DE102019135749B4 - Lichtbogen-Beschichtungsanordnung und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100), aufweisend:• einen Kathode-Endblock (102) zum drehbaren Lagern einer Kathode, welcher mittels des Kathode-Endblocks (102) eine Drehachse (111) bereitgestellt wird;• eine dem Kathode-Endblock (102) zugeordnete Anode (104) ;• eine Lageranordnung (106), mittels welcher die Anode (104) und/oder der Kathode-Endblock (102) gelagert sind derart, dass deren Relativposition zueinander verändert werden kann,• wobei die Lageranordnung (106) derart eingerichtet ist, dass eine Stelle der Drehachse (111), welche der Anode (104) am nächsten liegt, beim Verändern der Relativposition verschoben wird.

Description

  • Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung und ein Verfahren.
  • Im Allgemeinen kann ein Substrat (z.B. ein Werkstück) beschichtet werden, so dass die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Substrats verändert werden können. Das Beschichten des Substrats kann in einem Vakuum erfolgen, in welchem eine Schicht oder mehrere Schichten mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung auf dem Substrat abgeschieden werden. Ein wirtschaftlich und technisch attraktiver Prozess zur physikalischen Gasphasenabscheidung ist das sogenannte Lichtbogenverdampfen, bei welchem ein Material mittels einer Lichtbogenentladung verdampft wird. Der dabei erzeugte Lichtbogen ermöglicht es beispielsweise, eine sehr hohe Temperatur und Verdampfungsrate zu erreichen und eine hohe kinetische Energie in den entstehenden Materialdampf einzubringen.
  • Das Lichtbogenverdampfen ist von dem Prozess der Kathodenzerstäubung (das sogenannte Sputtern) zu unterscheiden. Bei der Kathodenzerstäubung erfolgt anstatt einer thermischen Verdampfung primär eine mechanische Zerstäubung des Materials durch einen großflächigen Ionenbeschuss aus dem Plasma, wobei das Plasma mittels einer kontinuierlichen Glimmentladung bereitgestellt wird (z.B. bei einer Spannung von weniger als 50 Volt). Bei der Kathodenzerstäubung wird ferner der Druck erhöht. Siehe hierzu beispielsweise das Gasfluss-Sputtern aus der EP 0 444 538 B1 .
  • Beim ungesteuerten Lichtbogenverdampfen wird der Ort, an welchem die Lichtbogenentladung erfolgt, dem Zufall überlassen. Siehe hierzu beispielsweise die US 5 104 509 A. Dabei kann allerdings ein lokales „Einbrennen“ der Kathode erfolgen, so dass die Lichtbogenentladung zunehmend von ihren selbst geschaffenen Auswirkungen beeinflusst wird. Diese Rückkopplung folgt allerdings nur schwer zu beherrschenden Wechselwirkungen, so dass kaum zu reproduzierende Resultate erhalten werden.
  • Zum kontrollierten Zünden der Lichtbogenentladung wird herkömmlicherweise ein Laser verwendet, welcher lokal das Bilden eines Plasmas angeregt (auch als Laser-unterstützte Lichtbogenentladung bezeichnet). Siehe hierzu beispielsweise die EP 1 031 639 A1 . Für ein Beschichtungsverfahren zur Abscheidung von ta-C (tetraedrisch-amorphen Kohlenstoff) wird herkömmlicherweise zur Zündung eines initialen Plasmas ein solcher Laser verwendet. Dieser Laser erzeugt innerhalb der Plasmakammer zwischen der Anode und der Kohlenstoff-Kathode ein sehr kurzes gepulstes Plasma. Dieses initiale Plasma von einigen 10 ns (Nanosekunden) bis 100 ns Dauer wird danach durch eine Bogenentladung mittels einer Impulsstromquelle in der Impulslänge und Leistung verstärkt. Das so gebildete Plasma senkt die Impedanz zwischen Kathode und Anode, so dass eine zwischen diesen anliegende Spannung zu einem Entladungsstrom durch das Plasma hindurch führt. Mit anderen Worten kann mittels des Lasers eine gepulste Lichtbogenentladung angeregt werden. Dabei wird der Laser mittels eines Spiegelsystems über die Kathode geführt, so dass der Ort der Lichtbogenentladung gezielt verändert werden kann. Der Laser beeinflusst dabei den Ort der Zündung auf der Kohlenstoff-Kathode und sorgt somit für einen gleichmäßigen kontaktfreien Abtrag an Kohlenstoff.
  • Mit dem Laser werden allerdings der Preis, das Ausfallrisiko und die Komplexität der benötigten Komponenten erheblich vergrößert. Beispielsweise ist die Lebensdauer einer Laser-Lampe begrenzt, was die Wartungskosten vergrößert. Ebenso nimmt die Zündleistung des Lasers kontinuierlich mit der Betriebsdauer ab, was kompensiert werden muss. Hinsichtlich der Lebensdauer und Zündleistung muss zusätzlich eine große herstellungsbedingte Streuung der Laserlampen in Kauf genommen werden. Nach jeder Wartung des Lasers ist eine aufwändige Kalibrierung nötig, bei welcher der Strahlengang und das Spiegelsystem neu eingestellt werden. Je nach Typ des Lasers ist auch die Frequenz der Zündung nach oben begrenzt (z.B. auf 1200 Hz).
  • Im Spiegelsystem sind entsprechende bewegte (rotierende) Umlenkspiegel erforderlich, welche eine gesonderte Wartung erfordern und anfällig für Verschmutzung sind. Die Synchronisation zwischen dem Laser und der erforderlichen Stromquelle ist abhängig von der Bewegung der Umlenkspiegel und damit entsprechend komplex. Dabei kann eine Verstimmung der Spiegel im Betrieb durch die bei deren Rotation entstehenden Fliehkräfte eintreten. Für deren Kompensation sind wiederum Schrittmotoren zur Korrektur der entsprechenden Phasenlage erforderlich. Ferner wird im Spiegelsystem eine Spiegel-Loch Scheibe benötigt zur Synchronisation unterschiedlicher Kathoden.
  • Eine Frequenzänderung der Laser-unterstützten Lichtbogenentladung birgt das Risiko einer Fehlsynchronisation, da die Drehgeschwindigkeit des Rotationsmechanismus für das Spiegelsystem geändert werden muss.
  • Ferner können Zündaussetzer aufgrund einer Beschichtung der Folie vor dem Laser-Austrittsfenster auftreten, welche den Beschichtungsprozess teilweise in kaum zu reproduzierender Weise beeinflussen. Ebenso treten am Beschichtungsmaterial Randeffekte auf, welche eine schlechte Zündung begünstigen (auch als Wanneneffekt bezeichnet), so dass dort weniger Beschichtungsmaterial abgetragen wird.
  • Eine Parametrierung und Laufzeitkompensation der Laser-unterstützten Lichtbogenentladung, z.B. zur Kompensation der oben genannten Effekte, ist zwar möglich, erfordert allerdings eine aufwendige Steuerung und gut ausgebildete Fachkräfte. Dies wird herkömmlicherweise in Kauf genommen, um von der hohen Präzision und millimetergenauen Positionierung der Lichtbogenentladung mittels des Lasers zu profitieren, und ebenso davon, dass sich die Zündenergie des Lasers gut einstellen und damit Einfluss auf die Lichtbogenentladung nehmen lässt.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich eine Alternative zu der Laser-Unterstützung bereitgestellt, welche es ebenso ermöglicht, die Lichtbogenentladung kontrolliert zu steuern.
  • Anschaulich wurde erkannt, dass die Wahrscheinlichkeit für das Zünden der Lichtbogenentladung nahe derjenigen Stelle (auch als Engstelle oder Zündungsstelle bezeichnet) der Kathode am größten ist, welche der Anode am nächsten liegt, da an dieser Engstelle das elektrische Feld ein Maximum annimmt. In dem Zusammenhang wurde erkannt, dass sich die Bildung der Lichtbogenentladung steuern lässt, indem auf die Position der Engstelle in kontrollierter Weise Einfluss genommen wird (d.h. diese kann als zu steuernde Größe verwendet werden). Diese Einflussnahme erfolgt gemäß verschiedenen Ausführungsformen, indem die Anode derart relativ zu der Kathode bewegt wird, dass die Engstelle auf der Kathode entlang deren Drehachse verschoben wird. Beispielsweise kann die Relativposition der Anode zu der Drehachse oder zumindest ein diese Relativposition definierender Parameter als Stellgröße verwendet werden.
  • Dies bewirkt, dass mehrere Lichtbogenentladungen besser verteilt entlang der Drehachse der Kathode erfolgen und stellt damit einen gleichmäßigeren und reproduzierbaren Materialabtrag bereit. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit und Qualität der mittels des Lichtbogenverdampfens durchgeführten physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD).
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung aufweisen: einen Kathode-Endblock zum drehbaren Lagern einer Kathode, welcher mittels des Kathode-Endblocks eine Drehachse bereitgestellt wird; eine dem Kathode-Endblock zugeordnete Anode; eine Lageranordnung, mittels welcher die Anode und/oder der Kathode-Endblock gelagert sind derart, dass deren Relativposition zueinander verändert werden kann, wobei die Lageranordnung derart eingerichtet ist, dass eine Stelle der Drehachse, welche der Anode am nächsten gelegen ist, beim Verändern der Relativposition verschoben wird.
  • Beispielsweise wird eine kontrollierte Plasmazündung mittels einer diagonal zur Kohlenstoffkathode verlaufenden Anode bereitgestellt, wobei die Anode quer zur Kohlenstoffkathode bewegt wird und mit kurzen elektrischen Pulsen zur Zündung eines Plasmas angeregt wird.
  • Es zeigen
    • 1 bis 6, 7A, 7B, 8A, 8B, 15A und 15B jeweils eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in verschiedenen schematischen Ansichten;
    • 9 ein Verfahren zum Betreiben der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm;
    • 10 eine Vakuumanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Perspektivansicht;
    • 11 die Charakteristik einer Gasentladung in einem schematischen Diagramm gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
    • 12 einen elektrischen Puls in einem schematischen Diagramm gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
    • 13 ein Verfahren zum Betreiben der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in mehreren schematischen Diagrammen; und
    • 14A und 14B jeweils eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (z.B. ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff „gekoppelt“ oder „Kopplung“ im Sinne einer (z.B. mechanischen und/oder elektrischen), z.B. direkten oder indirekten, Verbindung und/oder Wechselwirkung verstanden werden. Mehrere Komponenten können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette miteinander gekoppelt sein, entlang welcher die Wechselwirkung (z.B. eine Kraft, Energie, ein Material) übertragen werden kann. Beispielsweise können zwei miteinander gekoppelte Komponenten eine Wechselwirkung miteinander austauschen, z.B. eine mechanische und/oder elektrische Wechselwirkung. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann „gekuppelt“ im Sinne einer mechanischen (z.B. körperlichen bzw. physikalischen) Kopplung verstanden werden, z.B. mittels eines direkten körperlichen Kontakts. Eine Kupplung kann eingerichtet sein, eine mechanische Wechselwirkung (z.B. Kraft, Drehmoment, etc.) zu übertragen.
  • Im Zusammenhang mit Vakuumkomponenten (z.B. einer Pumpe, einer Kammer, einer Leitung, einem Ventil, usw.) kann der Begriff „gekoppelt“ oder „Kopplung“ im Sinne einer Verbindung zu einem gemeinsamen Vakuumsystem verstanden werden. Die Komponenten des Vakuumsystems können eingerichtet sein, mittels der Kopplung untereinander ein Gas austauschen, wobei die Kopplung von einem Äußeren des Vakuumsystems gassepariert sein kann.
  • Der Begriff „Steuervorrichtung“ kann als jede Art einer Logik implementierenden Entität verstanden werden, die beispielsweise eine Verschaltung und/oder einen Prozessor aufweisen kann, welche Software ausführen kann, die in einem Speichermedium, in einer Firmware oder in einer Kombination davon gespeichert ist, und darauf basierend Anweisungen ausgeben kann. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise mittels Codesegmenten (z.B. Software) konfiguriert sein, um den Betrieb eines Systems (z.B. seines Arbeitspunkts), z.B. einer Maschine oder einer Anlage, z.B. zumindest seiner kinematischen Kette, zu steuern.
  • Als Steuern kann eine beabsichtigte Beeinflussung eines Systems verstanden werden. Dabei kann der momentane Zustand des Systems (auch als Ist-Zustand bezeichnet) gemäß einer Vorgabe (auch als Soll-Zustand bezeichnet) verändert werden. Regeln kann als Steuern verstanden werden, wobei zusätzlich einer Zustandsänderung des Systems durch Störungen entgegengewirkt wird. Anschaulich kann die Steuerung eine nach vorn gerichtete Steuerstrecke aufweisen und somit anschaulich eine Ablaufsteuerung implementieren, welche eine Eingangsgröße (z.B. die Vorgabe) in eine Ausgangsgröße umsetzt. Die Steuerstrecke kann aber auch Teil eines Regelkreises sein, so dass eine Regelung implementiert wird. Zum Steuern können entsprechende Stellglieder des Systems angesteuert werden, welche auf den Ist-Zustand des Systems Einfluss nehmen. Beispiele für Stellglieder weisen auf: eine Antriebsvorrichtung (z.B. zum Bereitstellen eines Drehmoments), ein Ventil (z.B. zum Steuern eines Druckes), einen Schalter (z.B. zum Schließen eines Entladungspfads). Die Antriebsvorrichtung kann beispielsweise einen Linearantrieb (z.B. einen Hubkolben) oder einen elektrischen Motor aufweisen.
  • Der Begriff „Stellglied“ (auch als Aktuator oder Aktor bezeichnet) kann als eine Komponente verstanden werden, die zum Beeinflussen eines Mechanismus oder eines Prozesses in Antwort auf ein Ansteuern eingerichtet ist. Der Aktuator kann von einer Steuervorrichtung ausgegebene Anweisungen (das sogenannte Ansteuern) in mechanische Bewegungen bzw. Veränderungen physikalischer Größen wie Kraft oder Geschwindigkeit umsetzen. Der Aktuator, z.B. ein elektromechanischer Umsetzer, kann zum Beispiel eingerichtet sein, in Antwort auf ein Ansteuern elektrische Energie in mechanische Energie (z.B. zur Bewegung) zu überführen.
  • Die hierin beschriebene Lichtbogen-Beschichtungsanordnung und das entsprechende Verfahren können zum Lichtbogenverdampfen und/oder als Alternative zu der Laser-unterstützten Lichtbogenentladung verwendet werden. Die elektrische Zündung ist nur wenig unpräziser als der Laser, dafür aber deutlich robuster, da auf Bauteile wie Spiegel und Scanner sowie auf Rotationssysteme verzichtet werden kann. Der Kostenaufwand ist deutlich geringer.
  • Das Lichtbogenverdampfen, d.h. das Verdampfen mittels einer Lichtbogenentladung, gehört zur Klasse der thermischen Verdampfungsprozesse, denen gemein ist, dass ein zu verdampfendes Material (hierin vereinfacht auch als Beschichtungsmaterial bezeichnet) derart erhitzt wird, dass es in seinen gasförmigen Zustand übergeht (z.B. unter Aufnahme von latenter Wärme). Dabei kann (d.h. muss aber nicht notwendigerweise) als Zwischenschritt eine Schmelze des Materials vorliegen. Beispielsweise kann dieses aus der Schmelze verdampfen oder direkt sublimieren. Als Lichtbogenentladung wird eine Form der Gasentladung bezeichnet, bei welcher das dabei gebildete Plasma zu einem Schlauch (oder anschaulich dünnen Faden, den sogenannten Lichtbogen) zusammengezogen wird. Innerhalb des so gebildeten Plasmaschlauchs treten hohe Gastemperaturen (z.B. in einem Bereich sein von ungefähr 5000 Kelvin bis ungefähr 50000 Kelvin), Stromstärken (z.B. in einem Bereich sein von ungefähr 2000 Ampere oder mehr) sowie Gasdrücke auf. Das Lichtbogenverdampfen ist von dem Prozess der Kathodenzerstäubung (das sogenannte Sputtern) zu unterscheiden. Bei der Kathodenzerstäubung erfolgt anstatt einer thermischen Verdampfung primär eine mechanische Zerstäubung des Materials durch einen großflächigen Ionenbeschuss aus dem Plasma, wobei das Plasma mittels einer kontinuierlichen Glimmentladung bereitgestellt wird (z.B. bei einer Spannung von weniger als 50 Volt). Bei der Kathodenzerstäubung wird ferner der Druck erhöht.
  • Als Kathode-Endblock (im Folgenden vereinfacht auch als Endblock bezeichnet) kann eine Vorrichtung bezeichnet werden, welche eingerichtet ist, eine Kathode zu halten und zu versorgen, z.B. mit einem Drehmoment zum Drehen der Kathode, mit elektrischer Energie und optional mit einem Kühlfluid. Zum Bereitstellen des Drehmoments kann der Endblock eine Antriebsvorrichtung (z.B. einen Motor) aufweisen oder zumindest mit einer solchen gekuppelt sein. Der Endblock kann im Inneren einer Vakuumkammer befestigt sein, z.B. an einer Durchgangsöffnung in deren Kammerwand (auch als Versorgungsöffnung bezeichnet). Die elektrische Energie und/oder das Kühlfluid (und optional das Drehmoment) können dem Endblock durch die Versorgungsöffnung hindurch zugeführt werden. Optional kann dem Endblock ein oder mehr als ein zusätzliches Medium zugeführt werden, welches zum Versorgen der Kathode dient, z.B. Daten zum Steuern und/oder zum Auslesen eines Sensors.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird zum Anregen der gepulsten Lichtbogenentladung ein elektrischer Zündpuls mittels eines Zündgenerators (auch als Impulszündquelle bezeichnet) erzeugt und in die Anode derart eingekoppelt, dass das Bilden eines Plasmas zwischen der Anode und der Kathode angeregt wird. Das gebildete Plasma senkt die Impedanz derart, dass die zwischen der Kathode und Anode anliegende Spannung zu deren elektrischen Entladung mittels eines sogenannten Entladungsstroms führt. Mit anderen Worten kann mittels des elektrischen Zündpulses eine gepulste Lichtbogenentladung angeregt werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich eine Relativbewegung der Anode und der Kathode (z.B. ein Kohlenstoffzylinder) zueinander bereitgestellt, welche in kontrollierter Weise eine Lichtbogenentladung anregen kann, z.B. alternativ(oder zusätzlich) zu einem Laser. Die Zündung erfolgt hierbei mittels einer Impulszündquelle mit einer höheren Spannung (z.B. mehr als 800 Volt), z.B. abhängig vom erforderlichen Druck und reaktivem Gas in der Kammer. Die Relativbewegung bewirkt eine sich beständig verändernde Position zwischen Kathode und Anode, so dass die Stelle der Kathode, welche der Anode am nächsten liegt, sich entlang der Drehachse der Kathode ändert.
  • Dazu ist die Anode beispielsweise in einem Winkel von bis zu 45° relativ zu der Drehachse der Kohlenstoff-Kathode geneigt. Durch die Neigung der Anode zur Kohlenstoff-Kathode ergibt sich ein deutlich kleinerer Bereich der Kathode, der einen kleinen Abstand von der Anode aufweist, was eine lokalisierte Zündung zwischen Kohlenstoff-Kathode und Anode begünstigt. Durch die Relativbewegung wird die Anode bei gleichbleibendem Abstand zur Oberfläche der Kohlenstoff-Kathode bewegt. Damit kann die Engstelle über die gesamte Länge des Kohlenstoffzylinders von unten nach oben und zurück abgefahren werden. Die Impulszündquelle zündet dadurch immer an einer anderen Stelle entsprechend der Position der Engstelle der Kohlenstoff-Kathode. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiger Abtrag von Kohlenstoff bei deutlich geringeren Kosten. Dasselbe kann in Analogie auch für ein anders Material als Kohlenstoff gelten. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Anode ebenfalls als Rotationselement auszuführen, um von einer linearen Bewegung entlang der Kathoden zu einer Rotationsbewegung zu kommen. Dies hätte den Vorteil, deutlich Platz in der Kammer zu sparen. Die Anode hätte in diesem Fall beispielsweise die Form einer Doppelhelix oder Spindel ohne Innenkörper der einem freien Plasmaflug entgegenstehen würde.
  • Für die kontrollierte Plasmazündung (z.B. ohne Laser) kann ein Zündgenerator verwendet werden, welcher mittels einer Schaltvorrichtung (z.B. einen niederinduktiven Schaltkreis aufweisen) mit der Anode gekoppelt ist. Die Schaltvorrichtung kann einen schnellen Halbleiterschalter aufweisen, der beispielsweise einen oder mehr als einen Transistor aufweist. Mittels des Halbleiterschalters kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Zündgenerator und der Anode hergestellt und wieder aufgehoben werden.
  • Als Transistor kann beispielsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und/oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden. Die Stromstärke des Zündpulses (auch als Zündstrom bezeichnet) kann optional mittels eines Vorwiderstands begrenzt werden. Die Kapazität und die Induktivität des Zündgenerators und der Verbindungskabel können möglichst gering gehalten werden. Die elektrische Zündung kann oberhalb der sogenannten Zündspannung erfolgen, welche eine Funktion des Abstands zwischen der Anode und der Kathode sowie des Drucks zwischen diesen sein kann.
  • Der Zündgenerator kann beispielsweise eingerichtet sein, den Zündstrom zu begrenzen auf weniger als 300 Ampere. Die Zündspannung kann beispielsweise bei 3000 V oder weniger sein, je nach Abstand zwischen Anode und Kathode und Druck in der Kammer.
  • Im Folgenden wird auf eine Lageranordnung Bezug genommen. Die Lageranordnung kann eingerichtet sein, einem mittels der Lageranordnung gelagerten Körper (z.B. einer Anode und/oder einem Endblock) einen oder mehr als einen Freiheitsgrad bereitzustellen, d.h. eine Bewegung gemäß dem Freiheitsgrad zu ermöglichen und/oder eine Bewegung quer zu dem Freiheitsgrad zu blockieren. Dazu kann die Lageranordnung ein oder mehr als ein Lager aufweisen, welches die Bewegung entlang des einen oder mehr als einen Freiheitsgrads ermöglicht. Als Lager kann beispielsweise ein Drehlager oder ein Linearlager (auch als Linearführung bezeichnet) verwendet werden, je nach Konfiguration oder Art des Freiheitsgrades. Die Linearführung kann beispielsweise ein Führungsprofil und mehrere Wälzkörper (und/oder ein Gleitlager) aufweisen, die mittels des Führungsprofils geführt werden. Beispielsweise kann die Linearführung einen Schlitten aufweisen, der die Wälzkörper bzw. das Gleitlager aufweist. Ein Freiheitsgrad kann beispielsweise eine Translationsfreiheitsgrad oder ein Rotationsfreiheitsgrad sein. Jedem Freiheitsgrad kann eine Achse zugeordnet sein, auf welche im Folgenden Bezug genommen wird. Der Translationsfreiheitsgrad kann beispielsweise eine lineare Bewegung (d.h. Verschiebung) entlang der Achse ermöglichen. Der Rotationsfreiheitsgrad kann beispielsweise eine Drehbewegung (d.h. Rotation) um die Achse herum ermöglichen.
  • In einem Beispiel kann nach der Evakuierung auf einen Prozessdruck, der im Bereich von 5·10-2 bis 9·10-1 mbar liegt, ein Plasma gezündet werden. Als Prozessgase werden häufig Luft, Stickstoff, Argon, Sauerstoff oder deren Gemische eingesetzt. Die vom Plasma getragene Stromstärke wirkt auf die Kathode ein. Dabei kommt es an der Oberfläche der Kathode zu einer starken Erwärmung. Ergebnis dieser Wechselwirkung können die Entfernung von an der Oberfläche adsorbierter Teilchen (z. B. H2O), die Anregung von Oberflächenatomen, das Aufbrechen von Verbindungen an der Kathodenoberfläche, die Modifizierung der Kathodenoberfläche durch chemische Reaktionen oder vieles mehr sein. Durch Wahl der geeigneten Prozessparameter (Art des Plasmas, Druck, Prozessgas, Spannung, Strom) lässt sich einstellen, welcher dieser Prozesse bevorzugt auftritt.
  • 1 veranschaulicht eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht. Die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 weist einen Endblock 102 und zumindest eine (d.h. eine oder mehr als eine) diesem zugeordnete Anode 104 auf. Der Endblock 102 kann eine Drehachse 111 (auch als Kathodendrehachse 111 bezeichnet) bereitstellen. Im Folgenden wird unter anderem auf eine Anode 104 Bezug genommen. Das Beschriebene kann in Analogie gelten für eine oder mehr als eine zusätzliche Anode 104, die neben der Anode 104 angeordnet ist, beispielsweise im Wesentlichen translationssymmetrisch oder spiegelsymmetrisch zu dieser.
  • Die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 weist ferner eine Lageranordnung 106 auf, mittels welcher die Anode 104 und der Endblock 102 beweglich zueinander gelagert sind, d.h. dass diese eine Relativbewegung zueinander durchführen können. Beispielsweise kann die Lageranordnung 106 der Relativbewegung zumindest einen (d.h. einen oder mehr als einen) Freiheitsgrad bereitstellen. Die Achse des oder jedes Freiheitsgrads, welcher (z.B. der Kathode und/oder der Anode) mittels der Lageranordnung bereitgestellt wird, kann beispielsweise entlang der Kathodendrehachse 111 sein, wie später genauer beschrieben wird.
  • In einer wenig komplexen Ausgestaltung ist beispielsweise der Endblock 102 ortsfest relativ zu der Lageranordnung 106 und/oder einer Vakuumkammer angeordnet. Im Allgemeinen, zumindest im Koordinatensystem der Lageranordnung 106 (d.h. relativ zu dem Ort, an welchem diese gehalten wird), kann nur die Anode 104, nur der Endblock 102 oder es können beide beweglich mittels der Lageranordnung 106 gelagert sein (z.B. relativ zu einem Referenzobjekt). Die folgende Beschreibung erfolgt zum einfacheren Verständnis im Koordinatensystem 105, 103, 101 des Endblocks 102 (auch als Drehachse-Koordinatensystem bezeichnet), d.h. dass dieser als Referenzobjekt verwendet wird und diesem gegenüber die Kathodendrehachse 111 ortsfest ist. Die Kathodendrehachse 111 verläuft hierbei in Richtung 101 (auch als Drehachsenrichtung bezeichnet). Das Beschriebene kann in Analogie gelten für den Fall, dass bei der Relativbewegung das Drehachse-Koordinatensystem relativ zu der Lageranordnung 106 bewegt wird, oder für den Fall, dass bei der Relativbewegung das Drehachse-Koordinatensystem relativ zu der Lageranordnung 106 ortsfest verbleibt.
  • Die Anode 104 und die Kathodendrehachse 111 können derart relativ zueinander angeordnet sein, zumindest zwei Stellen der Kathodendrehachse 111 sich in ihrem Abstand von der Anode 104 unterscheiden. Die Kathodendrehachse 111 kann genau eine oder mehr als eine Stelle 901 aufweisen (auch als Engstelle 901 bezeichnet), welche der Anode am nächsten liegt, d.h. welche den kleinsten Abstand 113 von der Anode aufweist (auch als Zündabstand 113 bezeichnet). Eine Engstelle 901 kann hierin die Stelle der Kathodendrehachse 111 oder, je nach Kontext, auch eine Stelle der Kathode bezeichnen, welche der Anode 104 am nächsten liegt.
  • Die Engstelle der Kathode und die Engstelle der Kathodendrehachse 111 können auf einer geradlinigen Strecke (auch als Abstandsstrecke bezeichnet) liegen, die senkrecht (quer) zu der Kathodendrehachse 111 ist. Weicht die Kathode hingegen stark von einer zylindrischen Form ab, muss dies nicht notwendigerweise der Fall sein.
  • Die Lageranordnung 106 kann derart eingerichtet sein, dass sich die Engstelle 901 (der Kathode bzw. der Kathodendrehachse 111) verschiebt entlang der Kathodendrehachse 111 (d.h. in oder entgegen Richtung 101), wenn die Relativbewegung erfolgt, wie später noch genauer beschrieben wird (siehe hierzu beispielsweise 13). Anders ausgedrückt kann sich die Abstandsstrecke verschieben entlang der Kathodendrehachse 111, wenn die Relativbewegung erfolgt. Dabei kann der Zündabstand 113 im Wesentlichen gleich bleiben. Der Abstand 113 kann beispielsweise gleich bleiben, um möglichst gleichbleibende Verhältnisse für wiederkehrende Prozesse und Beschichtungen erreichen zu können. Beispielsweise kann eine Taumelbewegung und Abstandsvariation den Zündprozess hemmen.
  • Die Relativbewegung kann mittels einer oder mehr als einer Antriebsvorrichtung 108 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine Antriebsvorrichtung 108 zusammen mit einem Lager der Lageranordnung 106 einen Linearantriebsmechanismus (z.B. eine Schiebemechanismus) bereitstellen, welcher eingerichtet ist, eine lineare Bewegung zu erzeugen und diese auf die Anode 104 und/oder den Endblock 102 zu übertragen. Die Antriebsvorrichtung 108 kann aber auch für sich eingerichtet sein, die lineare Bewegung zu erzeugen und diese auf die Anode 104 und/oder den Endblock 102 zu übertragen (auch als Linearantrieb bezeichnet). Beispiele für einen Linearantrieb weisen auf: einen Hubkolben (beispielsweise einen pneumatischen oder hydraulischen Hubkolben), einen Linearmotor, einen Kugelgewindetrieb, einen Schrittmotor zur Positionierung der Abstände über Hebelsysteme die eine Positionierung im µm-Bereich erlauben. Dies ist besonders hilfreich, wenn die Anode als Festpunkt mit Rotationsbewegung als Doppelhelix oder Spindel ausgeführt wird. Es kann selbstverständlich auch ein Mechanismus verwendet werden, welcher eingerichtet ist, eine Drehbewegung zu erzeugen und diese auf die Anode 104 und/oder den Endblock 102 zu übertragen (auch als Drehantriebsmechanismus bezeichnet), wie später noch genauer beschrieben wird.
  • Die Antriebsvorrichtung 108 kann beispielsweise als Stellglied zum Stellen der Position der Engstelle 901 verwendet werden. Dazu kann die Antriebsvorrichtung 108 mittels einer Steuervorrichtung angesteuert werden, welche den Arbeitspunkt der Antriebsvorrichtung 108 beeinflusst. Beispielsweise kann der Arbeitspunkt zyklisch zwischen zwei Zuständen umgeschaltet werden, um die (z.B. lineare) Relativbewegung zwischen zwei entgegengesetzten Bewegungsrichtungen umzuschalten.
  • Allgemein gesprochen kann die Relativbewegung R eine Verschiebung der Engstelle 901 entlang der Drehachse 111 um eine Strecke S bewirken, welche größer ist, als eine (wenn überhaupt vorhandene) Veränderung V des Zündabstandes 113. Mit anderen Worten kann ΔV/R ≤ ΔS/R sein. Die Relativbewegung R kann beispielsweise eine Verschiebung der Anode um eine Strecke R oder eine Drehung der Anode um einen Winkel R bezeichnen. Beispielsweise kann die Strecke S (bzw. ΔS/R) mehr als das m-fache der Veränderung V (bzw. ΔV/R) sein, d.h. es kann m·ΔV/R ≤ ΔS/R sein. Dabei kann beispielsweise m=10, oder m=102, oder m=103, oder m=104, oder m=105-fache, oder m=106 sein. Mit anderen Worten kann der Zündabstand 113 im Wesentlichen gleichbleiben beim Verändern der Relativposition.
  • 2 veranschaulicht eine Ausgestaltung 200 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer Seitenansicht oder Querschnittsansicht. Der Endblock 102 kann eine um die Kathodendrehachse 111 drehbar gelagerte Welle 202 aufweisen. Die Welle 202 kann stirnseitig eine Kupplungsstruktur 202k aufweisen, welche eingerichtet sein kann, eine Kathode anzukuppeln (und diese dann zu halten). Beispielsweise kann die Kupplungsstruktur 202k ein oder mehr als ein Formschlusselement aufweisen, wie beispielsweise ein Gewinde, eine Öffnung, eine Nut oder Ähnliches.
  • Ferner kann der Endblock 102 ein Drehlager 206 aufweisen, mittels welcher die Welle 202 drehbar gelagert ist, und ein Gehäuse 204, in welchem das Drehlager 206 gehalten wird. Ein Spalt zwischen dem Gehäuse 204 und der Welle 202 kann beispielsweise vakuumdicht abgeschlossen sein.
  • Die Drehung der Welle 202 um die Kathodendrehachse 111 kann beispielsweise unabhängig sein von der Relativbewegung, kann aber auch optional gesteuert werden, wie später genauer beschrieben wird.
  • Ferner kann der Endblock 102 einen elektrischen Anschluss 208 (z.B. einen Stecker, eine Buchse, eine Schraubplatte oder Ähnliches) aufweisen, welche elektrisch mit der Welle 202 oder zumindest mit der Kupplungsstruktur 202k gekuppelt ist. Mittels des Anschlusses 208 kann der Kathode ein elektrisches Potential eingekoppelt werden bzw. an diese eine entsprechende elektrische Spannung angelegt werden. In analoger Weise kann die Anode einen elektrischen Anschluss aufweisen.
  • 3 veranschaulicht eine Ausgestaltung 300 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer Seitenansicht oder Querschnittsansicht. Die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 kann die Kathode 302 aufweisen. Die Kathode 302 kann im Allgemeinen ein Beschichtungsmaterial aufweisen, welches in einen gasförmigen Zustand überführt werden soll.
  • Die Kathode 302 kann im Allgemeinen rohrförmig sein (eine so genannte Rohrkathode). Die Kathode 302 kann beispielsweise einen rohrförmigen Träger (ein so genanntes Trägerrohr) aufweisen, auf dem ein (z.B. sprödes und/oder zerbrechliches) Beschichtungsmaterial befestigt sein kann. Beispielsweise kann die Kathode 302 ein Trägerrohr aufweisen, mittels welchem das Beschichtungsmaterial getragen wird, wobei das Trägerrohr mit der Kupplungsstruktur 202k gekuppelt wird. Anschaulich kann das Beschichtungsmaterial das Targetgrundrohr mantelförmig umgeben.
  • Alternativ kann die Kathode 302 ein rohrförmig eingerichtetes Beschichtungsmaterial (ein so genanntes Targetrohr) aufweisen (z.B. ein Rohr aus Beschichtungsmaterial) oder daraus gebildet sein. Dann kann das Beschichtungsmaterial mit der Kupplungsstruktur 202k direkt gekuppelt sein oder werden.
  • Das Beschichtungsmaterial kann im Allgemeinen ein hochtemperaturfestes Material aufweisen. Ein hochtemperaturfestes Objekt (z.B. Körper oder Material) kann hierin verstanden werden als eine Übergangstemperatur (z.B. Schmelztemperatur, Sublimationstemperatur oder Siedetemperatur) von mehr als ungefähr 1000°C aufweisend, z.B. mehr als ungefähr 2000°C, z.B. mehr als ungefähr 3000°C, z.B. mehr als ungefähr 4000°C. Das Beschichtungsmaterial kann eine größere Übergangstemperatur aufweisen als der Endblock 102 (z.B. dessen Welle) .
  • Das Beschichtungsmaterial kann beispielsweise ein Metall aufweisen oder daraus gebildet sein, wie beispielsweise Molybdän. Das Beschichtungsmaterial kann alternativ oder zusätzlich Kohlenstoff aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. in einer Kohlenstoffmodifikation (z.B. Graphit) vorliegend. Das Beschichtungsmaterial kann alternativ oder zusätzlich einen Schmierstoff aufweisen oder daraus gebildet sein. Der Schmierstoff kann beispielsweise eine chemische Verbindung aufweisen, z.B. Schwefel und/oder Molybdän aufweisend. Die chemische Verbindung kann beispielsweise Molybdänsulfid aufweisen oder daraus gebildet sein.
  • Das Kathodenmaterial kann beispielsweise auch porös sein, z.B. eine Porosität (Anteil von Hohlräumen im Festkörper) aufweisen von mehr als ungefähr 10% (z.B. 25% oder 50&). Diese Porosität erlaubt gleichzeitig die Einbringung von reaktiven Gasen in die Plasmaklammer. 4 veranschaulicht eine Ausgestaltung 400 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer Seitenansicht oder Querschnittsansicht. Die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 kann ferner eine Leistungsversorgung 402 aufweisen. Die Leistungsversorgung 402 kann eingerichtet sein, eine Betriebsspannung (z.B. eine Gleichspannung) bereitzustellen, z.B. gepulst. Dazu kann die Leistungsversorgung 402 eine Impulsstromquelle aufweisen oder daraus gebildet sein.
  • Die Betriebsspannung kann zwischen der Anode 104 (z.B. mittels deren elektrischen Anschlusses 218) und dem Endblock 102 (z.B. mittels dessen elektrischen Anschlusses 208) angelegt werden. Der elektrische Anschluss 208 des Endblocks 102 kann die Betriebsspannung (bzw. das entsprechende elektrische Potential) der Kathode 302 einkoppeln.
  • Die anzulegende Betriebsspannung kann anschaulich derart eingerichtet sein, dass sich ein elektrischer Strom zwischen der Anode und der Kathode entladen kann, allerdings noch keine Spontanzündung (unkontrollierter Beginn der Entladung) erfolgt. Siehe hierzu auch 11. Dazu kann die Betriebsspannung kleiner sein als die Zündspannung (das heißt, die Spannung, bei der eine Lichtbogenentladung gezündet wird) und größer sein als eine Brennspannung (das heißt, die Spannung, bei der eine Lichtbogenentladung abläuft), wie später noch genauer beschrieben wird.
  • Die Entladungsdauer kann zeitlich begrenzt sein, so dass einem Einbrennen der Kathode 302 entgegengewirkt wird. Mit anderen Worten, kann die anzulegende Betriebsspannung derart eingerichtet sein, dass eine einmal gezündete Lichtbogenentladung zwischen der Kathode 302 und der Anode 104 aufrechtzuerhalten werden kann, z.B. nur über eine begrenzte zeitliche Dauer (auch als Entladungsdauer bezeichnet). Dazu kann die Betriebsspannung beispielsweise gepulst sein oder werden, wie später noch genauer beschrieben wird. Mit anderen Worten kann die Betriebsspannung eine gepulste Spannung sein (auch als Brennpuls bezeichnet). Beispielsweise kann die Betriebsspannung im Gleichtakt mit dem Zündpuls bereitgestellt sein oder werden, z.B. gleichzeitig zu diesem.
  • Mittels des Lichtbogens kann das Targetmaterial der Kathode 302 zumindest teilweise (zum Beispiel an dem Entladungspunkt auf der Kathode 302) in den gasförmigen Aggregatszustand (vereinfacht auch als gasförmigen Zustand oder als Dampf bezeichnet) überführt werden. Das Überführen kann vereinfacht auch als Verdampfen bezeichnet werden, kann im Allgemeinen aber auch ein Sublimieren aufweisen.
  • Der Wert der Betriebsspannung kann von mehreren Parametern (auch als Entladungsparameter bezeichnet) abhängen. Beispiele für die Entladungsparameter können aufweisen: einen Betriebsdruck der Beschichtungsanordnung 100, z.B. an der Anode 104 und/oder der Kathode 302; den Zündabstand 113; einen Abstand der Anode 104 von der Kathode 123 (auch als Kathodenabstand 123 bezeichnet); eine Ausdehnung 133 der Kathode 302 quer zu der Kathodendrehachse 111 (vereinfacht auch als Kathodendurchmesser 133 bezeichnet). Einer oder mehr als einer dieser Parameter und/oder die Betriebsspannung können als Stellgröße zum Steuern der Lichtbogenentladung oder der damit erfolgenden Lichtbogenverdampfung verwendet werden.
  • Der Kathodendurchmesser 133 kann beispielsweise in einem Bereich sein von ungefähr 10 cm (Zentimeter) bis ungefähr 50 cm, z.B. ungefähr 20 cm oder mehr.
  • Je größer der Kathodenabstand 123 ist, umso größer sind die Zündspannung und/oder die Brennspannung, zwischen denen die Betriebsspannung liegt. Der Kathodenabstand 123 wird definiert von dem Zündabstand 113 und dem Kathodendurchmesser 133. Ist eine neue Kathode montiert, kann der Kathodenabstand 123 sein Minimum aufweisen. Wird das Beschichtungsmaterial im Verlauf des Betriebs der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 abgetragen, kann der Kathodendurchmesser 133 abnehmen und damit der Kathodenabstand 123 zunehmen. Dem kann optional mittels einer Nachführungsvorrichtung entgegengewirkt werden, um die Zündeigenschaften gleich halten zu können. Die Betriebsspannung kann derart eingerichtet sein, dass die Lichtbogenentladung auch bei verändertem Kathodenabstand 123 zuverlässig erfolgt. Dazu können die Betriebsspannung und/oder die Zündspannung ausreichend groß sein oder dem Kathodenabstand 123 nachgeführt werden. Allerdings kann ein veränderter Kathodenabstand 123 auch bei größeren Abständen von 2 mm auf 4 mm die Flugbahn des Plasmas beeinflussen. Dies könnte sich unter Umständen dann negativ auf die Schichteigenschaften und auf die Schichtverteilung auswirken.
  • Zum Vergleichen verschiedener Konfigurationen der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 wird daher häufig die wesentlich invariantere elektrische Feldstärke verwendet. Die elektrische Feldstärke ergibt sich aus der Spannung dividiert durch den Kathodenabstand 123. Dementsprechend korrespondieren die Betriebsspannung zu einer Betriebsfeldstärke, die Zündspannung zu einer Zündfeldstärke und die Brennspannung zu einer Brennfeldstärke. Im Folgenden wird sich unter anderem auf die besser vergleichbare Feldstärke bezogen. Beispielsweise können die Betriebsspannung und/oder die Zündspannung derart nachgeführt werden, dass die Betriebsfeldstärke bzw. Zündfeldstärke im Wesentlichen konstant sind (z.B. über eine Vielzahl von Zündvorgängen).
  • Ferner kann die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 einen Zündgenerator 412 aufweisen, der eingerichtet ist, den elektrischen Zündpuls zu generieren und der Anode 104 einzukoppeln. Der Zündgenerator 412 kann im Allgemeinen einen Energiespeicher (z.B. einen Kondensator und/oder eine Spule aufweisend) aufweisen, welcher eingerichtet ist, die elektrische Energie (auch als Zündenergie bezeichnet), welche der Zündpuls freisetzen soll, zu speichern. Ferner kann der Zündgenerator einen Gleichrichter aufweisen, welcher eingerichtet ist, den Energiespeicher aufzuladen, z.B. auf eine Spannung, die gleich der Zündamplitude oder größer ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Zündgenerator 412 auch von der Leistungsversorgung 402 versorgt werden. Dann können die Leistungsversorgung 402 und der Zündgenerator 412 beispielsweise Teil eines gemeinsamen Schaltkreises 402, 412 (auch als Treiberschaltkreis bezeichnet) bereitgestellt sein, z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und/oder zumindest miteinander in Reihe gekoppelt. Der Zündgenerator 412 kann ferner einen Taktgeber aufweisen, welcher die Zündfrequenz definiert. Die Zündfrequenz kann anschaulich angeben, mit welcher Häufigkeit pro Zeiteinheit ein Zündpuls ein die Anode 104 eingekoppelt wird. Die Zündfrequenz kann beispielsweise in einem Bereich sein von ungefähr 10 Hz (Hertz) bis ungefähr 1200 Hz, z.B. kleiner als 1200 Hertz (Hz).
  • Zum Einkoppeln des oder jedes Zündpulses kann der Energiespeicher durch die Anode 104 und die Kathode 302 bzw. den Endblock 102 hindurch entladen werden, d.h. dass die Zündenergie durch die Anode 104 hindurch zu der Kathode 302 bzw. dem Endblock 102 abfließt und dabei das Gas zwischen diesen ionisiert. Beispielsweise kann der Entladungspfad des Energiespeichers die Anode 104 und den Endblock 102 aufweisen.
  • Dabei kann die Zündenergie eine Ionisation eines plasmabildenden Gases (auch als Arbeitsgas bezeichnet) zwischen der Anode 104 und der Kathode 302 anregen, so dass ein Plasma gebildet wird. Das Plasma kann die Impedanz zwischen Anode 104 und Kathode 302 derart verringern, dass sich die von der Leistungsversorgung 402 bereitgestellte Energie in einem Lichtbogen entlädt (auch als Lichtbogenentladung bezeichnet).
  • Optional kann der Endblock 102 eine Magnetanordnung (z.B. einen oder mehr als einen Magneten aufweisend) aufweisen, welche das Bilden des Plasmas unterstützt. Die Magnetanordnung kann beispielsweise an der Welle befestigt sein und/oder in die Kathode 302 eingesetzt werden.
  • Das elektrische Einkoppeln des Zündpulses kann auf verschiedene Weisen erfolgen, z.B. ohmsch, kapazitiv oder auch induktiv. Beispielsweise kann die Kopplung 412k zwischen dem Zündgenerator 412 und der Anode 104 beispielsweise kapazitiv oder induktiv sein (z.B. mittels eines Kondensators oder eine Spule).
  • Die Kopplung 412k zwischen dem Zündgenerator 412 und der Anode 104 kann ferner derart eingerichtet sein, dass diese eine möglichst geringe Kapazität aufweist. Dies erreicht, dass der von dem Zündgenerator 412 bereitgestellte Zündpuls weniger Leistung aufweisen muss und/oder weniger gedämpft wird.
  • Zischen den Zündgenerator 412 und der Anode 104 kann eine Schaltvorrichtung 432 geschaltet sein. Die Schaltvorrichtung 432 kann zwischen zwei Zuständen umgeschaltet werden, von denen ein erster Zustand die Kopplung 412k mit dem Zündgenerator 412 bereitstellt und ein zweiter Zustand die Kopplung 412k mit dem Zündgenerator 412 aufhebt. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen dem Zündgenerator 412 und der Leistungsversorgung 402 eine Pulsbarriere 422 geschaltet sein. Die Pulsbarriere 422 kann allerdings den Generator stärker belasten.
  • Die Pulsbarriere 422 kann beispielsweise mittels eines Tiefpasses 422 bereitgestellt sein. Allgemeiner gesprochen kann die Pulsbarriere 422 entsprechende Dioden, Kondensatoren und/oder Spulen aufweisen, um dem Zündpuls eine möglichst hohe Impedanz zwischen dem Zündgenerator 412 und der Leistungsversorgung 402 bereitzustellen. Anschaulich kann der Zündgenerator 412 mittels der Pulsbarriere 422 hochfrequenzentkoppelt von der Leistungsversorgung 402 sein. Damit kann ein Entladen des Energiespeichers des Zündgenerators 412 über die Leistungsversorgung 402 gehemmt werden.
  • Der Zündpuls kann eine Amplitude (auch als Zündamplitude bezeichnet) und eine Pulsdauer aufweisen, die eingerichtet sind, bei der Betriebsspannung die Lichtbogenentladung auszulösen. Siehe hierzu auch 12.
  • Der Zündpuls und die Betriebsspannung können einander überlagert werden. Beispielsweise können diese auf demselben Referenzpotential 421 liegen (z.B. mittels Schaltung 412b) oder das Referenzpotential 421 des Zündpulses kann die Betriebsspannung sein (siehe Schaltung 412a), was auch als Aufmodulieren bezeichnet wird. Ersteres (z.B. Schaltung 412b) ermöglicht einen dedizieren Aufbau. Letzteres (z.B. Schaltung 412a) verringert die benötigte Spannung, die für den Zündpuls bereitgestellt werden muss. Das Referenzpotential 421 kann beispielsweise die elektrische Masse sein oder ein anderes geeignetes Potential.
  • Im Folgenden werden die Zündamplitude und die Betriebsspannung auf dasselbe Referenzpotential 421 (z.B. auf elektrische Masse) bezogen. Es kann aber verstanden werden, dass das bezüglich der Betriebsspannung und dem Zündpuls Beschriebene in Analogie gelten kann, wenn der Zündpuls auf die Betriebsspannung aufmoduliert wird.
  • 5 veranschaulicht eine Ausgestaltung 500 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Perspektivansicht. Die Lageranordnung 106 kann der Anode 104 (z.B. genau) einen Translationsfreiheitsgrad 501 bereitstellen. Mit anderen Worten kann die Relativbewegung nur eine Verschiebung (auch als Translation bezeichnet) aufweisen. Dazu kann die Lageranordnung 106 beispielsweise einen Schlitten, eine Schiene oder ein anderes lineares Führungsprofil aufweisen, welches den Translationsfreiheitsgrad 501 bereitstellt.
  • Der Translationsfreiheitsgrad 501 kann quer zu der Kathodendrehachse 111 sein. Somit kann die Anode 104 in eine Vielzahl von Position, entlang des Translationsfreiheitsgrads 501 verlagert werden (auch als Relativpositionen bezeichnet).
  • Die Anode 104 kann in einer Richtung (auch als Schrägrichtung bezeichnet) längserstreckt sein, welche schräg ist zu dem Translationsfreiheitsgrad 501 und zu der Kathodendrehachse 111. Alternativ oder zusätzlich kann die Anode 104 eine der Kathodendrehachse 111 zugewandte Außenkante 104k aufweisen, die entlang der Schrägrichtung 511 verläuft. Der Translationsfreiheitsgrad 501 (d.h. die Richtung 103, entlang der die Anode 104 verschoben wird) und die Kathodendrehachse 111 können parallel zu einer Ebene 151 sein (auch als Referenzebene bezeichnet), z.B. parallel zu Richtungen 101, 103.
  • Die Schrägrichtung und die Kathodendrehachse 111 können beispielsweise in einem Winkel zueinander sein, wobei der Winkel in einem Bereich sein kann von ungefähr 10° bis ungefähr 45°.
  • Die Referenzebene 151 kann parallel zu der Schrägrichtung 511 der Anode 104 sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Anode 104 mit an einer Vielzahl von Stellen (z.B. mindesten 10 oder mindesten 100 Stellen oder entlang ihrer gesamten Kante) an die Referenzebene 151 angrenzen.
  • Dies hat zur Folge, dass die Anode 104 in jeder der Relativpositionen denselben Abstand zu der Kathodendrehachse 111 aufweist. Aufgrund der schräg verlaufenden (geradlinigen) Kante kann die Stelle der Kathode 302 (auch als Zündstelle bezeichnet), welche der Anode 104 am nächsten liegt (d.h. den kleinsten Abstand zu der Anode 104 aufweist), eine Funktion der Relativpositionen sein.
  • Die Ausgestaltung 500 ist eine einfach umzusetzende Konfiguration, bei der nicht notwendigerweise die Achse der Relativbewegung exakt parallel zu Kathodendrehachse 111 sein muss. Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungen beschrieben, welche bereitstellen, dass der Zündabstand 113 im Wesentlichen gleichbleibt beim Verändern der Relativposition (auch als Relativbewegung bezeichnet).
  • 6 veranschaulicht eine Ausgestaltung 600 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Perspektivansicht, ähnlich zur Ausgestaltung 500, wobei zwei auf einander zu gerichtete Anoden 104 verwendet werden. Dies verlängert die Strecke der Relativbewegung und verbessert die Homogenität. Die Längserstreckung der Anoden 104 kann, wie dargestellt, schräg zueinander sein (z.B. spiegelsymmetrisch). Die Längserstreckung der Anoden 104 kann (nicht dargestellt) aber auch parallel zueinander sein (z.B. translationssymmetrisch).
  • 7A veranschaulicht eine Ausgestaltung 700 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, und 7B die Ausgestaltung 700 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht 700b (mit Blickrichtung entlang der Kathodendrehachse 111). Gemäß Ausgestaltung 700 ist die Anode 104 spiralförmig (auch als wendelförmig bezeichnet).
  • Die spiralförmige Anode 104 kann eine oder mehr als eine Windung aufweisen, wie hierin dargestellt ist. Jede Windung der Anode 104 kann eine spiralförmige Außenkante bereitstellen. Alternativ kann allerdings auch eine in sich gewundene Anode (z.B. ein verdrilltes Anodenblatt) verwendet werden, welche eine spiralförmige Außenkante der Anode bereitgestellt. Allgemeiner gesprochen kann eine Anode verwendet werden, welche eine spiralförmige Außenkante aufweist (im Folgenden vereinfacht auch als Spiralanode bezeichnet).
  • Die Spiralanode 104 kann drehbar gelagert sein, z.B. indem dieser genau ein Rotationsfreiheitsgrad 711 (d.h. eine Drehachse 711) bereitgestellt ist mittels der Lageranordnung 106. Dies erreicht, dass die spiralförmige Anode 104 um eine Drehachse 711 (auch als Anodendrehachse 711 bezeichnet) herum drehbar ist. Die Anodendrehachse 711 kann (muss aber nicht zwangsweise) parallel zu der Kathodendrehachse 111 sein.
  • Der Rotationsfreiheitsgrad 711 (d.h. die Richtung 101 der Anodendrehachse 711) und die Kathodendrehachse 111 können parallel zu der Referenzebene 151 sein. Die Anode 104 kann mit einer oder mehr als einer Stelle (z.B. mindesten 10 oder mindesten 100 Stellen oder entlang ihrer gesamten Kante) an die Referenzebene 151 angrenzen.
  • Die Anodendrehachse 711 kann von der Spiralanode 104 umgeben sein, d.h. die Anodendrehachse 711 kann innerhalb der Windung(en) der Anode 104 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Punkte der Außenkante der Spiralanode 104 denselben Abstand von der Anodendrehachse 711 aufweisen. 8A veranschaulicht eine Ausgestaltung 800 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, und 8B die Ausgestaltung 800 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht 800b (mit Blickrichtung entlang der Kathodendrehachse 111) ähnlich zur Ausgestaltung 700, wobei die Kathodendrehachse 111 von einer oder mehr als einer Windung der Spiralanode 104 umgeben ist, d.h. die Kathodendrehachse 111 ist innerhalb der Windung(en) der Anode 104 angeordnet).
  • 9 veranschaulicht ein Verfahren 900 zum Betreiben der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm. Die Anode ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Stelle der Kathode 302 bzw. der Kathodendrehachse 111, welche der Anode 104 am nächsten liegt, ist vereinfacht mittels des Pfeils 901 angegeben.
  • Das Betreiben der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 kann gemäß einem Betriebszyklus erfolgen (der beispielsweise wiederholt wird), wobei der Betriebszyklus mehrere Phasen 951, 953, 955, 957 aufweisen kann. Der Betriebszyklus kann beispielsweise zwei oder mehr Phasen aufweisen, z.B. vier (wie dargestellt) oder mehr Phasen, z.B. 10 Phasen oder mehr, z.B. 50 Phasen oder mehr, z.B. 100 Phasen oder mehr.
  • Das Verfahren 900 kann aufweisen: mehrmaliges (z.B. hintereinander) Einkoppeln eines Zündpulses in die Anode, wobei zwischen der Anode und der Kathode 302 beispielsweise die Betriebsspannung angelegt ist. Das Einkoppeln eines Zündpulses in die Anode kann beispielsweise in jeder der Phasen 951, 953, 955, 957 (auch als Zündphasen bezeichnet) des Betriebszyklus erfolgen.
  • Das Verfahren 900 kann aufweisen, die Relativposition der Anode 104 und der Kathodendrehachse 111 zueinander zu verändern (hierin auch als Relativbewegung bezeichnet). Dies erreicht, dass die Zündstelle der Kathode 302 bzw. der Kathodendrehachse 111, welche der Anode 104 am nächsten liegt, verändert wird. Mit anderen Worten können sich die Zündphasen 951, 953, 955, 957 voneinander unterscheiden in der Relativposition der Anode 104 und der Kathodendrehachse 111 zueinander bzw. in der Position der Zündstelle (welche beispielsweise den Zündabstand von der Anode 104 aufweist).
  • Nahe der Engstelle 901 wird mittels Einkoppelns des Zündpulses die Lichtbogenentladung angeregt.
  • Das Verändern der Relativposition kann im Allgemeinen kontinuierlich oder getaktet erfolgen. Beispielsweise kann das Verändern der Relativposition im Gleichtakt mit dem mehrmaligen Einkoppeln des Zündpulses erfolgen. Beispielsweise kann das Verändern der Relativposition ununterbrochen sein über einen Zeitraum, in dem das mehrmalige Einkoppeln des Zündpulses erfolgt.
  • Die Lichtbogenentladung kann bewirken, dass das Beschichtungsmaterial von der Kathode 302 in den gasförmigen Zustand 911 überführt wird (vereinfacht auch als Verdampfen bezeichnet). Mit anderen Worten kann das Beschichtungsmaterial von der Kathode emittiert 911 werden.
  • Optional kann, wenn vorhanden, ein oder mehr als ein Substrat beschichtet werden mittels des so verdampften Beschichtungsmaterials 911. Das Beschichten kann aufweisen, das Beschichtungsmaterial 911 an dem oder jedem Substrat anzulagern, so dass beispielsweise eine Schicht auf dem Substrat gebildet wird (auch als Beschichtung bezeichnet). Die Schicht kann dann das Beschichtungsmaterial aufweisen, z.B. in einer bestimmten chemischen Modifikation (Allotrop) des Beschichtungsmaterials und oder als Reaktionsprodukt des Beschichtungsmaterials mit dem Reaktivgas und kann optional einen zusätzlich eingelagerten Bestandteil eines Reaktivgases aufweisen (z.B. Wasserstoff).
  • Die Schicht (auch als Substratbeschichtung bezeichnet) kann beispielsweise Kohlenstoff aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. tetraedrisch-amorphen Kohlenstoff, in welchen optional Wasserstoff eingelagert ist. Der Kohlenstoff kann allerdings auch in einer anderen Kohlenstoffmodifikation vorliegen. Beispielsweise können sich die Schicht und die Kathode in der Kohlenstoffmodifikation voneinander unterscheiden.
  • Dazu können die Kathode 302 und/oder die Anode der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 in einem Vakuum angeordnet sein. Das Vakuum kann mittels einer Vakuumkammer erzeugt werden, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird.
  • Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung implementiert werden, welche die entsprechenden Antriebsvorrichtungen und den Zündgenerator ansteuert. Die Steuervorrichtung kann optional auch die Leistungsversorgung ansteuern.
  • Zur Durchführung der PVD und der damit erfolgenden Abscheidung von ta-C (tetraedrisch amorphen wasserstofffreien Kohlenstoffs) wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Engstelle auf der Kathode beständig verändert. Diese Engstelle 901 begünstigt bei Einkopplung des elektrischen Zündimpulses in die Anode die Bildung eines gepulsten Plasmas innerhalb der Plasmakammer (auch als Vakuumkammer bezeichnet) zwischen der Anode und der Kohlenstoff-Kathode. Dieser initiale Zündpuls (von einigen 10 ns bis 100 ns) wird danach durch eine Bogenentladung mittels einer Impulsstromquelle 402 in der Impulslänge und Leistung verstärkt. Mittels Steuerns der Position der Engstelle 901 kann somit der Ort der Zündung auf der Kohlenstoff-Kathode verändert werden und somit ein gleichmäßiger kontaktfreier Abtrag von Kohlenstoff bereitgestellt werden. Dabei wird kein Laser mehr benötigt, was die zur Lichtbogenentladung benötigten Komponenten und deren Wartung erheblich vergünstigt.
  • 10 veranschaulicht eine Vakuumanordnung 1000 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Perspektivansicht, welche die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 (z.B. gemäß einer der hierin beschriebenen Ausgestaltung 200 bis 800) aufweist. Die Vakuumanordnung 1000 kann eine Vakuumkammer 802 aufweisen.
  • Eine Vakuumkammer 802 kann beispielsweise mittels eines Kammergehäuses bereitgestellt sein oder werden, in dem eine Vakuumkammer oder mehrere Vakuumkammern bereitgestellt sein können. Das Kammergehäuse kann beispielsweise zum Bereitstellen eines Unterdrucks oder eines Vakuums (Vakuumkammergehäuse) mit einer Pumpenanordnung 804, z.B. einer Vakuumpumpenanordnung, gekoppelt sein und derart stabil eingerichtet sein, dass diese dem Einwirken des Luftdrucks im abgepumpten Zustand standhält. Die Pumpenanordnung 804 (aufweisend zumindest eine Vakuumpumpe, z.B. eine Hochvakuumpumpe, z.B. eine Turbomolekularpumpe) kann es ermöglichen, einen Teil des Gases aus dem Inneren der Vakuumkammer 802, z.B. aus dem Prozessierraum 802p, abzupumpen. Die oder jede Vakuumkammer 802 kann optional einen Kammerdeckel aufweisen, welcher das Innere der Vakuumkammer 802 vakuumdicht verschließt. Das Plasma der Lichtbogenentladung kann dementsprechend einen Unterdruck (z.B. ein Vakuum) aufweisen.
  • Das Kammergehäuse, z.B. eine darin bereitgestellte Vakuumkammer 802, kann derart eingerichtet sein, dass darin ein Unterdruck (d.h. ein Druck von kleiner als Atmosphärendruck) bereitgestellt werden kann, z.B. ein Vakuum (d.h. ein Druck von weniger als 0,3 bar), z.B. ein Druck in einem Bereich von ungefähr 10 mbar bis ungefähr 1 mbar (mit anderen Worten Grobvakuum) bereitgestellt werden kann oder weniger, z.B. ein Druck in einem Bereich von ungefähr 1 mbar bis ungefähr 10-3 mbar (mit anderen Worten Feinvakuum) oder weniger, z.B. ein Druck in einem Bereich von ungefähr 10-3 mbar bis ungefähr 10-7 mbar (mit anderen Worten Hochvakuum) oder weniger, z.B. ein Druck von kleiner als Hochvakuum, z.B. kleiner als ungefähr 10-7 mbar. Der Atmosphärendruck (z.B. 1 bar) kann derjenige Druck sein, der von außen auf das Kammergehäuse wirkt.
  • Der Kathodenabstand 123 und/oder der Zündabstand 113 können kleiner sein als ein Abstand der Anode 104 von einem anderen Objekt in der Vakuumkammer 802 oder von jeder Kammerwand der Vakuumkammer 802.
  • Der jeweils zum Betreiben der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 verwendete Gasdruck (auch als Betriebsdruck bezeichnet) und/oder das jeweils der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 zugeführte Gas oder Gasgemisch (auch als Betriebsgas bezeichnet) kann stark anwendungsabhängig sein. Beispielsweise kann der Betriebsdruck in einem Bereich sein von ungefähr 10-4 mbar (Millibar) bis ungefähr 5·10-4 mbar sein. Beispielsweise kann das Betriebsgas eines oder mehr als eines der folgenden Gase aufweisen: Sauerstoff (z.B. molekularer Sauerstoff, d.h. O2), Stickstoff (z.B. molekularer Stickstoff, d.h. N2), Wasserstoff (z.B. molekularer Wasserstoff, d.h. H2), eine oder mehr als eine Kohlenwasserstoffverbindung oder ein Gasgemisch daraus. Das Betriebsgas kann das Arbeitsgas (z.B. ein Inertgas) und/oder ein Reaktivgas aufweisen. Das Reaktivgas kann beispielsweise Wasserstoff aufweisen.
  • Im Betrieb der Vakuumanordnung 1000 kann mittels des verdampften Beschichtungsmaterials 911 ein oder mehr als ein Substrat 1002s beschichtet werden. Dazu kann die Vakuumanordnung 1000 einen Substrathalter 1002 aufweisen, der eingerichtet ist, das eine oder mehr als eine Substrat zu halten. Der Substrathalter kann in der Vakuumkammer 802 angeordnet sein.
  • Der Substrathalter 1002 kann beispielsweise eingerichtet sein, jedem der Substrate eine Drehbewegung bereitzustellen, z.B. eine Bewegung 1002a um eine Substrat-externe Drehachse und/oder eine Bewegung 1002b um eine jeweils Substrat-interne Drehachse. Beispielsweise kann jedem Substrat 1002s eine präzedierende Bewegung bereitgestellt werden.
  • Das oder jedes Substrat kann im Allgemeinen ein Werkstück aufweisen, z.B. ein Halbzeug (z.B. einen Stab, eine Hülse oder eine Platte) oder eine Komponente einer komplexeren Vorrichtung. Beispiele für ein Substrat weisen auf: ein Kolbenring, eine Lagerkomponente, ein Werkzeug, eine Kette, eine Antriebskette, eine stumpfwinklige Geometrie; ein Messer, oder eine gleitreibungssensible Komponente. Das oder jedes Substrat kann beispielsweise zylinderförmig sein, plattenförmig sein oder eine andere Form aufweisen.
  • Das oder jedes Substrat kann zumindest eines von Folgendem aufweisen oder daraus gebildet sein: eine Keramik, ein Glas, ein Halbleiter (z.B. amorphes, polykristalliner oder einkristalliner Halbleiter, wie Silizium), ein Metall, und/oder ein Polymer (z.B. Kunststoff). Die Keramik kann beispielsweise ein Oxid, ein Nitrid und/oder ein Karbid eines Metalls aufweisen.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung kann ein Metall (auch als metallischer Werkstoff bezeichnet) zumindest ein metallisches Element (d.h. ein oder mehrere metallische Elemente) aufweisen (oder daraus gebildet sein), z.B. zumindest ein Element aus der Folgenden Gruppe von Elementen: Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Titan (Ti), Nickel (Ni), Silber (Ag), Chrom (Cr), Platin (Pt), Gold (Au), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Zirkonium (Zr), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Barium (Ba), Hafnium (Hf), Samarium (Sm), Silber (Ag), und/oder Lithium (Li). Beispielsweise kann ein Metall eine metallische Verbindung (z.B. eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung) aufweisen oder daraus gebildet sein oder eine Verbindung aus zumindest einem metallischen Element (z.B. aus der Gruppe von Elementen) und mindestens einem nichtmetallischen Element (z.B. Kohlenstoff), wie z.B. Stahl.
  • 11 veranschaulicht die Charakteristik einer Gasentladung in einem schematischen Diagramm 1100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, in welchem die elektrische Feldstärke 1101 über der Stromstärke 1103 (logarithmisch aufgetragen) veranschaulicht ist. Im Verlauf der Kennlinie der Feldstärke-Stromstärke-Verlauf 1102 sind zwei Abfälle in der Feldstärke zu sehen, deren Beginn 1113p, 1115p drei wesentliche Bereiche voneinander separiert, nämlich den Bereich 1113 der Dunkelentladung, den Bereich 1115 der Glimmentladung und den Bereich 1117 der Lichtbogenentladung.
  • Bei geringer Stromstärke (z.B. unterhalb etwa 1 Mikroampere) wird kein sichtbares Licht erzeugt, weshalb von dunkler Entladung (auch als Dunkelentladung bezeichnet) gesprochen wird. Wird die Feldstärke 1101 weiter erhöht, setzt ein Lawineneffekt ein (bei 1113p), so dass jedes freigesetzte Elektron weitere Atome ionisiert, die wieder zusätzliche Elektronen freisetzen (Stoßionisation). Dabei entsteht mit zunehmender Stromstärke 1103 eine Lichtemission (das sogenannte Glimmen), weshalb von einer Glimmentladung gesprochen wird. Kennzeichnend für die Glimmentladung sind eine relativ gleichmäßige Lichtentstehung im Bereich der Gasentladung und der sogenannte Kathodenfall, mit dem eine lichtarme Zone um die Kathode herum bezeichnet wird.
  • Wird die Feldstärke 1101 weiter erhöht, tritt der sogenannte Pincheffekt ein, welcher den Stromfluss zu einem dünnen Kanal konzentriert. Der Pincheffekt bezeichnet anschaulich, dass der fließende Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches so stark wird, dass die auf die Ladungsträger wirkende Lorenzkraft die Abstoßung der Ladungsträger voneinander überwindet und diese daher den Stromfluss komprimiert. Infolgedessen wird der Kathodenfall im Wesentlichen durchbrochen und es entsteht die typische Entladung als Lichtbogen (auch als Lichtbogenentladung bezeichnet), d.h. entlang eines leuchtenden Plasmakanals, welcher den Entladungsstrom trägt. Aufgrund dessen können sehr hohe Temperaturen entstehen, die beispielsweise am Eintrittspunkt des Lichtbogens an der Kathode deren Beschichtungsmaterial aufschmelzen und dieses zum Glühen bringen. Im Gegensatz zur Glimmentladung treten hierbei im mehrere Größenordnungen größere Stromstärken und Stromdichten auf. Der noch verbleibende Kathodenfall kann in der Größenordnung des Anregungs- oder Ionisierungspotentials der beteiligten Atome liegen, beispielsweise bei ungefähr 10 eV.
  • Die Stromstärke der Lichtbogenentladung kann größer sein als die sogenannte Bennett-Stromstärke. Die Bennett-Stromstärke I genügt der Relation I= 8π·N·kB·T/µ0 (Bennett-Gleichung). Dabei bezeichnet µ0 die magnetische Feldkonstante, N die Ladungsträgerdichte pro Längeneinheit, kB die Boltzmann-Konstante und T die Plasmatemperatur.
  • Die Spannung ist die sogenannte Zündspannung Uz, bei der die Lichtbogenentladung eintritt. Die Kennlinie ist im Allgemeinen nicht reversibel, d.h. dass eine einmal eingesetzte Lichtbogenentladung eine lokal derart hohe Stromdichte erzeugt, dass die Lichtbogenentladung auch dann weiterbrennt, wenn die Zündspannung unterschritten wird. Dies wird genutzt, um die erzwungene Lichtbogenentladung zu realisieren. Dabei wird eine Betriebsspannung angelegt, die kleiner ist als die Zündspannung und größer ist als die Spannung Umin, bei welcher der Plasmakanal zusammenbricht (auch als Brennspannung Umin bezeichnet). Die Betriebsspannung allein zündet den Lichtbogen noch nicht. Zum Zünden des Lichtbogens wird eine Spannung in Form eines Zündpulses eingekoppelt, welche gleich zu der oder größer als die Zündspannung Uz ist. Mit anderen Worten kann der Zündpuls eine Zündamplitude aufweisen, die größer als die Zündspannung Uz ist.
  • Beispielsweise kann die Brennspannung in einem Bereich sein von ungefähr 100 V bis ungefähr 1000 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 200 V bis ungefähr 450 V.
  • 12 veranschaulicht einen elektrischen Puls 1213, 1313 (z.B. den Zündpuls 1213 oder Brennpuls 1313) in einem schematischen Diagramm 1200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, in welchem eine elektrische Größe 1201 (z.B. Spannung oder Strom) über der Zeit 1203 aufgetragen ist (auch als Puls-Kennlinie bezeichnet).
  • Ein elektrischer Puls kann als zeitlich veränderliche elektrische Größe 1201 verstanden werden. Der elektrische Puls kann bereitgestellt werden, indem elektrische Energie aus einem Energiespeicher schlagartig entladen wird. Dabei nimmt die elektrische Größe 1201 bis zu ihrem Scheitelwert 1213a zu und fällt danach wieder auf den ursprünglichen Anfangswert ab. Optional kann ein Überschwingen erfolgen, d.h. dass die elektrische Größe 1201 nach dem Erreichen des ursprünglichen Anfangswerts ausschwingt. Der elektrische Puls kann (muss aber nicht) als Teil eines zeitlichen periodischen elektrischen Signals bereitgestellt werden, z.B. als periodisch gepulste Gleichspannung.
  • Die zeitliche Dauer (auch als Pulsdauer bezeichnet) eines elektrischen Pulses wird mittels der sogenannten Halbwertsbreite 1213b beschrieben. Die Halbwertsbreite entspricht der zeitlichen Breite des Signals bei dem halben Scheitelwert. Lässt sich der elektrische Puls 1213 beispielsweise als Rechteckfunktion beschreiben, kann die Halbwertsbreite der Rechteckfunktion die Breite der Rechteckfunktion betragen.
  • Ein Zündpuls 1213 kann eine Zündamplitude 1213a (d.h. der Abstand Anfangswert zu Scheitelwert, in Formeln auch als Up bezeichnet) aufweisen von mehr als der Zündspannung Uz. Die Zündamplitude 1213a kann beispielsweise in einem Bereich sein von ungefähr Uz bis ungefähr 10·Uz, z.B. in einem Bereich von ungefähr Uz bis ungefähr 5·Uz. Mit anderen Worten kann Uz ≤ UP ≤ n·Uz sein, wobei n=10 oder n=5 (n kann auch kleiner als 5 sein). Alternativ oder zusätzlich kann die Zündamplitude 1213a größer sein als die Betriebsspannung (in Formeln auch als UB bezeichnet). Die Zündamplitude 1213a kann beispielsweise größer sein als ungefähr 5·UB, z.B. größer als ungefähr 10·UB. Mit anderen Worten kann m·UB ≤ UP sein, wobei n=10 oder n=5 (n kann auch größer als 10 sein).
  • Es kann aber auch UP ≤ k·UB sein, wobei k=20 oder k=10 ist, und/oder es kann UP ≤ 1700 V sein. Eine solche anschaulich geringe Zündamplitude ermöglicht es, zum Erzeugen des Zündpulses 1213 und zum Erzeugen der Betriebsspannung ähnliche Treiberschaltkreise oder denselben Treiberschaltkreis zu verwenden, was Kosten spart. Bei größerem Prozessdruck kann auch eine Zündung (ohne Laser) bei einer Zündamplitude 1213a des Zündpulses 1213 (bei gleichzeitiger sicherer Unterbindung einer Selbstzündung ) von 500 V oder weniger bereitgestellt werden.
  • Bei einem Zündabstand 113 von in einem Bereich von ungefähr 5 mm (Millimeter) bis ungefähr 8 mm kann die Betriebsspannung in einem Bereich sein von ungefähr 200 V (Volt) bis ungefähr 450 V und/oder kann die Zündamplitude 1213a des Zündpulses 1213 in einem Bereich sein von ungefähr 1000 V bis ungefähr 4000 V, z.B. ungefähr 3000 V oder weniger, z.B. 1700 V oder weniger. Je kleiner die Zündamplitude 1213a des Zündpulses 1213 ist, desto kleiner kann der Zündgenerator ausfallen, was Kosten spart. Zur Abschätzung einer nützlichen Zündamplitude 1213a des Zündpulses 1213 kann die Paschenkurve verwendet werden, welche einen Zusammenhang zum Druck herstellt. Die Zündamplitude 1213a des Zündpulses 1213 kann bei einem geringen Druck auch größer sein als 1700 V. Falls dies eintreten sollte, kann der Generator gegen eine höhere Spannung gesperrt werden (z.B. mittels einer Pulsbarriere). Die Pulsbarriere kann beispielsweise mittels eines Halbleiterbauelements implementiert sein.
  • Im Allgemeinen kann der Zündpuls eine kleinere Pulsdauer aufweisen als der Brennpuls bzw. die von diesem angeregte Lichtbogenentladung, z.B. weniger als ein Zehntel (z.B. ein Hundertstel oder ein Tausendstel) der Pulsdauer des Brennpulses. Alternativ oder zusätzlich kann der Zündpuls eine kleinere elektrische Leistung aufweisen als der Brennpuls bzw. die von diesem angeregte Lichtbogenentladung, z.B. weniger als ein Zehntel (z.B. ein Hundertstel oder ein Tausendstel) der elektrische Leistung des Brennpulses.
  • Beispielhafte Kenngrößen für den Zündpuls werden im Folgenden genannt. Beispielsweise kann der Zündpuls eine Stromstärke in einem Bereich von ungefähr 100 A (Ampere) bis ungefähr 10000 A aufweisen, z.B. mehr als 1000 A und/oder weniger als 5000 A, z.B. in einem Bereich von ungefähr 600 A bis ungefähr 2000 A. Beispielsweise kann der oder jeder Zündpuls eine elektrische Leistung in einem Bereich von ungefähr 1 W (Watt) bis ungefähr 100 W freisetzen z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 W bis ungefähr 50 W, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 W bis ungefähr 50 W, z.B. ungefähr 20 W. Beispielsweise kann der Zündpuls eine elektrische Energie in einem Bereich von ungefähr 1 J (Joule) bis ungefähr 100 J freisetzen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 J bis ungefähr 50 J, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 J bis ungefähr 50 J, z.B. ungefähr 20 J. Entsprechend kann der Zündgenerator derart eingerichtet sein, den Zündpuls gemäß den Kenngrößen bereitzustellen. Der Zündstrom muss kapazitive und induktive Parallelverbraucher überwinden. Die Kabelkapazität beträgt beispielsweise ungefähr 17 µF (Mikrofarad). Bei einer Zündfrequenz von 1200 Hz kann das Netzgerät ungefähr 25 kW liefern bei einer Zündamplitude 1213a des Zündpulses 1213 von ungefähr 1700 V.
  • Beispielhafte Kenngrößen für Brennpuls bzw. die von diesem angeregte Lichtbogenentladung werden im Folgenden genannt. Beispielsweise kann der oder jeder Brennpuls eine Stromstärke, Pulsdauer, elektrische Leistung, und/oder elektrische Energie von einem Vielfachen (z.B. mehr als zehnfachen oder mehr als hundertfachen) des Zündpulses aufweisen. Entsprechend kann die Leistungsversorgung derart eingerichtet sein, den Brennpuls bzw. die Lichtbogenentladung gemäß den Kenngrößen bereitzustellen.
  • Im Allgemeinen können die Leistungsversorgung 402 und/oder der Zündgenerator eingerichtet sein, die Lichtbogenentladung bzw. den Zündpuls mehrmals (z.B. 10-mal oder mehr, z.B. 100-mal, z.B. 1000-mal oder mehr) hintereinander bereitzustellen, z.B. während die Veränderung der Relativposition erfolgt. Dies gewährleistet einen Nachschub von gasförmigem Beschichtungsmaterial.
  • Der zeitliche Abstand (auch als Zündperiode bezeichnet) zwischen den unmittelbar hintereinander bereitgestellten Zündpulsen kann dabei größer sein als die Pulsdauer der Lichtbogenentladung. Alternativ oder zusätzlich kann die Zündperiode größer sein als die Pulsdauer des Zündpulses. Beispielsweise kann die Zündperiode in einem Bereich sein von 0,1 ms (Millisekunden) ungefähr bis ungefähr 10 ms sein, z.B. ungefähr 5 ms oder weniger, z.B. ungefähr 1 ms oder weniger. Das Inverse der Zündperiode ist als Zündfrequenz bezeichnet.
  • 13 veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in mehreren schematischen Diagrammen 1300, in welchen verschiedene Größen über der Zeit 1203 aufgetragen sind, z.B. die elektrische Größe 1201 des Zündpulses 1213, die elektrische Größe 1201 des Brennpulses 1313 bzw. der Lichtbogenentladung 1313, eine Geschwindigkeit 1301 der (z.B. translatorischen) Relativbewegung 1315 und ein exemplarischer Abstand 1305 derselben Stelle der Kathodendrehachse 111 von der Anode 104. Derselbe Zusammenhang ist als exemplarischer Abstand 1303 (quer zur Kathodendrehachse 111 gemessen) der Kathodendrehachse 111 von der Anode 104 entlang der Richtung 101 für verschiedene Zeitpunkte 1319a, 1319b, 1319c dargestellt.
  • Die elektrische Spannung 1201 ist für die wiederholten Zündpulse 1213 und die dadurch bewirkte Lichtbogenentladung 1313 bzw. Brennpuls 1313 angegeben.
  • Aufgrund der translatorischen Relativbewegung 1315 kann es erforderlich sein, die Anode nacheinander in abwechselnde Richtungen zu bewegen (hier durch positive und negative Wert der Geschwindigkeit 1301 repräsentiert). Dadurch entstehen zwei Phasen 162a, 162b der Relativbewegung, welche sich in der Richtung der Relativbewegung unterscheiden. Dies hat zur Folge, dass die Relativbewegung einmal mit dem Drehsinn der Kathode 302 und entgegen dem Drehsinn der Kathode 302 ist. Dies kann berücksichtigt werden, indem die Zündfrequenz (bzw. die Zündperiode 1351) in den zwei Phasen 162a, 162b der Relativbewegung unterschiedlich ist. Mit anderen Worten können sich die zwei Phasen 162a, 162b der Relativbewegung in der Zündfrequenz voneinander unterscheiden.
  • Der Drehsinn bezeichnet anschaulich die Richtung der Drehung. Die Richtung der Drehung kann die quer zur Kathodendrehachse 111 verlaufende Richtungskomponente der Bewegung der Oberfläche der Kathode 302 sein. Auf die Kathodendrehachse bezogen, ist der Drehsinn parallel zu dem Kreuzprodukt, welches sich aus der Winkelgeschwindigkeit und der zu Kathodendrehachse radialen Richtung ergibt.
  • Beispielsweise kann die Zündfrequenz in einer ersten Phase 162a, in welcher die Anode entgegen dem Drehsinn bewegt wird, kleiner sein, als die Zündfrequenz in einer zweiten Phase 162b, in welcher die Anode mit dem Drehsinn bewegt wird. Dies verhindert durch Schwebung verursachte Musterbildung beim Abtragen der Kathode.
  • Allgemeiner gesprochen kann die Zündfrequenz eine Funktion der Relativbewegung (z.B. deren Richtung) sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Geschwindigkeit der Relativbewegung eine Funktion der Relativbewegung (z.B. deren Richtung) sein. Letzteres ermöglicht, die oben genannte Schwebung zu kompensieren, indem die Anode langsamer oder schneller bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Drehmoment, welches der Kathode eingekoppelt wird, eine Funktion der Relativbewegung sein. Dies ermöglicht mehr Einfluss zu nehmen zum Hemmen der Musterbildung.
  • Die Abbildung der Relativbewegung auf die Zündfrequenz, auf das Drehmoment, welches der Kathode eingekoppelt wird, und/oder auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung kann mittels einer Steuervorrichtung der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung erfolgen. Die Steuervorrichtung kann alternativ oder zusätzlich eingerichtet sein, die Relativbewegung und/oder das Einkoppeln des Zündpulses in die Anode in analoger Weise zu steuern.
  • Der Abstand 1303 (quer zur Kathodendrehachse 111 gemessen) der Kathodendrehachse 111 von der Anode 104 kann entlang der Richtung 101 ein Minimum aufweisen, dessen Position für verschiedene Zeitpunkte 1319a, 1319b, 1319c unterschiedlich ist.
  • Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungen der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung beschrieben, welche sich in der konkreten Anordnung einer oder mehr als einer Anode voneinander unterscheiden.
  • 14A und 14B veranschaulichen jeweils die zumindest eine Anode 104 gemäß verschiedenen Ausführungsformen einer schematischen Seitenansicht (mit Blickrichtung entlang der Abstandsstrecke) in mehreren Ausgestaltungen 1400a, 1400b.
  • In Ausgestaltung 1400a kann die zumindest eine Anode 104 mehrere Anoden 104 aufweisen, welche übereinander angeordnet sind. Beispielsweise können die mehreren Anoden 104 translationssymmetrisch angeordnet sein, z.B. entlang einer Translationsstrecke, die parallel zu der Kathodendrehachse 111 ist. Die Richtung der translatorischen Relativbewegung 501 kann quer zu der Kathodendrehachse 111 sein und/oder quer zu der Abstandsstrecke sein. Diese Anordnung spart Platz und ermöglicht kürzere Anode(n).
  • In Ausgestaltung 1400b kann die zumindest eine Anode 104 gekrümmt sein, z.B. um eine Achse der rotatorischen Relativbewegung 501 herum. Die Achse der rotatorischen Relativbewegung 501 kann quer zu der Kathodendrehachse 111 sein und/oder parallel zu der Abstandsstrecke sein. Diese Anordnung spart Platz und ermöglicht kürzere Anode(n).
  • 15A veranschaulicht eine Ausgestaltung 1500 der Lichtbogen-Beschichtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, und 15B die Ausgestaltung 1500 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht 1500b (mit Blickrichtung entlang der Kathodendrehachse 111).
  • Gemäß Ausgestaltung 1500 weist die Anode 104 ein Blatt auf, das verwunden (d.h. verdrillt) ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Anode 104 eine oder mehr als eine Außenkante 104k aufweisen, die entlang einer Spirale (z.B. um die Drehachse 711) herum verläuft, d.h. wendelförmig ist. Die Spirale kann auch als Helix bezeichnet werden.
  • Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
  • Beispiel 1 ist eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung, aufweisend: einen Kathode-Endblock zum drehbaren Lagern einer Kathode, welcher mittels des Kathode-Endblocks eine Drehachse bereitgestellt wird; eine dem Kathode-Endblock zugeordnete Anode (welche beispielsweise einen Abstand von der Drehachse aufweist); eine Lageranordnung, mittels welcher die Anode und/oder der Kathode-Endblock gelagert sind derart, dass deren Relativposition zueinander verändert werden kann, wobei die Lageranordnung derart eingerichtet ist, dass eine Stelle der Drehachse, welche der Anode am nächsten liegt (d.h. an welcher der Abstand der Drehachse von der Anode ein Minimum aufweist), beim Verändern der Relativposition verändert (z.B. verschoben) wird, beispielsweise zum Zünden eines Lichtbogens an der jeweiligen Position der Stelle (d.h. in Abhängigkeit der Relativposition).
  • Beispiel 2 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß Beispiel 1, wobei die Lageranordnung derart eingerichtet ist, dass beim Verändern der Relativposition der Abstand der Anode von der Stelle im Wesentlichen gleich bleibt; und/oder dass eine Strecke, um welche die Stelle verändert (z.B. verschoben) wird, größer ist als eine Veränderung des Abstandes der Stelle von der Anode.
  • Beispiel 3 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei eine Strecke, entlang welcher der Abstand gleich bleibt, beim Verändern der Relativposition entlang der Drehachse verschoben wird.
  • Beispiel 4 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Strecke quer zu der Drehachse ist; und/oder wobei die Veränderung des Abstandes kleiner ist als eine Veränderung der Relativposition.
  • Beispiel 5 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei das Verändern der Relativposition aufweist, die Anode (z.B. nur) zu verschieben, z.B. entlang eines geradlinigen Pfades, relativ zu dem Kathode-Endblock bzw. dessen Drehachse und/oder relativ zu der Lageranordnung.
  • Beispiel 6 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß Beispiel 5, wobei das Verändern der Relativposition (z.B. das Verschieben der Anode) entlang einer Richtung, die quer zu der Drehachse ist, und/oder geradlinig erfolgt; und/oder wobei die Lageranordnung einen Schlitten aufweist, mittels dessen das Verschieben erfolgt.
  • Beispiel 7 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 6, wobei der Kathode-Endblock eine um die Drehachse herum drehbar gelagerte Welle aufweist, wobei die Welle beispielsweise eine Kupplungsstruktur zum Ankuppeln der Kathode aufweist.
  • Beispiel 8 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 7, wobei der Kathode-Endblock ein oder mehr als ein Drehlager aufweist, mittels welcher die Drehachse bereitgestellt wird und/oder die Welle gelagert ist.
  • Beispiel 9 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 8, wobei die Anode eine Längserstreckung aufweist, welche schräg zu der Drehachse und/oder schräg zu einer Richtung der Veränderung der Relativposition ist.
  • Beispiel 10 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 9, wobei die Anode eine der Kathode zugewandte Kante aufweist, wobei beispielsweise die Kante schräg zu der Drehachse und/oder schräg zu der Richtung der Veränderung der Relativposition ist; wobei beispielsweise die Kante gekrümmt oder geradlinig ist.
  • Beispiel 11 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 10, wobei die Anode eine Blattanode ist oder zumindest eine Platte aufweist.
  • Beispiel 12 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 11, wobei der Abstand der Anode von der Drehachse kleiner ist als eine Ausdehnung der Anode (z.B. deren Längserstreckung und/oder Ausdehnung quer zu der Drehachse).
  • Beispiel 13 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 12, wobei der Abstand der Anode von der Drehachse kleiner ist als 10 cm.
  • Beispiel 14 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 13, ferner aufweisend: einen Zündgenerator, der eingerichtet ist, der Anode einen Zündpuls (Zündgenerator) einzukoppeln zum Zünden eines Lichtbogens, wobei der Zündpuls beispielsweise eine Amplitude von mehr als 1000 Volt aufweist.
  • Beispiel 15 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß Beispiel 14, wobei der Zündgenerator eingerichtet ist, den Zündpuls mehrmals hintereinander einzukoppeln, wobei der Zündpuls eine Dauer (z.B. Halbwertsbreite) aufweist, die kleiner ist als dessen zeitlicher Abstand von dem unmittelbar zuvor bereitgestellten Zündpuls bzw. eine Periodendauer des mehrmaligen hintereinander Bereitstellens.
  • Beispiel 16 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 13 bis 15, ferner aufweisend: eine Leistungsversorgung zum Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung zwischen der Anode und dem Kathode-Endblock, wobei der Zündpuls beispielsweise der Betriebsspannung überlagert wird, wobei der Zündpuls beispielsweise eine Amplitude aufweist, die mehr als das Fünffache der Betriebsspannung ist, wobei der Zündpuls beispielsweise eine Dauer aufweist, die weniger als ein Fünftel der Dauer der Betriebsspannung ist.
  • Beispiel 17 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 16, ferner aufweisend: eine erste Antriebsvorrichtung (z.B. ein elektrischer Motor), welche eingerichtet ist, eine Drehbewegung der Kathode anzutreiben (z.B. dieser mechanische Energie zuzuführen); und/oder eine zweite Antriebsvorrichtung (z.B. ein elektrischer Motor), welche eingerichtet ist, das Verändern der Relativposition anzutreiben (z.B. diesem mechanische Energie zuzuführen).
  • Beispiel 18 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 17, ferner aufweisend: wobei der Zündgenerator (z.B. dessen Steuervorrichtung) eingerichtet ist, eine Frequenz des Einkoppelns des Zündpulses in Abhängigkeit einer Richtung bereitzustellen, mit welcher die Relativposition zueinander verändert (beispielsweise kann die Richtung der Relativposition auf die Frequenz des Einkoppelns abgebildet werden).
  • Beispiel 19 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 18, ferner aufweisend: die (z.B. rohrförmige) Kathode, welche mittels des Kathode-Endblocks drehbar gelagert ist, rohrförmig ist und/oder ein Beschichtungsmaterial aufweist.
  • Beispiel 20 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß Beispiel 19, wobei eine Temperatur, bei welcher das Beschichtungsmaterial in den gasförmigen Zustand übergeht, größer als 2000°C ist; und/oder wobei das Beschichtungsmaterial zumindest Molybdän und/oder zumindest Kohlenstoff aufweist oder daraus gebildet ist; und/oder wobei das Beschichtungsmaterial einen Schmierstoff (z.B. Molybdän(IV)-sulfid) aufweist oder daraus gebildet ist, wobei der Kohlenstoff beispielsweise in einer Kohlenstoffmodifikation vorliegt.
  • Beispiel 21 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 20, wobei die Drehachse und ein Freiheitsgrad, gemäß dem das Verändern der Relativposition erfolgt (z.B. ein der Anode und/oder der Kathode von der Lageranordnung bereitgestellter Translationsfreiheitsgrad), parallel zu einer Ebene sind, an welche eine der Drehachse zugewandte Kante der Anode (z.B. an mehreren Stellen) angrenzt.
  • Beispiel 22 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 21, wobei die Drehachse und ein Freiheitsgrad (z.B. ein der Anode von der Lageranordnung bereitgestellter Rotationsfreiheitsgrad), gemäß dem das Verändern der Relativposition erfolgt, parallel zueinander sind.
  • Beispiel 23 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 22, wobei ein elektrisches Feld zwischen der Anode und der Kathode zum Zünden des Lichtbogens (z.B. von dem Zündpuls bewirkt) größer ist als 105 Volt pro Meter.
  • Beispiel 24 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 23, wobei die Anode drehbar gelagert ist und das Verändern der Relativposition aufweist, die Anode (104) relativ zu dem Kathode-Endblock (102) zu drehen.
  • Beispiel 25 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 24, wobei die Anode eine Spindel oder eine Helix (z.B. eine Doppelhelix) aufweist; und/oder wobei die Anode zumindest eine Außenkante aufweist, welche entlang einer Spirale verläuft (z.B. um eine Drehachse der Anode herum).
  • Beispiel 26 ist die Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 25, wobei eine Außenkante der Anode beispielsweise eine Steigung (Anstiegswinkel relativ zur Drehachse der Anode) aufweist in einem Bereich sein von ungefähr 30° bis ungefähr 60°, z.B. ungefähr 45°.
  • Beispiel 27 ist eine Vakuumanordnung, aufweisend: eine Vakuumkammer, eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung gemäß einem der Beispiele 1 bis 26, deren Kathode-Endblock und/oder Anode in der Vakuumkammer angeordnet sind, wobei beispielsweise das Verändern der Relativposition aufweist, die Anode relativ zu einer oder mehr als einer Kammerwand der Vakuumkammer zu verlagern (z.B. zu drehen und/oder zu verschieben).
  • Beispiel 28 ist die Vakuumanordnung gemäß Anspruch 27, ferner aufweisend: einen Substrathalter zum Halten eines Substrats, welches beispielsweise mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet werden soll.
  • Beispiel 29 ist ein Verfahren, aufweisend: Drehen einer Kathode um eine Drehachse; Verändern einer Relativposition zwischen der Drehachse und einer der Kathode zugeordneten Anode derart, dass eine Stelle der Drehachse, welche der Anode am nächsten liegt, beim Verändern der Relativposition verändert wird; mehrmaliges Einkoppeln eines Zündpulses in die Anode beim Verändern der Relativposition zum Anregen einer Lichtbogenentladung zwischen der Anode und der Kathode.
  • Beispiel 30 ist das Verfahren gemäß Beispiel 29, ferner aufweisend: Beschichten eines Substrats mit einem Material der Kathode, welches mittels der Lichtbogenentladung von der Kathode emittiert wird.
  • Beispiel 31 ist ein Verfahren, aufweisend: Ansteuern einer ersten Antriebsvorrichtung zum Bereitstellen einer Drehbewegung um eine Drehachse eines Kathode-Endblocks; Ansteuern einer zweiten Antriebsvorrichtung zum Verändern einer Relativposition zwischen der Drehachse und einer dem Kathode-Endblock zugeordneten Anode derart, dass eine Stelle der Drehachse, welche der Anode am nächsten liegt, beim Verändern der Relativposition verändert wird; Ansteuern eines Zündgenerators zum mehrmaligen Einkoppeln eines Zündpulses in die Anode beim Verändern der Relativposition.
  • Beispiel 32 sind Codesegmente, die eingerichtet sind, wenn von einem Prozessor ausgeführt, das Verfahren gemäß Beispiel 31 durchzuführen.
  • Beispiel 33 ist eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß Beispiel 31 durchzuführen.

Claims (22)

  1. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100), aufweisend: • einen Kathode-Endblock (102) zum drehbaren Lagern einer Kathode, welcher mittels des Kathode-Endblocks (102) eine Drehachse (111) bereitgestellt wird; • eine dem Kathode-Endblock (102) zugeordnete Anode (104) ; • eine Lageranordnung (106), mittels welcher die Anode (104) und/oder der Kathode-Endblock (102) gelagert sind derart, dass deren Relativposition zueinander verändert werden kann, • wobei die Lageranordnung (106) derart eingerichtet ist, dass eine Stelle der Drehachse (111), welche der Anode (104) am nächsten liegt, beim Verändern der Relativposition verschoben wird.
  2. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Lageranordnung (106) derart eingerichtet ist, dass beim Verändern der Relativposition ein Abstand der Anode (104) von der Drehachse (111) im Wesentlichen gleich bleibt.
  3. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verändern der Relativposition aufweist, die Anode (104) relativ zu dem Kathode-Endblock (102) zu verschieben.
  4. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 3, wobei das Verschieben der Anode (104) entlang einer Richtung, die quer zu der Drehachse (111) ist, erfolgt.
  5. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anode (104) eine Längserstreckung aufweist, welche schräg zu der Drehachse (111) ist.
  6. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anode (104) eine der Drehachse (111) zugewandte Kante aufweist, wobei sich die Kante schräg zu der Drehachse (111) erstreckt.
  7. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anode (104) eine Blattanode ist oder zumindest eine Platte aufweist.
  8. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Abstand der Anode (104) von der Drehachse (111) kleiner ist als eine Ausdehnung der Anode (104).
  9. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anode drehbar gelagert ist und das Verändern der Relativposition aufweist, die Anode (104) relativ zu dem Kathode-Endblock (102) zu drehen.
  10. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 9, wobei die Anode eine Spindel oder eine Doppelhelix aufweist.
  11. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend: einen Zündgenerator (412), der eingerichtet ist, der Anode (104) einen Zündpuls einzukoppeln zum Zünden einer Lichtbogenentladung.
  12. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 11, ferner aufweisend: eine Leistungsversorgung (402) zum Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung zwischen der Anode (104) und dem Kathode-Endblock (102), wobei der Zündpuls der Betriebsspannung überlagert wird.
  13. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 11 oder 12, ferner aufweisend: wobei der Zündgenerator (412) eingerichtet ist, eine Frequenz des Einkoppelns des Zündpulses in Abhängigkeit einer Richtung bereitzustellen, mit welcher die Relativposition zueinander verändert.
  14. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend: die Kathode (302), welche rohrförmig und mittels des Kathode-Endblocks (102) drehbar gelagert ist.
  15. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 14, wobei die Kathode (302) Kohlenstoff in einer Kohlenstoffmodifikation aufweist.
  16. Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner aufweisend: eine Antriebsvorrichtung (108), welche eingerichtet ist, das Verändern der Relativposition anzutreiben.
  17. Vakuumanordnung (1000), aufweisend: • eine Vakuumkammer (802), • eine Lichtbogen-Beschichtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, deren Kathode-Endblock (102) und/oder Anode (104) in der Vakuumkammer (802) angeordnet sind.
  18. Vakuumanordnung (1000) gemäß Anspruch 17, wobei das Verändern der Relativposition aufweist, die Anode relativ zu einer Kammerwand der Vakuumkammer zu verlagern.
  19. Verfahren (900), aufweisend: • Drehen einer Kathode (302) um eine Drehachse (111); • Verändern einer Relativposition zwischen der Drehachse (111) und einer der Kathode (302) zugeordneten Anode (104) derart, dass eine Stelle der Drehachse (111), welche der Anode (104) am nächsten liegt, beim Verändern der Relativposition verändert wird; • mehrmaliges Einkoppeln eines Zündpulses in die Anode (104) beim Verändern der Relativposition zum Anregen einer Lichtbogenentladung zwischen der Anode (104) und der Kathode (302).
  20. Verfahren (900), aufweisend: • Ansteuern einer ersten Antriebsvorrichtung zum Bereitstellen einer Drehbewegung um eine Drehachse eines Kathode-Endblocks; • Ansteuern einer zweiten Antriebsvorrichtung zum Verändern einer Relativposition zwischen der Drehachse und einer dem Kathode-Endblock zugeordneten Anode derart, dass eine Stelle der Drehachse, welche der Anode am nächsten liegt, beim Verändern der Relativposition verändert wird; • Ansteuern eines Zündgenerators zum mehrmaligen Einkoppeln eines Zündpulses in die Anode beim Verändern der Relativposition.
  21. Codesegmente, die eingerichtet sind, wenn von einem Prozessor ausgeführt, das Verfahren gemäß Anspruch 20 durchzuführen.
  22. Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß Anspruch 20 durchzuführen.
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US5104509A (en) 1989-12-14 1992-04-14 Fried. Krupp Gmbh Method and apparatus for producing layers of hard carbon modifications
EP0444538B1 (de) 1990-03-01 1996-12-04 Balzers Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum Verdampfen von Material im Vakuum sowie Anwendung des Verfahrens
EP1031639A1 (de) 1999-02-26 2000-08-30 Istituto Nazionale Per La Fisica Della Materia Vorrichtung zum Gasflusssputtern

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