DE102006033823A1

DE102006033823A1 - Vorrichtung und Verfahren zur plasmagestützten Erzeugung von UV-Strahlung zur UV-Bestrahlung und Behandlung großvolumiger komplexer Bauteile

Info

Publication number: DE102006033823A1
Application number: DE200610033823
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Laure
Original assignee: Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Current assignee: Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur plasmagestützten Erzeugung von UV-Strahlung zur UV-Bestrahlung und Behandlung großvolumiger komplexer Bauteile. Hierzu sind vorgesehen: eine Vakuumkammer mit einer oder mehreren Pumpen, mit einer Transportvorrichtung zum Befördern des Bauteils in die Vakuumkammer, mit einer Isolation zwischen dem Bauteil und der Vakuumkammer, mit einem Schwingkreis mit einem Hochfrequenzgenerator, wobei die Kapazität und Induktivität des Schwingkreises einstellbar ist, mit mindestens einem Anschluss zum Verbinden des Schwingkreises mit dem Bauteil.

Description

Die Erfindung soll in der Lage sein, großvolumige Bauteile einer über die gesamte Oberfläche gleichmäßig wirkenden Plasmabehandlung zu unterziehen. Spezielles Augenmerk soll dabei auf die Bearbeitung der Oberfläche mit UV-Strahlung gelegt werden. Wobei die zu behandelnde Oberfläche sowohl Außen- und Innenflächen einschließt. Besonders Augenmerk wird dabei auf die Behandlung von Spalten und Fügestellen zwischen einzelnen Bauteilen gelegt. Gleiches gilt für Hohlräume und Hinterschneidungen, die ebenfalls durch das Plasma behandelt werden müssen. Eine derartige Vorrichtung zur Plasmabehandlung großvolumiger Bauteile ist aus der WO 2005/069703 A2 bekannt.
Bekannte Verfahren nutzen Elektroden oder Antennen an deren Oberflächen das Plasma quellförmig erzeugt wird. Von der Oberfläche der Plasmaquelle (Elektrode) breitet sich das Plasma in den Raum aus. Mit wachsendem Abstand von der Elektrode ändern sich die Zusammensetzung des Plasmas und die Intensität der vom Plasma emittierten Strahlung. Ein besonders Problem stellen in diesem Zusammenhang Spalte, Fügestellen, Hohlräume und Hinterschneidungen dar, die, verglichen mit der Plasmaquelle zugewandten Flächen, nur schwer einem gleichen Plasmaeinfluß ausgesetzt werden können Auch auf den, der Plasmaquelle zugewandten, Flächen lässt sich aufgrund der starken Gradienten nur schwer eine gleichmäßige Bearbeitung sicherzustellen. Dies gilt vor allem für Bearbeitungsvorgänge, die von Strahlungsprozessen dominiert werden
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren, das in der Lage ist, ein großvolumiges Bauteil einer entlang der Oberfläche gleichmäßigen Plasmabehandlung zu unterziehen.
Das Bauteil wird über ein für die Plasmabehandlung in einen Vakuumtank eingebracht. Der Vakuumtank ist hierfür mit einem speziellen Schienen-Mechanismus ausgestattet, in den die elektrische Isolation zwischen Bauteil und Vakuumtank integriert ist. Der Schienen-Mechanismus muss so aufgebaut sein, dass er individuell an jedes Bauteil angepasst werden kann.
Für die Plasma-Bearbeitung wird das Bauteil über den Schienen-Mechanismus in den Vakuumtank eingebracht. Im Gegensatz zu Elekrodenanordnungen, muss Abstand der Elektroden zum Bauteil nicht eingestellt werden. Das Plasma wird durch die Ausbildung von Wirbelströmen an den Oberflächen des Bauteils erzeugt.
Für die Plasmabearbeitung wird das Bauteil mit dem Außen-Schwingkreis eines Hochfrequenzgenerators verbunden. Dabei können beide Pole mit dem Bauteil verbunden werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit einen der Pole zu erden oder auf Erde zu schalten.
Die Hochfrequenzleitungen müssen über spezielle Durchführungen in den Vakuumtank geführt werden.
Der Tank wird auf einen Druck von 0,1–1000 Pa evakuiert. Der Druck kann durch Zugabe eines Arbeitsgases oder einer Flüssigkeit, die mit der zu bearbeitenden Oberfläche chemisch in Wechselwirkung tritt, erhöht werden. Als Arbeitsgase können, je nach Anforderung sämtliche Gase verwendet werden. Außerdem können Flüssigkeiten zum verdampfen gebracht werden und über ein spezielles Ventil in die Vakuumkammer eingebracht werden.
Nachdem sich der gewünschte Enddruck eingestellt hat, wird ein hochfrequenter Wechselstrom in den Schwingkreis eingespeist. Die Frequenz, mit der der Wechselstrom in den Schwingkreis eingespeist wird beträgt ca.0,1–100 MHz Der Strom bewirkt oszillierende Magnetfelder, die sich abhängig von der Geometrie des zu bearbeitenden Bauteils in dessen Umgebung ausbreiten. Die zeitliche Änderung des Magnetfelds bewirkt elektrische Felder, die für die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas in der Umgebung des Bauteils verantwortlich sind.
Das zu bearbeitende Bauteil bildet zu zusammen mit einer Anzahl von Kondensatoren und weiteren Induktivitäten einen Schwingkreis. Die Entstehung und Ausbildung des Plasma hängt vom Zusammenspiel der Komponenten, die den Schwingkreis bilden ab. Um eine optimale Ankopplung der elektrischen Leistung an das Bauteil sicherzustellen, muss der Schwingkreis, der aus dem zu bearbeitenden Bauteil und zusätzlichen Kapazitäten und Induktivitäten besteht, entsprechend angepasst werden. Die Anpassung des Schwingkreises kann durch die Variation der Induktivitäten und/oder Kapazitäten, die den Schwingkreis bilden erfolgen. Die Tatsache, dass das Werkstück in den Schwingkreis eingebunden ist, bewirkt dass der hochfrequente Wechselstrom durch das Bauteil fließt. Hierdurch entstehen an der Oberfläche elektrische und magnetische Felder, die das Plasma in Oberfläche erzeugen und aufrechterhalten.
Für die Erzeugung von UV-Strahlung wird die oben beschriebene Anordnung um ein spezielles Verfahren für die Einblasung und Aufbereitung der Arbeitgase, die in der Lage sind UV-Strahlung zu emittieren.
Als Arbeitsgase können, je nach Anforderung sämtliche Gase verwendet werden, die im Plasmazustand elektromagnetische Strahlung im Wellenlängen Bereich zwischen 100 und 400 nm abstrahlen. Außerdem können Flüssigkeiten zum verdampfen gebracht werden und über ein spezielles Ventil in die Vakuumkammer eingebracht werden. Dabei werden die Arbeitsmedien so ausgewählt und abgestimmt, dass die Strahlungsausbeute im UV-Bereich maximiert wird. Neben Stickstoff der als UV-Strahlungsquelle bekannt ist, eignen sich besonders so genannte Excimere, die aus der Lasertechnik bekannt sind. Moleküle, die in Frage kommen, sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Gas/Molekül Abgestrahlte Wellenlänge

F₂ 157 nm

Xe₂ 172 nm

ArF 193 nm

KrF 248 nm

XeBr 282 nm

XeCl 308 nm

XeF 351 nm
Die entsprechenden Moleküle werden durch Reaktion der einzelnen Komponenten oder von Verbindungen, die diese enthalten, erzeugt werden. Die Umwandlung in strahlungsaktive Stoffe findet dabei direkt an der Oberfläche des Bauteils statt. Damit erreicht man eine optimale Ausleuchtung von Spalten und Hinterschneidungen.
Andere Gase/Flüssigkeiten können nach geeigneter spektroskopischer Untersuchung ebenfalls eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibungen, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabeschichtung dargestellt. Im folgenden ist diese Vorrichtung erläutert. Es zeigen:
1 Vorrichtung zur Plasmabeschichtung in einer Ansicht von vorne,
2 Vorrichtung zur Plasmabehandlung in einer Ansicht von oben,
3 Schaltplan zur der Vorrichtung gemäß 1 und 2,
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur Plasmabeschichtung in einer Ansicht von vorne und von oben. Ein zu bearbeitendes Bauteil 1 wird über Schienen 2 und in der Zeichnung nicht erkennbare Rollen in eine Vakuumkammer 3 eingefahren. An den Schienen 2 ist eine Isolation 4 vorgesehen, welche das Bauteil 1 gegen die Vakuumkammer 3 isoliert. Mit Erreichen seiner Endposition wird der Kontakt zwischen einem Hochfrequenz-Schwingkreis und dem Bauteil geschlossen. Dies erfolgt über einen in der Zeichnung nicht erkennbaren Gleitkontakt, der durch Formschluss an dem Bauteil 1 haftet. Das Bauteil ist nun Teil des Schwingkreises. Der Schwingkreis besteht abgesehen vom Bauteil 1 aus einem Hochfrequenzgenerator 5 mit einer in 3 dargestellten Rückkoppelspule 11, einem Koaxial-Kabel 6, einem Außenschwingkreis 7 und einer Hochfrequenz-Zuleitung 8, an deren Enden der Gleitkontakt vorgesehen ist. In der Vakuumkammer 3 ist eine Hochfrequenz-Durchführung 9 für die Hochfrequenz-Zuleitung 8 vorgesehen. Oberhalb des Bauteils ist ein Reflektor 10 für das Plasma vorgesehen.
3 zeigt schematisch den Schaltplan der Vorrichtung gemäß 1 und 2. Die Schaltung ermöglicht die Optimierung der Plasmabehandlung. Der Hochfrequenzgenerator 5 versorgt den Schwingkreis über ein Koaxial-Kabel 6 mit Wechselstrom. Der Hochfrequenzgenerator 5 verfügt über eine Rückkoppelspule 11, deren Induktivität automatisch einstellbar ist. Im Außenschwingkreis 7 sind drei Kondensatoren 12 vorgesehen. Sie können alle oder nur teilweise in den Schwingkreis integriert werden um die Gesamtkapazität zu verändern. Die Induktivität des Schwingkreises wird im wesentlichen durch das Bauteil 1 bestimmt. Das Bauteil 1 ist über die Hochfrequenz-Zuleitung 8 mit dem Außenschwingkreis 7 verbunden. Um die Induktivität des Schwingkreises auf das Bauteil abzustimmen, ist eine Spule 13 am Außenschwingkreis vorgesehen. Zusätzlich dazu ist eine weitere Spule 14 mit einem Abgriff an der Hochfrequenz-Zuleitung 8 unmittelbar an der Spule 13 vorgesehen. Diese wird nur bei Bedarf zur Anpassung der Gesamtinduktivität in den Schwingkreis integriert. Für diesen Fall wird anstelle der Hochfrequenz-Zuleitung 8 die Hochfrequenz-Zuleitung 8a verwendet. Das Bauteil 1 kann optional über die Erdleitung 15 geerdet werden.

1: Bauteil
2: Schiene
3: Vakuumkammer
4: Isolation
5: Hochfrequenzgenerator
6: Koaxial-Kabel
7: Außenschwingkreis
8: Hochfrequenz-Zuleitung
9: Hochfrequenz-Durchführung
10: Reflektor
11: Rückkoppelspule
12: Kondensator des Außenschwingkreises
13: Spule
14: Spule
15: Erdleitung
16: Senderöhre
17: Bauteil
18: Gestell
19: Lichtbogen-Plasmabrenner
20: Plasmastrahl
21: Kathode
22: Anode
23: erste Expansionsstufe
24: zweite Expansionsstufe
25: Düse zwischen Kathode und Anode
26: Zuführeinrichtung
27: Zuführeinrichtung
28: Öffnung
29: Ausnehmung
30: trichterförmiger Abschnitt
31: Befestigungsteil

Claims

Vorrichtung zur plasmagestützten Erzeugung von UV-Strahlung zur UV-Bestrahlung und Behandlung großvolumiger Bauteile mit einer Vakuumkammer mit einer oder mehreren Pumpen, mit einer Transportvorrichtung zum Befördern des Bauteils in die Vakuumkammer, mit einer Isolation zwischen dem Bauteil und der Vakuumkammer, mit einem Schwingkreis mit einem Hochfrequenzgenerator, wobei die Kapazität und Induktivität des Schwingkreises einstellbar ist, mit mindestens einem Anschluss zum Verbinden des Schwingkreises mit dem Bauteil.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer Bleche und/oder Gitter positioniert sind zur Einkopplung von zusätzlicher Energie in das Plasma und zur Reflexion von UV-Strahlung zurück auf das Bauteil, dass die Bleche und/oder Gitter mit einem Spiegelmaterial ausgestattet sind, welches UV-Strahlung besonders gut reflektiert und gleichzeitig die Bleche und/ oder Gitter durch eine Beschichtung vor dem Angriff durch Plasmateilchen schützt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung von UV-Strahlung ein Einlasslasssystem für das Arbeitsgas vorgesehen ist, über welches das Arbeitsgas an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks in den Prozeß eingebracht und an der Oberfläche des Werkstücks verteilt wird, und dass ein Düsensystem zur Verteilung und Durchmischung der Arbeitsgase vorgesehen ist.
Verfahren zur plasmagestützten Erzeugung von UV-Strahlung zur UV-Bestrahlung und Behandlung großvolumiger Bauteile insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in einer Vakuumkammer angeordnet und die Vakuumkammer evakuiert wird, dass das Bauteil an einen Schwingkreis mit einem Hochfrequenzgenerator angeschlossen wird, dass die Induktivität und/oder die Kapazität des Schwingkreises auf das Bauteil abgestimmt wird, dass durch einen Plasmabrenner ein Plasmastrahl erzeugt und in die Vakuumkammer eingeleitet wird, dass über Düsen Arbeitsgase in die Vakuumkammer gegeben werden, wobei als Arbeitsgase angeregte Dimere, Excimere, Gase verwendet werden, aus welchen unter Einwirkung des Plasmas Excimere entstehen sich Gasgemische dem Plasmastrahl das oder die Beschichtungswerkstoffe zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, der Massenfluß der Element-Gase und die Plasmaleistung gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von UV-Strahlung bestimmter Wellenlänge beliebige Gasgemische, Dämpfe und Verbindungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbreitung des strahlungsaktiven Mediums auf dem Reaktionsweg im Plasma erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in strahlungsaktive Stoffe unmittelbar an der Oberfläche des Bauteils erfolgt, wodurch die Bearbeitung des Bauteils besonders effektiv ist.