DE3011686A1 - Vorrichtung zur plasma-oberflaechenbehandlung von werkstoffen - Google Patents

Vorrichtung zur plasma-oberflaechenbehandlung von werkstoffen

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DE3011686A1 DE19803011686 DE3011686A DE3011686A1 DE 3011686 A1 DE3011686 A1 DE 3011686A1 DE 19803011686 DE19803011686 DE 19803011686 DE 3011686 A DE3011686 A DE 3011686A DE 3011686 A1 DE3011686 A1 DE 3011686A1
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Description

26. März 1980
"Vorrichtung zur Plasma-Oberflächenbehandlung von Werkstoffen"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung der Oberfläche beispielsweise eines Metallsubstrats unter Anwendung eines durch Mikrowellenentladung erzeugten Plasmas.
Bei einer bisherigen Oberflächenbehandlungsvorrichtung unter Anwendung eines Plasmas wird Hochfrequenzenergie im MHz-Bereich in ein geschlossenes Gefäß oder einen Behälter, das bzw. der ein vorbestimmtes Gas enthält, über eine um das Gefäß herum angeordnete Spule eingeleitet. Im geschlossenen Gefäß findet durch die Energiezufuhr eine Entladung statt, durch die ein Gasplasma zur Behandlung der Oberfläche des betreffenden Werkstoffs oder -Stücks erzeugt wird. Diese bisherige Vorrichtung ist mit den im folgenden zu beschreibenden Mängeln behaftet. Zum einen verwendet diese Vorrichtung eine Hochfrequenzentladung, wobei es schwierig ist, das Plasma und den Hochfrequenzoszillator aufeinander abzustimmen. Außerdem tritt bei der Hochfrequenzentladung ein großer Strahlungsverlust aus einer Entladungskammer nach außen auf. Folglich ist es schwierig, Hochfrequenzenergie oder -leistung wirksam und wirtschaftlich in ein Gasplasma einzuführen. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß zum Ausgleich für den niedrigen Wirkungsgrad ein großer Oszillator und eine große Energie- bzw. Stromquelle benötigt werden. Diese bisherige Vorrichtung besitzt also, kurz gesagt, einen niedrigen Wirkungsgrad bezüglich der Erzeu-
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gung von aktiven Anteilen (active species) im Plasma, etwa aktiviertes Gas und aktivierte Ionen, woraus ein niedriger Behandlungs- oder Umsetzungswirkungsgrad resultiert.
In neuerer Zeit ist eine chemische Trockenätz- bzw· CDE-Vorrichtung unter Anwendung einer Mikrowellenentladung entwickelt worden, bei welcher ein Halbleitersubstrat o.dgl. in einer vom Plasmabereich entfernten Position geätzt wird, um eine Beschädigung des Werkstücks durch das Plasma zu verhindern. Bei dieser Vorrichtung erfolgt also das Ätzen in einem Teil des Plasmabereichs, in welchem keine Beschädigung des Werkstücks durch das Plasma zu befürchten ist bzw. das Werkstück eindeutig nicht beschädigt wird. Dabei erfolgt die Erzeugung des Plasmas in einem Abschnitt, in welchem ein Gefäß oder Behälter den Wellenleiter für Mikrowellen durchsetzt, woraus sich ergibt, daß die Abmessungen des Ätzabschnitts durch den Durchmesser des Wellenleiters begrenzt werden. Infolgedessen ist dabei die Behandlung einer großen Zahl von Werkstücken oder großer Werkstücke nicht möglich. Außerdem ist es nicht möglich, den Gasdruck in der Entladungskammer über einen weiten Bereich hinweg einzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Oberflächenbehandlungsvorrichtung unter Verwendung eines durch Mikrowellenentladung erzeugten Plasmas, wobei diese Vorrichtung einen hohen Behandlungswirkungsgrad und einen großen Plasmabereich für die Durchführung der Oberflächenbehandlung besitzen, bezüglich des Gasdrucks im Plasmabereich über einen weiten Bereich hinweg einstellbar bzw. regelbar und für die Behandlung der Oberflächen verschiedener fester Werkstoffe geeignet sein soll.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstoffs oder Werkstücks in einem
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durch Mikrowellenentladung erzeugten Gasplasma, bestehend aus einem Mikrowellengenerator, einem Wellenleiter zur Übertragung der vom Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowelle, einem geschlossenen Gefäß bzw. Behälter, in welchem mittels der Mikrowelle ein Gasplasma zur Behandlung der Oberfläche des Werkstoffs erzeugbar ist, einer Einrichtung zur Einleitung eines Gases in den geschlossenen Behälter und einer Einrichtung zum Absaugen des Gases aus dem geschlossenen Behälter) erfindungsgemäß gelöst durch eine zumindest teilweise in den geschlossenen Behälter eingeführte Antenne zur Abnahme der Mikrowelle vom Wellenleiter und zur Einführung der Mikrowelle in den geschlossenen Behälter zwecks Erzeugung eines Gasplasmas und durch einen aus einem Mikrowellen übertragenden bzw. leitenden Material geformten und luftdicht am geschlossenen Behälter montierten zylindrischen Körper, welcher die Antenne an dem in den geschlossenen Behälter hineinreichenden Teil umschließt.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Nitrieren der Oberfläche eines Metallsubstrats zeigt.
Bei der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsvorrichtung wird eine von einem Wellenleiter übertragene Mikrowelle von einer Antenne abgenommen und in einen geschlossenen Behälter überführt, um in diesem um die Antenne herum ein Plasma zu erzeugen. Das Plasma kann somit in einem geschlossenen Behälter erzeugt werden, der einen größeren Durchmesser als der Wellenleiter besitzt. Außerdem ist die Antenne in einem zylindrischen Körper aus einem Mikrowellen übertragenden Material angeordnet, so daß eine Beeinflussung der Antenne durch das Plasma verhindert wird. Mit dieser Konstruktion kann der zu behandelnde Werkstoff
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vor einer Verunreinigung durch von der Antenne versprühtes Material geschützt werden, während gleichzeitig auch die Betriebslebensdauer der Antenne verlängert wird. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Regelung des Gasdrucks im geschlossenen Behälter über einen weiten Bereich hinweg erlaubt.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung dient zum Nitrieren einer Metalloberfläche mittels eines Gasplasmas, das durch Mikrowellenentladung in einem Gemisch aus gasförmigem Stickstoff und gasförmigem Wasserstoff erzeugt wird. Eine von einem Mikrowellengenerator 1 erzeugte Mikrowelle von z.B. 2 400 MHz wird in einem Wellenleiter 2 (Japanische Industrienorm WRJ-2, 109x53 mm) übertragen. Der Wellenleiter 2 ist mit einer Anpaßeinrichtung aus einem Kolben 3 und einem Dreischaft-Abstimmer k zur Abstimmung bzw. Anpassung der Mikrowellenübertragung versehen. Ein geschlossener Behälter 5 mit z.B. 30 cm Innendurchmesser und 50 cm Länge, weichereine Plasmaerzeugungskammer darstellt, besitzt ersichtlicherweise einen größeren Durchmesser als der Wellenleiter 2. Der Behälter 5 besteht aus einem Werkstoff, welcher Mikrowellen nicht überträgt bzw. nicht leitet, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, um einen Austritt von Mikrowellen zu verhindern. Durch die Verwendung des speziellen Werkstoffs wird der Wirkungsgrad der Injektion bzw. Einführung der Mikrowellen in den geschlossenen Behälter 5 verbessert. Der geschlossene Behälter 5 kann auch aus eine« nicht-metallischen Werkstoff bestehen, der mit einer leitfähigen Schicht oder mit einer Wasserschicht überzogen ist.
Der geschlossene Behälter 5 ist mit einem Gasauslaß 6 und einem Gaseinlaß 7 versehen. Eine Evakuiereinrichtung 8 aus einer Diffusionspumpe 8a, einer Kreisel-bzw. Flügelpumpe 8b und einer Kalt h aftstelle bzw. Kältefalle 8c ist über ein
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Ventil 9 an den Gasauslaß angeschlossen. Andererseits ist eine Stickstoffgasflasche 12 über ein Ventil 10 und einen Strömungsmesser 11 mit dem Gaseinlaß 7 verbunden. Eine weitere Stickstoffgasflasche 15 ist über ein Ventil 13 und einen Strömungsmesser 14 an den Gaseinlaß 7 angeschlossen. Der geschlossene Behälter 5 besitzt einen Durchmesser, welcher der halben Wellenlänge der Mikrowelle entspricht oder größer ist als diese, und er enthält einen Quarzzylinder mit z.B. 25 cm Durchmesser und 30 cm Länge. Eine Probe bzw. ein Prüfling (sample) 17 ist an der Innenwand des Quarzzylinders 16 montiert. Da Quarz ein Isoliermaterial darstellt, ist die Probe 17 gegenüber dem geschlossenen Behälter 5 isoliert, d.h. sie befindet sich in einem elektrisch ungeerdeten Zustand. An der Außenwand dieses Behälters 5 ist ein Ionisations-Vakuumanzeiger 18 zur Überwachung des Unterdrucks im Behälter 5 beim Evakuieren montiert. An der Außenwand des Behälters 5 ist weiterhin ein Membran-Druckmesser bzw. -Manometer 19 montiert, mit dessen Hilfe der Druck im Behälter 5 im Betrieb der Vorrichtung überwacht werden kann. Um den geschlossenen Behälter 5 ist weiterhin eine Kühlschlange 20 herumgewickelt. Durch die Kühlschlange 20 strömt Kühlwasser zur Kühlung des Behälters 5 von außen her.
In den Wellenleiter 2 ist ein als Antenne dienendes Kupferrohr 21 mit z.B. einem Außendurchmesser von 6 mm und einem Innendurchmesser von 4 mm eingefügt. Die Antenne (Strahler) 21 nimmt die im Wellenleiter 2 übertragene Mikrowelle ab und führt si« in den geschlossenen Behälter 5 ein. Anstelle eines Metallrohrs kann für die Antenne 21 ein Rohr aus einem MLkrowellerjleitenden Material, z.B. Quarz, verwendet werden, dessen Außenfläche mit eines leitfähigen Werkstoff, wie Kohlenstoff, beschichtet ist. In diesem Fall braucht der eine Endabschnitt der Antenne 21 den Wellenleiter 2 nicht zu durchsetzen, sondern kann innerhalb des WeI-
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lenleiters 2 enden. Weiterhin ist ein zylindrischer Körper 22 mit einem geschlossenen Ende, welcher die Antenne 21 aufnimmt, in den Hittelbereich des Behälters 5 eingesetzt. Dieser zylindrische Körper 22 besteht aus einem Mikrowellen übertragenden bzw. leitenden Werkstoff, z.B. Quarz, und er besitzt beispielsweise einen Außendurchmesser von 20 mm und eine Wanddicke von 2 mm. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der untere bzw. Basisteil des zylindrischen Körpers 22 unter Verwendung von z.B. O-Ringen 23 luftdicht am Bodenteil des geschlossenen Behälters 5 befestigt. Ein geeignetes Kühlgas 24, etwa ein nicht-oxidierendes Gas, wie ein Edelgas oder gasförmiger Stickstoff, wird zur Kühlung der Antenne 21 und des diese umgebenden zylindrischen Körpers 22 durch die Antenne 21 hindurchgeleitet. Im Betrieb der Vorrichtung mit dem beschriebenen Aufbau wird zunächst die Evakuiereinrichtung 8 in Betrieb gesetzt, um den geschlossenen Behälter 5 zu evakuieren und gasförmigen Stickstoff sowie gasförmigen Wasserstoff in einem gewünschten Mischungsverhältnis in den Behälter 5 einzuführen. Das Gasgemisch wird mit Mikrowellenenergie beaufschlagt, so daß ein Gasplasma 25 erzeugt wird, durch welches die Oberfläche der Probe 17 nitriert wird. Der die Probe bzw. den Prüfling 17 an seiner Innenfläche tragende Quarzzylinder 16 dient nebenbei auch zur Verhinderung eines Streutns bzw. Diffundierens des Plasmas 25, so daß dieses die Innenfläche des geschlossenen Behälters 5 erreichen könnte. Auf ähnliche Weise schützt der aus Quarz bestehende zylindrische Körper 22 die Antenne 21 vor der Einwirkung des Plasmas 25.
Mittels der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung wurde in der Praxis eine Nitrierbehandlung eines legierten Stahls vorgenommen. Dabei wurde ein Chip aus Aluminium-Chrom-Molybdän-Stahl (Japanische Industrie-Norm SACM 1) mit den Abmessungen von 15x15x2mm als Probe bzw. PrUf-
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ling 17 an der Innenwandfläche des Quarzzylinders 16 gehaltert. Sodann wurde der geschlossene Behälter 5 mittels der Diffusionspumpe 8a auf einen Unterdruck von 1 χ 10 Torr evakuiert, worauf das Ventil der Diffusionspumpe 8a geschlossen und die Ventile 10 und 13 geöffnet wurden, um gasförmigen Stickstoff und gasförmigen Wasserstoff in den geschlossenen Behälter 5 einzuführen; der Innendruck im Behälter 5 betrug dabei etwa 1,5 Torr. Bei diesem Versuch wurden das Stickstoffgas und das Wasserstoffgas im Verhältnis von 1:1 miteinander vermischt, obgleich das jeweilige Mischungsverhältnis je nach der Art des zu nitrierenden Werkstücks unterschiedlich sein kann. Die Flügel- oder Kreiselpumpe 8b wurde ständig in Betrieb gehalten, um das in den geschlossenen Behälter 5 eingeführte Gasgemisch über die flüssigen Stickstoff enthaltende Kältefalle 8c abzusaugen, wobei die Absauggeschwindigkeit mittels des Ventile 9 so geregelt wurde, daß das Gasgemisch den geschlossenen Behälter 5 mit einer Durchsatzgeschwindigkeit von etwa 20 ml/min durchströmte. Durch den Innendurchgang der Antenne 21 wurde weiterhin als Kühlmittel Argongas hindurchgeleitet.
Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen wurde eine Mikrowelle von 830 W und 2 430 HHz vom Mikrowellengenerator aus an das insbesondere im Quarzzylinder 16 befindliche Gasgemisch angelegt, um das Gasplasma 23 zu erzeugen. Mittels des Plasmas 23 wurden aktive Anteile bzw. Stoffe, wie Stickstoffionen, molekulare Stickstoff-Wasserstoffionen und verschiedene Radikale bzw. Reste erzeugt, wobei eine Reaktion zwischen diesen aktiven Anteilen und dem Prüfling 17 stattfand. Die Plasmareaktion dauerte 2 Stunden lang, worauf die Mikrowellenentladung beendet, der Prüfling aus dem Behälter herausgenommen und der geschlossene Behälter mit Stickstoffgas durchgespült wurde. Die Oberfläche des be-
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handelten Prüflings hatte eine graue Farbe angenommen. Ein mallurgisches Schliffbild eines Querschnitt des behandelten Prüflings zeigte weiterhin, daß sich auf der Oberfläche des Prüflings eine gleichmäßige, sehr harte Nitrierschicht von etwa 100 bis 200 μΐη Dicke abgesetzt hatte.
Die vorstehend beschriebene Oberflächenbehandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist somit eine Plasmaerzeugungskammer auf, die durch einen von einem Wellenleiter getrennt angeordneten geschlossenen Behälter gebildet wird. Aufgrund dieser Konstruktion kann der Plasmabereich erweitert werden, so daß eine größere Zahl von Prüflingen und/oder größere Prüflinge behandelt werden können. Aufgrund der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewandten Mikrowellenentladung kann eine stabile Entladung aufrechterhalten werden, auch wenn der Gasdruck innerhalb des Plasmabereichs in weiten Grenzen geändert wird. Ersichtlicherweise eignet sich somit die erfindungsgemäße Vorrichtung für verschiedene Oberflächenbehandlungen verschiedenartiger Prüflinge bzw. Werkstücke, beispielsweise für die Nitrierung, die Aufkohlung, das Ätzen und eine Plasmareaktion. Speziell ist darauf hinzuweisen, daß aufgrund des großen Entladungsraums und der Verwendung einer Hochfrequenz-Mikrowelle eine Mikrowellenentladung unter einem
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sehr niedrigen Druck von z.B. 10 bis 10 J Torr stattfinden kann. Infolgedessen wird die freie mittlere Strecke der aktiven Anteile, wie Ionen und Radikale, vergrößert, so daß in einem großen Bereich ein gleichmäßiges Plasma erzeugt wird. Aufgrund dieser Bedingungen kann die Oberfläche eines Prüflings bzw. Werkstücks gleichmäßig behandelt werden.
Ein weiterer, erwähnenswerter Vorteil besteht darin, daß durch die Anwendung einer Mikrowellenentladung die Abstim-
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mung bzw. Anpassung erleichtert wird. Durch die Verwendung eines Wellenleiters und einer Metallantenne für die MikrowellenUbertragung werden darüber hinaus die elektromagnetischen Strahlungsverluste erheblich verringert, wodurch ein hoher Energieausnutzungswirkungsgrad erzielt wird. Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne weiteres eine hohe Energie an das Plasma angelegt werden, so daß sich die Behandlungsgeschwindigkeit erhöht und damit die Behandlungszeit verkürzt.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Metalloberfläche unter einem Druck von etwa 1,5 Torr in einem Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch nitriert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch auch für die Behandlung der Oberflächen von Polymeren, wie Kunststoffen oder Kunstharzen, unter einem Edelgasdruck, z.B. Argongasdruck, oder Sauerstoff(gas)druck von etwa 1 χ 10 Torr sowie für die Durchführung einer Plasmapolymerisation unter Verwendung eines organischen monomeren Gases zur Ausbildung eines dünnen Polymerfilms auf einem Substrat einsetzbar.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH
    Vorrichtung zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstoffs oder Werkstücks in einem durch Mikrowellenentladung erzeugten Gasplasma, bestehend aus einem Mikrowellengenerator, einem Wellenleiter zur Übertragung der vom Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowelle, einem geschlossenen Gefäß bzw. Behälter, in welchem mittels der Mikrowelle ein Gasplasma zur Behandlung der Oberfläche des Werkstoffs erzeugbar ist, einer Einrichtung zur Einleitung eines Gases in den geschlossenen Behälter und einer Einrichtung zum Absaugen des Gases aus dem geschlossenen Behälter, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise in den geschlossenen Behälter (5) eingeführt· Antenne (21) zur Abnahme der Mikrowelle vom Wellenleiter (2) und zur Einführung der Mikrowelle in den geschlossenen Behälter (5) zwecks Erzeugung eines Gasplasaas (23) und durch einen aus einem Mikrowellen übertragenden bzw. leitenden Material geformten und luftdicht am geschlossenen Behälter (5) montierten zylindrischen Körper (23), welcher die Antenne (21) an dem in den geschlossenen Behälter (5) hineinreichenden Teil umschließt.
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DE19803011686 1979-03-30 1980-03-26 Vorrichtung zur plasma-oberflaechenbehandlung von werkstoffen Ceased DE3011686A1 (de)

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