JP5462796B2 - 金属基板又は絶縁基板をプラズマ処理するための方法及びデバイス - Google Patents
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Description
・それらが処理することができるのは、せいぜい厚さ数ナノメートルの一層の金属酸化物で覆われた金属表面のみであり、従って極めて高度に酸化した製品、或いは重合体がコーティングされた製品を浄化することはできない。
・従来技術で知られている、二次電子の放出によるプラズマの生成に排他的に基づいているこれらの方法は、電気アークの形成に対して極端に好都合であり、この電気アークが場合によっては基板の汚染除去を極めて困難にし、さらには不可能にしており、また、生成されるアークのエネルギーの散逸による表面融点の形成によって、基板の表面が回復不可能に劣化することがある。
・従来技術によって可能であるのは、幾何形状が単純な金属基板であって、処理デバイスを適切に通過する、開放表面が極めて広い本質的に長い基板の処理のみである。WO02/12591に記載されている本発明に先行する従来技術によれば、例えば金属製品のすべての外面を単一の操作で処理することは不可能であり、例えば、桁、管及びプロファイルの処理を不可能にし、また、金属加工産業に特有の連続的に移動するラインにおける条片の幅の変動及び条片の不可避的な横方向の運動のため、シートの処理、詳細には鋼シートの処理を著しく複雑にしている。これは、既存の方法には、処理すべき表面の裏面に磁石のアレイを配置することによってマグネトロン放電を基板の表面に生成する必要があることによるものである。これは、磁石のアレイが配置される表面とは反対側の表面の近傍にマグネトロン放電によるプラズマの形成を許容するだけの十分に強烈な磁界を得るために、明らかにこの技術を比較的薄いシート及び条片の処理に限定している。これは、とりわけ、磁気誘導界によって同じく飽和させなければならない軟鋼シートの場合がそうである。WO02/12591に記載されている、長い製品が通過しなければならない少なくとも1つの磁気鏡を使用しているデバイスは、この問題を解決しているが、十分な数に及ぶ実際的な用途のためには、依然として大きな欠点を抱えている。これは、このデバイスは、事実上すべての横断面を備えた桁、プロファイル、薄いシート又は分厚いシート、管、線、等々などの任意の形状の細長い製品を処理することができるが、実際には、長く、従って処理デバイスを適切に通過しない製品の末端を処理するためには、同じく特定の欠点を抱えていることによるものである。この場合、処理領域における基板の長さが制限される、処理すべき製品の表面のマグネトロン放電ゾーンは、製品が通過しない磁気鏡の方向に不十分であるプラズマの軸方向の閉込めのため、安定したプラズマを形成するためには場合によっては不十分であることが分かる。この問題を解決するために、単純な手段は、末端を処理している間、電離速度を速くし、それにより、製品が通過しない磁気鏡の方向における軸方向同時二極性拡散によるプラズマの損失を補償することによってプラズマの密度を維持するために、有用な電力を大きくすることからなっている。しかしながら、これは、システムの管理を著しく複雑にしている。このデバイスの他の欠点は、このデバイスが困難であるのは、著しく閉ざされた内部表面を有する製品の処理を可能にすることのみであることである。従って、例えば、このデバイスは、U字形、T字形又はI字形の桁の表面全体を処理することができるが、部分的に閉ざされたU字形の内部表面、又はその軸に沿って分割されたパイプの内部表面の処理はより困難である。このデバイスの他の欠点は、プラズマの電気特性が本質的に基板の幾何構造及び表面特性に依存しており、複数の基板を並列に処理している間、例えば桁が処理領域を並列に通過している間に、不安定性が生成される可能性があることに関係している。この場合、プラズマはインピーダンスがより小さい領域に優先的に形成されるため、放電には、処理領域に並列に置かれるすべての基板に対してプラズマを形成する義務はなく、従って特定の製品が処理されない可能性がある。また、電気絶縁材料を備えた特定の領域で基板が湾曲している場合、別の欠点が生じ、WO02/12591に記載されているマグネトロン放電の機能に必要な軸方向の対称性が妨害され、従って部品を処理することができなくなる。実際問題として、これまで知られているデバイス及び方法の欠点は、基板が金属酸化物で著しく汚染されている場合に頻繁に出現する。この場合、基板へのイオンの流れを個々に制御することは不可能であり、従って放電電圧によって電気アークの形成が促進され、そのために有用な出力密度が著しく制限されることになり、延いてはアーク・スポットによる基板表面損傷の危険なくしては基板の汚染除去が場合によっては不可能になる。
・プラズマの加熱は、もはや二次電子の放出には依存せず、基本的には、極めて高度に汚染された基板の処理、さらには表面が電気絶縁材料で覆われ、且つ、形状が変化した基板の処理を可能にする電磁エネルギーの無線周波(RF)誘導結合によるオーム性であり、且つ、確率的である。例えば、長い基板の末端、必ずしも細長くない基板、又は高度に閉ざされた基板の内部表面を処理することができる。
・本発明の主要な実施例では、もはやプラズマの生成には作用しない対電極/基板システムは、基板に向かうイオンの加速における電位差及び基板上でのそれらの流れを個々に制御することができる。これは、イオンの流れがプラズマ密度のみに依存し、且つ、放電で結合されるRF電力に正比例することによるものである。
図1ないし3は、本発明のとりわけ興味深い実施例によるデバイスを概略的に示したものである。このデバイス1は、真空チャンバの中に取り付けられており、1つ又は複数の金属基板を実質的に連続的に移動させることができる処理領域2を備えている。この処理領域2はデバイスの内側に位置している。
2.1.処理ガスの性質及び圧力
金属製品、詳細には長い製品及び平らな製品の形態の鋼を浄化するために、真空チャンバ内に存在しているガスの圧力は、0.05Paと5Pa(5×10−4ミリバールと5×10−2ミリバール)の間に固定される。
インダクタ4は、インダクタの中を電流が移動する長さに応じて、1MHzと170MHzの間、好ましくは1MHzと30MHzの間、詳細には13.56MHzの励起周波数を使用して有利に励起される。断面が大きいデバイスに対しては、インダクタのチョークのインピーダンスを小さくするために、最も低い周波数が選択される。これと同じ理由で、インダクタは、通常、1つの回のみを有しており、同じく、上で説明し、また、例えば図4に示されている開口を有するデバイスの構築を可能にしている。従って、これは、モノレールの上又は運搬車の上に懸垂された輸送デバイスの使用を可能にしており、及び/又は場合によってはファラデー遮蔽を形成している電極から、処理デバイスの下方に置かれた回収容器の中へ分離することができる汚染層の除去を可能にしている。
ファラデー遮蔽を形成する電極は、処理される基板に対して、或いはファラデー遮蔽と基板の間に位置している対電極に対して正に分極される。この基板又はこの対電極は、必ずしもそうとは限らないが、通常、プラントの接地に接続される。処理される基板の電位又は対電極の電位に対する1分極サイクルの間の平均電力は正でなければならない。つまり、1周期にわたる電圧の積分とその周期との間の比率は正である。従って分極は、任意の負のパルスを使用して、基板又は対電極に対して正に直流分極することも、整流交流分極することも、或いは交流分極することも可能である。
処理デバイスを通過する金属基板は、誘導される電流の起源にならないよう、限定された横方向寸法を有していなければならない。そのためには、基板は、インダクタによって誘導される電流の起源を構成するプラズマの周辺ゾーンと接触する状況下にあってはならず、このゾーンから十分に離れていなければならない。一般的には1センチメートル程度の厚さであり、プラズマ中に誘導される本質的にすべての電子流が循環し、且つ、エネルギーの伝達が、誘導電界と確率過程及び衝突過程による放電の電子との間に生じるプラズマのこの周辺ゾーンは、基板の表面に誘導されるあらゆる電流の生成から基板を保護している。従って本質的にすべての誘導電磁(EM)界が位置するプラズマの周辺に誘導される電流のこの層は、処理される基板が処理領域を通過するポイントにおける無視し得る電磁界の獲得を可能にしているため、その役割は重要である。従って、プラズマは、電磁波の伝搬に対する有効な遮蔽を提供しており、デバイスの軸方向におけるその振幅が極めて急激に減衰する。本発明によるデバイスの場合、導電材料の処理、詳細には軟鋼などの強磁性体の処理を可能にしているのは、この物理的特徴である。
本発明によるデバイスの上で言及したフランジ12及び13部分に位置している入口開口及び出口開口における同時二極性拡散によるプラズマの損失を抑制するためには、直流電流であることが好ましい電流が流れているソレノイドからなる磁気鏡を利用することができる。これらの2つのソレノイドは、フランジ12及び13を取り囲むように位置していることが有利である。単純な手段は、フランジ12及び13と整列して位置している2つのソレノイドを遮蔽18の周囲に配置することからなっている。これらのソレノイドには、個々のソレノイドと整列した最大磁気誘導界を生成するための個別の発電器によって電流が供給される。
3.1.平均的な断面積を有する長い鋼製品のための浄化デバイス
使用されるデバイスは、図1ないし3に示されているタイプのデバイスである。処理される製品は、2m2/mの公称総比表面積を有している。ファラデー遮蔽7を形成している電極の主内部寸法は1m×0.3mであり、0.55mの有用な軸方向の長さを有している。ファラデー遮蔽7を形成している電極は水で冷却される。インダクタ・ソレノイド4は銅でできており、且つ、水で冷却され、また、その内部表面は、誘導されるプラズマの外部表面から2cm離れて位置している。
使用されるデバイスは、図4に示されているタイプのデバイスであり、この材料にはいずれも示されていないが、遮蔽18及び中間誘電材料17を備えている。処理される製品は、3m2/mの公称総比表面積を有している。ファラデー遮蔽7を形成している電極の主内部寸法は0.8m×0.9mであり、0.5mの有用な軸方向の長さを有している。
使用されるデバイスは、図1ないし3に示されているタイプのデバイスである。処理される製品は、3m2/mの公称総比表面積を有している。処理される製品は、詳細には、幅が1.5mのシートである。ファラデー遮蔽7を形成している電極の主内部寸法は1.7m×0.2mであり、0.7mの有用な軸方向の長さを有している。ファラデー遮蔽7を形成している電極は水で冷却される。インダクタ・ソレノイド4は銅でできており、且つ、水で冷却され、また、その内部表面は、誘導されるプラズマの外部表面から2cm離れて位置している。デバイスは、垂直方向に移動するシートの中央平面が真空チャンバを通過するように真空チャンバ内に固定される。遮蔽18は接地される。真空チャンバには、圧力が5×10−3ミリバール、温度が26.84℃(300°K)のアルゴンが供給される。
また、本発明の原理によれば、プラズマ源又はイオン源を生成することができる。
Claims (27)
- 金属基板又は絶縁基板をプラズマ処理するための方法であって、少なくとも1つの基板が、処理領域(2)を有する真空チャンバを、この処理領域(2)を通って実質的に連続的に通過するようになされ、プラズマが、無線周波発生器に接続されるインダクタ(4)による前記処理領域(2)内での無線周波誘導結合によって維持され、前記インダクタ(4)が、前記プラズマと前記インダクタ(4)の間に配置されるファラデー遮蔽(7)によって、前記基板(3)の表面によって放出される物質によるあらゆる汚染から保護される方法において、前記ファラデー遮蔽(7)が導電電極を構成することを特徴とし、且つ、前記ファラデー遮蔽(7)が、前記プラズマ中に存在する前記基板(3)に対して、或いは対電極(23)に対して平均すると正に電気的に分極され、従って前記プラズマ中に存在するイオンが前記基板(3)に向かって、或いは前記対電極(23)に向かって加速され、また、前記ファラデー遮蔽(7)を形成する前記電極部分で前記プラズマから電子が回収され、前記プラズマが、前記ファラデー遮蔽と前記処理領域内の前記基板の間、或いは前記ファラデー遮蔽と前記対電極の間に生成されることを特徴とする方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)が、負のパルスを含む連続する分極サイクルにさらされることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)の励起周波数が、前記インダクタ(4)に結合される前記無線周波発生器の周波数に対して少なくとも1/10だけ低い周波数であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)の励起周波数が、1MHz未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)が前記基板(3)に対して平均すると正に分極されることを特徴とし、また、前記ファラデー遮蔽(7)への電源がこの遮蔽(7)と前記基板(3)の間に接続され、且つ、前記処理領域(2)内の前記ファラデー遮蔽(7)の前面を移動する前記基板(3)の面積に比例する電力に調整されることを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)と前記基板(3)の表面又は前記対電極の表面との間に、2cm、好ましくは5cmの最短距離が維持されることを特徴とする請求項1から5までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記無線周波発生器によって前記インダクタ(4)に電力が供給される前に前記処理領域(2)にプラズマが生成されることを特徴とする請求項1から6までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記プラズマが、前記基板(3)が前記処理領域(2)に入り、及び/又は前記処理領域(2)から出るポイントにおける磁界の生成によって前記処理領域(2)に閉じ込められることを特徴とする請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)と前記基板(3)の間に印加される電力が、前記プラズマを生成するように作用する無線周波電力に少なくとも等しいことを特徴とする請求項1から8までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記ファラデー遮蔽(7)を介した前記プラズマへの前記インダクタ(4)の電磁出力の透過が、互いに実質的に平行で、且つ、前記インダクタ(4)の中を起誘導電流が流れる方向に対して実質的に直角である一連のスロット(15)が存在することによって許容されることを特徴とする請求項1から9までのいずれか一項に記載の方法。
- 金属基板又は絶縁基板が実質的に連続的に通過することができる処理領域(2)を有する真空チャンバを備える、プラズマによって金属基板又は絶縁基板を処理するためのデバイスであって、前記デバイスが、プラズマを生成するために無線周波発生器に接続されるインダクタ(4)と、前記プラズマに隣接し、且つ、前記プラズマと前記インダクタ(4)の間に配置される、前記基板(3)の表面によって放出される物質によるあらゆる汚染から前記インダクタ(4)を保護するためのファラデー遮蔽(7)とを備え、前記プラズマが、前記処理領域(2)又は前記ファラデー遮蔽と対電極(23)の間に存在する空間に生成されるデバイスにおいて、前記ファラデー遮蔽(7)が導電電極を構成し、また、前記基板(3)に対して、或いは前記対電極(23)に対して平均すると正に電気的に分極されることを特徴とし、且つ、前記ファラデー遮蔽(7)が、前記プラズマが前記ファラデー遮蔽(7)と前記処理領域内の前記基板(3)の間、或いは前記ファラデー遮蔽(7)と前記対電極(23)の間に生成されるように配置されることを特徴とするデバイス。
- 前記インダクタ(4)と前記ファラデー遮蔽(7)の間に中間の空間が提供され、この空間に誘電材料(11)が充填されることを特徴とする請求項11に記載のデバイス。
- 前記インダクタ(4)と前記ファラデー遮蔽(7)の間の距離が0.1cmと10cmの間であることを特徴とする請求項12に記載のデバイス。
- 前記中間誘電材料(11)が、重合体、テフロン(登録商標)、セラミック独立気泡又はガラス或いはアルミナ・ウールを含むことを特徴とする請求項12又は13に記載のデバイス。
- 前記ファラデー遮蔽(7)とこの遮蔽(7)への電源との間に低域通過フィルタが提供され、それにより1MHz未満、好ましくは100kHz未満の周波数のみの通過が許容されることを特徴とする請求項11から14までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記ファラデー遮蔽(7)が、互いに実質的に平行で、且つ、前記インダクタ(4)の中を起誘導電流が流れる方向に対して実質的に直角である一連のスロット(15)を有することを特徴とする請求項11から15までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記スロット(15)の反対側の前記プラズマ側に、前記スロット(15)から若干の距離を隔てて長い部材(16)が配置されることを特徴とする請求項16に記載のデバイス。
- 接地に接続されるか、またはフローティング電位に維持される、前記インダクタ(4)を取り囲む遮蔽(18)が提供されることを特徴とする請求項11から17までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記インダクタ(4)と前記遮蔽(18)の間に、誘電材料(17)が充填される中間の空間が存在することを特徴とする請求項16に記載のデバイス。
- 前記インダクタ(4)が少なくとも1つの誘導回を備えることを特徴とする請求項11から19までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記インダクタ(4)が1MHzと170MHzの間の周波数で励起されることを特徴とする請求項11から20までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記ファラデー遮蔽(7)への電源が、前記インダクタ(4)に結合される周波数の1/10以下である励起周波数を有することを特徴とする請求項11から21までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 点火プラズマの生成を可能にするための手段が提供されることを特徴とする請求項11から22までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記インダクタ(4)及び前記ファラデー遮蔽(7)が前記処理領域(2)を取り囲むスリーブの形態であり、その長手方向の軸が前記基板(3)が移動する方向に実質的に対応しており、このスリーブが、前記基板(3)が前記処理領域(2)に入り、且つ、前記処理領域(2)から出ることができる入口開口及び出口開口を有することを特徴とする請求項11から23までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記スリーブがその長手方向に端から端まで延在する開口を有することを特徴とする請求項24に記載のデバイス。
- 対電極(23)であって、前記プラズマ及びこの対電極(23)の界面によって形成されるシースのほぼ厚さの幅(d)を有する開口即ちスロットを有する対電極(23)が、前記ファラデー遮蔽(7)を形成する前記導電電極の反対側に提供され、前記ファラデー遮蔽(7)が前記対電極(23)に対して平均すると正に電気的に分極され、それによりプラズマ源又はイオン源が構成されることを特徴とする請求項11から23までのいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記ファラデー遮蔽(7)を形成する前記導電電極と前記対電極の間に出口格子(27)が存在し、この出口格子(27)が前記ファラデー遮蔽(7)の電位と同じ電位に置かれ、且つ、前記出口格子(27)と前記対電極(23)の間からプラズマが出ることができないよう、前記対電極(23)と対向して、前記対電極(23)から十分に短い距離を隔てて配置されることを特徴とする請求項26に記載のデバイス。
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