CN101884086B - 用于行进金属基底的等离子处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对金属基底或绝缘基底(3)进行等离子体处理的方法，所述基底基本连续地在具有处理区域(2)的真空室中行进，所述等离子体借助于连接至射频发生器的感应器(4)通过射频感应耦合而被保持在处理区域(2)中，其中通过法拉第屏(7)保护感应器(4)免于被所述基底(3)的表面所发射物质的污染，所述法拉第屏(7)位于所述等离子体和所述感应器(4)之间，并且，所述法拉第屏(7)相对于所述基底(3)或相对于存在于所述等离子体中的反电极被平均正电极化。

Description

用于行进金属基底的等离子处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于对金属基底或绝缘基底进行等离子体处理的方法，特别是用于大规模生产中的清洁和/或加热，所述金属基底或绝缘基底可以是线、梁、管、板、所有类型横断面的型材、条和/或板材的形式，而且也可以是设置在支架上的部件，例如金属钩或篮，它们借助于任意类型的一般装置——例如一排辊子或者单轨传输系统——在处理区域中被传输。
在这个方法中，待处理基底在具有一处理区域的真空室中沿的给定方向运动，在所述处理区域中在电极和基底之间靠近所述基底的表面产生放电，所述放电借助于同样属于本发明主题的一个装置实现。
本发明的方法和装置特别使其有可能消除基底的污染层，例如表面金属氧化物和表面碳化物，以便促进通过真空沉积技术被随后施加的涂层的附着。
本发明也使得能够高效加热基底，并可以因此用作退火金属产品，或者当在处理区域中加入压力低于1000mbar的气体形式的反应物时，确保通过分散或与基底的反应形成表面化合物。本发明的方法可以应用于任意具有充分导电性的基底，并因此可以同样地较好应用于由低碳钢、不锈钢、铝、铜和其他金属制成的基底，但也可以应用于涂覆有一层薄电绝缘层的导电基底，并且在本发明的一个特定的具体实施方式中，可以应用于绝缘基底，而这已经被主要发展用于工业应用以用于在真空沉积方法电镀之前预处理低碳钢。这使得应用具有极大的适应性，与迄今为止具体采用的钢产品处理方法相比，为这个新颖的方法赋予了显著的优势。这是因为，如将在下面详细解释的，这种方法例如可以处理具有任意形式横截面的产品的表面，不仅是开放的表面而且也能处理部分封闭的表面，假使由该新颖装置产生的等离子体可以扩散到这些表面。通过其特殊的激发装置，与现有技术基于通过产生第二电子加热等离子体的方法相比，这个方法对于电弧的形成更加不敏感。最后通过交替或脉冲激发面向待处理产品的电极，这个新颖的方法也可以处理覆盖有电绝缘物质的金属表面，例如涂覆有比如不导电油漆的钢板、型材或梁。
现有技术
迄今为止已知的用于通过等离子体清洁或加热金属产品的方法具有多项缺陷：
●它们仅能处理金属表面，最多是覆盖有几纳米厚金属氧化物层的金属表面，并因此不能清洁被高度氧化的产品或者那些覆盖有聚合物的产品；
●现有技术中已知的这些方法，只基于通过发射第二电子产生等离子体，特别适合于电弧的形成，将使得基底的去污变得非常困难，甚至不可能，并且甚至由于所产生电弧能量消散形成表面熔点从而导致基底的表面不可挽回的退化。
●现有技术仅允许处理具有简单几何形状的金属基底，主要是具有高度开放表面的纵向基底，其贯穿处理装置。根据现有技术，在本发明之前，在WO 02/12591中描述，例如不可能在一次单独的操作中处理金属产品的所有外表面，例如不可能处理梁、管和型材，而也使得板的处理变得极为复杂，这是因为条带宽度会发生变化，并且在特别是金属加工工业以及特别是对钢板进行处理时，这些材料在连续的直线运动中会发生不可避免的横向移动。实际上，现有的方法包括通过在待处理表面的背面处设置磁铁阵列从而在基底表面上产生磁控管放电。这明显将这种技术局限于处理相对较薄的板和条，以便获得足够强度的磁场以能够在与设置磁铁阵列背面相对的表面附近通过磁控管放电产生等离子体。这特别在低碳钢板时是这样的情况，其也必须充满感应磁场。在WO 02/12591中描述的装置，利用至少一个纵向产品必须穿过的磁镜，解决了这个难题，但对于大量的实际应用仍具有严重的缺陷。这是因为，虽然这个装置能够处理任意形状的细长产品，例如具有几乎所有横截面的梁、型材、薄或厚的板、管、线等，在实践中对于较长产品的端部的处理再次具有一定的缺陷，该端部因此不会直接穿过处理装置。在这种情况中，待处理产品表面的磁控管放电区域，局限于处理区域中基底的长度，由于等离子体的轴向限制证明对于形成稳定的等离子体是不够的，所述等离子体在产品未穿过的磁镜方向中是不够的。为了克服这个问题，一个简单的方法为在端部的处理期间，提高有效电功率以便通过提高电离率保持等离子体的密度，以便对在产品未穿过的磁镜方向中轴向双极扩散造成的等离子体损耗进行补偿。然而这大大复杂了系统的管理。这个装置的另一缺点在于在对具有高度封闭内表面的产品的处理非常吃力。因此，例如，这个装置能够处理U形、T形或I形梁的整个表面，但对部分封闭的U形或沿其轴线裂开管的内表面的处理则具有更大的困难。这个装置的另一缺点涉及这样的事实，等离子体的电特性主要依赖于基底的几何形状和表面特性，其可能在多个基底平行处理期间产生不稳定，例如在处理区域中平行穿过多个梁。在这种情况中，不容易在平行放置在处理区域中的所有基底上形成放电，因为等离子体优先在更小阻抗的区域中形成，并且某些产品将得不到处理。当基底某些区域覆盖有介电材料时也出现另一缺陷，其阻碍了在WO 02/12591中所述磁控管放电功能必须的轴线对称，并且部件的处理因此变得不可能。在迄今为止已知的装置和方法实践中经常出现的一个缺陷在于当基底被金属氧化物高度污染时。在这种情况中，不可能独立控制离子流到达基底，并且放电电压促进形成电弧，其大大局限了有效功率密度，这使其不可能给基底去污而没有损伤其表面具有电弧斑点的风险。
发明内容
根据本发明提出的方法和装置旨在通过下面的手段解决这些缺点：
●等离子体的加热不再依赖于第二电子的发射，而是基本上通过欧姆和随机的电磁能量的射频(RF)电感耦合，使得可能处理被高度污染或者甚至表面上覆盖有介电材料的基底，并能处理不同形状的基底。例如可能处理较长基底的端部，不必是细长的基底或者高度封闭基底的内表面。
●在本发明的原理性实施方式中，反电极/基底系统，其不再用于产生等离子体，而在离子朝着基底加速以及它们在基底上流动过程中提供独立的电位差控制。这是因为离子流仅依赖于等离子体密度，并且与放电中耦合的RF功率直接成比例。
RF电感耦合是一种相对简单、并且此外已知的能够以给定功率产生高密度等离子体的方法，与电容耦合相比，RF功率的主要部分用于鞘中的离子加速。RF电感耦合通常借助于设置在真空室外侧的感应螺线管实现，所述真空室由介电材料(陶瓷，玻璃或石英)制成以允许电磁能量的传递。在本发明涉及用于工业处理工厂的类型中，其涉及例如梁和钢板的处理，真空室的尺寸是这样的，外部大气压产生的力使得此尺寸的真空室在使用由介电材料制成的部件时，是极其复杂或者甚至是危险的。这是因为，对于尺寸超过一米，由钢或铝制成的安装有加强肋的机械焊接结构是不可避免的。这个机械限制使其必须将感应器放置在真空室内部，这产生了本发明给予解决的电学困难。
金属部件的污染处理，随之而来的是这些部件表面的离子轰击，产生来自被移除污染层原子的大量高速喷射，必须保护感应器免受其影响，以保持感应器具有尽可能小的表面电阻，以便最小化由Joule效应造成的损失。感应器例如由螺线管形成。通常，感应器由铜制成，并且有利地在其表面上涂覆有沉积银，以便尽可能小地减小其表面电阻，因为RF电流基本上在感应器的表面上流动。
根据本发明，使感应器耦合表面免受由去污表面发射物质——例如铁污染——的保护借助于一个法拉第屏实现，该法拉第屏设置在其附近，形状类似于感应器，其设计不仅仅完全保护了感应器的这个工作面，而且最优化了RF电磁能量在处理区域中的传递。
在一个特别有利的结构中，法拉第屏由设置在感应螺线管内部的金属结构形成，并具有许多互相平行且垂直于感应电流穿过螺线管的流动方向的槽。每个槽由一个金属纵梁保护，该金属纵梁固定到法拉第屏并设置在与处理区域同侧与槽成一直线，离开槽一小的距离以便不会由槽产生的电容短路。一个纵梁因此面向法拉第屏中的每个槽，以便防止污染物穿过这些槽到达螺线管表面。
法拉第屏和保护纵向槽的纵梁借助于两个凸缘(bride)组装，该凸缘优选位于感应器电磁感应区域的外侧。凸缘有利地由水冷却。这些凸缘必须设置在感应螺线管电磁感应区域的外侧，并且实际上是这样的，当法拉第屏足够长时，它们位于螺线管的外侧并且充分远离后者的端部，以便不会成为感应电流产生的场所。有利地，可以将这个方法在法拉第屏支撑凸缘中结合通常一个、有时候多个的绝缘部分，以使得法拉第屏不会形成封闭的电回路，其进一步减小了在法拉第屏中感应产生的电流水平。
仅仅模拟就可以确定纵向槽的最佳设置、凸缘相对于感应器的位置以及为每个凸缘提供的绝缘部分的数目。该最佳设置是这样的，其产生由感应器发射电磁能量穿过法拉第屏的最大传输。
根据本发明，法拉第屏相对于基底或面向它的电极随着时间被平均正电极化，以便构成指向待处理的单个或多个基底的电极，并且能够连接对其处理所必须的电源。
根据本发明，这个电极因此构成前述的法拉第屏，并能够在其表面上集聚从被处理基底移除的污染物层，而不会损伤基底的处理环境。
在根据本发明的装置中，法拉第屏因此构成一个邻近等离子体的传导电极，具体与等离子体接触，其相对于反电极或相对于待处理基底被平均正极化。因此主要形成正极的法拉第屏的目的在于回收来自等离子体的电子，并因此封闭等离子体上的电回路，所述等离子体通过另一设备产生。这个另一设备优选是通过法拉第屏的射频感应电磁激发。法拉第屏因此将等离子体中存在的离子朝着反电极加速，所述反电极例如通过待处理的基底形成。
等离子体在两个电极之间的中间部分中产生，或者在法拉第屏和处理区域中的基底之间产生，或者在法拉第屏和反电极之间产生。
避免在形成法拉第屏的电极和感应器之间形成任何离散的等离子体是至关重要的。为此目的，必须将这个电极和感应器之间的自由空间尺寸限制为小于可能在这些表面和任意等离子体之间形成的鞘的厚度。这个鞘的厚度典型的小于或约等于1mm。
此外，为了提高感应器和形成法拉第屏的电极之间的容抗，以限制电容耦合，但也是由于结构的原因，同样必须在这些表面之间保持至少几个毫米的间距。为此，必须在法拉第屏和感应器之间保持通常为1cm-10cm的间距。
为了满足这两个条件，本发明在将感应器与形成法拉第屏的电极分开的空间中设置一个中间绝缘材料。当感应器和电极被适当冷却时，例如通过为此目的设置的水冷回路中的水循环，可以使用例如特氟隆(Teflon)的中间聚合物材料，否则的话可以有利地使用陶瓷泡沫、或玻璃棉或氧化铝棉作为中间材料。这是因为所述陶瓷泡沫、或玻璃棉或氧化铝棉具有抗高温和限制自由空间的优势，在该自由空间处可以形成等离子体穿过相邻纤维的附近。
不幸的是，在增加感应器和形成法拉第屏的电极之间空间的同时，在该空间处设置中间介电体，虽然在这两个电极之间的电感容抗增加了，但朝向法拉第屏的RF运动流仅通过这个手段未被充分减小。这是因为，在增加这个空间时，感应电流同样运动远离等离子体中的感应电流，通过增加感抗，其增加了RF电压的振幅，这意味着增加了离散的RF电容性电流，其是需要设法在法拉第屏中减小的。
因此建议通过在形成法拉第屏的电极和连接电源的电极之间设置一个低通的过滤器以阻挡这个RF离散电流。在实践中，仅允许通过频率低于1MHz并且优选低于100KHz的过滤器是适当的，因为其允许法拉第屏的交替或脉冲激发，同时阻挡朝向连接到法拉第屏的发生器的任何RF电流，由此连接到法拉第屏的发生器朝向连接到感应器的RF发生器的最低频信号通过由感应螺线管和形成法拉第屏电极之间空间产生的较高容抗而被阻挡。低通过滤器一般由在法拉第屏和其发生器之间连续设置的扼流器、和将扼流器一端接地的电容器构成，但也可以有其他等效的结构。
根据本发明的装置因此通过具有一个中间空间而不同于现有技术，所述中间空间足以阻挡频率等于或小于高频的信号，该信号朝向连接到所用阻挡RF信号的低通过滤器的感应器，并且感应器位于法拉第屏和其电源之间。在这个空间中，因为存在中间的介电材料，不能产生等离子体。
为了保护所有的处理装置，可以有利地设置接地的保护罩，可将其机械固定在真空室中，提供悬挂固定用于其在每次生产活动之后必须的维护和清洁期间的处理，同样也减少了真空室中的RF放射。在这种情况中，必须采取预防措施防止一方面在这个保护罩和感应器之间形成任何离散的等离子体，另一方面防止在这个保护罩和形成法拉第屏的电极之间形成任何离散的等离子体，同样防止通过接地RF电容造成的电流损失。该离散电流通过在保护罩内表面和感应螺线管外表面之间保持至少几毫米的足够空间而被减小，并且如果需要的话与法拉第屏的凸缘一起。
为了防止形成任何离散的等离子体，必须在保护罩和感应器以及法拉第屏之间的空间中填充中间介电材料，例如固体材料、泡沫或纤维材料形式的聚合物、陶瓷或玻璃。当然也可以使用由玻璃纤维制成的纺织品。该材料必须与设计的处理温度范围相匹配，并且不会在使用期间被过度脱气，以便不会在处理期间污染基底。
附图说明
图1是根据本发明装置的一个具体实施方式的示意性透视图。
图2显示了构成图1中所示装置的各个元件的分解图。
图3是形成图1和图2中所示本发明实施方式的法拉第屏的电极的透视图。
图4根据本发明装置的另一实施方式的示意性图。
图5显示了根据本发明的用作等离子源的装置的一个有利的实施方式的分解图。
图6显示了根据本发明的用作离子源的装置的一个有利的实施方式的分解图。
图7显示了根据本发明的在其被装配好时的等离子源或离子源。
在各个附图中，相同的附图标记表示相似或相同的元件。
具体实施方式
1.根据本发明的装置：
在图1-3中示意性显示了一个根据本发明特别有利的实施方式的装置。这个装置1被安装在一个真空室中，并包括处理区域2，一个或多个金属基底可以在该处理区域中连续穿过。这个处理区域2位于装置内部。
在图1中显示了这样的一个装置，三根金属梁3互相平行沿其纵向方向中运动穿过该装置。梁3由一排在处理装置上游和下游的辊子支撑，所述辊子在图中未示出。
该装置具有用于在处理区域2中产生等离子体的设备。这些设备尤其包括连接至射频振荡器的感应器4，用于通过射频电感耦合在处理区域2中产生等离子体。感应器4，其至少部分地环绕处理区域2，有利地由包括一圈的螺线管形成。这个感应器4通过为此目的设置的连接器5和6经由一未被示出的阻抗匹配电路而被连接到射频振荡器(未示出)。连接器5或6的一个可以被连接到射频振荡器而连接器5或6的另一个则被接地。很清楚其他等效的配置——例如推挽式结构——也是可行的，该其他等效的配置通过两个因子中一个的接地减少了射频电压振幅。
在感应器4和处理区域2之间设置一个形成法拉第屏7的电极，在该位置处形成等离子体并保护感应器免受任何由基底表面发射物质的污染。这个电极7供以DC电源，根据施加目的其可以是脉冲电源或者是频率低于1MHz的高频(HF)电源。电极7具有用于供以DC或HF电源的连接器8。
为了能够冷却电极7，电极具有一个水循环回路，该水循环回路由连接器9供水并由连接器10排出。
感应器4和法拉第屏7为包围处理区域2的套筒形式。套筒的纵向轴线基本对应于基底的运行方向。套筒具有一入口和一出口，基底通过它们可以进入处理区域2和离开处理区域2。
如图3中所示，形成法拉第屏7的电极由位于两个凸缘12和13之间的中央部件构成。这些凸缘12和13由导电材料制成并是环形的。中央部件包括连续的条14，它们由它们相对的端部被分别连接到凸缘12和13。在条14之间具有槽15。这些槽15优选平行于基底行进方向延伸，或者换句话说，基本平行于构成感应器4的螺线管的轴线延伸。因此这些槽15基本垂直于感应器4中感应电流的方向。
槽15由纵梁16保护，该纵梁设置在处理区域2中形成法拉第屏7的电极内部，并由这个电极7的凸缘12和13支撑。在纵梁16和条14之间保持一小的距离，以便不会使得该槽15短路并以便使得由感应器4产生的电磁场能够延伸到处理区域2。一个凸缘12设置有前述用于其水冷回路的连接器9和10，并设置有用于通过DC或HF电源使电极7相对于基底3极化的连接器8。
很清楚形成法拉第屏7的电极并不必须由连续的条形成，但也可以包括一个设置有连续槽形式的开口的金属板。
在上述装置的实施方式的变型中，凸缘12和13可以具有至少一个切口，以便不会形成封闭回路并能够减小可能在其中由感应器4感应产生的电流振幅。
形成法拉第屏7的电极优选在感应器4内部感应之前涂敷一介电材料。
感应器4在覆盖保护罩18之前由一中间介电材料17保护。保护罩18通常电接地。这个保护罩18具有开口19、20和21，其该开口使连接器5和6通过。保护罩18在一些情况中也可以通过其在真空室中的固定点与接地电势隔离而被保持在浮动电位。
图4是根据本发明装置的具体结构的示意图。这个结构使得高吨位的较长产品能够被处理，例如具有I形横截面的梁3。装置1的横断面适应产品3的横断面。在这个结构中，处理装置1包括感应器4和形成法拉第屏7的电极，法拉第屏的凸缘12和13从感应器4露出以便不会成为感应电流的发生源。中间介电材料17和保护罩18未被示出，以便强调装置的有效部件。中间介电材料11看不见，因为其位于感应器4和电极7之间。感应器4通过连接器5和6被供以RF电源。在处理装置1的顶部中留有开口22，如果需要其使得待处理的产品能够借助于一个悬挂在单轨下方的支架而被输送，该支架未被示出。这个单轨在处理区域2外侧延伸。
也可以想象这样的一种情况，开口22在装置1的底部中。这使得基底能够通过在一个或多个轨道上运行的托架而被输送穿过处理区域2。向下的开口22也使其可能在一个未示出的回收容器中回收从污染层分离的碎片，所述污染层积聚在形成法拉第屏7的电极上。
强调以下内容是有益的，感应器，在其一个特别有利的形式中可以由包括一圈或多圈的螺线管形成，通常可以具有任意的几何形状。这是因为由感应器感应产生的电磁场被限制在等离子体的周围并接近保护感应器的形成法拉第屏的电极，电磁场强度基本与装置的通常几何形状无关并与任何接近的其他独立装置无关。这特别在涂敷时是有利的。例如，为了处理基底的一个具体表面，可以提供感应器和形成法拉第屏的电极，具有相似的形状的法拉第屏的表面基本平行于待处理表面并且产品在其前面穿过。
因此例如有可能通过这个方法独立地处理钢板的两面，该钢板在一由平直感应器构成的平直装置的前面穿过，所述平直感应器在待处理表面相对的一侧由其形成法拉第屏的电极保护。通过将板水平翻转180°，这种结构有可能由位于板下方的装置处理板的两面，并且其形成法拉第屏的电极能用作回收污染层的容器。
该装置的这种模块化设计的另一个优点在于能够通过限定电流流过的长度来限制感应器的电抗，但也能在处理较大产品时将射频功率在多个感应器上分配。例如如果需要处理一辆汽车的整个车身，可以设计一个使用四个装置的系统，其中两个装置宽度为2米，用于处理车体的顶面和底面，而其中两个装置宽度为1.5米，用于处理车体的侧面。这个模块化设计也使得装置的几何形状能够适应一些产品内部表面的处理，或者能够横向移动这些装置，并且因此垂直于待处理基底的运动方向，以便适应不同基底的具体横截面尺寸。
2.本发明的操作条件和具体结构
2.1处理气体的类型和压力
为了清洁金属产品，特别是钢质的较长形式产品和平直形式产品，真空室中气压固定在0.05Pa-5Pa之间(5×10-4mbar-5×10-2mbar)。
这个气体通常由100％的氩组成。在具体的应用中，该氩气可以混有氧、氢，或者可能混有例如He、Kr或Xe的稀有气体。
或者，当根据本发明的装置被用于对加热产品进行包含气体分子成分的扩散处理时，处理气体通常为氩气，在与基底表面进行活性处理时，可能混有包含待扩散至处理产品表面上的成分的气体。这种气体例如包括对于扩散碳到产品表面上时的碳氢化合物气体，或者对于附加金属至这个表面上时的有机金属化合物气体。通常该气体的总压力必须大于5Pa，以避免由于溅射造成基底表面侵蚀，并且优选在5Pa-100Pa之间(在0.05mbar-1mbar之间)。
2.2感应器的射频激发
根据感应器中电流流过的长度，感应器4有利地由1MHz-170MHz之间并且优选1-30MHz之间、特别是13.56MHz的激发频率激发。具有较大横截面的装置选择最低的频率，以减小感应器的扼流阻抗。由于相同的原因，感应器通常仅有一圈，其也可以将装置构造为如上所述并例如在图4中所示的具有一个开口。因此这允许使用悬挂在单轨或支架上的输送装置，和/或能够将去除的污染层收集到放置在处理装置下方的回收容器中，所述污染层可能从形成法拉第屏的电极上剥离。
最优选使用13.56MHz的频率，但低于10MHz并且特别是在2MHz-5MHz之间的频率对于感应器中电流流过长度超过3米的设备是有利的。每个装置的有用射频功率根据该装置的尺寸而变化，但通常大于或等于5KW。这个功率典型地为每个感应器在5KW-30KW之间，但也可以设计更低或更高的功率。
2.3形成法拉第屏的电极的激发
形成法拉第屏的电极相对于待处理基底或位于法拉第屏和基底之间的反电极而被正极化。这个基底或这个反电极通常但不全都接地。相对于待处理基底或反电极的电位，极化回路上的平均功率必须是正的，也就是说一个周期的电压积分与该周期的比值是正的。该极化因此可以是DC、整流过的AC、或者相对于具有任意负极性脉冲基底或反电极的正极化AC。
形成法拉第屏电极的激发频率相对于感应器的射频必须降低至少10倍。在实践中，这个激发频率低于1MHz并优选低于100KHz。在直流电(DC)的情况中，这个激发频率尤其零，可能具有负极性脉。
电源被连接到形成法拉第屏的电极和面向它的基底或电极。这个电源根据面向形成法拉第屏的电极并在这个电极前面运动穿过处理区域的基底面积大小按比例调节功率。
提到以下内容是有益的，应用于形成法拉第屏电极的功率优选至少等于应用于感应器的射频功率以能够产生等离子体。应用于该电极的这个功率有利地大于应用的射频功率。实际上，该方法是形成法拉第屏电极的功率与感应器连接射频功率的比值越大，就越节约。这一点对于冶金涂敷目的而言是非常重要的，其中消耗的功率相当巨大并且投资和使用RF电源的成本远高于那些在低于10KHz频率工作的电源成本。
2.4穿过处理装置的基底所满足的条件
穿过处理装置的金属基底必须具备有限的横截面尺寸，以便不会成为感应电流源。为此，基底必须不与等离子体的外围区域接触并且与其充分远离，所述等离子体的外围区域构成由感应器感应产生的电流源。这个等离子体的外围区域保护基底防止在其表面上产生任何感应电流，所述等离子体的外围区域通常在周围一厘米厚，其中主要在感应电场和由随机和撞击方法释放的电子之间在等离子体中感应产生全部的电子流并在其中发生能量转移。这个在等离子体外围处的感应电流层的作用是必不可少的，因此基本所有的感应电磁(EM)场位于其中，因为它使其可能在处理区域中待处理基底的穿过点处获得可以忽略的电磁场。等离子体因此为电磁波的传播提供一个有效的屏蔽，该电磁波的振幅在装置的轴线方向非常快速地衰弱。在根据本发明的装置中，这个物理特征使得可能处理导电材料，并且特别能够处理例如低碳钢的铁磁性材料。
为此目的，必须(1)在将基底穿过处理区域之前就存在等离子体，或者(2)激发等离子体可以通过与处于射频电源的感应器之前的感应器不同的设备产生，和(3)，如已经在上面提到的，处理后的基底充分远离等离子体的外围区域而通过，基本所有等离子体中感应产生的电子流在该等离子体的外围区域中流动。在实践中，基底表面上的任意点离开形成朝向等离子体的法拉第屏电极的表面将不小于约5cm。该感应电磁场随着相对于等离子体表面垂直运动远离感应器测得的距离变化而呈指数衰减。在距离为5cm处，信号振幅的衰减通常为其初始值的99％左右。
因此等离子体通过射频感应在与感应器成一直线的待处理基底或多个基底之前在感应器的表面附近产生，或者提供任意用于产生激发等离子体的装置，以在将射频电源连接到感应器之前在基底已经至少部分与感应器成一直线时产生等离子体。
在基底处理期间需要切断射频电源的情况中，用于等离子体电容激发的装置特别适合于这种应用。有利地，当感应器加电时，通过利用位于形成法拉第屏的电极附近处理区域中的激发电极，可以利用在感应器的上述连接器5或6处产生的高压。这个激发电极被连接到上述的连接器5或6，以便能够在这个激发电极和例如基底之间产生电容激发等离子体。
2.5利用磁镜
为了减少位于根据本发明装置前述凸缘12和13处的入口和出口处的双极扩散造成的等离子体损失，可以利用由螺线管构成的磁镜，其具有优选为直流电的电流通过。这两个螺线管有利地设置成环绕凸缘12和13。一个简单的设备由环绕保护罩18与凸缘12和13成一直线设置的两个螺线管构成。这些螺线管通过一个独立的发电机供以电流，该独立的发电机用于产生与每个螺线管成直线的最大感应磁场。
3实际应用的实施例
3.1用于平均截面的较长钢制产品的清洁装置
所用的装置是如图1-3中所示的类型。处理后产品标称的总的比表面积为2m2/m。形成法拉第屏7的电极的主要内部尺寸为1m×0.3m，有效轴向长度为0.55m。形成法拉第屏7的电极由水冷却。感应螺线管4由铜制成并由水冷却，其内表面离开感应等离子体的外表面2cm。
该装置被固定在真空室中位于两排能使产品3在处理区域2中输送的辊子之间。保护罩18被保持接地。真空室供以压力为5×10-3mbar并且温度为300°K的氩气。
在这些条件下，使用包括一连接至感应器4电极6的电极的电容激发装置。接地的产品3被用作反电极。在电容激发等离子体之后，该等离子体通过感应螺线管4的电磁感应而被保持，同时在13.56MHZ时其中损耗的有效电功率为15KW。
形成法拉第屏7的电极被连接到一个直流发电机，该直流发电机在其和产品之间维持57KW的功率，确保产品通过600V电压的离子轰击进行的表面清洁。等离子体外围处电磁场衰减系数的翻转等于1.14cm。等离子体外围指等离子体中感应电流基本流过的一定厚度的表皮。
当该装置的感应器不是以13.56MHz而是以3.39MHz激发时，所有的条件相同，等离子体的特性未改变，但感应器4的连接器5和6之间激发回路的阻抗更低。
3.2用于具有较高横截面的较长钢制产品的清洁装置
所用的装置是如图4中所示的类型，并设置有保护罩18和中间介电材料17，它们两者在这个图中均未示出。处理后产品标称的总的比表面积3m2/m。形成法拉第屏7的电极的主要内部尺寸为0.8m×0.9m，有效轴向长度为0.5m。
形成法拉第屏7的电极由水冷却。感应螺线管4由铜制成并由水冷却，其内表面离开感应等离子体的外表面2cm。该装置被固定在真空室中位于两排能使产品3在处理区域2中输送的辊子之间。保护罩18接地。真空室供以压力为5×10-3mbar并且温度为300°K的氩气。
在这些条件下，由连接至连接器6的电极组成的电容激发装置并将接地的产品3用作反电极来激发等离子体，其然后通过感应螺线管4的电磁感应而被保持，同时在13.56MHZ时其中损耗的有效电功率为15KW。形成法拉第屏7的电极被连接到一个直流发电机，该直流发电机在其和产品之间维持50KW的功率，确保产品通过600V电压的离子轰击进行表面清洁。等离子体外围处电磁场衰减系数的翻转等于1.37cm。等离子体外围指等离子体中感应电流基本流过的一定厚度的表皮。
3.3适于钢板连续清洁的装置
所用的装置是如图1-3中所示的类型。处理后产品标称的总的比表面积为3m2/m。特别是1.5m宽的板。形成法拉第屏7的电极的主要内部尺寸为1.7m×0.2m，有效轴向长度为0.7m。形成法拉第屏7的电极由水冷却。感应螺线管4由铜制成并由水冷却，其内表面离开感应等离子体的外表面2cm。该装置被固定在真空室中，因此垂直移动的板在其中间平面处穿过。保护罩18接地。真空室供以压力为5×10-3mbar并且温度为300°K的氩气。
在这些条件下，使用包括一连接至感应器4电极6的电极的电容激发装置。接地的板被用作反电极，获得激发的等离子体，其然后通过感应螺线管4的电磁感应而被保持，在13.56MHZ时其中损耗的有效电功率为25KW。
形成法拉第屏7的电极被连接到一个直流发电机，其在直流发电机和产品之间维持148KW的功率，确保基底通过900V电压的离子轰击进行表面清洁。在这些操作条件下，等离子体外围处电磁场衰减系数的翻转，也就是说其中感应电流主要流动的等离子体的表皮层厚度，等于1.2cm。
4.根据本发明形成等离子体源或离子源的装置
本发明的原理也使其可能产生一种等离子体源或离子源。
图5显示了一个根据本发明利用等离子体源的装置的具体结构。在这个结构中，不必极化任何基底就可以产生等离子体，其离子以给定的能量被加速。这是因为在形成法拉第屏7的电极和导电基底之间不再建立极化，但实际上在电极7和格栅24形式的反电极23之间形成。反电极23具有基准尺寸“d”的开口。在激发格栅24中形成开口的基准尺寸“d”典型地大约等于在等离子体界面处自然形成的鞘的厚度，并且这个反电极23被保持在其激发电位。
格栅24中开口的最佳间距大约为相当于由感应器产生的等离子体密度的鞘的厚度的两倍，并且该鞘的产生也对应于给该形成法拉第屏7电极相对于格栅24所施加平均正极化。这是因为，在在对于等离子体源的这些条件下，等离子体通过确定离子路径的边界和场线不会分散穿过开口，所述离子通过静电学预测穿过这些开口。
形成法拉第屏7的电极为具有底部25和侧壁26的容器形式。在底部25中设置槽15，所述槽互相平行延伸并基本垂直于感应器4中感应电流的流动方向。
根据本发明，格栅24的引出电位相对于形成法拉第屏7的电极电位当然为平均正电位，所述形成法拉第屏7的电极电位平均为负电位。这是因为电极电位形成相对于反电极23固定的法拉第屏7。反电极23的电位有利地可以为接地电位。在这些条件下，如果这个格栅24的区域开口部分的开口比例与其投影总面积相比较高，那么在等离子体鞘处形成的电场线主要穿过格栅24。这例如可以通过使用由钨、钼、钢或其他金属制成比开口尺寸“d”更小的尺寸而实现。典型地，尺寸“d”在正常使用条件下约为1mm，可以使用零点几毫米的金属线来形成引出格栅24。
在本发明这个具体形式的其他实施方式中，格栅24可以由互相分离间距“d”的平行金属线构成。
这是因为，当形成法拉第屏7的电极电位相对于反电极23为平均+600V时，氩离子在约2×10-11cm-3的鞘处具有等离子体密度，典型地观察到1.2mm厚的鞘。格栅24有利地与保护罩18电连接，如果需要其可被接地。
在这些条件下，沿着场线流动的离子穿过引出格栅24中的开口，该离子的动能由在等离子体和这个格栅24之间形成的鞘的电位决定，鞘的电位本身由固定在形成法拉第屏7电极处与反电极23相关的电位决定。在前一实施例中，离子被引出具有约600eV的能量的等离子体源。
为了防止形成正空间电荷，离子流通常由一个独立电子源产生的电子流所中和。更好且更廉价的设备利用脉冲电源构成，以便将形成法拉第屏7的电极极化。这是因为，在这些条件下，通过在形成法拉第屏7的电极上施加较短持续时间但重复的负脉冲，电子能够穿过格栅中的开口逸出，相对于形成法拉第屏7的电极所述格栅通过脉冲处于正电位，并且能够中和电子流。
这因此是一个真正的等离子体源。与正极化的持续时间相比，负脉冲的持续时间保持得更短。这同样适用于负脉冲电位的绝对值。假设电子的迁移率远大于离子的迁移率，与正电位值相比其可以保持较低。
槽15在形成法拉第屏7的电极中产生。这些槽15当然可以由纵梁16保护，所述纵梁未在图5中示出并固定到电极7的侧壁26。这些侧壁26等效于图1-4中示出的凸缘12和13。
等离子体源的几何形状决不局限于图5的平面形状。这是因为这个几何形状可以是如图1-4中所示的封闭结构。在几何结构这个具体的情况中，引出格栅24必须具有类似于形成法拉第屏7并设置在侧壁26上方的电极的形状，以便与法拉第屏7的电位电绝缘。
在图6中，显示了一个根据本发明利用离子源的装置的实施方式。
在这个例子中，形成法拉第屏7的电极借助于出口格栅27封闭，所述格栅27的电位与形成法拉第屏7的电极电位相同。形成反电极23的引出格栅24必须面向离子出口格栅27设置并离开约“d”的间距，所述引出格栅24相对于出口格栅27为平均负电位，所述出口格栅27为平均正电位。在这些条件下，基于所公知的离子源方法，可以最优化格栅中开口的几何形状，因此电场线来自等离子体并穿过两个格栅，以致离子不会轰击这两个格栅并且不会侵蚀它们。离子然后主要在分隔格栅27和24的间隙“d”中被加速。这例如在由Ian G.Brown，John Wiley & Sons发表的ISBN编号0471857084(1989)“The Physics and Technology of IonSources”中详细描述。
如上面在等离子体源的离子中提到的，离子流能通过一个独立的本发明电子源而被中和，其在图6中未示出。然而，利用脉冲电源来极化形成法拉第屏7的电极也是特别有利的，因此在每次应用到这个电极7和格栅27的负脉冲时，电子可以从位于电极7和格栅27之间的等离子体空间中逸出，并且在两个格栅27和24之间的加速之后，穿过引出格栅24，以便中和在形成法拉第屏7电极极化周期主要部分期间放射出的离子流。
由形状类似于形成法拉第屏7电极的容器28形成的保护罩18环绕法拉第屏7。在形成法拉第屏7的电极和感应器14之间具有介电材料11。形成保护罩18的容器28的内表面涂覆有介电材料17。形成法拉第屏7的电极与感应器4一起容纳在保护罩18中。
形成法拉第屏7的电极相对于引出格栅24被平均正极化。该引出格栅可以关于保护罩18电绝缘，但通常处于这个保护罩18的电位。引出格栅24的电位有利的为地电位，但这不是必须的。
在离子源的情况中，系统也可以包括三个电极：出口格栅27，引出格栅24以及位于这两个格栅27和24之间的补充电极，与出口格栅27相比更靠近引出格栅24，并比引出格栅24的电位略微更负一些，用于当由独立于该装置的源产生电子时防止这些电子回到出口格栅27。这个独立的电子源可以是中空阴极发射电子源或丝状发射电子源。由格栅形成的不同电极中开口的几何形状和相对位置基于通常所说Pierce等势线(由IanG.Broun，John Wiley & Sons发表的ISBN为0471857084(1989)“ThePhysics and Technology of Ion Sources”，第28页)。
图7显示了图5或6分解视图中示出组成部件的装配。
为了附图清晰的原因，很清楚格栅24和27的网眼以及在图5和7中示出的间距“d”并不是按比例的。
在形成法拉第屏7的电极附近始终必须具有气体的注入(在附图中未示出)，并且特别在等离子体和离子源的情况中这是必须的，因为必须补偿与从源形成离子流有关的气体损耗。
上面描述的等离子体和离子源具有这样的优点，其具有非常简化的结构，并能抵抗来自受处理产品的污染。
另外，等离子体以感应方式被经济地产生，并且离子的加速也借助于直流电源而被经济地实现，该直流电源可以是脉冲的。因此产生具有较高能量效率的等离子体或离子源。
有可能产生源，用于任何几何形状并且特别是具有例如最高3m长的较大尺寸的平面几何形状，例如用于建筑玻璃在真空涂覆之前的预处理。
该等离子体源可用于清洁建筑玻璃。在这种情况中，所用的该装置为图5中所示的等离子体源的形式，并且适于在通过溅射的涂覆之前清洁3m宽的玻璃板。该装置被供以氩气并产生氩等离子体，其离子借助于脉冲直流电源通过关于形成法拉第屏7的电极相对极化引出格栅24而被以约300eV的能量引出。形成法拉第屏7的电极电位相对于地电位为+300V，引出格栅24处于接地保护罩18的电位。在射频13.56MHz、5KW的脉冲直流电源的情况中，能量损耗约为15KW。

Claims (28)

1.用于通过等离子体处理金属或绝缘基底的方法，其中至少一个基底基本连续地在具有处理区域(2)的真空室中行进，穿过该处理区域(2)，所述等离子体借助于连接至射频发生器的感应器(4)通过射频感应耦合而被保持在所述处理区域(2)中，其中通过法拉第屏(7)保护所述感应器(4)免于被所述基底(3)的表面所发射物质的任何污染，所述法拉第屏(7)位于所述等离子体和所述感应器(4)之间，
其特征在于：所述法拉第屏(7)构成一导电电极；并且，所述法拉第屏(7)相对于所述基底(3)或相对于存在于所述等离子体中的反电极(23)被平均正电极化，因此将存在于所述等离子体中的离子朝着所述基底(3)或朝着所述反电极(23)加速，并且在形成所述法拉第屏(7)的电极处回收来自所述等离子体的电子，所述等离子体在所述法拉第屏和所述处理区域中的所述基底之间产生或在所述法拉第屏和所述反电极之间产生。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于：所述法拉第屏(7)经受一系列包括负脉冲的极化循环。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述法拉第屏(7)的激发频率至少低于连接至所述感应器(4)的射频发生器的频率的十分之一，并且具体低于1MHz。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述法拉第屏(7)相对于所述基底(3)被平均正极化；并且，供给所述法拉第屏(7)的电源在该法拉第屏(7)和所述基底(3)之间连接，并且与所述处理区(2)中在所述法拉第屏(7)前面移动的所述基底(3)的面积成比例地被调节功率。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述法拉第屏(7)和所述基底(3)或所述反电极的表面之间保持2cm的最小间距。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述法拉第屏(7)和所述基底(3)或所述反电极的表面之间保持5cm的最小间距。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述感应器(4)由所述射频发生器施以功率之前在所述处理区域(2)中产生等离子体。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述等离子体通过在所述基底(3)进入和/或离开所述处理区域(2)处磁场的产生而被限定在所述处理区域(2)内。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述法拉第屏(7)和所述基底(3)之间施加的电功率至少等于用于产生所述等离子体的射频功率。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过存在的一系列的槽(15)允许将所述感应器(4)的电磁功率穿过所述法拉第屏(7)传递给所述等离子体，所述槽(15)基本互相平行且基本垂直于所述感应器(4)中感应电流的流动方向。
11.用于通过等离子体处理金属或绝缘基底的装置，其包括具有处理区域(2)的真空室，金属或绝缘基底能够基本连续地在该真空室中行进，所述装置包括：感应器(4)，该感应器连接至射频发生器以便产生等离子体；和法拉第屏(7)，该法拉第屏邻接所述等离子体并位于所述等离子体和所述感应器(4)之间用以保护所述感应器(4)免于由所述基底(3)的表面所发射材料的任何污染，其中所述等离子体在所述处理区域(2)中产生，或者在所述法拉第屏和存在于所述等离子体中的反电极(23)之间的空间中产生，
其特征在于：所述法拉第屏(7)构成一导电电极，并且相对于所述基底(3)或相对于所述反电极(23)被平均正电极化；
并且，所述法拉第屏(7)被布置成：所述等离子体在所述法拉第屏(7)和所述处理区域(2)中的所述基底(3)之间产生或在所述法拉第屏(7)和所述反电极(23)之间产生。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于：在所述感应器(4)和所述法拉第屏(7)之间设置中间空间，该中间空间充满介电材料(11)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：所述感应器(4)和所述法拉第屏(7)之间的距离在0.1cm-10cm之间。
14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于：所述中间介电材料(11)包括一种或多种以下材料：特弗隆的聚合物、陶瓷泡沫或玻璃棉或氧化铝棉。
15.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：在所述法拉第屏(7)和该法拉第屏(7)的电源之间设置一低通过滤器，仅允许低于1MHz的频率通过。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于：所述低通过滤器仅允许低于100KHz的频率通过。
17.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：所述法拉第屏(7)具有一系列的槽(15)，所述槽基本互相平行并基本垂直于所述感应器(4)中感应电流的流动方向。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于：纵梁(16)在所述等离子体一侧的所述槽(15)的对面离开所述槽(15)一小的距离，以便不会使得所述槽(15)短路并以便使得由所述感应器(4)产生的电磁场能够延伸到所述处理区域(2)。
19.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：设置接地并保持在浮动电位的保护罩(18)，该保护罩环绕所述感应器(4)。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于：在所述感应器(4)和所述保护罩(18)之间存在一中间空间，该中间空间充满介电材料(17)。
21.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：所述感应器(4)包括至少一个感应线圈。
22.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：所述感应器(4)以1MHz-170MHz之间的频率被激发。
23.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：所述法拉第屏(7)的电源具有至少低于连接至所述感应器(4)的频率的十分之一的激发频率。
24.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：设置用于能够产生点火等离子体的设备，所述点火等离子体在所述感应器(4)被施以射频功率以产生所述等离子体之前产生。
25.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：所述感应器(4)和所述法拉第屏(7)呈套筒形式，该套筒包围所述处理区域(2)并且其纵向轴线基本对应于所述基底(3)的行进方向，该套筒具有一入口和一出口，所述基底(3)通过所述入口和所述出口能够进入所述处理区域(2)和离开所述处理区域(2)。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于：所述套筒具有一沿其整个纵向方向延伸的开口。
27.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于：与形成所述法拉第屏(7)的电极相对地设置一反电极(23)，该反电极具有宽度(d)对应于鞘的厚度的开口或槽，所述鞘由等离子体和该反电极(23)的界面形成，该形成法拉第屏的电极相对于所述反电极(23)被平均正电极化，以便构成等离子体源或离子源。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于：在形成所述法拉第屏(7)的电极和所述反电极之间具有一出口格栅(27)，该出口格栅(27)处于与所述法拉第屏(7)相同的电位，并且朝向所述反电极离开所述反电极(23)一充分短的距离定位，使得在所述出口格栅(27)和所述反电极(23)之间不会存在等离子体。
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