EP0429501A1 - Vorrichtung zur plasmabehandlung mit einer anode - Google Patents

Vorrichtung zur plasmabehandlung mit einer anode

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EP0429501A1
EP0429501A1 EP19890909158 EP89909158A EP0429501A1 EP 0429501 A1 EP0429501 A1 EP 0429501A1 EP 19890909158 EP19890909158 EP 19890909158 EP 89909158 A EP89909158 A EP 89909158A EP 0429501 A1 EP0429501 A1 EP 0429501A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
workpieces
individual anodes
individual
anodes
Prior art date
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Ceased
Application number
EP19890909158
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Elwart
Werner Oppel
Wolfgang Rembges
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kloeckner Ionon GmbH
Original Assignee
Kloeckner Ionon GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Kloeckner Ionon GmbH filed Critical Kloeckner Ionon GmbH
Publication of EP0429501A1 publication Critical patent/EP0429501A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding

Definitions

  • the invention relates to a device for plasma treatment with a cathodically connected charging plate for receiving several workpieces lying next to one another and possibly one above the other and with an anode.
  • the object of the invention is to remedy the problems which occur in the known devices of the type mentioned at the outset due to different thicknesses and / or different temperature values on the surface of a workpiece and to provide a device of the type mentioned at the beginning in which the individual to be treated Glow surfaces as evenly as possible.
  • the anode has a supporting part located above the workpieces, which is electrically conductive, which can be connected to a supply line for a glow voltage and at which elongated individual anodes can be attached at different selectable locations, which are located between the adjacent workpieces protrude.
  • the elongated individual anodes are immersed in the ravines between the workpieces lying next to one another, the individual anodes are designed and arranged in such a way that the electric field on all surfaces to be treated has the same possible values.
  • the arrangement can be adapted to the respective geometrical conditions of a particular batch.
  • the individual anodes are arranged in such a way that they cannot come into contact with workpieces. They will continue to be positioned so that the field conditions no longer vary locally.
  • the length of the individual anodes can also be varied, they can have different cross-sectional shapes, for example flat strips, rod-shaped, etc.
  • the temperature distribution is further influenced by the individual anodes.
  • the individual anodes By selecting the individual anodes with regard to their geometric dimensions, by a special arrangement of the individual anodes, etc., the most uniform possible temperature distribution in the arrangement of the workpieces to be glued is achieved. It has proven to be very advantageous to design the individual anodes to be flexible, in particular to use a metal chain as the individual anode. When such an anode arrangement is introduced into a stack of workpieces, there is no danger that a rigid individual anode will damage and injure, for example scratch, the workpieces, the flexible individual anodes will dodge if they should come into contact with workpieces without the surface being closed scratch.
  • the anode has proven to be advantageous to arrange the anode to be movable in the longitudinal direction of the individual anode. As a result, it does not initially interfere with the charging process and can, when the workpieces are below it, be lowered into the position of the optimal field distribution.
  • the individual anodes are preferably interchangeable, depending on the structure of the batch, those are selected from a set of existing individual anodes which lead to a particularly favorable field distribution. Since the same batch type is often treated repeatedly in devices for plasma treatment, the same anode arrangement can be used again and again for the special structure of a batch.
  • the anode arrangement described can be used as an auxiliary anode; this presupposes that a stationary, for example plate-shaped main anode is provided.
  • the anode arrangement according to the invention can also be the only anode of the device for plasma treatment.
  • the supporting part of the anode arrangement it is advantageous to give the supporting part of the anode arrangement the same surface shape as that of the charging plate. As a result, the supporting part is located vertically above the charging plate and all points on the charging plate can be reached by auxiliary anodes, which are fixed to the supporting part.
  • FIG. 1 shows a perspective Arrangement of an anode device according to the invention, which is located above a charging plate, on which workpieces are arranged side by side.
  • a metallically conductive charging plate 20 there are different workpieces 22 to 30 arranged one next to the other, including a tube, the inner surface of which is to be treated, and a plurality of schematically drawn bodies here, for example a stratification of individual, flat cubic bodies which are identical to one another per are. Between the workpieces, the entire outer surface of which is to be treated, gaps 32 necessarily remain free,
  • the charging plate 20 there is an anode arrangement with a supporting part 34 and a plurality of individual anodes 36, 38 which hang vertically from it.
  • the supporting part 34 is designed as a lattice-shaped frame made of metal and is therefore electrically conductive.
  • the individual anodes can be fastened at each individual point on the inner grid bars, but a field between grid bars can also be bridged by means of suitable devices so that the individual anodes can be fastened at any point in the field.
  • the individual anodes 36, 38 are made in the illustrated embodiment consists of a very flexible metal cable and rich connected in their upper region to the support member 34 fixed '. Their length is selected differently, in any case they end above the surface of the charging plate 20.
  • the individual anode 38 extends into the interior of the tubular workpiece 28. This is a particular advantage of the arrangement according to the invention, as it enables internal anodes to be formed in a simple manner (which are known per se).
  • the supporting part 34 is held on a vertical bar 40, which is only indicated schematically here, and which is also made of metal. It can be moved up and down in the sense of the double arrow 42 by means of a lifting device (not shown). As a result, the anode arrangement can be lifted up to such an extent that the individual electrodes are aligned are located above the uppermost surfaces of the workpieces 22 to 30.
  • a lifting device is not absolutely necessary if the individual anodes 36, 38 are designed to be elastically flexible, in particular are designed as chains.
  • the filled charging plate 20 can be inserted laterally into the fixed anode arrangement.
  • the chains touch the outer surfaces of the workpieces 22 to 30, but slide along them and find themselves in the positions that are shown in the figure. In this way, the free space required for the stroke in the recipient of the plasma treatment device above the supporting part 34 is saved.
  • a voltage source 44 for supplying a high voltage is connected to the rod 40, its other pole is connected to the charging plate 20.
  • the support member 34 can have any shape. It need not necessarily have the same area as the charging plate 20. Individual supporting parts can also be provided, this is particularly advantageous in the case of frequently repeating individual arrangements of workpieces on the charging plate.
  • the attachment of the individual anodes 36, 38 to the support member 34 can be carried out in different ways. In order to be able to adapt the anode arrangement quickly to different configurations on the charging plate 20, the individual anodes 36, 38 are connected to the supporting part 34 by means of quick fastening devices. They are either only clamped onto the bars, using heat-resistant springs, or. clamped by means of a screw on the rods of the support member 34.

Description

Bezeichnung: Vorrichtung zur Plasmabehahdlung mit einer Anode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung mit einer kathodisch geschalteten Chargierplatte für die Aufnahme meh¬ rerer nebeneinanderliegender und gegebenenfalls übereinanderliegender Werkstücke und mit einer Anode.
Bei größeren Anlagen zur Plasmabehandlung, beispielsweise zum Plasma¬ nitrieren oder Plasmacarburieren, bleiben zwischen den nebeneinander auf der Chargierplatte befindlichen Werkstücken Zwischenräume frei. Die seitlichen Oberflächen der zu behandelnden Werkstücke dürfen sich im allgemeinen nicht berühren, denn am Beirührungspunkt kann keine Plasmabehandlung stattfinden. Bei einer Plasmabehandlung ist man stets bestrebt, den vorhandenen Innenraum des Rezipienten, in dem die Be¬ handlung stattfindet, möglichst intensiv zu nutzen. Daher werden die Werkstücke so dicht wie möglich gepackt. Dabei muß jedoch sicherge¬ stellt werden, daß alle zu behandelnden Flächen gleichmäßig beglimmt werden und sich damit auf allen zu behandelnden Oberflächen eine Schicht mit gleichen physikalischen Eigenschaften, insbesondere gleicher Härte, ausbildet. Dies erweist sich jedoch mit den herkömmli¬ chen Vorrichtungen bei dichter Packung der Werkstücke als schwierig. Bei einem Stapel übereinanderliegender und weiteren Stapeln benachbar¬ ter Werkstücke, beispielsweise Ringe, deren Außenfläche zu behandeln ist, ist bei den herkömmlichen Anordnungen nicht immer gewährleistet, daß die unteren, in Nähe der Chargierplatte befindlichen Ringe an ihrer Außenseite ebenso behandelt werden wie im oberen Bereich der Stapelung befindliche Ringe, die der Anode näher sind. Um dies zu erreichen, muß eine gleichmäßige Feldverteilung vorliegen, oder, anders ausgedrückt, muß die Strα dichte auf allen zu behandelnden Oberflächen möglichst gleich groß sein. Die Stromdichte ist jedoch von mehreren Faktoren abhängig, insbesondere auch vom Abstand zwischen der zu behandelnden Oberfläche und der Anode.
Weiterhin ist für eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung eine mög¬ lichst gleichmäßige Temperaturverteilung in den einzelnen Werkstücken anzustreben. Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Bereichen eines Werkstücks führen zu unterschiedlichen Beglimmungsergebnissen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei den bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art auftretenden Probleme aufgrund unterschiedli¬ cher Strcπidichten und/oder unterschiedlicher Temperaturwerte an der Oberfläche eines Werkstückszu beheben und eine Vorrichtung der ein¬ gangs genannten Art anzugeben, bei der die einzelnen zu behandelnden Flächen möglichst gleichmäßig beglimmt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anode ein oberhalb der Werkstücke befindliches Tragteil aufweist, das elektrisch leitend ist, das mit einer Zuleitung für eine Glimmspannung verbindbar ist und an dem an unterschiedlichen wählbaren Orten längliche Einzelanoden befe¬ stigbar sind, die zwischen die nebeneinanderliegenden Werkstücke rage .
Bei dieser Vorrichtung tauchen die länglichen Einzelanoden in die Schluchten zwischen den nebeneinanderliegenden Werkstücken, die Einzelanoden werden so ausgebildet und angeordnet, daß das elektrische Feld an allen zu behandelnden Oberflächen möglichst dieselben Werte hat.
Da die Einzelanoden wahlweise an unterschiedlichen Orten des Tragteils angeordnet werden können, kann die Anordnung den jeweiligen geometri¬ schen Verhältnissen einer speziellen Charge angepaßt werden. Die Ein¬ zelanoden werden so angeordnet, daß sie nicht in Kontakt mit Werk¬ stücken kαrrnen können. Sie werden weiterhin so positioniert, daß die Feldverhältnisse nicht mehr örtlich variieren. Die Einzelanoden können hierzu auch in ihrer Länge variiert werden, sie können unterschiedli¬ che Querschnittsform haben, beispielsweise flache Streifen sein, stab- förmig sein usw.
Durch die Einzelanoden wird weiterhin die Temperaturverteilung beein¬ flußt. Durch Auswahl der Einzelanoden hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen, durch eine spezielle Anordnung der Einzelanoden usw. wird eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Anordnung der zu beglimmenden Werkstücke erzielt. Als sehr vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Einzelanoden nachgiebig auszubilden, insbesondere eine Metallkette als Einzelanode einzu¬ setzen. Bei Einf.ihren einer derartigen Anodenanordnung in einen Stapel Werkstücke tritt nicht die Gefahr auf, daß eine starre Einzelanode die Werkstücke beschädigt und verletzt, beispielsweise verkratzt, die nachgiebigen Einzelanoden weichen, wenn sie mit Werkstücken in Kontakt kommen sollten, aus, ohne die Oberfläche zu verschrammen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Anode in Längs¬ richtung der Einzelanode bewegbar anzuordnen. Dadurch stört sie zu¬ nächst den Chargiervorgang nicht und kann, wenn sich die Werkstücke unter ihr befinden, in die Position der optimalen Feldverteilung abge¬ senkt werden.
Die Einzelanoden sind vorzugsweise auswechselbar, je nach Aufbau der Charge werden aus einem Satz vorhandener Einzelanoden diejenigen aus¬ gewählt, die zu einer besonders günstigen Feldverteilung führen. Da bei Vorrichtungen zur Plasmabehandlung häufig derselbe Chargentyp wiederholt behandelt wird, kann man für den speziellen Aufbau einer Charge immer wieder dieselbe Anodenanordnung benutzen.
Die beschriebene Anodenanordnung kann als Hilfsanode eingesetzt werden, dies setzt voraus, daß eine stationäre, beispielsweise plat- tenförmige Hauptanode vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Anodenan¬ ordnung kann aber auch die einzige Anode der Vorrichtung zur Plasmabe¬ handlung sein.
Vorteilhaft ist es, dem Tragteil der Anodenanordnung die gleiche Flä¬ chengestalt zu geben, wie sie auch die Chargierplatte hat. Dadurch befindet sich das Tragteil lotrecht oberhalb der Chargierplatte und können alle Punkte auf der Chargierplatte durch Hilfsanoden erreicht werden, die am Tragteil fixiert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übri¬ gen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht ein¬ schränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert wird. Diese zeigt eine perspektivische Anordnung einer erfindungsgemäßen Anodenvorrichtung, die sich oberhalb einer Chargierplatte findet, auf der Werkstücke nebeneinander angeord¬ net sind.
Auf einer metallisch leitenden Chargierplatte 20 befinden sich neben- - einander angeordnet unterschiedliche Werkstücke 22 bis 30, unter ihnen ein Rohr, dessen Innenoberfläche zu behandeln ist und mehrere hier schematisch kubisch gezeichnete Körper, die beispielsweise eine Schichtung einzelner, untereinander identischer, flache kubischer Kör¬ per sind. Zwischen den Werkstücken, deren gesamte Außenoberfläche be¬ handelt werden soll, bleiben notwendigerweise Zwischenräume 32 frei,
in denen sich bei der Behandlung ebenso ein Gl mmsaiim ausbilden soll wie auf der oberen Fläche jedes Werkstücks 22 bis 30.
Oberhalb der Chargierplatte 20 befindet sich eine Anodenanordnung mit einem Tragteil 34 und einer Vielzahl von diesem lotrecht herabhängen¬ den Einzelanoden 36, 38. Das Tragteil 34 ist als gitterförmiger Rahmen aus Metall ausgeführt und dadurch elektrisch leitend. An jeder einzelnen Stelle der inneren Gitterstäbe können die Einzelanoden be¬ festigt werden, mittels geeigneter Vorrichtungen kann aber auch ein Feld zwischen Gitterstäben so überbrückt werden, daß die Einzelanoden an jeder beliebigen Stelle des Feldes befestigt werden können.
Die Einzelanoden 36, 38 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem sehr nachgiebigen Metallseil gefertigt und in ihrem oberen Be¬ reich mit dem Tragteil 34 fest' verbunden. Ihre Länge ist unterschied¬ lich gewählt, in jedem Fall enden sie oberhalb der Oberfläche der Chargierplatte 20. Die Einzelanode 38 reicht in den Innenraum des rohrförmigen Werkstücks 28 hinein. Hier liegt ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, sie ermöglicht es, in einfacher Weise Innenanoden auszubilden (die ansich bekannt sind).
Wie die Figur zeigt, ist das Tragteil 34 an einem - hier nur schema¬ tisch angedeuteten - vertikalen Stab 40 gehalten, der ebenfalls aus Metall ist. Er ist mittels einer (nicht dargestellten) Hubvorrichtung auf- und abbewegbar im Sinne des Doppelpfeiles 42. Dadurch kann die Anodenanordnung soweit hochgehoben werden, daß die Einzeleinoden sich oberhalb der obersten Flächen der Werkstücke 22 bis 30 befinden. Eine derartige Hubvorrichtung ist aber nicht zwangsweise notwendig, wenn die Einzelanoden 36, 38 elastisch nachgiebig ausgebildet sind, insbe¬ sondere als Ketten ausgeführt sind. Dann nämlich kann in die fest¬ stehende Anodenanordnung seitlich die gefüllte Chargierplatte 20 ein¬ geschoben werden. Dabei berühren die Ketten zwar die Außenflächen der Werkstücke 22 bis 30, gleiten aber an diesen entlang und finden sich in die Positionen ein, die in der Figur • dargestellt sind. Auf diese Weise wird der für den Hub notwendige Freiraum im Rezipienten der Plasmabehandlungsvorrichtung oberhalb des Tragteils 34 eingespart.
Am Stab 40 ist eine Spannungsguelle 44 für die Versorgung mit einer Hochspannung angeschlossen, ihr anderer Pol ist mit der Chargierplatte 20 verbunden.
Das Tragteil 34 kann beliebige Form haben. Es muß nicht notwendiger¬ weise dieselbe Fläche wie die Chargierplatte 20 aufweisen. Es können auch einzelne Tragteile vorgesehen sein, dies ist besonders vorteil¬ haft bei sich häufig wiederholenden Einzelanordnungen von Werkstücken auf der Chargierplatte. Die Befestigung der Einzelanoden 36, 38 am Tragteil 34 kann in unterschiedlicher Art ausgeführt sein. Um die Anodenanordnung rasch an unterschiedliche Konfigurationen auf der Chargierplatte 20 anpassen zu können, sind die Einzelanoden 36, 38 mittels Schnellbefestigungsvorrichtungen mit dem Tragteil 34 verbun¬ den. Sie sind entweder nur auf die Gitterstäbe aufgeklemmt, wobei wärmebeständige Federn benutzt werden, oder. ittels einer Schraube an den Stäben des Tragteils 34 festgeklemmt.

Claims

An s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Plasmabehandlung'mit einer kathodisch geschalteten Chargierplatte (20) für die "Aufnähme mehrerer nebeneinanderliegen¬ der und gegebenenfalls übereinandergestapelter Werkstücke (22 bis 30) und mit einer Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode ein oberhalb der Werkstücke (22 bis 30) befindliches Tragteil (34) aufweist, das elektrisch leitend ist, das mit einer Zuleitung für eine Glimmspannung ver¬ bindbar ist und an dem an unterschiedlichen, frei wählbaren Orten längliche Einzelanoden (36, 38) befestigbar sind, die zwischen die nebeneinanderliegenden Werkstücke (22 bis 30) ragen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelanoden (36, 38) schnell auswechselbar mit dem Tragteil (34) befestigt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelanoden (36, 38) in Längsrichtung nachgiebig sind, insbeson¬ dere als Kette ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Anodenanordnung oder die Einzelanoden (36, 38) in Längsrichtung der Einzelanoden (36, 38) bewegbar sind, insbesondere mindestens eine Hubvorrichtung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Einzelanoden (36, 38) parallel zueinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß zusätzlich zur Anodenanordnung aus Tragteil (34) und Ein¬ zelanoden (36, 38) eine Hauptanode vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Einzelanoden (36, 38) einen flächenmäßig sehr kleinen und vorzugsweise einen runden Querschnitt halben.
EP19890909158 1988-08-18 1989-08-17 Vorrichtung zur plasmabehandlung mit einer anode Ceased EP0429501A1 (de)

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