DE3408053C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln der Innenwand eines röhrenförmigen Substrates mittels einer elektrischen Glimmentladung bestehend aus einer Vakuumkammer, einer Anode und einer innerhalb des in der Vakuumkammer gela­ gerten Substrates angeordneten Hilfselektrode.

Die im Stand der Technik offenbarten Vorrichtungen eignen sich nicht dazu, die Innenwand von Rohren mit verschieden­ artigen Methoden zu behandeln, etwa durch Wärmeeinwirkung, kathodisches Ätzen oder Beschichten durch Kathodenzerstäu­ bung. Die in DE-PS 9 76 529 offenbarte Vorrichtung eignet sich nicht dazu, die Innenfläche eines Rohres durch Kathodenzer­ stäubung mit einer ausreichend haftfesten und dichten Schicht aus dem Elektrodenmaterial zu beschichten, da die von der Hilfselektrode abgestäubten Atome durch Stöße mit den Gas­ atomen und -molekülen ihre kinetische Energie weitgehend ver­ lieren, bevor sie auf die zu beschichtende Fläche auftreffen. Diese Energie wäre aber nötig, um bei Auftreffen auf die In­ nenfläche des Rohres die dort sorbierten Gasatome und -mole­ küle zu verdrängen bzw. abzulösen und damit eine feste haften­ de und dichte Schicht aufzubauen.

Andererseits hätte eine Vorrichtung dieser Art, sofern man damit Schichten mit guter Qualität herstellen könnte, wesent­ liche Vorteile gegenüber anderen bekannten Vorrichtungen zur Innenbeschichtung von Rohren, wie sie z. B. in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben wurden. DE-AS 28 20 301, DE-OS 26 44 942, DE-OS 27 29 286.

Diese Vorrichtungen erfordern nämlich Magnetfelder oder hoch­ frequente Wechselfelder und sind deshalb teuer und umständ­ lich sowohl in der Herstellung als auch beim Betrieb. Die größten Schwierigkeiten treten auf, wenn ferromagnetische Rohre beschichtet werden sollen, da in diesem Fall Magnet­ felder in einer Weise verändert werden, welche eine effektive Gasionisierung unterdrückt. Ein weiteres Problem tritt beim Versuch reaktiver Zerstäubung der in das Rohr eingeführten Hilfselektrode auf wobei die Hilfselektrode wenigstens an ihrer Oberfläche aus dem Material besteht, welches durch Kathodenzerstäubung auf der Innenwand des Rohres aufgebracht werden soll. Da in diesem Fall das reaktive Gas in die Ver­ bindungsschicht eingebaut also verbraucht wird, führt dies zu einer Verarmung der reaktiven Gaskomponente in der Mitte zwischen den offenen Rohrenden, insbesondere dann, wenn die Zerstäubungsvorrichtung das zu beschichtende Rohr weitgehend ausfüllt. Die Verwendung eines Gasverteilers, wie er z. B. in der britischen Patentschrift 15 70 044 beschrieben wurde, ist bei der Innenbeschichtung von engen Rohren nicht möglich. Die im Stand der Technik offenbarten Vorrichtungen weisen darüber hinaus eine während des ganzen Verfahrens stationäre Anordnung von Hilfselektroden und Substrat bzw. Kathode und Substrat auf. Eine Inhomogenität in der Elektrodenanordnung bzw. in den während des Beschichtungsvorganges wirkenden Feldern schlägt sich daher unmittelbar in einer Inhomogenität der auf dem Substrat erzeugten Schichten nieder.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß sie sich für die Durchführung verschiedener Behandlungen der Innenwand von Rohren eignet, vor allem für diejenigen, die für eine Aufbringung von dünnen, gleichmäßigen, haftfesten und dichten Schichten nützlich sind, wie z. B. vorgängige Wär­ mebehandlungen, kathodisches Ätzen der Innenwand und nachfol­ gende Beschichtung der Innenwand mittels Kathodenzerstäubung. Dabei sollen Magnetfelder, hochfrequente Wechselfelder und hohe Strömungswiderstände, wie sie bisher bei vielen Verfah­ ren unerläßlich waren, vermeidbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genann­ ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hilfselek­ trode exzentrisch in das Substrat hineinragt, so daß der Abstand zwischen der zentralen Achse dieses Substrats und der der zu behandelnden Innenwand des Substrats zugewandten Ober­ fläche der Hilfselektrode größer ist als der Abstand zwi­ schen der der zu behandelnden Innenwand des Substrats zuge­ wandten Oberfläche der Hilfselektrode und der zu behandelnden Innenwand des Substrats und daß die Hilfselektrode relativ zum Substrat auf einer Kreisbahn um die zentrale Achse beweg­ lich angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es im Vergleich zu der aus DE-PS 9 76 529 bekannten Vorrichtung möglich, den Hohl­ kathodeneffekt bei geringerem Gasdruck zu erzielen. Da gleich­ zeitig der Abstand zwischen der Hilfselektrode und der Rohr­ innenwand verkleinert ist, wird die Zahl der Stöße mit Gas­ atomen, welche die von der Hilfselektrode abgestäubten Atome auf dem Weg zur Rohrinnenwand erleiden, in zweifacher Hin­ sicht verringert. Das führt zu überraschend gut haftenden und zu sehr dichten, feinkörnigen Schichten. Während der Beschich­ tung findet eine Relativbewegung zwischen Rohr und Hilfselek­ trode statt, um die Gleichmäßigkeit der Schichten zu erhö­ hen. Das kann derart geschehen, daß Hilfselektrode und Rohr relativ zueinander um die Rohrachse drehbar angeordnet wer­ den.

Überraschenderweise ist es - im Gegensatz zu der bekannten Anordnung - möglich, mit der erfindungsgemäßen Anordnung einen ausreichenden Hohlkathodeneffekt auch dann noch zu er­ zielen, wenn die Hilfselektrode auf Anoden - oder Schwebepo­ tential - liegt, so daß sie nicht zerstäubt wird. Sie braucht dazu nicht aus dem Rohr herausgezogen zu werden. Die Erfindung ermöglicht deshalb auch die Durchführung eines Be­ schichtungsprozesses in 2 Phasen, wobei die zu beschichtende Fläche während der ersten Phase durch Kathodenzerstäubung geätzt und während der zweiten Phase durch Kathodenzerstäu­ bung der Hilfselektrode beschichtet wird. Bei der Kathodenzer­ stäubung besteht die Hilfselektrode in an sich bekannter Wei­ se wenigstens an ihrer Oberfläche aus dem Material, welches durch Kathodenzerstäubung auf dem Substrat aufgebracht werden soll. Eine solche Ätzphase bewirkt eine besonders gute Haftfestigkeit der Schicht auf ihrer Unterlage, da das von der Rohrwand abge­ stäubte Material auf der Hilfs­ elektrode abgelagert und später zu Beginn der Beschichtungsphase - gemischt mit dem Material der Hilfselektrode - wieder auf die Rohr­ innenfläche aufgestäubt wird. Auf diese Weise entsteht ein kontinuier­ licher Übergang zwischen dem Rohrmaterial und dem Schichtmaterial, der als Ursache für die gute Haftfestigkeit betrachtet werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann aber nicht nur ein Ätzen vor einem darauffolgenden Beschichten der Innenwand eines Rohres durch­ geführt werden; auch andere Vorbehandlungen in einer elektrischen Gas­ entladung sind damit möglich. Zum Beispiel kann es nützlich sein, die Innenwand des Rohres vor einer nachfolgenden Beschichtung durch eine elektrische Gasentladung zu erwärmen, wobei wie in der Ätz- und Beschichtungsphase, die Rohrwand als Kathode geschaltet wird. Für diesen Fall einer reinen Erwärmung hat sich die Verwendung von Helium als Entladungsgas besonders bewährt, da Helium eine geringere Zerstäubungswirkung als schwere Gase besitzt, so daß auch reine Wärmebehandlungen ohne Abätzen der Rohrwand vor dem Beschichten möglich sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläuert. Es zeigt

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltschema für die Schaltzustände "Ätzen durch Zerstäuben" und "Beschichten".

In Fig. 1 sind ein Längsschnitt und ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargstellt. Die Vakuumkammer besteht aus einem zylindrischen Teil 1, an dem eine Pumpöffnung 2 und ein Gaseinlaß 3 angebracht sind; er wird geschlossen durch einen Deckelflansch 4 und einen Boden­ flansch 5. Im Deckelflansch 4 ist eine als Hohlkörper ausge­ bildete röhrchenförmige Hilfselektrode 6 um die Achse 7 dreh­ bar gelagert. Bei einer Drehbewegung um diese Achse 7 bewegt sich die Hilfselektrode 6 relativ zum Substrat auf einer Kreisbahn um die zentrale Achse 7. Sie begrenzt zusammen mit dem zu be­ handelnden Rohr 8 einen zweifach zusammenhängenden Raum, was im Querschnitt (in Fig. 1a) gut zu erkennen ist. Die Hilfs­ elektrode (6) ragt dabei exzentrisch in das Substrat hinein, so daß der Abstand zwischen der zentralen Achse (7) dieses Substrats (8) und der der zu behandelnden Innenwand des Sub­ strats zugewandten Oberfläche der Hilfseleketrode größer ist als der Abstand zwischen der der zu behandelnden Innenwand zugewandten Oberfläche der Hilfselektrode und der zu behan­ delnden Innenwand des Substrats (8). Im Bereich der zu behandelnden Innenfläche des Rohres 8 soll die Hilfselektrode 6 einen möglichst großen Abstand 10 von der Rohrachse 7 aufweisen, so daß im Bereich der Achse ein freier Raum entsteht. Der Spalt 12 wird zweck­ mäßigerweise so klein wie möglich gehalten; seine Größe wird durch die Herstellungstoleranzen und die Forderung be­ grenzt, daß kein Kontakt zwischen der Hilfselektrode und der Rohrwand auftreten darf. Der Einfachheit halber sind in Fig. 1 der Deckelflansch 4 und der Bodenflansch 5 auf von den Wänden der Vakuumkammer 1 verschiedenes elektrisches Potential ge­ legt und dienen somit gleichzeitig als vakuumdichte Spannungs­ durchführungen. In der Praxis müssen diese Teile natürlich mit einem Berührungsschutz versehen werden. Die Hilfselektro­ de 6 wird durch ein durchströmendes Kühlmittel gekühlt und ist elektrisch von der Vakuumkammer 1 isoliert und über den Anschluß T mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die aus Fig. 2 ersichtlich ist. Ebenso ist das zu beschichtende Rohr 8 elektrisch von der Vakuumkammer isoliert und über den Anschluß S mit der genannten Schaltung verbunden.

Diese elektrische Schaltung (Fig. 2) stellt bei Schließen des Schalters I den Zustand "Ätzen" und bei Schließen des Schalters II den Zustand "Beschichten" her.

Dabei wird die Hilfselektrode im ersten Fall auf positives oder schwebendes Potential gegenüber der Rohrwand gelegt, im zweiten Fall dagegen befindet sie sich auf gleichem oder höhe­ rem Potential wie die Rohrwand und bildet mit dieser zusammen eine Hohlkathode. Die Anschlüsse T, S und A der Fig. 2 ent­ sprechen denen der Fig. 1. Der Regelwiderstand 13 und das Meßinstrument 14 dienen der Einstellung und Überwachung der Leistungsverteilung zwischen Hilfselektrode und Rohr beim Bestäubungsbetrieb, das Meßinstrument 16 der Messung des Gesamtentladungsstroms.

Manchmal kann es nützlich sein, die Behandlung in einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung in an sich bekannter Weise durch Hochfrequenzfelder zu unterstützen. Dafür kann man z. B. eine zweite gegenüber der ersten elektrisch isolierte zusätzliche Hilfselektrode einbauen, die zusammen mit der ersten Hilfselek­ trode ein Hochfrequenzelektrodenpaar bildet. Verwendet man für diesen Zweck zwei U-förmig gebogene Elektroden, ähnlich derjenigen, die in Fig. 1 gezeichnet ist, so bilden die Ach­ sen der vier Schenkel der beiden U-Formen die Ecken eines Quadrats. Auch die Unterstützung durch ein geeignetes Magnetfeld ist möglich, wenn das zu beschich­ tende Rohr nicht magnetisierbar ist. Unterstützungen dieser Art überlagern sich den Vorteilen, welche die erfindungsge­ mäße Vorrichtung auch in diesen Fällen aufweist.

Das folgende Ausführungsbeispiel läßt den durch die Erfindung erzielten technischen Fortschritt erkennen.

Es ist ein Stahlrohr von 550 cm Länge und einem Innendurchmesser von 40 cm auf der Innenseite mit TiN zu beschichten. Die Hilfselektrode 6 aus einem Titanröhrchen von 6 mm Außendurchmesser wird U-förmig gebogen, so daß der lichte Abstand zwischen den beiden Schenkeln 26 mm beträgt. Auf bekannte Weise wird dieses Röhrchen mit pulverförmigen TiN unter Anwen­ dung des sogenannten Plasmaspritzverfahrens bis zum Erreichen einer Schichtdicke von etwa 0,3 mm Dicke beschichtet. Nach dem Einbau in die Vorrichtung nach Fig. 1 und dem Abpumpen der Luft wird Helium bis zu einem Druck von 0,4 mbar eingelassen und durch Betätigen des Schalters I an das Rohr negative Spannung angelegt, die allmählich von 300 bis 900 V erhöht wird. Nach Erreichen einer Temperatur von 400°C wird das Helium abgepumpt und durch Argon ersetzt und die Spannungsquelle wieder einge­ schaltet. Nach etwa 5 Minuten wird anstelle des Schalters I der Schal­ ter II geschlossen. Nun liegt die Hilfselektrode am negativen Pol der Spannungsquelle und das aufgespritzte TiN-Pulver wird bevorzugt zerstäubt. Der Regelwiderstand 13 wird so eingestellt, daß bei einer Spannung von 570 Volt und einem Gesamtstrom von 3,1 A eine Spannung von 300 V am Rohr liegt und der Strommesser 14 einen Strom von 1,1 A anzeigt. Nach 3 Stun­ den ist auf der Innenwand des Rohres eine Schicht von 3,4 µm Dicke auf­ gewachsen, die eine Härte von 2600 Vickers aufweist und die für TiN charakteristische goldgelbe Farbe zeigt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Behandeln der Innenwand eines röhrenför­ migen Substrats mittels einer elektrischen Glimmentla­ dung bestehend aus einer Vakuumkammer, einer Anode und einer innerhalb des in der Vakuumkammer gelagerten Sub­ strates angeordneten Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Hilfseleketrode (6) exzentrisch in das Substrat hineinragt, so daß der Abstand zwischen der zentra­ len Achse (7) dieses Substrats (8) und der der zu be­ handelnden Innenwand des Substrats zugewandten Ober­ fläche der Hilfselektrode größer ist als der Abstand zwischen der der zu behandelnden Innenwand des Sub­ strats zugewandten Oberfläche der Hilfselektrode und der zu behandenden Innenwand des Substrats (8), und
• b) daß die Hilfselektrode (6) relativ zum Substrat (8) auf einer Kreisbahn um die zentrale Achse (6) beweg­ lich angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) als U-Form ausgebildet und zwi­ schen zwei Befestigungen eingespannt ist und daß die Achsen der beiden Schenkel der U-Form parallel zu der zentralen Achse (7) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwei Hilfselektroden (6) aufweist, und die Achsen der vier Schenkel der beiden U-Formen die Ecken eines Quadrats bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (6) in an sich bekannter Weise wenigstens an ihrer Oberfläche aus dem Material besteht, welches durch Kathodenzerstäubung auf der Innenwand des Rohres (8) aufgebracht werden soll.

5. Verfahren zur Beschichtung der Innenwand eines röhren­ förmigen Substrats durch Kathodenzerstäubung in einer elektrischen Glimmentladung unter Verwendung einer Vakuum­ kammer mit einer Anode, mindestens einer Hilfselektrode, welche wenigstens an ihrer Oberfläche aus dem Material besteht, welches durch Kathodenzerstäubung auf der In­ nenwand des Substrates aufgebracht werden soll, und einer Trägervorrichtung für das als Kathode wirkende Substrat, wobei eine Hohlkathodenwirkung erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Potential zwischen der Hilfselektrode (6) und der Anode aufrechterhalten wird, welches mindestens 1,5mal höher liegt als dasjenige zwischen Sub­ strat (8) und Anode,
• b) daß die Hilfselektrode (6) derart eingestellt wird, daß der Abstand zwischen der zentralen Achse (7) des Substrats (8) und der der zu beschichtenden Innenwand des Substrats zugewandten Oberfläche der Hilfselek­ trode größer ist als der Abstand zwischen der der zu beschichtenden Innenwand des Substrats zugewandten Oberfläche der Hilfselektrode und der zu behandelnden Innenwand des Substrats (8), und
• c) daß die Hilfselektrode (6) auf einer Kreisbahn um die zentrale Achse (7) relativ zum ruhenden Sub­ strat (8) bewegt wird.