DD269403A1

DD269403A1 - Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit tiegeleinsatz

Info

Publication number: DD269403A1
Application number: DD31326388A
Authority: DD
Inventors: Thomas Lunow; Horst Menzel; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1988-03-01
Filing date: 1988-03-01
Publication date: 1989-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit Tiegeleinsatz zur Verdampfung von einem oder mehreren Materialien, wobei mindestens eines der Materialien unter normalen Bedingungen mit einer elektrisch schlecht leitenden Oxidschicht ueberzogen ist, wie z. B. Aluminium, bzw. das Verdampfungsgut feinkoernig oder pulverfoermig und sublimierbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Niedervoltbogenentladungsverdampfer zu entwickeln, bei dem die Energie des Elektronenstromes im wesentlichen und ueber den gesamten Verdampfungszeitraum mittels Waermeleitung dem Verdampfungsgut zugefuehrt wird. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe mit einem Niedervoltbogenentladungsverdampfer geloest, der einen an sich bekannten Tiegeleinsatz aufweist, der in einer anodisch geschalteten und gekuehlten Tiegelaufnahme elektrisch kontaktiert angeordnet ist. Der Tiegeleinsatz besteht aus einem elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Graphit, auch Titanborid oder andere Oxidkeramiken und sein konzentrischer oberer Rand ragt so weit ueber den Verdampfergrundkoerper hinaus, dass dieser Rand als wesentlicher Elektronenkollektor wirkt. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit Tiegeleinsatz zur Verdampfung von einem oder mehreren Materialien, wobei mindestens eines der Materialien unter normalen Bedingungen mit einer elektrisch schlecht leitenden Oxidschicht überzogen ist, wie z.B. Aluminium, bzw. das Verdampfungsgut feinkörnig oder pulverförmig und sublimierbarist.

Charakteristik des bekannten Standes dor Technik

In der Beschichtungstechnik haben in den letzten Jahren die Bogenentladungsverdampfer zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei spielten die Vorteile

— Plasmaausbildung im Bedampfungsraum neben aar eigentlichen Verdampfung ohne zusätzliche Einrichtung zur Ionisierung,

— Wegfall der Hochspannung,

— Wegfall zusätzlicher Pumpsysteme gegenüber den bekannten Elektronenstrahlsystemen und

— besonders vorteilhafte Eignung für die Hartstoffbeschichtung z. B. beim Verdampfen von Ti in einer reaktiven Atmosphäre, z. B. N₂,0₂₁C_xHy

die entscheidende Rolle.

Diesen Vorteilen steht allerdings der Nachteil gegenüber, daß sich nicht alle Materialien problemlos mit dem Bogenentladungsverdampfer verdampfen lassen. Das gilt vor allem fürfeinkörniges und pulverförmiges Verdampfungsgut und für Aluminium, welches an der Oberfläche eine Oxidhaut bildet, die von den niederenergetischen Elektronen nicht zerstört werden kann.

In der DE-OS 3047602 wird eine Elektroneastrahlverdampfungseinrichtung beschrieben, über deren Verdampfertiegel eine Aufprallplatte angeordnet ist, die nur in der Mitte eine Austrittsöffnung für den Dampfstrahl besitzt. Die Erwärmung des Verdampfungsgutes erfolgt über die vom Elektronenstrahl aufgeheizte Aufprallplane durch Wärmeleitung. Die Tiegelöffnung kann vom Dampfstrahl aus dem Tiegel nur über ein Strömungslabyrinth erreicht werden. Diese Anordnung eignet sich besonders gut zum Verdampfen von sublimierbaren und pulverförmigen Materialien.

Es wurde bereits vorgeschlagen, diesen Nachteil durch einen Elektronenkolloktor auch hochschmelzendem Material in der Mitte des Verdampfertiegels zu beheben, wodurch die Aufheizung des Verdampfungsgutes nicht nur über den breitgefächerten Elektronenstrahl des Bogenverdampfers erfolgt, sordern überwiegend durch Warmeleitung vom Elektronenkollektor zum Verdampfungsgut, da dar elektrisch gut leitende Elektronenkollektor vom Elektronenstrom besonders intensiv aufgeheizt wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß Aluminium aufgrund seiner Oberflächenspannung das Bestreben hat, an den kälterenTisgelrändern hochzukriechen und über den Tiegelrand hinauszuwandern, wobei Kurzschlüsse zwischen Tiegel (Anode)

und Masse nicht zu vermeiden sind. Weniger geeignet ist die Anordnung jedoch für Materialien mit guten Verdampfungseigenschaften wie Metalle, weil durch das Strahlungslabyinth und die gegenüber dem Tiegeldurchmesser relativ kleine Austrittsöffnung die Verdampfungsrate stark herabgesetzt wird. Bei sublimierbaren und pulv9rförmlgen Materialien wird dieser Nachteil in Ki'uf genommen, da sich diese Stoffe in normalen Tiegeln nicht oder nur sehr schwer verdampfen lassen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, mit einem Niedervoltbogenentladungsverdampfer Metall- und Metallkompositschichten, insbesondere auch mit Aluminium, plasmagestützt und mit hoher Wirtschaftlichkeit abzuscheiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Niedervoltbogenentladungsverdampfer zu entwickeln, bei dem die Energie des Elektronenstromes im wesentlichen und über den gesamten Verdampfungszeitraum mittels Wärmeleitung dem Verdampfungsgut zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Niedervoltbogenentladungsverdampfer gelöst, der einen an sich bekannten Tiegeleinsatz aufweist, der in einer anodisch geschalteten und gekühlten Tiegelaufnahme elektrisch kontaktiert angeordnet ist. Der Tiegeleinsatz besteht aus einem elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Graphit, auch Titanborid oder andere Oxidkeramiken und sein konzentrischer oberer Rand ragt so weit Ober d«»n Verdampfergrundkörper hinaus, daß dieser Rand als

wesentlicher Elektronenkollektor wirkt.

Beim Einsatz dieses erfindungsgemäßen Verdampfers wird der niederenergetische Elektronehstrom auf die exponierten Flächen des oberen Randes am Tiegeleinsatz konzentriert. Dadurch tritt eine intensive Aufheizung des Tiegeleinsatzes ein und

das im Tiegeleinsatz liegende Verdampfungsmaterial wird über Wärmeleitung und Wärmestrahlung aufgeheizt und zum

Verdampfen gebracht. Das effektive Auffangen des von der Katode emittierten Elektronenstrahles wird dadurch unterstützt, daß der obere Rand des Tiegeleinsatzes sich nach oben verjüngt, wodurch auch das problemlose Zünden der Niedervoltbogenentladung und das sichere Brennen über den Verdampfungszeitraum gewährloistet ist. Zur möglichst verlustarmen Energieübertragung auf das Verdampfungsgut wird die elektrische Kontaktfläche des Titigeleinsatzes zum Verdampfergrundkörper nur so groß gewählt, daß bei geringstem Wärmeübergang eine sichere elektrische Kontaktierung gewährleistet ist. Zwischen den übrigen Flächen Tiegeleinsatz zu Grundkörper kann ein Spalt angeordnet werden. Insbesondere bei seitlicher Anordnung der Katode gegenüber dem anodischen Tiegel ist es vorteilhaft, den Bogen mittels

magnetischer Mittel derart auszulenken, daß der Elektroneneinstrom auf den oberen Rand möglichst senkrecht erfolgt.

Anderenfalls kann es zu örtlichen Überhitzungen und ungleichmäßiger Verdampfung kommen. In einer weiteren Ausgestaltung kann der obere Rand des Tiegeleinsatzos nach innen abgewinkelt werden. In diesem Fall

entsteht ein Kammereffekt, der mögliche Spratzer unterdrückt und der obere Tiegelrand wird zur wirksamen Strahlungsfläche gegenüber dem Verdampfungsgut.

Der Tiegnleinsatz kann auch mit mehreren Kammern, z. B. RingköTimern ausgebildet werden. Die oberen Ränder werden dabei

in gleicher horizontalen Höhe angeordnet, damit ein möglichst gleichmäßiger Elektrcneneinstrom erfolgt. Derartige

Mehrkammertiegel können vorteilhaft zur Verdampfung von mehreren Materialien eingesetzt werden. In diesem Fall werden die

jeweiligen Oberflächen des Verdampfungsmaterials mit den erforderlichen Verdampfungsraten abgestimmt. Die Einstellung der Verdampfungsrate ktinn auch über die jeweilige Randhöhe des Tiegeleinsatzes und damit verändertem Elektroneneinstrom beeinflußt werden. Bei Nei'ervoltbogenentladungsverdampfern mit Fokussierblenden, die den Elektronenstrom vom

Grundkörper zum Verdampfbrtiegel lenken sollen, ist diese Fokussierblende mindestens 1 mm bis maximal 10mm unter dem

oberen Rand des Tiegeleinsatzes anzuordnen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es in einfacher und wirtschaftlicher Weise möglich, mit einem Niedervoltbogenentladungsverdampfer alle die Materialien zu verdampfen, die auch mit einem widerstandsbeheizten Tiegel

verdampft werden können. Das betrifft insbesondere Metalle mit oxidischen Oberflächen, pulverförmige, nichtleitende und suDlimierbare Stoffe. Darr it wird das Einsatzgebiet der Niedervoltbogenentiadungsverdampfer wesentlich erweitert. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Herstellung von Metall- und Metalikompositschichten unter Einbeziehung von Aluminium.

Die konkrete Art des Niedervoltbogenentladungsverdampfers, ob mit einfacher Glühkatode oder mit Hohlkatode ist dabei ohne

besonderen Einfluß.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Beispielen näher erläutert werden

Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1: einen Hohlkatodenbogenverdampter mit erfindungsgemäßen Tiegeleinsatz und Fig. 2: einen Mehrkammer-Tiegeleinsatz.

Beispiel I:

In Beispiel I mit der zugehöriQ en Fig. 1 wird ein Hohlkatodenbogenverdampfer zut Verdampfung von Aluminium erläutert. Der Hohlkatodenbogenverdampfnr ist am Boden 1 der Vakuumbeschichtungskammer angeordnet und besteht aus den zwei Hauptbaugruppen Anodentieijel 2 und Hohlkatode i 1er Anodentiegel 2 weist u.a. einen wassergekühlten Grundkörper 4 und einon Tiegeleinsatz 5 auf. Der Tiegeleinsatz 5 besteht im Beispiel aus Elektrokohle (Graphit).

Als elektrische Kontaktflfiche wirkt der Boden des Tiegeleinsatzes 5. Seitlich ist der Tiegeleinsatz 6 im Grundkörper 4 In einem kleinen unteren Bund gef'hrt. Im übrigen ist der Tiegeleinsatz 5 gegenüber dem Grundkörper 4 durch einen Spalt 6 wärmeisoliert angeordnet. Der obere Rand des Tiegeleinsatzes 5 ist Über den Grundkörper 4 und die Elektronenblende 7 (im Beispiel etwa 5mm) hinaus bzw. hindurch geführt, nach innen abgewinkelt und verjüngt. Damit > vird der obere Rand 8 des Tiegeleinsatzes 6 zu einer exponiorten anodischun Elektrode. Beirr Anlegen einer stromstarken Spannung zwischen Anodentiegel 2 und Hohlkatode 3, unter Zuführung von Inertgas, '<ommt es zur Zündung einer Bogenentladung zwischen dor Katode und dem oberen Rand 8 des Tiegeleinsatzes 5. Der Elektronenstrom 10 wird dabei so gelenkt, daß der weitgehend senkrecht auf den oberen Rand 8 einwirkt und diesen gleichmäßig, bei Arbeitsparametern bis zur Rotglut, aufheizt. Die Wärme wird durch Leitung auf den gesamten Tiegeleinsatz 5 übertragen und anschließend auch auf das Verdampfungsgut 9. Des weiteren wird mittels Wärmestrahlung von dem oberen inneren Rand des Tiegeteinsatzes 6 Wärme auf das Verdampfungsgut 9 übertragen. Nach dem Einschmelzen wird auch ein geringer F'iktronenstrom auf das Verdampfungsgut 9 einwirken. Die einsetzende Schmelzbadbewegung bewirkt, daß die Oxidreste zum Tiegelrand hin bewegt werden. In diesem Zustand ist dann eine Hochrateverdampfung von Al mit einer Verdampfungsrate = 1 g/min möglich. Der stark aufgeheizte Tiegelrand verhindert ein Wandern der Aluminiumschmelze zum Tiegelrand und über diesen hinaus, wie es bei anderen Al-Verdampfern der Fall ist.

Beispiel II: In der zugehörigen Zeichnung Fig. 2 ist ein Mehrkammertiegeleinsatz zum gleichzeitigen Verdampfen von Ti und Al dargestellt. Die beiden Kammern sind konzentrisch angeordnet und konstruktiv so gestaltet worden, daß Ti und Al mit den gewünschten AufdampfrMnn verdampft werden können, die zur Herstellung von TiAIN-Schichten benötigt werden. Der Verdampfungsvorgang verläuft im wesentlichen so wie der, der im Beispiel I beschrieben wurde, wenn der Tiegeleinsatz nach Fig. 2 mit Jem Tiegoleinsatz 5 in Beispiel I ausgetauscht wird. Die Tiegelränder der beiden Kammern wurden gleich hochgehalten und die Kollektorflächen und die Oberflächen der beiden Schmelzbäder sind so ausgelegt, wie es der vorliegende Herstellungsprozeß von Kompositschichten erfordert. Das Verdampfungsgut Ti wird aus der äußeren ringförmigen Tiegelkammer 11 und das Verdampfungsgut Al aus der inneren

kreisförmigen Verdampfungskammer 12 verdampft.

Claims

1. Niedervoltbcsenentladungsverdampfer mit einem Tiegeleinsatz, gekennzeichnet dadurch, daß der Tiegeleinsatz (5) aus Graphit, TiB oder Oxidkeramiken besteht und mit seinem konzentrischen oberen Rand (8) so weit über den Verdampfergrundkörper (4) hinausragt, daß dieser Rand als wesentlicher Elektronenkollektor wirkt.

2. Niedervoltbogenontladungsverdampfer mit einem Tiegeleinsatz nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der obere Rand (8) nach oben verjüngt ist.

3. Niedervoltbogenentladungsvordampfer mit einem Tiegoleinsatz nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der konzentrisch überstehende Rand nach innen abgewinkelt ist.

4. Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit einem Tiegoleinsatz nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenstrom (10) so gelenkt wird, daß er im wesentlichen senkrecht auf den oberen Rand (8) des Tiegeleinsatzes einwirkt.

5. Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit einem Tiegeleinsatz nach Anspruch 1, gekennzelch iet dadurch, daß die elektrische Kontaktfläche Tiegeleinsatz (5) zu Verdampfergrundkörper (4) nur so groß gewählt ist, daß bei geringstem Wärmeübergang eine sichere Kontaktierung gewährleistet wird.

6. Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit einem Tiegeleinsatz noch Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere, vorzugsweise zwei konzentrische Kammern (11,12) ausgebildet sind.

7. Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit einem Tiegeleinsatz noch Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Flächenverhältnisse der verschiedenen Kammern und deren Randhöhen an die technologischen Erfordernisse zur Erzielung definierter Verdampfungsraten aus jeder einzelnen Kammer angepaßt sind.

8. Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit einem T iegeleinsatz nuch Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bekannte Fokussierblendon (7) für Niedervoltbögen mindestens 1 mm bis max. 10mm unterhalb des oberen Randes (8) des Tiegeleinsatzes (5) angeordnet sind.