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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei in einem Reinigungsschritt durch einen Ionenstrahl Verunreinigungen von einer Oberfläche des Bauteils entfernt werden und in einem Beschichtungsschritt durch Kathodenzerstäubung eine Beschichtung auf der Oberfläche des Bauteils abgeschieden wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Bauteils mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei die Vorrichtung eine Ionenquelle zum Entfernen von Verunreinigungen von einer Oberfläche des Bauteils und eine Zerstäubungskathode zum Beschichten der Oberfläche des Bauteils aufweist.
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Verfahren zur Beschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (auch Physical Vapor Deposition oder PVD) sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Bei derartigen Verfahren wird ein festes Ausgangsmaterial in eine gasförmige Phase überführt, die anschließend auf einem Substrat, beispielsweise auf der Oberfläche eines Bauteils, kondensiert und auf diese Weise eine Beschichtung der Oberfläche erzeugt. Der Übergang in den gasförmigen Zustand kann beispielsweise durch thermisches Verdampfen, Beschuss mit Elektronen- oder Laserstrahlen, Lichtbogenverdampfen oder durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) bewirkt werden. Das Verdampfen, bzw. Zerstäuben und die anschließenden Kondensation findet dabei unter stark reduziertem Druck, üblicherweise in einer evakuierten Kammer statt. Neben der physikalischen Gasabscheidung werden häufig weitere Prozessschritte ausgeführt um eine möglichst fehlerfreie und effektive Beschichtung zu gewährleisten. Die Oberfläche wird üblicherweise vor dem Aufbringen der Beschichtung durch Erhitzen thermisch aktiviert. Vor der physikalischen Gasabscheidung kann dann beispielsweise eine Reinigung des Bauteils durchgeführt werden, bei der die Oberfläche von störenden Verunreinigungen befreit wird. Die verschiedenen Einzelschritte erfordern jeweils spezifische Bedingungen für einen optimalen Ablauf der beteiligten physikalischen Prozesse, wie beispielsweise verschiedene Druck- oder Temperaturverhältnisse oder eine bestimmte Zusammensetzung der Gasatmosphäre.
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Für die Produktion beschichteter Artikel ergibt sich daraus die Herausforderung, die entsprechenden Prozessbedingungen im Rahmen eines massenfertigungstauglichen Verfahrens zu realisieren. Dabei kommen in der Regel zwei Verfahrensformen zum Einsatz: Bei der Inline-Fertigung durchlaufen die zu beschichtenden Produkte beispielsweise auf einem Förderband kontinuierlich verschiedene Stationen, in denen jeweils ein Verfahrensschritt ausgeführt wird. Bei der Batch-Produktion werden die einzelnen Produkte dagegen in eine größere Gesamtheit (Batch) zusammengefasst und in gesammelter Weise den verschiedenen Verfahrensschritten unterworfen. Um bei der Inline-Produktion die unterschiedlichen prozessspezifischen Bedingungen der einzelnen Verfahrensschritte zu erzeugen, müssen die Werkstücke jeweils durch verschiedene Kammern transportiert werden, die über Schleusensysteme miteinander verbunden sind. Derartige Verfahren werden beispielsweise in den Druckschriften
WO 2015/108432 A1 ,
EP 2 905 355 A1 ,
US 6893544 B2 und
US 8661776 B2 beschrieben. Bei der Batch-Produktion wird dagegen eine größere Menge an Werkstücken in einer einzigen Kammer bearbeitet, in der in zeitlicher Abfolge die verschiedenen Arbeitsschritte unter den jeweils passenden Bedingungen durchgeführt werden. Beispiele hierfür werden in den Druckschriften
EP 2 565 291 A1 und
US 2013/0056348 A1 diskutiert. Die Inline-Herstellung ermöglicht gegenüber einem Batch-Verfahren eine deutlich kostengünstigere Fertigung mit einer hohen Produktionsrate. Durch die Prozessierung in verschiedenen Kammern und die dafür erforderlichen Schleusensysteme ist jedoch für die Inline-Herstellung eine deutlich aufwändigere Fertigungsstruktur notwendig.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine effektive und kostengünstige Prozessführung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei in einem Reinigungsschritt durch einen Ionenstrahl Verunreinigungen von einer Oberfläche des Bauteils entfernt werden und in einem Beschichtungsschritt durch Kathodenzerstäubung eine Beschichtung auf der Oberfläche des Bauteils abgeschieden wird, wobei der Reinigungsschritt und der Beschichtungsschritt in derselben Gasatmosphäre und unter demselben Druck durchgeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung des Reinigungs- und des Beschichtungsvorgangs in einer gemeinsamen Kammer wird vorteilhafterweise eine Rationalisierung des Herstellungsprozesses erreicht.
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Die Reinigung kann dabei mittels Ionenbeschuss erfolgen, bei dem ein Ionenstrahl durch ein elektrisches Feld in Richtung des Substrats beschleunigt wird und beim Auftreffen auf der Oberfläche die dort vorhandenen Verunreinigungen ablöst. Bei der anschließenden Kathodenzerstäubung können ebenfalls Ionen eingesetzt werden, die aus einem festen Ausgangsmaterial, einem so genannten Target, Atome oder Atomcluster herausschlagen, die sich anschließend an der Oberfläche des Werkstücks in Form einer Beschichtung abscheiden. Für diesen Vorgang kann zwischen dem Target und dem Werkstück durch eine angelegte Spannung ein starkes elektrisches Feld erzeugt werden, wobei das Target die negativ geladene Kathode und das Werkstück die positiv geladene Anode bildet. In diesem Feld werden positiv geladene Ionen zum Target hin beschleunigt, wo sie beim Auftreffen ihren Impuls in die Targetoberfläche einbringen und dort eine Stoßkaskade auslösen, die Atome oder Atomcluster aus der Oberfläche herausreißt. Die Ionen selbst können beispielsweise durch Ionisierung der Gasatmosphäre in der Kammer erzeugt werden. In dem elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode werden Elektronen beschleunigt, die dann mit entsprechend hoher kinetischer Energie auf neutrale Atome treffen und durch Stoßionisation weitere Elektronen freisetzen. Die durch den damit einsetzenden Lawineneffekt erzeugte Gasentladung bildet damit die Ionenquelle für den Sputterprozess.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauteil im Reinigungsschritt in der Nähe einer Ionenquelle positioniert und im Beschichtungsschritt in der Nähe einer Zerstäubungskathode positioniert, wobei das Bauteil zwischen dem Reinigungsschritt und dem Beschichtungsschritt durch ein Transportmittel, insbesondere durch ein Förderband, von der Ionenquelle zur Zerstäubungskathode befördert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ionenquelle und die Zerstäubungskathode durch eine Abschirmeinrichtung, insbesondere durch eine ferromagnetische Blende, voneinander abgeschirmt. Durch die Abschirmung wird vorteilhafterweise eine gegenseitige Beeinflussung des Reinigungs- und des Beschichtungsvorgangs eliminiert oder zumindest vermindert. Insbesondere bei einer Form der Kathodenzerstäubung, bei der zusätzliche Magnetfelder angelegt werden, ist es auf diese Weise möglich, einen störenden Einfluss zu minimieren, der beispielsweise zu einer unerwünschten Ablenkung des lonenstrahls führen würde. Ist umgekehrt die Erzeugung des Ionen-Reinigungsstrahls mit einem Magnetfeld verbunden, wird durch die Abschirmung ein störender Einfluss dieses Magnetfelds auf den Sputterprozess vermieden. Denkbar ist auch, dass die Abschirmeinrichtung neben Magnetfeldern auch elektrostatische Felder abschirmt damit der Feldverlauf zwischen den Elektroden der Reinigungs- und der Beschichtungsvorrichtung nicht durch die Elektroden der jeweils anderen Vorrichtung gestört oder verzerrt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ionenstrahl durch eine Hall-Effekt-Ionenquelle erzeugt und/oder die Beschichtung durch Magnetron-Kathodenzerstäubung auf der Oberfläche des Bauteils abgeschieden. Bei einer Hall-Effekt-Ionenquelle werden die Ionen durch ein Plasma erzeugt, das zwischen einer Kathode und einer Anode gezündet wird. Um die, das Plasma aufrechterhaltende Stoßionisation durch Elektronen zu verstärken, wird zusätzlich zu dem elektrischen Feld ein magnetisches Feld angelegt, das die, auf die Anode zuströmenden Elektronen auf schraubenförmige Bahnen zwingt und so ihre Ionisierungsfähigkeit in der Plasmaregion erhöht. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die Ionen durch eine End-Hall-Ionenquelle erzeugt. Diese, aus dem Stand der Technik bekannte Bauform hat sich als besonders geeignet für Oberflächenbearbeitung und insbesondere Oberflächenbeschichtungsverfahren erwiesen. Bei der Magnetron-Kathodenzerstäubung (auch Magnetron-Sputtern) wird die Freisetzung der Ionen für den Sputterprozess in ähnlicher Weise wie bei einer Hall-Effekt-Ionenquelle durch ein Magnetfeld gesteigert. Ein hinter dem Target angebrachter Magnet zwingt die Elektronen auf Schraubenbahnen, so dass sich die Stoßwahrscheinlichkeit mit neutralen Atomen vergrößert und die Ionisierung über dem Target entsprechend erhöht wird. Sowohl bei der Hall-Effekt-Ionenquelle, als auch bei der Magnetron-Kathodenzerstäubung kommen bei der Ionenbildung also Magnetfelder zum Einsatz. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden diese beiden Techniken mit einem Abschirmmechanismus kombiniert, durch den eine gegenseitige Beeinflussung durch die jeweiligen Magnetfelder unterbunden wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauteil in einem, dem Reinigungsschritt und dem Beschichtungsschritt vorangehenden Erwärmungsschritt erwärmt, wobei der Erwärmungsschritt, der Reinigungsschritt und der Beschichtungsschritt in derselben Gasatmosphäre und unter demselben Druck durchgeführt werden. Durch die Erwärmung des zu beschichtenden Werkstücks wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Diffusion auf der Oberfläche durch thermische Aktivierung beschleunigt wird. Auf diese Weise kommt es während der Beschichtung zu einem erhöhten Materialtransport entlang der Oberfläche, so dass sich vorteilhafterweise eine homogene und weitgehend defektfreie Beschichtung ausbildet. Zusammen mit dem Reinigungs- und dem Beschichtungsschritt lässt sich bei dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise eine Kombination aller relevanten Prozessschritte erreichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Prozessgas zur Erzeugung der Gasatmosphäre im Bereich der Zerstäubungskathode zugeführt. Da sich die Ionen für den Beschuss des Targets durch Ionisierung aus den neutralen Gasatomen bilden, ist es vorteilhaft, wenn der Gaseinlass in der Nähe der Zerstäubungskathode angeordnet ist, so dass das eingeleitete Gas unmittelbar für die Ionisierung zur Verfügung steht. Auf diese Weise werden innerhalb der gemeinsamen Kammer lokale Bedingungen geschaffen, unter denen die jeweiligen physikalischen Prozesse in optimaler Weise ablaufen können. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist beispielsweise für eine Reinigung mittels Ionenstrahlen, die mit einer Hall-Effekt-Ionenquelle erzeugt werden, ein Druck unterhalb von 1 mTorr notwendig, während für stabil ablaufende Magnetron-Kathodenzerstäubung ein Druck oberhalb von 1 mTorr erforderlich ist. Durch die Zuführung des Prozessgases im Bereich der Zerstäubungskathode lassen sich dagegen beide Prozesse vorteilhafterweise unter denselben Druckbedingungen durchführen. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der in die Kammer eingeleitete Gasstrom der Transportbewegung der Werkstücke entgegengesetzt. Auf diese Weise bewegen sich die Werkstücke von der Reinigungseinrichtung zur Beschichtungseinrichtung, während der Gasstrom in entgegengesetzter Richtung verläuft. Da bei der Beschichtung kontinuierlich Gasatome für den Sputterprozess verbraucht werden, ist auf diese Weise gewährleistet, dass die für den Sputterprozess relevanten Anteile der Gasatmosphäre im Bereich der Zerstäubungskathode in maximaler Konzentration vorliegen. Denkbar ist außerdem, dass der Gasstrom durch Führungselemente, beispielsweise in Form geeignet gestalteter Flächen, in Richtung der Zerstäubungskathode gelenkt wird. Weiterhin ist denkbar, dass die Führung des Gasstroms so erfolgt, dass das Gas von der Einlassöffnung zur Zerstäubungskathode strömt und von dort über die Reinigungseinrichtung zu einer Auslassöffnung gelenkt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gasatmosphäre durch Edelgase, insbesondere Argon, Neon oder Helium, oder durch eine Mischung aus Edelgasen und reaktiven Gasen, insbesondere Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff, gebildet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Bauteils mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei die Vorrichtung eine Ionenquelle zum Entfernen von Verunreinigungen von einer Oberfläche des Bauteils und eine Zerstäubungskathode zum Beschichten der Oberfläche des Bauteils aufweist, wobei die Ionenquelle und die Zerstäubungskathode in einer gemeinsamen gasgefüllten Kammer angeordnet sind.
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Mit einer derartigen Vorrichtung lässt sich die Reinigung und Beschichtung der Werkstücke vorteilhafterweise kombiniert in einer gemeinsamen Kammer durchführen, ohne dass für die beiden Schritte separate Kammern mit jeweils eigenen Druckbedingungen notwendig sind. Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung des Reinigungs- und des Beschichtungsvorgangs in einer gemeinsamen Kammer wird vorteilhafterweise eine Rationalisierung des Herstellungsprozesses erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zu- und Abführung der Werkstücke über ein Schleusensystem, so dass die kombinierte Reinigungs- und Beschichtungsstation vorteilhafterweise als Teil einer Durchlaufanlage eingesetzt werden kann. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung werden die Werkstücke über ein Beladungssystem zu- und abgeführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Abschirmeinrichtung, insbesondere eine ferromagnetische Blende, auf, die zwischen der Ionenquelle und der Zerstäubungskathode angeordnet ist. Mögliche Materialen hierfür sind sowohl ferromagnetische Reinmetalle wie Eisen, Nickel oder Cobalt, als auch ferromagnetische Legierungen, die auf diesen Metallen basieren. Durch die Abschirmung wird vorteilhafterweise eine gegenseitige Beeinflussung des Reinigungs- und des Beschichtungsvorgangs eliminiert oder zumindest vermindert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Heizeinrichtung, insbesondere eine Infrarot-Heizeinrichtung, in der gemeinsamen gasgefüllten Kammer auf. Damit lässt sich zusätzlich zur Reinigung und Beschichtung auch die thermische Vorbehandlung der Oberfläche vorteilhafterweise innerhalb derselben Kammer realisieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung ein Transportmittel, insbesondere ein Förderband auf, wobei das Transportmittel derart ausgestaltet ist, dass das Bauteil von der Heizeinrichtung zur Ionenquelle und/oder von der Ionenquelle zur Zerstäubungskathode befördert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Gaszufuhr auf, wobei die Gaszufuhr im Bereich der Zerstäubungskathode angeordnet ist.
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Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten vorteilhaften Ausgestaltungen können bei der Vorrichtung allein oder in Kombination die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben vorteilhaften Merkmale und Ausgestaltungen Anwendung finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
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In der 1 ist der schematische Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt. Die Darstellung dient gleichzeitig zur Illustration des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens. Sämtliche Prozessschritte werden dabei in einer gemeinsamen Kammer 8 durchgeführt, wobei die Vorrichtung 10 so gestaltet ist, dass die dabei beteiligten physikalischen Vorgänge unter denselben physikalischen Bedingungen, insbesondere unter gleichem Druck, optimal ablaufen können.
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Die zu beschichtenden Bauteile 7 werden innerhalb der Kammer 8 mit einer Fördereinrichtung 7 in Transportrichtung 9 zu den Bearbeitungsstationen 6, 1, 2 befördert. In einem ersten Schritt werden die Bauteile 7 durch eine Heizeinrichtung 7, beispielsweise eine Infrarot-Heizeinrichtung 7 auf Bearbeitungstemperatur erwärmt. Dadurch wird während der Beschichtung eine erhöhte Oberflächendiffusion sichergestellt, so dass sich das auf der Oberfläche der Bauteile 7 abgeschiedene Material möglichst homogen auf der Oberfläche verteilt und zudem eventuell entstehende Defekte ausgeheilt werden.
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Die erwärmten Bauteile 7 werden zu einer Ionenquelle 1, beispielsweise einer End-Hall-Ionenquelle 1 weitertransportiert, wo durch die Ionenbestrahlung Verunreinigungen von der Oberfläche der Bauteile 7 abgelöst werden.
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Die auf diese Weise präparierten Bauteile 7 werden zu einer Magnetron-Zerstäubungskathode 2 transportiert. An der Zerstäubungskathode 2 wird durch Sputtern eines Targets das Beschichtungsmaterial abgetragen. Das abgesputterte Material kondensiert auf den Bauteilen 7 und bildet dort eine Schicht auf der Oberfläche. Sowohl bei einer End-Hall-Ionenquelle 1, als auch bei einer Magnetron-Zerstäubungskathode 2 wird die erforderliche Ionenbildung durch ein zusätzliches Magnetfeld gefördert. Um eine gegenseitige Beeinflussung der Komponenten 1 und 2 möglichst gering zu halten, ist daher zwischen der Ionenquelle 1 und der Zerstäubungskathode 2 eine Abschirmeinrichtung 5 in Form einer ferromagnetischen Blende 5 angeordnet, durch die verhindert wird, dass die Magnetfelder zu Störungen in der jeweils anderen Komponente führen.
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Weiterhin wird durch die Positionierung des Gaseinlasses 3 in der Nähe der Zerstäubungskathode 2 sichergestellt, dass das zugeführte Gas unmittelbar für die Ionenbildung des Sputtervorgangs an der Zerstäubungskathode 2 zur Verfügung steht. Bestimmte Bestandteile des eingeleiteten Gases werden durch diesen Vorgang teilweise verbraucht, so dass das Gas mit veränderter Zusammensetzung zur Reinigungseinheit 1 weiterströmt, wo für die Erzeugung des Reinigungsstrahls eine geringere Ionisierungsrate erforderlich ist.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung 10 zur Beschichtung eines Bauteils 7 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung weist eine Ionenquelle 1 zum Entfernen von Verunreinigungen von einer Oberfläche des Bauteils 7 und eine Zerstäubungskathode 2 zum Beschichten der Oberfläche des Bauteils 7 auf, wobei die Ionenquelle 1 und die Zerstäubungskathode 2 in einer gemeinsamen gasgefüllten Kammer 8 angeordnet sind.
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Die beschriebene Vorrichtung 10 eignet sich zur Durchführung eines Verfahrens zur Beschichtung eines Bauteils 7 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, bei dem in einem Reinigungsschritt durch einen Ionenstrahl Verunreinigungen von einer Oberfläche des Bauteils 7 entfernt werden und in einem Beschichtungsschritt durch Kathodenzerstäubung eine Beschichtung auf der Oberfläche des Bauteils 7 abgeschieden wird, wobei der Reinigungsschritt und der Beschichtungsschritt in derselben Gasatmosphäre und unter demselben Druck durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ionenquelle
- 2
- Magnetron-Zerstäubungskathode
- 3
- Gaszufuhr
- 4
- Fördersystem
- 5
- Abschirmeinrichtung
- 6
- Heizeinrichtung
- 7
- Bauteile
- 8
- Vakuumkammer
- 9
- Transportrichtung
- 10
- Vorrichtung zur Beschichtung von Bauteilen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/108432 A1 [0003]
- EP 2905355 A1 [0003]
- US 6893544 B2 [0003]
- US 8661776 B2 [0003]
- EP 2565291 A1 [0003]
- US 2013/0056348 A1 [0003]
