DD234175A3 - Einrichtung zur plasmagestuetzten vakuumbeschichtung von schuettguetern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestuetzten Vakuumbeschichtung (Ion Plating) von Schuettguetern, wobei die Schuettgueter innerhalb einer rotierenden Substrattrommel mit durchbrochenem Trommelmantel angeordnet sind. Die Erfindung hat das Ziel, Schuettgueter mit rationellen Mitteln gleichmaessig und haftfest zu beschichten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Schuettgutbeschichtung mittels plasmagestuetzter Vakuumbeschichtung anzugeben, wobei im Bereich des Trommelmantels und damit der Schuettgueter eine erhoehte Anregung der Ionen und atomaren Teilchen erfolgt. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass als Plasmaquelle eine Gluehkatode und eine Anode innerhalb des Verdampfungsbereiches des Beschichtungsmaterials angeordnet ist, dass die Siebtrommel gegenueber der an Masse liegenden Vakuumkammer mit negativem Potential beaufschlagt ist und dass innerhalb der Substrattrommel eine Elektrode angeordnet ist, die gegenueber der Substrattrommel auf positivem Potential liegt. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestützten Vakuumbeschichtung (lon Plating) von Schüttgütern, wobei die Schüttgüter innerhalb einer rotierenden Substrattrommel mit durchbrochenem Trommelmantel angeordnet sind, die Trommel gegenüber einer Verdampferquelle für das Beschichtungsmaterial bzw. eine Komponente davon, als Katode geschaltet ist und Mitteln zur Aufrechterhaltung eines Plasmas, mittels dessen das verdampfte Material, mindestens teilweise ionisiert wird. Angewandt werden derartige Einrichtungen zu vielfältigen Zwecken, bei denen Schüttgüter z.B. mit Schichten zum Korrosionsschutz, zur Verschleißminderung, zur Oberflächenhärtung oder zu dekorativen Zwecken überzogen werden sollen. Beispiele sind das Beschichten von Schrauben und Normteilen mit Aluminium als Korrosionsschutz oder das Beschichten von Kugeln mit Titannitrid zur Oberflächenhärtung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Eine erste Lösung der Aufgabe, den lon-Plating-Prozeß in Schüttguteinrichtungen zu realisieren, wird im US-Patent 3,926,147 angegeben. Die Siebtrommel, in der die zu beschichtenden Substrate gelagert sind, ist drehbar und elektrisch isoliert über einer Verdampfungseinrichtung angeordnet. Sie ist als Katode einer Glimmentladung geschaltet und mit einer Spannung von -1 000 bis -5000V beaufschlagt. Damit wird die Möglichkeit gegeben, die an der aus einem Drahtnetz ausgebildeten Mantelfläche der Siebtrommel anliegenden metallisch leitfähigen Substrate nach dem Erzeugen einer normalen Glimmentladung zwischen Siebtrommel und Anode mit positiv geladenen Gasionen bzw. bei einer gleichzeitig stattfindenden Verdampfung mit Dampfionen zu beaufschlagen. Da die Substrate nur dann von Ionen und Dampfteilchen getroffen werden, wenn sie an der Trommelwand anliegen, ist nur eine geringe Füllmenge der Trommel möglich. Die Substrate liegen dann ausschließlich im unteren Bereich derTrommel. Weiterhin erfolgt die Erzeugung des Schichtmaterialdampfes unterhalb der Trommel. Der Dampfstrom breitet sich im wesentlichen geradlinig von der Dampfquelle nach oben aus, so daß auch nur die Substratflächen in einer bestimmten Zeiteinheit beschichtet werden, die in dieser Zeiteinheit nach unten zeigen. Alle für die Schichtausbildung wesentlichen Prozesse erfolgen im untersten Teil derTrommel und auf den nach unten zeigenden Substratflächen. Andererseits aber erfolgt der Einstrom positiver Ionen auf der gesamten Trommeloberfläche. Dadurch ist insgesamt ein hoher lonenstrom erforderlich, der zum großen Teil nur zur unnötigen Aufheizung der Siebtrommel und zum Abstäuben von Verunreinigungen, die eine Verminderung der Schichtqualität mit sich bringen, führt. Um die genannten Mängel zu verhindern, soll entsprechend dem US-Patent die Glimmentladung durch Abschirmbleche auf den für die Beschichtung wesentlichen Bereich beschränkt werden. In der OS 3227717 wird die ungenügende Wirkung dieser Lösung bereits nachgewiesen und eine Verbesserung dadurch vorgeschlagen, daß die Siebtrommel und die Vakuumkammer im wesentlichen auf gleiches Potential gelegt werden und das innerhalb der Trommel sowie zwischen Trommel und Verdampfungseinrichtung je eine als Anode geschaltete Elektrode angeordnet wird. Die Katode der normalen Glimmentladungsstrecke wird durch die Siebtrommel selbst sowie die Vakuumkammerwand gebildet.

Mit dieser Einrichtung werden zwar Entladungen zwischen Trommel und Vakuumkammer verhindert, andererseits aberwirkt die gesamte Kammerwand als lonenauffänger, da sie negativ gegenüber den Anoden geladen ist. Der lonenbeschuß erfolgt somit auf alle Trommel-und Kammerflächenelemente, die sich unterhalb der Anode 8 und oberhalb der Anode 12 befinden. Damit sind die in der Patentschrift dargelegten negativen Auswirkungen des lonenbeschusses ν Bauteilen weiterhin vorhanden. Insbesondere ergeben sich ein schlechter elektrischer Wirkungsgrad, Aufstäubungen, die die Schichtqualität vermindern und eine erhebliche Erwärmung von Bauteilen.

Ein weiterer Nachteil beider Erfindungen besteht darin, daß die für den lonenbeschuß optimal notwendige Glimmentladung eine Potentialdifferenz von 500 bis 2500V zwischen den Elektroden erfordert. Diese hohe Spannung führt zu einer Reihe von Problemen, die einmal die Isolation der potential führenden Bauteile gegeneinander und zum anderen die erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen betreffen.

Nachteilig auf die Schichtqualität wirkt sich weiterhin der für die A^! ifrechterhaltung der Entladung erforderliche hohe Gasdruck sowie die Tatsache aus, daß die Substrate gleichzeitig selbst eine Elektrode der Entladungsstrecke darstellen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, Schüttgüter mit rationellen Mitteln gleichmäßig und haftfest unter Vermeidung der genannten Nachteile zu beschichten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Schüttgutbeschichtung mittels plasmagestützter Vakuumbeschichtung anzugeben, bei dem die Schüttgüter in einer rotierenden Trommel mit durchbrochenem Trommelmantel gelagert sind, wobei im Bereich des Trommelmantels und damit der Schüttgüter eine erhöhte Anregung der Ionen und atomaren Teilchen erfolgt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Plasmaquelle eine Glühkatode und eine Anode innerhalb des Verdampfungsbereiches des Beschichtungsmaterials angeordnet ist, daß die Siebtrommel gegenüber der an Masse liegenden Vakuumkammer mit negativem Potential beaufschlagt ist und daß innerhalb der Substrattrommel eine Elektrode angeordnet ist, die gegenüber der Substrattrommel auf positivem Potential liegt.

Bei industriellen Anlagen, mit größerem Ausmaß der Substrattrommel, hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß mehrere Glühkatoden in Höhe der Verdampfungseinrichtung axial zur Substrattrommel im Abstand von einigen Zentimetern angeordnet sind und die Anode sich in unmittelbarer Nähe zur Substrattrommel in Form eines oder mehrerer paralleler Rohre in der gesamten Länge der Substrattrommel befindet. Die Ausbildung der Anode als parallele Rohre hat den Vorteil, daß die Anode leicht „unmittelbar" an die Substrattrommel angepaßt werden kann und eine gute Durchlässigkeit für den Metalldampfstrom von den Verdampfern ermöglicht.

Die zusätzliche Elektrode im Inneren der Substrattrommel besteht aus einem oder mehreren Drähten, die gegenüber der Substrattrommel isoliert angeordnet ist.

Die Verdampfungseinrichtung besteht vorzugsweise aus mehreren axial zur Substrattrommel angeordneten Widerstandsverdampfern.

In Funktion bildet sich zwischen den durch direkten Stromdurchgang geheizten Glühkatoden und den Anoden ein intensives Plasma aus. Die konstruktive Anordnung ist dabei so gewählt, daß das intensive Plasma, welches um die Glühkatoden eine im wesentlichen kugelförmige Emissionscharakteristik aufweist und damit zwangsläufig inhomogen ist, den Bereich der Substrattrommel umschließt, in dem sich die Substrate befinden. Dadurch erfolgt vorzugsweise in diesem Bereich ein intensiver lonenbeschuß auf die Substrate.

Elektrophysikalisch enden die elektrischen Feldlinien auf der Oberfläche von Hohlkörpern, wenn diese aus leitfähigen Materialien bestehen („Faraday-Käfig"). Um dennoch den lonenbeschuß der an der durchbrochenen, weitgehend transparenten Substrattrommel-Oberfläche anliegenden Substrate zu gewährleisten, ist ein minimales Maß der lichten Weite der Durchbrüche einzuhalten. Dieses Maß beträgt bei einem Arbeitsdruck von 10¹ bis 1CT¹ Pa etwa 4mm. Die abschirmende Wirkung der Substrattrommel-Mantelfläche für elektrische Felder wird in der Erfindung durch die zusätzliche Elektrode im Inneren der Substrattrommel wesentlich verringert.

Diese Elektroden besitzen gegenüber der Substrattrommel ein positives Potential, wobei im Sonderfall dieses Potential auch dem Massepotential entsprechen kann. Die Potentialdifferenz zwischen der inneren Elektrode und der Substrattrommel beeinflußt insbesondere die Ionen innerhalb des Mantelbereichs der Substrattrommel. Es kommt zu einem Pendeln der Ionen um den durchbrochenen Substrattrommel-Mantel und die Substrate und damit zu einer wesentlichen Erhöhung des lonenbeschusses der Substrate.

Der Gasdruck und die Potentiale werden so gewählt, daß es zu keiner selbständigen Entladung zwischen Substrattrommel und Vakuumkammer sowie zwischen Anode und Katode kommt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, bei relativ geringem technischen und energetischen Aufwand, eine plasmagestützte Beschichtung von Schüttgütern in Substrattrommeln zu realisieren, die die gleichen Qualitätsparamter wie die im freien Raum der Beschichtungskammer angeordneten und beschichteten Substrate.

Damit wird es möglich, Massengüter, wie Normteile, in rationeller Weise mit dem Verfahren der plasmagestützten Vakuumbeschichtung zu beschichten. Ein praktiziertes Beispiel ist die Korrosionsschutzbeschichtung von Schrauben mit Aluminium. Diese Al-Beschichtung substituiert vollwertig die an vielen Stellen ungeeignete Cadmium-Beschichtung. Die Dicke der Al-Beschichtung beträgt nur etwa 10/j.m und ist damit auch für Gewinde kaum störend.

Ein wesentlicher energetischer Vorteil besteht darin, daß gegenüber dem Stand der Technik der lonenbeschuß der Vakuumkammer-Wand vermieden wird.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine horizontale Vakuum-Beschichtungskammer mit Schüttgut-Substrattrommel.

Die Vakuumkammer 1 weist die üblichen Bauteile, wie Anschluß 2 der Vakuumerzeugereinheit und Gaseinlaß 3 für Inertgas und erforderlichenfalls Reaktionsgas auf. '

Die Vakuumkammer 1 ist zylindrisch mit horizontaler Achse ausgebildet, !m oberen Teil der Vakuumkammer 1 ist eine Trageinrichtung 4 angeordnet, in die im Beispiel eine Schüttguteinheit mit zwei Substrattrommeln 5 eingefahren werden kann. Im unteren Bereich sind bekannte Verdampfer 6 mit den erforderlichen Nachfütterungseinrichtungen 7 für das Beschichtungsmaterial über die gesamte Länge der Substrattrommeln 5 angeordnet. Ihre Zahl richtet sich nach den geometrischen Verhältnissen derart, daß im Bereich der Substrate 8, die innerhalb der Substrattrommeln 5 abrollen, die Dampfkonzentrationen, der sich entsprechend der Verdampfungscharakteristik von Punktverdampfern keulenartig ausbreitenden Dampfwolke, im wesentlichen gleichmäßig ist.

Im Beispiel handelt es sich um einfache Widerstandsverdampfer für Aluminium. Erfindungsgemäß sind in gleicher Höhe der Verdampfer 6, ebenfalls über die Länge der Substrattrommel 5 im Abstand von einigen Zentimetern verteilt, Glühkatoden 9 angeordnet (aus Darstellungsgründen unter den Verdampfern 6 gezeichnet) und in unmittelbarer Nähe der Substrattrommeln 5 die zugehörige Anode 10, im Beispiel als ein gestrecktes Rohr ausgebildet.

Im Inneren der Substrattrommeln 5 sind axial je vier drahtförmige Elektroden 11 isoliert angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der Elektroden 11 und der Substrattrommeln 5 ist nur prinzipiell dargestellt. Als konstruktive Lösungen können Schleifkontakte o.a. Lösungen eingesetzt werden.

Beispielhaft sollen mit der erfindungsgemäßen Einrichtung als Substrate 8 metallische Schrauben mit einer Korrosionsschutzschicht aus Aluminium beschichtet werden.

Die Funktion der Einrichtung wird nachfolgend beschrieben. Die zwei Substrattrommeln 5 werden in einer gemeinsamen Halterung in die Trageinrichtung 4 eingefahren. Die Aufhängung ist elektrisch isoliert ausgeführt, so daß in der Endstellung eine elektrische Kupplung die Kontaktierung der Siebtrommeln 5 übernimmt. Gleichzeitig erfolgt über Zentrierhilfen eine Kontaktierung der Elektroden 11. Nach dem Verschließen der Vakuumkammer 1 wird diese evakuiert. In der verfahrenstypischen Weise der plasmagestützten Vakuumbeschichtung wird zunächst eine lonenbeschußreinigung durchgeführt und erst in einem zweiten Schritt die eigentliche Beschichtung realisiert. Dazu drehen sich die Siebtrommeln 5 in entgegengesetzter Richtung und die Substrate 8 rollen innerhalb dieser am Trommelmantel, welcher aus einem Stahlgewebe mit 5mm Maschenweite besteht, ab. Zwischen den Glühkatoden 9 und der Anode 10 wird ein Plasma gezündet. Bei einem Arbeitsdruck von 10~¹ Pa werden die Glühkatoden 9 mit einem Stromfluß von 400 A bei 12 V Spannung geheizt und zur Anode 10 bei einem Potentialunterschied bis 120V ein Strom von ca. 100 A eingestellt. Das sich ausbildende Plasma umschließt durch die Lage der Anode 10 insbesondere den Bereich der Substrattrommel 5, in dem die Substrate 8 durch die gegenläufige Bewegung der Substrattrommeln 5 zwangsläufig abrollen.

Das Potential der Substrattrommeln 5 beträgt gegenüber dem Massepotential der Vakuumkammer 1 bis minus 800 V. In der durch die Glühkatoden 9 und der Anode 10 gebildeten Entladungsstrecke erfolgt eine Ionisierung des Arbeitsgases. Aufgrund der geringen mittleren freien Weglänge der ionisierenden Elektronen fällt die Konzentration der Ionen mit zunehmendem Abstand von dem Anoden-Katodenbereich stark ab, so daß nur der untere Teil der Substrattrommel 5 mit den darin enthaltenden Substraten 8 einen wesentlichen lonenstrom extrahieren kann. Der obere Teil der Substrattrommel 5, sowie deren Stirnflächen werden nur von einem sehr geringen lonenstrom getroffen, der zu keiner nennenswerten Aufheizung und Abstäubung von Bauteilen führt. Hingegen bewirkt der starke lonenstrom im unteren Bereich der Substrattrommel 5 einen intensiven Beschüß der Oberfläche der anliegenden Substrate 8 und somit zur Schaffung der für die Abscheidung qualitativ hochwertiger Schichten notwendigen Voraussetzungen. Durch die gegenüber der Substrattrommel 5 positiven Elektroden 11 bildet sich im Inneren ein elektrisches Feld aus, das gemeinsam mit den durch die Öffnungen der Substrattrommelwand hindurchtretenden Ladungsträgern den Beschüß der Substrate 8 noch verstärkt.

Der von der Verdampfungseinrichtung 6 erzeugte Metalldampf tritt gleichfalls durch den von Glühkatoden 9 und der Anode 10 gebildeten Plasmaraum hindurch und wird auf diesem Wege teilweise ionisiert. Dadurch wird die für die Verfahrensführung notwendige hohe lonenbeschußkonzentration auf den die Substrate 8 enthaltenden Substrattrommelbereich noch weiter verstärkt.

Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Ein richtung dieAbscheidung qualitativ hochwertiger, haftfester Schichten auf den Substraten 8 im Beispiel Aluminiumschichten mit hoher Korrosionsschutz-Wirkung.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   1. Einrichtung zur plasmagestützten Vakuumbeschichtung von Schüttgütern mit einer gegenüber der Verdampfungseinrichtung angeordneten Substrattrommel mit durchbrochenem Trommelmantel, einer Plasmaquelle und Mitteln zum gezielten Gaseinlaß in die Vakuumkammer, gekennzeichnet dadurch, daß als Plasmaquelle eine Glühkatode (9) und eine Anode (10) innerhalb des Verdampfungsbereichs des Beschichtungsmaterials angeordnet ist, daß die Substrattrommel (5) gegenüber der an Masse liegenden Vakuumkammer (1) mit negativem Potential beaufschlagt ist und, daß innerhalb der Substrattrommel (5) eine Elektrode (11) angeordnet ist, die gegenüber der Substrattrommel (5) auf positivem Potential liegt.
2. 2. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle linear mehrere Glühkatoden (9) aufweist und eine Anode (10) zugehörig ist, die die gesamte axiale Ausdehnung der Substrattrommel (5) umfaßt..
3. 3. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zusätzliche Elektrode (11) innerhalb der Substrattrommel (5) auf Masse potential liegt.
4. 4. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb der Substrattrommel (5) mehrere Elektroden (11) angeordnet sind.
5. 5. Einrichtung nach Punkt !,gekennzeichnet durch mehrere Substrattrommeln (5), vorzugsweise zwei, die gleichmäßig über der Verdampferquelle und Plasmaquelle angeordnet sind.

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