CH662823A5

CH662823A5 - Verfahren und einrichtung zum aufdampfen von material auf ein substrat.

Info

Publication number: CH662823A5
Application number: CH2289/84A
Authority: CH
Inventors: Eduard Pinkhasov
Original assignee: Wedtech Corp
Priority date: 1983-05-13
Filing date: 1984-05-10
Publication date: 1987-10-30
Also published as: DE3417462C2; SE8402153D0; US4609564B1; IL71643A0; GB2139648A; JPH0373631B2; US4609564C2; IT8420832A0; US4505948A; GB8412124D0; GB2139648B; CA1213852A; DE3417462A1; FR2545839B1; SE458205B; IT1173587B; IL71643A; SE8402153L; US4609564A; IT8420832A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufdampfen von Material auf ein Substrat.

Es ist dabei bekannt, den Aufdampfvorgang unter Vakuum durchzuführen, wobei das auf das Substrat aufzubringende Material mit hoher Energie verdampft wird, um sich dann am Substrat niederzuschlagen.

Es wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem eine Elektrode die Quelle des aufzudampfenden Materials bildet, wobei die Materialverdampfung durch einen mehr oder weniger stabilen Lichtbogen zwischen dem geschmolzenen Material und eine Gegenelektrode erzeugt wird.

Hierdurch ist es insbesondere möglich, antikorrosive, schützende, dekorative oder auch leitende oder halbleitende Beläge auf ein Substrat aufzubringen oder auf dem Substrat Material zur Bildung von Zusammensetzungen abzulagern,

beispielsweise Formierungen von Karbid, Borid, Silizid, Nitrid und Silizium-Karbid.

Bei diesem Verfahren wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Materialschmelze und einer Gegenelektrode gezündet, wodurch das Material an der Oberfläche der Schmelze verdampft und sich auf dem Substrat in der Vakuumkammer niederschlägt.

Die Schmelze kann dabei durch Zündung eines Lichtbogens zwischen der Gegenelektrode und einer aus dem zu verdampfenden Material bestehenden Elektrode gebildet werden, wobei die Hitze des gezündeten Lichtbogens die letztgenannte Elektrode teilweise zum Schmelzen bringt, womit sich die Schmelze bilden kann. Hierbei hat der Körper des zu verdampfenden Materials einen grösseren Querschnitt als die Zündelektrode, so dass sich eine Vertiefung mit der Schmelze ausbilden kann. Ein Vorteil ist dabei dadurch gegeben, dass für die Schmelze kein besonderer Tiegel erförderlich ist.

Weiter kann dort die Ausbildung so sein, dass die eine Elektrode sprungweise in die Schmelze eingetaucht wird, um an dieser Elektrode einen Belag des Materials der Schmelze zu bilden und dann dieses den Belag bildende Material mit dem Lichtbogen zu verdampfen.

Hierbei wird in der Vakuumkammer ein anfängliches Vakuum von maximal 10"6 TORR (13"6 Pa) erzeugt, wogegen dann der Betriebsdruck 10'5 TORR (13 5Pa) beträgt. Hierbei wurden optimale Resultate erzielt bei einem Lichtbogen mit einer Spannung von 70 bis 120 Volt und einem Strom von 100 bis 250 Ampere.

Die Bedampfungsgeschwindigkeit kann dabei 0,10 bis 0,30 Gramm pro Minute erreichen.

Mit diesem Verfahren lassen sich Beläge auf einem Substrat aus Quarz, Silizid oder Karbid bilden; ferner lassen sich Silizide durch Reaktion von Silizium mit dem Substrat nach dem Niederschlag des Siliziums auf dem Substrat erzielen. Weiter gestattet das Verfahren eine Substratbeschichtung mit praktisch jedem gewünschten Metall oder jeder gewünschten Legierung, um schützende oder andere Beläge zu erhalten. Das Verfahren lässt sich in vielen Zweigen der Technik, etwa in der Metallurgie, Chemie, Elektroindustrie, Elektronik, Elektro-Vakuum-Industrie, Optik, Raketentechnik, Raumfahrt und Nuklearindustrie verwenden, wobei gefunden wurde, dass sich besonders effektiv spiegelähnliche Beläge, Reflektoren, Antikorrosionsschichten und Filme für Produkte flacher oder sehr komplizierter Gestalt erzeugen lassen; weiter ist das Verfahren geeignet für die Herstellung von Halbleiterkomponenten und hochohmiger Widerstandskomponenten, einfach überall dort, wo eine Oberflächenvergütung eines Substrates erforderlich ist und dies durch Aufdampfen erreicht werden kann. Weiter können mit diesem Verfahren Metall-Nitrid-Beläge formiert werden, wenn Stickstoff in den evakuierten Bereich eingebracht und das Vakuum auf etwa 2,5 x 10'3 TORR stabilisiert wird. Das verdampfende Elektrodenmetall verbindet sich mit Stickstoff, und das entsprechende Nitrid wird abgelagert.

Beim Verfahren, das ein 2-Elektroden-System umfasst und bei dem die Verbindung an Ort und Stelle vom Material beider Elektroden formiert werden, kann das Metall der Elektrode hochreines Ti, W, AL oder Cu sein, wogegen die andere Elektrode aus Silizid, Borid oder Karbid sein kann, so dass die Ablagerung ein Silizid, Borid oder Karbid auf einem hochreinen Metall sein kann. Besteht eine Elektrode aus Graphit oder Karbid und die andere aus Silizid, wird im Lichtbogen ein Silizium-Karbid formiert und abgelagert. Bestehen beide Elektroden aus Silizid oder Borid, wird auch ein Belag aus Silizid bzw. Borid erzeugt.

Dieses Verfahren zur Verdampfung durch Erhitzen eines Stückes der aufzudampfenden Substanz ist aber nicht in der Lage, insbesondere grössere und komplexe Substrat-Flächen

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so zu bedampfen, dass sich genügend gleichförmige Beläge ergeben.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der vorgenannten Art so zu verbessern, dass ein Aufdampfen von Materialien auf relativ grosse Substratflächen möglich wird. Ebenso soll ein Aufdampfen ermöglicht werden auch bei komplexen Formen des Substrates.

Dies wird nun beim erfindungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass in Nachbarschaft einer länglichen Elektrode, welche mindestens teilweise aus dem aufzudampfenden Material besteht, eine Oberfläche des Substrates angeordnet wird; dass mindestens der Spalt zwischen dieser Elektrode und dem benachbarten Substrat auf mindestens 10"5 TORR (13"5 Pa) evakuiert und der Druck im Raum während der Materialabtragung bzw. Aufdampfung auf nicht mehr als 10"5 TORR (13"5 Pa) konstant gehalten wird; und dass ein elektrischer Lichtbogen am einen Ende der Elektrode gezündet wird, bei einer Spannung von 30 bis 60 Volt und mit einem Strom von 50 bis 90 Ampere, um dadurch Material der Elektrode über eine Länge, über die der Lichtbogen wandert, zu verdampfen und über diese Länge am Substrat niederzuschlagen.

Auf ein Zünden des Lichtbogens hin werden hier nun die beiden Elektroden voneinander getrennt, worauf sich der Lichtbogen bzw. die vom Lichtbogen erzeugte Hitze spiralförmig um und entlang der länglichen Elektrode fortbewegt und eine Materialverdampfung bewirkt, und zwar spiralförmig fortschreitend weg von der Zündelektrode.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht weiter darin, dass das Verlöschen des Lichtbogens überwacht wird und das Wiederzünden des Lichtbogens nach seinem Verlöschen durch Kontaktherstellung zwischen dem genannten Ende der abschmelzbaren Elektrode und einer Zündelektrode erreicht wird; dass ferner die Temperatur der abschmelzbaren Elektrode kontrolliert und auf einen Temperaturwert von wenigstens angenähert 425 °C bis 540 °C konstant gehalten wird; und dass ferner die abschmelzbare Elektrode an seinem, dem zum Zünden des Lichtbogens bestimmten Ende entgegengesetzten Ende geheizt und während des Aufdampfens auf eine Temperatur von im wesentlichen 425 ° C bis 540 ° C gehalten wird.

Weiter ist es möglich, dass das Substrat aus einem Rohr mit komplexer Form gebildet wird, wobei die abschmelzbare Elektrode die gleiche Form erhält wie das Rohr und in dieses eingesetzt wird.

Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Aufdampfen von Material auf ein Substrat.

Diese Einrichtung zeichnet sich erfindungsgemäss aus durch eine länglich geformte Elektrode, welche mindestens teilweise aus dem aufzudampfenden Material besteht, wobei diese Elektrode eine Form aufweist, welche mit der komplexen Form des Substrates übereinstimmt, wobei Mittel zum Zünden eines Lichtbogens am einen Ende der Elektrode, Mittel zum Heizen dieser Elektrode am zündfernen Ende und Mittel zur Evakuation des Bereiches zwischen der Elektrode und dem Substrat auf einen Druck von mindestens 10 5 TORR (13"5 Pa) vorgesehen sind.

Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Aufdampfen von Material auf ein Substrat;

Figur 2 eine erste Ausführungsvariante einer Einrichtung gemäss Figur 1 ;

Figur 3 teilweise im Vertikalschnitt eine weitere Ausführungsvariante einer Einrichtung gemäss Figur 1, ebenfalls in schematischer Darstellung;

Figur 4 eine weitere Ausführungsvariante in einer der Figur 3 ähnlichen Darstellung;

Figur 5 im Axialschnitt eine weitere erfindungsgemässe Aufdampfungseinrichtung ;

Figur 6 in schematischer und grösserer Darstellung einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung; und

Figur 7 im schematischen Querschnitt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Aufdampfungseinrichtung.

Die in Figur 1 dargestellte erste mögliche erfindungsgemässe Anordnung dient der Durchführung eines einfachen Lichtbogen-Verdampfungsverfahrens im Sinne der vorliegenden Erfindung, um etwa spiegelartige Schutzbeläge auf Substrate zu erhalten oder um verschiedene Metalle oder Metall-Legierungen mit hitzebeständigen und widerstandsfähigen Anteilen als Belag auf die Substrate abzulagern.

Die Anordnung gemäss Figur 1 umfasst in der Regel eine hier nicht näher gezeigte Vakuumglocke oder -kammer, welche etwa jener gemäss Figur 6 entsprechen kann. Diese Vakuumglocke umgibt eine erste Metallelektrode 1 mit einer Speiseschaltungsanordnung 7, wobei gegenüber dieser Elektrode 1 eine weitere Elektrode 1 angeordnet ist, die stirnseitig eine Schmelze 3 bildet und zwischen welchen Elektroden ein Lichtbogen 4 zündbar ist. Die weitere Elektrode 2 bzw. deren Körper stützt sich in einem Halter 5 ab.

Ferner wird der Lichtbogenstrom über Elektrode 1 und Elektrodenkörper 2 von einer Gleichstrom-Quelle 9 geliefert, welche über einen herkömmlichen Lichtbogen-Stabilisie-rungsschaltkreis 8 angeschlossen ist.

Es hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, die relativ dünne Elektrode 1 mit einem Wärmeregler 6 zu versehen, um eine Überhitzung der Elektrode 1 zu verhindern.

Da der Querschnitt des Elektrodenkörpers 2 wesentlich grösser ist als jener der Elektrode 1, liegt die Schmelze 3 in einer konkaven Vertiefung 11, welche an Ort und Stelle in den Körper 2 eingeformt wird.

Nach einem ersten Beispiel kann die Anordnung gemäss Figur 1 mit Elektroden 1 und 2 aus Titan, Aluminium, Wolfram, Tantal oder Kupfer ausgerüstet sein und einen Lichtbogen bei einer Temperatur von 5000° bis 7000° zünden, um das Metall der Schmelze 3 zu verdampfen, wobei der Dampf eine Distanz von 10 bis 15 cm bis zum Substrat 10 zurücklegen kann, um sich dort als Metallbelag niederzuschlagen. Die Schmelze 3 kann aus einer Vermischung der Metalle der Elektroden 1 und 2 gebildet sein, wodurch auf dem Substrat eine Legierung aus den Metallen der beiden Elektroden aufgebracht werden kann. Vorzugsweise besteht die Elektrode aber aus Titan, wogegen das Metall der Schmelze überwiegend aus Aluminium, Wolfram, Tantal oder Kupfer besteht.

Die Einrichtung gemäss Figur 1 kann ohne wesentliche Änderungen für tiegellose Aufdampfungsverfahren zur Herstellung von Schutzbelägen aus Karbid sowie zur Erzeugung von Silizidbelägen auf dem Substrat oder zur Bildung von Siliziumkarbidbelägen auf dem Substrat herangezogen werden. Um Siliziumkarbid oder Wolframkarbidbeläge auf dem Substrat bilden zu können, besteht die Elektrode 2 aus Graphit und die Elektrode 1 aus Wolfram oder Silizid. Einleitend wird ein Vakuum von 10-6 TORR erzeugt und dieses dann auf 10"5 TORR oder weniger gehalten. Die Gleichspannung zur Erzeugung des Lichtbogens beträgt 100 Volt und der Lichtbogenstrom 150 Ampere. Die Ablagerung bildet sich unter Abgabe von etwa 0,2 Gramm pro Minute.

Weiter kann unter Verwendung der vorbeschriebenen Einrichtung gemäss Figur 1 unter Vakuum die eine Elektrode 1 aus Silizium oder Kohlenstoff und die andere Elektrode 2 aus Metall bestehen, um einen Belag aus Silizid oder Karbid zu

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formieren. Soll hingegen ein Siliziumniederschlag auf dem Substrat erhalten werden, muss die andere Elektrode 2 aus Silizium bestehen.

Wird beispielsweise eine Ablagerung von Silizium-Karbid auf dem Substrat gefordert, besteht die eine Elektrode 1 aus Silizium, während die andere Elektrode 2 aus einem Kohlenstoffstück besteht, in dem eine Schmelze aus Silizium und löslichgemachtem Kohlenstoff erhalten wird.

Die Dämpfe werden, wie aus dem Vorbeschriebenen entnehmbar ist, zum Substrat geführt und dort als ein Silizium-Karbid-Belag niedergeschlagen. Das Substrat kann beispielsweise Titan sein und die Ablagerung auf dem Substrat eine Mischung aus Titan-Silizid und Titan-Karbid.

Alternativ kann ein Titan-Karbid oder ein Silizid auf einem Substrat unterschiedlichster Zusammensetzung abgelagert werden, wenn die eine Elektrode 1 aus Silizium oder Kohlenstoff und die andere Elektrode 2 aus Titan besteht.

Wird in der evakuierten Kammer eine leicht oxydische Atmosphäre erzeugt, entstehen Silizium-Dioxyd-Nieder-schläge auf dem Substrat.

Selbstverständlich kann die anhand von Figur 1 beschriebene Einrichtung auch zur Herstellung von Halbleitern herangezogen werden.

Der Wärmeregler 6 kann vervielfacht und entlang der Erstreckung der einen Elektrode 1 angeordnet werden. Ferner können weitere Wärmeregler auch für die andere Elektrode 2 vorgesehen werden, um deren Überhitzung zu verhindern.

Wenn entweder die eine oder andere Elektrode 1 oder 2 aus Silizium und die andere aus Kohlenstoff hergestellt werden, wird ein Silizium-Karbid durch Reaktion erhalten, dessen Reinheit höher ist als der Reinheitsgehalt vom Silizium und vom Kohlenstoff.

Wenn beide Elektroden aus Silizium bestehen, können Ablagerungen aus Quarz und Silizium hoher Dichte erreicht werden, wie dies für Halbleiterbeschichtungen erwünscht ist.

Die in Figur 2 veranschaulichte Einrichtung entspricht im wesentlichen jener gemäss Figur 1, wobei diese Einrichtung allerdings nach einem anderen Prinzip arbeitet, indem die Verdampfung mindestens teilweise an der benetzten oberen Elektrode 101 bewirkt wird.

Bei dieser Anordnung werden vergleichsweise zu Figur 1 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, erhöht auf 100, bezeichnet.

Danach ist hier die Speiseschaltungsanordnung 107 der Elektrode 101 mit einer Vertikal-Kolben-Antriebseinheit 112 verbunden, welche gestattet, die Elektrode 101 in Richtung des Pfeiles 114 hin und her zu bewegen, um die Spitze dieser Elektrode 101 periodisch in die Schmelze 103 der Elektrode 102 eintauchen zu können.

Durch den nach dem Eintauchen gezündeten Lichtbogen 104 kann dann der Belag 113 des geschmolzenen Metalls an der Elektrode 101 verdampfen und sich auf dem Substrat 110 niederschlagen.

Der Körper der Elektrode 102 ist auch hier im Halter 105 abgestützt, und der Lichtbogenstrom wird durch eine Gleichstromquelle 109 und einen Stabilisierungskreis 108 in der vorbeschriebenen Weise erzeugt. Auch ist hier die eine Elektrode 101 wieder mit einem Wärmeregler 106 ausgerüstet.

Diese vorbeschriebene Anordnung ergibt die besten Resultate, wenn unter anderem die eine Elektrode 101 aus Titan und die andere bzw. die Schmelze 103 aus Aluminium bestehen.

Bei der in Figur 3 veranschaulichten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist über dem zu bedampfenden Substrate 210 ein ringförmiger, nach oben offener Tiegel 217 angeordnet, in dem sich das geschmolzene Metall 203 befindet. Der Tiegel 217 ist dabei an einem Halter oder Rahmen 205 abgestützt.

Bei dieser Anordnung weist die obere Elektrode 201 die Form eines sphärischen Segmentes auf, welches als Reflektor derart wirksam ist, dass beim Verdampfen der Schmelze 203 unter der Wirkung eines Lichtbogens 204 zwischen Schmelze 203 und Lichtbogen 201 der aufsteigende Metalldampf in Richtung der Pfeile 219 fokussiert, in Richtung der Pfeile 218 zum Substrat hin reflektiert wird.

Die Gleichstromquelle 209 ist hier über Elektrode 201 und Tiegel 217 über den Stabilisierungskreis 208 angeschlossen. Ferner ist die obere Elektrode 201 an einem Zapfen 216 angeordnet, der in vertikaler Richtung durch die Speiseschaltungsanordnung 207 und in horizontaler Richtung durch einen Hilfsmechanismus 215 fixiert ist, wobei letzterer eine Einstellung der Elektrode 201 relativ dem zu verdampfenden Material erlaubt.

Bei dieser Anordnung kann die eine Elektrode 201 aus Titan, Molybdän oder Wolfram bestehen und die Schmelze Aluminium oder Kupfer umfassen. Der Tiegel 217 besteht vorzugsweise aus Graphit.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung zeigt Figur 4, bei welcher sich der Dampf nach unten auf ein Substrat niederschlägt.

Hier ist der nach oben offene Tiegel 317 mit dem geschmolzenen Material 303 gefüllt und von einem Reservoir 322 mit Festkörperteilchen oder mit bereits geschmolzenem Material speisbar. Der Tiegel 317 kann durch eine induktive Heizung 323 oder dergleichen aufgeheizt werden und ist auch hier wieder an einem Halter 305 abgestützt.

Weiter weist der Tiegel 317 bodenseitige Öffnungen 321 auf, aus welchen Tröpfchen der Schmelze 303 austreten können, welche dann unter der Wirkung des Lichtbogens 304 zwischen der unteren Elektrode 301 und dem Boden des Tiegels 317 verdampfen.

Die Temperatur im Bereich des Lichtbogens lässt sich durch eine Induktionsschleife 324 oder dergleichen steuern, und die Elektrode 301 kann durch Kühlelemente 306 gekühlt werden.

Die Elektrode 301 wird hier über den Elektrodenhalter 307 gespeist, und der gezündete Lichtbogen ist durch einen Stabilisierungskreis 308, der mit der Gleichstromquelle 309 verbunden ist, aufrechterhaltbar.

Bei dieser vorbeschriebenen Einrichtung kann das geschmolzene Material Kupfer sein.

Anstelle der Hilfsvorrichtung 324 kann ein zu bedampfendes Substrat, beispielsweise in Form eines Titan-Ringes, angeordnet sein.

Bei der weiteren Anordnung gemäss Figur 5 wird das geschmolzene Metall in einem geschlossenen Spalt verdampft, wobei dieser Dampf dann durch Öffnungen 425 hindurchdringt und zum Substrat gelangt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Schmelze durch Ausschmelzen der Elektrode 402 gebildet, welche letztere im Halter 405 abgestützt ist. Hierbei erstreckt sich die Gegenelektrode 401 durch eine zentrale Bohrung 426 in der Elektrode 402, stützt sich dort über eine Isolierhülse 427 ab und ist durch die Speiseschaltungsanordnung 407 speisbar. Hier umgibt der Wärmeregler 406 koaxial die beiden Elektroden nahe dem Lichtbogenbereich, um dort eine Überhitzung zu verhindern. Die Beschichtung erfolgt hier auf einem Substrat 410.

Weiter wird, wie bereits beschrieben, auch hier der Strom von einer Gleichstromquelle 409 über die Lichtbogen-Stabilisierungsschaltung 408 zugeführt.

Figur 6 zeigt nun weiter eine tragbare voltaische Lichtbogeneinrichtung zur Herstellung von reflektiven, antikorrosiven, schützenden und halbleitenden Belägen aus Metall, Sili-ziden und Karbiden.

Diese Anordnung umfasst eine Vakuumkammer 500, wel5

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che obenseitig einen Handgriff 530 aufweist, um die Anordnung leicht transportieren zu können.

In dieser Kammer befindet sich ein Hohlkugelkörper 517, dessen unterer Teil einen Tiegel für die Schmelze 503 bildet, welcher innenseitig mit einem hitzebeständigen Material wie Aluminiumoxyd beschichtet ist.

Der obere Teil 531 dieser Kugel ist mit einer Reflexionsschicht zur Wärmereflexion versehen.

Ein Lichtbogen 504 ist zwischen einer Elektrode 501 und der Schmelze 503 zündbar, wobei die Elektrode 501 auch hier von einer Speiseschaltungsanordnung 507 versorgt wird.

Zusätzliches Metall, beispielsweise in Festform, kann als Stange 532 der Schmelze zugeführt werden, wobei die Zuführung über eine geeignete Vorrichtung 533' erfolgt.

Weiter ist die Elektrode 501 und die Schmelze 503 in der vorbeschriebenen Weise über die Stabilisierungsschaltung an der Gleichstromquelle angeschlossen.

Wie der Figur 6 entnommen werden kann, umgibt die genannte Stange 532 eine rohrförmig ausgebildete Elektrode 502.

Weiter ist die Vakuumglocke 500 untenseitig an eine Evakuierungspumpe 533 angeschlossen, welche sowohl die Kammer mit der darin angeordneten Kugel 517 evakuiert als auch einen Adapter 536, welcher eine nach aussen divergierende Form besitzt und aussen am Gehäuse 500 befestigbar ist. Die Evakuierung des Adapters 536 erfolgt dabei über einen Verbindungskanal 534 und ein Ventil 535.

Das Adaptergehäuse 536 kann von einer Heizspule oder -spirale 537 umgeben sein, um im Innenraum des Adapters eine Dampfkondensation zu vermeiden.

Der Adapter 536 steht über eine Queröffnung im Gehäuse 500 mit dem Innern der Kugel 531 in Verbindung. Zwischen dieser Öffnung 525 und dem Adapter 536 ist eine Schleuse 538 vorgesehen und eine Montageanordnung 539 für die Anbringung von Adapter unterschiedlicher Form und Grösse angeordnet.

Weiter umfasst der Adapter aussenseitig eine vakuumdichte Manschette 540 zum dichten Anschlagen eines zu bedampfenden Substrates.

Die tragbare Einrichtung gemäss Figur 6 kann nun zum bedampfenden Substrat 510 transportiert und am Gerät der für dieses Substrat geeignete Adapter über die Montageanordnung 539 befestigt werden, worauf diese Anordnung mit der Manschette 540 gegen die zu bedampfende Fläche des Substrates 510 gepresst wird. Dann wird die Anordnung am Strom angeschlossen und zunächst das System mittels der Pumpe 533 evakuiert, wobei ein Schmelzen des Metalls erfolgt und die Schmelze 503 im Tiegel entsteht. Dann wird die Schleuse 538 geöffnet, was dem Pamp wenigstens teilweise erlaubt, zum Substrat 510 zu gelangen, wofür der notwendige Druckunterschied zwischen dem Innern der Kugel 517 und des Adapters durch das Ventil 535 regelbar ist.

Praktisch kann mit dieser Einrichtung durch Verwendung geeigneter Adapter jedes Produkt auf jeder Seite bedampft und mit einem geeigneten Belag versehen werden, ohne dafür den betreffenden Körper aus seinem Verwendungsbereich herausnehmen zu müssen. Die Einrichtung ist weiter zerlegbar und so auch zum Bedampfen der Innenseiten von Kanälen und dergleichen verwendbar.

Diese dargestellte und vorgeschriebene Einrichtung lässt sich ohne Adapter 536 auch als Treibstufe für Personen oder Einrichtungen im Raum verwenden.

Nach dem Zünden des Lichtbogens ist lediglich die Schleuse 538 zu öffnen, um einen Strom durch die Öffnung 525 zu erhalten, der einen Vortrieb in entgegengesetzter Richtung bewirkt. Hierbei macht das natürliche Vakuum im Raum die Vakuumpumpe 533 überflüssig. Ferner kann praktisch jeder sich im Anwendungsbereich im Raum ergebender

Abraum im Hohlkugelkörper 517 verwendet werden, um einen solchen Vortrieb zu erzeugen.

Bei der Ausführungsform gemäss der Figur 7 sind Merkmale der vorbeschriebenen Konzeptionen miteinander kombiniert. Mit dieser erfindungsgemässen Anordnung ist es möglich, einen Belag 610' auf die Innenfläche 610a eines das Substrat bildenden Rohres 610 aufzubringen. Hierbei ist die ausschmelzbare bzw. abschmelzbare Elektrode 602 von gleicher Form wie das rohrförmige Substrat und erstreckt sich in dessen Innerem im Zentrum. Die Elektrode 602 ist von einer Induktionsheizspirale 606a umgeben, die mit einem Wärmeregler 606 verbunden ist, der über einen Thermofühler 606b oder dergleichen ein Rückkopplungssignal entsprechend der Temperatur an der Elektrode 602 erhält, um deren Temperatur konstant auf eine Grösse von etwa 425 ° C bis 540 0 C (800-1000 °F) zu halten. Am äusseren Ende 602c ist dabei die Elektrode 602 in geeigneter, nicht näher gezeigter Weise abgestützt.

Wie bei den vorbeschriebenen Konzeptionen befindet sich auch hier das Substrat und das aufzudampfende Material in Form der ausschmelzbaren Elektrode 602 innerhalb einer Vakuumkammer 600, welche auf 10~6 TORR evakuiert werden kann, so dass das Aufdampfen bei einem Druck von 10 5 TORR gewährleistet ist.

Das freie Ende der ausschmelzbaren Elektrode 602 wirkt, wie Figur 7 zeigt, mit einer Lichtbogen-Zündelektrode 601 zusammen, welche sich mittels eines elektrisch steuerbaren Stellmechanismus 607 bezüglich der ortsfesten Elektrode 602 an- oder wegstellen lässt. Der Stellmechanismus 607 wirkt hierbei mit einer Null-Strom-Detektorschaltung 607a zusammen, so dass bei vollständigem Lichtbogen-Null-Strom die Elektrode 601 in der Darstellung nach links in Kontakt mit dem freien Ende 602a der festen Elektrode 602 gebracht werden kann, um dann mit dem Wegstellen einen neuen Lichtbogen zu ziehen. Der Lichtbogenstrom wird hier von einer pulsierenden Gleichstromquelle 609 erzeugt, welche wieder mit einem Lichtbogen-Stabilisierungsschaltkreis 608 zusammenwirkt, welche die Parameter des Lichtbogenstromes und der Lichtbogenspannung im Bereich von 50 bis 90 Ampere und 30 bis 60 Volt regelt.

In der Praxis wandert der gezündete Lichtbogen spiralförmig fortschreitend gemäss den in Figur 7 angedeuteten Pfeilen A in der Darstellung nach links, wobei die Materialverdampfung und andere elektromagnetische Phänomene wirksam sind, und zwar über die ganze Länge der aus- bzw. abschmelzbaren Elektrode 602, bis bei einem Strom-Null-Durchgang der Lichtbogen wieder erlischt und neu gezündet werden muss.

Wie durch die strichpunktierten Linien 602b in Figur 7 angedeutet, erfolgt der Materialabtrag an der Elektrode 602 so, dass diese eine kegelige bzw. konische Form annimmt.

Die Tatsache, dass der entstehende Kegel die Elektrode vom Substrat entfernt, hat weiter keine Bedeutung, da der grösste Niederschlag im Bereich der grössten Rückbildung erfolgt und damit ein sehr gleichmässiger Endbelag auf dem Substrat erzielt wird.

Dieses erfindungsgemässe System ist besonders geeignet zur Beschichtung temperaturempfindlicher Materialien mit Belägen geringster Dicke, da die Beschichtung hier sehr schnell und ohne wesentliche Erwärmung der Substrate erfolgen kann.

Nach einem zweiten Beispiel kann die Elektrode 602 aus Kupfer bestehen und die in Figur 7 gezeigte Form aufweisen, wobei diese mit einem anfänglichen Abstand von beispielsweise 10 cm im rohrförmigen Substrat angeordnet ist. Die Elektrode wird auf einer Temperatur von 480 °C (900 °F) gehalten, und die Zündung des Lichtbogens erfolgt in der beschriebenen Weise am freien Elektrodenende. Der Lichtbo5

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genstrom beträgt etwa 70 Ampere und die Lichtbogenspannung etwa 40 Volt nach dem Wegstellen der Zündelektrode 601. Im übrigen stimmt hier der BedampfungsVorgang mit dem vorbeschriebenen ersten Beispiel überein.

Aus dem Vorbeschriebenen ergibt sich somit ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufdampfen von Material auf ein Substrat, das gestattet, vergleichsweise sehr grosse und komplexe Flächen zu beschichten. Hierbei kann die

Geschwindigkeit des Ver- und Bedampfungsvorganges bei den hier vorliegenden Verhältnissen tiefer Spannungen, Ströme und Temperaturen um das 1,5- bis 2fache zunehmen vergleichsweise der Verdampfungsgeschwindigkeit bekannter 5 Systeme. Weiter können praktisch alle Metalle, Legierungen, Karbide und Silizide für die materialabgebende Elektrode verwendet werden.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Aufdampfen von Material auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass in Nachbarschaft einer länglichen Elektrode (602), welche mindestens teilweise aus dem aufzudampfenden Material besteht, eine Oberfläche (610a) des Substrates (610) angeordnet wird; dass mindestens der Spalt zwischen dieser Elektrode (602) und dem benachbarten Substrat (610) auf mindestens 10 s TORR (13-5 Pa) evakuiert und der Druck im Raum während der Materialabtragung bzw. Aufdampfung auf nicht mehr als 10"5 TORR (13"5 Pa) konstant gehalten wird; und dass ein elektrischer Lichtbogen am einen Ende (602a) der Elektrode (602) gezündet wird, bei einer Spannung von 30 bis 60 Volt und mit einem Strom von 50 bis 90 Ampere, um dadurch Material der Elektrode (602) über eine Länge, über die der Lichtbogen wandert, zu verdampfen und über diese Länge am Substrat (610) niederzuschlagen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöschen des Lichtbogens überwacht wird und das Wiederzünden des Lichtbogens nach seinem Verlöschen durch Kontaktherstellung zwischen dem genannten Ende (602a) der abschmelzbaren Elektrode (602) und einer Zündelektrode (601) erreicht wird.

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PATENTANSPRÜCHE .

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der abschmelzbaren Elektrode kontrolliert und auf einen Temperaturwert von 425 °C bis 540 °C konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Rohr mit komplexer Form gebildet wird, wobei die abschmelzbare Elektrode die gleiche Form erhält wie das Rohr und in dieses eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abschmelzbare Elektrode an ihrem dem zum Zünden des Lichtbogens bestimmten Ende entgegengesetzten Ende geheizt und während des Aufdampfens auf eine Temperatur von 425 °C bis 540 °C gehalten wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Aufdampfen von Material auf ein Substrat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine länglich geformte Elektrode (602), welche mindestens teilweise aus dem aufzudampfenden Material besteht, wobei diese Elektrode eine Form aufweist, welche mit der komplexen Form des Substrates (610) übereinstimmt, wobei Mittel (601,607) zum Zünden eines Lichtbogens am einen Ende der Elektrode, Mittel (606, 606a, 606b) zum Heizen dieser Elektrode (602) am zündfernen Ende (602c) und Mittel zur Evakuation des Bereiches zwischen der Elektrode (602) und dem Substrat (610) auf einen Druck von mindestens 10 5 TORR (13 5 Pa) vorgesehen sind.