Optimization of remote inductively coupled plasma for the cleaning of different optical surfaces

Abstract

El objetivo principal de este trabajo de investigación consistió en desarrollar un proceso de un plasma in situ acoplado inductivamente (ICP) para limpiar una variedad de diferentes revestimientos ópticos y componentes sujetos a contaminaciones por carbono. Estos ópticos se usan típicamente en aceleradores como los sincrotrones, por lo tanto, el plasma debe cumplir requisitos específicos para preservar el rendimiento y la calidad de los recubrimientos ópticos, así como su entorno de ultra alto vacío (UHV). La razón para elegir el plasma acoplado inductivamente (ICP) se basó en poder explorar una nueva técnica basada en un concepto ya conocido. En este orden de ideas, los primeros tres capítulos de esta tesis proporcionan una introducción a los fundamentos del plasma, enfocándose en ICP utilizados en aplicaciones de limpieza. También se proporciona una breve introducción sobre las instalaciones de luz sincrotrón, se muestran los diferentes tipos de componentes ópticos y recubrimientos ópticos que se usan típicamente en estas instalaciones. Esta primera parte concluye con una descripción detallada de la configuración experimental y las diferentes técnicas utilizadas para caracterizar los componentes ópticos antes y después de los tratamientos con plasma. El Capítulo cuatro presenta un estudio sobre la limpieza con ICP de espejos con recubrimientos de B4C contaminados con carbón. Los plasmas utilizados fueron el O2/Ar, H2/Ar y O2. Adicionalmente, el capítulo cinco muestra los resultados de los procesos de limpieza realizados en tres diferentes materiales (Ni, Rh y Al), utilizando dos mezclas de gases diferentes N2/O2/H2 y N2/H2 más una limpieza posterior hecha con plasma de N2/H2 a cinco filtros de radiación ultravioleta (EUV) utilizados en el FERMI FEL1. El capítulo seis titulado "Plasma Diagnostics", se centra en una serie de mediciones hechas a diferentes plasmas haciendo uso de una sonda de Langmuir (LP) y un espectrómetro de masas (MS). Al final de este capítulo, se extraen una serie de conclusiones sobre el análisis y los resultados obtenidos, que son la base para obtener una mejor comprensión del proceso de limpieza del carbono. Finalmente, en el capítulo siete, se proporciona información del proceso de limpieza realizado en un espejo de prueba con recubrimiento de oro, cuyas características son similares a las del espejo frontal M1 instalado en la línea CIRCE del ALBA sincrotrón.

The main goal of this research project was to further develop an in-situ plasma process – inductively coupled plasma (ICP) – in order to clean a variety of different optical coatings and components subject to carbon contaminations. These optics are typically used in accelerator-based light sources, therefore specific plasma requirements need to be fulfilled in order to preserve the performance and the quality of the optical coatings as well as their ultra-high vacuum (UHV) environment. The reason for choosing the inductively coupled plasma (ICP) was to explore a new technique based on an already known concept. Thus, the first three chapters of this thesis give an introduction to the plasma fundamentals focused on ICP as used in cleaning applications. Also, a brief introduction on the basis of accelerator-based light sources facilities is given, showing the different types of optical components and optical coatings typically used in these facilities. This first part of the thesis is concluded with a detailed description of the experimental setup and the different techniques used to characterize the optical components before and after the plasma treatments Chapter four presents a study regarding the low-pressure RF plasma cleaning of carbon contaminated B4C test samples via inductively coupled O2/Ar, H2/Ar, and pure O2 RF plasma. In addition, chapter five shows the results from cleaning processes performed on three different materials such as Ni, Rh, and Al by using two different gas mixtures N2/O2/H2 and N2/H2 plus a subsequent cleaning of Al EUV filters previously used at the FERMI FEL by using an N2/H2 plasma. In chapter six entitled "Plasma Diagnostics", a further experimental part is presented, which focuses on a series of measurements on different plasma feedstock gas configurations by means of Langmuir Probe (LP) and Mass Spectrometry (MS). At the end of this chapter a series of conclusions, concerning the analysis and the results obtained are drawn, which lay the foundation for a better understanding of the carbon cleaning process. Finally, the Ph.D. thesis ends with chapter seven, in which information from the cleaning process performed on an Au test mirror with identical characteristics than the M1 front mirror at the CIRCE beamline is given and further plasma chemistry aspects are developed.