DE2346738A1

DE2346738A1 - Verfahren zum aufbringen duenner schichten auf flaechenhafte gebilde

Info

Publication number: DE2346738A1
Application number: DE19732346738
Authority: DE
Inventors: Heinz Holtschmit; Franz Josef Dr Rohr; Gerhard Dipl Phys Siewerth; Bruno Dr Ing Wahl
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-09-17
Filing date: 1973-09-17
Publication date: 1975-04-24
Also published as: SE398246B; GB1482219A; JPS5056325A; SE7411425L; IT1021350B; FR2244012B1; FR2244012A1

Description

υ.'ΚΛ . \ ::OVEK -6 Git. - AKTlFIN'GESRLLbCHAFT , ..·.-- .;

M AN :\ H c IM FiROWN BvJVtH

Mp.-Nr, 626/73 a Mannheim, den 14. September 1973

PAT-Ka/Hz

Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten auf flächenhafte Gebilde

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten auf flächenhafte Gebilde durch explosionsartiges Überführen von leitfähigen Medien, z.B. Drähten, in eine gasähnliche Phase bei einer Stoßstromentladung, wobei durch ein Magnetfeld die Bewegung auf das Gebilde gerichtet wird.

Die Haftfähigkeit einer Schicht auf einem Körper hängt vor allem von der Anzahl der gemeinsamen Kontakte ab, an denen die Schicht verankert ist. Diese Anzahl wird besonders von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers sowie von den Materialeigenschaften der aufzubringenden Schicht bestimmt. Einen nicht unwesentlichen Anteil hat auch die Art der Aufbringung, bzw. die Energie, mit der diese aufgebracht wird.

Im allgemeinen sind die zum Teil recht unterschiedlichen Materialeigenschaften de3 aufzubringenden Materials und des zu beschichtenden Körpers zu berücksichtigen, die bestimmte Verfahren ausschließen. So müssen beispielsweise die Ausdehnungskoeffizienten weitgehend übereinstimmen, um ein Lösen der Schicht zu vermeiden, falls der beschichtete Körper großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Nach der DT-PS 508 375 ist es bekannt, Metalldrähte und Metallbänder zum Aufbringen einer dünnen Schicht durch eine Kammer zu transportieren, die den Dampf des aufzubringenden Metalls enthält, wobei sich die Dampfteilchen auf das zu

— 2 —

509817/0899

überziehende Material, nämlich die Metalldrähte bzw. Metallbänder, niederschlagen. Dieses Verfahren setzt allerdings Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Blei, voraus und kann außerdem nur dann angewandt werden, wenn die Schichtdicke nicht genau eingehalten werden muß.

Es ist weiterhin bekannt, dünne, zusammenhängende Metallschichten durch Aufdampfen im Vakuum auf einen Körper, beispielsweise auf einer Kunststoffolie, aufzubringen. Die Haftfähigkeit derartig aufgedampfter Schichten ist jedoch gering. Da nämlich die aufzubringenden Partikel ihre kinetische Energie aus dem Verdampfungsprozeß beziehen, treffen sie nur mit geringer Geschwindigkeit auf den Körper auf, so daß eine innige Kontaktierung unterbleibt. Eine gleichmäßige Schichtdicke erfordert, daß der Abstand der zu bedampfenden Fläche von der Metalldampfquelle hinreichend groß ist, und zwar derart, daß sie, von der Fläche aus betrachtet, punktförmig erscheint. Die Herstellung dicker Schichten nach diesem Verfahren erfordert zusätzlich extrem lange Bedampfungszeiten. Außerdem ist ein Vakuum von weniger als 10 Torr erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die dem bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile zu vermeiden und mittels eines universell anwendbaren Verfahrens eine zuverlässig haftende Schicht auf flächenhafte Gebilde aufzubringen, wobei diese Schicht eine genügende Dichtstärke sowie eine gleichmäßige Schichtdicke haben muß.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zu verdampfenden Medien neben ihrem eigenen Magnetfeld, d.h. beispielsweise dem Feld des Drahtes, weiteren Magnetfeldern und/oder elektrischen Feldern ausgesetzt sind, mit deren Stärke und Feldverteilung die Schichtdickenverteilung gesteuert wird.

— 3 —

509817/0899

2348738

Es wurde zwar nach den DT-OS 1 943 118 und 1 947 480 ein Verfahren bekannt, bei dem ebenfalls durch explosionsartiges Überführen von leitfähigen Medien in eine gasähnliche Phase bei einer Stoßstromentladung dünne Schichten auf flächenhafte Gebilde aufgebracht werden, das einer* feil der Forderungen gemäß der Aufgabenstellung erfüllt, aber diesem Verfahren haftet der Nachteil an, daß es oft nicht den gewünschten Bedampfungseffekt erreicht und daher nur für einen begrenzten Einsatzbereich anwendbar ist. Mit dem bekannten Verfahren ist es z.B. nicht möglich, "die Laufflächen der trochoidenförmigen Gehäuse bei Kreiskolbenbrennkraftmaschinen zu behandeln. Daher ist die Fokusierung des Mediums in vielen Fällen von Nachteil, weil insbesondere bei rohrförmigen Gebilden ungleichmäßige Schichtdicken auftreten. Auch die in Pig. 2c der DT-OS 1 947 480 beschriebene Anordnung schließt diesen Nachteil nicht aus, weil sich der Strom nicht gleichmäßig um die Oberfläche verteilt, sondern den Weg des geringsten Widerstandes sucht.

In einer Alternativausführung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Fremdfelder (elektrische und magnetische Felder) durch geeignete magnetische Zusatzfelder bzw. Abschirmungen ausgeschaltet sind, so daß das Medium in einem von einem Zusatzfeldjfreien Raum verdampft wird.

Das Verfahren ist nicht wie bei der zitierten DT-OS 1 943 118 an eine Schutzgasatmosphäre im Vakuum oder sonstige Einschränkungen gebunden. Natürlich ist es nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, daß das Medium bei Einsetzen der Hauptentladung nahezu durch Aufheizung z.B. ohmische Aufheizung, in den flüssigen und/oder gasförmigen Zustand übergeführt ist. Ebenso ist es möglich, daß der Entladungsraum evakuiert und/oder mit einem Reaktions- bzw. Schutzgas gefüllt ist. Das Reaktionsgas ist dabei zweckmäßigerweise unmittelbar vor dem und/oder während dem Verdampfen in die unmittelbare Nähe der Werkstückoberfläche gebracht.

509817/0899

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Medium zwischen Rückleiter und Gebilde (Werkstück) angeordnet. Das Werkstück kann auch zwischen dem Medium und dem Rückleiter angeordnet sein, wobei die zu bedampfende Oberfläche gegen den Rückleiter abgeschirmt ist. Weiter ist es möglich, daß das Werkstück selbst als Abschirmung vorgesehen ist.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Oberfläche des Werkstückes chemisch-mechanisch oder durch Ausheizen gereinigt (ölfrei und trocken) ist und die Rauhtiefe vorzugsweise zwischen 2 und 50j^-^λ liegt. Durch unterschiedliche Richtung und Größe der auf das Medium einwirkenden Kräfte (örtliche) können unterschiedliche oder gleichmäßige Schichten auf dem Y/erkstück erzeugt werden. Z.B. kann der Abstand zwischen Rückleiter und Medium und/oder die Stromdichte über der Länge des Rückleiters unterschiedlich groß sein.

Eine gleichmäßige, geplante, in den gewünschten Toleranzen liegende Beschichtung kann auch dadurch erzielt werden, daß die Rückleiteroberfläche eine maßstäbliche Vergrößerung oder Verkleinerung der zu bedampfenden Werkstückoberfläche ist, so daß die resultierenden Stromkräfte nahezu gleichmäßig auf das Medium wirken. Dabei soll aber die Stromeinspeisung über die gesamte Querschnittsfläche erfolgen und Fremdfelder, die nicht durch die Anordnung Medium - Rückleiter gebildet werden, müssen ausgeschlossen werden.

In den Zeichnungen werden einige Anwendungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.

Ea zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Anordnung zur Beschichtung eines

zylinderförmigen Werkstückes,
Fig. 2 eine Draufsicht der Fig. 1,
Fig. 3 eine Alternativlösung gemäß Fig I, Fig. 4 die Beschichtung eines trochoidenförmigen Werkstückes u, Fig. 5 bis 10 weitere schematische Anordnungen zum Beschichten von zylinderförmigen Werkstücken.

509817/0899

Es wird zunächst auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Bei den Figuren 3 "bis 10 werden, soweit es sich um gleiche bzw. äquivalente Teile handelt, die gleichen Bezugsseichen wie bei Pig. I verwendet.

Der Rückleiter 3 wird von der Elektrode 1 aus mit einer Vielzahl von Leitern 4 eingespeist, so daß eine gleichmäßige Stromverteilung erfolgt, wenn beispielsweise an der Stelle 12 ein entsprechender symmetrischer Stromableiter 2 vorgesehen ist. Anstelle der hier gezeichneten leitern 4 in Form von Drähten kann auch ein Blech vorgesehen sein, das die gesamte Fläche bedeckt. Mit 6 ist das durch das Werkstück 5 geführte zu verdampfende Medium bezeichnet.

Die Abschirmung 7 in Fig. 3 muß eine so große Dicke haben, daß die Magnetfelder des Rückleiters 2 und die in der Abschirmung 7 induzierten Felder nicht auf den Iirnenraum 8 wirken. Die Ursache liegt darin, daß der Strom im Rückleiter dem im Medium 6, in diesem Beispiel ein Draht, entgegengesetzt ist. Dadurch entstehen abstoßende Kräfte, die bewirken würden, daß in der Zone des Rückleiters keine Bedampfung erfolgen würde.

Dieser Effekt kann wiederum für andere Aufgaben zum Vorteil genutzt werden, wie in dem Beispiel nach Fig. 4. Es handelt sich dabei um die Beschichtung der Trochoidenlauffläche einer Kreiskolbenmaschine, also um ein Werkstück mit unregelmäßiger Gestalt. Die Rückleiteroberfläche ist eine Verkleinerung der Werkstückoberfläche. Das Werkstück 5 und der Rückleiter 2 sind schematisch im Schnitt dargestellt. Das Medium 6, es kann sich dabei um ein Blechband, ein .Drahtnetz oder senkrechte Einzeldrähte handeln, liegt zwischen den beiden Oberflächen. Durch diese Anordnung wird eine besonders gleichmäßige' Bedampfung erreicht. Sie wird durch den oben geschilderten Effekt des Rückleiters (Zusatzfeld), der abstoßend wirkt, noch verbessert. Es erfolgt eine zusätzliche Beschleunigung des Mediums auf die Werkstückoberfläche zu.

509817/0899

Nach dem Beispiel gemäß Pig. 5 befindet sich das zu verdampfende Medium 6 auf einem Träger 9 oder das Medium 6 ist der zu verdampfende Anteil des Trägers 9. Das Ledium 6 wird innerhalb der ersten Halbwelle verdampft und während der zwei ten Halbwelle· zusätzlich durch das Magnetfeld von 9 auf das Werkstück 5 hin beschleunigt. S kennzeichnet einen Schalter und C einen Energiespeicher.

Nach dem Beispiel gemäß Pig. 6 wird die Kondensatorentladung Cl zum Verdampfen des Mediums 6 verwendet. Eine in -der Stromrichtung entgegengesetzt wirkende Kondensatorentladung C2 beschleunigt zusätzlich das verdampfte Medium 6 auf das Werkstück 5. Die Schalter Sl und S2 können gleichzeitig oder in zeitlicher Folge geschlossen werden.

In Abwandlung von Pig. 6 wird bei der Anordnung genäß Pig. 7 ein für das Medium 6 und den Träger 9 gemeinsamer Energiespeicher C verwendet.

Pig. 8 zeigt eine Anordnung, bei der das Medium 6 durch aas resultierende Magnetfeld von 6 und dem elektrisch leitfähigon Werkstück 10 konzentrisch nach innen beschleunigt wird.

Pig. 9 wird das Medium 6 durch einen Induktionsstoß verdampft und zusätzlich durch das Magnetfeld des Trägers 9 auf das Werkstück 5 beschleunigt.

Pigo 10 zeigt im Prinzip eine Anordnung wie in Pig. 9; das Werkstück 5 befindet sich jedoch hier im zusatzfeldfreien Zentrum der Anordnung. Die in der Wicklung 11 induzierte Spannung treibt durch das zu verdampfende Medium 6 einen entsprechend großen Strom.

Das Medium 6 kann, wie bereits an anderer Stelle gesagt, aus einem Draht, Drahtgeflecht, Stab, Blech oder einer Beschichtung bestehen, ebenso kann je nach Bedarf und Anforderung

- 7 -509817/0899

an die Schiehtdickenverteilung eine Abschirmung vorgesehen werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, durch Variation der in den Ansprüchen bzw. in den Beispielen geoffenbarten Details sowohl gleichmäßige als auch unterschiedliche Schichtdicken in einem engen Toleranzband zu erreichen.

509817/0899

Claims

- 8 Patentansprüche :

1. Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten auf flächenhafte Gebilde durch explosionsartiges Überführen von leitfähigen Medien, z.B. Drähten, in eine gasähnliche Phase bei einer Stoßstromentladung, wobei durch ein Magnetfeld die Bewegung auf das Gebilde gerichtet wird, dadurch gekennzei chnet, daß die zu verdampfenden Medien neben ihrem eigenen Magnetfeld, d.h. beispielsweise dem Feld des Drahtes, weiteren Magnetfeldern und/oder elektrischen Feldern ausgesetzt sind, mit deren Stärke und Feldverteilung die Schichtdickenverteilung gesteuert wird.

2. Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten auf flächenhafte Gebilde durch explosionsartiges Überführen von leitfähigen Medien, z.B. Drähten, in eine gasähnliche Phase bei einer Stoßstromentladung, wobei durch ein Magnetfeld die Bewegung auf das Gebilde gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Fremdfelder (elektrische und magnetische Felder) durch geeignete magnetische Zusatzfelder bzw. Abschirmungen ausgeschaltet sind, so daß das Medium in einem von Zusatzfeldern freien Baum verdampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium zwischen Kickleiter und Gebilde (Werkstück) angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zwischen dem Medium und dem Rückleiter angeordnet ist, wobei die zu bedampfende Oberfläche gegen den Buckleiter abgeschirmt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4_t dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück selbst als Abschirmung vorgesehen ist.

• - 9 -

509817/0899

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium bei Einsetzen der Hauptentladung nahezu durch Aufheisung, z.B. ohmische Aufheizung, in den flüssigen und/oder gasförmigen Zustand übergeführt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum evakuiert und/oder mit einem Reaktions- bzw. Schutzgas gefüllt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet," daß das Reaktionsgas unmittelbar vor dem und/oder während dem Verdampfen in die unmittelbare Nähe der Werkstückoberfläche gebracht ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstückes chemischmechanisch oder durch Ausheizen gereinigt (ölfrei und

ι trocken) ist und die Rauhtiefe vorzugsweise zwischen 2 und 50u** liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche Richtung und Größe der ' auf das Medium einwirkenden Kräfte (örtlich) unterschiedliche ''· oder gleichmäßige Schichten auf dem Werkstück erzeugt werden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9_f dadurch gekenn- ; zeichnet, daß die Rückleiteroberfläche eine maßstäbliche Vergrößerung oder Verkleinerung der zu bedampfenden Werkstückoberfläche ist, so daß die resultierenden Stromkräfte j nahezu gleichmäßig auf das Medium wirken. :

509617/0898

Leerseite