一种托卡马克核聚变装置中硼膜的去除方法与流程

1.本发明涉及可控核聚变技术领域，尤其涉及一种托卡马克核聚变装置中硼膜的去除方法。


背景技术：

2.托卡马克核聚变装置物理实验中,高温等离子体与装置腔室内壁发生碰撞作用,使得腔壁释放各种杂质进入到装置腔室内的等离子体中,杂质会损耗等离子体的能量，从而造成等离子体能量的巨大损失。在核聚变真空腔室内壁生长硼膜层，可有效抑制聚变反应过程中内壁中的金属杂质和氧、碳杂质逸出，有效防止了腔壁材料作为杂质被等离子体碰撞后进入到腔室内部并混入到等离子体中的几率，减小等离子体放电能量损失，大大改善等离子性能。这种保护方法的发展形成了一种称为硼化的技术。例如，采用硼氢化合物如乙硼烷(b2h6)、十硼烷(b
10h14
)或有机硼化物如b(ch3)3作为硼源，以化学气相沉积的方式在相应的腔室材料内壁上生长一层硼膜。
3.然而，硼膜对杂质的抑制能力在维持效果上具有一定的寿命，随着等离子体放电次数的增加，硼膜的杂质抑制能力会逐渐达到饱和。为了维持聚变装置高纯的真空室环境，需要定期对真空腔室内壁进行追加硼化。随着硼化次数的增加，真空腔室内壁硼膜的厚度会逐渐增厚，并且多次硼化也会造成硼膜内部结合力变差，在等离子体的轰击下存在脱落的风险。硼膜一旦发生脱落，将会严重影响等离子体的放电品质。
4.此外，由于阶段性实验调整或内部部件升级，常会定期打开反应真空腔室，导致真空腔室的破真空。经过本发明课题组对硼膜在空气中暴露后对硼膜的影响研究发现，硼膜在大气中暴露大于120h后，出现潮解、甚至个别区域发生微裂纹的现象，同样存在硼膜脱落的风险。
5.因此，亟待开发一种能够对硼膜产生有效去除，同时又不损伤基底材料表面方法，以解决多次硼化导致硼膜过厚、结合力较差，以及开腔后硼膜潮解、开裂的技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种托卡马克核聚变装置中硼膜的去除方法。
7.为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
8.一种托卡马克核聚变装置中硼膜的去除方法，所述去除方法包括如下步骤：
9.(1)在托卡马克装置的腔室内，利用含氟气体化合物在辉光放电条件下产生氟等离子体，进而利用氟离子与硼膜中的硼元素发生反应，对硼膜进行化学去除；
10.(2)硼膜去除结束后，利用氢和氦的联合辉光清洗去除真空腔室内壁的氟离子残留。
11.作为优选，步骤(1)中所述的含氟气体化合物为cf4或nf3。
12.其中，当步骤(1)中利用cf4对硼膜进行化学去除时，在通入cf4的同时通入氧气作
为辅助气体。
13.更进一步地，步骤(1)中利用cf4对硼膜进行化学去除时，辉光放电条件为：
14.cf4流量30-150sccm
15.o2流量30-150sccm
16.气压0.1-0.6pa
17.电流0.1-0.7a
18.电压400-650v
19.时间30-120min。
20.作为优选，通入的cf4与氧气的比例为1:1。
21.因此进一步优选，步骤(1)中利用cf4对硼膜进行化学去除时，辉光放电条件为：
22.cf4流量50sccm
23.o2流量50sccm
24.气压0.3pa
25.电流0.2a
26.电压550v
27.时间60min。
28.其中，当步骤(1)中利用nf3对硼膜进行化学去除时，辉光放电条件为：
29.nf3流量50-200sccm，优选100sccm，
30.气压0.1-0.6pa，优选0.3pa，
31.电流0.1-0.7a，优选0.3a，
32.电压380-600v，优选500v，
33.时间30-120min，优选60min。
34.在硼膜去除结束后，步骤(2)利用氢和氦的联合辉光清洗去除真空腔室内壁的氟离子残留。具体为：先进行氢辉光清洗去除残留氟离子，再进行氦辉光清洗去除残留氢气。
35.进一步地，氢辉光清洗的条件为电流0.3a、电压490v、压强2.6pa、时间7-12h。
36.进一步地，氦辉光清洗的条件为电流0.3a、电压280v、压强0.5pa、时间7-12h。
37.在实际应用中，步骤(1)之前还包括对硼膜进行检测的步骤，以确定是否需要进行硼膜的去除。检测方式具体为：采用内置膜厚仪对已有硼膜的厚度进行检测，当硼膜厚度大于等于预设值时开始进行刻蚀，其中预设厚度优选为700nm；或者，对辉光电极表面的导电性进行监控，当所述导电性下降的时候，开始进行刻蚀；或者，对硼膜形态进行检测，当硼膜表面出现裂纹、或者硼膜发生脱落时开始进行刻蚀。
38.进一步地，为了更好的确保残留氟离子被去除完全，在实际应用中，前述方法还包括在利用氟化物辉光清洗前放置测试样品，在利用氢氦辉光联合清洗后，取出测试样品进行x射线能谱分析，如显示无氟离子残留则进行氦辉光清洗，如显示仍有氟离子残留，则继续进行氢辉光清洗，直至无氟离子残留为止。本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
39.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
40.本发明的有益效果在于：
41.本发明提供了一种采用氟辉光等离子体对聚变装置腔室内部的硼膜进行化学去除的方法，反应产物均可以气态形式排出腔室内部，无沉积残留，硼膜去除效果好，且不会对不锈钢内壁的基底材料造成损伤。
附图说明
42.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例1中利用cf4去除硼膜后，腔室内壁不锈钢表面的eds分析结果；
45.图2为本发明实施例1中经氢氦辉光联合清洗氟离子残留后，腔室内壁不锈钢表面的eds分析结果。
46.图3为本发明对比例1中利用cf4去除硼膜，反应后样品表面成分的x射线光电子能谱技术(xps)测试结果。
47.图4为本发明实施例2中利用nf3去除硼膜后，腔室内壁不锈钢表面的eds分析结果。
具体实施方式
48.本发明提供了一种托卡马克核聚变装置中硼膜的去除方法，所述去除方法包括如下步骤：
49.(1)在托卡马克装置的腔室内，利用含氟气体化合物在辉光放电条件下产生氟等离子体，进而利用氟离子与硼膜中的硼元素发生反应，对硼膜进行化学去除；
50.(2)硼膜去除结束后，利用氢和氦的联合辉光清洗去除真空腔室内壁的氟离子残留。
51.其中，所述的含氟气体化合物包括但不限于cf4和nf3。
52.在本发明的一个具体实施方式中，利用cf4对硼膜进行化学去除时，并在通入cf4的同时通入氧气作为辅助气体。cf4在辉光放电条件下产生氟等离子体，氟离子和硼膜中的硼元素发生反应，生成三氟化硼，三氟化硼以气态形式排出腔室；氟化物气体解离产生的碳元素，和氧气反应，生成二氧化碳，排出真空室，对腔室内部无污染。
53.利用cf4对硼膜进行化学去除时的辉光放电条件如下：
54.cf4流量30-150sccm
55.o2流量30-150sccm
56.气压0.1-0.6pa
57.电流0.1-0.7a
58.电压400-650v
59.时间30-120min。
60.进一步优选为：
61.cf4流量50sccm
62.o2流量50sccm
63.气压0.3pa
64.电流0.2a
65.电压550v
66.时间60min。
67.在本发明的另一具体实施方式中，利用nf3对硼膜进行化学去除时的辉光放电条件如下：
68.nf3流量50-200sccm
69.气压0.1-0.6pa
70.电流0.1-0.7a
71.电压380-600v
72.时间30-120min。
73.由于托卡马克核聚变装置要求具有高纯的真空环境，因此，在利用以上步骤将待除硼膜去除后，需利用氢和氦的联合辉光清洗去除真空腔室内壁的氟离子残留。
74.去除时，氢辉光清洗的条件为电流0.3a、电压490v、压强2.6pa、时间7h；氦辉光清洗的条件为电流0.3a、电压280v、压强0.5pa、时间7h；清洗时首先采用氢辉光清洗能够清除刻蚀步骤中残留的氟离子，之后再使用氦辉光清洗，氦辉光是在氦等离子体的轰击下，清除残留的氢气，保证真空腔室优质的真空环境。
75.在实际应用中，在去除硼膜之前还包括对硼膜进行检测的步骤，以确定是否需要进行硼膜的去除。检测方式具体为：采用内置膜厚仪对已有硼膜的厚度进行检测，当硼膜厚度大于等于预设值时开始进行刻蚀，其中预设厚度优选为700nm；或者，对辉光电极表面的导电性进行监控，当所述导电性下降的时候，开始进行刻蚀；或者，对硼膜形态进行检测，当硼膜表面出现裂纹、或者硼膜发生脱落时开始进行刻蚀。
76.实际操作时，在去除硼膜的步骤中，可采用真空腔室内置膜厚仪对硼膜厚度进行实时监测，当硼膜厚度为零时，停止氟等离子体的轰击。
77.需要说明的是，以上实时监测仅为提高硼膜的去除效率，降低操作成本，由于氟的辉光等离子体与不锈钢的反应极其微弱，即使未及时停止，也不会对不锈钢内壁的基底材料造成损伤。
78.进一步地，为了更好的确保残留氟离子被去除完全，在实际应用中，前述方法还包括在腔室内放置测试样品，在利用氢氦辉光联合清洗后，取出测试样品进行x射线能谱分析，如显示无氟离子残留则停止清洗，如显示仍有氟离子残留，则继续进行氢氦辉光联合清洗，直至无氟离子残留为止。
79.所述测试样品放置于真空腔室内，距离内壁5-10cm即可。一般通过差分腔放置，这样在取放样品时，不会破坏真空腔室的真空环境。
80.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
81.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采
用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
82.下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
83.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
84.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
85.实施例1
86.本实施例对托卡马克核聚变装置中已经过多次硼化，且累积厚度已达700nm以上的硼膜进行化学去除。
87.去除方法包括：
88.(1)采用四氟化碳(cf4)和氧气(o2)的混合气，在辉光作用下对硼膜进行化学去除。
89.辉光放电条件如下：cf4流量50sccm，o2流量50sccm，气压0.3pa，电流0.2a，电压550v，反应时间60min。
90.反应结束后，硼膜被完全去除，不锈钢内壁表面eds分析如图1所示。
91.(2)利用氢氦联合辉光对表面氟离子进行清洗处理：首先采用氢辉光清洗能够清除刻蚀步骤中残留的氟离子，之后再使用氦辉光清洗，氦辉光是在氦等离子体的轰击下，清除残留的氢气，保证真空腔室优质的真空环境。
92.氢氦辉光处理实验条件
[0093][0094]
经能谱分析(eds)，氢氦辉光联合清洗后，可清除掉氟离子残留，不锈钢内壁表面eds分析如图2所示。
[0095]
对比例1
[0096]
本对比例与对比例1的区别在于：步骤(1)中的辉光放电条件如下：cf4流量100sccm，o2流量50sccm，气压1.5pa，电流0.5a，电压470v，反应时间60min。该条件对硼膜的去除效果不明显。说明气压高或气体配比的比例不合适(如果氧气的通入量不足，会造成碳元素在硼膜表面聚集覆盖，造成氟离子刻蚀效果变差)，无法对硼膜产生有效去除。该条件反应后的样品表面成分的x射线光电子能谱技术(xps)测试结果见图3。可以看到表面仍然存在明显的b1s的特征峰，说明硼膜没有得到有效去除。
[0097]
实施例2
[0098]
本实施例对托卡马克核聚变装置中已破真空的腔室内壁上的硼膜进行化学去除。
[0099]
去除方法包括：
[0100]
(1)采用三氟化氮(nf3)，在辉光作用下对硼膜进行化学去除。
[0101]
辉光放电条件如下：nf3流量100sccm，气压0.3pa，电压500v，电流0.3a，反应时间60min。
[0102]
反应结束后，硼膜被完全去除，不锈钢内壁表面eds分析如图4所示。
[0103]
采用三氟化氮所有概括工艺条件也可以获得与本实施例相当的结果。因为本实施
例为优选条件，在此基础上降低或增加nf3流量，但只要保持气压在0.1-0.6pa，就可以保证nf3一定的浓度范围。通过调整电流0.1-0.7a和电压380-600v，可以产生稳定的辉光，使氟离子浓度保持一定范围，维持对硼膜有效的去除速率范围，通过调整反应时间，可以完全去除掉硼膜。
[0104]
(2)利用氢氦联合辉光对表面氟离子进行清洗处理：首先采用氢辉光清洗能够清除刻蚀步骤中残留的氟离子，之后再使用氦辉光清洗，氦辉光是在氦等离子体的轰击下，清除残留的氢气，保证真空腔室优质的真空环境。
[0105]
氢氦辉光处理实验条件
[0106][0107]
经能谱分析(eds)，氢氦辉光联合清洗后，可清除掉氟离子残留。
[0108]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。