Спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні

УКРАЇНА (19) UA (11) 106462 (13) C2 (51) МПК (2014.01) G01L 21/00 F04B 37/00 F04F 9/00 ДЕРЖАВНА СЛУЖБА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ УКРАЇНИ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (21) (22) Номер заявки: (24) Дата, з якої є чинними права на винахід: 26.08.2014 (41) Публікація відомостей про заявку: 12.05.2014, Бюл.№ 9 (46) Публікація відомостей про видачу патенту: 26.08.2014, Бюл.№ 16 Дата подання заявки: a 2013 15425 30.12.2013 (72) Винахідник(и): Коровін Валерій Борисович (UA), Моісеєнко Володимир Євгенович (UA) (73) Власник(и): НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР "ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ", вул. Академічна, 1, м. Харків, 61108 (UA) Перелік документів, взятих до уваги експертизою: ХОМУТОВА М. Е.*, АНДРОСОВ А. В., НЕСТЕРОВ С. Б. (МЭИ ТУ, Москва) Расчет характеристик криовакуумных систем с учетом влияния шероховатости поверхности. 10 Юбилейная научно-техническая конференция "Вакуумная наука и техника", посвященная 80-летнему юбилею основателя и первого ректора Московского государственного института электроники и математики, Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, Лауреата Государственной премии СССР, доктора технических наук, профессора Арменского Евгения Викториновича, Москва, сент., 2003: Материалы конференции. Т. 1. М.: Изд-во МИЭМ. 2003, с. 120-125, 6 ил., табл. 2 ил.. Библ. 4. Рус. 2005-03 [MH18, БД ВИНИТИ]; реферат (1 стор.) (56) (56) Перелік документів, взятих до уваги експертизою: НЕСТЕРОВ С. Б., ПОДЧЕРНЯЕВ О. Н., ЮДИН Б. В., КЕМЕНОВ В. Н., АНДРОСОВ А. В. (ФГУП "НИИВТ им. С. А. Векшинского", Москва) Крионасосы для откачки паров воды. 10 Юбилейная научно-техническая конференция "Вакуумная наука и техника", посвященная 80-летнему юбилею основателя и первого ректора Московского государственного института электроники и математики, Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, Лауреата Государственной премии СССР, доктора технических наук, профессора Арменского Евгения Викториновича, Москва, сент., 2003: Материалы конференции. Т. 1. М.: Изд-во МИЭМ. 2003, с. 14-19, 7 ил., табл. 4 ил.. Библ. 9. Рус. 2005-05 [MH18, БД ВИНИТИ]; реферат (1 стор.) RU 2303163 C1, 20.07.2007 RU 2355918 C1, 20.05.2009 US 7370482 B2, 13.05.2008 UA 48663 A, 15.08.2002 SAGARA A., IIMA M., INAGAKI S. et all. Wall Conditioning at the Starting Phase of LHD/ NIFS, No. 586, 1999 Знайдено в Internet KLIMECKY PETE I., GRIZZLE J. W., TERRY FRED L. JR. Compensation for transient chamber wall condition using real-time plasma density feedback control in an inductively coupled plasma etcher/ J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 21, No. 3, May/Jun 2003. Знайдено в Internet (12 стор.) US 6124927 A, 26.09.2000 (54) СПОСІБ КОНТРОЛЮ СТУПЕНЯ ОЧИЩЕННЯ ВАКУУМНОЇ КАМЕРИ ПРИ ЇЇ ВАКУУМУВАННІ (57) Реферат: UA 106462 C2 (12) UA 106462 C2 Спосіб включає періодичне вимірювання тиску відкачуваних газів. Особливістю є те, що відкачувані гази спочатку конденсують на охолоджувану поверхню в кріогенній пастці, сполученою з вакуумною камерою і вакуумним насосом. Потім кріогенну пастку ізолюють від вакуумної камери і від вакуумного насоса, прогрівають її для випаровування конденсованих газів і вимірюють тиск газів в об'ємі, де знаходиться пастка, за яким судять про ступінь очищення вакуумної камери. За удосконаленим способом вимірюється тиск відкачуваних газів в об'ємі, який, відокремлений від вакуумної камери. UA 106462 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вакуумної техніки і може використовуватись для оперативної оцінки стану чистоти стінок вакуумної камери, призначеної для створення, утримання, нагріву та вивчення високотемпературної плазми, наприклад, в стелараторі, струмомаці. Відомо, що параметри високотемпературної плазми залежать від стану чистоти стінок вакуумної камери. Перед проведенням досліджень по створенню, утриманню, нагріванню і вивченню високотемпературної плазми проводиться чистка стінок вакуумної камери. Така чистка може здійснюватись з використанням високочастотного розряду. При цьому виникає потреба в оперативному контролі ступеня очищення вакуумної камери. Відомо про спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні [1]. Даний спосіб заснований на вимірюванні оптичного спектра випромінювання плазми. У процесі чистки в камері плазмовий розряд взаємодіє зі стінкою камери і з тими речовинами, які в процесі експлуатації осіли на її поверхні. При такій взаємодії ці речовини згорають в розряді і випромінюють певний спектр хвиль. Реєструючи цей спектр з плином часу чищення за інтенсивністю випромінювання можна судити про зниження кількості речовин, що згорають, тобто про ступінь очищення стінок вакуумної камери. Недоліком такого способу є необхідність наявності вікна для проведення оптичних вимірювань і наявність складного обладнання для реєстрації та аналізу спектра хвиль. Відомо також про спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні [2]. Він включає, вимірювання щільності плазми за допомогою додаткового радіочастотного випромінювання. За цим способом мікрохвильовий сигнал від додаткового джерела радіочастотних коливань вводиться в порожнину камери і за допомогою спеціального пристрою - мережевого аналізатора вимірюється коефіцієнт відбиття в широкому спектрі частот. Результуюче поглинання спектра показує резонансні умови на певних піках частот, за якими здійснюється оцінка щільності плазми (електронна щільність). По зміні щільності судять про ступінь очищення (забруднення) вакуумної камери. Даний спосіб передбачає застосування додаткового спеціального складного і дорогого радіотехнічного і обчислювального обладнання. Необхідно також розміщувати в камері антену і зонд, що саме по собі створює складності і вимагає додаткових вводів у вакуумну камеру. Найбільш близьким до патентованого винаходу є спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні [3]. Він включає періодичне вимірювання тиску відкачуваних газів в камері установки після закінчення циклу процесу чищення і контроль складу відкачуваного газу за допомогою масоаналізатора. Однак, періодичне вимірювання тиску відкачуваних газів здійснюють безпосередньо у вакуумній камері установки. Це можливо тільки при зупинці процесу чищення, відкачування з камери робочого газу (водню або гелію), який використовується для газового розряду. Для вимірювання у камері повинен встановиться стаціонарний режим тиску. На це йде значний час. При цьому необхідно використовувати дорогий і складний масоаналізатор. Задачею, на вирішення якої спрямовано пропонований винахід, є удосконалення способу контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні. При використанні удосконаленого способу контролю не повинен перериватися процес очищення вакуумної камери установки. Завдання має вирішуватися шляхом вимірювання тиску відкачуваних газів в об'ємі, який відокремлений від вакуумної камери. Поставлена задача вирішується в патентованому способі контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні. Він, так само як і найближчий аналог, включає періодичне вимірювання тиску відкачуваних газів. На відміну від найближчого аналога, у запропонованому винаході відкачувані гази конденсують на охолоджувану поверхню кріогенної пастки, яка сполучена з вакуумною камерою і вакуумним насосом. Потім кріогенну пастку ізолюють від вакуумної камери і від вакуумного насоса, прогрівають її для випаровування конденсованих газів і вимірюють тиск газів в об'ємі, де знаходиться пастка, за яким судять про ступінь очищення вакуумної камери. Завдяки вищевказаним відмінностям процес контролю ступеня очищення вакуумної камери здійснюється без переривання процесу вакуумування та очищення вакуумної камери. Такий спосіб не вимагає дорогого обладнання. Контроль ступеня очищення вакуумної камери може періодично повторюватися до досягнення необхідного результату. Суть винаходу пояснюється схемою, наведеною на кресленні. Даний спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери може бути реалізований на установці (див. схему), яка складається з вакуумної камери 1, виконаної з нержавіючої сталі і 3 має об'єм 3,88 м . Для відкачування використовуються вакуумні насоси 2, сполучені з вакуумною камерою за допомогою трубопроводу 3 через клапан 4. Для безперервного вакуумування установка оснащується паралельною ділянкою вимірювального трубопроводу 5, 1 UA 106462 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 в якій вбудована кріогенна пастка 6 об'ємом 32,5 л, Всередині пастки знаходиться ємність з горловиною для кріогенної рідини (на кресленні не показана). Об'єм пастки можна ізолювати від вакуумної камери і вакуумних насосів клапанами 7 і 8. Ділянка вимірювального трубопроводу, де знаходиться пастка, обладнана вимірником тиску газу (на кресленні не показаний). Спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні здійснюється таким чином. При стандартній роботі вакуумні насоси 2 постійно відкачують камеру 1 через трубопровід 3. Для створення ВЧ розряду в камері 1 потрібно підтримувати необхідний рівень тиску для певної величини магнітного поля. Це досягається, коли початковий вакуум в камері вище необхідного, потім тиск підвищують до необхідного, шляхом напуску робочого газу (водень, дейтерій, гелій та ін.). При цьому відкачка камери ведеться безперервно, оскільки відбувається виділення газів зі стінок під дією вакууму в камері. У процесі відкачування клапан 4 відкритий. Клапани 7 і 8, розташовані на паралельній ділянці вимірювального трубопроводу 5, закриті, щоб при відкачці не забруднювати поверхню кріогенної пастки 6 з вимірювачем тиску газу (на кресленні не показаний). Перед початком вимірювань кріогенну пастку заливають кріогенною рідиною, чим забезпечують можливість конденсації газової суміші на її поверхні і відкривають клапани 7 і 8. Після закінчення часу конденсації клапани 7 і 8 закривають, припиняючи як притік, так і відтік газів з відсіченої порожнини кріогенної пастки. При цьому процес вакуумної відкачки камери установки триває. Потім кріогенну рідину через горловину видаляють з ємності для кріогенної рідини (на кресленні не показана), якою обладнана пастка, і прогрівають її до температури випаровування конденсованих газів. Після чого вимірюють тиск в об'ємі, де знаходиться пастка, за величиною якого судять про ступінь очищення вакуумної камери. По закінченні вимірів відкривають клапан 7 і проводять відкачку об'єму, де знаходиться кріогенна пастка до встановленого тиску, щоб забезпечити готовність пастки для проведення подальших вимірювань. По досягненні необхідного тиску в ділянці вимірювального трубопроводу 5, де знаходиться кріогенна пастка, клапан 7 закривають, якщо не потрібно відразу ж проводити вимірювання, або відкривають клапан 8 і проводять нові виміри. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє забезпечити контроль ступеня очищення вакуумної камери при безперервному процесі чищення вакуумної камери установки, що, відповідно, значно скорочує період часу, що витрачається на оцінку стану чистоти стінок вакуумної камери. Джерела інформації: 1. US 6124927 A Method to protect chamber wall from etching by endpoint plasma clean. 2. Pete I. Klimecky, J.W. Grizzle, and Fred L. Terry. Journal of Vacuum Science & Technology A/ Volume 21 /Issue 3 /ARTICLES Previous Article, 706 (2003); http://dx.doi.org/10.1116/1.1569921 (12 pages). Compensation for transient chamber wall condition using real-time plasma density feedback control in an inductively coupled plasma etcher. Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 1301 Beal Avenue, Ann Arbor, Michigan 48109-2122. 3. SAGARA A., IIMA M., INAGAKI S. et al. Wall Conditioning at The Starting Phase of LHD. NIFS (Natl Inst Fusion Sci) Journal Code: L0797A ISSN: 0915-633X V0L.; NO.586; PAGE. 10P (1999) (найближчий аналог). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Спосіб контролю ступеня очищення вакуумної камери при її вакуумуванні, що включає періодичне вимірювання тиску відкачуваних газів, який відрізняється тим, що відкачувані гази конденсують на охолоджуваній поверхні кріогенної пастки, яка сполучена з вакуумною камерою і вакуумним насосом, потім з ємності для кріогенної рідини кріогенної пастки видаляють кріогенну рідину, ізолюють кріогенну пастку від вакуумної камери і від вакуумного насоса, прогрівають її для випаровування конденсованих газів і вимірюють тиск газів в об'ємі пастки, де знаходиться пастка, за яким судять про ступінь очищення вакуумної камери. 2 UA 106462 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3