DE19516233C1 - Verdampferschiffchen für den Einsatz in der PVD-Beschichtungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verdampferschiffchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der PVD - (physical vapour deposition) Technik werden Verdampferschiffchen in der Hochvakuums-, be­ sonders der Bandbeschichtung eingesetzt. Mit Hilfe der Verdampferschiffchen werden verschiedenste Mate­ rialien, wie beispielsweise Papier-, Kunststoffolien und Textilien beschichtet. So beschichtete Materia­ lien finden breite Anwendung für Verpackungs-, Deko­ rationszwecke, bei der Kondensatorherstellung und in der Umwelttechnik (Isolation). Zur Beschichtung wird überwiegend Aluminium eingesetzt.

Als Grund- oder Trägermaterial für die Verdampfer­ schiffchen wird in der Regel heißgepreßtes kerami­ sches Material, das temperaturstabil und inert ist, wie z. B. Bornitrid, das mit einem halbleitenden Mate­ rial (z. B. TiB₂) verpreßt ist, verwendet. Das Mischungsverhältnis liegt dabei üblicherweise bei 45% BN und 55% TiB₂. Je nach Anteil an TiB₂ vari­ iert der spezifische elektrische Widerstand im Be­ reich zwischen 100 und 1400 µΩ _* cm. Als weitere Kompo­ nente kann AlN zugesetzt sein.

Es können aber auch Metalle, wie Tantal, Wolfram oder Molybdän für das Trägermaterial der Verdampferschiff­ chen verwendet werden.

Bei der Bandbeschichtung mit Aluminium wird bei Tem­ peraturen von ca. 1550°C, durch Zufuhr elektrischer Energie im Bereich von mehreren kW, bei einem Druck unterhalb 1 mbar, das Aluminium als Draht auf das Verdampferschiffchen kontinuierlich nachgeführt. Der hohe Temperaturgradient führt in der Schmelze zu Tur­ bulenzen in deren Folge Auswaschungen von Rinnen und andere Korrosionsfolgeschäden auftreten. Die Verdamp­ ferschiffchen sind in den PVD-Anlagen, das Teil, das am häufigsten ausgetauscht werden muß und bei dem während des Betriebes eine Verschlechterung der Ei­ genschaften auftritt.

Durch Zerstörung der Oberflächen infolge von Korro­ sion und Errosion sind die Standzeiten der Ver­ dampferschiffchen gering. Einwaschungen von tiefen Gräben treten auf und das Keramikmaterial reagiert mit Atomen der Metallschmelze. An der zerstörten Oberfläche kann keine gleichmäßige Verdampfung mehr erfolgen.

Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften wer­ den durch Diffusion des Verdampfungsmaterials in das Trägermaterial des Verdampferschiffchens negativ be­ einflußt und führt zum Ausfall.

Die Regelbarkeit der Verdampfung ist ebenfalls durch die schlechte Benetzbarkeit negativ beeinflußt. Dies kann sogar bis zur Unmöglichkeit der Regelbarkeit gehen.

Bei den bekannten Verdampferschiffchen kommt es ins­ besondere zu Beginn des Beschichtungsvorgangs zu Spritzern auf der Schicht oder zu unzureichender Be­ schichtung und demzufolge zur Verschlechterung der Beschichtungsqualität.

Metalle mit höheren Schmelztemperaturen, wie z. B. Kupfer, können nicht optimal verdampft werden.

Aus der DE 25 03 374 AS 2 ist ein Kohlenstoffschiff­ chen bekannt, bei dem die Oberfläche mit Metallen, wie z. B. Titan, Zirkonium, Hafnium oder Tantal bzw. mit deren Nitriden beschichtet sein können, wobei die Beschichtung für flüssiges Aluminium undurchlässig und das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten bei Erwärmung berücksichtigt sein soll.

Die Verwendung von Überzügen aus Wolfram und/oder Molybdän für keramische Verdampferschiffchen ist der DE 31 14 467 A1 zu entnehmen. Diese Überzüge sollen es ermöglichen, Metalle, wie Kupfer, Eisen, Nickel oder deren Legierungen auf bandförmiges Folienmateri­ al aufzubringen.

Die Beschichtung von keramischen Verdampferschiffchen mit Titancarbid, Zirkoncarbid, Hafniumcarbid, Vanadi­ umcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid, Chromcarbid, Mo­ lybdäncarbid, Wolframcarbid, Wolfram, Tantal und Mo­ lybdän zur Erhöhung der Verdampfungsgeschwindigkeit und Verbesserung der Benetzbarkeit ist in DE 25 35 569 AS beschrieben.

Eine spezielle geometrische Ausbildung eines Verdamp­ ferschiffchens mit einer lokal begrenzten Beschich­ tung ist der US 2 996 412 zu entnehmen.

Verschiedene Beschichtungen von Verdampferschiffchen sind auch in JP-A 04-028870, JP-A 56-112468 und JP-A 56-075571 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verdampferschiffchen für die PVD-Beschichtungtechnik zu verbessern, um durch Erhöhung der Abriebfestigkeit der Beschichtung die Verdampferschiffchen widerstandsfähiger gegen die auf Korrosion und Errosion beruhenden Einflüsse zu machen und die Lebensdauer zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen ergeben sich bei Verwendung der in den unter­ geordneten Ansprüchen genannten Merkmale.

Die Lebensdauer infolge erhöhter Widerstandsfähigkeit wird vorteilhaft durch das Aufbringen mindestens ei­ ner Schicht aus einem hochschmelzenden Borid, Carbid oder Nitrid der IV., V. und VI. Nebengruppe (vgl. Tabelle 1), oder einer stabilen Mischphase dieser Verbindungen (z. B. TiCN, TiZrN, (HfC·4TaC), wie sie aus Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, 8. Aufl., System Nr. 43, S. 55 bekannt sind oder einer stabilen Mischphase dieser Verbindungen mit Aluminiumnitrid (z. B. TiAlN, vgl. Oberflächentechnik, Verschleiß­ schutz, Die Bibliothek der Technik, Band 38, Verlag Moderne Industrie AG & CO., Landsberg/Lech, 1990) aufgetragen ist.

Die dichteste Bepackung der Zwischenräume im Metall­ gitter der Übergangselemente durch die Bor-, Kohlen­ stoff- und Stickstoffatome führt zu einer außeror­ dentlich hohen Stabilität. Diese sogenannten "Einla­ gerungsverbindungen" der Boride, Carbide oder Nitride sind reaktionsträge, sehr hart und haben hohe Schmelztemperaturen, oberhalb 2000°C. Außerdem sind sie sehr stabil gegenüber der Schmelze der zu ver­ dampfenden Metalle. Solche Beschichtung der erfin­ dungsgemäßen Verdampferschiffchen ist stark korro­ sionshemmend.

Die gebildete dichte Packung wirkt wie eine Barriere und verhindert die Diffusion des geschmolzenen Metalls. Die Beschichtung ist chemisch inert und ver­ hindert Korrosion an der Oberfläche durch chemische Umsetzung mit dem Schmelzgut.

Die glatte dichte Oberfläche und die Härte der einge­ schlossenen Boride, Carbide oder Nitride verringert die Errosionserscheinungen, die in Form von Aus­ waschungen auftreten können, um ein Mehrfaches.

Die Benetzbarkeit ist ebenfalls wesentlich besser, als bei herkömmlichen Verdampferschiffchen.

Je nach Trägermaterial der Verdampferschiffchen, dem Beschichtungsmaterial und dem Verwendungszweck können günstigerweise verschiedene Schichtaufbauten einge­ setzt werden. Am einfachsten ist ein Einschichtauf­ bau, mit einer Korrosionsschutzschicht auf dem Ver­ dampferschiffchen aus Keramikmaterial oder Metall, wie das bereits beschrieben wurde.

Bei Verdampferschiffchen aus keramischem Material, bei denen die Pulverkörner untereinander keine feste Bindung haben ist ein Mehrschichtaufbau, wie er spä­ ter beschrieben werden soll, erforderlich, um eine abriebfeste Beschichtung zu erhalten.

Untersuchungen haben ergeben, daß ein Mehrschichtauf­ bau mit einer zusätzlichen Metallschicht des entspre­ chenden Borides, Carbides oder Nitrides die Abriebfe­ stigkeit stark erhöht. Hierbei müssen die Metalle von Hause aus hohe Schmelzpunkte aufweisen. Es können bevorzugt Boride, Carbide, Nitride folgender Metalle verwendet werden:

Wolfram W (3400°C), Tantal Ta (2994°C), Mo­ lybdän Mo (2622°C), Niob Nb (2550°C), Haf­ nium Hf (2210°C), Chrom Cr (1900°C), Zirkon Zr (1860°C) und Titan Ti (1727°C).

Bei verschiedenen Verdampferschiffchenmaterialien, Anwendungsfällen und Materialien der ersten genannten Korrosionsschutzschicht sind weitere unterschiedliche Mehrschichtaufbauten günstig. Einige Nitride (z. B. TiN) und Boride (z. B. ZrB₂, HfB₂) haben eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit. Titannitridschichten haben beispielsweise einen spezifischen elektrischen Wider­ stand von 75 µΩ_*cm (vgl. Samad M. Edlou, John C. Si­ mons, Ghanimm A. Al-Jumaily, Nasrat A. Raouf, "Opti­ cal and electrical properties of reactively sputtered TiN, ZrN and HfN thin films", SPIE Vol. 2262, S. 96-107). Dabei führt zumindest ein Teil des durch das Verdampferschiffchen und die Korrosionsschutzschicht fließenden Stromes zur Aufheizung der Korrosions­ schutzschicht und eine isolierende Zwischenschicht wird erforderlich. Für diese isolierende Schicht kön­ nen hochschmelzende Oxide, wie Hafniumoxid HfO₂ (2842°C), Zirkoniumoxid ZrO₂ (2715°C) oder Magnesiumoxid MgO (2642°C) verwendet werden.

Bei Keramikschichten mit geringer Abriebfestigkeit des verwendeten Pulvers und der Verwendung elektrisch gut leitender Boride bzw. Nitride ist eine Kombina­ tion der bereits beschriebenen Mehrschichtaufbauten, aus Korrosionsschutzschichten, isolierender Schicht und Metallschicht günstig.

Bei den Schichtaufbauten, bei denen mindestens eine isolierende Schicht vorhanden ist, werden die Klemm­ stellen des Verdampferschiffchens freigehalten. Die Isolationsschicht muß an allen Stellen das leitfähige Material des Verdampferschiffchens abschirmen und kann insbesondere an den Seiten zu den Klemmstellen breiter als die Korrosionsschutzschicht sein.

Alle Schichten können mit bekannten Beschichtungsver­ fahren erzeugt werden. Als Beschichtungsverfahren können neben CVD-Verfahren, Zerstäubungsprozesse (Sputterprozesse, Magnet­ tronsputtern) auch ionengestützte Beschichtungsver­ fahren (Ionenplattieren) eingesetzt werden. Auch die Aufbringung der Oxidschichten bereitet keine Schwierigkeiten. Hierfür können neben Hochvakuum-Be­ schichtung mit Elektronenstrahlverfahren, verschiede­ ne Zerstäubungsprozesse (Sputterprozesse, Magnetronsputtern) und auch io­ nengestützte Beschichtungsverfahren (Ionenplattieren) eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Verdampferschiffchen können neben Keramik auch aus Metallen, wie Tantal, Molybdän oder Wolfram als Trägermaterial für die Schichten be­ stehen.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Verdampfer­ schiffchen;

Fig. 2 ein Beispiel mit einschichtiger Beschichtung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer eingeschlossenen zusätzlichen Metallschicht;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Isolierschicht und

Fig. 5 eine Kombination des Schichtaufbaus der Ausführungs­ beispiele nach den Fig. 3 und 4.

Die Fig. 1 zeigt ein beschichtetes Verdampferschiffchen 1.

In der Fig. 2 ist ein Teilschnitt eines mit einer Korrosionsschutzschicht a beschichteten Verdampfer­ schiffchens 1 dargestellt. Hierbei hat das Ver­ dampferschiffchen eine Länge von 127 mm, eine Breite von 30 mm und eine Höhe von 10 mm. Im Bereich der Wanne zur Aufnahme des Verdampfungsgutes ist sie mit Tantalnitrid in einer Dicke von 8 µm beschichtet. Es können aber auch die anderen genannten Materialien für die Schicht a verwendet werden. Die Schichtdicke liegt bevorzugt im Bereich zwischen 5 und 30 µm.

Das in der Fig. 3 gezeigte Verdampferschiffchen 1 hat die gleichen Abmessungen, wie das in Fig. 2 dar­ gestellte. Die Beschichtung des Trägermaterials a im Bereich der Wanne ist wie folgt aufgebaut:

Die Beschichtung des Trägermaterials a, dessen Pul­ verkörner untereinander keine feste Bindung aufwei­ sen, beginnt mit einer Tantalnitrid-Schicht b mit ei­ ner Dicke von ca. 5 µm, an die sich eine Zwischen­ schicht c aus Tantal, mit einer Dicke von ca. 4 µm anschließt und auf die wiederum eine Tantalnitrid­ schicht d mit einer Dicke von ca. 8 µm aufgebracht ist.

Es können aber auch die anderen in der Beschreibung genannten Materialien für die einzelnen Schichten verwendet werden. Wobei die untere Schicht b eine Dicke bis zu 5 µm, die metallische Zwischenschicht c eine Dicke von 2 bis 10 µm und die obere Schicht d eine Dicke von 5 bis 20 µm haben.

Das in der Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße Ausfüh­ rungsbeispiel ist besonders geeignet, wenn Nitride bzw. Boride mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als Schichtmaterial verwendet werden. Hier ist eine isolierende Zwischenschicht e erforderlich. Die bei diesem Beispiel, das wieder die gleichen Abmaße auf­ weist, eine 2 µm starke Zirkoniumoxid Schicht e ist, auf der eine Korrosionsschutzschicht b aus 8 µm dicken Titannitrid aufgebracht ist.

Wie auch bei den anderen Beispielen, können für die Schichten b oder e auch die anderen geeigneten Werk­ stoffe eingesetzt sein. Die Isolierschicht e ist da­ bei bevorzugt 2 bis 4 µm und die Korrosionsschutz­ schicht b etwa 5 bis 30 µm dick.

Das in Fig. 5 gezeigte Beispiel ist eine Kombination der beiden letztgenannten Beispiele, mit ebenfalls den gleichen Abmessungen. Die unterste direkt auf das Trägermaterial a aufgebrachte Isolierschicht e ist 2 µm stark und besteht aus Zirkoniumoxid. Daran schließt sich eine Korrosionsschutzschicht b aus Titannitrid mit einer Dicke von 6 µm an, auf die eine Titan­ schicht c (4 µm dick) und eine daran anschließende Titannitrid-Schicht d (Dicke 8 µm) in dieser Reihen­ folge folgen.

Tabelle 1

Claims (14)

1. Verdampferschiffchen aus einem keramischen oder metallischen Trägermaterial für den Einsatz in der PVD-Beschichtungstechnik, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Trägermaterial (a) ein Mehrschicht­ aufbau (b, c, d, e) aus einer Schicht aus einem hochschmelzenden Borid, Carbid oder Nitrid der IV., V. und VI. Nebengruppe, oder einer stabilen Mischphase dieser Verbindungen oder einer stabi­ len Mischphase dieser Verbindungen mit Alumini­ umnitrid, eine Schicht (c) des entsprechenden Metalls als Zwischenschicht und/oder einer iso­ lierenden Schicht (e) aus einem hochschmelzenden Oxid aufgetragen ist.

2. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Träger (a) weisende Schicht (b) eine Dicke bis zu 30 µm hat.

3. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (c) eine Dicke im Bereich von 2 bis 10 µm hat.

4. Verdampferschiffchen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schicht (c) eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 µm hat.

5. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (b) und die obere Schicht (d) aus Tantalnitrid und die Zwischenschicht (c) aus Tantal gebildet ist.

6. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (e) aus Hafniumoxid, Zirkonoxid oder Magnesiumoxid ge­ bildet ist.

7. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere isolierende Schicht (e) eine Dicke von 2 bis 4 µm hat.

8. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere vor Korrosion schützende Schicht (b) eine Dicke von 5 bis 30 µm hat.

9. Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Trägermate­ rial eine untere isolierende Schicht (e) aus einem hochschmelzenden Oxid, eine Zwischen­ schicht (b) aus einem hochschmelzenden Borid, Carbid oder Nitrid der Übergangselemente der IV., V. oder VI. Nebengruppe, eine Schicht (c) des entsprechenden Metalls als Zwischenschicht und auf diese eine weitere Schicht (d) aus dem hochschmelzenden Borid, Carbid oder Nitrid der Übergangselemente der IV., V. oder VI. Neben­ gruppe aufgetragen ist.

10. Verdampferschiffchen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die untere isolierende Schicht (e) eine Dicke im Bereich von 2 bis 4 µm hat.

11. Verdampferschiffchen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (b) eine Dicke bis zu 5 µm hat.

12. Verdampferschiffchen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (d) eine Dicke im Bereich von 2 bis 10 µm hat.

13. Verdampferschiffchen nach einem der Ansprüche 1 und 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (e) elektrisch leitfähi­ ges Material des Schiffchens (1) gegenüber der Schichten (b) und (d) vollständig abschirmt.

14. Verdampferschiffchen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (e) zumindest im Bereich von Klemmstellen des Schiffchens (1) breiter als die Schichten (b) und (d) ist.