200427627 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域〕 本發明係有關於滲碳系統及方法。更詳細地說，本發 明係有關在氣體中利用電漿觸媒來激發、調節及維持電漿 的系統及方法，以及在滲碳製程中使用該電漿的系統及方 法。 【先前技術】 滲碳法係廣爲人知的表面硬化處理法。此方法包含有 將碳擴散進入至低碳鋼合金內，以形成高碳鋼表面。擴散 的碳一般會與鋼的合金成份起反應，以增強鋼材表面的硬 度。滲碳可以製做出具有高表面硬度及柔軟核心的零件。 此外，滲碳在諸如齒輪及軸之類高磨耗性零件的處理上是 特別地有用。增強表面硬度可提供對於摩擦及碰撞磨耗的 適當抵抗力，但不會減損本體材料所需的性質。 碳擴散進入鋼材內的深度可以藉由零件的溫度及暴露 於含碳環境中的時間來加以控制。最常見的是將要滲碳的 零件在爐中加熱至要在含碳環境中進行滲碳的溫度。在滲 5灰後’將工件緩慢冷卻，以便稍後進行退火硬化處理，或 是直接在各種退火氣體或液體中進行退火處理。 雖然已知的滲碳方法可以得到可接受的表面硬化程度 ，但是該等方法均具有~些缺點。例如說，零件雖然可以 在大氣渗碳爐中進行滲碳處理，但是，該零件中的較小或 較細的結構部位通常會加熱地比該零件之表面的其他部位 -5- (2) (2)200427627 爲快。因此之故，這些結構部位會顯現出較該零件其他部 位爲高的硬度。此外，大氣滲碳爐通常比較慢，同時也無 法精確地控制零件的溫度。 滲碳作業亦可在真空爐內進行。在此種情形下，零件 係置放於真空室內，然後加以抽真空。零件會被加熱至所 需溫度，且真空室內會注入滲碳氣體。此方法雖然可以製 做出具有均勻硬度値的表面，但在滲碳製程中要建立及維 持所需之真空環境是相當昂貴且費時的。 滲碳作業亦可藉由將零件暴露於含碳電漿中來進行。 雖然相較於傳統的爐滲碳法而言，電漿滲碳法可能可以增 進加熱速率，但是這些電漿滲碳法均必須使用昂貴的真空 設備，以提供所需的真空環境。此外，滲碳電漿的產生通 常必須要在工件與陰極（例如腔室）之間施用數百伏特的 直流電。 本發明係用以克服習周滲碳系統或方法中的一項或多 項問題。 【發明內容】 本發明之一觀點在於一種能針對物體之第一表面區域 加以滲碳的電漿輔助方法。此方法包含有在有電漿觸媒存 在情形下，以微波輻射照射一氣體，以激發滲碳電漿，其 中該電漿含有碳，並將該物體的第一表面區域暴露於該電 漿中一段足以將至少某些碳自電漿中通過該第一表面區域 移轉至該物體內的時間。 -6- (3) (3)200427627 本發明的桌一觀點在於一種能對一物體進行電發輔助 滲碳處理的系統。此系統包含有電漿觸媒、一個內部形成 有空穴’且可在該空穴內存在著該電漿觸媒的情形下，以 電磁_射（例如微波輻射）照射氣體來激發電漿的容器， 以及一個連接至該空穴以將輻射導入該空穴內的電磁輻射 供應源。 其亦可提供多種的電漿觸媒，以供進行本發明的電漿 輔助滲碳製程。 在考量下面的詳細說明，並配合所附圖式，其將可以 得知本發明的其他觀點，而在圖式中相同的參考編號係用 以代表相同的零組件。 【實施方式】 有多種的電漿輔助滲碳方法及系統可以配合本發明使 用。而滲碳電漿可以利用可與本發明相配合的電漿觸媒來 加以激發，以及調節及維持。 以下各件由本案所有人所擁有且同時提出申請的美國 專利申請案係引述於此，以供參考：美國專利申請案第 10/ ，— 號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1837 • 000 8 ) 、第 10/ ，號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1837 .0 0 0 8 ) 、第 10/ __ .，號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1837 .0009 ) 、第 10/ ，號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0010) 、第 10/ ， 號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0012 ) 、第 10/ ， 號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. ,0013) 、第 -7- (4) 200427627 (4)
10/ ·，—^號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0015) 、第 10/ -，—j虎 ( 代 理 人 案 件 編 號 1837 .0016 ) 、第 10/ -，__號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .00 17) 、第 10/ -，——s號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0018) 、第 10/ -，——^號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0020 ) 、第 10/ -，__號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0021) 、第 10/ -，—_^號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. .0023 ) 、第 10/ 號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .0024 ) 、第 10/ ·，-虎 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. .0025 ) 、第 10/ __號 ( 代 理 人 案 件 編 1 8 3 7. .0026 ) 、第 10/ __號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 83 7_ .0027 ) 、第 10/ ·，_^號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. ,002 8 ) 、第 10/ -，—— ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. ,002 9 ) 、第 10/ -，——〜號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. .003 0 ) 、第 ]〇/ -， 號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7, .003 2 ) 、第 ]〇/ :__號 ( 代 理 人 案 件 編 號 1 8 3 7. ,003 3 )
範例性電漿系統 第1圖顯示出一種可配合本發明之一觀點使用的範例 性電漿系統1 0。在此實施例中，空穴1 2係形成在一個設 在幅射腔室（亦即施用器）1 4內的容器內。在另一種實 施例（未威不）中，容器1 2和輻射腔室1 4係同一構件， 因此可以避免使用二個分別的構件。此一內部形成有空穴 】2的容器可以包含有一個或多個可爲輻射穿透（例如可 -8- (5) (5) 200427627 供微波穿透者）絕緣層，以改善其熱絕緣性能而不會將空 穴1 2與輻射隔離開。 在一實施例中’空穴1 2係形成在由陶瓷材料製成的 容器內。由於本發明使用的電漿可達到極高的溫度，因此 要使用能夠在局於約華氏2，〇 〇 〇度的溫度，例如約華氏 3，0 0 0度，下作業的陶瓷材料。此陶瓷材料可以包含有重 量百分比29.8%的矽石、68.2%的礬土、0.4%的氧化高 鐵、1 %的氧化鈦、0 . 1 %的石灰、〇 .〗％的氧化鎂、〇 . 4 % 的鹼類，其係美國Pennsylvania州New Castle地方的 New Castle Refractories公司以型號LW - 30所販售者。 但是具有此技藝之一般技術的人士可以瞭解，其他的材料 ’例如石英，以及與以上所述者不同者，均可配合本發明 使用。 在一成功的實驗中，其係在第一塊磚內所設的部份開 口空穴內形成電漿，而後其上以第二塊磚加以疊置。此空 穴的尺寸爲約2英吋乘以約2英吋乘以約1 .5英吋。在該 碍上亦設有至少二個孔洞，與該空穴相通：一個是周來觀 察電漿’而至少一個以上的孔是用來供應形成電漿所需的 氣體°空穴的尺寸及形狀可依所欲進行之電漿製程而定。 此外’此空穴必須至少設置成能防止電漿自主要處理區域 處上升或漂浮開。 空穴1 2可由管線20及經電源28加以供電的控制閥 22等來加以連接至一個或多個氣體供應源24 (例如蠢氣 '氮氣、氫氣、氙氣及氪氣供應源）。管線2 〇可以是任 (6) (6)200427627 何能輸送氣體的通道，但要夠狹小，以防止顯著的微波輻 射外洩。例如說，管線20可以是管子（例如說直徑在約 1 / 1 6英吋至約1 / 4英吋之間者，如約1 / 8 〃）。此外 ’如有需要，可將真空泵連接至該腔室上，以供將不在電 漿處理過程中所產生的不需要的煙霧加以排除掉。在一實 施例中’氣體可經由多部件容器內的一個或多個間隙來流 入或流出空穴1 2。因此，可供本發明使用的氣體埠口並 不一定要是個別的孔洞，亦可爲其他之形式，例如許多個 分散開的小孔。 在靠近於輻射供應源26及波導管30處設有一個輻射 洩漏偵測器（未顯示），其係連接至一個安全互鎖系統， 以供在偵測到超出預設安全標準之洩漏時，例如FCC或 OSHA所規定者（例如說5mW/ cm2 )，自動地關閉輻射 (例如微波）的電源供應。 輻射供應源2 6可以由電源供應器2 8加以供電，可將 輻射能量經由一根或多根波導管3 0加以導入至腔室1 4內 。熟知此技藝一般技術之人士可以瞭解到，輻射供應源 2 6可以直接連接至腔室1 4或空穴]2上，以省略波導管 30。進入空穴12內的輻射能量可用來在空穴內激發電漿 。此電漿可藉由利用觸媒來與另外的輻射相耦合而能在該 空穴內維持並限制在該空穴內。 輻射能量可經由循環器3 2和調諧器3 4 (例如3柄調 諧器）來加以供應。調諧器3 4可用來將反射功率以變更 激發或處理條件的函數關係加以最小化，特別是在電漿形 •10- (7) (7)200427627 成前，因爲例如說微波會被電漿所強烈地吸收。 如同下文中所會更充份說明的，如果腔室1 4可供多 種模式應用的話，特別是在這些模式係連續地或重覆地混 合使用之時，則腔室1 4內的輻射穿透空穴1 2的位置並不 特別重要。例如說，馬達3 6可以連接至模式混合器3 8， 以供形成能在腔室〗4內大致上平均分佈的時間平均輻射 能量分佈情形。此外，在腔室1 4靠近於空穴1 2的壁部上 可以設置視窗4 0 (例如石英視窗），以供使用溫度感測 器4 2 (例如光學高溫計）來觀測空穴1 2內的製程。在一 實施例中，該光學高溫計可以具有電壓輸出，其可在某一 偵查範圍內隨著溫度而變化。 感測器4 2可提供以溫度或其他與空穴1 2內之工件（ 未顯示）相關的可監測條件爲函數的輸出信號，並將此信 號供應至控制器4 4。亦可使用雙溫度感測及加熱，以及 自動化冷卻率及氣流控制裝置。控制器4 4亦可周來控制 電源供應器2 8的運作，其可具有一個連接至輻射供應源 2 6上的輸出端，如上所述，以及另一個連接至閥2 2上的 _出端，以供控制流入輻射空穴〗2內的氣流。 本發明在通訊及電力工業（CPI)所提供的915 MHz 及2·45 GHz二者的微波源的應用均相當成功，但是任何 頻率低於約3 3 3 G Η z的輻射均可使用。該2.4 5 G Η z系統 可提供自約0.5千瓦至約6.0千瓦的連續可變微波功率。 3柄調諧器可用來做阻抗匹配，以提供最大的功率傳輸， 而雙向耦合（未顯示在第I圖中）可用來測量前向及反射 -11 - (8) (8)200427627 的功率。 如上所述，頻率低於約3 3 3 GHz的任何輻射均可應用 在本發明內。例如說可以使用諸如電力線頻率（約5 0 Hz 至約60 Hz )之類的頻率，但是用來產生電漿的氣體壓力 必須要降低，以有助於電漿的激發。此外，本發明亦可配 合任何的無線頻率或微波頻率來使用，包括高於約1 〇 〇 kHz的頻率。在大部份的情形中，配合這類較高頻率使用 的氣體壓力並不需要加以降低，以供激發、調節或維持電 漿，因此可使許多種電漿製可以在大氣壓力或以上者下進 行。 此設備係利用 LabView 6i軟體做電腦控制的，其可 提供即時的溫度監測及微波功率監控。雜訊係藉由使用移 位暫存器對適當數量的數據點做滑動平均而加以降低。此 外’爲考量速度及計算上的效率，其係利用移位暫存器及 緩衝器大小來限制緩衝器陣列中所儲存的數據點數目。高 溫計會測量約1 cm2之敏感面積的溫度，其會用來計算平 均溫度。高溫計會感測二個波長的輻射強度，並使用蒲郎 克定律來插配這些強度，以決定出溫度。但是可以瞭解到 ’尙有其他的裝置和方法可以用來監測及控制溫度，其等 也可以配合本發明使用。可配合本發明使用的控制軟體係 描述於例如說由本案申請人所有並同時提出申請之美國專 利申請案第10/_，_(代理人案件編號1 8 3 7.003 3 ) 中，該案係引述於此，以供參考。 腔室I 4具有數個以含有微波防護層之玻璃覆蓋的觀 -12- (9) (9)200427627 察埠口，以及一個供高溫計使用的石英視窗。同時也設有 數個用來連接至真空泵及氣體供應源的埠口，雖然並不一 定會有需要使用之。 系統1 〇亦包含有去電離水冷卻系統（未顯示），其 具有一個以自來水冷卻的外部熱交換器。在運轉期間，去 電離水先冷卻磁控管，然後是冷卻循環器中的負載傾卸（ 用來保護磁控管），最後是經由焊接在腔室外側表面上之 水通道來冷卻輻射腔室。 電漿觸媒 可配合本發明使用的電漿觸媒可以包含有一種或多種 不同的物質，也可以是被動型或主動型的。相對於其他者 而言，電漿觸媒係用來在低於、等於或高於大氣壓力之氣 體壓力下激發、調節或維持電漿之用。 可配合本發明周來形成電漿的方法包含有，在被動型 電漿觸媒存在的情形下，以具有低於約3 3 3 GHz之頻率的 電磁輻射來照射位在空穴內的氣體。可配合本發明使甩的 被動型電漿觸媒可包含有任何能夠將本發明的局部電場（ 例如電磁場）加以變形以生成電漿5而不需要經由觸媒來 加添額外能量的物體，例如施用電壓以產生火花者。 可配合本發明用的被動型電漿觸媒可以是例如奈米顆 料形式或是奈米管形式者。本文中所用之 ''奈米顆粒〃一 詞包括任何最大實體尺寸小於約1 〇〇 nm，且係至少是電 性半導體的顆粒。此外，單壁式或多壁式的奈米碳管，不 -13- (10) (10)200427627 論是有摻雜或沒有摻雜，在本發明的激發電漿上均特別地 有效，這是因爲他們超凡的導電性及長形形狀。這些奈米 管可以具有適當的長度，也可以是附著於基體上的粉末。 如果係固定住的話，則這些奈米管可以在基體的表面上朝 向任意的方向，或著固定在基體上（例如說在某些預定的 方向），而激發或維持電漿。 可配合本發明使用的被動形電漿觸媒也可以是例如粉 末狀，而不含有奈米顆粒或奈米管。其可以由例如纖維、 灰塵顆料、碎塊、片體等所製成。若爲粉末形式者，觸媒 可以懸浮，至少暫時地，在氣體中。藉由將此等粉末懸浮 在氣體中，這些粉末可以快·速地散佈於整個空穴內，如有 需要，可較輕易地消耗掉。 在一實施例中，粉末觸媒可以載送至滲碳空穴內，並 至少暫時地懸浮在載送氣體內。載送氣體可以是和用來形 成電發的氣體相同或不相同。此外，此等粉末可在送入空 穴內之前先加入至該氣體內。例如說，如第1 A圖中所示 ，輻射供應源5 2可供應輻射至空穴5 5，其內設有電發空 穴6 0 (其中即爲滲碳作業進行之處）。粉末供應源6 5供 應觸媒粉末70至氣體流75內。另一種實施方式是將粉末 70先整批（例如堆成一堆）加入至空穴6〇內，然後再以 任何一種方式將之散佈於空穴內’包括以氣體流通經過或 自上方通過該批粉末。此外，粉末亦可藉由移動、輸送、 成霧、灑佈、吹送或其它方式送入空穴內或在空穴內散開 ’進而將粉末加入至用來激發、調節或維持電漿的氣體內 -14- (11) (11)200427627 在一實驗中，其係藉由將一堆碳纖維粉末放置在一根 延伸進入空穴內的銅管內，以供在空穴內激發電漿。雖然 會有足量的輻射被導入至空穴內，銅管會遮避住粉末，不 受輻射照射，故無電漿被激發。但是，一旦載送氣體開始 流通過該管子，迫使粉末排出管外而進入空穴內，該等粉 末即會受到輻射照射，進而使得電漿可幾乎立即地在該空 穴內激發。 可配合本發明使用的粉末電漿觸媒可以是大致上不可 燃的，因此不需要含有氧，或者在有氧的情形下燃燒。因 此，如上所述，此觸媒包含有金屬、碳、碳基合金、碳基 複合物、導電聚合物、導電矽酮黏彈體、聚合物的奈米複 合物、有機一無機複合物，以及其等的任何組合。 此外，粉末觸媒可以大致上均勻地散布在電漿空穴內 (例如說懸浮在氣體內），而空穴內的電漿激發可以精確 地控制。均勻地激發在某些應用上是相當重要的，包括那 些需要做短時間電漿暴露的應用，如某種或某些種形式的 短脈衝。但是，仍需要有一定的時間，粉末觸媒才能散佈 至整個空穴內，特別是在複雜的多腔室空穴中。因此，配 合於本發明的另一觀點，粉末觸媒可經由多個激發埠口送 入空穴內，以更快速地獲致更均勻的觸媒分佈（見下文） 〇 除了粉末以外，可配合本發明使用的被動型電漿觸媒 可包含有例如說一種或多種的微觀或巨觀纖維、片體、針 - 15- (12) (12)200427627 狀物、線狀物、絲狀物、纖維絲、絲線、搓線、削片、細 片、碎片、編織物、條帶、毛鬚，或其等的組合。在這些 情形中，電漿觸媒可以有至少一部份的實體尺寸遠大於其 他的實體尺寸。例如說，至少二對角尺寸間的比値可以至 少約1 : 2，甚至可以大於約1 : 5，或是大於1 : 1 〇。 因此被動型電漿觸媒可以包含有至少一部份的材料， 其相對於長度而言是相當的薄。也可以使用成束的觸媒（ 例如纖維），其可包含有例如一束的石墨帶。在一實驗中 曾經成功地使用一束具有約三萬條石墨纖維的條帶，其每 一條的直徑約爲2 — 3微米。該束內的纖維數量及其長度 在激發、調節或維持電漿上並不重要。例如說，使用一束 約四分之一英吋長之石墨條帶也可以得到令人滿意的結果 。已經成功地配合本發明使用過之一種型式的碳纖維是由 美國South Carolina州Anderson地方的Hexcel公司以商 標名M a g n a s i t e⑧，型號A S 4 C — G P 3 K，加以販售者。亦 外，碳化矽纖維也已曾經成功地應用過。 可配合本發明另一觀點的被動型電漿觸媒則具有一個 或多個大致上呈例如圓形、環形、金字塔形、立方體、圓 柱形、矩形或長形的部位。 前述的被動型電漿觸媒包含有至少一種材料，其係至 少爲電性半導體。在一實施例中，此材料可以是高導電性 。例如說，可配合本發明使用之被動型電漿觸媒可以包含 有金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚 合物、導電矽酮黏彈體、聚合物奈米複合物、有機-無機 -16- (13) (13)200427627 複合物或其等的任何組合。可以包含在電漿觸媒內的可能 的無機材料包含有碳、碳化矽、鉬、鉑、鉅、鎢和鋁，但 是其它的導電無機材料相信也同樣可用。 除了一種或多種的導電材料，可配合本發明使用的被 動型電费觸媒可以包含有一種或多種的添加劑（其等不需 要是導電性的）。在本文中所用者，該添加劑可以包含有 任何使用希望加入至電漿內的材料。例如說，在摻雜型的 半導體或其他材料中’可以經由觸媒加添一種或多種摻雜 劑。例如梦見亦爲本案申請人所有而同時提出申請的美國 專利申請第10/ -?_號（代理人案件編號1 8 3 7.002 6 )’其係引述於此，以供參考。此觸媒可以包含有摻雜劑 本身’或是包含有先驅材料，其在分解後可形成摻雜劑。 因此，電漿觸媒可依最終所需的電漿成分及使用該電漿的 製程，而以任何所需比例來以包含有一種或多種的添加劑 ，以及一種或多種導電材料。 在被動型電發觸媒內的導電材料對添加劑的比例可以 在被消耗掉的過程中隨著時間而改變。例如說，在徼發時 ，電漿觸媒可能必須包含有高百分比的導電成份，以改良 其激發條件。另一方面，如果是用來維持電漿，則觸媒可 以包含有问百分比自、」添加劑。具有此技蟄之一般技術的人 士可以瞭解到，用來激發及維持電漿的電漿觸媒的成份比 例也可以是相同的。 可以使用預定的比例圖來簡化電漿製程。在許多的習 用電漿製程中，電漿的成份係依需要而添加的，但其添加 (14) (14)200427627 作業通常需要可程式化設備來依據預定的時程添加該等成 份。但是在本發明中，觸媒內的成份的比例是可以變化的 ，因此，電漿本身內的成份比例可以自動地變化。也就是 說，電漿內的成份比例在任何特定的時間時，均是依當時 正被該電漿所消耗的觸媒部份而定的。因此，觸媒成份比 例在觸媒內的不同位置處可以是不同的。再者，電漿內的 目前的成分比値會因目前或先前所用之觸媒的部份而定， 特別是當通過電漿腔室之氣體流率相當的低之時。 可配合本發明使用之被動型電漿觸媒可以是均質的、 非均質的，或是漸變的。此外，整個觸媒內的電發觸媒成 份可以是連續的或是非連續的。例如說，在第2圖內，其 成份比例可以平順地變化，而在觸媒1 0 0的長度方向上形 成比例梯度。因此觸媒1 0 0可以包含有一條材料，其在區 段]0 5內具有一種或多種濃度相當低的成份，而其濃度朝 向區段1 ] 〇逐漸地增高。 另一種方式，如第3圖中所示，在觸媒]2 0的每一部 位內，其比例可以是不連續的，包含有例如說具有不同濃 度而交替的區段1 2 5和1 3 0。可以瞭解到，觸媒]2 0可以 具有一種以上的區段型式。因此電漿所消耗之觸媒成分比 例會以預定的形式變化。在一實施例中，在電漿受到監測 ’且偵測到某種特定的添加劑時，其可以自動地啓動或中 止進一步的處理作業。 其他可用來改變維持中之電漿的成份比例的方法是在 不同時間或以不同速率加入多種具不同成份比例的觸媒。 -18- (15) (15)200427627 例如說，可以在空穴內約略相同位置或不同位置處加入多 種的觸媒。在加入於不同位置情形中，空穴內所形成的電 漿會具有由各觸媒之位置所決定的成份濃度梯度。因此， 自動化的系統可以包含有一種裝置，用來在電漿激發、調 節或維持之前或之間，以機械方式將會消耗的電漿觸媒送 入。 可配合本發明使用的被動型電漿觸媒亦可具有塗覆層 。在一實施例中，觸媒可以包含有大致上非導電性的塗覆 層，沉積在導電性材料表面上。另一種方式，觸媒可以包 含有大致上導電的塗覆層，沉積在非導電性材料的表面上 。例如說，第4圖和第5圖顯示出纖維1 4 0，其包含有底 層1 4 5和塗覆層1 5 0。在一實施例中，內含有碳核心的電 漿觸媒上塗覆一層鎳，以防止碳的氧化。 電漿觸媒亦可以具有多種的塗覆層。如果該等塗覆層 在與電漿接觸的過程中會消耗掉，則該等塗覆層將會自外 層至最內層依序地加入至電漿內，因之而形成一種依時間 釋放的機制。因此，塗覆的電漿觸媒可以包含有任何數量 的材料，只要該觸媒有一部份至少是電性半導體即可。 本發明的另一種實施例中，電漿觸媒可以整體置於輻 射空穴內，以大幅度減少或防止輻射能量經由觸媒而洩漏 。以此方式，電漿觸媒不會在電性或磁性上與內含有該空 穴的容器相耦合，或是耦合至空穴外側的任何導電物體上 。這可防止在埠口處激發火花，並可防止輻射在激發中， 或是可能在稍後電漿維持住時，洩漏至空穴外側。在一實 -19- (16) (16)200427627 施例中，觸媒係位在一個延伸穿過激發埠口的非導電性伸 長桿尖端上。 例如說第6圖顯示出內設有電漿空穴1 6 5的輻射腔室 160。電漿觸媒170可以是拉長型的，貫穿過激發埠口 1 7 5。如第7圖所示且可配合本發明使用，觸媒1 7 〇可以 包含有導電性的遠端部位1 8 0 (其係置於腔室1 6 0內）， 以及非導電性部位1 8 5 (其係大致上位在腔室1 6 0外側， 但可以延伸進入腔室1 60內）。此種結構可以防止遠端部 位1 8 0和腔室1 6 0間形成電性聯結（例如產生火花）。 在另一種實施例中，顯示於第8圖內，觸媒可以由多 截導電片段190，以多截不導電片段195加以隔開並機械 性地連接在一起而構成。在此實施例中，觸媒可以穿過激 發埠口而延俾於空穴內的一點與空穴外的另一點之間，但 是其電性不連續的形狀可以顯著地防止火花產生及能量洩 漏。 做爲前述被動型電漿觸媒的替代物，主動型電漿觸媒 也可以配合本發明使用。本發明之使周主動型觸媒來產生 滲碳電漿的方法包含有在有可產生或內含有至少一種電離 顆粒或電離輻射的主動型電漿觸媒存在的情形下，以頻率 低於約3 3 3 GHz電磁輻射照射空穴內之氣體。可以瞭解到 ，被動型及主動型電漿觸媒均可應用在相同的滲碳製程中 〇 可配合本發明使用的主動型電漿觸媒可以是任何能夠 移轉足量能量至氣體原子或分子上，而能在有電磁輻射存 -20- (17) (17)200427627 在的情形下，將至少一個電子自氣體原子或分子中移除白勺 顆粒或高能波包。依供應源的不同，電離輻射或顆粒可以 聚焦或準直光束形式導入空穴內，或者可以散佈開、吐射 、飛濺，或以其他方式導入。 例如說’第9圖顯示出輻射供應源2 0 0將輻射導入腔 室2 0 5內。電漿空穴210係位在腔室205內，可供經由J：阜 口 2 1 5和2 1 6流通過其內。供應源220可將電離顆粒或輻 射2 2 5導入空穴2 1 0內。供應源2 2 0係受到例如金屬屏幕 加以防護，該屏幕可讓電離顆粒穿過，但是防止供應源 220受到輻射照射。如有需要，供應源22〇可以水加以冷 卻。 可配合本發明使用的電離輻射或顆粒的例子包括有x 光、加馬輻射、阿爾法粒子、貝他粒子、中子、質子及其 等的任何組合。因此電離顆粒觸媒可以是帶電（例如來自 離子供應源的離子）或不帶電，也可以是放射性分裂程序 的產物。在一實施例中，其內形成電漿空穴的容器，對於 電離顆粒觸媒而言，可以是整體或部份可穿透的。因此， 在放射分裂供應源位在空穴外部的情形下，該供應源可以 將分裂產物導引穿過該容器來激發電漿。此放射性分裂供 應源可以位在輻射腔室的內部，以實質上防止分裂產物（ 亦即電離顆粒觸媒）造成安全上的危害。 在另一種實施例中，電離顆粒可以是自由電子，但並 不一定要是放射衰變程序中所發射出來的。例如說電子可 以因激發電子供應源（例如一金屬），以使電子具有足夠 -21 - (18) (18)200427627 能量來脫離該供應源，進而導入至空穴內。電子供應源可 以位在空穴內部、位於鄰近於該空穴之處’甚或位在空穴 的壁部內。具有此技藝之一般技術的人士可瞭解到’任何 種電子供應源的組合均是可用的。常見之用來產生電子的 方式是加熱金屬，而這些電子可藉由施加電場來進一步加 以加速。 除了電子之外，自由能量質子亦可用來催化電漿。在 一實施例中，自由質子可以藉由電離氫氣，以及選擇性地 在電場內加速之而產生。 多模式輻射空穴 輻射波導管、空穴或腔室可以設計成可支撐或增進至 一種電磁輻射模式的傳遞。本文中所用的 '、模式〃 一詞係 指任何符合馬克士威方程式及相關邊界條件（例如空穴的 界條件）的電磁駐波或傳遞波的一種特定形式。在波導 管或空穴內，此模式可以傳遞式或駐立式電磁場之多種可 {^形式中的任一種。每一模式的特徵是在於其頻率及電場 或場向量的極化。一模式的電磁場影式係依頻率、折射 +或力電吊數、及波導管或空穴的幾何形狀而定的。 検向電波（TE )模式是一種電場向量垂直於傳遞方 向的模式。同樣的，橫向磁波（了 Μ )模式則是一種磁場 向i垂直於傳遞方向的模式。橫向電磁波（)模式是 種電场及磁場向量二者均垂直於傳遞方向的模式。中空 ^屬波&巨般無法支持正常TEM模式的輻射傳遞。即 -22- (19) (19)200427627 使輻射看起來是沿著波導管的長度傳遞，其可能僅是因爲 以某種角度在內壁上反射之故而造成如此行爲的。因此， 依傳遞模式而定，輻射（例如微波輻射）可以具有某些沿 著波導管軸心線（通常稱爲z軸）的電場分量或磁場分量 〇 波導管或空穴內的實際的場分佈情形係爲其內多種模 式的疊加結果。該等模式中的每一者均係以一個或多個下 標來加以標明的（例如說，τ E】〇 ( 、' T E 1 0 〃 ））。這些 下標通常是標明波導內波長中有多少、、半波〃是位在x和 y方向上。熟知此技藝之人士可以瞭解到，波導內波長是 不同於自由空間波長的，因爲輻射在波導管內係藉由在波 導管內壁上以某一角度反射而傳遞的。在某些情形中，其 會加用第三個下標，標明沿著z軸之駐波模式中的半波的 數目。 對於給定的輻射頻率而言，波導管的尺寸必須選擇成 夠小’以使其得以支撐單一傳遞模式。在此情形中，此系 統稱爲單模式系統（亦即單模式施用器）。ΤΓΕ! Q模式在矩 形單模式波導管中通常是主要模式。 S波導管（或者波導管連接至其上的空穴）的尺寸增 加時’波導管或施用器有時可以額外支撐較高階模式，而 形成多模式系統。在有多種模式可以同時被支撐時，此系 統通常稱爲高度模式化。 簡單的單模式系統具有的場分佈情形，包括至少一個 極大値及一個極小値。該極大値的數値主要係依供應至系 -23- (20) (20)200427627 統內的輻射量而定。因此，單模式系統的場分佈情形會強 烈地變化而基本上不均勻。 不同於單模式空穴，多模式空穴可以同時支撐數種傳 遞模式，其等在疊加時，會造成一種複雜的場分佈形式。 在此種形式中，該等場傾向於在空間內產生模糊情形，因 此在空穴內的場分佈情形通常不會顯示出相同形式的強的 極小及極大場値。此外，如下文中將更詳細說明的，可以 使用模式混合器來''混合〃或、、重新分佈〃模式（例如藉 由機械式地移動輻射反射器）。此種重新分佈可以有利地 提供空穴內部較均勻的時間平均場分佈結果。 可配合本發明使用的多模式空穴能夠支持至少二種模 式，也可以支撐二種以上的模式。每一種模式均具有最大 的電場向量。雖然可能會有二種或多種模式，但是其中之 一模式會是主要的，具有較其他模式爲大的最大電場向量 値。在本文內所用的多模式空穴可以是任何的空穴，其中 的第一和第二模式間的大小比値是小於約]:1 0，或是小 於】：5，甚或是小於1 : 2。熟知此技藝中之一般技術的 人士當可瞭解到’此比値愈小，這些模式間的電場能量就 愈分散開，因之空穴內的輻射能量也愈分散開。 電漿在處理空穴內的分佈情形是強烈地依所施用之輻 射的分佈情形而定的。例如說，在單純的單模式系統中， 其僅有一個位置是電場的最大値。因此強的電漿僅會產生 在該單一位置處。在許多的應用中，此種強烈局部化的電 漿可能會造成所不欲見到之不均勻電漿處理結果或加熱情 -24- (21) (21)200427627 形（亦即局部的過熱或加熱不足）。 不論本發明係配合單模式或多模式空穴使用，具有此 技藝之一般技術的人士可以瞭解到，用來在內部形成電漿 的空穴可以是完全封閉住的，或者是部份開放的。例如說 ，在某些應用中，例如說電漿輔助爐，該空穴是完全封閉 住。例如說，參見本案申請人所有而同時提出申請的美國 專利申請案第10/ _，_號（代理人案件編號 1 8 3 7 · 0 0 2 0 )，其係引述於此，以供參考。但是在其他的 應用中，其或許會希望將氣體流通過空穴，因此該空穴必 須開放至某種程度。以此方式，流通氣體的流動、型式及 壓力可隨著時間而改變。這或是有需要的，因爲某些氣體 ，例如有助於電漿生成的氬氣，較易於激發，但是在後續 的電漿處理製程中則並不需要。 模式混合 對於許多的滲碳應用中，其必須要有內含均勻電漿的 空穴。但是，微波輻射可能會具有相當長的波長（例如說 數十公分），因此均勻的分佈相當不易達成。因此之故， 在本發明的一觀點中，多模式空穴內的輻射模式可以在一 段時間內混合或重新分佈。由於空穴內的場分佈必須要滿 足空穴內側表面所設定的邊界條件，因此其場分佈情形可 以藉由改變內部表面之任何部位的位置而改變之。 在本發明的一實施例中，一可活動的反射表面是位在 輻射滲碳空穴內部。此反射表面的形狀及運動結合在一起 -25- (22) (22)200427627 可在運動過程中改變空穴的內部表面。例如說，一個'、L 〃形的金屬物體（亦即、、模式混合器〃）在繞任何軸心線 轉動時會改變反射表面在空穴內的位置或方位，因之而改 變其內的輻射分佈。任何其他的非對稱形狀物體也可以使 用（在旋轉上），但是對稱形狀的物體也能用，只要其相 對運動（例如說旋轉、平移或二者的組合）可以造成反射 表面在位置或方位上的某種變化即可。在一實施例中，模 式混合器可以是一圓柱體，其可繞一條不是圓柱縱長向軸 心線的軸心線轉動。 多模式滲碳空穴中的每一種模式均具有至少一個極大 的電場向量，但這些向量中的每一者均會在空穴的內部尺 寸上定期的產生。一般而言，這些極大値是固定的，如果 輻射的頻率不改變的話。但是，藉由移動模式混合器而使 其與輻射互相作用，其可以移動極大値的位置。例如說， 模式混合器3 8可以用來滲碳空穴]2內的場分佈情形最佳 化’而使得電漿激發條件或電漿維持條件最佳化。因此， 一旦電漿被啓動後，模式混合器的位置可以改變，以移動 極大値的位置’進而可得到均勻的時間平均電漿製程（例 如說加熱或滲碳）。 因此’在本發明中，模式混合器在電漿激發時也是相 當有用的。例如說，在以導電纖維做爲電漿觸媒時，其己 知纖維的方位會強烈地影響最小電漿激發條件。例如說， 曾經被報導過，當纖維的方向是位在一個相對於電場的大 於60 °的角度上時，此觸媒僅能對這些條件提供些許的改 -26- (23) (23)200427627 善或鬆弛結果。但是，藉由在滲碳空穴內或其附近處移動 一個反射表面，電場分佈可以顯著地改善。 模式混合亦可藉由例如透過一個設置在施用器腔室內 部的旋轉波導接頭來將輻射發射進入施用器腔室內而達成 。此旋轉接頭可以機械式地移動（例如旋轉），以有效地 將輻射在幅射腔室內沿不同方向發射。因此之故，可以在 施用器腔室內部造成場形式的改變。 模式混合亦可藉由透過撓性波導管在輻射腔室內發射 輻射而達成。在一實施例中，波導管可以設置在該腔室內 部。在另一種實施例中，波導管則是延伸進入至該腔室內 。撓性波導管的末端部位的位置可以任何適當的方式來連 續地或定期地移動，以將輻射（例如微波輻射）沿不同方 向或不同位置發射至腔室內。此移動動作亦會造成模式混 合效果，且可增進以時間平均來看的更均勻的電漿處理結 果（例如說加熱）。另一種方式，此移動動作也可以用來 將電漿的位置最佳化，以供激發，或進行其他的電漿輔助 製程。 如果該撓性波導管是矩彤的，則簡單地將波導管的開 放末端加以扭轉即可旋轉施用器腔室內部之輻射內的電場 及磁場向量的方向。接下來，定期的扭轉波導管可造成模 式混合，以及轉動電場，這可用來輔助激發、調節或維持 電漿。 因此，即使觸媒的初始方位是垂直於電場，電場向量 的方位重設可將無效的方位轉變成更有效者。熟知此技藝 -27- (24) (24)200427627 者可以瞭解到，模式混合可以是連續的、定期的或是預先 以程式設定的。 除了電漿激發外，模式混合亦可在後續的滲碳及其他 型式的電漿處理製程中用來在腔室內減少或產生（例如說 ''調整〃）出、'熱點〃。當微波空穴僅能支持少數的模式 時（例如說少於5種），一個或多個局部的電場極大値可 造成、、熱點〃（例如說在空穴1 2內）。在一實施例中， 這些熱點可以配置成與一個或多個分開但同時產生的電漿 激發處或滲碳事件處相一致。因此電漿觸媒可以位在這些 激發點或後續滲碳（例如說電漿處理）位置的一者或多者 處。 多模式激發 滲碳電漿可以利用不同位置處的多個電漿觸媒來加以 激發。在一實施例中，其係使用多根纖維在空穴內的不同 點處激發電漿。在需要有均勻電漿的情形下，此種多點激 發是特別地有用。例如說，當電漿在高頻（亦即數十赫茲 或更高者）調節時，或者在相當大的空間內激發時，或者 是二者同時，其將可以改善大致上均勻的瞬間電漿衝擊或 再衝擊。另一種方式，當電漿觸媒係使甩在多個點上時， 他們可以藉由選擇性在不同位置上加入觸媒而在電漿腔室 內在這些不同位置上依序激發滲碳電漿。以此方式，如果 有需要可以在空穴內，以可控制的方式形成滲碳電漿激發 梯度。 -28- (25) (25)200427627 此外，在多模式滲碳空穴內，觸媒在空穴內的多個位 置上的任意分佈可以增加該等纖維中的至少一根，或者是 任何其他配合本發明使用之被動型電漿觸媒，相對於電場 線朝向最佳方位設置。但是，即使觸媒不是以最佳方位設 置（不是大致上對齊於電場線），其激發條件仍可改善。 此外，由於觸媒粉末可以懸浮在氣體中，相信每一個 粉末顆粒均具有被設置在空穴內不同實體位置上的效果， 因此可以改善滲碳空穴內的激發均勻度。 雙空穴電漿激發/維持 雙空穴配置也可配合本發明用來激發及維持電漿之用 。在一實施例中，其系統包含有至少第一激發空穴，以及 與第一空穴相通的第二滲碳空穴。在激發電漿時，第一激 發空穴內的氣體會在選擇性地有電漿觸媒存在的情形下受 到頻率低於約3 3 3 GHz之電磁輻射的照射。以此方式，第 一和第二空穴的鄰接可使得形成在第一空穴內的電漿能在 第二滲碳空穴內激發滲碳電漿，其可以另外的電磁輻射加 以維持。 在本發明的實施例中，第一空穴可以是非常地小，而 主要，甚或只供用來做電漿激發之用。以此方式，其僅需 要極少的微波能量來激發電漿，使其更容易激發，持別是 當本發明配合電漿觸媒使用時。 在一實施例中，第一空穴可以是基本上爲單模式空穴 ，而第二滲碳空穴則爲多模式空穴。當第一激發空穴僅能 -29- (26) (26)200427627 支撐單模式時’電場的分佈情形會在空穴內做強烈的變 化’而形成一個或多個精確定位的電場極大値。此等極大 値通常是電漿激發的第一位置，使得他們成爲放置電漿觸 媒的理想位置。但是可以瞭解到，在使用電漿觸媒時，並 不需要將其放置在此電場極大値處，且在許多情形中，也 不需要朝向特定方向。 滲碳製程 在本發明中，其提供一種對物體進行滲碳的方法，以 使得來自碳供應源的碳原子擴散進入該物體內，並增加該 物體內的平均碳濃度。碳可以均勻地擴散在物體的整個表 面上’或者碳可以僅擴散進入物體的一個或多個表面區域 內。 在本發明的範例性實施例中，如上所述，電漿係藉由 在電漿觸媒存在的情形下將氣體（例如說來自氣體供應源 2 4 )照射以輻射（例如說微波輻射）而激發的。如第]圖 中所示，電漿的激發係發生在空穴]2內，該空穴係形成 在一個位在微波腔室（亦即施用器）]4內的容器內部。 碳可藉由例如提供一種碳供應源給電漿而供給至該被激發 的電漿內。在一實施例中，此碳供應源是電漿觸媒。也就 是說，電漿觸媒可以包含有碳，其會經由與電漿接觸而被 電漿消耗掉。 此外，可使用在本發明之一特定實施例中的電漿觸媒 可以根據針對特定滲碳製程所選用之預定比例圖形而包含 -30- (27) (27)200427627 有一種或多種的不同材料。例如說，在一實施例中，第一 材料可以非常適合用來幫助電漿激發，而第二材料則可做 爲電漿化的碳（亦即可以被電漿消耗及加入電漿內的自由 碳）的主要供應源。這些材料可以包含在形狀包括第2圖 至第5圖、第7圖、第8圖中所示之形狀，及其等之任何 組合在內的電漿觸媒內。 此外，滲碳電漿中的碳可以由電漿觸媒以外，或是另 外加附於電漿觸媒上的其他碳供應源加以供應。此碳供應 源可以藉由例如與電漿接觸而供應碳至電漿內。可用來供 應給電漿的碳供應源的例子包括有含碳氣體、碳氫氣體（ 例如甲烷或其他者）、粉末狀碳、奈米碳管（例如以包括 例如雷射剝鈾在內等方法加以自碳供應源中分解出來的碳 顆粒）、木碳、焦碳、非晶碳、鑄鐵，以及其等的任何組 合中的至少一者。這些碳供應源在激發電漿時可以存在於 空穴1 2內，或者他們可以在電漿激發後，供應至空穴！ 2 內’以接觸電漿。如果此碳供應源爲氣態，則氣體供應源 24可以構造成不僅能供應電漿供應源氣體，也可以供應 碳供應源氣體（例如說氣體供應源24的結構可以具有多 個氣體容器及多個閥22 )。 存在電漿內的碳會在滲碳製程中擴散進入物體內。例 如說，該物體至少一個表面區域是暴露於電漿中一段足供 將電漿化的碳的至少一部份自電漿內經由該第一表面區域 移轉至物體內的時間。藉由暴露於電漿內，熱能可以有效 率地自電漿移轉至要滲碳的物體內，而使得該物體的溫度 -31 - (28) (28)200427627 以超過每分鐘4 0 0 °C的速率升高。滲碳可以在相當廣泛的 溫度軔Η內進行。但是，較局的溫度可以促進或加速擴散 過程。在此發明的實施例中，滲碳過程的一部份會在約攝 氏6 0 0度和約攝氏1，〇 〇 〇度之間的溫度下進行，或者在約 攝氏8 5 0度和約攝氏9 7 5度之間的溫度下進行。另一種可 能是整個製程均是在這些溫度下進行的。 在本發明的另一觀點中，來自電漿的碳會擴散進入物 體內至約0 · 0 0 3英吋至約0 · 2 5 0英吋的擴散深度。因此， 此擴散區域內物體內的碳含量會增加。此外，本發明的滲 碳製程可用來增加鐵質物體內的碳含量，包括多種等級的 鋼。非鐵材料亦可使用本發明來做滲碳處理。在一實施例 中，初始碳含量低於約0.25%的鋼可以有效地加以滲碳處 理。 雖然滲碳電漿可以在不使用電漿觸媒的情形下加以啓 動，但在某些應用中，電漿觸媒可用來激發、調節或維持 電漿。例如說，在有可配合本發明使用的被動型或主動型 電漿觸媒存在的情形下，其可以減低甩來啓動湊碳電漿所 需的輻射能量密度。此種減低效周可使得電槳能夠在相當 低量的輻射能量下，以一種受控制的方式產生5這在將物 體中的敏感部位暴露於滲碳電漿的情形下特別有用。在一 受控制的實施例中，電漿可由低於約1 〇 W / c m 3的時間平 均輻射能量（例如說微波能量）密度來加以啓動。此外， 滲碳電發可使用低於約5 W / c m3的時間平均輻射能量密 度來加以啓動。有利的是，這些較低的能量密度可以在不 -32- (29) (29)200427627 需要真空設備的情形下達成。 因此，使用電漿觸媒可有助於對於滲碳電漿及使用該 電漿的製程的控制。詳細地說，由於電漿是一種有效的電 磁輻射吸收體，包括微波輻射在內，任何用來啓動滲碳電 漿的輻.射會大部份且立即地被滲碳電漿所吸收。因此，導 引至滲碳空穴內的輻射能量較不易在滲碳電漿產生的初期 階段被反射掉。因此之故，使用電漿觸媒可以增進對於暴 露在滲碳電漿內之物體的加熱速率、該物體的溫度，以及 使用該電漿的特定製程（例如說滲碳或其它的製程）等的 控制，同時也可減少在滲碳製程初期階段的強烈輻射反射 的可能性。 使用電漿觸媒亦可使得滲碳電漿能夠在相當廣泛壓力 範圍內啓動。例如說，本發明的滲碳電漿不僅可在全壓力 小於大氣壓的真空環境內產生，電漿觸媒的存在亦可有助 於在壓力爲大氣壓力或其上的情形下啓動電漿。在一實施 例中，滲碳電漿係在具有初始壓力位準至少約7 6 0托之氣 態環境的空穴內啓動的。此外，本發明的滲碳製程可藉由 將物體在壓力至少爲約760托的環境中暴露於電漿中來進 行的。 除了以電漿輔助來對物體之單一表面區域進行滲碳處 理外，亦可對物體的整個表面區域進行滲碳處理。另外， 物體上的一個或多個分隔開的表面區域亦可選擇性地做滲 碳處理。物體的某些表面區域亦可有效地加以遮蔽於滲碳 電漿之外’以防止該等區域暴露於電漿中。在這些區域內 -33- (30) (30)200427627 ，基本上不會產生滲碳的結果。 例如說，空穴1 2可以構造成能防止物體的某些表面 區域暴露於電漿中。如先前所討論的，空穴1 2內之輻射 的模式的數目或級數係依穴空大小或構造而定的。要滲碳 之物體的存在於空穴1 2內亦會影響空穴內之輻射模式的 場分佈。電磁輻射在金屬物體上的正交入射的邊界條件要 求電場在表面上幾乎爲零，而第一極大値則發生在距離物 體表面四分之一波長距離處。因此，如果金屬物體與空穴 內側壁面間的間隙小於約輻射的四分之一波長，則只有少 量，甚或沒有電漿可以被維持於這些區域內，而滿足於此 條件的物體表面區域則僅會有少量，甚或沒有滲碳發生。 這些被 '' 遮蔽〃住的表面區域可以透過該物體在空穴12 內的定位，藉由設計空穴]2之壁部，或是藉由任何其他 適當的方法來控制該物體之表面與空穴壁部間的距而提供 之。 第二種用來大致上防止滲碳在物體的特定區域內發生 的方法包括有將該物體相對於空穴1 2擺放成使得該物體 至少有一部份是位在空穴內，而該物體的其他部位則位在 空穴外。位在空穴內的部位會被滲碳，而位在空穴外部的 部位則大致上不受滲碳作用。 具有此技藝之一般技術的人士可以瞭解到，本發明的 電漿輔助滲碳法的進行是完全不需要在空穴內的。反之， 形成在空穴內的滲碳電漿可以流經一孔口而用來在空穴的 外部對物體加以滲碳。 -34- (31) (31)200427627 爲能在空穴1 2內形成或維持大致上均勻的時間平均 輻射場分佈情形，可以使用模式混合器3 8，如第1圖中 所不。另一種方式，或者是另外配合使用，物體可以在暴 露於電發中時相對於電發移動。此種移動運動可以使該物 體的全部表面區域更均勻地暴露於電漿內，這可使得碳能 夠在大致上均勻的輪廓下擴散進入至該物體的表面內。此 外，此種移動運動亦可有助於控制物體的加熱（例如說， 對於物體的某些區域加熱地較其他區域爲快，或者大致上 均勻地加熱零件之整個表）。 在本發明的電漿輔助滲碳製程中，可以在物體上施加 電位偏壓。此電位偏壓可將滲碳電漿內的帶電碳原子吸引 至該物體上，這可有助於將電漿均勻的包覆於該物體上， 進而促進該物體的加熱。此外，電位偏壓亦可將帶電碳原 子朝向該物體加速，這亦可增加碳的擴散率。施加至該物 體上的電位偏壓可以是例如交流偏壓、直流偏壓或脈衝式 直流偏壓。此偏壓的大小可以根據特定的應用來加以選取 。例如說，電壓的強度可以自〇. 1伏特至1 0 〇伏特，甚或 數百伐特，依所需的電離化物種的吸引率而定。此外，此 偏壓可以是正値，也可以是負値。 在本發明的另一實施例中，其提供一種對於物體之第 一表面區域進行電漿輔助滲碳處理的方法，其係使用電漿 來加熱該物體及碳供應源’但是電漿在碳的移轉上並不必 要。在此實施例中，該方法包含有：（1 )藉由將空穴內 的氣體在電漿觸媒存在的情形下以頻率低於約3 3 3 GHZ的 -35- (32) (32)200427627 電磁輻射加以照射來啓動電漿’ （2 )將該物體的第一表 面區域暴露於該電獎內一段足供加熱該表面的時間’ （3 )將一碳供應源暴露於該電漿中一段足供加熱該供應源的 時間，其中該碳供應源係一種自包含有木碳、焦碳、碳纖 維、石墨、非晶碳、鑄鐵及其等的任何組合的族群中所選 出的固態供應源，以及（4 )將碳中的至少一部份自該供 應源經由該第一表面區域移轉至該物體內。因此，碳可以 蒸氣的形式移轉而不需使用電獎。 在前面所描述的實施例中，有多種的特徵係組合起來 成單一實施例，以供流暢本文說明。本文的方法並不解釋 爲所主張的發明必須要有申請專利範圍所引述者以外的特 徵。反之，如下面申請專利範圍所顯示的，本案的發明觀 點僅須比前述單一實施例中所有特徵爲少者即可達成。因 此在此節實施例的詳細說明後面加附申請專利範圍，其每 一申請專利項均代表本發明的個別較佳實施例。 [圖式簡單說明】 第1圖是範例性的本發明滲碳電漿系統的示意圖式。 第1 A圖係本發明滲碳電漿系統中用來將電漿觸媒加 添至電漿空穴內，以供在空穴內進行電漿之激發、調節或 維持的一部份範例性實施例。 第2圖顯示出可配合本發明使用之範例性電漿觸媒纖 維，至少有一部份內具有沿其長度延伸的濃度梯度。 第3圖顯示出可配合本發明使用之範例性電漿觸媒纖 -36- (33) (33)200427627 維，具有多個以一種沿其長度變化之比例設定的部位。 第4圖顯示出另一種可配合本發明使用之範例性電漿 觸媒纖維，其包含有一核心底層及一塗覆層。 第5圖顯示出可配合本發明使用之第4圖中的電漿觸 媒纖維沿著第4圖中線5 — 5所取的剖面圖。 第6圖顯示出內含有貫穿過激發埠口之長形電漿觸媒 的本發明電漿系統之另一部位的範例性實施例。 第7圖顯示出可配合本發明使用在第6圖之系統內的 長形電漿觸媒的範例性實施例。 第8圖顯示出可配合本發明使用在第6圖之系統內的 長形電漿觸媒的另一種範例性實施例。 第9圖顯示出本發明之電漿系統中用來將輻射導入至 電漿腔室內之部位的範例性實施例。 兀件符號表 10 滲碳系統 】2 空穴 14 腔室 20 管線 22 控制閥 2 4 氣體供應源 26 輻射供應源 28 電源供應器 3〇波導管 -37- (34) (34)200427627 32 循環器 34 調諧器 3 6 馬達 38 模式混合器 4 0 視窗 42 溫度感測器 44 控制器 52 輻射供應源 5 5 空穴 60 電漿空穴 65 粉末供應源 70 觸媒粉末 7 5 氣體流 1 〇 〇觸媒 ]〇 5觸媒區段 1 1 〇觸媒區段 1 2 0觸媒 ]2 5觸媒區段 1 3 0觸媒區段 1 4 0纖維 145底層 1 5 0塗覆層 1 6 0輻射腔室 1 6 5電漿空穴 -38- (35) (35)200427627 1 7 〇觸媒 1 7 5激發埠口 1 8 0遠端部位 1 8 5非導電性部位 1 9 0導電片段 1 9 5不導電片段 2 0 0輻射供應源 20 5腔室 2 1 0 電漿空穴 2 1 5 埠口 2 1 6 埠□ 2 2 0供應源 2 2 5輻射