CH690857A5 - Anlage zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten und Verfahren zur Durchführung in dieser Anlage - Google Patents

Description

  
 



  Bei der Erfindung handelt es sich um eine Anlage zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten. Diese Anlage erlaubt die Durchführung eines entsprechenden Verfahrens, das ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. 



  Zahlreiche Verfahren zur physikalischen Vakuumbedampfung wurden in den letzten 30 Jahren vorgeschlagen und viele von ihnen haben inzwischen eine breite Anwendung gefunden (siehe E. Bergmann und E. Moll: plasma assisted PVD coating technologies erschienen in Surface Coatings and Technologies Band 37 (1989), Seiten 483 ff.). Die Verfahren lassen sich als Kombination von 3 Verfahrensschritten beschreiben: Konditionieren, Beschichten, Dekonditionieren. Konditionieren umfasst meist die Vorgänge: Reinigen, dem Hochvakuum Aussetzen, Heizen und Plasmabeizen. Dekonditionieren umfasst meist die Schritte Abkühlen, aus dem Hochvakuum entfernen und Konservieren. Diese Vorgänge werden heute bei beinahe allen zur plasmaunterstützten physikalischen Vakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten in dieser Reihenfolge angewendet.

   Es gibt natürlich Ausnahmen, wie die Beschichtung von temperaturempfindlichen Werkstücken, bei denen auf eine Heizung verzichtet wird. Als temperaturempfindlich bezeichnet man Werkstücke, die nicht über 650 DEG K erwärmt werden dürfen, ohne Schaden zu nehmen. Der Stand der Technik für die Konditionierung entspricht den Patentschriften DE 3 936 550 und DE 104 998. In diesen werden die Teile zuerst einem Hochvakuum ausgesetzt und dann mittels Strahlung erwärmt. Bei einer Strahlungserwärmung fliesst ein Wärmestrom in Form eines gerichteten Stroms von infraroten Photonen von einem Heizkörper zu den Werkstücken. Ein Heizkörper ist eine Fläche, deren Oberflächentemperatur über der Werkstücksolltemperatur liegt. Als Werkstücksolltemperatur bezeichnet man die Temperatur, die das Werkstück bei der Konditionierung erreichen soll. 



  Auf die verschiedenen Varianten der Plasmabeizung wird hier nicht eingegangen, da sie nicht Gegenstand der Erfindung sind. Alle zur Zeit verwendeten Verfahren werden im Hochvakuum durchgeführt, obwohl Verfahren im Feinvakuum denkbar sind. 



  Jede physikalische Vakuumbedampfung kann als Abfolge von drei Verfahrenselementen betrachtet werden, die wiederum stationär sind: Verdampfen von Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs in einer geeigneten Einrichtung, die man Quelle nennt, Transport dieser Komponenten und gegebenenfalls anderer gasförmiger Komponenten, zu den Werkstücken, Umsetzung dieser Komponenten an den Werkstücken zu Schichten mit den geforderten Eigenschaften. Zahlreiche Baumuster von Quellen sind bekannt und heute im Einsatz (siehe E. Bergmann und E. Moll op. cit.). Im Bereich der physikalischen Vakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten beruhen sie entweder auf der Katodenzerstäubung oder auf der Bogenverdampfung.

   Von den Quellen werden die verdampften Komponenten des schichtbildenden Werkstoffes mit molekularer Strömung oder mit elektrostatischer oder elektromagnetischer Führung zu den Werkstücken transportiert. Man bildet einen Massenstrom von Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs. Dabei wurden bisher folgende anlagenspezifische Transportkonfigurationen gewählt: 



  Eine Flächenquelle liegt gegenüber einem flächigen Substrat: Für den Verschleissschutz, wo man komplexe Geometrien beschichtet, ist diese Anlage ungeeignet. Sie kommt vor allem bei Durchlaufanlagen zum Einsatz. 



  Flächenquellen am Mantel und radialer Fluss der Komponenten zu den Werkstücken im Zentrum. 



  Bewegte Punkt- oder Stabquellen im Zentrum und radialer Fluss der Komponenten zu den Werkstücken nach aussen. 



  Eine Punktquelle im Zentrum und radialer Fluss der Komponenten zu den Werkstücken, die auf einer Kalotte aufgebracht sind. 



  Als Flächenquellen bezeichnet man Einrichtungen zum Verdampfen von Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs, bei denen die Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs von einer Fläche emittiert werden. Als Punktquellen bezeichnet man Einrichtungen zum Verdampfen von Komponenten des  schichtbildenden Werkstoffs, bei denen die Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs von einer im Verhältnis zur Anlagengrösse sehr kleinen Fläche emittiert, werden, typischerweise ein Kreis von 0.001-0.003 m. Als Stabquellen bezeichnet man Einrichtungen zum Verdampfen von Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs, bei denen die Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs von einem Zylinder emittiert werden. 



  Zum Kühlen der Werkstücke wird im Stand der Technik ebenfalls die Strahlung verwendet. 



  Bei allen Verfahren der physikalischen Vakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten des Stands der Technik sind Wärmestrom und Schichtkomponentenstrom entweder parallel oder beide radial, im Folgenden koradial genannt. 



  Die Gründe hierfür gelten als evident. Sowohl der Wärmestrom in Form des Photonenstroms, als auch der Massenstrom der verdampften schichtbildenden Komponenten sind im Hochvakuum gerichtet. Dies erfordert eine parallele, beziehungsweise koradiale Ausrichtung von Masse- und Wärmestrom, um die Werkstücke mit beiden mit der gleichen Gleichmässigkeit zu beaufschlagen. Da im Hochvakuum ein Wärmetransport nur mit Photonen möglich ist, gibt es im Stand der Technik nur Strahlungsheizungen. 



  Die Konditionierung mit Strahlungsheizungen ist beim Einsatz der Verfahren mit zahlreichen Nachteilen verbunden. Der Wärmetransport von den Strahlungskörpern zum Inneren der Werkstücke ist schlecht, da er sehr stark vom Oberflächenzustand der Werkstücke abhängt und sich Schatteneffekte, d.h. Teile bleiben zu kalt, und Bestrahlungseffekte, d.h. Teile werden überhitzt, nicht vermeiden lassen. Der Wärmefluss durch Strahlung hängt nämlich extrem stark, er ist der Differenz der vierten Potenz der Temperatur des Heizkörpers und der Werkstücke proportional, von der Temperaturdifferenz ab. Fig. 1 zeigt Temperaturverlaufskurven für 3 Werkstücke verschiedenen Gewichts an verschiedenen Stellen in einer Anlage gemäss dem Stand der Technik. Die Kurve a) wurde mit einem Spiralbohrer, Durchmesser 6 mm, der am Rand des Drehtellers auf halber Höhe angebracht war, gemessen.

   Die Kurve b) entspricht einem Abwälzfräser, Durchmesser 150 mm,  Länge 200 mm, der ebenfalls an der Peripherie des Drehtellers allerdings auf dem Teller stehend angebracht war. Die Kurve c) entspricht einem Umformstempel, Durchmesser 300 mm, der auf der Mitte des Drehtellers lag. Die Heizkörpertemperaturen waren in allen Fällen gleich, und zwar 1270 DEG K. Die Werkstücksolltemperatur war 770 DEG K. Sie wurde vom Abwälzfräser nach 2,5 Stunden erreicht. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Temperatur des Spiralbohrers längst die Anlasstemperatur überschritten und er war weich und unbrauchbar geworden. Der Stempel hat die Werkstücksolltemperatur nie erreicht, was sich schädlich auf die Haftung der plasmaunterstützt aufgebrachten Verschleissschutzschicht auswirkte. Man hatte in diesem Beispiel die Temperatur der Heizung wesentlich über der Werkstücksolltemperatur gewählt.

   So haben die leichten Werkstücke, beziehungsweise die Werkstücke, die dem Heizstrahler am Nächsten sind, die Werkstücksolltemperatur überschritten und sich der Temperatur des Heizkörpers angepasst, während schwere und entfernte Teile weit von der Werkstücksolltemperatur entfernt blieben. Wählt man die Differenz zwischen Werkstücksolltemperatur und Heizkörpertemperatur gering, wird der Wärmefluss sehr klein und die Heizzeit entsprechend lang. Dies verhindert zur Zeit die wirtschaftliche Beschichtung von schweren Teilen mit der plasmaunterstützten physikalischen Bedampfung und erfordert von den Betreibern der Anlagen, die einen Lohnservice anbieten, grosses Geschick im Anordnen von gemischten Beladungen. Die parallele und die koradiale Ausrichtung des Wärmestroms bewirken, dass die Erwärmung der Teile ebenso ungleichförmig ist wie die Beschichtung.

   Es hat sich gezeigt, dass sich mit Konfigurationen, bei denen der Wärmestrom annähernd orthogonal zum Massenstrom ist, besonders gute Resultate erzielen lassen. Die Erwärmung und die Kühlung können so für die meisten Werkstückgeometrien sehr viel gleichförmiger gestaltet werden. Die Tatsache, dass dadurch die Erwärmung gleichmässiger ist als die Beschichtung ist kein Nachteil. Eine Schutzgasheizung verwendet elektrische Energie und besteht aus einem Heizkörper und einem Ventilator, der das Schutzgas vom Heizkörper zu den Werkstücken und von dort zurück zum Heizkörper führt. Im Ofenbau kennt man 2 Realisierungsvarianten: Bei einer externen Gasheizung saugt ein Ventilator das durch den Kontakt mit den Werkstücken abgekühlte Gas aus der Kammer ab und  bläst es über einen Heizkörper, von dem es dann wieder die Anlage durchströmt. Einlass und Absaugstutzen bestimmen den Wärmestrom.

   Bei einer internen Schutzgasheizung sind Behandlungsraum und Heizkörperraum durch Bleche in einer Kammer getrennt. Ein Gebläse saugt das durch den Kontakt mit den Werkstücken abgekühlte Schutzgas aus dem Behandlungsraum ab und bläst es über einen Heizkörper im Heizkörperraum, von dem es dann wieder in den Behandlungsraum zurückströmt. 



  Beide Lösungen entsprechen dem Stand der Technik für Brennöfen, sind aber mit Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten nicht kompatibel und wurden daher noch nie für den Einsatz in der Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten vorgeschlagen. Bei einer externen Schutzgasheizung würde der feine Staub, der bei Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten entsteht und der sich auf den Ventilsitzen ablagert, verhindern, dass die Anlage hochvakuumtauglich bleibt. Bei einer internen Heizung benützt man Motoren, die im Beschichtungsraum laufen; da es nicht möglich ist, Vakuumdurchführungen zu bauen, die mit den hohen Drehzahlen von effizienten Ventilatoren kompatibel sind.

   Langsam laufende Ventilatoren erzeugen keine kontrollierte Gasströmung. Diese Motoren können aber wegen ihrer hohen Gasabgabe bei Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten nicht eingesetzt werden. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Ventilator mit magnetischem Antrieb, der für den Einsatz von Schutzgasheizungen in Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten Voraussetzung ist. 



  Ähnlich verhält es sich bei der Kühlung, nur dass in diesem Fall die Heizung durch einen Gas/Gas- oder Gas/Wasser-Wärmetauscher ersetzt ist. Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung der Hochvakuumkesselwand als Gas/Wasser-Wärmetauscher und der Einsatz von beweglichen Gasleitblechen. Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens muss also Vorrichtungen zur Erzeugung von Gasströmungen aufweisen, bevorzugt einen Ventilator, der  wiederum bevorzugt über eine magnetische Kupplung angetrieben wird. Die Anlage enthält Gasleitbleche, die bevorzugt auch die Funktion von Wärmeschutzblechen übernehmen. Sie sind verschiebbar, um beim Heizen eine andere Strömung zu erzeugen als beim Kühlen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass das Verfahren wesentlich effizienter läuft, wenn die Heizkörper in unmittelbarer Nähe des Ventilators angeordnet sind.

   Unmittelbar bedeutet zum Beispiel eine Anordnung im Bereich von 50-200 mm. Dies wird aber nicht bei allen Anlagenkonfigurationen und Heizleistungen möglich sein. Entscheidend ist der Aufbau in unmittelbarer Nachbarschaft des Ventilators. Diese Anordnung ist möglich, da auf Grund der magnetischen Kupplung, keine geölten Teile in der Umgebung des Ventilators sind, und eine höhere Erwärmung des Ventilatorkörpers toleriert werden kann. 



  Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren der plasmaunterstützten Hochvakuumbedampfung, bei dem der Konditionierungsschritt Heizen durch einen Wärmestrom mit Gas als Träger vorgenommen wird. 



  Die Probleme des Stands der Technik können gelöst werden, wenn für den Transport der Wärme nicht Photonen sondern Gas verwendet wird. Dies bedingt eine Gasströmung vom Heizkörper zu den Werkstücken. Dies ist im Prinzip seit Jahrhunderten im Bäckereiwesen bekannt und wurde in den letzten beiden Jahrzehnten auch im Haushalt für das Backen eingeführt. Ein Strahlungsbackofen kann nur gleich grosse Brötchen backen, ein Umluftbackofen eignet sich für das gleichzeitige Backen von Kleingebäck und Torten. 



  Auf Grund der geringen Gasdichte ist allerdings eine Gasheizung extrem ineffizient. Sie ist mit dem Hochvakuum der Bedampfung nicht kompatibel. Dieses Problem wird unter anderem durch eine neuartige Verfahrensführung gelöst. Die Beschichtungskammer mit den Werkstücken wird zuerst auf ein Feinvakuum gepumpt, danach wird die Beschichtungskammer mit Schutzgas auf ein Grobvakuum gebracht, in dem der Konditionierungsschritt Heizen vorgenommen wird. Danach erst wird die Anlage auf Hochvakuum gebracht und die Konditionierung mit dem Plasmabeizen oder Hochvakuumbedampfen fortgesetzt. Als Schutzgas eignet sich im Prinzip jedes Gas, das bei der Werkstücksolltemperatur mit den Werkstücken  nicht chemisch reagiert. Bewährt haben sich Edelgase, Stickstoff und Wasserstoff, im Besonderen Gemische in denen der Hauptanteil Helium oder Stickstoff sind.

   Ein Beispiel für die erfindungsgemässe Anlage ist in Bild 3 dargestellt. 



  Der Vakuumkessel (1) ist eine zylindrische Kammer (21) mit den Massen: Durchmesser 600 mm und Höhe 800 mm. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser wird in einer bekannten Weise aus den Massen und der Anzahl der zu beschichtenden Werkstücke bestimmt. Die Kesselwand trägt als Hochvakuumverdampferquelle mehrere rechteckige Funkenquellen (13) in der üblichen Anbauausführung, wie sie zum Beispiel in DE 126 040 beschrieben ist. Die Werkstücke (12) sind die für die plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung mit verschleissfesten Schichten vorgesehenen Werkstücke. Die Aufnahmen, die sie tragen, bestehen aus einem Drehteller (11) mit einer Durchführung (23) und einem nicht dargestellten Antrieb des Drehtellers. Einzelheiten dieser Aufnahmen können der Patentschrift US 4 485 759 entnommen werden. Der Kessel wird über einen Pumpstutzen (2) abgepumpt.

   Er wird über die Ventile (5) mit einem Gemisch aus 10 vol% Wasserstoff und 90 vol% Stickstoff gespeist. Die Zuführung von Schutzgas und die Reaktivgase für den plasmaunterstützten Hochvakuumbedampfungsprozess sind mit (6) dargestellt. Der Kammerdeckel trägt einen Ventilator (3), der über eine Achse (19) und die magnetische Kupplung (4) an den Motor (20) gekoppelt ist. Einzelheiten der magnetischen Kupplung sind in Bild 3 dargestellt. In unmittelbarer Nähe des Ventilators sind Heizstäbe (7) angeordnet, die das Schutzgas erhitzen, bevor es vom Ventilator angesaugt wird. Die als Beispiel dienende Anlage erlaubte eine Unterbringung der Heizstäbe im Deckelbereich, sodass alle Heizstäbe in einem Bereich, in dem die Distanzen zur nächsten Ventilatorkante 50 mm bis 300 mm betrug, untergebracht werden konnten.

   Die Gasumleitbleche (9), (8) sorgen dafür, dass das an den Werkstücken abgekühlte beziehungsweise erwärmte Gas wieder vom Kammerboden zum Kammerdeckel geführt wird. Das untere Blech ist in diesem Beispiel ein Klöpperboden vom Durchmesser 550 mm Durchmesser und 2 mm Stärke. Die beiden senkrechten Bleche sind Zylinder mit einer rechteckigen \ffnung im Bereich Verdampfungsquelle (n) (13). Ihre Durchmesser betrugen in diesem  Beispiel 560 beziehungsweise 510 mm. Das Schutzblech (8) besteht aus einem Paket von 3 Blechen, sodass diese Anlage insgesamt 4 Schutzbleche zwischen den Werkstücken (12) und der Kesselwand (21) aufweist. Ein Gasumleitblech (8) ist verschiebbar ausgebildet, sodass der Kanal (25) zwischen Blech (8) und Blech (9) entweder für den Gasstrom durchgängig oder geschlossen ist. Dies wird unter anderem durch die Absperrvorrichtung (26) erreicht.

   Die entsprechende Schiebedurchführung (10) ist mit einem Hebel (27) versehen, der es erlaubt eine, entsprechende Bewegung des Blechs (8) beim Übergang zwischen Konditionieren und Hochvakuumbeschichten oder beim Obergang vom Hochvakuumbeschichten zum Dekonditionieren durchzuführen. Andere Realisierungen wie Kettentriebe oder, Pneumatikzylinder sind natürlich ebenfalls möglich. Anstelle einer Hebebewegung können auch andere Ausführungen wie Drehungen oder das Betätigen von Klappen verwendet werden. Während des Konditionierungsschritts Heizen sind die Gasleitbleche in einer Position, die das umgelenkte Schutzgas bevorzugt zwischen den beiden Gasleitblechen (8) und (9) im Heizkanal (25) strömen lässt.

   Während des Dekonditionierungsschritts Kühlen sind die beiden Gasleitbleche in einer Position, die das Schutzgas zwingt, zwischen Kesselwand (21) und Gasleitblech (8) im Kühlkanal (24) zu strömen. Dieser Kühlkanal (24) kann mit Kühlrippen (22) ausgerüstet sein, um die Wärmeübertragung zwischen Kesselwand (21) und Schutzgas zu verbessern. 



  Ein Ausführungsbeispiel der magnetischen Kupplung ist in Fig. 3 dargestellt. In den Kammerflansch (36) ist ein Topf mit Querstreben (38) eingesetzt, der 2 Kugellager (29) trägt. In diesem Topf befindet sich der getriebene Teil der Kupplung. In ihnen läuft die Ventilatorachse (19), die, von der Ebene der Kammerflanschoberfläche nur um einen Spalt von 0.2-3 mm abgehoben, einen mit der Achse fest verbundenen Teller (33) trägt. Die Peripherie des Tellers trägt einen Ring (31). Es handelt sich entweder um einen Ring aus axial magnetisiertem Magnetmaterial oder um Stäbe oder Rippen aus Magnetmaterial, die in ein geeignet ausgebildetes Joch eingesetzt sind. Auf der Kammerflansch ist über eine Dichtung (37) ein Topf (35) aufgesetzt, der den treibenden Teil der Kupplung enthält.

   In den Topf ist wenigstens ein Kugellager (29) engesetzt, in dem die Achse (28) des nicht dargestellten Motors läuft. Sie trägt ein Joch aus Weicheisen oder einem ähnlichen  ferromagnetischem Material (32), auf dem ein Ring aus magnetischem Material (30) sitzt, der ähnlich aufgebaut ist wie der Ring (31). Der Gesamtaufbau der Ringe aus magnetischem Material und dem Joch ist so gestaltet, dass die Anziehungskraft zwischen den Ringen maximiert wird. Bewährt haben sich Ringe aus seltenen Erde-Magnetmaterial, insbesondere aus Neodymium-Eisenverbindungen. Der Topf (35) wird durch eine Membran aus rostfreiem Stahl (39) abgeschlossen. Die Dicke der Membran soll 2 mm nicht übersteigen. 



  Die bevorzugte Verfahrensführung ist wie folgt: 



  Nach dem Schliessen der mit Werkstücken beladenen Hochvakuumbeschichtungsanlage wird in ihr mit Hilfe eines 2-stufigen mechanischen Pumpstands ein Feinvakuum erzeugt. In diesem Prozessschritt werden keine Hochvakuumpumpen eingesetzt. (bezüglich der Bezeichnungen und der verwendeten Ausdrücke, siehe W. Pupp, H.K. Hartmann Vakuumtechnik, Grundlagen und Anwendungen Carl Hanser Verlag München 1991). Es wird ein Druck von etwa 5-10 PASCAL (Pa) erzeugt. Sobald dieser Druck erreicht ist, wird ein Ventil geöffnet, durch das Schutzgas in die Anlage einströmt. Falls der Pumpstand für den Druckbereich von 5-20 Pa eine zu geringe Saugleistung aufweist, kann auch eine andere Verfahrensvariante gewählt werden.

   Man beschränkt sich auf das Erreichen eines Drucks von 100-1000 Pa, also eines Grobvakuums und sorgt für eine gründliche Spülung der Anlage, bevor die Werkstücke eine zu hohe Temperatur erreicht haben. Es wird aber immer ein Schutzgasdruck von wenigstens 0.01 bar erzeugt. Bei einfachen geschliffenen Schaftwerkzeugen verwendet man einen Druck von 0.8-1 bar, wobei man natürlich einen leichten Unterdruck aufrecht erhält. Will man stärkere Ausgasungen erreichen, zum Beispiel für polierte Werkzeuge, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, bei tieferem Druck zu arbeiten und dabei längere Heizzeiten in Kauf zu nehmen. Sobald dieser Schutzgasdruck erreicht ist, wird ein Ventilator in Betrieb genommen, der einen starken Schutzgasstrom erzeugt. Der Schutzgasstrom wird über Heizkörper, die sich in unmittelbarer Nähe des Ventilators befinden angesaugt und über die Werkstücke geblasen.

   Es entsteht ein Wärmestrom vom oder von den Heizkörpern zu den Werkstücken. Die Richtung des Wärmestroms entspricht der Richtung des Gasstroms. Überraschenderweise hat  sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Wärmestrom im Bereich, in dem die Werkstücke geladen sind, beim Heizen zum Massenstrom, der bei der Hochvakuumbedampfung auftritt, im Wesentlichen orthogonal ist, das heisst, wenn der Vektor des Gesamtgasstroms (17) mit dem Vektor des Gesamtmassestroms (18) im Wesentlichen einen rechten Winkel bildet. Bild 2 zeigt, wie diese Regel verstanden werden soll. Dabei ist natürlich klar, dass lokal (14) der Gasstrom und somit der Wärmestrom auf Grund der Ausbildung der Strömung an den Werkstücken und von Wirbeln eine andere, im Einzelnen sogar entgegengestzte Richtung haben kann.

   Die Mehrzahl der Strömungslinien (15) und somit insbesonders die makroskopische Strömung (17) haben aber einer dem Fachmann klaren Weise einzige Richtung. Ähnliche Abweichungen gilt es für den Massenstrom der plasmaunterstützten Hochvakuumverdampfungsverfahren zu berücksichtigen. Bei diesen geht der Massestrom im Wesentlichen gerichtet (16) von den Verdampfungsquellen weg. Da ein Teil des Dampfes ionisiert wird, kommt es aber zu elektrostatischen Umlenkungen. Trotzdem ist dem Fachmann klar, wie diese Regel zu interpretieren ist; sie bezieht sich auf: Anordnung der Verdampfungsquellen, Anordnung der Werkstücke, erzeugte Gasströmung. Die Einzelheiten hängen von der Wahl der Verdampferquellen ab und sollen anhand von 2 Beispielen erläutert werden.

   Wählt man als Verdampferquellen planare Magnetrons und einen zylinderförmigen Kessel, so wird man, wie zum Beispiel in der Patentschrift US 4 877 505 beschrieben, die Verdampferquellen an der Zylinderwand anbringen und das Anlagenvolumen für die Werkstücke vorsehen. In diesem Fall sollte man die beiden Stirnflächen des den Kessel bildenden Zylinders für jeweils den blasenden (saugenden) Ventilator und die Schutzgasrückführungsvorrichtung (Schutzgaseinspeisung) vorsehen. Wählt man als Verdampferquelle einen Stab, wie er in EP 508 612 beschrieben ist, so wird man diesen im Zentrum und die Werkstücke um ihn herum anordnen. In diesem Fall wird man entweder 2 Seitenwände eines rechteckigen Anlage oder 2 gegenüberliegende Erzeugende des Zylinders einer zylinderförmigen Anlage für Ventilator und Schutzgasrückführungseinrichtung (Schutzgaseinspeisung) vorsehen.

   Die Gründe für diesen Effekt scheinen folgende zu sein. Schaftwerkzeuge, die den wesentlichen Anteil der zu beschichtenden Werkzeuge stellen, werden üblicherweise mit ihrer  Achse normal zum Massenstrom chargiert. Ist nun der Wärmestrom parallel oder koradial zum Massenstrom, so wird die Wärme nur an der halben Zylinderfläche eingetragen, die dem Wärmestrom ausgesetzt ist. Die Oberfläche dieser Fläche erreicht bei einer richtig geregelten Heizung sofort die Werkstücksolltemperatur. Von ihr diffundiert die Wärme dann in das Werkzeuginnere. Bei einem orthogonalen Wärmestrom wird auf Grund der Form der Schaftwerkzeuge auf dem ganzen Zylindermantel eingetragen, dessen Oberfläche bei richtiger Regelung sofort die Werkzeugsolltemperatur erreicht.

   Im Rahmen der Gültigkeit dieses vereinfachten Modells, ergibt sich für den orthogonalen Wärmestrom eine weniger als halb so kurze Aufwärmzeit als für den parallelen oder koradialen Wärmestrom. Sobald die Werkstücke die Werkstücksolltemperatur erreicht haben ist der Konditionierungsschritt Heizen beendet. Die Beheizung der Heizkörper wird abgestellt, danach wird der Antrieb des Ventilators abgestellt. 



  Die zur Zeit verwendeten Plasmabeizschritte werden alle im Hochvakuum durchgeführt (siehe E. Bergmann und E. Moll op. cit.). Das heisst, nach dem Abschalten des Ventilatorantriebs, wird der Spülgasfluss geschlossen und die Anlage mit einem Hochvakuumpumpstand auf Hochvakuum abgepumpt. 



  Hochvakuumpumpstände sind üblicherweise dreistufig. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass für einen gegebenen Pumpstand die Zeiten bis zum Erreichen des Hochvakuums wesentlich kürzer sind als bei den Verfahren gemäss Stand der Technik. Beim Stand der Technik wird bekanntlich die Anlage zuerst auf Hochvakuum gebracht und dann der Heizschritt in Angriff genommen. Dabei muss das Hochvakuum in einer Anlage hergestellt werden, die kalt oder temperiert ist. Üblicherweise wird die Anlage mit Warmwasser auf 45 DEG C gebracht. Anlagen für die plasmaunterstützte Hochvakuumverdampfung von verschleissfesten Schichten werden aber in mehrfacher Hinsicht anders betrieben als andere Hochvakuumverdampfungsanlagen. Die abgeschiedenen Schichtstärken sind verhältnismässig gross, im Bereich von 2-10  mu m pro Beschichtung.

   Da die Werkstücke fast immer zylindrische oder andere komplexe Formen aufweisen, entspricht dies einem Schichtzuwachs auf den Wänden von 6-30  mu m pro Beschichtung an den Wänden. In anderen Anwendungen sind 0.1  mu m auf flachen Substraten der häufigste Anwendungsfall. In einer Hochvakuumanlage ist der  Vorgang des Abpumpens durch 2 unterschiedliche Vorgänge bestimmt (Pupp und Hartmann op. cit.). Beim Abpumpen auf Feinvakuum wird von den Pumpen das Gas entfernt, das das Volumen der Anlage füllt. Der Übergang vom Feinvakuum zum Hochvakuum erfordert im Wesentlichen das Entfernen des Gases, das an den Wänden adsorbiert ist. Dies führt bei Anlagen für die plasmaunterstützte Hochvakuumverdampfung von verschleissfesten Schichten zu besonderen Problemen auf Grund der hohen abgeschiedenen Schichtstärken.

   Da die Kinetik der Gasdesorption einem Arrheniusgesetz folgt, erfordert ein wirklich wirtschaftlicher Betrieb einen Übergang vom Feinvakuum zum Hochvakuum bei hohen Temperaturen. Dies wurde im Stand der Technik offensichtlich nicht erkannt. Die Wahl des Übergangs vom Feinvakuum zum Hochvakuum bei hohen Temperaturen löst ein weiters Problem, das spezifisch für Anlagen ist, die für den Konditionierungsschritt Heizen Schutzgas verwenden. In solchen Anlagen werden, aus Gründen, die bei der Beschreibung der Anlage aufgezeigt werden, Schutzbleche zwischen Werkstücken und Kesselwand angebracht. Dadurch wird aber die mit Gas belegte Oberfläche vervielfacht, was den wirtschaftlichen Betrieb solcher Anlagen wesentlich erschweren würde, wenn nicht ein Verfahren gefunden worden wäre, bei dem der Übergang vom Feinvakuum zum Hochvakuum bei hohen Temperaturen stattfindet.

   Nach Erreichen des Hochvakuums wird der gewählte Plasmabeizschritt und danach der gewählte Hochvakuumbedampfungsschritt vorgenommen. Fig. 1 zeigt den Ablauf der Erwärmung dreier Werkstücke und den Vergleich mit dem Stand der Technik, dessen Resultate bereits ausgeführt wurden. Die Kurve d) wurde mit einem Spiralbohrer, Durchmesser 6 mm, der am Rand des Drehtellers auf halber Höhe angebracht war, gemessen. Die Kurve e) entspricht einem Abwälzfräser, Durchmesser 150 mm, Länge 200 mm, der ebenfalls an der Peripherie des Drehtellers allerdings auf dem Teller stehend angebracht war. Die Kurve f) entspricht einem Umformstempel, Durchmesser 300 mm, der auf der Mitte des Drehtellers lag. Die Heizkörpertemperaturen waren in allen Fällen gleich, und zwar 1170 DEG K. Die Werkstücksolltemperatur war 770 DEG K.

   Binnen 40 Minuten hatten auch das schwerste Werkstück die Werkstücksolltemperatur erreicht. Keines der Werkzeuge hat sie überschritten. 



  Nach der (den) Hochvakuumbedampfung(en) werden die Werkstücke einem weiteren Konditionierungsschritt unterzogen, dem Kühlen. Das Kühlen ist ein Konditionierungsschritt, bei dem die Werkstücktemperatur von der Temperatur am Ende der Hochvakuumbedampfung auf eine Werkstücksolltemperatur, die Belüftungstemperatur reduziert wird. Auch für diesen Schritt wird Schutzgas für den Wärmetransport verwendet. Dazu wird die Anlage wiederum mit Schutzgas aufgefüllt, und zwar auf einen Druck zwischen 0.5 bar und 1 bar. Danach wird wiederum der Ventilator in Betrieb genommen und auf eine Umdrehungszahl von wenigstens 500 Umdrehungen/Minute, bevorzugt 2000-2500 Umdrehungen/ Minute gebracht. Durch eine Veränderung der Gasumlenkeinrichtung oder der Gaseinspeisungsvorrichtung wird das Gas an der Kesselwand entlanggeführt.

   Dabei kühlt die Kesselwand das vorbeiströmende Gas auf die Temperatur des Kühlwassers ab, dieses Gas wird dann wiederum vom Ventilator über die Werkstücke geblasen oder gesaugt. Dabei kühlt es sich selbst erwärmend die Werkstücke ab. Um eine Überhitzung des Kühlwassers zu vermeiden, wird in diesem Verfahrensschritt wenigstens teilweise die Ventilatordrehzahl gesteuert, und zwar wie folgt: Ein Temperaturfühler misst kontinuierlich die Temperatur des Kühlwassers und gibt ein entsprechendes Signal, das dem Istwert entspricht an die Steuerung weiter. Diese vergleicht den Wert des Signals mit dem Sollwert, der einem Schwellwert der Temperatur entspricht. Dieser hängt von der gewählten Konstruktion des Wasserkühlaggregats ab und wird daher im Bereich von 60 DEG C-95 DEG C liegen. Erreicht das Signal des Istwerts den Sollwert, so wird die Drehzahl des Ventilators reduziert. 

   Entfernt sich der Istwert um einen Betrag, der mehr als 5 DEG C entspricht vom Sollwert, so wird die Drehzahl des Ventilators erhöht, bis diese ihr Maximum erreicht hat. Sobald die Belüftungstemperatur erreicht ist, wird die Anlage durch \ffnen des Stickstoffventils gefolgt von einem \ffnen des Belüftungsventils oder nur durch \ffnen des Belüftungsventils auf Atmosphärendruck gebracht. 

Claims (22)

1. Anlage zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten bestehend wenigstens aus einem Hochvakuumkessel, Verdampferquellen und Werkstückaufnahmen dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung aufweist.

2. Anlage gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ventilator enthält.

3. Anlage gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Werkstücken und Hochvakuumkesselwand (2) ein oder mehrere Schutzbleche (8) angebracht sind.

4. Anlage gemäss Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Gasleitbleche (9) enthält.

5. Anlage gemäss Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbleche wenigstens teilweise als Gasleitbleche ausgebildet sind.

6.

Anlage gemäss Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Gasleitbleche veränderlich ist.

7. Anlage gemäss Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator durch eine magnetische Kupplung vom Motor getrennt ist, deren treibende und getriebene Komponente durch die Hochvakuumkesselwand getrennt sind.

8. Anlage gemäss Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem Bereich, der unmittelbar an den Ventilator grenzt, Heizkörper befinden.

9. Anlage gemäss Anspruch 1, 2, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich die Hochvakuumkesselwand zur Kühlung des Gases verwendet wird.

10. Anlage gemäss Anspruch 7 mit einem treibenden und einer getriebenen Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Komponenten mit einer Membran aus rostfreiem Stahl vakuumdicht verschlossen ist.

11.

Anlage gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke dieser Membran 2 mm nicht überschreitet.

12. Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Hochvakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten, durchgeführt mit der Anlage gemäss Anspruch 1, bei der das Verfahren wenigstens die Verfahrensschritte Konditionieren und Beschichten umfasst und der Konditionierungsschritt ein Heizen vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass der Konditionierungsschritt aus folgenden Einzelschritten in der nachfolgenden Reihenfolge besteht: a) Erzeugen von Fein- oder Grobvakuum, b) Erzeugen einer Unterdruckatmosphäre aus Schutzgas, deren Druck höher ist als das im vorhergehenden Schritt erzeugte Fein- oder Grobvakuum, c) Heizen.

13. Verfahren gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Heizen Schutzgas zum Wärmetransport verwendet wird.

14.

Verfahren gemäss Anspruch 12, das nach der physikalischen Hochvakuumbedampfung den Dekonditionierungsschritt Kühlen vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kühlen Schutzgas zum Wärmetransport verwendet wird.

15. Verfahren gemäss Anspruch 12 und 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmestrom aus Schutzgas und der die Hochvakuumbedampfung bewirkende Massestrom zueinander im Wesentlichen orthogonal sind.

16. Verfahren gemäss Anspruch 12 und 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einem Ventilator im Hochvakuumbedampfungsraum umgewälzt wird.

17. Verfahren gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Schritt Heizen entweder ein weiterer Konditionierungsschritt folgt, der im Grob- oder Feinvakuum ausgeführt wird, oder dass in der Anlage nach dem Schritt Heizen Hochvakuum erzeugt wird.

18.

Verfahren gemäss Anspruch 12 und 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Schutzgasatmosphäre nicht weniger als 0.01 bar beträgt.

19. Verfahren gemäss Anspruch 12, 13, 14, 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Schutzgas um Helium oder Stickstoff handelt.

20. Verfahren gemäss Anspruch 12-14, 16, 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heizens das Schutzgas mehrfach erneuert wird.

21. Verfahren gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator mit einer Drehzahl grösser als 500 Umdrehungen/Minute dreht.

22. Verfahren nach Anspruch 16 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator mit einer Drehzahl von mehr als 2000 Umdrehungen/Minute dreht.