Спосіб очистки поверхні в вакуумі та пристрій для його здійснення

1 Спосіб очистки поверхні в вакуумі, який включає видалення забрудненого поверхневого шару зразка обробкою випромінюванням, який відрізняється тим, що очистку поверхні здійснюють імпульсом випромінювання галогенної лампи, потужність випромінювання якої достатня для випаровування поверхневого шару забруднення 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що потужність W імпульсу випромінювання визначають згідно з рівнянням W = Q/x, Де Q - величина енергії імпульсу випромінювання, яка достатня для випаровування поверхневого забрудненого шару, Дж, х - тривалість імпульсу випромінювання, протягом якого енергія імпульсу поширюється на глибину поверхневого забрудненого шару, с 3 Спосіб за п 1 або 2, який відрізняється тим, що величину енергії Q випромінювання, яка достатня для випаровування поверхневого забрудненого шару, визначають згідно з рівнянням Q = cpVAT, Де с - теплоємність речовини поверхневого шару, Дж/кгК, р - густина речовини поверхневого шару, кг/ м3, V - об'єм поверхневого шару, м3, ДТ- різниця між початковою температурою поверхневого шару зразка і температурою, до якої його нагрівають 4 Спосіб за будь-яким з пунктів 1-3, який відріз няється тим, що тривалість імпульсу х регулюють вибором параметрів опору R випромінювача та ємністю С конденсатора високовольтного імпульсного блока живлення, які пов'язані рівнянням т = RC 5 Спосіб за будь-яким з пунктів 1-4, який відрізняється тим, що потужність випромінювання, яким обробляють поверхню, регулюють рівнем потенціалу, до якого заряджають конденсатор блока живлення, та величиною ємності конденсатора блока живлення 6 Спосіб за будь-яким з пунктів 1-5, який відрізняється тим, що обробку поверхні здійснюють одним або кількома імпульсами випромінювання галогенної лампи, величина потужності випромінювання якої, що виділяється на поверхні зразка за один імпульс, достатня для повного або часткового випаровування поверхневого забруднюючого шару газових молекул або вуглеводневого забруднення 7 Пристрій для очистки поверхні в вакуумі, який містить випромінювач і блок живлення, який відрізняється тим, що як імпульсний випромінювач електромагнітної енергії встановлено галогенну лампу, з'єднану з високовольтним імпульсним блоком живлення 8 Пристрій за пунктом 7, який відрізняється тим, що параметр енергії О,тр випромінювача визначають параметрами рівня потенціалу конденсатора та величиною ємності конденсатора блока живлення згідно з рівнянням Q,mp = С І Ґ , Де С - ємність конденсатора блока живлення, ф, U- потенціал конденсатора блока живлення, В 9 Пристрій за будь-яким з пунктів 7 або 8, який відрізняється тим, що параметр величини енергії Q випромінювача визначають згідно з рівнянням Q = CU2S/47ir2, Де С - ємність конденсатора блока живлення, ф, U- потенціал конденсатора блока живлення, В, S- площа поверхні зразка, м2, г - відстань від випромінювача до зразка, м ю ю 57251 Винахід відноситься до техніки очистки поверхні в вакуумі і може бути використаний усюди, де виникає потреба в очистці поверхні безконтактним методом в вакуумному середовищі, зокрема в умовах високого і надвисокого вакууму, наприклад для потреб методів вивчення та аналізу поверхні твердого тіла, в технологіях напилювання Галузями можливого застосування винаходу можуть бути фізика, ХІМІЯ, медицина, металургія, космонавтика тощо Проте галузі можливого застосування винаходу не обмежуються лише вказаними Відомо, ЩО на поверхні, навіть в умовах високого і надвисокого вакууму, завжди є шар газових молекул або вуглеводневого забруднення товщиною 1 - 5nm, як внаслідок роботи вакуумних насосів, так і з інших причин Також відомо, що у вакуумі 10 6 на поверхні зразка утворюється мономолекулярний шар кисню уже протягом 5 хвилин після внесення його в вакуумну камеру Тому питання чистоти поверхні при її вивченні та аналізі є актуальним Для отримання чистої поверхні існує цілий ряд засобів, серед яких найпростішим є нагрівання розміщеного в вакуумній камері зразка до температури випаровування забрудненого поверхневого шару Обробка поверхні триває від кількох хвилин до кількох десятків хвилин Принциповим недоліком цього способу є те, що при нагріванні зразка з його об'єму виділяються гази та домішки, які виходять на поверхню і формують новий шар забруднення замість видаленого Цей спосіб отримання чистої поверхні ефективний для металів і майже непридатний для деяких сплавів, оскільки при нагріванні через процеси сегрегації атомів може відбуватися зміна їх фазового складу На відміну від попереднього, спосіб отримання чистої поверхні зразка іонним травленням здійснюється без його нагрівання Цей спосіб полягає у вибиванні в вакуумному середовищі з поверхні зразка атомів та молекул, які утворюють забруднений поверхневий шар, прискореними до високих швидкостей іонами газу за допомогою іонної гармати або в полі тліючого розряду Час травлення становить від кількох хвилин до кількох десятків хвилин Перевагою цього способу є можливість отримання високого ступеню чистоти поверхні зразка і широкий діапазон матеріалів, які можна досліджувати та аналізувати, можливістю видалення поверхневого окисного шару з будь-якою температурою плавлення Проте під час цієї обробки на поверхні може формуватися шар речовини, яка відрізнятиметься від речовини самого зразка, оскільки за цим способом енергія ІОНІВ є достатньою для розривання ХІМІЧНОГО зв'язку між атомами і зміни ступеню окислення атомів Поверхня зразка також може збагачуватися на важкі елементи, якщо процес розпилювання легкіших ХІМІЧНИХ елементів переважатиме над розпилюванням важких, а оскільки травлення поверхні в полі тліючого розряду неможливе в високому та надвисокому вакуумі, то це також обмежує сфери використання способу До того ж має місце апаратурна складність системи іонного травлення поверхні зразка, складність и обслуговування За найближчий аналог можна вважати спосіб отримання чистої поверхні твердого тіла, який включає обробку зразка в вакуумі лазерним випромінюванням (Политехнический словарь Москва, Советская энциклопедия, 1989, с 262) Цей спосіб чистки швидкий і ефективний, оскільки дозволяє випаровувати забруднення з поверхневого шару без нагрівання всього об'єму зразка, а обробка лазерним випромінюванням триває лише кілька секунд Разом з тим, цей спосіб дуже складний у використанні, оскільки виникають проблеми із вводом лазерного випромінювання в вакуум Істотним є також те, що обробляти можна лише зразки на невеликій площі, яка не перевищує кількох квадратних міліметрів Конструкція будь-якого лазера, який взято за прототип, складається з випромінювача, до якого входять активний елемент, дзеркала резонатора та система збудження активного середовища, а також блок живлення і системи охолодження (там же, с 262) Ця апаратура вимагає складного юстування та має високу вартість Задачею винаходу є новий простий швидкий ефективний спосіб очищення в вакуумі поверхні твердого тіла від шару газових молекул або вуглеводневого забруднення та недорогий і нескладний в застосуванні пристрій для реалізації цього способу Перша задача може бути вирішена способом очистки поверхні в вакуумі, який включає видалення забруднюючого поверхневого шару зразка опромінюванням в вакуумі його поверхні, в якому новим є те, що очистку поверхні здійснюють імпульсом випромінювання галогенної лампи, потужність випромінювання якої достатня для випаровування поверхневого шару забруднення Потужність W імпульсу випромінювання на поверхні зразка визначають згідно рівнянню (1) W=Q/x, (1) де Q - величина енергії імпульсу випромінювання, яка є достатньою для випаровування поверхневого забрудненого шару, Дж, х - тривалість імпульсу випромінювання, с Величину енергії Q, яка необхідна для випаровування поверхневого забрудненого шару, визначають згідно з рівнянням (2) Q = cpVAT, (2) де с - теплоємність речовини поверхневого шару, Дж/кг К, р - густина речовини поверхневого шару, кг/ м3, V - об'єм поверхневого шару, м3 ДТ - різниця між початковою температурою поверхневого шару зразка і температурою, до якої його нагрівають Енергія Q, яка поглинається поверхнею зразка, є частиною повної енергії Qimp, що випромінюється лампою Величину повної енергії О,тр випромінювача пов'язана з Q згідно рівняння (3) 2 = QirnpS/47ir2 (3) S - площа зразка, м г - відстань між поверхнею зразка та випромінювачем, м 57251 З врахуванням (2) та (3) повна енергія О,тр випромінювача є такою (4) 2 Q.mp = 47icpVUTr /S (4) З іншої сторони, на практиці потрібної О,тр можна досягти, вибравши величини рівня потенціалу U та ємності С конденсатора блоку живлення згідно з рівнянням (5) 2 Q,mp = CU (5) де С - ємність конденсатора блоку живлення, Ф, U - потенціал конденсатора блоку живлення, В Тоді 2 2 Q = CU S/4nr (6) Тривалість імпульсу визначається вибором величин опору R випромінювача та ємності С конденсатора блоку живлення, які пов'язані рівнянням (7) х = RC (7) Обробку поверхні здійснюють одним або кількома імпульсами випромінювання галогенної лампи, величина потужності випромінювання якої в видимій та інфрачервоній області спектру достатня для повного або часткового випаровування поверхневого забруднюючого шару газових молекул або вуглеводневого забруднення Новий спосіб очищення в вакуумі поверхні твердого тіла від шару газових молекул або вуглеводневого забруднення дозволяє обробляти зразок після внесення його в вакуумну камеру шляхом нагрівання в першу чергу забрудненого шару з метою його випаровування без нагрівання всього об'єму зразка, а значить і без газовиділення з об'єму Результатом цієї обробки є отримання чистої поверхні зразка В цій заявці поняття "чиста поверхня" означає такий стан поверхні, при якому в порівнянні зі станом поверхні до використання способу, значно або повністю усунено поглинання фотоелектронів за рахунок забруднюючого шару Критерієм зростання ступеню чистоти поверхні при цьому є збільшення інтенсивності сигналу фотоелектронів від поверхні зразка або збільшення величини співвідношення сигнал/фон Фізично Ж ПОНЯТТЯ "отримання чистої поверхні" відповідає процесу зменшення на поверхні в умовах вакууму забруднюючих елементів до рівня, що значно підвищує можливості основної методики Новий спосіб очистки розширює функціональні можливості поверхнево-чутливих методів дослідження та синтезу У порівнянні із нагріванням зразка та іонним травленням, запропонований спосіб теж може стати одним з основних, оскільки у нього є переваги при очищенні поверхні, зокрема пористих керамік, які виділяють при традиційному нагріванні велику КІЛЬКІСТЬ адсорбованих газів та речовин, що забруднюють їх поверхню і ускладнюють аналіз, а в разі ж тривалого випалювання адсорбованих газів починаються окисновідновлювальні процеси Застосування іонного травлення на таких об'єктах, хоча і не ІНІЦІЮЄ процесів газовиділення, але також призводить до появи окисно-відновлювальних процесів Особливо ефективним є очищення поверхні ультрадисперсних часток, нанесених тонким шаром на пористу кераміку У випадку використання 6 двох основних способів, до вказаних вище негативних ефектів додається ще небезпека появи процесів коагуляції (об'єднання нанорозмірних часток в великі частки зі втратою фізичних властивостей) За новим способом основа залишається холодною, що значно уповільнює коагуляцію та перешкоджає забрудненню наночасток елементами основи Очищення поверхні тонких плівок, згідно з винаходом, також здійснюється без нагрівання основи, на яку вони нанесені У порівнянні із прототипом, застосування нового способу теж має переваги, оскільки є відомою складність застосування лазерних пристроїв Спосіб дозволяє м'яко змінювати потужність нагрівання досліджуваної поверхні, миттєво отримувати потрібний результат, і при цьому дешевий та простий у використанні Можна чистити зразки великої площі, зокрема розміром кілька квадратних сантиметрів Новий спосіб очищення в вакуумі поверхні твердого тіла збільшує достовірність результатів, отриманих поверхнево-чутливими методами, оскільки поверхня твердого тіла звільнюється від забруднень у вигляді газових молекул, плівок вуглеводнів, оксидів, гідроксидів тощо Інша задача винаходу вирішується тим, що у відомому приладі, яким є пристрій для очистки поверхні в вакуумі, який містить випромінювач і блок живлення, новим є те, що в вакуумній камері як імпульсний випромінювач електромагнітної енергії встановлено галогенну лампу, з'єднану з високовольтним імпульсним блоком живлення Таким чином, новим є не стільки використання галогенної лампи в якості імпульсного випромінювача, хоча воно та його наслідки самі по собі є оригінальними, і зовсім не використання високовольтного імпульсного блоку живлення, що є стандартним пристроєм, повний цикл функціонування якого полягає в заряджанні конденсатора С до величини потенціалу U і подальшому приєднанні цього конденсатора до лампи з опором R, а саме застосування системи безконтактного імпульсного поверхневого нагріву з використанням галогенної лампи для потреб поверхнево-чутливих методів з метою звільнення поверхні твердого тіла, що знаходиться в вакуумі, від шару газових молекул або вуглеводневих забруднень Високовольтний імпульсний блок живлення може здійснювати комутацію кола розряду "конденсатор - випромінювач" контактним або безконтактним способом, з використанням, наприклад, потужного високовольтного електронного перемикача (транзистора, тиристора), чи високовольтного вакуумного розрядника через герметичні вводи для провідників струму, які розміщені в корпусі пристрою Комутація кола розряду блоком живлення можлива як в режимі одиночних імпульсів, так і в режимі серії імпульсів, як вручну, так і автоматично Новий пристрій для очистки поверхні зразка в вакуумі, що складається з галогенної лампи, яка живиться від високовольтного імпульсного блоку живлення має просту будову, недорогий і може бути використаний не лише для реалізації нового способу очистки в вакуумі поверхні твердого тіла від газових молекул або вуглеводневого забруд 57251 нення, але також для вирішення інших різноманітних задач Успішне випробування способу та пристрою здійснені в ВІДДІЛІ спектроскопії поверхні твердого тіла Інституту металофізики НАН України Нижче перелічено графічний матеріал та подається детальний опис винаходу На фіг 1 представлена електрична схема пристрою для очистки поверхні зразка На фіг 2 схема розміщення пристрою в вакуумній камері, в якій проводять очистку На фіг 3 представлений рентгенівський фотоелектронний спектр Ois-рівней від напівпровідникової кераміки Cuo і Nioi Сої є Мгн 2 O4 Спектр отримано до очищення поверхні зразка кераміки від забруднення На фіг 4 представлений спектр Ois-рівней цього ж зразка після застосування нового способу очищення поверхні Пристрій для очистки поверхні містить випромінювач 1 електромагнітної енергії в оптичному діапазоні Як випромінювач 1 можна використовувати галогенну лампу Випромінювач 1 розміщують в корпусі 2 з екраном 3 Випромінювач 1 через герметичні вводи 4 для провідників струму, які встановлені у корпусі 2, з'єднаний з високовольтним імпульсним блоком живлення (ВІБЖ) 5 ВІБЖ 5 в своєму складі має схему управління з блоком живлення 6, вольтметр 7, конденсатор 8 та комутуючий елемент 9 ВІБЖ 5 є стандартним пристроєм, повний цикл функціонування якого полягає в заряджанні конденсатора 8 до величини потенціалу U і подальшому під'єднанні цього конденсатора 8 до лампи 1 за допомогою комутуючого елемента 9 Для комутація кола розряду "конденсатор 8 галогенна лампа 1" в якості комутуючого елемента 9 можуть бути використані високовольтний електронний перемикач (транзистор, тиристор), високовольтний вакуумний розрядник або контакти механічного перемикача, розміщені в вакуумі Комутація кола розряду блоком живлення 5 можлива як в режимі одиночних імпульсів, так і в режимі серії імпульсів, як вручну, так і автоматично Корпус 2 з розташованою в ньому галогенною лампою 1 та екраном 3, встановлюють у вакуумній камері 10 на певній відстані від місця, де розміщують зразок 11, поверхня якого підлягає очистці Очистку поверхні зразка 11 здійснюють таким чином В вакуумну камеру 10 на необхідній відстані від випромінювача 1 пристрою для очистки встановлюють зразок 1 1 , зокрема пластинку з кераміки з квадратним перерізом 10mm x 10мм та товщиною 5мм В вакуумній камері 10 може бути встановлений будь-який необхідний рівень вакууму, в тому числі високий чи надвисокий Для з'ясування стану поверхні зразка 11 спочатку отримують вихідний спектр Ois-рівней поверхні зразку 11 (фіг 3) Потім поверхня зразка 11 була оброблена одним імпульсом випромінювання галогенної лампи 1 пристрою, для чого, конденсатор 8, заряджений до величини потенціалу U, з'єднують за допомогою схеми управління 6 з лампою 1 за допомогою комутуючого елемента 9, а імпульс випромінювання лампи 1 завдяки екранові 3 спрямовують на поверхню зразка 11 Ємність С конденсатора 8 стано 8 вила 0,25мкф, а напруга U блоку живлення 5 3000 В Після ЦЬОГО знову реєструвалися спектри 0 1 s-рівней (фіг 4) На вказаних вище спектрах максимуми інтенсивності відповідають нееквівалентним станам кисню в кераміці Cuo 1 Nio 1 С01 є Мпі2О4 З порівняння рентгенівських фотоелектронних спектрів Ois-рівней (фіг 3 і 4) видно, що після імпульсного опромінювання галогенною лампою 1 пристрою для очистки зразка 1 1 , значно зросла контрастність спектру Це пов'язане, по-перше, з видаленням з поверхні кераміки забруднюючого газоподібного шару молекул, які в своєму складі мають кисень (Ог, О, СО, СО2, R-COOH) і які даючи вклад в спектр, спотворюють його, і по-друге, з видаленням з поверхні кераміки вуглеводневого забруднюючого шару, який разом з газоподібним шаром молекул зменшує, внаслідок поглинання, інтенсивність фотоелектронів від поверхні зразка 11 Із спектру на фіг 4 видно, що через зменшення товщини поверхневого забруднюючого шару з газових молекул та СН-груп, інтенсивність сигналу та співвідношення сигнал/шум від атомів кисню кераміки збільшується Коли є необхідність, зразок 11 можна опромінювати в процесі зйомки спектра одиночним імпульсом або серією імпульсів з визначеним періодом до досягнення бажаного результату Параметри системи чистки можуть бути такими, які наведені вище Враховуючи, що інтегральна інтенсивність спектру в результаті обробки зросла у 2,5 рази, в порівнянні з інтегральною інтенсивністю спектру до обробки пристроєм для очистки поверхні, і виходячи з залежності (8)між інтенсивністю сигналу І після поглинання фотоелектронів поверхневим шаром забруднення товщиною d та інтенсивністю сигналу без поглинання Іо, можна оцінити товщу видаленого шару I = loe d / L (8) де Іо - інтенсивність сигналу без поглинання, імп/с, І - інтенсивність сигналу після поглинання фотоелектронів поверхневим шаром забруднень, імп/с, L - довжина вільного пробігу електрона в поглинаючому шарі, нм, D - товщина поглинаючого шару, нм З рівняння (8) видно, що зі зменшенням величини d сигнал І, який реєструється, зростає експоненціальне При зафіксованому зростанні інтегральної інтенсивності спектру в 2,5 рази після імпульсного опромінення та при значенні довжини L вільного пробігу електрона в поглинаючому шару порядку 1 - 1,5нм, товщина видаленого шару становить приблизно 0,9нм - 1,4нм Новий спосіб дозволяє нагрівати лише шар забруднення та тонкий шар поверхні зразка, без нагрівання всього об'єму зразка, що дозволяє блокувати процеси газовиділення з об'єму Це підтверджується, як дослідами, так і розрахунками За розрахунком згідно з рівнянням (2) для нагрівання вуглеводневого шару товщиною близько 1нм на площі 1см 2 , для якого теплоємність с становить 2600Дж/кг К, густина р - 900кг/м 3 , об'єм за 57251 бруднення V складає 10 м , за умови, що різниця ДТ між початковою температурою поверхневого шару зразка 11 і температурою, до якої його нагрівають, складатиме приблизно 1000°С, КІЛЬКІСТЬ 4 необхідної енергії QIHH дорівнює 2,4 х 10 Дж Слід зауважити, що видалення органічного шару інтенсивно відбувається вже при температурі 400°С, а шару з газових молекул ще раніше Врахування енергії, що витрачається на плавлення Qx та пароутворення Qr органічного шару товщиною 5 5 1нм (QA ~ 1,7x10 Дж, Qr ~ 8хЮ Дж) не змінює по4 рядку величини QIHH ~10 Дж Тобто, енергії ви4 промінювання приблизно 10 Дж, що досягає поверхні зразка, достатньо для нагрівання шару забруднення на поверхні зразка 11 товщиною 1нм 2 та на поверхні розміром 1см до температури 1000°С Але такі параметри достатні для видалення в вакуумі з поверхні зразка шару молекул газів та органіки лише за умови відсутності теплообміну між ним та зразком Новий спосіб отримання чистої поверхні можна віднести до неруйнівних, що підтверджується розрахунками нижче У випадку, навіть якщо енергія Q розміром 2,4 х 10 4 Дж буде поглинута порівну забруднюючим шаром та поверхнею кераміки, на якій він розташований, то згідно рівнянню (2) цієї енергії Q/2 = 1,2 х 10 4 Дж достатньо щоб нагріти до 500°С шар забруднення та шар кераміки такої ж товщини (п = 1 нм) і на площі 1см2 Для зразків, для яких ця температура є безпечною, зокрема кераміки, для якої температура синтезу Тсинтезу дорівнює 1200°С, це є неруйнівний спосіб очистки поверхні Фіг 1 10 Слід зауважити, що беручи до уваги існування механізму перенесення тепла між поверхневим шаром та самим зразком, велике значення має величина потужності W імпульсу випромінювання, яким обробляють поверхню Потужність випромінювання W регулюють рівнем потенціалу U, до якого заряджають конденсатор блоку живлення, величиною ємності С конденсатора блоку живлення та тривалістю імпульсу х Тривалість імпульсу х підбирають вибором опору R випромінювача 1 та ємністю конденсатора 8, які пов'язані рівнянням (7) Параметри блок живлення, та чи реально їх досягнути'? 1/2 Згідно З рівняннями 4 та 5 U = (Q/C) = 2 1/2 (4ncpVUTr /SC) , щоб отримати необхідну КІЛЬ4 КІСТЬ енергії Q, а саме 2,4 х 10 Дж, якщо ємність конденсатора дорівнюватиме 80,03 х 10 6 ф, енергія випромінюється в сферу радіусом г, наприклад г = 0,05м, площа S зразка дорівнює 1см2, то величина напруги U, до якої має зарядитися конденсатор 8, має бути рівною 2500В Якщо припустити, що під час нагрівання опір R випромінювача 1, який при 273°К дорівнює Юму, зросте в 7 разів, то і тоді постійна часу х, згідно з рівнянням (7) становитиме лише 0,21 х 10 6с Виділення енергії Q за такий малий час дає можливість отримати досить велику потужність W випромінювання, що підводиться до поверхні зразка Згідно з рівнянням (1) вона буде становити 1100Вт Фіг 2 11 57251 12 XPS XPS 450 0 1 5 У ' . ЗМ250 • MI ., ,,c°.t 4 /*" 0 eoo. 350 cu 01s 1 імпульс Cu" оN, о і Co "і^ " • . 0 імпульсів 400 ooo 600\ • 200 я 150 гоо f 10050 0 d522 54 5 6 5 S 2 2 2 530 5 3 2 5 3 4 5 3 6 5 3 8 і 522 524 526 52в 5 4 0 530 532 534 53В 538 540 Енергія зв'язку,еВ Ен рпя зв'яжу.eB Фіг4 Фіг. З Комп'ютерна верстка М Клюкш Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна