-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anwendung der Vakuum-Lichtbogentechnik. Die Verwendung des gefilterten Plasmas eines Lichtbogen-Ionenverdampfers für die Deposition von Beschichtungen ermöglicht die Synthese von Nanopulver-Werkstoff, Oberflächenaufarbeitung durch Ionenimplantation sowie weitere Anwendungen. Das gefilterte Plasma, das mittels der vorliegenden Erfindung gewonnen wird, findet Anwendungen unter Anderem im Maschinenbau, Instrumenten- und Werkzeugbau, in der Herstellung von elektronischen Geräten, Nano-Pulver keramischer Materialien sowie in weiteren Bereichen der Industrie, zum Beispiel.
-
Hintergrund der Erfindung und Beschreibung des Standes der Technik
-
Die kathodische Lichtbogenplasma-Deposition, auch Lichtbogen-Ionenbeschichtung genannt, ist die weitverbreitetste Beschichtungstechnik für Fräswerkzeuge, Formen, Matrizen und Automobilteile.
-
Diese Technik, die aus der Entwicklung von Lichtbogen-Ionenverdampfer oder kathodischen Lichtbogen-Plasmaquellen in der Sowjetunion entstanden ist, wurde schrittweise weiterentwickelt, da es sich um eine hochwirksame Technik handelt, welche der Industrie die Deposition dünner Beschichtungen für verschiedene Bedürfnisse ermöglicht.
-
Eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen der kathodischen Lichtbogenplasma-Deposition ist es, das Plasma einzuschließen, das Verhalten des Plasmas zu steuern und die Menge an Makroteilchen wie Moleküle oder große Teilchen zu reduzieren, die den Plasmastrahl und die abgeschiedene Dünnschicht kontaminieren.
-
Viele Filtervorrichtungen wurden erfunden um das Plasma zu steuern und die großen Teilchen auszufiltern. Diese Filter verwenden mechanische Mittel und/oder ein Magnetfeld, um das geforderten Ergebnis zu erzielen, und sie weisen unterschiedliche vor- und nachteiligen Eigenschaften auf.
-
Eine der in der Sowjetunion von A. I. Ryabchikov entwickelten mechanischen Vorrichtungen ist ein großer Lamellenfilter.
-
Der Ryabchikov-Lamellenfilter verwendet einen großen Rahmen mit mehreren in diesem Rahmen angeordneten Platten. Die Platten sind jalousieartig zwischen dem Lichtbogen-Ionenverdampfer und dem Substrat der Werkstücke angewinkelt, wobei die jalousieartige Anordnung dazu führt, daß keine direkte Sichtlinie zwischen dem Lichtbogen-Ionenverdampfer und den Werkstücken besteht.
-
Schlagen neutrale Teilchen oder große Teilchen in die Platten dieses Lamellenfilters ein, so betten sie sich in die Platten ein oder prallen in anderen Richtungen ab. Dennoch kann extrem hochenergetisches Plasma durch den Raum zwischen den Lamellenfilterplatten gelangen.
-
Um einen besseren Plasmatransport aus einem Lamellenfilter zu erzielen wird ein bestimmtes elektrisches Spannungsmuster verwendet um das Magnetfeld um jede Platte des Filters zu erzeugen. Das sich um die Platten des Filters umgebende Magnetfeld trägt dazu bei, das Plasma aus der Lamellenstruktur zu beschleunigen.
-
1 (Stand der Technik) zeigt das Prinzip des Lamellenfilters von Ryabchikov. Der Lichtbogen-Ionenverdampfer (101) erzeugt den Plasmastrahl, der aus positiven Ionen (109), Elektronen (113) und neutralen Teilchen (111) besteht. Obwohl die positiven Ionen- und Elektronen Bestandteile des Plasmas sind, können neutrale Teilchen in verschiedenen Größen von Atomgröße bis zu großen Partikeln von einigen Mikrometern oder größer auftreten.
-
Die Lamellenstruktur (114), die für Filtration verwendet wird, ist mit großen, rechteckigen, parallel zueinander angeordneten Platten gebaut. Ist die Nachfrage an Filtration hoch, so werden die Platten so angewinkelt, daß keine Sichtlinie zwischen dem Lichtbogen-Ionenverdampfer und den Werkstücken besteht. Falls ein höherer Plasmatransport benötigt wird, so muß der elektrische Strom in der mit der Nummer 115 bezeichneten Richtung spezifisch vorgespannt werden.
-
Zum deutlicheren Verständnis des Prinzips des Lamellenfilters zeigt 2 (Stand der Technik) eine schematische Skizze des Systems, installiert in einer Vakuumkammer. Der Lichtbogen-Ionenverdampfer (101) erzeugt einen Plasmastrahl, gerichtet auf die Lamellenfilterstruktur (114). Der Satz von Filterplatten (bzw. -schaufeln oder -lamellen oder -gitter) ist derart angewinkelt, daß die Sichtlinie zwischen dem Lichtbogen-Ionenverdampfer (101) und dem Werkstück-Substrat (116) unterbrochen wird. Ferner aus der 2 sollte beachtet werden, daß das komplexe elektrische Vorspannungssystem des Lamellenfilters notwendig ist um das Plasma effizienter auszutransportieren. Eine solche Komplexität schränkt die Nutzung dieses Systems in erster Linie auf Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ein, die eine besonders glatte Dünnschicht mit sehr geringer Makroteilchen-Kontamination fordern.
-
3 (Stand der Technik) zeigt das Prinzip des Plasmatransports für Lamellenfilter. Durch die elektrische Vorspannung des Lamellenfiltersystems, wie in 1 und 2 dargestellt, wird das Magnetfeld (110) um jede Platte oder Lamelle (114) des Filters herum erzeugt. Wenn ein Plasmastrahl des Lichtbogen-Ionenverdampfers, der aus Plasma (109) und neutralen Teilchen (111) besteht, in die Filterlamellen (oder -platten) gelangt, durchquert nur das Plasma den Raum zwischen den Platten, wobei die neutralen Teilchen stecken und kommen nicht durch.
-
4 (Stand der Technik), aus dem
US-Patent 8,382,963 B2 erteilt im Namen von Frank Weber und Samuel Harris, zeigt das Ergebnis ihrer Studie über die Funktion eines Lamellenfiltersystems in Sichtlinie-Modus. Sie haben festgestellt, daß, da die Flugbahn der Mehrheit der neutralen Teilchen nicht orthogonal zur Zielfläche (
102) des Lichtbogen-Ionenverdampfers liegt, ist es daher möglich, die Tiefe und den Abstand zwischen jeder Platte (
114) des Filters zu verwenden, um einige der großen Teilchen zu reduzieren, und zwar ohne die Notwendigkeit, die Platte so zu verstellen, daß sie die Sichtlinie zwischen LIchtbogen-Ionenverdampfer und Werkstückoberfläche blockiert. Obwohl die durch dieses Verfahren gewonnene Beschichtung nicht frei von Makroteilchen-Kontaminations sein mag, genügt sie dennoch für die Beschichtung von Fräswerkzeugen und Automobilteilen.
-
Dennoch liegt es in der Natur des Plasmas, daß es sich in Form einer festen Drehkörper-Bewegung (kreisförmigen Bewegung) bewegt, doch die oben erwähnten Filter sind nicht entlang der gleichen Linie positioniert oder sie entsprechen nicht die Bewegung des Plasmas, was zu einem unnötigen Verlust von Plasma führt.
-
Die mathematische Formel tan Θ krit. = D/S der 4 (Stand der Technik), wird für die Suche nach dem kritischen Winkel der neutralen Teilchen verwendet, die vom Zielfläche (102) des Lichtbogen-Ionenverdampfers zu den Filterplatten (114) ausgestoßen werden. Wenn die Filterplatte eine Tiefe D aufweist, die länger ist als der kritische Wert, oder einen Abstand S hat, der niedriger ist als der kritische Wert, der aus der Formel abgeleitet wird, so wird das Neutralteilchen im Filtersystem gefangen werden.
-
D ist die Tiefe des Filters. S ist der Abstand (das Abstandsmaß) zwischen den Elementen (Platten). Θ ist der Winkel mit welchem das Neutralteilchen von dem Ziel ausstößt (Emission). Θ crit., der kritische Winkel, ist der maximale Winkel an welchem mindestens einen Prall auf den Filter stattfindet. 102 ist das Zielmaterial des Lichtbogen-Ionenverdampfers. 114 ist die Platte oder Element des Filters. 111 ist das neutrale Teilchen, das in die Filterplatte stößt und dort eingeschlossen wird. 111a ist das neutrale Teilchen, das bei dem kritischen Winkel durch gelangen kann.
-
Es sollte beachtet werden, daß der kritische Winkel auch von der Gestaltung des Ziels und des Lichtbogen-Ionenverdampfers und von der Anwendung der Formel der 4 (Stand der Technik) abhängt. Der Konstrukteur des Systems kann bestimmen, wie viel Filtration der großen Teilchen erforderlich ist.
-
Um einen besseren Plasmatransport zu erlangen verwendet das System des
US-Patent 8,382,963 B2 noch die elektrische Vorspannung gemäß dem Konzept von Ryabchikov bzgl. Magnetfeld-Plasmatransport.
-
Da die Eigenschaft des genannten Filters die Form eines Lamellenfilters hat, so ist es möglich, daß ein Teil des Plasmas vom bestimmten Pfad in Richtung des Objekts abgewichen oder nach Außen bewegt wird. Um das Plasma entlang des richtigen Pfades oder in die richtige Richtung zu treiben kann es daher notwendig sein, mehr elektrische Energie zu verbrauchen. Ferner wird das Solenoid in Webers Ausführung um die Lichtbogenquelle herum angeordnet, wobei das Magnetfeld zwar auch extern mit Bezug auf den Filterkörper erzeugt wird, doch das Solenoid-Feld tendiert, das Plasma, das sich an die Solenoid-Region vorbei bewegt, aus dem Zentrum weg umzuleiten. Doch um den Plasmastrom zu erhöhen und die Integrität der Magnetfeldlinie zu bewahren, setzt Weber die elektrische Vorspannung in die lineare Lamelle des Lamellenfilters ein um das unterstützende Magnetfeld zur Führung von Plasma aus dem Filtersystem zu erzeugen.
-
Für ihr System hat Weber nämlich ein um die kathodische Lichtbogenquelle herum angeordnetes Solenoid zusammen mit dem vorgespannten linearen Lamellenfilter verwendet, und somit ein komplexes elektrisches Vorspannsystem, das zu einem sehr hohen Herstellungsaufwand für den Filter beiträgt, gebaut.
-
Sowohl Weber als auch Ryabchikov haben einen höheren Strom (30–60 A pro Lamelle und 1 kA) verwendet für das Magnetfeld zum Transport des Plasmas, wobei dieser Filter mit mehrfachen parallelen geraden Rohren nur einen kleinen Strom (3A–5A) braucht und wobei das Plasma ferner über die eigene kinetische Energie verfügt, die zu seinem Ausstoß oder Austrieb aus dem Filtersystem beiträgt. Dies hat zur Folge, daß das erfindungsgemäße Filtersystem in der Lage ist, Plasma effizienter zu transportieren als die bestehenden Produkte des Standes der Technik.
-
5 (Stand der Technik) zeigt das Lamellenfiltersystem des Fraunhofer Instituts, Dresden, Deutschland. Es handelt sich um ein großes System, gebaut nach dem Entwurf von Ryabchikov, wobei viele Lichtbogen-Ionenverdampfer auf einer Seite des Filters angeordnet werden können.
-
Doch obwohl der Lamellenfilter hochwirksam bei der Filtration von großen Teilchen ist, und obwohl er sich sehr flexibel bei der Gestaltung an die Bedürfnisse der Nutzer anpassen lässt, ist er wegen einiger inhärenten Probleme weniger beliebt in der Industrie. Einige Beispiele dieser Probleme sind, daß die Struktur groß ist und nimmt viel Platz in der Vakuumkammer in Anspruch, wobei die effiziente Nutzung des Innenraums innerhalb der Vakuumkammer zwecks Kostensenkung erforderlich ist. Dieses Filtersystem erfordert eine komplexe elektrische Vorspannung um das Magnetfeld zu erzeugen, sodass die Kosten für den Bau und die Wartung dieser Filteranlage ebenfalls hoch sind. Im Inneren der Depositionskammer scheiden die Beschichtungsmaterialien auf vielen Teilen des Vakuumsystems ab, wobei es notwendig ist, die abgeschiedenen Materialien regelmäßig zu entfernen. Das große und komplexe System lässt sich für Wartungsarbeiten schwer demontieren, und es fordert auch ein größeres Reinigungs- oder Beschichtung-Entfernungssystem um das abgeschiedene Material aus dem Filtersystem zu entfernen.
-
Während der Ära der Sowjetunion, I. I. Aksenov et al untersuchten die Winkelverteilung von neutralen Teilchen und großen Teilchen aus kathodischen Lichtbogen-Depositionsanlagen und stellten fest, daß die Mehrheit der neutralen Teilchen und großen Teilchen mit einem Winkelgrad von 25 Grad bis 30 Grad zum Zielfläche aus dem Lichtbogen-Ionenverdampfer ausgestoßen werden.
-
Dieses Wissen spiegelt sich in der Konstruktion vieler gesteuerten Lichtbogen-Ionenverdampfer (Englisch: Steered Arc Ion Evaporators) aus zahlreichen Forschungsinstituten in der Sowjetunion wider. Wegen der Anordnung des Ziels des Lichtbogen-Ionenverdampfers tief im Inneren der eigenen Öffnung (Englisch: Port) und wegen des Einsatzes eines quellenfreien Feldes (Englisch: solenoid field) um das Plasma hinaus zu vertreiben, während neutrale und große Teilchen auf die Oberfläche der Öffnung aufprallen, so erhöht sich das Ion/Neutral-Verhältnis, wodurch bessere Beschichtungen erwirkt werden können.
-
6 (Stand der Technik) zeigt ein System, in welchem dieses Konstruktions-Konzept eingesetzt wird. Das Ziel (102) des Lichtbogen-Ionenverdampfers befindet sich tief im Inneren eines Ports (103), bzw. eines Rohres falls das Ziel eine runde in die Vakuumkammer gerichtete Fläche aufweist, und weist ein Solenoid (104) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (bzw. eines Solenoid-Feldes) auf, um das Plasma hinaus zu vertreiben. Das genannte Plasma, das vom Solenoid-Feld hinaus vertrieben wird, strömt innerhalb der Vakuumkammer in Richtung des Werkstücks und scheidet eine Beschichtung auf der Oberfläche des Werkstücks (116) ab.
-
7 (Stand der Technik) zeigt das Magnetfeld (110), das durch Solenoid-Wicklungen (104) erzeugt wird. Dieses Solenoid-Feld dient zur Führung des Plasmas vom Ziel (102) des Lichtbogen-Ionenverdampfers an die Werkstückoberfläche (116), denn Plasma bewegt sich entlang der Magnetfeldlinie.
-
Ein Filtersystem, das Solenoid-Ports verwendet hat einige Vorteile, wie z.B. einen geringen Anspruch an Platz für das System, da es sehr kompakt gebaut und im Lichtbogen-Ionenverdampfer eins-zu-eins eingebaut werden kann. Doch diese Art von System wird als wenig filtrationseffizient erachtet, weil die verwendete Öffnung (Port) groß im Vergleich zum Durchmesser des Ziels des Lichtbogen-Ionenverdampfers ist, sodass eine erhebliche Menge der neutralen Teilchen von der Wand des Solenoiden-Ports hinaus reflektieren und allzuleicht auf der Werkstückoberfläche landen können.
-
Da das Preis-Leistungs-Verhältnis nicht hoch ist, hat sich dieses Filtersystem nicht weit in den industriellen Bereichen außerhalb der Länder der ehemaligen Sowjetunion verbreitet.
-
Ich der Erfinder der vorliegenden Erfindung hatte zuvor die Vor- und Nachteile der oben genannten Systeme in Betracht gezogen, um ein neues Filtersystem zu entwickeln. Das neue System weist Vorteile des Filtersystems des Standes der Technik auf und verringert die Nachteile.
-
Ich der Erfinder der vorliegenden Erfindung verwende mehrere parallel zueinander angeordneten Rohre statt der Lamellenstruktur, sodass die mehreren Rohre in der Öffnung, die sich vor dem Lichtbogen-Ionenverdampfer befindet, installiert werden können. Auf diese Weise kann das Volumen innerhalb der Vakuumkammer konserviert werden, denn die vorliegende Erfindung kann eins-zu-eins in jedem Lichtbogen-Ionenverdampfer installiert werden. Sobald Bedarf an einem besseren Plasmatransport besteht, kann das Solenoidsystem verwendet werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um mehr Plasma hinaus zu vertreiben. Dank des Solenoid-Feldes kann die Komplexität der Konstruktion und Herstellung des Systems zur Erzeugung des Magnetfeldes für die elektrische Vorspannung eines Lamellenfilters vermieden werden.
-
Darüber hinaus ist das Lamellensystem nur in gewissen Richtungen wirksam, insbesondere dann, wenn es im Sichtlinie-Modus arbeitet; zum Beispiel wenn die Platten (Lamellen) waagerecht, ohne Neigung angeordnet sind bleibt ein großer Raum entlang der horizontalen Linie wobei mehr große Teilchen links und rechts nach Außen gelangen können. Sind sie Senkrecht ohne Neigung angeordnet, so bleibt ein großer Raum entlang der vertikalen Linie wobei mehr große Teilchen nach oben und nach unten aus gelangen können.
-
Doch da die vorliegende Erfindung eine Rohrstruktur verwendet, blockiert es große Teilchen aus allen Richtungen und lässt weniger von ihnen durch das Filtersystem.
-
Im Vergleich zum einfachen Solenoid-Port-Filter des Standes der Technik kann die vorliegende Erfindung mit Anwendung mehrerer Rohren, die großen Teilchen, die aus den Wänden der Solenoid-Ports reflektieren wirksam blockieren. Daher bietet die vorliegende Erfindung wirksamere Filtration und eine bessere Kosteneffizienz.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
8 (vorliegende Erfindung) zeigt das Prinzip der mehrfach-Geradrohr-Filtersystem für Lichtbogen-Ionenverdampfer gemäß der Erfindung. Lichtbogen-Ionenverdampfer (101) weist ein Ziel (102) auf, das als Kathode zur Verdampfung der gewünschten Materialien installiert ist. Plasma und Teilchen aus dem Ziel bewegen sich in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung in die parallelen mehrfachen geraden Rohre, die die neutralen und großen Teilchen aus dem Plasmastrahl ausfiltern. Die genannten parallelen mehrfachen Geradrohre bestehen aus einem geraden innersten Rohr (105), einem Satz benachbarter Geradrohre (106), einem Satz den benachbarten Geradrohren benachbarter Geradrohre (107), die parallel zueinander und innerhalb des äußersten Geradrohrs (103) angeordnet sind. Die Anzahl oder Menge eines Satzes benachbarter Geradrohre kann vorzugsweise von 2 bis mehrere Rohre sein, je nach den Bedürfnissen des Konstrukteurs. Die Tiefe und der Raumabstand dieser Rohre können durch Versuche des Konstrukteurs oder durch die in der 4 angezeigte mathematische Formel bestimmt werden.
-
Durch eine solche Anordnung kann der Plasmastrahl, der einen höheren Energieniveau und mehr Volatilität als Gas aufweist, den Raum zwischen den mehreren parallelen Geradrohren durchqueren, wobei die neutralen oder großen Teilchen, die eine zu den mehreren parallelen Geradrohren des Filtersystems angewinkelte Flugbahn aufweisen, sich entweder innerhalb des Filters implantieren oder dort angehalten werden.
-
Besteht Bedarf an einem besseren Plasmatransport, so werden die Solenoidwicklungen (104) um das äußerste Geradrohr umgebenden installiert. Da das erzeugte Solenoid-Feld (bzw. Magnetfeld) Feldlinien aufweist, die parallel zu den mehreren parallelen Geradrohren verlaufen, wird das Plasma (bzw. Ion) effizienter aus dem Filtersystem ausgeführt werden.
-
Für den Satz der mehrfachen parallelen Geradrohre, wie beispielsweise als 105, 106, 107 in 8 bezeichnet (der aus innersten und benachbarten Geradrohren besteht) kann der Konstrukteur des Systems eines der folgenden (nicht-limitierenden) Verfahren zur Vorspannung der genannten Rohre wählen: das System der parallelen Geradrohre elektrisch potentialfrei lassen; das System der parallelen Geradrohre positiv bzgl. der Spannung des Ziels des Lichtbogen-Ionenverdampfers gestalten, um den Lichtbogen-Ionenverdampfer zu stabilisieren falls er instabil ist; oder das System der parallelen Geradrohre so zu konstruieren, daß sie die Erzeugung des hohen elektrischen Potentialfeldes bzgl. des Werkstücks um eine bessere Steuerung der Beschichtungsstruktur, oder für Ionätzung des Werkstücks usw.
-
Das Material, das für die Rohrkonstruktion verwendet wird, kann aus verschiedenen Materialien ausgewählt werden, unter der Voraussetzung, daß es die Wärme und/oder die erosiven Eigenschaften des Plasmastrahls widerstehen kann. Das Material kann hochschmelzendes Metall, Metalllegierung, Keramik, Verbundwerkstoffe usw. (aber nicht beschränkt auf diesen) gemäss Bevorzugung des Systemkonstrukteurs.
-
9 (vorliegende Erfindung) zeigt das Filtrationsverfahren, das innerhalb des mehrfachen parallelen Geradrohrsystems der Erfindung stattfindet. Wenn der Plasmastrahl des Lichtbogen-Ionenverdampfers entlang der Pfeilrichtung auf das Filtersystem verläuft, wird das positive Ion [mit + bezeichnet] (109), das dem Teil des Plasmas entspricht, der durch das Magnetfeld beeinflusst werden kann, entlang der Magnetfeldlinie (110) bzw. der Solenoid-Feldlinie, die von Solenoidwicklungen (104) erzeugt wird, und die auch parallel zum mehrfachen Geradohrsystem (das aus dem äußersten Geradrohr (103) und dem inneren Rohrsystem besteht) liegt, geführt. Das genannte positive Ion wird leicht über das mehrfach-Geradrohrsystem vorbeigeführt werden, wobei die neutralen Teilchen (111), die nicht vom Magnetfeld beeinflusst werden und eine zum mehrfach-Geradrohrsystem angewinkelte Flugbahn (112) aufweisen, kollidieren mit einer der Wände des Rohrs und genau dort anhalten oder reflektiert und im Inneren des mehrfach-Geradrohrsystem angehalten werden.
-
10 (vorliegende Erfindung) zeigt die Vorderansicht des parallel-mehrfach-Geradrohr-Filtersystems gemäß der Erfindung. Wie in 8 angezeigt, entsprechen die Rohre 105, 106 und 107 dem innersten Geradrohr, dem benachbarten Geradrohr und dem übernächstbenachbarten Geradrohr, wobei 103 entspricht dem äußersten Geradrohr mit außen umgebenden Satz von Solenoidwicklungen 104. Das Elektrische Vorspannsystem 108 wird zum Vorspannen des genannten Solenoids verwendet.
-
Ein Filtersystem mit mehrfachen, parallelen, geraden Rohren, das in Vorderansicht eine kreisförmige Struktur aufweist, wie in 10 abgebildet, ist für den Einbau in einen Lichtbogen-Ionenverdampfer mit einem kreisförmigen Vorderfläche geeignet.
-
11 (vorliegende Erfindung) zeigt die Vorderansicht des parallel-mehrfach-Geradrohr-Filtersystems gemäß der Erfindung. Wie in 8 angezeigt, entsprechen die Geradrohre 105, 106 und 107 dem innersten Geradrohr, dem benachbarten Geradrohr und dem übernächstbenachbarten Geradrohr, wobei 103 entspricht dem äußersten Geradrohr mit außen umgebenden Solenoid 104. Das elektrische Vorspannsystem 108 wird zum Vorspannen des genannten Solenoids verwendet.
-
Ein Filtersystem mit mehrfachen, parallelen, geraden Rohren, das in Vorderansicht eine rechteckige Struktur aufweist, wie in 11 abgebildet, ist für den Einbau in einen Lichtbogen-Ionenverdampfer mit einem rechteckigen Vorderfläche geeignet.
-
12 (vorliegende Erfindung) zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels experimenteller parallel-mehrfach-Geradrohre, die innerhalb des Solenoid-Rohrs installiert sind.
-
13 stellt das Ergebnis eines Rauigkeitstests dar: Rauigkeit Durchschnitt (Ra), Rauigkeit quadratischer Mittelwert (Rq) und Rauigkeit Zehnpunkthöhe (Rz) der ungefilterten und gefilterten mit TiAlSiN beschichteten Proben gemäß der Erfindung wobei der Rauigkeitswert der gefiltert beschichteten Probe tiefer ist als der Rauigkeitswert der ungefiltert beschichteten Probe.
-
14 stellt Vergleichswerte der Rauigkeit dar, und zwar vor und nach Beschichtung der gefilterten und ungefilterten Proben mit TiAlSiN, wobei die ungefilterten Proben weisen eine Steigerung des durchschnittlichen Rauigkeitswerts von 0.0684 um auf; dementgegen weisen die gefilterten Proben eine Steigerung des durchschnittlichen Rauigkeitswerts von bloß 0.0248 um auf. Das Ergebnis zeigt deutlich, daß die Proben, die durch ein erfindungsgemäßes Filtersystem gefiltert wurden 63.7% ebener sind als die ungefilterten Proben.
-
Ferner zeigen 15 und 16 Fotos der Proben vor und nach deren Beschichtung mit TiAlSiN mittels der Filter- und Nichtfiltersysteme, wobei die Fotos von einem Elektronenmikroskop mit einer 2'500-fachen Vergrößerung gemacht wurden und wobei die gefilterten Proben eine Depositionsrate von 1,5 um/Stunde haben. Die für die gefilterte Plasma-Beschichtung angewandte Druckbedingung wurde auf 0,1 Pa gesetzt, wobei ein Druck gemäß der Erfindung im Bereich 0,1–1,5 Pa liegt, vorzugsweise im Bereich 0,5–1,5 Pa, in N2 gas. Die Länge der verwendeten Geradrohre betrug 40 mm, mit einem Zwischenabstand von 20 mm. Es waren beide Arten von mehrfach-Geradrohr-Filtern vorhanden, die nicht-solenoid-gewickelte und die solenoid-gewickelte, je nach Art der Lichtbogenquelle, die im Experiment, welches mit mehreren Lichtbogenquellen durchgeführt wurde, verwendet wurde. Jeder der solenoid-gewickelten mehrfach-Geradrohr-Filter wurde mit 24 V, 3–5 A elektrisch vorgespannt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 (Stand der Technik) ist eine schematische Ansicht eines Lamellenfilters des zitierten Referenzdokuments 1
-
2 (Stand der Technik) ist eine schematische Ansicht eines Lamellenfilters des zitierten Referenzdokuments 2
-
3 (Stand der Technik) zeigt Plasmatransport entlang Magnetfeldlinien, aus dem zitierten Referenzdokument 3
-
4 (Stand der Technik) zeigt die mathematische Formel zur Bestimmung des kritischen Winkel für den Sichtlinie-Modus im Lamellenfilter, aus dem zitierten Referenzdokument 6
-
5 (Stand der Technik) ist eine schematische Ansicht eines Lamellenfilters vom Typ Ryabchikov aus dem zitierten Referenzdokument 3
-
6 (Stand der Technik) ist eine schematische Ansicht einer Filtervorrichtung mit Solenoid-Feld gemäß dem zitierten Referenzdokument 5
-
7 (Stand der Technik) ist eine schematische Darstellung des Magnetfeldes, das durch das Solenoid des zitierten Referenzdokuments 5 erzeugt wird
-
8 (vorliegende Erfindung) ist eine schematische Seitenansicht des parallel-mehrfach-Geradrohrfilters
-
9 (vorliegende Erfindung) zeigt das Prinzip des parallel-mehrfach-Geradrohrfilters
-
10 (vorliegende Erfindung) ist eine schematische Frontansicht des parallel-mehrfach-Geradrohrfilters für Lichtbogen-Ionenverdampfer mit einer kreisförmigen Vorderfläche
-
11 (vorliegende Erfindung) ist eine schematische Frontansicht des parallel-mehrfach-Geradrohrfilters für Lichtbogen-Ionenverdampfer mit einer rechteckigen Vorderfläche
-
12 (vorliegende Erfindung) ist eine schematische Ansicht eines experimentellen parallel-mehrfach-Geradrohrs angeordnet innerhalb des Solenoid-Rohrs
-
13 stellt das Ergebnis eines Rauigkeitstests dar: Rauigkeit Durchschnitt (Ra), Rauigkeit quadratischer Mittelwert (Rq) und Rauigkeit Zehnpunkthöhe (Rz) der ungefilterten und gefilterten mit TiAlSiN beschichteten Proben durchgeführt mit einer Abschnittlänge 0,8 und Messlänge 5 mm.
-
14 zeigt komparative Rauigkeitswerte vor und nach der Beschichtung der gefilterten und ungefilterten Proben mit TiAlSiN.
-
15 zeigt die mittels Raster-Elektronen-Mikroskopie gewonnenen Abbildungen von ungefilterter TiAlSiN Beschichtung zu 2'500x.
-
16 zeigt die mittels Raster-Elektronen-Mikroskopie gewonnenen Abbildungen von gefilterter TiAlSiN Beschichtung zu 2'500x.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Filtersystem gemäss 8 der vorliegenden Erfindung, mit mehrfachen, parallelen, geraden Rohren, besteht aus einem Lichtbogen-Ionenverdampfer 101, wobei das Ziel 102 als die Kathode installiert ist, um das gewünschte Material als Plasma zu verdampfen. Das genannte Plasma und die neutralen Teilchen, die vom genannten Lichtbogen-Ionenverdampfer erzeugt werden, bewegen sich in Pfeilrichtung in das parallel-mehrfach-Geradrohrsystem, das die neutralen und großen Teilchen aus dem Plasmastrahl ausfiltert. Die genannten mehrfachen, parallelen, geraden Rohren bestehen aus einem innersten Geradrohr 105, einem Satz benachbarter Geradrohre 106 und einem Satz übernächstbenachbarter Geradrohre 107, die parallel zueinander und innerhalb des äußersten Geradrohrs 103 enthalten angeordnet sind. Die Anzahl oder Menge eines Satzes benachbarter Rohre beträgt vorzugsweise 2 oder mehrere Rohre je nach Bedarf des Konstrukteurs. Zum besseren Plasmatransport werden die Solenoidwicklungen (104) rund um das äußerste Rohr installiert, wobei das erzeugte Magnetfeld (oder Solenoid-Feld) das Plasma effizienter aus dem Filtersystem führen wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Lichtbogen-Verdampfer
- 102
- Kathode-Ziel
- 103
- Anodenrohr und Kern for geometrische Filtrierung
- 104
- Magnetisch gefilterte Solenoid-Wicklungen
- 109
- Plasma
- 110
- Magnetische Feldlinien
- 111
- Teilchen
- 114
- Lamellenfilter
- 116
- Drehendes Substrat
- 120
- Lichtbogen-Versorgung
- 121
- Vorspannung-Versorgung
- 122
- Filter-Versorgung
- 123
- Anode-Anschluss
- 124
- Auslöser-Anschluss
- 125
- Heizelement
- 126
- Antriebsspannung
- 127
- Vakuumkammer
- 128
- Strom
- 129
- Thermoelement typ K
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 8382963 B2 [0014, 0019]
