхностного слоя образца толщиной несколько десятков микрометров. Для целей данного исследования достаточно отслеживать величину сигнала углерода при постоянных условиях анализа, которая будет пропорциональна толщине углеводородной пленки на поверхности молибдена. После оценки толщины исследуемая сборка помещалась обратно в камеру, после чего вышеуказанный процесс повторялся.
На Фиг. 5 показана зависимость относительного сигнала пиков углерода в щелях от времени очистки в автоколебательном разряде. В вышеописанном режиме достигается полное удаление углеводородных пленок толщиной 15 мкм за 60 минут в щелях и за 30 минут на открытых поверхностях.
-1
-2
Таким образом, из вышесказанного следует, что предлагаемый способ позволяет эффективно удалять перенапыленные углеводородные слои в частности в щелях и затененных от плазмы областях. При этом способ можно использовать, когда есть необходимость очистки при низком давлении порядка 10-10 Па.