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Einrichtung zur Vakuwmbedampfung
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Anwendungagebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Vakuumbedampfunk, wie sie insbesondere in der plasmaaktivierten Beschichtungstechnik
angewendet wird.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der plaamaaktivierten
Beechichtungstechnik sind Einrichtungen bekannt, die das Plasma einer Hohlkatodenbogenentladung
zur Verdampfung und zur Ionisierung von Baterialien ausnutzen Dsbei befindet sich
die Katode über dem als Anode geschalteten Tiegel oder in einem bestimmten Winkel
zur Tiegelnormalen.
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Im letzteren Fall wird der aus der Katode austretende Plasmastrahl
durch ein zum Strsahl transversales Magnetfeld umgelenkt. Die auf die Miode abgegebene
Leistung (PA) beträgt bei den aus der Literatur bekannten Einrichtungen max. 50
X der Gesamtleistung.
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Der Grundgedanke der aus der Literatur bekannten Einrichtungen besteht
darin, daß durch ein geeignet dimensioniertes, einseitig gekühltes Röhrchen aus
hochschmelzendem Material Gas in einen evakuierten Rezipienten strömt.
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Durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung zwischen dem als Katode
geschalteten Röhrchen und der Anode zündet
zwischen diesen beiden
Elektroden eine Glimmentladung.
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Wird der Strom genügend hoch gewählt, heizt sich das nichtgekuhlte
Ende der Katode soweit auf, daß thermische Elektronenemission auftritt und die Glimmentladung
in die sogenannte Hohlkatodenbogenentladung Kbergeht. Im Plasma der Hohlkatodenbogeneütladung
wird ein Teil der aus Entladungsstrom (IB) und;Entladun4aspannung (UB) zu bildenden
Gesamtenergie Pg R U3 13 an die Anode abgegeben und zur Verdampfung des im Anodentiegel
befindlichen Materials ausgenutzt.
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Außer der o. a. relativ geringen Energieausnutzung besitzen die bisher
bekannt gewordenen Binrichtungen den Nachteil, daß, besonderes bei über der Anode
angeordneter Katode, eine BeeiniluBsung bzw. Verunreinigung der Katode durch aus
dem Tiegel verdempftes Material bzw. durch Einwirkung reaktiver Gase nicht verhindert
werden kann. Auch sind bisher keine Einrichtungen bekannt geworden, die eine kontinuierliche
Regelung des Schmelzfleckdurchmessers im Tiegel ermöglichten.
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Die Inbetriebnahme der bekannten Einrichtungen erfolgt nach der Evakuierung
des Rezipienten im wesentlichen in vier Schritten: 1. Einstellung einer erhöhten
Gasdurchsatsrate, 2. Anlegen einer Hochspannung (1 bis 2 kV) zwischen Katode und
Anode zur Zündung einer stromstarken Glimmentladung (5 bis 10 A) über ein zusätzliches
Netzgerät, das die benötigten hohen Zündspannungen liefert, 3. Hinzuschalten des
Bogenversorgungagerätes (U = 70 V, I w 100 bis 200 A), 4. Reduzierung der Gasdurchsatzrato
auf den Sollwert nach erfolgter Zündung des Eohlkatodenbogens.
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Diese dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile und der Umstand,
daß spezielle Abschirmungen und Isolationen notwendig sind, um einen Uebergang der
Glimmentladung in den thermischen Bogen zu verhindern, zeichnen wohl in erster
Linie
dafür verantwortlich, daß sich Einrichtungen, die den Plasmastrahl einer Hohlkatodenbogenentladung
zur Verdampfung von Materialien und zur Beschichtung ausnutzen, industriell noch
nicht durchgesetzt haben.
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Ziel der Erfindung Die Erfindung hat das Ziel, eine Verdampferquelle
zu entwickeln, die universell in der plasmaaktivierten Bedampfung eingesetst werden
kann und die die bekannten Nachteile vermeidet.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine einfach zu bedienende Einrichtung zu schaffen, die durch eine Optimierung
der Anordnung Anode/Katode und der Plasmastrahl-Führung die kontinuierliche Regelung
des Schmelzfleckdurchmessers ermUglicht, wobei die Energieausnutzung auf mindestens
80 % zu verbessern ist. Durch Verhinderung der Bedampfung der Katode und des Angriffe
der Katode durch reaktive Gase ist deren Standzeit um mindestens die Hälfte zu erhöhen.
Der apparative Aufwand der elektrischen Versorgungseinrichtungen ist zu senken.
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Erfindungsgemä8 wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine an sich
bekannte Hohlkatode derart in einem seitlichen Abstand von einem wassergekühlten
Verdampfertiegel angeordnet ist, daß der beim Betrieb der Hohlkatode auftretende
und durch ein transversales Magnetfeld auf den Tiegel zu lenkende Plasmastrahl einesI8nge
zwischen 7 und 20 cm aufweist; der Raum über der Hohlkatode durch eine Abdeckkammer,
die für den Durchtritt des Plasmastrahls eine Öffnung mit einem Durchmesser von
8 - 20 cm besitzt, begrenzt wird, der als Anode geschaltete Verdampfertiegel unter
Zwischenschaltung eines Iaolierblockes suf der Verdampfer-
grundplatte
befestigt ist und von einer, die Form einer eisengekapselten Linse aufweisenden
Spule umschlossen wird, die ein longitudinales Magnetfeld zur kontinuierlichen Regelung
des Schmelzfleckdurchmessers erzeugt.
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Die Longitudinalmagnetreldspule, die gegenüber dem Tiegel elektrisch
isoliert ist, weist an ihrem Innendurchmesser in Sohle des Schmelzbadniveaus im
Eisenmantel einen umlaufenden Spalt 8uf, wodurch ein Magnetfeld hoher Konzentration
erzeugt wird.
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Ein Gehäuse umgibt das System Tiegel-Spule bis auf die Öffnung über
dem Tiegel vollständig und ist durch leicht lösbare Verbindungselemente an der Grundplatte
befestigt. Gegenüber der Katode ist die Transversalmagnetfeldspule angeordnet, die
durch eine Abdeckplatte vor den Einwirkungen des Plasmas geschützt wird. Beiderseits
der Uransversalmagnetfeldspule sind am Gehäuse weichmagnetische Platten zur Ablenkung
des Plasmastrahles angeordnet.
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Die Inbetriebnahme der Anordnung ist dabei durch folgende Verfahrensschritte
gekennzeichnet: 1. Einstellung des Sollwertes der Gasdurchsatzrate, 2. Aufheizung
der Katode, 3. Einschaltung der Bogenversorgungsspannung.
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Nach dem Einstellen von Gasdruck bzw. Gasdurchsatzrate wird die Hohlkatode
auf die erforderliche Katodentemperatur aufgeheizt. Hat die Katode die Temperatur
erreicht, bei der sie Elektronen emittiert, so können die Elektronen durch die angelegte
Spannung das Entladungsgas ionisieren.
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Der Vorgang der Ionisierung kann an einem Amperemeter, welches im
Stromkreis zur Hilfsanode angeordnet ist, beobachtet werden. Als Rilfsanode dient
hierbei der Rezipient, an den die Anodenspannung über einen Widerstand von 5 Ohm
gelegt wird.
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Bei ca. 10 A Entladungistrom brennt die Entladung atabil.
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Durch den Spannungsabfall am Begrenzungswiderstand ändern sich die
Potentialverhältnisse am Verdampfer, so daß ein Teil des Entladungsstromes von der
Tiegelanode Ubernommen wird. Dabei ist am Amperemeter ein Rückgang des Stromes zu
beobachten. Dieser Rückgang zeigt den stabilen Betrieb des Verdampfers an. Danach
wird die Hilfsanode von der Tiegelanode getrennt und die gewünschte Verdampferleistung
eingestellt.
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Ausführungsbeispiel Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung
näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch
die erfindungsgemäße Einrichtung.
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Sie besteht dabei im wesentlichen aus vier Hauptgruppen: der Katodenanordnung
1, der Tiegelanode 2, der Transversalmagnetfeldspule 3 mit den Ablenkplatten 4 und
der Longitudinalmagnetfeldspule 5. Der seitliche Abstand der Katodenanordnung 1
von der Tiegelanode 2 ist dabei so gewählt, daß der Plasmastrahl eine Länge von
10 cm aufweist.
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Die Tiegelanode 2 mit dem Stromanschluß 6 ist durch Zwischenschaltung
des Isolierblooks 7 auf der Verdampfergrundplatte 8 befestigt, die durch die Katodenanordnung
1 am Rezipienten 9 gehaltert wird. Uber der Katodenanordnung 1 befindet sich die
Abdeckkammer 10 mit der Öffnung 11, die vorzugsweise einen Durchmesser von 15 mm
besitzt. Das Gehäuse 12 schließt die Einrichtung allseitig ab und schwitzt, wie
die Abdeckplatte 13 die Transversalmagnet feldspule 3, die Einrichtung vor der Einwirkung
des Plasmas. Vorzugsweise sind die Verbindungen der Hauptgruppen zueinander leicht
lösbar als Steck- bzw. Schraubverbindungen auagefthrt, so daß eine schnelle und
einfache Mon-und Demontage möglich ist.
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Der Spalt 14 im Innendurchmesser des Mantels der Longitudinalniagnetfeldspule
5 ist vorzugsweise so anzuordnen, daß sich das Absinken des Schmelzbadnivesus im
Tiegel während
einer Charge nicht auf die kontinuierliche Regelung
des Schmelzfleckdurchmessers auswirkt. Jedoch sollte der Spalt in Abhängigkeit vom
Tiegeldurchmeseer nicht breiter sein als 4 bis 10 mm. Aber auch eine kontinuierliche
iegelnachfütterung über an sich bekannte Nachfütterungsbz. Dosiereinrichtungen ist
möglich.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung weist gegenüber dem bisher bekannten
Stand der Technik einige wesentliche technische und ökonomische Vorteile aui, so
daß ihre Anwendung insbesondere in der plasmaaktivierten Beschichtung erfolgversprechend
ist.
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Durch die räumlich enge Anordnung von Katode zu Anode und der Begrenzung
der Plasmastrahllänge auf vorsugsweise 10 cm wird die Energieausnutzung auf ca.
80 % erhöht. Die Anordnung der Abdeckkmmer über der Katode läßt in dieser Kammer
einen Überdruck entstehen, der in Zusammenwirkung mit der 15 mm großen Öffnung das
Eindringen von Gasen aus dem Rezipienten weitgehend verhindert. Damit wird die Katode
bei reaktiver Verfahrensführung nicht angegriffen, da eine Oxydation, Karburierung
oder Nitrierung entsprechend dem eingelaseenen reaktiven Gas vermeiden und ihre
Standzeit wesentlich erhöht wird.
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Dadurch, daß die Austrittsöffnung des Plasmastrahls aus der Katode
unter dem Tiegelniveau liegt, wird eine Verunreinigung der Katode vermieden, gleichzeitig
aber auch die Verunreinigung des Tiegelmateriale durch abgedampfte Katodenteil chen.
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Das Auftreten von Abschatungen auf den Substraten ist nicht möglich,
da der Raum über dem Tiegel frei für das zu verdampfende Material ist.
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Nicht zuletzt trägt die besondere Porm der eisengekapselten Longitudinalmagnetfeldspule
und das dadurch erzeugte und in seiner Stärke regulierbare Magnetfeld hoher Konzentration
dazu bei, den Plasmastrahl zu führen und zu bündeln und die Verdampfungsrate zu
steuern.
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