RU2832425C1 - Device for plasma-chemical treatment of inner cavity of one-parameter surfaces of the second order - Google Patents
Device for plasma-chemical treatment of inner cavity of one-parameter surfaces of the second order Download PDFInfo
- Publication number
- RU2832425C1 RU2832425C1 RU2024110785A RU2024110785A RU2832425C1 RU 2832425 C1 RU2832425 C1 RU 2832425C1 RU 2024110785 A RU2024110785 A RU 2024110785A RU 2024110785 A RU2024110785 A RU 2024110785A RU 2832425 C1 RU2832425 C1 RU 2832425C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- electrodes
- order
- parameter
- quartz glass
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title abstract description 12
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 claims 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009760 electrical discharge machining Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 2
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области электроэрозионной обработки и может быть использовано в производстве изделий из кварцевого стекла.The invention relates to the field of electrical discharge machining and can be used in the production of quartz glass products.
Наиболее известным технологическим приемом обработки кварцевого стекла является газопламенная обработка поверхности в условиях динамического вакуума, так как кварцевое стекло обладает способностью пропускать при высоких температурах газы, что объясняется диффузией этих газов через массу стекла [Глаголев С.П. Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение. // М.: Государственное химико-техническое издательство, 1934. – 214 с.]. После газопламенной обработки в кварцевом стекле всегда наблюдается присутствие значительного количества водородсодержащих примесей, в том числе, в виде гидроксильных групп [Постников В.С. Оптическое материаловедение: курс лекций. // Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2013. – 280 с.]. При получении высококачественных кристаллов и стекол (в ампулах и тиглях из кварцевого стекла) для оптических применений особые требования предъявляются к степени чистоты аппаратуры из кварцевого стекла. По этой причине в настоящее время в промышленности для получения особо чистых изделий из кварцевого стекла используют высокотемпературный отжиг в электровакуумных печах. Высокая стоимость такой обработки для крупногабаритных изделий (химических реакторов, трубопроводов) делает актуальной разработку новых устройств для плазмохимической обработки внутренней полости аппаратуры на открытом воздухе в условиях цехов или исследовательских лабораторий.The most well-known technological method of processing quartz glass is flame treatment of the surface under dynamic vacuum conditions, since quartz glass has the ability to pass gases at high temperatures, which is explained by the diffusion of these gases through the mass of glass [Glagolev S.P. Quartz glass. Its properties, production and application. // Moscow: State Chemical and Technical Publishing House, 1934. - 214 p.]. After flame treatment, a significant amount of hydrogen-containing impurities is always observed in quartz glass, including in the form of hydroxyl groups [Postnikov V.S. Optical materials science: course of lectures. // Perm: Publishing house of PNRPU, 2013. - 280 p.]. When obtaining high-quality crystals and glasses (in ampoules and crucibles made of quartz glass) for optical applications, special requirements are imposed on the degree of purity of quartz glass equipment. For this reason, high-temperature annealing in vacuum furnaces is currently used in industry to obtain especially pure quartz glass products. The high cost of such treatment for large-sized products (chemical reactors, pipelines) makes it relevant to develop new devices for plasma-chemical treatment of the internal cavity of equipment in the open air in workshops or research laboratories.
Из уровня техники известен плазмохимический реактор низкого давления, обеспечивающий плазму высокой плотности для осуществления процесса в виде травления и осаждения [Александров С.Е., Киреев В.Ю., Костюков Д.А. и др. // Патент РФ №2797472 от 06.06.2023, Бюл. №16] – аналог. Реактор содержит рабочую камеру и модуль формирования плазмы. В рабочей камере расположен подложкодержатель, соединенный с высокочастотным генератором и стабилизатором температуры. Внутри рабочей камеры на расстояние 3-10 мм от ее боковых стенок установлено диэлектрическое кольцо, на внешней стороне которого сформирован проводящий металлический элемент, соединенный с источником постоянного напряжения. Металлический элемент диэлектрического кольца и подводящие провода электрически изолированы от плазмы и заземленных поверхностей рабочей камеры. Подача постоянного напряжения различного значения и знака на металлический элемент обеспечивает управление скоростью, равномерностью и селективностью процессов травления. Стоит отметить, что у аналога отсутствует описание системы откачки и газонапуска. Устройство не может быть использовано для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка, например, труб, так как авторы заявляют, что его конструкция разработана только для обработки пластин, то есть поверхностей первого порядка.A low-pressure plasma-chemical reactor is known from the prior art, providing high-density plasma for carrying out a process in the form of etching and deposition [Aleksandrov S.E., Kireev V.Yu., Kostyukov D.A. et al. // Russian Federation Patent No. 2797472 dated 06.06.2023, Bulletin No. 16] - an analogue. The reactor contains a working chamber and a plasma formation module. A substrate holder is located in the working chamber, connected to a high-frequency generator and a temperature stabilizer. A dielectric ring is installed inside the working chamber at a distance of 3-10 mm from its side walls, on the outer side of which a conductive metal element is formed, connected to a DC voltage source. The metal element of the dielectric ring and the supply wires are electrically isolated from the plasma and the grounded surfaces of the working chamber. The supply of DC voltage of various values and signs to the metal element provides control over the speed, uniformity and selectivity of the etching processes. It is worth noting that the analogue does not have a description of the pumping and gas injection system. The device cannot be used for plasma-chemical treatment of the internal cavity of single-parameter surfaces of the second order, for example, pipes, since the authors state that its design is developed only for the treatment of plates, i.e. surfaces of the first order.
Известно устройство для плазмохимического травления пластин большого размера [Смирнова Т.С., Петраков В.И., Сергеев С.А., Лебедев Э.А. // Патент РФ №168094 от 18.01.2017, Бюл. №2] – аналог. Устройство включает корпус камеры, две группы электродов, выполненных в виде концентрических колец, изолированный подложкодержатель и систему газонапуска, электроды выполнены в виде полых концентрических водоохлаждаемых колец, зазор между которыми составляет от 5 до 8 мм, одна группа электродов заземлена, причем центральный электрод находится под высокочастотным потенциалом и выполнен в виде стержня, а движение газового потока в каждом кольцевом канале осуществляют перпендикулярно поверхности обрабатываемой пластины и контролируют натекателями. Подложкодержатель расположен вне зоны возбуждения плазмы таким образом, что зона обработки пространственно отделена от зоны генерации плазмы. Очевидно, что аналог не может быть использован для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка даже при самой глубокой модернизации устройства, так как в конструкцию устройства заложен существенный недостаток – зона обработки пространственно отделена от зоны генерации плазмы.A device for plasma-chemical etching of large-sized wafers is known [Smirnova T.S., Petrakov V.I., Sergeev S.A., Lebedev E.A. // Russian Federation Patent No. 168094 dated 18.01.2017, Bulletin No. 2] - an analogue. The device includes a chamber body, two groups of electrodes made in the form of concentric rings, an insulated substrate holder and a gas inlet system, the electrodes are made in the form of hollow concentric water-cooled rings, the gap between which is from 5 to 8 mm, one group of electrodes is grounded, and the central electrode is under high-frequency potential and is made in the form of a rod, and the movement of the gas flow in each annular channel is carried out perpendicular to the surface of the processed wafer and is controlled by leaks. The substrate holder is located outside the plasma excitation zone in such a way that the processing zone is spatially separated from the plasma generation zone. It is obvious that the analogue cannot be used for plasma-chemical treatment of the internal cavity of single-parameter surfaces of the second order even with the deepest modernization of the device, since the design of the device contains a significant drawback - the treatment zone is spatially separated from the plasma generation zone.
Известно устройство для локального плазмохимического травления подложек [Абрамов В.А., Аксенова Л.А., Климов А.В. // Патент РФ №2451114от 10.01.2012 Бюл. №1] – прототип. Устройство содержит вакуумную камеру, электроды, системы откачки и напуска плазмообразующего газа. Верхний электрод установлен на подвижной плите и снабжен механизмом регулирования параллельности электродов относительно друг друга, выполненным в виде трех вертикальных стоек, закрепленных на основании камеры и снабженных шаровыми опорами. На каждой стойке выполнены подвижные упоры с механизмом регулирования зазора в виде прецизионного подъемника, на котором установлен нижний электрод, являющийся подложкодержателем. Необходимым условием локализации тлеющего разряда у выступающих участков поверхности высокочастотного электрода является то, что межэлектродное расстояние L должно быть больше длины свободного пробега электронов в плазме λ (L>>λ). При характерном межэлектродном расстоянии L=100 мкм, давлении плазмообразующего газа ~104 Па и удельной мощности в высокочастотном тлеющем разряде ~104 Вт/см3 устройство обеспечивает равномерность и высокую скорость травления плоских подложек. Для крупногабаритных изделий, содержащих однопараметрические поверхности второго порядка (химических реакторов, трубопроводов), прототип не может быть использован по причине своих конструктивных особенностей и параметров технологического режима, а именно: для получения особо чистых изделий из кварцевого стекла требуется давление плазмообразующего газа ~105 Па и удельная мощность в разряде ~105 Вт/см3, а прецизионное поддержание равномерности зазора с микронной точностью при сканировании внутренних полостей поверхностей второго порядка вообще не представляется возможным.A device for local plasma-chemical etching of substrates is known [Abramov V.A., Aksenova L.A., Klimov A.V. // Patent of the Russian Federation No. 2451114 of 10.01.2012 Bulletin No. 1] – prototype. The device contains a vacuum chamber, electrodes, systems for pumping and inlet of plasma-forming gas. The upper electrode is mounted on a movable plate and is provided with a mechanism for regulating the parallelism of the electrodes relative to each other, made in the form of three vertical posts fixed on the base of the chamber and equipped with ball bearings. Each post has movable stops with a gap adjustment mechanism in the form of a precision lift on which the lower electrode is mounted, which is a substrate holder. A necessary condition for localizing the glow discharge at the protruding areas of the high-frequency electrode surface is that the interelectrode distance L must be greater than the mean free path of electrons in the plasma λ (L>>λ). With a typical interelectrode distance L=100 μm, plasma-forming gas pressure of ~10 4 Pa and specific power in the high-frequency glow discharge of ~10 4 W/cm 3, the device ensures uniformity and high etching speed of flat substrates. For large-sized products containing single-parameter second-order surfaces (chemical reactors, pipelines), the prototype cannot be used due to its design features and process mode parameters, namely: to obtain highly pure products from quartz glass, a plasma-forming gas pressure of ~10 5 Pa and a specific power in the discharge of ~10 5 W/cm 3 are required, and precise maintenance of the uniformity of the gap with micron accuracy when scanning the internal cavities of second-order surfaces is generally not possible.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для плазмохимического травления внутренней полости однопараметрической поверхности второго порядка изделий из кварцевого стекла.The objective of the present invention is to develop a device for plasma-chemical etching of the internal cavity of a single-parameter second-order surface of quartz glass products.
Технический результат достигается за счет того, что внутренняя полость однопараметрической поверхности второго порядка, например, трубы из кварцевого стекла подвергается обработке высокотемпературной плазмой дугового разряда в атмосфере инертного газа аргона. Разность химических потенциалов гидроксильных групп в кварцевом стекле и в атмосфере воздуха при высоких температурах дугового разряда приводит к удалению водородсодержащей примеси в окружающее пространство вдоль всей образующей цилиндра по мере продвижения трубы относительно дугового разряда по типу зонной плавки. Однородность и равномерность радиального воздействия плазмы достигается за счет влияния магнитного поля двух соленоидов, размещенных вблизи дугового разряда коаксиально электродам и включенных последовательно в высокочастотную электрическую цепь синфазно друг другу.The technical result is achieved due to the fact that the internal cavity of a single-parameter surface of the second order, for example, a pipe made of quartz glass, is subjected to processing by high-temperature plasma of an arc discharge in an atmosphere of inert argon gas. The difference in chemical potentials of hydroxyl groups in quartz glass and in the air atmosphere at high temperatures of the arc discharge leads to the removal of hydrogen-containing impurity into the surrounding space along the entire generatrix of the cylinder as the pipe moves relative to the arc discharge according to the zone melting type. Homogeneity and uniformity of the radial action of the plasma is achieved due to the influence of the magnetic field of two solenoids placed near the arc discharge coaxially to the electrodes and connected in series to the high-frequency electric circuit in phase with each other.
Устройство, схема которого представлена на фиг.1, работает следующим образом: цилиндрические электроды 1 и 2 размещают во внутренней полости кварцевой трубы 7 с зазором между ними; два соленоида 3 располагают снаружи трубы вблизи зоны дугового разряда 5 и подключают последовательно в высокочастотную электрическую цепь синфазно друг другу; высокочастотный генератор 4 через реостат 6 питает электрическую цепь дугового разряда необходимой мощностью; плазмообразующий газ аргон подается в зону дугового разряда через канал в электроде 1; продвижение трубы относительно дугового разряда вдоль всей образующей цилиндра приводит к плазмохимическому травлению внутренней полости кварцевой трубы с непрерывным удалением гидроксильных групп по типу зонной плавки. На фиг. 2 показано изображение устройства готового к работе. В результате плазмохимического травления в ближней и средней ИК-областях спектра наблюдается заметное снижение концентрации гидроксильных групп в кварцевом стекле (фиг. 3, кривая 1 – спектр пропускания до обработки, кривая 2 – после обработки).The device, the diagram of which is shown in Fig. 1, operates as follows: cylindrical electrodes 1 and 2 are placed in the internal cavity of a quartz tube 7 with a gap between them; two solenoids 3 are placed outside the tube near the arc discharge zone 5 and connected in series to the high-frequency electric circuit in phase with each other; the high-frequency generator 4 feeds the electric circuit of the arc discharge with the required power through the rheostat 6; the plasma-forming gas argon is fed into the arc discharge zone through a channel in the electrode 1; the advancement of the tube relative to the arc discharge along the entire generatrix of the cylinder leads to plasma-chemical etching of the internal cavity of the quartz tube with continuous removal of hydroxyl groups according to the zone melting type. Fig. 2 shows an image of the device ready for operation. As a result of plasma-chemical etching in the near and mid-IR spectral regions, a noticeable decrease in the concentration of hydroxyl groups in quartz glass is observed (Fig. 3, curve 1 – transmission spectrum before processing, curve 2 – after processing).
Устройство пригодно для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка и может быть использовано в промышленности для получения особо чистых изделий из кварцевого стекла.The device is suitable for plasma-chemical treatment of the internal cavity of single-parameter second-order surfaces and can be used in industry to obtain highly pure products from quartz glass.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2832425C1 true RU2832425C1 (en) | 2024-12-24 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0997926A2 (en) * | 1998-10-26 | 2000-05-03 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Plasma treatment apparatus and method |
| RU2170161C2 (en) * | 1999-05-25 | 2001-07-10 | Институт Машиноведения им. А.А. Благонравова РАН | Method for working second-order surface and apparatus for performing the same |
| RU2178219C1 (en) * | 2000-11-21 | 2002-01-10 | Рябый Валентин Анатольевич | Method and device for plasmachemical treatment of substrates |
| RU2451114C2 (en) * | 2010-07-05 | 2012-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводникового машиностроения" (ОАО "НИИПМ") | Device for local plasma-chemical etching of substrates |
| RU2462534C2 (en) * | 2006-07-31 | 2012-09-27 | Текна Плазма Системз Инк. | Plasma treatment of surface using dielectric barrier discharges |
| RU2797472C1 (en) * | 2022-08-22 | 2023-06-06 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Low-pressure plasma-chemical reactor providing high-density plasma for carrying out an etching and deposition process |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0997926A2 (en) * | 1998-10-26 | 2000-05-03 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Plasma treatment apparatus and method |
| RU2170161C2 (en) * | 1999-05-25 | 2001-07-10 | Институт Машиноведения им. А.А. Благонравова РАН | Method for working second-order surface and apparatus for performing the same |
| RU2178219C1 (en) * | 2000-11-21 | 2002-01-10 | Рябый Валентин Анатольевич | Method and device for plasmachemical treatment of substrates |
| RU2462534C2 (en) * | 2006-07-31 | 2012-09-27 | Текна Плазма Системз Инк. | Plasma treatment of surface using dielectric barrier discharges |
| RU2451114C2 (en) * | 2010-07-05 | 2012-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводникового машиностроения" (ОАО "НИИПМ") | Device for local plasma-chemical etching of substrates |
| RU2797472C1 (en) * | 2022-08-22 | 2023-06-06 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Low-pressure plasma-chemical reactor providing high-density plasma for carrying out an etching and deposition process |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR970003906B1 (en) | Manufacture of semiconductor substrate and the device | |
| KR102861090B1 (en) | Lift pin mechanism | |
| US7849815B2 (en) | Plasma processing apparatus | |
| KR100274757B1 (en) | Plasma treatment apparatus and plasma treatment method | |
| US4223048A (en) | Plasma enhanced chemical vapor processing of semiconductive wafers | |
| US20070215279A1 (en) | Plasma processing apparatus, plasma processing method, focus ring, and focus ring component | |
| US9441791B2 (en) | Gas supply unit, substrate processing apparatus and supply gas setting method | |
| US8778813B2 (en) | Confined process volume PECVD chamber | |
| JP3150058B2 (en) | Plasma processing apparatus and plasma processing method | |
| SG177070A1 (en) | Movable ground ring for a plasma processing chamber | |
| JP2012238881A (en) | Wide area radio frequency plasma apparatus for processing multiple substrates | |
| TWI760379B (en) | Plasma processing apparatus and control method of plasma processing apparatus | |
| US11705346B2 (en) | Substrate processing apparatus | |
| RU2832425C1 (en) | Device for plasma-chemical treatment of inner cavity of one-parameter surfaces of the second order | |
| CN114639585A (en) | Confinement ring assembly, plasma treatment device and exhaust control method therefor | |
| KR20140095412A (en) | Plasma heat treatment apparatus | |
| KR102578780B1 (en) | Semiconductor manufacturing apparatus and method of manufacturing semiconductor devices | |
| JP2008251857A (en) | Plasma processing equipment | |
| JPS5832417A (en) | Method and apparatus for plasma etching | |
| KR20040026773A (en) | Atmospheric pressure plasma apparatus using arrangement electrode | |
| CN215008137U (en) | Plasma processing device | |
| JP2001210628A (en) | Plasma processing equipment | |
| KR101138609B1 (en) | Plasma generation apparatus for making radical effectively | |
| JP4519625B2 (en) | Deposited film forming equipment | |
| Kozlov et al. | Vacuum technological equipment for microphotoelectronic production |