專利名稱：：通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源來處理至少一個(gè)零件的表面的方法通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源來處理至少一個(gè)零件的表面的方法本發(fā)明涉及基于氣體介質(zhì)通過電子回旋共振(RCE)產(chǎn)生等離子體，并更特別地涉及表面處理的
技術(shù)領(lǐng)域：
。本領(lǐng)域的技術(shù)人員非常熟知通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體可參與金屬零件或非金屬零件的表面處理，諸如通過離子清洗對(duì)零件進(jìn)行清理、對(duì)物理氣相沉積(PVD)沉積方法的離子輔助、活化氣態(tài)物質(zhì)以制造等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)涂層等。這些通過等離子體進(jìn)行的表面處理方法可被用于但不限于機(jī)械、光學(xué)、腐蝕保護(hù)或用于產(chǎn)生能量的表面處理等領(lǐng)域。本發(fā)明尤其適用于處理具有多個(gè)待處理的表面或者所謂復(fù)雜形狀的一個(gè)或多個(gè)零件。眾所周知，為了在形狀復(fù)雜的零件上實(shí)現(xiàn)等離子體處理，可實(shí)現(xiàn)所述零件的極化，以便在待處理的零件的表面直接創(chuàng)建等離子體，極化可以以連續(xù)、脈沖或射頻的方式進(jìn)行。這種方案具有如下缺點(diǎn)由于工作電壓同時(shí)確定到達(dá)表面的離子的能量和等離子體的密度，所以等離子體的產(chǎn)生和通過該等離子體的離子對(duì)表面的轟擊不是獨(dú)立的。還觀察到這種極化只有在約為IPa(帕斯卡)至IOPa的壓強(qiáng)下才有效。然而，該壓強(qiáng)(對(duì)等離子體處理而言相對(duì)較高)對(duì)應(yīng)于較小平均自由行程，這使得來自或向待處理的零件的材料傳輸尤其困難，并且促使在零件之間形成空心陰極，導(dǎo)致所得到的處理不均勻。為避免形成空心陰極，必須特別注意待處理的零件之間的距離。即使通過使用外部源(例如射頻波或微波)來創(chuàng)建等離子體從而降低工作壓強(qiáng)，仍然存在零件均勻處理的問題。已提出多種技術(shù)方案來在待處理的零件的表面創(chuàng)建均勻的等離子體。根據(jù)專利FR2658025的記錄，通過使用在空間上均勻的磁場(chǎng)獲得均勻的等離子體。于是由等離子體的均勻性得到對(duì)零件的均勻處理。另外，由于鐵磁型的零件必定會(huì)改變磁場(chǎng)的均勻性從而改變處理的均勻性，所以該類型的配置受到極大限制。專利FR2838020提出在反應(yīng)器的外圍上分布源從而產(chǎn)生等離子體約束，以使得等離子體在空間上是均勻的以獲得均勻處理。根據(jù)該方案，雖然零件的磁性或非磁性并不重要，但等離子體的均勻性卻必定受到零件存在的影響。事實(shí)上，由分布在處理系統(tǒng)壁上的基本源的作用的總和得到空間上均勻的等離子體。將物體放置在等離子體中的行為必定會(huì)導(dǎo)致對(duì)源的遮蔽，從而損害等離子體和處理的均勻性。由專利FR2797372的記錄可知用于處理具有平坦幾何形狀或具有輕度彎曲表面類型的幾何形狀的物體的方案。根據(jù)該專利的記錄，等離子體源位于距待處理零件的表面恒定距離處，以使得等離子體在該表面上是均勻的。但是，正如已指出的，該方案專用于零件的確定幾何形狀。針對(duì)每一新的幾何形狀，必須改變反應(yīng)器并且尤其要改變等離子體源的位置。由專利W02007/023350的記錄可知用于處理平坦幾何形狀的物體的另一方案。該專利應(yīng)用了不常見的磁感應(yīng)共振條件B=πmf/e(其中f是電磁波的頻率，而m和e是電子的質(zhì)量和電荷)。根據(jù)該專利的記錄，通過足夠接近基本源以獲得滿足上述共振條件的感應(yīng)B的公共等值面(isosurface)，獲得了均勻的處理區(qū)域。在通常使用的2.45GHz頻率下，該條件對(duì)于約為437高斯(Gauss)的場(chǎng)而言是滿足的。因此該方案需要無論壓強(qiáng)是多少都遵守基本源之間小于5cm的足夠小的距離。因此需要布置許多單獨(dú)的源，這提高了處理的成本。同樣地，源前面的磁場(chǎng)也被加強(qiáng)，如果希望處理磁零件則這可能是不利的。由專利FR2826506的記錄可知涉及不規(guī)則放電電流的放大設(shè)備的另一方案。該設(shè)備放大存在的等離子體，因此，為了工作，需要連接其它電極(比如磁控管陰極)。通過施加正電壓來放大等離子體。然而，帶極強(qiáng)正電的等離子體具有以下潛在缺點(diǎn)濺射反應(yīng)器的壁并因此污染待處理的零件。本發(fā)明的目的是簡(jiǎn)單、可靠、有效和合理地克服上述缺點(diǎn)。本發(fā)明所提出要解決的問題是能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的表面處理允許以均勻的方式(換句話說允許在即使空間中的等離子體本身不均勻的情況下仍可在空間上均勻地處理)處理具有復(fù)雜形狀的零件，限制源個(gè)體的數(shù)量并降低處理成本。為了解決該問題，設(shè)計(jì)和開發(fā)了通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源來處理至少一個(gè)零件的表面的方法和設(shè)備。該方法包括使一個(gè)或更多零件相對(duì)于基本源的至少一個(gè)固定直列作至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備包括與一個(gè)或更多零件相對(duì)設(shè)置的基本源的至少一個(gè)固定直列，所述一個(gè)或更多零件固定到用于經(jīng)受至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置。為了使基本源的等離子體相互疊加并產(chǎn)生沿該列基本源的均勻處理，將基本源的一個(gè)或者多個(gè)直列設(shè)置為與所述一個(gè)或更多零件的旋轉(zhuǎn)軸線平行。在使用多個(gè)直列的情況下，將這些列設(shè)置為使得它們不互相磁性干擾。根據(jù)這些特征，等離子體基本源構(gòu)成局部化的處理區(qū)域，使得尺寸的擴(kuò)展變得尤其簡(jiǎn)單。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)的形式或者是單行星式或雙行星式的運(yùn)動(dòng)形式。為了實(shí)現(xiàn)電子回旋共振的條件，基本源可由同軸波導(dǎo)和包含磁體的端罩構(gòu)成，所述磁體被限定為允許電子回旋共振并適合給所述源供電的一個(gè)或多個(gè)發(fā)生器的頻率，如專利FR2797372中所述。為了保護(hù)波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱性和為了保證電子軌跡的自閉合，磁體的磁化軸線與波導(dǎo)的軸線是共線的。根據(jù)另一特征，基本源可由功率在源之間平均分配的單個(gè)發(fā)生器供給，如專利FR2798552所述?；驹纯捎啥鄠€(gè)發(fā)生器供給，調(diào)節(jié)所述多個(gè)發(fā)生器的功率以沿所述源的所述列獲得均勻的處理。通過兩個(gè)源之間的磁相互作用規(guī)定分隔這兩個(gè)源的最小距離。該距離大約是基本源的磁體直徑的兩倍。在這里，磁體之間的相互作用移動(dòng)RCE的區(qū)域。在兩個(gè)磁體間的極性相反的情況下，該區(qū)域非常接近源的表面；在另一種情況下，該區(qū)域距離源的表面非常遠(yuǎn)。在2X10_3毫巴的壓強(qiáng)Ptl下，從源的表面起，等離子體在約為5cm的距離Rmaxtl上展開。因此兩個(gè)源之間的最大間距Dmax被限制為該距離的兩倍(大約IOcm)。該最大間距在壓強(qiáng)較小的情況下可更大，而在壓強(qiáng)較大的情況下將更小。因此該距離與壓強(qiáng)成反比。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>以下將借助附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中-圖1是根據(jù)本發(fā)明的處理設(shè)備的簡(jiǎn)化實(shí)施方式的僅為示意性質(zhì)的正視圖；-圖2是在運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)形式的旋轉(zhuǎn)類型的情況下對(duì)應(yīng)于圖1的俯視圖；-圖3是在運(yùn)動(dòng)為單行星運(yùn)動(dòng)形式的旋轉(zhuǎn)類型的情況下與圖2相似的視圖；-圖4是在雙行星運(yùn)動(dòng)形式的旋轉(zhuǎn)類型的運(yùn)動(dòng)的情況下與圖3相似的視圖；-圖5和圖6示出具有不同極性磁化(圖5)或優(yōu)選為相同極性磁化(圖6)的兩種基本源布置；-圖7是基本源的實(shí)施例的透視圖。圖1示出通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源(2)來處理至少一個(gè)零件(1)的表面的設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備包括布置為與零件(1)相對(duì)的基本源(2)的至少一個(gè)固定直列。重要的是，將一個(gè)或多個(gè)零件(1)與任何類型的已知裝置固定，該裝置適于作至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)，尤其是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。零件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源的線性布置的這種組合允許產(chǎn)生對(duì)復(fù)雜零件的三維表面的均勻處理。該運(yùn)動(dòng)適合待處理零件的形狀和幾何尺寸并且適合載入真空罩內(nèi)。對(duì)尺寸較大的零件而言(圖2)，該運(yùn)動(dòng)可以由簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)構(gòu)成。對(duì)尺寸較小的零件而言，該運(yùn)動(dòng)可以是單行星式(圖3)或者雙行星式(圖4)。在一種實(shí)現(xiàn)方式中，每個(gè)基本源(2)由共軸波導(dǎo)(2a)和包括強(qiáng)度足以實(shí)現(xiàn)電子回旋共振的磁體(3)的端罩(2b)構(gòu)成。磁體的磁化軸線與共軸波導(dǎo)(2a)的軸線是共線的。這些設(shè)置允許保護(hù)波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱性和確保電子軌跡的自閉合。各個(gè)源(2)的磁化可隨意地確定，使得相鄰的源可具有相同的極性(圖6)或不同的極性(圖5)。在相鄰的兩個(gè)磁體的極性相反的情況下，場(chǎng)線從一磁體的一極過渡到另一磁體相反的極。因此熱電子將在這些場(chǎng)線上被捕獲并在這兩個(gè)磁體間做往返運(yùn)動(dòng)。電子的這種定位發(fā)生在兩個(gè)源之間和之前的空間中，并在該位置產(chǎn)生更強(qiáng)的等離子體。這導(dǎo)致兩個(gè)磁體之間更快的沉積速度。在源的極性相同的情況下，兩個(gè)相鄰磁體的場(chǎng)線互斥并且沒有線連接這兩個(gè)磁體。因此在源之前和之間的空間中不發(fā)生熱電子的定位并且沉積更均勻。為了恢復(fù)與交錯(cuò)極化等效的均勻性，可將源-基板的距離增大幾厘米，但在這種情況下?lián)p失了沉積的速度。由于這些原因，磁體的優(yōu)選布置是極性處處相同的布置。不符合本發(fā)明的實(shí)例1通過PACVD靜態(tài)沉積碳使用了磁體極性的兩種配置6個(gè)相同極性的端罩和6個(gè)交錯(cuò)極性的端罩。將基板面向源放置，且在處理期間保持固定。厚度的測(cè)量表明靜態(tài)沉積是不均勻的。交錯(cuò)極性的配置雖然取得好一些的結(jié)果，但仍然具有30%到40%的厚度變化。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>符合本發(fā)明的實(shí)例2通過PACVD沉積碳這種沉積使用碳?xì)浠衔镒鳛榍百|(zhì)氣體來進(jìn)行。使用了磁體極性的兩種配置6個(gè)相同極性的端罩和6個(gè)交錯(cuò)極性的端罩。沉積厚度的測(cè)量表明兩件事情-在使用交錯(cuò)極性的磁體配置中沉積的平均速度更高。-在使用相同極性的磁體配置中沉積的均勻性更好。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>這些實(shí)例表明，即使靜態(tài)處理產(chǎn)生很不均勻的處理，但一列源與繞平行于該列源的軸線的運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合產(chǎn)生均勻的處理?；驹储朴晒β试谠粗g平均分配的單個(gè)發(fā)生器供給。或者基本源(2)由多個(gè)發(fā)生器供給，調(diào)節(jié)所述多個(gè)發(fā)生器的功率以提高處理的均勻度。所述一個(gè)或多個(gè)發(fā)生器例如是通常為2.45千兆赫的微波類型。根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，多個(gè)源(2)沿著與零件的旋轉(zhuǎn)軸線(X-X’)平行的線設(shè)置。這導(dǎo)致基本源(2)的等離子體區(qū)域相互疊加，從而允許沿該列基本源獲得均勻的處理。兩個(gè)源的磁相互作用規(guī)定分隔這兩個(gè)源的最小距離Dmin。該距離大約是基本源的磁體直徑的兩倍。在這里，磁體之間的相互作用移動(dòng)RCE的區(qū)域。在兩個(gè)磁體間的極性相反的情況下，該區(qū)域非常接近源的表面；在另一種情況下，該區(qū)域距離源的表面非常遠(yuǎn)。在2X10_3毫巴的壓強(qiáng)Ptl的情況下，從源的表面起，等離子體展開在約為5cm的距離Rmaxci上。因此兩個(gè)源之間的最大間距Dmax被限制為該距離的兩倍(大約IOcm)。該最大間距在壓強(qiáng)較小的情況下可更大，而在壓強(qiáng)較大的情況下將更小。因此該距離與壓強(qiáng)成反比。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>為了根據(jù)反應(yīng)器的高度來產(chǎn)生均勻的處理，各個(gè)源的相對(duì)位置就應(yīng)該介于Dmin禾口Dmax之間。在一個(gè)實(shí)施例中，待處理的零件可被設(shè)置在具有按照一種或者多種運(yùn)動(dòng)方式而旋轉(zhuǎn)的能力的基板座上，所述基板座是在PVD沉積(如磁控管濺射)領(lǐng)域中使用的類型。零件相對(duì)于源的最小距離被定義為在運(yùn)動(dòng)期間被認(rèn)為最近的距離。可以觀察到大約介于40mm和160mm之間的最小距離給出了符合所追求的均勻度的處理品質(zhì)。200.00π-------------------180.00-\I—靜太I(xiàn)160.00-\ZZ140.00^\Lj:縫J%120.00-NAI100.00-運(yùn)80.00玄60.00-,40.00-、嘴20.00---—*0.00-I---——-~η——------------τ----ι--O5101520源-基板距離(cm)在該實(shí)例中可看到使用碳?xì)浠衔镒鳛闅怏w前質(zhì)、基于微波RCE源實(shí)現(xiàn)的沉積的厚度的均勻性。試樣被設(shè)置在距離源不同的最小距離處并面對(duì)這些源。將靜態(tài)(即采用保持不動(dòng)的基板)處理與采用行星式運(yùn)動(dòng)的處理進(jìn)行了比較。該圖示出了當(dāng)?shù)皆摿性吹木嚯x增大時(shí)沉積速度的逐漸減小。在行星式運(yùn)動(dòng)的情況下，源-基板距離對(duì)應(yīng)于在運(yùn)動(dòng)期間基板到源的最小距離?？汕宄乜吹皆撨\(yùn)動(dòng)允許減緩沉積速度的下降。本發(fā)明能有利地用于不同級(jí)別的表面處理，作為絕非限制性的指南，例如包括通過離子清洗對(duì)零件進(jìn)行清理、對(duì)PVD沉積方法的離子輔助或者活化氣態(tài)物質(zhì)以制造PACVD涂層等。如開篇所述，這些等離子體處理技術(shù)被用于許多領(lǐng)域，諸如機(jī)械、光學(xué)、腐蝕保護(hù)或用于產(chǎn)生能量的表面處理等領(lǐng)域。從描述中可見本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，特別要強(qiáng)調(diào)和提醒的是，通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源進(jìn)行處理的方法和設(shè)備允許-通過使用單一的設(shè)備配置來處理具有可變和任意幾何形狀的金屬或非金屬零件；-獲得可變和復(fù)雜表面上的均勻處理，而無需根據(jù)零件的幾何形狀來改變?cè)O(shè)備的幾何形狀。權(quán)利要求一種通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源來處理至少一個(gè)零件的表面的方法，其特征在于，所述方法包括使一個(gè)或更多零件(1)相對(duì)于基本源(2)的至少一個(gè)固定直列作至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基本源(2)的所述一個(gè)或者多個(gè)直列被設(shè)置為與所述一個(gè)或更多零件的一個(gè)或更多旋轉(zhuǎn)軸線平行。2.一種通過電子回旋共振產(chǎn)生的等離子體基本源來處理至少一個(gè)零件的表面的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括與所述一個(gè)或更多零件(1)相對(duì)設(shè)置的基本源(2)的至少一個(gè)固定直列，所述一個(gè)或更多零件(1)固定到用于經(jīng)受至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置，基本源(2)的所述一個(gè)或者多個(gè)直列被設(shè)置為與所述一個(gè)或更多零件的一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線平行。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是單行星式旋轉(zhuǎn)或雙行星式旋轉(zhuǎn)。5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述基本源(2)由同軸波導(dǎo)和包含被限定為允許電子回旋共振的磁體的端罩構(gòu)成。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述磁體的磁化軸線與所述波導(dǎo)的軸線是共線的，以保障所述波導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱性和保證電子軌跡的自閉合。7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述基本源由單個(gè)發(fā)生器供給，所述發(fā)生器的功率在所述源之間平均分配。8.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述基本源由多個(gè)發(fā)生器供給，調(diào)節(jié)所述多個(gè)發(fā)生器的功率以沿所述源的所述列獲得均勻的等離子體。9.根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，源之間的距離Dmax通過以下算式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>在該算式中=Rmaxtl約為5厘米，Ptl為2X10_3毫巴，P為以毫巴表示的工作壓強(qiáng)。10.根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述源相對(duì)于所述零件的最小距離是在所述運(yùn)動(dòng)期間被認(rèn)為最近的距離，并且大約介于40mm和160mm之間。全文摘要本方法包括使一個(gè)或更多零件(1)相對(duì)于基本源(2)的至少一個(gè)固定直列作至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基本源(2)的所述一個(gè)或者多個(gè)直列被設(shè)置為與所述一個(gè)或更多零件的一個(gè)或更多旋轉(zhuǎn)軸線平行。文檔編號(hào)H05H1/46GK101828246SQ200880112034公開日2010年9月8日申請(qǐng)日期2008年10月9日優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日發(fā)明者克里斯托弗·埃奧,菲利普·毛林-佩里耶,貝亞特·施密特申請(qǐng)人:H.E.F.公司