DE2725885C2

DE2725885C2 -

Info

Publication number: DE2725885C2
Application number: DE2725885A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Lester Dr. Sydney Neusuedwales/New South Wales Au Harding
Original assignee: University of Sydney
Current assignee: University of Sydney
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1977-06-08
Publication date: 1987-07-09
Also published as: AU2514177A; IL52212A0; CA1076521A; DE2725885A1; FR2354393A1; IL52212A; SE7706649L; ES459671A1; SE440369B; JPS572272B2; CH622828A5; NL7706230A; AU507748B2; GB1570044A; IT1083425B; JPS52150790A; US4128466A; FR2354393B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Solche Verfahren und zu deren Durchführung geeignete Vorrichtungen sind bereits bekannt (US-PS 38 97 325); dort ist eine metallische Elektrode vorhanden, die konzentrisch innerhalb einer zylindrischen Halterung für die Substrate angeordnet ist. Die Ausbildung einer mehrschichtigen Oberfläche auf der Unterlage ist bei der bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen.

Bekannt ist auch ein Zerstäubungsverfahren zum fortlaufenden Aufbringen metallischer Überzüge (DE-AS 22 41 634), bei dem das strömende Gas gegen Schirmplatten gerichtet wird, so daß der Gasstrom abgelenkt und verwirbelt wird.

Es ist auch bereits eine Einrichtung zur Beschichtung von Oberflächen mit einem organischen Material bekannt (US-PS 3 24 825); das Auftragen des Werkstoffs geschieht dort unter Anwendung einer Glimmentladung, die durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an ein Metallgitter erzeugt wird. Das aufzutragende Material, bei dem es sich um ein organisches Monomer in Gasform handelt, wird zusammen mit einem zweiten Gas, beispielsweise Luft, in einen Reaktionsraum eingeleitet.

Auch ein Trioden-Zerstäubungsverfahren ist bereits bekannt, bei welchem neben der Anode und der Kathode noch eine Fangelektrode vorgesehen ist, die eine Begrenzung des Plasmas innerhalb der Zerstäubungskammer erlaubt (DE-OS 17 65 287).

Die Zerstäubungstechnik wird bekanntlich auch zum Beschichten von Unterlagen mit einem hochreflektierenden Metall, wie Chrom, verwendet. Das Chrom wird aus einer Metallelektrode ausgeschleudert, die in Folge einer elektrischen Entladung in einem inerten Gas zwischen einer Anode und der die Kathode bildenden Chromelektrode mit Ionen bzw. Atomen beaufschlagt wird. Das inerte Gas ist normalerweise Argon mit einem niedrigen Druck.

Beim reaktiven Zerstäuben wird bekanntlich das inerte Gas mit einer geringen Menge eines reaktiven Gases gemischt, das die Atome eines anderen Materials liefert, welche auf der zu beschichtenden Fläche gleichzeitig mit dem zerstäubten Metall der Kathode abgelagert werden. Ein solches reaktives Gas ist beispielsweise Kohlenwasserstoff, aus dem Kohlenstoffatome abgespalten werden, die mit dem Metall der Kathode ein Metallkarbid bilden. Mit diesem Zerstäubungsverfahren können auch Oxid- und Nitradschichten auf einer Unterlage gebildet werden. Bei bekannten reaktiven Zerstäubungsverfahren strömt zumeist das reaktive Gas während des Zerstäubungsvorgangs entlang der zu beschichtenden Fläche, so daß unterschiedliche Flächenbereiche in verschiedenen Gasatmosphären beschichtet werden und deshalb die so erhaltene aufgesprühte Schicht nicht die notwendige Gleichförmigkeit von Qualität und Dicke besitzt, die beispielsweise für eine selektive Schicht eines Sonnenenergiekollektors erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich metallische Schichten unterschiedlichen Materials nacheinander mit hoher Gleichmäßigkeit auch durch reaktive Zerstäubung aufbringen lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Mittel gelöst.

Dadurch lassen sich vorteilhafterweise die Bedingungen, unter denen die Unterlage beschichtet wird, so wählen, daß die Konsistenz, die Qualität und die Dicke der aufgetragenen Schichten genau eingehalten werden können.

Vorteile ergeben sich auch, wenn der Gasstrom entlang einer in der Zerstäubungskammer verlaufenden und sich zwischen der Elektrode und der Unterlage erstreckenden Bahn strömt und wenn die Zufuhrrate des Methans als reaktives Gas im wesentlichen gleich dem Verbrauch beim Zerstäuben gehalten, d. h. sorgfältig kontrolliert wird. Dadurch wird in jedem Bereich der Zerstäubungskammer das zugeführte Gas verbraucht, so daß es tatsächlich keinen Überschuß an reaktivem Gas gibt, der in einen benachbarten Bereich strömen und dort die atmosphärischen Bedingungen verändern könnte. Die "Qualität" der Atmosphäre kann daher über den ganzen Zerstäubungsbereich gleich gehalten werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2 mit weggebrochenen Teilen einer Vorrichtung für die Zerstäubungsbeschichtung eines zylindrischen Rohres eines Sonnenenergiekollektors. Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Mittelteil der Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Ebene A-A, und Fig. 3 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Zerstäubungsvorrichtung zum gleichzeitigen Beschichten einer Partie von rohrförmigen Substraten.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit einer Glashülle 1, die eine zylindrische Kammer 2 umschließt, deren eines Ende durch eine mit Öffnungen versehene Kappe 3 verschlossen ist, wogegen das andere Ende mit einer Absaugleitung 4 verbunden ist, die bis zu einer nicht dargestellten Hochvakuumpumpe führt.

Ein zylindrisches, ein Substral bildendes Rohr 5 erstreckt sich axial durch die Kammer 2 und ist an seinen Enden mittels Verschlüssen 6, 7 verstöpselt. Der Verschluß 6 ist gegen den Verschluß 7 hin durch eine Anordnung federbelastet, die durch eine auf einem Stift 9 gleitende und eine Druckfeder 10 beeinhaltende zylindrische Hülse 8 gebildet ist. Die Anordnung erlaubt ein Drehen des Verschlusses 6. Der zweite Verschluß 7 sitzt an einem Ende einer Welle 11, die sich bis zu einem elektrischen Motor 12 erstreckt und einen drehbaren Dichtungspfropfen 13 in der Mitte der Kappe durchsetzt.

Die Außenseite des Rohres 5 und die Innenfläche der Hülle 1 begrenzen einen Ringraum (Fig. 2), der ein Paar von diametral einander gegenüberliegender Elektroden 15, 16 enthält. Diese Elektroden sind beide rohrförmig und gleichartig aufgebaut, doch besteht die Elektrode 16 aus rostfreiem Stahl, die Elektrode 15 hingegen aus Kupfer. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält die Elektrode 15 ein axial sich erstreckendes Rohr 17, dessen innerhalb der Elektrode gelegenes Ende offen ist, wogegen es mit seinem anderen Ende durch einen Abschluß 18 hindurch zu einem nicht dargestellten Kühlwasserabfluß herausführt. Die Wand der Elektrode 15 durchsetzt einen Dichtungspfropfen 20, der in das Ende eines mit der Kappe 3 abgedichteten Isolierrohres 21 eingepaßt ist. Eine Einmündung 22 ermöglicht einen Kaltwasserkreislauf durch die Elektrode 15 und heraus durch das Rohr 17, wie die Pfeile zeigen. Ein in einer Trägerplatte befestigter Isolierkörper 23 aus Glas hält das innere, geschlossene Ende der Elektrode 15. Dieser Glasisolator durchsetzt nicht die volle Wandstärke der Trägerplatte 29, so daß er selbst während der Zerstäubung nicht mit leitendem Material beschichtet wird.

Teile der Elektrode 16, die jenen der Elektrode 15 entsprechen, tragen die gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezugsziffern und werden nicht gesondert beschrieben.

In dem Ringraum, auf halbem Wege zwischen den rohrförmigen Elektroden 15 und 16, befindet sich ein Einlaßrohr 27 und ein Auslaßrohr 28 (Fig. 2). Beide durchsetzen Abdichtungen in der Kappe 3 und sind an ihren innerhalb der Hülle 1 gelegenen Enden geschlossen. Ihre anderen, äußeren Enden führen einerseits zu einer Quelle für einen kontrollierten Anteil an reaktivem Gas in Form von Methan enthaltendes Argon und anderseits zu einer Saugpumpe.

Jedes der Rohre 27, 28 besteht aus Kupfer und hat eine Reihe von Löchern, die an der der Außenseite des Ringraumes zugewandten Seite über seine Länge verteilt sind. Der Gesamtquerschnitt der Einlaßlöcher, durch welche Gas in die Kammer strömt, ist geringer als der Gesamtquerschnitt der Löcher des Gasauslaßrohres, so daß unter gleichmäßigen Betriebsbedingungen im Durchschnitt ein konstanter Unterdruck in der Kammer 2 aufrechterhalten wird. Dabei strömt das Gas bogenförmig über die beiden Hälften des Ringraumes (Fig. 2), wogegen die Strömung in Axialrichtung des Ringraumes vernachlässigbar ist.

Die Vorrichtung wird mit Unterdruck betrieben. Die elektrisch leitenden Teile der Vorrichtung mit Ausnahme der Kupferelektrode 15 sind geerdet, und die Kupferelektrode hat relativ zur Masse negatives Potential. In der Kammer 2 erfolgt eine Ionenentladung, und der Aufschlag positiver Ionen auf der Kupferelektrode bewirkt, daß metallisches Kupfer radial abgesprüht wird.

Ein Teil des Kupfers zerstäubt auf der Außenwand des rohrförmigen, sich drehenden Substrates 5. Während dieser Anfangsphase der Beschichtung der rohrförmigen Unterlage mit einer Kupferschicht wird nur reines Argon zwischen dem Einlaßrohr 27 und dem Auslaßrohr 28 gefördert. Das Verfahren ist deshalb ein herkömmliches Plasmaverfahren. Gewünschtenfalls kann die Zerstäubung auch stattfinden, ohne daß Argon durch die Kammer 2 strömt, obwohl dies viel mehr vorzuziehen ist.

Sobald die Kupferschicht auf dem Rohr 5 die gewünschte Dicke hat, was empirisch durch die Zerstäubungsparameter bestimmt wird, ist eine Lage in Form eines metallischen Überzuges mit einem hohen Grad an Reflexionsfähigkeit für Infrarot gebildet.

Die Anschlüsse der Elektroden 15, 16 werden dann umgekehrt und das reine Argon durch einen Argonstrom mit einem kontrollierten Anteil von Methan ersetzt.

Die reaktive Zerstäubung findet nun zwischen der Elektrode 16 und dem Kupferbelag bzw. der Schicht auf dem Substrat 5 statt. Die reaktive Zerstäubung bewirkt, daß Kohlenstoff und Eisen, Chrom und Nickel von der Elektrode 16 aus rostfreiem Stahl an der Oberseite der Kupferschicht kontinuierlich über ihre Länge abgelagert wird. Die Zerstäubung wird dann eine empirisch bestimmte Zeit hindurch fortgesetzt, die notwendig ist, um die gewünschte Dicke eines Metallkarbidbelages auf dem Rohr zu schaffen. Dies wird durch Parameter bestimmt, die während der Zerstäubung fixiert und bekannt werden. Da der Gasstrom innerhalb des Ringraumes im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Entladungsrichtung des zerstäubten Metalles liegt, der Gasstrom aber quer über die Zerstäubungsebene des Metalles von der Elektrode zum Rohr 5 läuft (Fig. 2), sind die Gasverhältnisse, unter denen die Zerstäubung zwischen Elektrode und dem Rohr 5 erfolgt, über die Länge des Rohres jeweils die selben. Die Konsistenz der Dicke und Zusammensetzung der aufgesprühten Schicht ist deswegen gesichert, weil das Gas, durch das die Zerstäubung erfolgt ist, aus dem Ringraum abgezogen wird, bevor es Zeit hat, in axialer Richtung in andere Bereiche der Zerstäubungszone zu zirkulieren.

Zum Bilden des Belages hoher Reflexionsfähigkeit auf dem Unterlagerohr können verschiedene Metalle für die Zerstäubungsschicht verwendet werden. Beispielsweise ist Silber oder Gold an Stelle von Kupfer brauchbar. Ebenso mögen statt rostfreiem Stahl für die Elektrode 16 auch andere Metalle wie Molybden, Chrom, Eisen, Tungsten, Nickel, Tantal oder sogar Titan Verwendung finden, obwohl die Resultate mit Titan nicht so gut sind. Obgleich Methan und Argon für das Gasgemisch zur reaktiven Zerstäubung bevorzugt werden, können in gleicher Weise andere Kohlenwasserstoffe entsprechend der gewünschten Schichtzusammensetzung angewandt werden. So mögen andere reaktive Gase zum Bilden von Silziden, Boriden und anderen Verbindungen dienen.

Die besten Resultate erhält man, wenn die Kammer bis zu einem Druck unterhalb 10^-6 Torr während einiger Stunden evakuiert wird, so daß sich in der Kammer nur eine vernachlässigbare Konzentration an Restgasen befindet, die das inerte, durch das System während der ersten Zerstäubungsphase strömende Gas verschmutzen könnten. Typischerweise wird Kupfer mit einem Potential von minus 1400 V an der Kupferelektrode und bei einem Gasdruck in der Kammer 2 von 0,2 Torr zerstäubt. Während der Kupferzerstäubung soll eine größere Durchflußrate von Argon durch die Kammer aufrechterhalten werden.

Die Konzentration des Methans in Argon während der zweiten Zerstäubungsphase hängt vom Zerstäubungsstrom, von der Oberfläche der Zerstäubungselektrode und der Durchflußmenge ab. Die Methankonzentration bestimmt die Zusammensetzung der Karbidschicht hinsichtlich des Verhältnisses von Metall- zu Kohlenstoffatomen im Belag. Eine Anzeige dieser Zusammensetzung liefert der elektrische Widerstand pro Quadrateinheit. In der Praxis hat sich eine optimale Qualität der Schicht bei einem elektrischen Widerstand pro Flächeneinheit des Metallkarbidbelages zwischen 10 kΩ und 1 MΩ ergeben. Die Ablagerung wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Metallkarbidschicht mit einer Dicke von etwa 10^-7 m gebildet hat.

Die folgenden Einzelheiten beziehen sich auf eine versuchsweise Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtung:

Beschichtungsspannung1400 V Beschichtungsstrom300 mA Beschichtungszeit für eine doppelte Schicht
(Kupfer+ Gemisch von Eisen-, Chrom- und Nickelkarbiden)50 Minuten Gasdruck (typisch)1,5×10^-1 Torr Zusammensetzung des Gases für die Karbidbeschichtung8% Methan in Argon Umdrehungsgeschwindigkeit des Unterlagerohres11 U/min Länge des Unterlagerohres1,5 m Maximaldurchmesser des Unterlagerohres50 mm Gaszufuhr1 cm Rohrlängen mit Bohrung
von 0,305 mm Durchmesser,
70 mm Mitten im Rohr von
13 mm Außendurchmesser und
1 mm Wandstärke GasauslaßLöcher von 1 mm Durchmesser
in einem Rohr mit 1 mm Wand-
stärke, Außendurchmesser 13 mm,
100 mm Lochmittenabstand Durchflußrate0,11 ml/sek bei Normaltempera-
tur und Druck (S.T.P.) Außendurchmesser der Glaskammer10 cm Wandstärke der Kammer5 mm Außendurchmesser der negativen Elektroden13 mm

Fig. 3 zeigt im Querschnitt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung der reaktiven Zerstäubungsbeschichtung in schematischer und stark vereinfachter Form.

Die Zerstäubung wird in einem von einer rohrförmigen Stahlelektrode 30 ummantelten zylindrischen Hohlraum mit vertikaler Achse durchgeführt, der an seinen Enden durch nicht dargestellte Endplatten abgeschlossen ist. Die Elektrode 30 ist an ihrer Außenfläche von nicht dargestellten Kühlschlangen für eine Wasserkühlung umwunden. Eine rohrförmige Kupferelektrode 32 erstreckt sich axial entlang der Mitte des Hohlraumes und ist mit acht sich über ihre Länge hinziehenden Reihen von Löchern 33 sowie einem inneren, nicht dargestellten U-Rohr versehen, das an der Kupferelektrode anliegt und zur Wasserkühlung dient. Jede der Lochreihen 33 ist gegen ein zugehöriges rohrförmiges Substrat 34 gerichtet. Acht solcher Beschichtungsunterlagen 34 sind in einem konzentrischen Ring rund um die Elektrode 32 angeordnet, und jedes Substrat ist an seinem oberen Ende in einer drehbaren Halterung 35 befestigt. Jede Halterung 35 wird über ein nicht dargestelltes Kettenrad von einem biegsamen, durch eine unterbrochene Linie angedeuteten Kettentrieb angetrieben, der seinerseits seinen Antrieb von einer nicht dargestellten Drehwelle erhält, die eine Abdichtung in der oberen Endplatte des Hohlraumes durchsetzt. Die Endplatten des Hohlraumes liegen an Erdpotential und sind von der Außenelektrode 30 durch O-Ringe isoliert, deren Querschnitt einen derartigen Durchmesser aufweist, daß ein Zwischenraum von 1 bis 2 mm zwischen der ringförmigen Stirnfläche der Außenelektrode 30 und jeder Endplatte besteht. Der ringförmige Zwischenraum rund um die untere Endplatte steht mit einer Absaugleitung in Verbindung, die an eine Saugpumpe angeschlossen ist. Die Mittelelektrode 32 ist gegenüber der oberen Endplatte durch einen Glasring isoliert und durchsetzt die Endplatte durch ein Loch, dessen Durchmesser 2 bis 4 mm größer ist als jener der Elektrode 32.

Wenn ein nichtreaktives Zerstäubungsverfahren zur Herstellung der ersten Schicht eines Zweischichtbelages auf der Unterlage durchgeführt werden soll, so wird die Hülle mit Argon bei Unterdruck gefüllt und die Kupferelektrode 32 als Kathode oder Materialquelle und die Endplatten sowie die Außenelektrode als Anode benutzt. Argon wird durch die Löcher in der Kupferelektrode 32 in die Kammer gefördert und durch die Öffnung rund um die Bodenplatte abgesaugt. Sodann findet die Zerstäubung zwecks Ablagerung einer Kupferschicht auf jeder der rohrförmigen Unterlagen statt, die gemeinsam gedreht werden, so daß auf jeder eine Schicht gleicher Dicke aufgebaut wird.

Um die Karbidschicht über der Kupferschicht zu bilden, wird die Kupferelektrode 32 gemeinsam mit den Endplatten als Anode, hingegen die Außenelektrode 30 als Kathode benützt, so daß die Zerstäubung von der stählernen Außenhülle her erfolgt. Argon wird durch einen Einlaß in der oberen Platte hineingefördert und Methan in das Innere der Elektrode 32 so eingelassen, daß seine Durchflußrate durch die Löcher 33 dem Verbrauch während der Zerstäubung gleich ist. Die in den acht Zerstäubungszonen herrschenden Bedingungen sind die gleichen und hängen in jeder Zone nicht vom von der oberen Endplatte parallel zur Substratachse gemessenen Abstand der Zone ab. Daher ist die auf den Unterlagen hergestellte Karbidschicht von einen Punkt der Unterlage zum anderen von gleichförmiger Zusammensetzung und Dicke.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 hat den Vorteil, daß eine Partie von acht rohrförmigen Elektroden gleichzeitig beschichtet werden können.

Die folgenden Einzelheiten beziehen sich auf eine versuchsweise Anwendung der an Hand der Fig. 3 beschriebenen Vorrichtung:

Beschichtungsspannung1000 V Beschichtungsstrom2,5 A Beschichtungszeit für 8 mit einer Doppelschicht beschichtete Rohre50 Minuten Gesamtgasdruck (typisch)1,5×10^-1 Torr Umdrehungsgeschwindigkeit des Substrates11 U/min Länge der Unterlagerohre1,5 m Durchmesser der Unterlagerohre22 mm Außendurchmesser der Innenelektrode25,4 mm Innendurchmesser der Außenelektrode150 mm Gaszufuhr1 cm Rohrlängen mit Bohrung
von 0,2 mm Durchmesser,
70 mm Mitten Argondurchflußrate0,5 ml sek^-1 Methandurchflußrate (annähernd)0,07 ml sek^-1

Bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens kann das inerte Gas in die Zerstäubungskammer entweder bereits mit dem reaktiven Gas gemischt oder durch einen getrennten Einlaß zugeführt werden, und es wird durch eine Absaugleitung in einem solchen Ausmaß abgezogen, daß der Druck in der Kammer auf einem gewählten Niveau gehalten wird. Die Zustrommenge inerten Gases kann durch ein regulierbares, mit der Zufuhr reaktiven Gases verbundenen Gassteuerventil geregelt werden, wie dem Fachmanne bekannt ist.

Vorzugsweise wird das reaktive Gas von Löchern in einem an eine sorgfältig gesteuerte Gasquelle angeschlossenen Rohr aus gegen die Unterlage gerichtet. Das inerte Gas, z. B. Argon, wird in die Kammer über einen Einlaß eingeführt und gleich wieder über einen Auslaß aus der Kammer so abgezogen, daß der Teildruck des inerten Gases über die Zeit konstant bleibt und die Atmosphäre inerten Gases in einem solchen Ausmaß ausgetauscht wird, daß der Aufbau von Verunreinigungen verhindert wird. Solche Verunreinigungen können während des Zerstäubungsvorganges durch Freisetzen von in oder an den dem Unterdruck ausgesetzten Flächen eingeschlossenen Gasen entstehen.

In einer weiteren Ausführung des beschriebenen Verfahrens wird die Bewegung des reaktiven Gases zwischen verschiedenen Bereichen der Zerstäubungszone durch Mitreißen mit einem inerten Gas verhindert, das im rechten Winkel der rohrförmigen Unterlage zuströmt. Das von der Zerstäubungszone strömende Gas wird von einem unter Saugwirkung stehenden Gasauslaß abgezogen. Zweckmäßig weist der Gasauslaß ein Saugrohr auf, das sich der Länge einer länglichen Kammer nach parallel zu den Achsen der Elektrode und der Unterlage erstreckt. Der Überschuß an reaktivem Gas wird in dem inerten Gasstrom mitgerissen und deshalb gezwungen, sich quer zur Zerstäubungszone zu bewegen. Sodann wird der Überschuß aus der Zone fortgerissen, bevor er von einem Bereich der Zerstäubungszone in einen anderen eindringen kann. Bei dieser Ausführungsform kann das reaktive Gas sowohl nach dem Mischen mit dem inerten Gas und/oder getrennt in die Kammer eingelassen werden.

Die beschriebene Vorrichtung zur Durchführung einer reaktiven Zerstäubung zwecks Erzeugung eines Beschichtungsbelages auf einer länglichen rohrförmigen Unterlage weist eine längliche Elektrode sowie Halterungen zum Tragen einer rohrförmigen Beschichtungsunterlage im Abstand und parallel zur Elektrode auf, die in einer von einer Hülle ummantelten Kammer angeordnet sind, in der die Zerstäubung zwischen Elektrode und Unterlage stattfindet und in die das reaktive Gas durch einen Einlaß einführbar ist, deren Strömung in einer Zerstäubungszone zwischen Elektrode und Unterlage durch Führungen leitbar ist, durch die die Gasströmung zwischen verschiedenen Bereichen über die Länge der Zerstäubungszone auf ein Mindestmaß verringerbar bzw. verhinderbar ist, wobei Einrichtungen zur Erzeugung einer relativen Drehbewegung ohne axiale Verschiebung zwischen Elektrode und Unterlage vorgesehen ist, durch die alle Punkte des Umfanges der Unterlage durch die Zerstäubungszone führbar sind, entlang welcher Material von der ganzen Länge der Elektrode gleichzeitig gegen die Unterlage sprühbar ist.

In einer solchen Vorrichtung befinden sich eine Absaugleitung zum Aufbau und/oder zum Aufrechterhalten eines Unterdruckes in der Zone, in der die Zerstäubung stattfindet, Einlaßeinrichtungen zum Zuführen eines inerten Gases und einer kontrollierten Menge eines reaktiven Gases in die Zone sowie ein Auslaß zum Abziehen von Gas und jedweden Überschusses an Verunreinigungsgas aus der Zone, wobei die Einlaßeinrichtungen und der Auslaß bezüglich der Lage des zu beschichtenden Substrates so angeordnet sind, daß der Gasstrom in der Ebene der Zone quer zur statt in der Richtung des von der Elektrode gegen die Lage des Substrates zerstäubten Materiales fließt. Gleichzeitig findet an allen Punkten entlang der Zone die Zerstäubung zur Beschichtung der rohrförmigen Unterlage statt, die gegen axiale Bewegung festgehalten sich einfach um ihre Achse dreht, um ihre Oberfläche mit zerstäubtem Material zu bedecken.

Bei der beschriebenen Vorrichtung ist eine Partie von rohrförmigen Beschichtungsunterlagen mit parallelen Achsen koaxial in einem Ring rund um eine in der Mitte befestigte Elektrode angeordnet, deren Länge etwa gleich oder größer als die Länge der zu besprühenden Unterlage ist. Jedes Substrat wird um seine Achse während des Zerstäubens gedreht, so daß eine ganze Partie davon in einem einzigen Zerstäubungsvorgang beschichtet wird. Das reaktive Gas kann durch Löcher in der für diese Zwecke rohrförmig ausgebildeten Elektrode in einem kontrollierten Ausmaße eingelassen werden, so daß seine Zufuhrmenge zur Zerstäubungszone gleich dem Verbrauch bei der Zerstäubung ist. Gemäß einer besonderen Ausführung der Vorrichtung ist eine Partie von rohrförmigen Beschichtungsunterlagen mit parallelen Achsen koaxial in einem Ring innerhalb einer hohlen zylindrischen Elektrode angeordnet, deren Achse jeweils parallel zu dem zu beschichtenden Rohr liegt.

In einer für das Aufsprühen auf eine zylindrische, rohrförmige Unterlage besonders geeigneten Ausführung der Vorrichtung liegt das Unterlagerohr axial in einer zylindrischen, von einer Hülle umgebenen Kammer. Die Zerstäubungselektrode erstreckt sich der Länge des zwischen dem Unterlagerohr und der zylindrischen Wand der Kammer ausgebildeten Ringraumes nach. Innerhalb des Ringraumes an hinsichtlich der Elektrode jeweils diametral gegenüberliegenden Seiten liegen die Ein- und Auslässe, die zweckmäßig in Form gerader Rohre mit über ihre Länge verteilten Löchern ausgebildet sind, die vorzugsweise auswärts gegen die zylindrische Wand der Kammer gerichtet sind. Die Elektrode besitzt zweckmäßig die Form einer Stange, die sich parallel zum und im Abstand von dem Unterlagerohr auf halbem Wege zwischen den Ein- und Auslaßrohren erstreckt. Während der Zerstäubung wird ein Teil des Elektrodenmaterials gegen die Unterlage gesprüht und bewegt sich quer zu dem von den Löchern des Einlaßrohres zu den Löchern des Auslaßrohres fließenden Gasstrom. Wie in der bevorzugten Ausbildung sind diese Löcher auswärts gerichtet und dienen auch dazu, daß Verunreinigungen zwischen Kammerwand und Sprühelektrode gegen das Auslaßrohr mitgerissen werden. Bei der Zerstäubung wird das Rohr, zweckmäßig mit gleichförmiger Geschwindigkeit, gedreht, um eine gleichmäßige Schicht von zerstäubtem Material über seine ganze Länge aufzubauen.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf eine bewegte Unterlage durch Zerstäubung metallischen Materials von einer Metallelektrode in Gegenwart eines in einer Zerstäubungskammer befindlichen Gases, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Unterlage (5, 34) rohrförmig ausgebildet ist, daß nacheinander zwei Schichten aus Materialien zweier verschiedener Metallelektroden (15, 16) aufgetragen werden, daß die rohrförmige Unterlage (5, 34) während der Beschichtung um ihre Längsachse gedreht wird, während gleichzeitig ein Gasstrom über die gesamte Länge der Unterlage (5, 34) gegen ihre Oberfläche strömt, und daß für das Aufbringen der ersten Schicht ein reines und für das Aufbringen der zweiten Schicht ein mit reaktiven Anteilen versehenes inertes Gas verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst eine Kupferschicht unter Verwendung einer Metallelektrode (15) aus Kupfer und eines Gasstromes aus Argon auf die Unterlage (5) aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Schicht eine Verbindung aus der Gruppe der Karbide und/oder Silizide aufgetragen wird, wofür eine Metallelektrode (16) aus rostfreiem Stahl und ein Gasstrom, bestehend aus Argon mit einem kontrollierten Anteil von Methan als reaktivem Gasanteil, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom entlang einer in der Zerstäubungskammer (1) verlaufenden und sich zwischen der Metallelektrode (15, 16, 30, 32) und der Unterlage (5, 34) erstreckenden Bahn strömt, und daß die Zufuhrrate des Methans im wesentlichen gleich dem Verbrauch beim Zerstäuben gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Methans in der Zerstäubungskammer (1) parallel zur Längsachse der Unterlage (5, 34) durch Mitreißen in dem Argonstrom verhindert wird, der quer zur Ebene der Zerstäubungskammer (1) zu einem Gasauslaß (28) strömt, und daß zwischen den Zuführungsöffnungen (27, 33) und dem Gasauslaß (28) ein Druckabfall aufrechterhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaß (28) ein Saugrohr aufweist, das sich längs der länglichen Kammer (1) parallel zu den Längsachsen der Metallelektrode (15, 16) und der Unterlage (5) erstreckt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (32) koaxial zu einem Ring von im Abstand voneinander liegenden rohrförmigen Unterlagen (34) angeordnet ist, welche um ihre Längsachse gedreht werden, während die Schicht aus zerstäubtem Material auf ihnen aufgebaut wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung (6, 7, 35) zum Tragen der Unterlagen (5, 34) im Abstand und parallel zur Metallelektrode (15, 16, 32) angeordnet und in einer Kammer (1) installiert ist, in der sich ein Gas befindet, daß wenigstens zwei langgestreckte Metallelektroden (15, 16, 30, 32) aus unterschiedlichen Werkstoffe vorgesehen sind, die nacheinander als Kathode anschließbar sind, daß ein Gasstrom in die Zerstäubungskammer (1) durch Führungen leitbar ist, durch die eine Strömung des Gases ausschließlich senkrecht zur Längsachse der Unterlage (5, 34) ausgerichtet ist, daß Einrichtungen (12, 13, 36) zur Erzeugung einer relativen Drehbewegung unter Vermeidung einer axialen Verschiebung zwischen der Metallelektrode (15, 15, 30, 32) und der Unterlage (4, 34) vorgesehen sind, durch die alle Punkte des Umfangs der Unterlage (5, 34) durch die Zerstäubungskammer (1) führbar sind, entlang welcher Material von der gesamten Länge der Metallelektrode (5, 16, 30, 32) gegen die Unterlage (5, 34) sprühbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (15, 32) mit Löchern (33) versehen ist, welche die Zuführöffnungen für den Gasstrom bilden.