DD286374A5 - Katodenanordnung fuer die vakuumbogenverdampfung von graphitkatoden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Katodenanordnung fuer die Vakuumbogenverdampfung von Graphitkatoden. Die Katodenanordnung findet Anwendung bei der Vakuumbogenverdampfung von Graphitkatoden oder graphithaltigen Katoden fuer die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Schichten vorwiegend fuer den Maschinenbau und die Werkzeugindustrie. Die erfindungsgemaesze Loesung besteht darin, dasz die Mantelflaeche der Katode ueber ein Befestigungselement kontaktiert ist oder hoechstens 75% der Rueckseite der Katode als Kontaktflaeche ausgebildet sind.{Vakuumbogenverdampfung; Katodenanordnung; Graphitkatoden; Kontaktflaeche hoechstens 75% der Rueckseite; Befestigungselement; kohlenstoffhaltige Schichten; Maschinenbau; Werkzeugindustrie}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Katodenanordnung findet Anwendung bei der Vakuumbogenverdampfung von Graphitkatoden oder graphithaltigen Katcden für die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Schichten vorwiegend für den Maschinenbau und die Werkzeugindustrie.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der Vakuumbogenverdampfung werden die zu verdampfenden Katoden auf eine Halterung montiert, welche die örtliche Fixierung, die elektrische Kontaktierung und die Kühlung der Katode gestattet. Metallische Katoden werden dabei so befestigt, daß die Rückseite der Katode möglichst vollständig direkt vom Kühlmittel umspült wird. Die elektrische Kontaktierung erfolgt dann konstruktionsbedingt entsprechend der GB-PS 1263830 am äußeren Begrenzunasrand der Katode oder entsprechend der US-PS 4558471 im Zentrum der Kühlfläche. Bei der in der DE-AS 2214590 beschriebenen indirekten Kühlung metallischer Katoden muß möglichst die gesamte Rückseite der Katode thermisch kontaktiert werden, was gleichzeitig auch als elektrische Kontaktfläche wirkt.

Das wesentliche Kriterium der Befestigung metallischer Katoden in Anordnungen zur Vakuumbogenverdampfung ist somit die gute thermische Kontaktierung, wobei bei den für das Verfahren typischen Entladungsströmen von weniger als 300A der Ort der elektrischen Kontaktierung nicht auf das Brenn.erhalten der Entladung einwirkt.

Im halle poröser Katodenmaterialien, wie z. B. Graphit, ist eine indirekte Kühlung des Katodenmaterials notwendig. Zusätzlich ist auf solchen Materialien die Beweglichkeit der Katodenbrennflecken stark eingeschränkt, so daß stationäre Prozesse wie Wärme- und Stromleitungsvorgänge gegenüber der Fleckbewegung dominieren und letztere sogar noch entsprechend des DD-WP 265506 stimuliert werden muß. Es hat sich gezeigt, daß bei zylindrischen Graphitkatoden, deren Höhe geringer als deren Durchmesser ist, und einer bisher üblichen vollständigen Kontaktierung der Rückseite der Katode der elektrische Kontakt hauptsächlich im Zentrum der Erosionsfläche stattfindet. Dadurch werden der Ausnutzungsgrad der Katode und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens stark eingeschränkt. Es erfolgt insbesondere ein ungleichmäßiger Abtrag der Katodenoberfläche, was zur Verschiebung der Verfahrensparameter führt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katodenanordnung für die Vakuumbogenverdampfung von Graphit bereitzustellen, mit deren Hilfe der thermische und elektrische Kontakt gewährleistet ist und ein gleichmäßiger Abtrag der Katodenoberfläche erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgebe gelöst, indem die Mantelfläche der Graphitkatode über eine Befestigung kontaktiert ist oder höchstens 75% der Rückseite der Graphitkatode als Kontaktfläche ausgebildet sind. Dabei ist die Kontaktfläche der Rückseite der Graphitkatode von der Mantelfläche begrenzt oder weist höchstens einen gleichen mittleren Abstand von der Mantelfläche auf, wie der Abstand der inneren Begrenzung der Kontaktfläche zum Zentrum der Grundfläche der Graphitkatode betrögt. In die auf der Rückseite der Katode befindlichen Kontaktflächen sind Nuten eingearbeitet. Die Graphitkatode enthält bis zu 50% Zusätze metallischer oder keramischer Materialien.

Im Gegensau zu einer vollständig als Konick'.Cäche ausgebildeten Rückseite der Katode wird damit der thermische Kontakt verringert und der Strornfluß des Bogenstromes im Katodenmaterial auf die äußeren Bereiche der Katode konzentriert. Die Verringerung des thermischen i'ontaktes bewirkt eine Erhöhung der Katodentemperatur, was wegen der hohen Sublimationstemperatur und der ger .igen Wärmeleitfähigkeit von Graphit keine negativen Auswirkunpen hat. Es wird sogar die Aufheizdauer der Katode, die zur Desorption von adsorbierten Gasen notwendig ist, herabgesetzt.

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Es hat sich gezeigt, daß sich zwischen den auf d9r Erosionsfläche existierenden Katodenbrennflecken und der Koitaktfiäche Strompfade ausbilden, die auf den der Kontaktfläche gegenüberliegenden Gebieten der Erosionsfläche gute Brennbedingungen für die Entladung ermöglichen. Einer durch die Geometrie und den Betrieb der Verdampferanordnung bedingten erhöhten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Katodenbrennflecken im Zentrum der Erosionsfläche wird somit die erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ksiodenbrennflecken in den Randgebieten der Erosionsfläche überlagert, wodurch eine gleichmäßigere Erosion der Katode erreicht wird.

Es erweist sich weiterhin, daß die zur Entlüftung in die Kontaktfläche eingebrachten Nuten eine erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Katodenbrennflecken auf den darübergelegenen Gebieten der Erosionsfläche bewirken. Eine gleichmäßige Anordnung dieser Nuten in der Kontaktfläche verhindert eine Dominanz dieser Erscheinung.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, den Ausnutzungsgrad der Katode und damit die Effektivität der Beschichtung mittels Vakuumbogenverdampfung sowie die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zu erhöhen.

AusfQhrungsbelsplel

Die Erfindung wird en drei Ausführungsbeispielen näher erläutert

Es zeigen

Fig. 1: die Anordnung einer zylinderförmigen Katode mit Mantelfläch anhalterung, Fig. 2: dta Anordnung einer zylinderförmigen Katode mit einem kühlbaren Katodensockel, Fig.3: die Einzeldarstellung einer Graphitketorie und

Fig.4: die Einzeldarstellung e^!ner Katode aus Graphit und 5Ma.-% Kupfer.

1. Ausführungsbeispiel

Es zeigt Fig. 1 die Anordnung einer zylinderförmigen Katode 1 aus Graphit, wolche als Begrenzungsflächen die Erosionsfläche 2, die der ErosionsflSche 2 gegenüberliegende Rückseite 3 und die Mantelfläche 4 besitzt. Die Katode 1 hat einen Durchmesser von 50mm und eine Höhe von 25 mm. Sie ist mit einer Katodenhalterung 5 aus fest angepreßten Kupferformteilen an dioe Mantelfläche 4 gespannt, wodurch sowohl eine mechanische Fixierung als auch eine elektrische und thermische Kontaktierung der Katode 1 über die Mantelfläche 4 erfolgt. Diese Einheit wird wiederum mit Hilfe nicht dargestellter elektrisch unhd thermisch leitender Teile innerhalb der Gesamtverdampferanordnung befestigt.

2. Ausführungsbeispiel

Es zeigt Fig. 2 die Anordnung einer zylinderförmigen Katode 1 aus Graphit, v/elche an der Rückseite 3 mit einem kuhlbaren Katodensockel β kontaktiert ist.

Fig, 3 ist eine Einzeldarstellung der Graphitkatode 1, welche von der Erosionsfläche 2, der Rückseite 3 und der Mantelfläche 4 begrenzt wird. Die Katode 1 hat einen Durchmesseer von 60mm und eine Höhe von 25mm. Auf der Rückseite 3 ist eine kreisringförmige Kontaktfläche 7 herausgearbeitet, welche mit Hilfe des Befestigungselementes 6 fest auf den Katodensockel 6 gepreßt wird.

Ein elektrischer und thermischer Kontakt erfolgt somit über die Kontaktfläche 7 zum gekühlten Katodensockel 6.

Zur Entgasung des auf der Rückseite 3 der Katode 1 entstehenden Hohlraumes sind in die Kontaktfläche 7 Nuten 9 eingearbeitet.

3. Ausführungsbeispiel

Es zeigt Fig.4 eine zylindorförmige Katode 1 aus einem 5Ma.-% Kupfer enthaltenden Graphit, welche entsprechend Fig. 2 auf einen Katodensockel 6 zu befestigen ist.

Die Katode 1 hat einen Durchmesser von 50mm und eine Hohe von 30mm. Der aus der Grundfläche 3 herausgearbeitete und als Kontaktfläche 7 dienende Kreisring mit einer Breite von 10mm ist 3 mm von der Mantelfläche nach innen eingerückt. In den Kreisring sind Nuten 9 mit einem Querschnitt von 2 χ 2 mm² eingearbeitet.

Die elektrische und thermische Kontaktierung der Katodo 1 mit dem Katodensockel 6 erfolgt über die Kontaktfläche 7.

Mit Hilfe der in den drei Ausführungsbeispielen beschriebenen Anordnungen ist es möglich, die Katoden 1 bis auf 10mm Höhe zu erodieren.

Claims (5)

1. Katodenanordnung für die Vakuumbogenverdampfung von Graphitkatoden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (4) der Katode (I) über eine Katodenhalterung (5) kontaktiert ist oder höchstens 75% der Rückseite (3) der Katode (1) als Kontaktfläche (7) ausgebildet sind.

2. Katedenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (7) auf der Rückseite (3) der Katode (1) von der Mantelfläche (4) der Katode (1) begrenzt ist.

3. Katodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (7) auf der Rückseite der Katode (1) höchstens einen gleichen mittleren Abstand von der Mantelfläche (4) aufweist, wie der mittlere Abstand der inneren Begrenzung der Kontaktfläche (7) zum Zentrum der Rückseite (3)l der Katode (1) beträgt.

4. Katodenanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (7) einer zylinderformigen Katode (1) die Form eines Kreisringes hat, welcher mindestens zwei im gleichen Abstand zueinander befindliche durchgehende Nuten (9) aufweist.

5. Katodenanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dio Katode (1) bis zu 50 Vol.-% Zusätze metallischer oder keramischer Materialien enthält.