DE69800975T2

DE69800975T2 - Verfahren und Vorrichtung zu Oberflächenbehandlung

Info

Publication number: DE69800975T2
Application number: DE69800975T
Authority: DE
Inventors: Hajime Kuwahara; Koji Miyake; Takahiro Nakahigashi
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-10
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2018-01-11
Also published as: JPH10204636A; US6165376A; JP4013271B2; EP0854205B9; DE69800975D1; EP0854205A1; EP0854205B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes, z. B. eine Arbeitsfläche und im speziellen für die Oberflächenbehandlung, z. B. das Aufbringen einer dünnen Schicht, Radierung oder Qualitätsmodifikation, dadurch dass die zu bearbeitende Arbeitsfläche einer Plasmabehandlung und Ionenimplantierung im Plasma in die Arbeitsfläche erfolgt.[0001]

Beschreibung des Hintergrundes zum Stand der Technik

PSII (Plasma Quellen Ionen Implantation) ist als eine Technologie für die Oberflächenbehandlung eines Objektes bekannt geworden, und ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in der Fig. 6 dargestellt.[0002]
Diese Vorrichtung hat einen geerdeten Vakuumcontainer 1. Eine Abgasvorrichtung 11 und eine Gasaufbereitungseinheit 3 sind für den Container 1 zur Verfügung gestellt. Die Gasaufbereitungseinheit 3 beinhaltet einen Massen-Fluss Controller, eine Gasquelle und Weitere Mittel, welche nicht in der Figur dargestellt sind. Eine Elektrode 2, welche ebenfalls als Halter für die Stützung einer Arbeitsfläche S dient, z. B. ein zu behandelndes Objekt, welches im Container 1 angeordnet ist. Die Elektrode 2 ist mit einer DC Hochspannungsquelle 22 durch einen Ein-Aus-Schalter 21 verbunden. Ein Filament 4, welches mit elektrischer Energie versorgt wird und dabei für das Emittieren von Elektronen erhitzt wird, ist im Container 1 angeordnet. Das Filament 4 ist mit einer Filament-Energie-Quelle 41 und einer Ladungs-Ausgleichs-Energie-Quelle 42 verbunden.[0003]
Für die Oberflächenbehandlung der Arbeitsfläche S. durch diese Vorrichtung, wird die Arbeitsfläche S in den Vakuumcontainer 1, durch eine nicht dargestellte Transportvorrichtung, transportiert, und durch den Halter 2 gehalten. Dann wird ein Behandlungsgas, wie z. B. Stickstoff, in den Container 1 von der Gasversorgungseinheit 3 zugeführt, während ein vorbestimmter Unterdruck für das Vakuum in dem Container 1 in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; durch den Betrieb der Abgasvorrichtung 11 eingestellt wird. Sonach produziert die Filament-Energie-Quelle 41 Energie und erhitzt dadurch das Filament 4, so dass dieses Elektronen emittiert und die Ladungs-Ausgleichs-Energie-Quelle 42 legt eine Ausgleichs-Ladung an das Filament 4, um die emittierten Elektronen zu beschleunigen. Dabei wird das Behandlungsgas, welches wie oben beschrieben zugeführt wird, ionisiert, um das Plasma P zu bilden. Währenddessen wird die Elektrode 2 mit einem negativen Hochspannungspuls von der Energiequelle 22 durch den Ein-Aus-Schalter 21 versorgt. Dabei wird die Oberfläche der Arbeitsfläche S dem Plasma P ausgesetzt, und die positiven Ionen des Plasmas P werden gegen die Arbeitsfläche S hin beschleunigt und in die Oberfläche der Arbeitsfläche S implantiert, so dass eine Behandlung, wie die Modifikation der Qualität, an der Oberfläche der Arbeitsfläche S bewirkt wird.[0004]
Bezüglich obiger Vorrichtung und obigem Verfahren für die Oberflächenbehandlung kann eine vorbestimmte Behandlung relativ gleichmäßig an einer Oberfläche einer Arbeitsfläche bewirkt werden, welche eine komplizierte, dreidimensionale Struktur aufweist.[0005]
Wie dem auch sei, die Vorrichtung und das Verfahren für die Oberflächenbehandlung nach dem Stand der Technik weist folgende Probleme auf. Beispielsweise wird eine Arbeitsfläche wie z. B. ein Objekt, welches in einer Halbleitervorrichtung verwendet wird und unterschiedlich ausgebildete Abschnitte aufweist, z. B. ein Abschnitt, welcher mit einem elektrisch isolierenden Material überzogen ist oder auf einem gleichen Potential liegt und ein Abschnitt, welcher aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wie z. B. ein elektrisch leitender Schaltkreis und das es gewünscht wird, dass die Behandlung lediglich auf dem leitenden Abschnitt durchgeführt wird. Beim Ablauf dieser Behandlung wird keine gepulste Spannung weder auf dem isolierten Abschnitt noch auf den mit einem gleichmäßigen Potential ausgebildeten Bereich aufgebracht (beide von diesen werden generell als "isolierter Abschnitt" bezeichnet) und die positiven Ionen sind nicht ideal implantiert in die isolierten Bereiche. Wie auch immer, abhängig vom Gewicht der Ionen, können die Ionen nicht nasch ihre Richtung in der Nähe der Oberfläche der isolierten Abschnitte während einer Ein-Periode der gepulsten Spannung ändern, so dass die Ionen mit der Oberfläche kollidieren und in dieser implantiert sind im isolierten Bereich an, und um dessen Ende herum. Wenn Ionen in die Oberfläche einer Arbeitsfläche mit großer Energie von etwa mehreren Kilovolts bis mehreren hundert Kilovolts implantiert werden, wird generell eine große Anzahl von sekundären Ionen von der Arbeitsfläche emittiert. Wenn die Oberfläche der Arbeitsfläche partiell einen isolierten Abschnitt aufweist, werden positive elektrische Ladungen rasch an der Oberfläche des isolierten Abschnittes in Abhängigkeit der positiven Ionen angesammelt, welche in die anderen Abschnitte, z. B. das leitende Ende des isolierten Abschnittes implantiert werden und sekundäre Elektronen emittieren. Als Ergebnis daraus verursacht ein durch die positiven Ladungen hervorgerufenes elektrisches Feld Unregelmäßigkeiten bei der Verteilung der Ionenimplantation im leitenden Bereich, und Entladungen treten zwischen der Oberfläche des isolierten Abschnittes und der Oberfläche des leitenden Abschnittes, welche mit dem negativen Hochspannungspuls versorgt werden, auf, so dass die Oberfläche dieser Bereiche zerstört werden kann.[0006]
Das Prioritätsdokument EP-A-0 821 077, welches sich auf denselben Anmelder und Erfinder wie die vorliegende Erfindung bezieht und den Stand der Technik nach Artikel 54 (3) EPC fortbildet, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Objektes mit Kohlefaserfilm. Ein Werkstück unterstützt durch eine Arbeitsflächenelektrode in einem Vakuum-Container wird einer Amplituden-Modulation ausgesetzt, vorzugsweise einem puls-modulierten RF Plasma. Die RF Grundenergie vor der Modulation ist zwischen etwa 10 und etwa 100 MHz. Die Modulations-Frequenz liegt zwischen 1/100000 und 1/10, vorzugsweise zwischen 1/10000 und 1/1000. Gepulste, negative DC Energie ist diesem amplituden-modulierten RF Plasma überlagert.[0007]
Ein weiteres, dem Stand der Technik nach Artikel 54 (3) EPC bildendes Dokument, ist die EP-A-0 793 254. Dieses Dokument offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für Plasmaerzeugung, wobei ein VHF Plasma von vorzugsweise 30 -100 MHz auf ein Werkstück aufgebracht wird, unterstützt durch einen Werkstückträger in einem Vakuum-Behältnis. Die Basis der Hochfrequenz kann durch eine Ein/Aus-Steuervorrichtung oder durch Pegelmodulation moduliert werden. Die Modulationszeit "Ein" ist zwischen 5 und 50 us, die "Aus" Zeit ist 10-200 ps und die Periode von 20-250 us wird zugrunde gelegt. Die Elektrode des Werkstückträgers wird mit einer positiven, gepulsten Spannung voreingestellt.[0008]

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen zur Verfügung zu stellen, in welchem eine vorher bestimmte Oberflächenbehandlung auf einem Bereich eines Werkstückes durchgeführt werden kann, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, ohne das Werkstück zu zerstören, sogar wenn das Werkstück einen Oberflächen-Abschnitt aufweist, welcher aus einem elektrisch isolierten Material besteht oder mit dem selben Potential behaftet ist, welches die Vorrichtung für die Implementierung des Verfahrens aufweist.[0009]
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Oberflächenbehandlung zu offenbaren, in welchem eine zuvor festgelegte Oberflächenbehandlung gleichmäßig an einem Werkstück erzielt werden kann, welches elektrisch leitfähiges Material aufweist, sogar wenn das Werkstück einen Oberflächenbereich aufweist, welcher aus einem elektrisch isolierendem Material besteht oder mit demselben Potential versehen ist, wie die Vorrichtung für die Implementierung des Verfahrens.[0010]
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes vor, beinhaltend die Schritte zur Aufnahme des Werkstückes durch eine Werkstückträger-Elektrode, welche in einem Vakuum-Behältnis angeordnet ist; Zuleitung eines Behandlungsgases, korrespondierend zur beabsichtigten Behandlung des Werkstückes in besagtem Behältnis; die Bildung des Plasmas aus dem Gas durch Aufbringung einer amplituden-modulierten hoch-frequenten Energie auf eine Elektrode, elektrisch isoliert von besagter Werkstückträger-Elektrode, besagte amplituden-modulierte hoch-frequente Energie in einem Vakuum, welche durch die amplituden-modulierte hoch-frequente Basisenergie beeinflusst wird, die eine vorher bestimmte Frequenz im Bereich von 10 MHz-200 MHz mit einer Modulations-Frequenz in einem Bereich von 1/1000-1/10 von besagter vorherbestimmter Frequenz aufweist; und Aufbringung einer positiven, gepulsten Spannung auf besagte Werkstückträger-Elektrode, um die Behandlung der Oberfläche von besagtem Werkstück, gestützt durch besagte Werkstückträger- Elektrode, zu bewirken, wobei besagte Amplituden-Modulation eine Pulsmodulation ist und der zeitliche Verlauf jedes Anstiegs von besagter positiver Spannung so bestimmt ist, dass er zwischen einer mittleren Zeit in der "Ein"-Periode von besagter puls-modulierter hoch-frequenter Energie und einer Zeit in der späteren "Aus"- Periode liegt, und der Zeitverlauf eines jeden Abfalls der positiv gepulsten Spannung so bestimmt ist, dass er zwischen einer Zeit in der "Aus"-Periode von besagter puls- modulierten hoch-frequenten Energie und einer mittleren Zeit in der nachfolgenden "Ein"-Periode liegt.[0011]
Die Erfindung stellt ebenfalls eine Werkstück-Oberflächen-Behandlungs- Vorrichtung zur Verfügung, welche ein Vakuum-Behältnis aufweist, eine Werkstückträger-Elektrode, angeordnet in besagtem Vakuum-Behältnis; eine Elektrode elektrisch isoliert von besagter Werkstückträger-Elektrode; eine Abgasvorrichtung; eine Behandlung-Gas-Aufbereitungs-Vorrichtung; eine Vorrichtung für die Versorgung einer hoch-frequenten Energie für die zur Verfügungstellung einer amplituden-modulierten hoch-frequenten Energie an der Elektrode, welche elektrisch isoliert von besagter Werkstückträger-Elektrode ist, einen Signal-Generator zur Aufbereitung besagter amplituden-modulierter hochfrequenter Energie, durch die Aufbringung einer Amplituden-Modulation auf die hoch-frequente Basis-Energie, welche eine vorher bestimmte Frequenz in einem Bereich von 10 MHz-200 MHz mit einer Modulations-Frequenz in einem Bereich von 1/1 000-1/10 von besagter vorherbestimmter Frequenz aufweist; eine Puls- Spannung-Aufbringungs-Vorrichtung zur Aufbringung einer positiv gepulsten Spannung auf besagte Werkstück-Elektrode und eine Steuerungseinheit für die Überwachung besagter hoch-frequenter Energie-Versorgungs-Vorrichtung, um eine puls-modulierte hoch-frequente Energie zur Verfügung zu stellen und besagtes Puls- Spannungs-Aufbringungs-Gerät zu überwachen, um das Aufbringen der positiven Pulse zu einer Zeit zwischen einer mittleren Zeit in jeder "Ein"-Periode von besagter puls-modulierter hoch-frequenter Energie, welche durch besagte hoch-frequente Energie-Versorgungs-Einheit zur Verfügung gestellt wird, und einer Zeit in der nachfolgenden "Aus"-Periode, zu starten, und die Aufbringung besagter positiver gepulster Spannung zu einer Zeit zwischen einer Zeit in der "Aus"-Periode von besagter puls-modulierter, hoch-frequenter Energie, zur Verfügung gestellt durch besagte hoch-frequente Energie-Versorgungs-Vorrichtung und einer mittleren Zeit in der nachfolgenden "Ein"-Periode, zu stoppen.[0012]
Die Pulsmodulation kann durch Ein/Aus der Versorgung der elektrischen Energie durchgeführt werden oder durch eine Modulation in einer gepulsten Form.[0013]
Veränderungen in der Zeit bewirken eine Veränderung in der Dichte der negativen Ionen im Plasma, während das Plasma aus dem Gas geformt wird, durch den Auftrag der puls-modulierten hoch-frequenten Energie. Diese Variierung wird nachfolgend unter Bezug auf die Referenz zur Fig. 1 beschrieben. Laut der Forschung und der Studie des Erfinders erhöhen auch im Plasma vorhandene negative Ionen, welche nach dem Abschalten der puls-modulierten hoch-frequenten Energie verbleiben, die Qualität, obwohl dies im Wesentlichen von der Größenordnung und anderen Einflüssen der puls-modulierten hoch-frequenten Energie abhängt. In diesem dargestellten Beispiel erreicht der Zuwachs der negativen Ionen seinen Spitzenwert nach etwa 40 us nach dem Ausschalten der puls-modulierten hoch-frequenten Energie, und die negativen Ionen werden innerhalb etwa 200 usec nach dem Ausschalten der Energie wieder verschwinden. Deshalb können die negativen Ionen in dem verbleibenden Plasma in die Oberfläche des Werkstückes in der Art und Weise, wie die puls-modulierte, hoch-frequente Energie dem Behandlungsgas für die Bildung des Plasmas aus dem Behandlungsgas zugeführt wird, implantiert werden, und die positive Spannung wird an die Elektrode zugeführt, welche das Werkstück während einer Periode stützt, die eine Periode beinhaltet, welche eine große Anzahl negativer Ionen nach dem Abschalten der Energie aufweisen. Dies ist in Folge der Tatsache, dass die negativen Ionen gegen die Werkstückträger-Elektrode beschleunigt werden durch eine Potentialdifferenz zwischen der Werkstückträger-Elektrode und dem Plasma, welches durch die Aufbringung der positiven Spannung gebildet wird.[0014]
Die Arbeitsfläche kann partiell einen isolierten Bereich aufweisen (ein Abschnitt eines elektrisch isolierenden Materials oder ein Abschnitt mit einem einheitlichen Potential) an dessen Oberfläche. In diesem Falle werden die negativen Ionen in ein Ende des isolierten Abschnittes implantiert. Ladungen der implantierten negativen Ionen und Ladungen der emittierten sekundären Elektronen heben sich jedoch gegenseitig auf, so dass eine Anhäufung der Ladungen auf der Oberfläche der Arbeitsfläche bis zu einer praktisch erlaubten Erstreckung unterdrückt werden können. Dabei ist es möglich, die ungewollte Oberflächenbehandlung zu unterdrücken, welche durch Austausch von Ladungen verursacht wird, ebenfalls wie die Beschädigung auf dem Objekt, welche durch Entladungen in der Nähe der Oberfläche der Arbeitsfläche verursacht werden.[0015]
Die vorangehenden und andere Gegenstände, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher erkennbar aus den nachfolgenden, detaillierten Beschreibungen der vorliegenden Erfindung, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.[0016]

KURZBESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt die Dichte von negativen Ionen in Plasma gebildet durch das Aufbringen einer puls-modulierten hoch-frequenten Energie;[0017]
Fig. 2 zeigt schematisch eine Struktur eines Beispiels einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung einer Arbeitsfläche nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt bei (A) ein Beispiel eines zeitlichen Verlauf des Aufbringens einer puls- modulierten hoch-frequenten Energie auf eine Elektrode 7, während der Oberflächenbehandlung der Arbeitsfläche durch die Vorrichtung, dargestellt in Fig. 2, zeigt bei (B) ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf der Aufbringung einer positiven gepulsten Spannung auf die Elektrode 2, und zeigt bei (C) ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs des Aufbringens eines negativen Pulses auf die Elektrode 2;
Fig. 4 zeigt bei (A) ein spezielles Beispiel eines zeitlichen Verlaufs für die Aufbringung der puls-modulierten, hoch-freduenten Energie auf die Elektrode 7, während der Oberflächenbehandlung des Werkstückes durch die Vorrichtung in Fig. 2, und zeigt bei (B) ein spezielles Beispiel eines zeitlichen Verlaufes für die Aufbringung einer positiven gepulsten Spannung auf die Elektrode 2;
Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Verhältnisses zwischen der positiv gepulsten Spannung und der Adhäsionskraft eines Films, welcher durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet wird;
Fig. 6 zeigt eine schematische Struktur eines Beispiels einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung für eine Arbeitsfläche nach dem Stand der Technik.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0018] Ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes, welches nachfolgend beschrieben wird, beinhaltet die Schritte: Stützen eines Werkstückes durch eine Werkstückträger-Elektrode, angeordnet in einem Vakuumbehälter; zur Verfügungstellung eines Behandlungsgases entsprechend der beabsichtigten Behandlung des Werkstückes in dem Behältnis; die Bildung von Plasma aus dem Gas durch Erzeugung einer amplituden-modulierten hoch-frequenten Energie auf eine Elektrode, elektrisch isoliert von besagter Werkstück-Elektrode in einem Vakuum, wobei besagte amplituden-modulierte hoch-frequente Energie durch die Auswirkung der amplituden Modulation auf eine zugrunde liegende hoch-frequente Energie mit einer vorbestimmten Frequenz in einem Bereich von 10 MHz-200 MHz mit einer Modulations-Frequenz in einem Bereich von 1/1000-1/10 von besagter vorherbestimmter Frequenz zur Verfügung gestellt wird; und Aufbringen einer positiv gepulsten Spannung auf besagte Werkstück-Elektrode, um die Behandlung der Oberfläche von besagtem Werkstück, gestützt durch besagte Werkstückträger- Elektrode zu bewirken.
[0019] Eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes, welche nachfolgend beschrieben wird, beinhaltet ein Vakuum-Behältnis, eine Werkstückträger-Elektrode, angeordnet in dem Vakuum-Behältnis; eine Elektrode, elektrisch isoliert von der Werkstückträger-Elektrode; eine Abgasvorrichtung; eine Versorgungseinrichtung für das Behandlungsgas; eine Vorrichtung für Hochfrequenz-Energie für die zur Verfügungstellung einer amplituden-modulierten hoch-frequenten Energie an die Elektrode, welche elektrisch isoliert von besagter Werkstückträger-Elektrode ist, besagte amplituden-modulierte hoch-frequente Energie, welche durch die Auswirkung der Amplituden-Modulation auf eine zugrunde liegende hoch-frequente Energie aufbereitet wird, welche eine vorbestimmte Frequenz in einem Bereich von 10 MHz-200 MHz mit einer Modulations-Frequenz in einem Bereich von 1/1000-1/10 der besagten vorbestimmten Frequenz moduliert wird, und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer gepulsten Spannung für die Aufbringung der positiv gepulsten Spannung auf besagte Werkstückträger-Elektrode.
[0020] Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anschließend beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen.
[0021] Fig. 2 zeigt eine schematische Struktur eines Beispiels einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes entsprechend der vorliegenden Erfindung. Diese Vorrichtung hat ein Vakuum-Behältnis 1, zusätzlich ausgestattet mit einer Abgasvorrichtung 11 Elektroden 2 und 7, einander gegenüberliegend angeordnet, in dem Behältnis 1. Die Elektrode 2 dient ebenfalls als Werkstück- Unterstützungs-Halter und ist mit einer DC Energiequelle 22 durch einen Tiefpass- Filter 20 und einen Ein-Aus-Schalter 21 verbunden. In Fig. 2 wird die Energiequelle 23 und der Ein-Aus-Schalter 23 S später noch im Detail beschrieben. Eine Heizung ist für die Elektrode 2 zur Verfügung gestellt. Die Elektrode 7 ist eine Hochfrequenz- Elektrode, und sie ist verbunden mit einem Signal-Generator 73, welcher eine willkürliche Wellenform generieren kann durch eine Anpassungsbox 71 und eine hoch-frequente Energiequelle 72. Eine Kontrolleinheit CONT ist verbunden mit dem Schalter 21 und der hoch-frequenten Energiequelle 72 und überwacht den zeitlichen Verlauf der zur Verfügungstellung der puls-modulierten hoch-frequenten Energie und der Aufbringung einer positiv gepulsten Spannung, welche später nachfolgend noch beschrieben wird.
[0022] Weiter ist eine Behandlungs-Gas-Versorgungs-Einheit 3 für das Behältnis 1 zur Verfügung gestellt. Die Gas-Versorgungs-Einheit 3 beinhaltet eine oder mehrere Gasquellen 331, 332, ... der Behandlungsgase, welche mit dem Behältnis 1 durch Massenfluss-Überwachungseinheiten 311, 312, ... und elektromagnetischen Ventilen 321, 322, ..., respektiv überwacht werden.
[0023] Zur Durchführung der vorherbestimmten Oberflächenbehandlung der Arbeitsfläche S durch diese Vorrichtung, wird die Arbeitsfläche S in das Behältnis 1 hineintransportiert und durch den Halter 2 gehalten. Anschließend wird die Abgasvorrichtung 11 in Betrieb genommen, um ein vorherbestimmtes Maß von Vakuum in dem Behältnis 1 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Ebenso wird ein Behandlungsgas in das Behältnis 1 von der Gas-Versorgungs-Einheit 3 zugeführt, und die hoch-frequente Energie wird von dem Signalgenerator 73 an die Elektrode 7 durch die hoch-frequente Energiequelle 72 und die Anpassungsbox 71 zugeführt. Die so zur Verfügung gestellte hoch-frequente Energie ist durch eine Pulsmodulation aufbereitet, welche sich auf eine als Basis dienende hoch-frequente Energie auswirkt, die eine vorherbestimmte Frequenz in einem Bereich von 10 MHz- MHz mit einer modulierten Frequenz in einem Bereich von 1/1000-1/10 der vorherbestimmten Frequenz der als Basis zur Verfügung stehenden hoch-frequenten Energie aufweist. Ebenso wird eine positive Spannung mit einer vorherbestimmten Impulsgröße auf die Elektrode 2 aufgebracht von der Energiequelle 22 durch den Ein-Aus-Schalter 21. Die Versorgung der puls-modulierten hoch-frequenten Energie an die Elektrode 7 und die Aufbringung der positiven Spannung auf die Elektrode 2 werden überwacht, um in wiederholten, konstanten Perioden eingeschaltet und abgeschaltet zu werden.
[0024] Die zugrunde gelegte hoch-frequente Energie weist vor der Modulation für die Erzeugung der amplituden-modulierten hoch-frequenten Energie eine sinusförmige Wellenform auf, eine quadratische Wellenform, eine sägezahnähnliche Wellenform, eine dreiecksförmige Wellenform oder eine entsprechend andere.
[0025] Aus dem nachfolgend genannten Grund wird für die Ausführungsform eine hochfrequente Energie zugrunde gelegt, welche eine Frequenz im Bereich von 10 MHz-200 MHz aufweist. Wenn diese niedriger wäre als 10 MHz, dann würde es schwierig sein, das Plasma effizient einzugrenzen bzw. aufzubringen. Wenn Sie höher wäre als 200 MHz wäre es für die Elektronen schwierig, in ausreichendem Maß der Frequenz zu folgen, und es wäre schwierig, das Plasma effizient herzustellen.
[0026] Aus den nachfolgend angeführten Gründen verwendet die Ausführungsform die Frequenz für die Amplituden-Modulation in dem Bereich von 1/1000-1/10 der Frequenz der zugrunde gelegten hoch-frequenten Energie. Wenn sie kleiner wäre als 111000, wäre es schwierig, einen Effekt durch die Modulation zu erzielen. Wenn sie größer wäre als 1/10, würde die Amplituden-Modulation in einen Zustand geraten ähnlich dem Zustand welcher durch die Verdopplung der zugrunde gelegten hochfrequenten Energie hervorgerufen wird, eher als beim Zustand, welcher erreicht werden würde durch die Auswirkung der Amplituden-Modulation auf die zugrunde gelegte hoch-frequente Energie.
[0027] Ein erforderliches Verhältnis (Ein-Zeit/Ein-Zeit und Aus-Zeit) der Pulsmodulation der hoch-frequenten Energie kann in einem Bereich in etwa 0,1%- etwa 50% liegen.
[0028] Der zeitliche Verlauf, an welchem die modulierte hoch-frequente Energie an die Elektrode 7 aufgebracht wird und die positiv gepulste Spannung auf die Elektrode 2 aufgebracht wird, ist wie folgt bestimmt. Der zeitliche Verlauf des Anstiegs der positiv gepulsten Spannung, welche auf die Elektrode 2 aufgebracht wird (Startzeit der Aufbringung oder Einschaltzeitpunkt) ist festgelegt zwischen einem mittleren Zeit (z. B. ein halber Punkt) in der Einperiode der Versorgung der puls-modulierten hoch-frequenten Energie auf die Elektrode 7 und einer bestimmten Zeit in der nachfolgenden Ausperiode. Der zeitliche Verlauf des Abfalls der positiv gepulsten Spannung, welche auf die Elektrode 2 aufgebracht wird (zeitlicher Verlauf des Ausschaltens der Aufbringung oder Ausschaltzeitpunkt) ist bestimmt zwischen einer bestimmten Zeit in der Ausperiode der Aufbringung der puls-modulierten hochfrequenten Energie auf die Elektrode 7 und einer mittleren Zeit (z. B. ein halber Punkt) in der nachfolgenden Anperiode. Besonders zu bevorzugen ist es, wenn diese so bestimmt wird, dass sie zwischen der Zeit in der Ausperiode der Versorgung der puls-modulierten hoch-frequenten Energieversorgung an die Elektrode 7 und dem Ende dieser Ausperiode liegt.
[0029] Weiter wird die Periode, in welcher die positiv gepulste Spannung auf die Elektrode 2 aufgebracht wird, vorzugsweise eine Periode enthalten, während derer negative Ionen nach dem Abschalten der puls-modulierten hoch-frequenten Energie auf die Elektrode 7 vorhanden sind und weiter vorzugsweise beinhalten, einen Abschnitt oder die gesamte Periode während derer viele negative Ionen vorhanden sind. Vorangehender zeitlicher Verlauf in Verbindung mit der Aufbringung der positiv gepulsten Spannung ist ein Beispiel des zeitlichen Verlaufs, der so bestimmt ist, dass er in der Periode liegt, welche wenigstens einen Teil der Periode beinhaltet, während welcher viele negative Ionen vorhanden sind. Im Gegensatz zu diesem Beispiel ist es nicht unmöglich, positiv gepulste Spannung während der gesamten Periode der Behandlung aufzubringen. Wenn jedoch die Einperiode des Aufbringens der positiv gepulsten Spannung wesentlich länger ist, steigen die Kosten für die Versorgung mit Energie verschwenderisch und wachsen deshalb nachteilig an.
[0030] Aus dem vorangehend Dargelegten kann verstanden werden, dass die Aufbringung der positiv gepulsten Spannung vorzugsweise wenigstens für eine Periode erfolgt, welche vor dem Zeitpunkt zugeschaltet wird, wenn die Quantität der negativen Ionen ihren Spitzenwert während der Ausperiode der puls-modulierten hoch-frequenten Energie erreicht, und abgeschaltet wird nach diesem Zeitpunkt.
[0031] Ein spezielles Beispiel ist Folgendes. Wie dargestellt bei (A) und (B) in Fig. 3 stoppt die Versorgung der hoch-frequenten Energie an die Elektrode 7 zum selben Zeitpunkt, an dem die Aufbringung der positiven Spannung auf die Elektrode 2 beginnt, und die Aufbringung der positiven Spannung an die Elektrode 2 stoppt während der Ausperiode der Versorgung der hoch-frequenten Energie an die Elektrode 7.
[0032] Dabei erfolgt die Behandlung der Oberfläche abhängig von der Art des verwendeten Behandlungsgases an der Oberfläche S des Werkstückes.
[0033] Abhängig von dem Verfahren und der Vorrichtung für Oberflächenbehandlung von Werkstücken, wie oben beschrieben, steigt die Quantität der negativen Ionen in dem Plasma nach dem Stopp der Versorgung der puls-modulierten hoch-frequenten Energie an die Elektrode 7. Die positive Spannung wird an die Werkstückträger-Elektrode 2 jedoch während der Periode aufgebracht, welche die obige Periode beinhaltet, so dass der Zuwachs negativer Ionen in dem Plasma in die Oberfläche S des Werkstückes implantiert werden kann. Dies ist wegen der Tatsache, dass die negativen Ionen gegen die Elektrode 2 beschleunigt werden, durch einen Potentialunterschied zwischen der Elektrode 2 und dem Plasma P während der Periode der Aufbringung der positiven Spannung auf die Elektrode 2. Das Werkstück S kann einen teilweise isolierten Abschnitt aufweisen (ein Abschnitt, welcher aus einem elektrisch isolierten Material besteht oder ein Abschnitt mit einem gleichmäßigen Potential) an dessen Oberfläche. In diesem Fall werden die negativen Ionen ebenfalls implantiert in einen Abschnitt des isolierten Abschnittes. Es werden jedoch die Ladungen der implantierten negativen Ionen und Ladungen der emittierten sekundären Elektronen sich gegeneinander aufheben, so dass ein Zuwachs der Ladung an der Oberfläche S dies Werkstückes unterdrückt werden kann, bis auf ein praktisch zulässiges Maß. Somit ist es möglich, die unerwünschte Behandlung des Werkstückes S zu unterdrücken, welche durch die Anhäufung der Ladungen erfolgt, gleichfalls wie die Zerstörung des Werkstückes S, welches durch den Ladungsaustausch in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes S verursacht wird.
[0024] Die positiv gepulste Spannung, welche an die Elektrode 2 aufgebracht wird, liegt in einem Bereich von 50 V-300 kV. Wenn diese niedriger wäre als 50 V, würden die in die Oberfläche zu implantierenden Ionen eine vollkommen ungenügend niedrige Energie aufweisen, so dass die Ionenimplantation nicht den gewünschten Effekt bewirken können. Wenn sie höher wäre als 300 kV, würde der Entladungsstrom überdimensional ansteigen, so dass die thermische Schädigung, welche auf die Oberfläche des Werkstückes aufgebracht wird, in unpraktikabler Weise ansteigt. Die Impulsgröße der positiv gepulsten Spannung ist entsprechend vorherbestimmt in dem oben angegebenen Bereich in Abhängigkeit mit der speziellen Behandlung, welche erreicht werden soll, wenn die Ionen in einem Abschnitt der Oberfläche des Werkstückes mit geringer Tiefe implantiert werden sollen. Dann wird die positiv gepulste Spannung in einem Bereich von 50 V bis zu mehreren kV gesetzt. Wenn die Ionen in einem vergleichsweise tiefen Bereich implantiert werden sollen, wird die Spannung in einen Bereich von mehreren kV bis 300 kV gesetzt.
[0025] Ein weiteres Beispiel für die Implementierung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung wie dargestellt in der Fig. 2 kann in der Art und Weise dargestellt werden, dass das Plasma durch das Behandlungsgas gebildet wird durch die Versorgung der puls-modulierten hoch-frequenten Energie an die Elektrode 7, ähnlich wie in der vorangehenden Ausführung, und die positiv gepulste Spannung wird an die Elektrode 2 aufgebracht zu einem vorherbestimmten Zeitpunkt. Ebenfalls wird die negativ gepulste Spannung an die Elektrode 2 aufgebracht von der DC Energiequelle 23 durch den Schalter 23 S (siehe Fig. 2) während einer Ausperiode der Aufbringung der positiv gepulsten Spannung auf die Elektrode 2. Der Schalter 23 S wird durch die Kontrolleinheit CONT kontrolliert. Die DC Energiequelle 23 für die Aufbringung der negativ gepulsten Spannung kann gemeinsam einen Teil der DC Energiequelle 22 für die Aufbringung der positiv gepulsten Spannung benutzen.
[0026] Die Periode für die Aufbringung der negativ gepulsten Spannung auf die Elektrode 2 kann dieselbe sein wie ein Teil oder die gesamte der Ausperiode der Aufbringung der positiv gepulsten Spannung an die Elektrode 2, z. B. wie dargestellt bei (C) in Fig. 3, die negativ gepulste Spannung, welche von der DC Energiequelle 23 während der gleichen Periode wie die Anperiode der Aufbringung der puls- modulierten hoch-frequenten Energie auf die Elektrode 7 erfolgt. Dies verbessert die Geschwindigkeit der Behandlung der Arbeitsfläche S. Sogar wenn die negativ gepulste Spannung aufgebracht wird, in der oben angegebenen Art und Weise, kann eine Ansammlung positiver Ladungen an der Oberfläche der isolierten Abschnitte unterdrückt werden, bis auf einen zulässigen Bereich, durch die Aufbringung der positiv gepulsten Spannung während einer Periode, die eine andere ist als die obige.
[0027] Wie beispielhaft dargestellt in Fig. 4 kann die Aufbringung der positiv gepulsten Spannung auf die Elektrode 2 von der Energiequelle 22 während einer Periode erfolgen, die eine Periode beinhaltet, in welcher die Ausperiode der Versorgung der hoch-frequenten Energie an die Elektrode 7 und speziell während einer Periode, in welcher die Quantität der negativen Ionen groß ist (vorzugsweise eine Periode, beginnend vor und endend nach dem Scheitelwert der Quantität der negativen Ionen) erfolgen.
[0028] Als ein Beispiel der Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung einer Arbeitsfläche der bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wurde die Beschreibung gegeben für die Behandlungsvorrichtung eines Kapazitäts- Kupplungs-Typs, in welchem die Elektrode 7 elektrisch isoliert von der Werkstückträger-Elektrode 2 ist, welche mit der modulierten hoch-frequenten Energie versorgt wird und in dem Vakuum-Behältnis 1 angeordnet ist (siehe Fig. 2). Ebenfalls kann solch eine Behandlungsvorrichtung in der Art und Weise eines Induktions-Kupplungs-Typs verwendet werden, welcher eine Elektrode aufweist, die elektrisch isoliert von der Werkstückträger-Elektrode ist, welche mit der modulierten hoch-frequenten Energie versorgt wird, wobei diese um das Vakuum-Behältnis gebunden ist.
[0029] Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann ein Magnetfeld geformt werden, wenn eine hoch-frequente Energie aufgebracht wird, wobei ein Helicon- Wellen-Plasma geformt werden kann.
[0030] Nach der vorliegenden Erfindung kann, wenn das Behandlungsgas ein Schutzgas ist, ein Film auf dem Werkstück aufgedampft werden. Ebenfalls kann ein Ätzvorgang durchgeführt werden mit einem Ätzgas, und eine Modifikation der Oberflächenqualität kann durchgeführt werden mit einem Oberflächen-Qualitäts- Modifikations-Gas.
[0031] Ein spezielles Beispiel wird nun nachfolgend beschrieben. In diesem Beispiel wird die Vorrichtung nach der Fig. 2 verwendet. Die puls-modulierte hoch-frequente Energie und die positiv gepulste Spannung wurden auf die Elektroden 7 und 2 aufgebracht entsprechend den Mustern wie dargestellt bei (A) und (B) in Fig. 4. Nach den Mustern der zur Verfügungstellung der puls-modulierten hoch-frequenten Energie, dargestellt bei (A) in Fig. 4 war die Anzeit 1,25 usec, die Auszeit war 23,75 usec und das erforderliche Verhältnis war 5%. Wie dargestellt bei (B) in Fig. 4 erhob sich die positiv gepulste Spannung nach 8 usec ab dem Ausschalten der puls- modulierten hoch-frequenten Energie, und fiel ab, nach einem Verlauf von 10 usec nach dem Anstieg. Ein aus einem rostfreien Stahl bestehendes Werkstück hatte einen Bereich ausgebildet, welcher elektrisch isoliert war und aus Plastik bestand. Bei der Behandlung wurde ein Titanium-Nitrit-Film auf die Oberfläche in dem Bereich, in welchem der rostfreie Stahl war, auf das Werkstück aufgebracht.

Spezifizierung der Vorrichtung

[0042] Größe der Hoch-Frequenz-Elektrode 7: 270 mm im Durchmesser Größe der Werkstückträger-Elektrode 2: 300 mm im Durchmesser Abstand zwischen den Elektroden: 30 mm

Bedingungen für die Beschichtung

[0043] Werkstück S. ein Werkstück bestehend aus rostfreiem Stahl und aufweisend einen Bereich gebildet aus Plastik (Der Bereich, der mit dem rostfreien Stahl hatte eine Länge von 150 mm, eine Breite von 16 mm und eine Dicke von 10 mm.)
puls-modulierte hoch-frequente Energie:
zugrunde gelegte hoch-frequente Energie:
Frequenz: 13,56 MHz
200 W
Puls-Modulations-Frequenz: 40 KHz
erforderliches Verhältnis: 5%
positiv gepulste Spannung: 5 kV
Frequenz: 40 kHz
Einzeit: 10 usec
Auszeit: 15 usec
Beschichtungsgas:
TiCl&sub4; 16 sccm (tank temperature: 50ºC)
N&sub2; 10 sccm
Niederschlagsdruck: 0,1 Torr
Niederschlagszeit: 5 Minuten
Keinerlei Ladungskratzer oder Beschädigung wurde auf der Oberfläche des Titanium-Nitrit-Filmes gefunden, welcher in diesem obigen Beispiel aufgetragen wurde.
[0045] Eine Ausziehvorrichtung oder Teil einer säulenartigen Form mit 8 mm im Durchmesser wurde angeheftet durch die Adhäsion des auf der Oberfläche aufgebrachten Titanium-Nitrit-Filmes in diesem obigen Beispiel und eine Kraft, welche für die Entfernung der Ausziehvorrichtung von der Oberfläche erforderlich war, wurde gemessen für die Bewertung der Adhäsionskraft des Filmes. Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass der Film eine Adhäsionskraft von einem 20-fachen oder noch größer dessen aufweist, als diese von einem Titanium-Nitrit- Film, welcher durch ein herkömmliches Plasma CVD-Verfahren erreicht wird. Es kann davon ausgegangen werden, dass die große Film-Adhäsions-Kraft infolge der Implantation der negativen Ionen im Plasma in das Werkstück S hervorgerufen wurde, zusammen mit dem Effekt durch die konventionelle Plasma CVD- Beschichtung.
[0046] Fig. 5 zeigt relative Werte der Film-Adhäsions-Kraft mit verschiedenen Scheitelwerten der positiv gepulsten Spannung, welche an die Elektrode 2 aufgebracht wird, von 100 V-1000 kV. Es kann aus Fig. 5 ersehen werden, dass die Film-Adhäsions-Kraft anwächst, mit der positiv gepulsten Spannung.
[0047] Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben und illustriert wurde, versteht es sich von selbst, dass es sich hierbei lediglich um die Illustration und nur um Beispiele handelt und sie nicht so verstanden wird, dass es sich dabei um eine Limitierung handelt, sondern dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung lediglich durch die Formulierung der nachfolgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Arbeitsflächenbearbeitungsverfahren, das beinhaltet

- den Schritt des Haltens/Stützens einer Arbeitsfläche (S) mittels einer Arbeitsträgerelektode (2), die in einem Vakuumgehäuse angeordnet ist;

- den Schritt der Zuführung eines Bearbeitungsgases in das besagte Gehäuse (1) entsprechend der beabsichtigten Bearbeitung der Arbeitsfläche (S);

- den Schritt der Bildung von Plasma (P) aus besagtem Gas durch Aufbringung einer amplitudenmodulierten Hochfrequenzleistung in einem Vakuum auf eine Elektrode (7), die von besagter Arbeitsträgerelektrode (2) elektrisch isoliert ist, wobei besagte amplitudenmodulierte Hochfrequenzleistung durch die Durchführung einer Amplitudenmodulation einer Grundfrequenzleistung erzeugt wird, die eine vorfestgelegte Frequenz im Bereich von 10 MHz bis 200 MHz mit einer Modulationsfrequenz im Bereich von 1/1000 bis 1/10 der besagten vorbestimmten Frequenz hat, und

- den Schritt der Aufbringung einer positiven Impulsspannung auf besagte Arbeitsträgerelektrode (2), um die Bearbeitung auf der Oberfläche der besagten Arbeitsfläche (S), unterstützt durch besagte Arbeitsträgerelektrode (2), durchzuführen, wobei

- besagte Amplitudenmodulation eine Impulsmodulation ist und das Timing eines jeden Anstiegs der besagten positiven Impulsspannung zwischen einer Zwischenzeit des Inbetriebszeitraums der besagten impulsmodulierten Hochfrequenzleistung und einer Zeit in dem darauffolgenden Zeitraum der Außerbetriebnahme vorfestgelegt ist, und das Timing eines jeden Abfalls der positiven Impulsspannung zwischen einer Zeit des Zeitraums der Außerbetriebnahme der besagten impulsmodulierten Hochfrequenzleistung und einer Zwischenzeit des darauffolgenden Inbetriebszeitraums festgelegt ist.

2. Arbeitsflächenbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei besagte positive Impulsspannung im Bereich von 50 V bis 300 kV liegt.

3. Arbeitsflächenbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine negative Impulsspannung während des Zeitraums der Außerbetriebnahme des Aufbringens der besagten positiven Impulsspannung auf die Arbeitsträgerelektrode (2) aufgebracht wird.

4. Arbeitsflächenbearbeitungsverfahren gemäß irgendeiner der Ansprüche 1-3, wobei besagte Arbeitsfläche (S) einen Oberflächenteil beinhaltet, der aus einem elektrischen Isolationsmaterial gefertigt ist oder ein gleitendes Potential trägt.

5. Arbeitsflächenbearbeitungsgerät, das beinhaltet:

ein Vakuumgehäuse (1), eine Arbeitsträgerlektrode (2), die in besagtem Vakuumgehäuse (1) angeordnet ist, eine Elektrode (7), die von besagter Arbeitsträgerelektrode (2) elektrisch isoliert ist, eine Abgasvorrichtung (11), eine Bearbeitungsgaszuführungsvorrichtung (3), eine Hochfrequenzleistungs- Zuführungsvorrichtung (72) zur Zuführung einer amplitudenmodulierten Hochfrequenzleistung zur Elektrode (7), die von besagter Arbeitsträgerelektrode (2) elektrisch isoliert ist, einen Signalgenerator (73) zur Erzeugung der besagten amplitudenmodulierten Hochfrequenzleislung mittels Durchführung einer Amplitudenmodulation auf einer Grundhochfrequenzleistung, die eine vorfestgelegte Frequenz in einem Bereich von 10 MHz bis 200 MHz mit Einer Modulationsfrequenz in einem Bereich von 1/1000 bis 1/10 der besagten vorfestgelegten Frequenz hat, eine Impulsspannungsaufbringungsvorrichtung (21, 22) zur Aufbringung einer positiven Impulsspannung auf besagte Arbeitsträgerelektrode (2), ein Steuergerät (CONT) zur Steuerung der besagten Hochfrequenzleistungszuführungsvorrichtung (72), um so eine impulsmodulierte Hochfrequenzleistung aufzubringen und um besagte Impulsspannungsaufbringungsvorrichtung (21, 22) zu steuern, um so mit der Aufbringung des positiven Impulses zu einer Zeit zwischen einer Zwischenzeit innerhalb eines jeden Inbetriebszeitraums der besagten impulsmodulierten Hochfrequenzleistung, die von der besagten Hochfrequenzleistungs- Zuführungsvorrichtung (72) zugeführt wurde, und einer Zeit im nachfolgenden Außerbetriebszeitraum zu beginnen, und die die Aufbringung der besagten positiven Impulsspannung zu einer Zeit wischen einer Außerbetriebszeit der besagten impulsmodulierten Hochfrequenzleistung, zugeführt von besagter Hochfrequenzleistungszuführungsvorrichtung (72), und einer Zwischenzeit im nachfolgenden Inbetriebszeitraum stoppt.

6. Die Arbeitsflächenbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei besagte Impulsspannungsaufbringungsvorrichtung (21, 22) die positive Impulsspannung in einem Bereich von 50 V bis 300 kV aufbringt.

7. Die Arbeitsflächenbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei besagte Vorrichtung weiterhin eine Impulsspannungsaufbringungsvorrichtung (23, 23S) zur Aufbringung einer negativen Impulsspannung während eines Zeitraums beinhaltet, in dem der besagten Arbeitsträgerelektrode (2) die positive Impulsspannung nicht zugeführt wird.