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Die Erfindung beschreibt eine Anordnung für einen Vakuumlichtbogenverdampfer für die dropletarme Beschichtung von Bauteilen in einer Vakuumkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die plasmagestützte Beschichtung mit einem Vakuumlichtbogenverdampfer, auch als Vakuumbogen oder Lichtbogenverdampfer bezeichnet, hat gegenüber anderen Verfahren wesentliche Vorteile, die zur breiten industriellen Anwendung dieses Verfahrens für die Beschichtung von Werkzeugen und Maschinenbauteilen geführt haben. Ein Vorteil ist, dass mit Vakuumlichtbogenverdampfern abgeschiedene Schichten auf Werkzeugen und Bauteilen deutlich härter und haftfester hergestellt werden können als mit anderen PVD-Verfahren. Die weit verbreiteten Verschleißschutzschichten TiN, TiCN, TiAlN und Cr werden heute industriell nahezu ausnahmslos mit Vakuumlichtbogenverdampfern erzeugt. Auch harte diamantähnliche tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C) werden mit Lichtbogenverdampfer hergestellt. Lichtbogenverdampfer sind darüber hinaus u.a. auch für die Herstellung neuer Materialien auf Kohlenstoffbasis wie Grafen und Fullerene geeignet.
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Weitere Vorteile sind die einfache Verfahrensführung, die hohe Verdampferleistung und die sogenannte kalte Kathode. Der Verdampfer weist kein Schmelzbad auf und kann dadurch innerhalb der Beschichtungskammer beliebig angeordnet werden. Die Verdampfung von oben nach unten ist ebenso möglich wie die Verdampfung in horizontale Richtung.
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Verfahrenstypisch wird das zu verdampfende Material (Target) auf kathodisches Potential gelegt, während als Anode eine spezielle Elektrode vorhanden ist oder es wird einfach die Wand der Beschichtungskammer mit der Anode der Stromversorgung verbunden.
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In den bekannten Anordnungen brennt die Vakuumlichtbogenentladung auf einer ebenen Fläche eines Targets oder auf den Außenflächen eines rotationssymmetrischen Targets. Die ebene Fläche eines Targets oder die Außenflächen eines rotationssymmetrischen Targets bilden die Erosionsfläche für die Entladung und sind Quelle des Teilchenstromes für die Beschichtung von Substraten.
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Eine detaillierte Beschreibung zum Stand der Technik ist beispielsweise in der
DE 102010024244 A1 näher dargestellt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung eines Vakuumlichtbogenverdampfers, zur Beschichtung von Substraten in einer Vakuumkammer anzugeben, mit der bei einem vergleichbar geringen technischen Aufwand eine gleichmäßige und dropletarme Beschichtung der Substrate möglich ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
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Es wird ein Vakuumlichtbogenverdampfer zur Beschichtung von Substraten innerhalb einer Vakuumkammer, mit einem Target, einer Stromquelle und einer Zündquelle vorgeschlagen. Das Target ist mit dem negativen Pol der Stromquelle und die Vakuumkammer oder eine gesonderte Elektrode innerhalb der Vakuumkammer mit dem positiven Pol der Stromquelle verbunden.
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Erfindungsgemäß ist das Target als Targetrohr ausgebildet und das zu erodierende Material ist mindestens an der Innenwandung des Targetrohres angeordnet. Im Innenraum des Targetrohres ist eine Zündquelle vorgesehen, die geeignet ist, im Innenraum des Targetrohres ein Zündplasma zu erzeugen.
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Der Innenraum des Targetrohres ist mit dem Innenraum der Vakuumkammer über eine oder mehrere Öffnungen verbunden, wobei mindestens eine Öffnung des Targetrohres zum Austritt des verdampften und teilweise ionisierten Material in technologisch geeigneter Weise positioniert ist, derart dass der Dampfstrom in vorgegebener Weise die Substrate beschichtet.
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Ein oder mehrere Kathodenspots der Vakuumlichtbogenentladung entsteht/-en an der Innenfläche des Targetrohres, die aus dem zu erodierendem Material besteht. Der Plasmastrom besteht aus positiv geladenen Ionen des erodierten Materials, aus positiv geladenen Ionen eines Gases und Elektronen. Er verlässt das Targetrohr über die vakuumseitige Öffnung, im Folgenden Austrittsöffnung genannt, und mündet in der Vakuumkammer, in der die zu beschichtenden Substrate angeordnet sind.
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Als Zündquelle können alle als solche bekannte Zündquellen eingesetzt werden, z.B. Zündelektroden, die kurzzeitig mit dem Targetmaterial in Kontakt gebracht werden, wobei es zur Ausbildung einer örtlichen Entladung und eines Zündplasmas kommt. Auch mit Laserstrahlen können Zündplasmen erzeugt werden. Im Ausführungsbeispiel wird eine spezifische Anordnung angegeben.
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Zur Stabilisierung der Vakuumlichtbogenentladung wird in einer Weiterbildung der Erfindung ein Prozessgas in den Innenraum des Targetrohres eingeleitet.
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In der praktischen Anwendung wird es vielfach vorteilhaft sein, das Targetrohr an die Außenwand der Vakuumkammer anzuflanschen. Es ist aber auch möglich, das Targetrohr gesondert innerhalb der Vakuumkammer anzuordnen. Dann muss jedoch durch Isolation dafür gesorgt werden, dass der im Innenraum des Targetrohres brennende Vakuumbogen nicht auf die äußeren Flächen des Targets überspringt.
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In einer einfachen Ausführung ist nur eine stirnseitige Austrittsöffnung am Targetrohr vorhanden. Das andere stirnseitige Ende des Targetrohres ist gegenüber der Atmosphäre vakuumdicht verschlossen. Im Ausführungsbeispiel wird eine Ausführung angegeben, bei der die Zündquelle an diesem Ende angeordnet ist.
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Es kann auch vorteilhaft sein, dass an beiden stirnseitigen Enden des Targetrohres Austrittsöffnungen vorhanden sind, damit beidseitig angeordnete Substrate beschichtet werden können. Bei besonderen Beschichtungsaufgaben kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Austrittsöffnung ein Schlitz ist.
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Der innere Durchmesser des Targetrohres ist von der jeweiligen Aufgabe abhängig. Das Mindestmaß wird von der praktischen Möglichkeit zum Zünden und Aufrechterhalten einer Vakuumlichtbogenentladung bestimmt. Bei einem großen Innendurchmesser des Targetrohres steigt die Gefahr, dass entgegen der erfindungsgemäßen Aufgabe eine große Anzahl Droplets (Schmelztröpfchen) durch die Austrittsöffnung zu den Substraten gelangt. Falls der Anteil der Droplets auf der Substratoberfläche zu hoch ist, kann vorn in und nach der Austrittsöffnung eine zusätzliche Blende angebracht werden. In einfacher Weise kann das Targetrohr an der Austrittsöffnung einen Abschnitt aus einem isolierenden Werkstoff aufweisen, wodurch die Vakuumlichtbogenentladung auf den inneren Bereich des Targetrohres beschränkt ist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Droplets ist die Anbringung eine zusätzliche Magneteinrichtung, die das Target umschließt. Die Magneteinrichtung besteht aus mindestens einem Magnet und führt die Spots auf einer rotationssymmetrischen Bahn im Inneren des Targets. Die Magneteinrichtung verursacht eine höhere Geschwindigkeit der Kathodenspots bewirkt feinere Droplets. Die Magneteinrichtung kann bewegt werden und den Targetabbrand gezielt zugunsten eines gleichmäßigen Abtrags des zu erodierenden Materials beeinflussen.
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Die Lichtbogenentladung und der definierte Austritt des verdampften und ionisierten Materials kann vorteilhaft durch Magnetfelder beeinflusst werden.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Droplets, die auch bei der erfindungsgemäßen Lösung zwangsweise durch das hohe elektrische Entladungspotential am Fußpunkt des Kathodenspots aus dem Target heraus und in bekannter Weise geradlinig weggeschleudert werden, auf die gegenüber liegende Innenseite des Targetrohres treffen. D.h. die Droplets verbleiben mehrheitlich im Targetrohr und werden in der Folge erneut verdampft und ionisiert. Die Droplets aus erodierten Material können die Substrate nicht auf direktem Wege erreichen. Die auf den Substraten abgeschiedenen Schichten sind im Wesentlichen frei von Droplets oder sind wesentlich dropletärmer. Das führt auch zu einer hohen Ausnutzung des für die Beschichtung zu verdampfenden Materials.
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Im Gegensatz zu bekannten Lösungen kann in der erfindungsgemäßen Lösung auf Einrichtungen zur Führung des Plasmastroms, verzichtet werden. Diese Aufgabe übernimmt das Targetrohr in seiner geometrischen Ausbildung. Die elektrisch neutralen und vergleichsweise schweren Droplets werden nicht abgelenkt, bewegen sich von der kathodischen Wandung weg und erreichen mehrheitlich die gegenüberliegende Wandung des rohrförmigen Targets. Nur die wenigen Droplets, die flach von den Kathodenspots weggeschleudert werden, erreichen die Austrittsöffnung und gelangen in die Vakuumkammer und auf die Substrate.
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Der ionisierte Materialdampf aus den Kathodenspots wird von den Elektronen der Entladung in Richtung der vakuumseitigen Austrittsöffnung des Targetrohres innerhalb eines Plasmastromas mitgerissen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Zugehörig zeigt die Figur schematisch eine Ansicht der Anordnung eines erfindungsgemäßen Vakuumlichtbogenverdampfers zusammen mit einer Vakuumkammer und den zu beschichtenden Substraten.
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Im Ausführungsbeispiel sollen Bauteile und Schneidwerkzeuge mit hartem amorphen Kohlenstoff (ta-C) beschichtet werden. Auf die Vakuumerzeugung, die Beimischung von anderen Schichtmaterialien, die Zumischung von Prozessgasen und die Vorbehandlung der Substratoberflächen wird nicht eingegangen. Ausführungen zur Schichtabscheidung von harten Kohlenstoffschichten und Schichteigenschaften sind in Grimm, Plasma Process. Polym. 2009, 6, S433–S437, 2009 WILEY-VCH Verlag, Weinheim zu finden.
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Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, ist der Vakuumlichtbogenverdampfer 1 über einen Rohrstutzen 2 an einer Vakuumkammer 3 angeflanscht, in der Substrate 4 angeordnet sind. Der Vakuumlichtbogenverdampfer 1 enthält erfindungsgemäß ein Targetrohr 5, welches beispielhaft in der Gesamtheit aus Graphit, dem zu erodierenden Material, besteht. Es wäre auch möglich, nur jene Innenfläche des Targetrohres 5 mit Graphit zu beplanken, die tatsächlich als Erosionsflächen der Vakuumlichtbogenentladung genutzt wird. Der Außenmantel des Targetrohres 5 muss gegebenenfalls gekühlt werden.
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Der Rohrstutzen 2 besteht aus einem isolierenden Material, dass die Kathodenspots der Vakuumlichtbogenentladung auf das zu erodierende Material Graphit begrenzt.
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In der Ebene, in der der Rohrstutzen 2 mit der Vakuumkammer 3 verbunden ist, befindet sich die Austrittöffnung 6, durch die der Plasmastrom 7 in die Vakuumkammer 3 eintritt und in der Folge auf die Substrate 4 auftrifft.
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Eine Gleichstromquelle 8 stellt den Strom für eine gepulste Vakuumlichtbogenentladung bereit. Der Minuspol der Gleichstromquelle 8 ist mit dem Targetrohr 5 verbunden und der positive Pol mit der Vakuumkammer 3.
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Das Ende des Targetrohres 5, welches der Austrittöffnung 6 gegenüber liegt, ist mit einer Hilfselektrode 10, die in einem Isolator 11 gehaltert ist, vakuumdicht verschlossen. Zur Verbesserung der Zündeigenschaften ist die Innenseite des Isolators 11 (in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt) mit Bornitrid beschichtet. Die Hilfselektrode 10 ist mit dem negativen Pol einer Zündstromquelle 12 und der positive Pol ist mit der Vakuumkammer 3 verbunden.
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Zur Beeinflussung der Vakuumlichtbogenentladung ist zusätzlich eine Magneteinrichtung 9 vorgesehen, die axial verschiebbar außen auf dem Targetrohr 5 angeordnet ist. Die Magneteinrichtung 9 besteht aus mindestens einem Magnet und führt die Kathodenspots 18 auf einer rotationssymmetrischen Bahn innerhalb des Targetrohres 5. Die durch die Magneteinrichtung 9 verursachte höhere Geschwindigkeit der Kathodenspots 18 bewirkt feinere Droplets. Gleichzeitig kann der Targetabbrand gezielt, u.a. durch Verschieben der magneteinrichtung 9, zugunsten eines gleichmäßigen Abtrags des Materials beeinflusst werden.
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Die zu beschichtenden Substrate 4 sind in einem planetenartig rotierbaren Substratträger 14 gehalten, der mittels eines Drehantriebes 15 um die Drehachse 16 bewegt werden kann. Damit soll eine möglichst gleichmäßige Schichtabscheidung auf der gesamten Substratoberfläche bzw. auf allen Substratoberflächen erreicht werden.
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Der Substratträger 14 mit den Substraten 4 ist mit einer Spannungsquelle 13 verbunden, derart dass die Substrate 4 während der Beschichtung mit einer festen Vorspannung von 0 bis 800 V beauflagt werden können. Die Vorspannung beeinflusst in vorteilhafter Weise die Haftung der abgeschiedenen Schicht und die Schichteigenschaften.
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Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Vakuumlichtbogenverdampfer in der Anwendung näher beschrieben. Nachdem die Vakuumkammer 3 in technologisch vorgeschriebener Weise mit Substraten 4 bestückt und evakuiert wurde, wird die Vakuumbogenentladung im Targetrohr 5 gezündet.
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Dazu wird an der Gleichstromquelle 8 ein DC-Grundstrom von 50 A und ein Pulsstrom 1600 A bei 50 Hz eingestellt. Mit diesen Werten wird noch keine Vakuumlichtbogenentladung ausgebildet. Die Zündung der Vakuumlichtbogenentladung im Inneren des Targetrohres 5 erfolgt mittels eines Spannungspulses, der von der Zündstromquelle 12 in die Hilfselektrode 10 eingespeist wird.
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Im Inneren des kathodischen Targetrohres 5 kommt es zur Ausbildung eines Zündplasmas und in der Folge zu einer stabilen gepulsten Vakuumlichtbogenentladung mit einem oder mehrere Kathodenspots 18. Durch das Magnetfeld, welches von der verschiebbaren Magneteinrichtung 9 im Targetrohr 5 erzeugt wird, werden die Kathodenspots 18 kreisförmig über die innere Erosionsfläche des Targetrohres 5 getrieben. Damit wird gezielt eine gleichmäßige Erosion des Materials erreicht. Die verschiebbare Magneteinrichtung 9 kann dabei mittels einer geeigneten Vorrichtung periodisch verschoben werden.
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Der von den Kathodenspots 18 ausgehende Plasmastrom 7 wird in Richtung der Austrittsöffnung 6 abgelenkt. Der ionisierte Materialdampf aus den Kathodenspots 18 wird von den Elektronen der Entladung in Richtung der Austrittsöffnung 6 innerhalb eines Plasmastromas 7 mitgerissen. Die elektrisch neutralen und vergleichsweise schweren Droplets werden nicht abgelenkt, bewegen sich geradlinig von den Kathodenspots 18 weg und erreichen mehrheitlich die gegenüberliegende Wandung des Targetrohres 5. Nur wenige Droplets erreichen die Austrittsöffnung 6 und gelangen in die Vakuumkammer 3.
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Im Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Gaseinlass 17 zum Einlass eines kleinen Gasstromes im Rohrstutzen 2 angeordnet. Der Gaseinlass 17 kann auch am Targetrohr 5 oder in der Hilfselektrode 10 angeordnet sein. Der Gasstrom wird über die Austrittsöffnung 6 in die Vakuumkammer 3 abgesaugt und bewirkt eine zusätzliche Fokussierung des Plasmastromes 7.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Mehrzahl der Droplets die Substrate 4 nicht erreichen. Die abgeschiedenen Schichten auf den Substraten 4 werden dropletarm abgeschieden.
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Für den Fall, dass der Anteil der Droplets noch zu hoch ist, kann wie im Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine zusätzliche Blende 19 vor den Substraten 4 angebracht werden.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Droplets mehrheitlich im Targetrohr 5 verbleiben, von Kathodenspots 18 erreicht und erneut verdampft und ionisiert werden, zugunsten einer hohen Ausnutzung des zu erodierenden Materials.
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Im Gegensatz zu bekannten Lösungen kann in der erfindungsgemäßen Lösung auf Einrichtungen zur Führung des Plasmastroms, verzichtet werden. Diese Aufgabe übernimmt im Wesentlichen das Targetrohr 5 in seiner geometrischen Ausbildung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumlichtbogenverdampfer
- 2
- Rohrstutzen
- 3
- Vakuumkammer
- 4
- Substrate
- 5
- Targetrohr
- 6
- Austrittöffnung
- 7
- Plasmastrom
- 8
- Gleichstromquelle
- 9
- Magneteinrichtung
- 10
- Hilfselektrode
- 11
- Isolator
- 12
- Zündstromquelle
- 13
- Spannungsquelle
- 14
- Substratträger
- 15
- Drehantrieb
- 16
- Drehachse
- 17
- Gaseinlass
- 18
- Kathodenspot
- 19
- Blende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010024244 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Grimm, Plasma Process. Polym. 2009, 6, S433–S437, 2009 WILEY-VCH [0025]
