DE102020107059A1

DE102020107059A1 - Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung eines Grundkörpers und Funktionselement mit einem Grundkörper mit einer Beschichtung

Info

Publication number: DE102020107059A1
Application number: DE102020107059.4A
Authority: DE
Inventors: Lambert Alff; Nils Schäfer; Stefan Petzold; Márton Major
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-09-16
Also published as: US20230100972A1; WO2021180953A1; EP4118252A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung eines Grundkörpers (2) mit einer Beschichtung sind ein erstes Target (4) aus dem ersten Metall und ein zweites Target (5) aus dem zweiten Metall in einer Vakuumkammer angeordnet. Ein zu beschichtender Grundkörper (2) ist in der Vakuumkammer angeordnet und wird von einer Heizvorrichtung (8) auf eine Beschichtungstemperatur von weniger als 600° C erwärmt. Während eines Sputtervorgangs mit Sputtergasionen (16) werden erste Targetteilchen (10) aus dem ersten Target (4) herausgelöst sowie zweite Targetteilchen (11) aus dem zweiten Target (5) herausgelöst und als Beschichtungsteilchen an dem Grundkörper (2) angelagert. Während des Sputtervorgangs werden für das erste Target (4) eine erste Sputterrate und für das zweite Target (5) eine zweite Sputterrate so vorgegeben, dass während des Sputtervorgangs die Beschichtung als A15-Phase mit einem angestrebten stöchiometrischen Verhältnis der ersten Targetteilchen (10) zu den zweiten Targetteilchen (11) erzeugt wird. Ein Funktionselement weist einen Grundkörper (2) und eine unmittelbar auf der Oberfläche (6) des Grundkörpers (2) aufgebrachte Beschichtung aus Nb3Sn auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung eines Grundkörpers mit einer Beschichtung aus einem ersten Material und aus einem zweiten Material, wobei ein erstes Target aus dem ersten Material und ein zweites Target aus dem zweiten Material in einer Vakuumkammer angeordnet sind, wobei ein zu beschichtender Grundkörper in der Vakuumkammer angeordnet ist, wobei ein Sputtergas in die Vakuumkammer eingebracht wird und wobei während eines Sputtervorgangs mit Sputtergasionen erste Targetteilchen aus dem ersten Target herausgelöst und als Beschichtungsteilchen an dem Grundkörper angelagert werden, sowie zweite Targetteilchen aus dem zweiten Target herausgelöst und als Beschichtungsteilchen an dem Grundkörper angelagert werden.
Aus der Praxis sind zahlreiche verschiedene Verfahren bekannt, mit denen eine oftmals vergleichsweise dünne Beschichtung auf einem Grundkörper hergestellt werden kann. Bei einem als Sputtern bezeichneten Verfahren werden Atome aus einem als Target bezeichneten Festkörper durch einen Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst, sodass die herausgelösten Targetatome in die Gasphase übergehen und sich an in der Nähe befindlichen Oberflächen niederschlagen. Der zu beschichtende Grundkörper wird während eines Sputtervorgangs in der Nähe eines Targets angeordnet, sodass die aus dem Target herausgelösten Targetatome sich bevorzugt auf einer Oberfläche des Grundkörpers anlagern und die gewünschte Beschichtung des Grundkörpers bilden.
Aus zahlreichen verschiedenen Anwendungsbereichen sind Funktionselemente bekannt und benötigt, bei denen ein Grundkörper eine Beschichtung aufweist, die sich aus einer Kombination von zwei oder mehr Ausgangsmaterialien zusammensetzt. Eine derartige Beschichtung lässt sich mit Hilfe des Sputterns oftmals nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand herstellen. Aus diesem Grund werden derartige Beschichtungen üblicherweise mit anderen Verfahren hergestellt.
Es ist bekannt, dass sich eine Stoffgruppe der A15-Phasen in vorteilhafterweise für die Herstellung von supraleitenden Funktionselementen eignet. Bei der Stoffgruppe der A15-Phasen bilden üblicherweise zwei oder drei verschiedene Metalle eine intermetallische Phase mit einer AlS-Struktur. Einige der A15-Phasen weisen vorteilhafte supraleitende Eigenschaften auf, sodass diese A15-Phasen für zahlreiche Anwendungsbereiche geeignet sind, bei denen supraleitende Eigenschaften vorteilhaft oder notwendig sind. Üblicherweise haben die A15-Phasen eine Zusammensetzung mit einer Summenformel A₃B, wobei A ein Übergangsmetall und B ein metallisches Hauptgruppenelement des Periodensystems ist. Die Komponente B kann auch ein Gemisch aus verschiedenen metallischen Hauptgruppenelementen sein. A15-Phasen wie beispielsweise Nb₃Ge oder Nb₃Sn ermöglichen den Bau von supraleitenden Magneten oder Kabeln mit magnetischen Flussdichten von mehr als 10T. Insbesondere aus dem Bereich der Supraleitung sind verschiedene Überlegungen und Versuche bekannt, ein Funktionselement mit supraleitenden Eigenschaften aus einem Grundkörper herzustellen, der mit einer geeigneten Beschichtung aus einer A15-Phase, wie beispielsweise Nb₃Sn, beschichtet ist. So könnte beispielsweise eine supraleitende Kavität eines Teilchenbeschleunigers, die üblicherweise aus hochreinem Niob hergestellt ist, durch ein Funktionselement mit einem Grundkörper aus Kupfer und einer Beschichtung aus Nb₃Sn ersetzt werden. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Kupfer hergestellt sein. Ein derartiges Funktionselement mit einem Grundkörper aus Kupfer könnte wesentlich kostengünstiger als ein entsprechendes Funktionselement aus hochreinem Niob sein. Die Herstellung der Beschichtung des Grundkörpers aus Nb₃Sn ist jedoch aufwendig und führt zu Einschränkungen bei der Verwendung eines derartigen Funktionselements.
Aus der Praxis ist es bekannt, dass eine derartige Beschichtung auf einem Grundkörper, beispielsweise aus Kupfer, durch eine Anzahl von aufeinander folgenden Sputtervorgängen hergestellt werden kann, wobei nacheinander mit Hilfe von Sputtern abwechselnd dünne Schichten beispielsweise aus Niob und aus Zinn auf den Grundkörper aufgebracht werden. Im Anschluss daran muss der Grundkörper mit der darauf aufgebrachten Schichtenabfolge aus Niob und Zinn erhitzt werden, damit durch die dadurch verursachte Erwärmung der Schichten eine Diffusion der einzelnen Atome der Schichten bewirkt wird und sich das gewünschte Material Nb₃Sn bildet.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Bildung von Nb₃Sn eine Wärmebehandlung mit hohen Temperaturen von etwa eintausend Grad Celsius und mehr erfordert, wobei selbst bei vorteilhaften Verfahrensbedingungen die dabei entstehende Beschichtung oftmals inhomogen ausgebildet ist und zudem verschiedene Verbindungen und Phasen entstehen, sodass die supraleitenden Eigenschaften der derart hergestellten Beschichtung beeinträchtigt sind. Zudem kann kaum verhindert werden, dass bei der Wärmebehandlung auch Atome aus dem Grundkörper in die Beschichtung hinein diffundieren und sich in der Beschichtung anlagern. Eine Diffusion von Atomen aus dem Grundkörper in die Beschichtung hinein kann mit einer Diffusionsbarriere aus einem geeigneten Material reduziert werden, wobei die Diffusionsbarriere als eine dünne Schicht ausgebildet und zwischen dem Grundkörper und der Beschichtung aus Nb₃Sn angeordnet ist. Diese Diffusionsbarriere behindert jedoch üblicherweise eine für viele Anwendungsfälle vorteilhaft oder sogar notwendige Wärmeabfuhr aus der Beschichtung in den Grundkörper und beeinträchtigt dadurch die Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten eines derartigen Funktionselements.
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung eines Grundkörpers mit einer Beschichtung gemäß der Eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass eine Beschichtung aus zwei verschiedenen Metallen mit einem möglichst homogenen Kristallgitter kostengünstig und zuverlässig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Sputtervorgangs für das erste Target eine erste Sputterrate und für das zweite Target eine zweite Sputterrate so vorgegeben werden, dass während des Sputtervorgangs die Beschichtung mit einem angestrebten stöchiometrischen Verhältnis der ersten Targetteilchen zu den zweiten Targetteilchen erzeugt wird, und dass der Grundkörper während des Sputtervorgangs mit einer Heizvorrichtung auf eine Beschichtungstemperatur von weniger als sechshundert Grad Celsius erwärmt ist. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Sputtervorgang, bei dem gleichzeitig das erste Target und das zweite Target mit den Sputtergasionen beschossen und erste Targetteilchen und zweite Targetteilchen in einem vorgegebenen stöchiometrischen Verhältnis erzeugt werden, eine vergleichsweise homogene Beschichtung des Grundkörpers auf einer Oberfläche des Grundkörpers abgeschieden werden kann.
Die ersten Targetteilchen und die zweiten Targetteilchen lagern sich zunächst zufällig an dem jeweiligen Ort des Auftreffens auf die Oberfläche des Grundkörpers an dem Grundkörper an. Es hat sich gezeigt, dass durch eine Erwärmung des Grundkörpers auf eine Beschichtungstemperatur von weniger als sechshundert Grad Celsius die an der Oberfläche des Grundkörpers angelagerten ersten Targetteilchen und zweiten Targetteilchen durch die Wärmeenergie eine ausreichende Mobilität aufweisen, um die gewünschte A15-Phase zu bilden und im Ergebnis eine homogene Beschichtung mit einem phasenreinen Kristallgitter auf dem Grundkörper anwachsen lassen. Da die auf den Grundkörper auftreffenden ersten Targetteilchen und zweiten Targetteilchen an der Oberfläche vergleichsweise beweglich sind reicht eine Erwärmung auf weniger als sechshundert Grad Celsius aus, um aus den ersten Targetteilchen und den zweiten Targetteilchen auf der Oberfläche die gewünschte A15-Phase zu bilden. Es ist nicht erforderlich, den beschichteten Grundkörper während des Sputtervorgangs oder im Anschluss daran einer Wärmebehandlung mit einer Erhitzung auf über eintausend Grad Celsius zu unterziehen, wie es bei einem aus der Praxis bereits bekannten Beschichtungsverfahren erforderlich ist, bei welchem nacheinander dünne Schichten aus ersten Targetteilchen und anschließend aus zweiten Targetteilchen aufgesputtert werden, die anschließend während der Wärmebehandlung durch Diffusion miteinander kombinieren und die Beschichtung ausbilden.
Bei einer Erwärmung des Grundkörpers während des Sputtervorgangs auf weniger als sechshundert Grad Celsius kann der Grundkörper aus verschiedenen Materialien bestehen, die für verschiedene Funktionselemente, beziehungsweise Anwendungsbereiche der betreffenden Funktionselemente vorteilhaft sind. Ein für viele Anwendungsbereiche vorteilhaftes Material des Grundkörpers ist beispielsweise Kupfer. Bei einer Erwärmung des Grundkörpers aus Kupfer auf weniger als sechshundert Grad Celsius findet keine nennenswerte Diffusion des Kupfermaterials in die sich auf der Oberfläche des Grundkörpers anlagernde Beschichtung statt. Es ist deshalb bei einer Erwärmung des Grundkörpers auf weniger als sechshundert Grad Celsius nicht erforderlich, zwischen dem Grundkörper und der darauf aufgebrachten Beschichtung eine Diffusionsbarriere aus einem geeigneten Material anzuordnen, mit welchem die unerwünschte Diffusion von Kupfer in die Beschichtung reduziert oder nach Möglichkeit weitgehend unterdrückt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das erste Material ein erstes Metall ist und dass das zweite Material ein zweites Metall oder ein Metallgemisch ist. Das Metallgemisch kann beispielsweise zwei oder mehr verschiedene Metalle enthalten, die jeweils eine Verbindung mit dem ersten Metall eingehen. Bei der Ausbildung des angestrebten Kristallgitters der Beschichtung können dann die jeweiligen Verbindungen miteinander kombiniert werden und sich gemäß den jeweiligen Anteilen zu einem homogenen Kristallgitter verbinden. Wenn das zweite Material ein zweites Metall ist kann durch eine geeignete Vorgabe der Verfahrensparameter erreicht werden, dass lediglich eine einzige Verbindung des ersten Metalls mit dem zweiten Metall entsteht, sodass ein phasenreines Kristallgitter gebildet wird.
Vorzugsweise ist optional vorgesehen, dass das die ersten Targetteilchen aus dem ersten Material und die zweiten Targetteilchen aus dem zweiten Material eine A15-Phase bilden. Dabei kann erfindungsgemäß das Material des ersten Targets und das Material des zweiten Targets so gewählt werden, dass die aus dem ersten Target und aus dem zweiten Target herausgelösten ersten Targetteilchen und zweiten Targetteilchen eine A15-Phase bilden, die für bestimmte Anwendungsbereiche besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist. In Abhängigkeit von dem ersten Metall und dem zweiten Metall oder Metallgemisch sowie der gewünschten A15-Phase, die aus den Metallen gebildet werden soll, werden die erste Sputterrate und die zweite Sputterrate so vorgegeben, dass das für die Bildung der A15-Phase erforderliche stöchiometrische Verhältnis der ersten Targetteilchen zu den zweiten Targetteilchen vorgegeben wird. Für viele Anwendungen, bei denen eine intermetallische Phase mit einer AlS-Struktur eines Typs A₃B erzeugt werden soll, ist ein stöchiometrisches Verhältnis von 75% zu 25 % vorteilhaft. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es demzufolge möglich, eine sehr homogene und phasenreine Beschichtung einer A15-Phase unmittelbar auf einer Oberfläche eines Grundkörpers anzuordnen, ohne dass dazwischen eine Diffusionsbarriere ausgebildet werden muss. Damit können Funktionselemente mit einem Grundkörper, beispielsweise aus Kupfer oder aus einem vergleichbar gut wärmeleitenden Material mit einer supraleitenden Beschichtung versehen werden, sodass sich das derart hergestellte Funktionselement wegen der supraleitenden Eigenschaften der Beschichtung für zahlreiche Anwendungsfälle vorteilhaft einsetzen lässt.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge kann vorgesehen sein, dass während des Sputtervorgangs mindestens ein weiteres drittes Target in der Vakuumkammer angeordnet ist, und dass für jedes weitere dritte Target eine dritte Sputterrate für die Anlagerung von dritten Targetteilchen in der Beschichtung so vorgegeben wird, dass die Beschichtung mit einem angestrebten stöchiometrischen Verhältnis der dritten Targetteilchen zu den ersten und zweiten Targetteilchen erzeugt wird. So kann beispielsweise anstelle eines zweiten Targets mit einem Metallgemisch ein zweites Target mit einem zweiten Metall und zusätzlich ein drittes Target mit einem weiteren dritten Material verwendet werden, sodass alle drei Targets aus reinen Metallen oder Elementen bestehen. Für alle drei Targets kann eine individuelle Sputterrate vorgegeben werden, sodass auch komplexe stöchiometrische Verhältnisse für die angestrebte Beschichtung vorgegeben und erreicht werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Beschichtung hergestellt werden, bei der Nb₃Sn und Nb₃Ge zu einem homogenen Kristallgitter kombiniert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Grundkörper während des Sputtervorgangs auf eine Beschichtungstemperatur zwischen zweihundert Grad Celsius und sechshundert Grad Celsius und besonders vorzugsweise auf eine Beschichtungstemperatur zwischen vierhundert Grad Celsius und fünfhundert Grad Celsius erwärmt ist. Es hat sich gezeigt, dass für viele Materialkombinationen von zwei Metallen, die eine A15-Phase bilden, eine Beschichtungstemperatur zwischen zweihundert Grad Celsius und sechshundert Grad Celsius, beziehungsweise in vielen Fällen zwischen vierhundert Grad Celsius und fünfhundert Grad Celsius ausreicht, um den auf die Oberfläche des Grundkörpers auftreffenden ersten Targetteilchen und zweiten Targetteilchen eine ausreichende Beweglichkeit zu ermöglichen, um die gewünschte A15-Phase mit einem phasenreinen Kristallgitter auszubilden. Durch die im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren, bei denen nacheinander unterschiedliche Schichten aufgesputtert werden, erforderliche Erwärmung auf eine deutlich geringere Beschichtungstemperatur können unerwünschte Diffusionsprozesse aus dem Grundkörper in die während des Sputtervorgangs allmählich anwachsende Beschichtung oder einzelner Komponenten der Beschichtung in den Grundkörper unterdrückt und gegebenenfalls nahezu vollständig vermieden werden.
Um die Effizienz des Sputtervorgangs zu verbessern, ist es optional vorgesehen, dass während des Sputtervorgangs ein Magnetronsputtern durchgeführt wird. Dabei wird in der Umgebung des ersten Targets sowie in der Umgebung des zweiten Targets jeweils ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt, durch welches die Elektronendichte in einem Bereich über der für das Herauslösen von Targetteilchen vorgesehenen Targetoberflächen erhöht wird und aufgrund der dadurch verstärkten Ionisation des Sputtergases in diesem Bereich die Sputterrate des betreffenden Targetmaterials und damit das Schichtwachstum der Beschichtung erhöht werden. Einem Fachmann sind die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten für eine effektive Durchführung des Magnetronsputterns und die Optimierung einzelner Verfahrensparameter bekannt.
Eine einfache Ansteuerung der einzelnen Komponenten, die während eines Sputtervorgangs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet und betrieben werden, kann gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens dadurch erreicht werden, dass für die erste Sputterrate und die Sputterrate ein vorgegebenes Sputterleistungsverhältnis vorgegeben wird. Das Sputterleistungsverhältnis kann beispielsweise vorab durch gesonderte Untersuchungen in Abhängigkeit von den verwendeten Targetmaterialien ermittelt werden. Das Sputterleistungsverhältnis als Verhältnis der ersten Sputterrate zur zweiten Sputterrate kann auch in Abhängigkeit von der in einem Einzelfall vorgegebenen Beschichtungstemperatur vorab ermittelt und für die Durchführung des Sputtervorgangs vorgegeben werden. Durch die Vorgabe eines während eines Sputtervorgangs konstant gehaltenen Sputterleistungsverhältnisses können die erste Sputterrate und die zweite Sputterrate während eines Beschichtungsvorgangs verändert werden, um beispielsweise das Schichtwachstum in Abhängigkeit von dem zunehmenden Abstand von der Oberfläche des Grundkörpers zu beschleunigen oder zu verlangsamen, wobei durch das festvorgegebene Sputterleistungsverhältnis das stöchiometrische Verhältnis der ersten Targetteilchen relativ zu den zweiten Targetteilchen konstant gehalten wird und ein homogenes Ausbilden einer A15-Phase mit einem phasenreinen Kristallgitter begünstigt wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das erste Metall Niob ist und das zweite Metall Zinn ist. Durch die Kombination von Niob und Zinn kann eine intermetallische chemische Verbindung und besonders vorteilhaft auch die A15-Phase Nb₃Sn während des Beschichtungsvorgangs erzeugt werden. Das derart hergestellte Beschichtungsmaterial Nb₃Sn weist sehr vorteilhafte supraleitende Eigenschaften auf und ist auch für Anwendungen geeignet, die große Ströme und Magnetfelder erfordern, wie es beispielsweise bei Teilchenbeschleunigern der Fall ist.
Es hat sich gezeigt, dass eine besonders effektive Bildung der A15-Phase Nb₃Sn mit einem phasenreinen Kristallgitter dadurch begünstigt wird, dass die Sputterrate von Niob der 5,25-fachen Sputterrate von Zinn entspricht. Insbesondere bei einer Beschichtungstemperatur von etwa vierhundertfünfzig Grad Celsius kann bei diesem Sputterleistungsverhältnis eine besonders homogene Beschichtung mit Nb₃Sn erzeugt werden. Für andere Kombinationen von Targetmaterialien kann gegebenenfalls in Abhängigkeit von der gewünschten Beschichtungstemperatur ein hiervon abweichendes Sputterleistungsverhältnis ermittelt und vorgegeben werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Funktionselement mit einem Grundkörper mit einer Beschichtung aus einer A15-Phase. Es sind zahlreiche verschiedene Anwendungsbereiche aus der Praxis bekannt, bei denen ein Funktionselement einen Grundkörper und eine darauf aufgebrachte Beschichtung aus einer A15-Phase, wie beispielsweise Nb₃Sn, aufweisen kann. Ein derartiges Funktionselement könnte beispielsweise als Ersatz für ein Funktionselement dienen, welches vollständig aus einem einheitlichen, jedoch kostenintensiven Material hergestellt ist. Ein praktisches Beispiel für ein derartiges Funktionselement ist eine Kavität eines Teilchenbeschleunigers. Derartige Kavitäten werden üblicherweise aus hochreinem Niob hergestellt, wodurch hohe Material- und Herstellungskosten anfallen. Es hat sich gezeigt, dass für viele Anwendungen und insbesondere für Kavitäten eines Teilchenbeschleunigers auch Funktionselemente geeignet sind, bei denen ein Grundkörper mit einer Beschichtung aus einer supraleitenden A15-Phase und insbesondere mit einer Beschichtung Nb₃Sn geeignet sind. Allerdings sind die bislang bekannten Herstellungsverfahren für derartige Funktionselemente kostenintensiv und im Ergebnis unbefriedigend.
Es wird deshalb als eine weitere Aufgabe der Erfindung angesehen, ein Funktionselement so auszugestalten, dass es kostengünstig herstellbar ist und für die Verwendung beispielsweise als Kavität in einem Teilchenbeschleuniger geeignete Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beschichtung unmittelbar auf einer Oberfläche des Grundkörpers mit einem vorangehend beschriebenen Sputterverfahren hergestellt ist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Sputterverfahrens kann auf die Anordnung einer Diffusionsbarriere zwischen dem Grundkörper und der Beschichtung verzichtet werden. Eine geeignete Diffusionsbarriere hat nicht nur die gewünschte Eigenschaft, während der Herstellung der Beschichtung oder während einer anschließend gegebenenfalls erforderlichen Wärmebehandlung die unerwünschte Diffusion von Teilchen aus dem Grundkörper in die Beschichtung hinein zu verhindern, sondern stellt während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Funktionselements auch eine vergleichsweise effektive, aber unerwünschte Barriere für einen Wärmetransport dar. Durch den Verzicht auf eine derartige Diffusionsbarriere wird ein Wärmeaustausch zwischen der Beschichtung und dem Grundkörper verbessert und dadurch die Eignung eines derartigen Funktionselements für verschiedene Anwendungsbereiche verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Grundkörper aus Kupfer ist. Kupfer ist ein vergleichsweise kostengünstiges Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, was für viele Anwendungsbereiche von derartigen Funktionselementen vorteilhaft ist. Kupfer lässt sich zudem in einfacher Weise bearbeiten, sodass eine kostengünstige Herstellung des Grundkörpers auch bei komplexen Formgebungen begünstigt wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Funktionselement eine Kavität für einen Beschleuniger oder ein supraleitendes Kabel für eine Magnetspule ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigt:

1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durchgeführt werden kann,
2 eine schematische Darstellung von Messergebnissen einer Röntgendiffraktometriemessung einer bei einer Beschichtungstemperatur von vierhundertfünfunddreißig Grad Celsius hergestellten Beschichtung mit Nb₃Sn, wobei die Intensität der gestreuten Röntgenstrahlung über dem Beugungswinkel zwei Theta dargestellt ist,
3 Messerwerte des elektrischen Widerstands der in 2 vermessenen Beschichtung in einem Temperaturbereich zwischen zwölf Grad Kelvin und zwanzig Grad Kelvin, normiert auf den elektrischen Widerstand bei zwanzig Grad Kelvin, und
4 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen Funktionselements mit einem Grundkörper und einer unmittelbar auf einer Oberfläche des Grundkörpers angeordneten Beschichtung.

In 1 ist exemplarisch eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten eines Grundkörpers 2 mit einer Beschichtung aus einer A15-Phase durchgeführt werden kann. In einer Beschichtungskammer 3, in welcher ein Vakuum erzeugt werden kann, sind ein erstes Target 4 aus einem ersten Targetmaterial und ein zweites Target 5 aus einem zweiten Targetmaterial nebeneinander angeordnet. Das Targetmaterial des ersten Targets 4 ist ein erstes Metall, nämlich Niob (Nb). Das Targetmaterial des zweiten Targets 5 ist ein zweites Metall, nämlich Zinn (Sn).
Gegenüber von den beiden Targets 4, 5 ist der Grundkörper 2 aus Kupfer angeordnet, wobei eine den beiden Targets 4, 5 zugewandte Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 beschichtet werden soll. Der Grundkörper 2 kann während eines Sputtervorgangs von einer Rückseite 7 aus mit einer Heizvorrichtung 8 auf eine vorgebbare Beschichtungstemperatur erwärmt werden. Bei den nachfolgend wiedergegebenen Ausführungsbeispielen beträgt die für den betreffenden Beschichtungsvorgang vorgegebene Beschichtungstemperatur 435 °C.
Die Beschichtungskammer 3 weist einen Einlass 9 für ein geeignetes Sputtergas auf, welches beispielsweise ein Edelgas und vorzugsweise Argon sein kann. Das Sputtergas kann bereits vorab ionisiert worden sein oder aber in der Beschichtungskammer 3 ionisiert werden. Die beiden Targets 4, 5 sowie der Grundkörper 2 können jeweils auf ein individuell vorgebbares elektrisches Potential gebracht werden, sodass sich ein elektrisches Feld in der Beschichtungskammer 3 ausbildet, welches positiv geladene Sputtergasionen 16 in Richtung der beiden Targets 4, 5 hin beschleunigt. Durch die Vorgabe einer ausreichend hohen Potentialdifferenz können die Sputtergasionen 16 auf dem Weg zu dem ersten Target 4 oder zu dem zweiten Target 5 ausreichend beschleunigt werden, um bei deren Auftreffen auf das erste Target 4 erste Targetteilchen 10 herauszulösen, bzw. um bei deren Auftreffen auf das zweite Target 5 zweite Targetteilchen 11 herauszulösen. Durch eine geeignete Vorgabe der jeweiligen elektrischen Potentiale und damit der Potentialdifferenzen, welche die Sputtergasionen 16 auf dem Weg zu dem ersten bzw. zweiten Target 4, 5 durchlaufen, können die jeweiligen Sputterraten des ersten Targets 4 und des zweiten Targets 5 beeinflusst und vorgegeben werden. Die durch den Beschuss mit Sputtergasionen 16 herausgelösten ersten und zweiten Targetteilchen 10, 11 lagern sich unter anderem an der Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 an. Durch einen Auslass 12 können Sputtergasionen 16, verbrauchte Sputtergasteilchen oder Targetteilchen 10, 11, die aus dem ersten Target 4 oder aus dem zweiten Target 5 herausgelöst wurden und sich nicht an einer Oberfläche anlagern, aus der Beschichtungskammer 3 abgeführt werden.
Mit einer geeigneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung 13 wird in einem Bereich zwischen den beiden Targets 4, 5 und dem Grundkörper 2 in der unmittelbaren Umgebung der beiden Targets 4, 5 jeweils ein Magnetfeld erzeugt, durch welches freie Elektronen in einem Bereich über einer jeweiligen Oberfläche 14, 15 der beiden Targets 4, 5 konzentriert werden. Dadurch kann die Dichte der auf das jeweilige Target 4, 5 auftreffenden Sputtergasionen 16 und damit die Sputterraten für das erste Target 4 und für das zweite Target 5 beeinflusst werden.
Die durch die Sputtergasionen 16 aus dem ersten Target 4 herausgelösten ersten Targetteilchen 10 und aus dem zweiten Target 5 herausgelösten zweiten Targetteilchen 11 lagern sich an der Oberfläche 6 des mit der Heizvorrichtung 8 erwärmten Grundkörpers 2 an. Durch die Wärmeenergie des erwärmten Grundkörpers 2 wird ausreichend Energie auf die sich anlagernden Targetteilchen 10, 11 übertragen, sodass diese entlang der Oberfläche 6 wandern und zu der gewünschten A15-Phase reagieren können. Bei dem exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel reagieren die an der Oberfläche 6 angelagerten ersten Targetteilchen 10 aus Niob mit den zweiten Targetteilchen 11 aus Zinn zu der intermetallischen Phase Nb₃Sn. Dabei wird eine sehr homogene Beschichtung mit einem phasenreinen Kristallgitter erzeugt.
In 2 ist das Messergebnis einer Röntgendiffraktometriemessung einer mit dem vorausgehend beschriebenen Verfahren in der exemplarisch dargestellten Vorrichtung 1 hergestellten Beschichtung aus Nb₃Sn dargestellt. Dabei ist die Intensität I der an der Beschichtung gestreuten Röntgenstrahlung in einer beliebigen Einheit in Abhängigkeit von dem jeweiligen Beugungswinkel 2θ über einen Bereich des Beugungswinkels 2θ zwischen 30° und 90° dargestellt. Mit der Messung konnten ausschließlich charakteristischen Beugungspeaks von Nb₃Sn nachgewiesen werden, die bei den jeweils durch eine gestrichelte Linie mit einem abschließenden Dreieck angedeuteten Beugungswinkeln 2θ aufgetreten sind. Andere ebenfalls mögliche Verbindungen von Niob und Zinn wie beispielsweise NbSn₂ oder Nb₂Sn₅ konnten dagegen ebenso wie reines Niob oder reines Zinn nicht nachgewiesen werden. Das Messergebnis bestätigt demzufolge, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die gewünschte Beschichtung des Grundkörpers 2 mit dem supraleitenden Material Nb₃Sn mit einem sehr phasenreinen Kristallgitter erzeugt werden konnte.
In 3 ist für die in 2 mit der Röntgendiffraktometrie vermessene Beschichtung aus Nb₃Sn der elektrische Widerstand R in Abhängigkeit von der Temperatur T dargestellt, wobei der elektrische Widerstand R auf den gemessenen Widerstandswert R(20K) bei einer Temperatur T von 20 K normiert ist. Es zeigt sich, dass die Beschichtung bei einer Temperatur T unterhalb von etwa 15.3 K supraleitende Eigenschaften und einen verschwindend geringen normierten Widerstand R/R(20K) aufweist. Die Sprungtemperatur, oberhalb der die supraleitende Eigenschaft verschwindet, beträgt etwa 16.3 K und ist nahe an der höchsten jemals für ein Bulkmaterial bzw. für einen Festkörper mit vergleichsweise großen Abmessungen nachgewiesenen Sprungtemperatur von 18.3 K für dieses Beschichtungsmaterial. Auch diese Messung belegt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine qualitativ hochwertige Beschichtung aus Nb₃Sn mit einem phasenreinen Kristallgitter hergestellt werden konnte.
In 4 ist exemplarisch ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Funktionselements 17 dargestellt. Unmittelbar auf der Oberfläche 6 des Grundkörpers 2, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kupfer besteht, ist eine Beschichtung 18 aus Nb₃Sn aufgebracht. Im Gegensatz zu den mit herkömmlichen Methoden hergestellten Funktionselementen mit einer derartigen Beschichtung ist zwischen der Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 und der Beschichtung 18 keine gesonderte Diffusionsbarriere angeordnet. Dadurch wird eine sehr effektive Wärmeübertragung von dem Grundkörper 2 in die Beschichtung 18 und umgekehrt begünstigt, welche für zahlreiche Anwendungen derartiger Funktionselemente 17 vorteilhaft ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung (16) eines Grundkörpers (2) mit einer Beschichtung (17) aus einem ersten Material und aus einem zweiten Material, wobei ein erstes Target (4) aus dem ersten Material und ein zweites Target (5) aus dem zweiten Material in einer Vakuumkammer angeordnet sind, wobei ein zu beschichtender Grundkörper (2) in der Vakuumkammer angeordnet ist, wobei ein Sputtergas in die Vakuumkammer eingebracht wird und wobei während eines Sputtervorgangs mit Sputtergasionen (16) erste Targetteilchen (10) aus dem ersten Target (4) herausgelöst und als Beschichtungsteilchen an dem Grundkörper (2) angelagert werden sowie zweite Targetteilchen (11) aus dem zweiten Target (5) herausgelöst und als Beschichtungsteilchen an dem Grundkörper (2) angelagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sputtervorgangs für das erste Target (4) eine erste Sputterrate und für das zweite Target (5) eine zweite Sputterrate so vorgegeben werden, dass während des Sputtervorgangs die Beschichtung (16) mit einem angestrebten stöchiometrischen Verhältnis der ersten Targetteilchen (10) zu den zweiten Targetteilchen (11) erzeugt wird, und dass der Grundkörper (2) während des Sputtervorgangs mit einer Heizvorrichtung (8) auf eine Beschichtungstemperatur von weniger als 600° C erwärmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein erstes Metall ist und dass das zweite Material ein zweites Metall oder ein Metallgemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die ersten Targetteilchen (10) aus dem ersten Material und die zweiten Targetteilchen (11) aus dem zweiten Material eine A15-Phase bilden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sputtervorgangs mindestens ein weiteres drittes Target in der Vakuumkammer angeordnet ist, und dass für jedes weitere dritte Target eine dritte Sputterrate für die Anlagerung von dritten Targetteilchen in der Beschichtung so vorgegeben wird, dass die Beschichtung mit einem angestrebten stöchiometrischen Verhältnis der dritten Targetteilchen zu den ersten und zweiten Targetteilchen (10, 11) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) während des Sputtervorgangs auf eine Beschichtungstemperatur zwischen 200° C und 600° C und vorzugsweise auf eine Beschichtungstemperatur zwischen 400° C und 500°C erwärmt ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sputtervorgangs ein Magnetronsputtern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Sputterrate und die zweite Sputterrate ein vorgegebenes Sputterleistungsverhältnis vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Niob ist und das zweite Material Zinn ist.
Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputterrate von Niob der 5,25-fachen Sputterrate von Zinn entspricht.
Funktionselement (17) mit einem Grundkörper (2) mit einer Beschichtung (18) aus einer A15-Phase, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18) unmittelbar auf einer Oberfläche (6) des Grundkörpers (2) mit einem Sputterverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 hergestellt ist.
Funktionselement (17) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Kupfer ist.
Funktionselement (17) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (17) eine Kavität für einen Beschleuniger oder ein supraleitendes Kabel für Magnetspulen ist.