DE3417462A1

DE3417462A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die beschichtung einer traeger- oder grundschicht mit einem material, das elektrisch in die dampfphase gebracht wird

Info

Publication number: DE3417462A1
Application number: DE3417462A
Authority: DE
Inventors: Eduard Forest Hills N.Y. Pinkhasov
Original assignee: Wedtech Corp
Current assignee: Vapor Technologies Inc
Priority date: 1983-05-13
Filing date: 1984-05-11
Publication date: 1984-11-15
Anticipated expiration: 2004-05-12
Also published as: GB2139648A; JPH0373631B2; DE3417462C3; DE3417462C2; SE458205B; US4609564B1; IT8420832A0; FR2545839A1; US4609564C2; IT8420832A1; GB8412124D0; US4609564A; IL71643A0; IL71643A; SE8402153L; IT1173587B; US4505948A; JPS59211574A; FR2545839B1; SE8402153D0

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER

8.5.1984 m.th · 74 194

WEDTECH CORP., 595 Gerard Avenue Bronx, N.Y. 10451 USA

Verfahren und Vorrichtung für die Beschichtung einer Trägeroder Grundschicht mit einem Material, das elektrisch in die Dampfphase gebracht wird.

Gegenstand dieser Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Beschichtung einer Träger- oder Grundschicht mit einem Material, das unter Verwendung elektrischer Vorrichtungen in die Dampfphase gebracht wird. Gegenstand der Erfindung ist insbesondere aber eine Verbesserung des Verfahrens und der Vorrichtung für das Aufdampfen von Material auf eine Träger- oder Grundschicht und zwar im Hinblick auf die Vergrößerung der Fläche, die mit dem von einer Elektrode verdampften Material beschichtet werden kann, sowie im Hinblick auf die größere Komplexheit der Flächen, welche auf diese Weise beschichtet werden können.

Für das Gebiet der Beschichtungen und der Oberflächenumwandlung .einer Grund- oder Trägerfläche ist die Materialablagerung aus der Dampfphase des jeweils zutreffenden Materials heraus auf eine Träger- oder Grundschicht bereits bekannt. Bei diesem Verfahren wird ganz allgemein das Material, das auf die Träger- oder Grundschicht gebracht werden soll, im Bereich dieser Träger- oder Grundschicht erhitzt und dabei zuerst in den Zustand der Flüssigphase und schließlich in den Zustand der Dampfphase gebracht. Das bedeutet, das Material durchläuft zwei Phasenumwandlungen, nämlich einmal die Umwandlung aus der Festphase in die Flüssigphase und zum anderen aus der Flüssigphase in die Dampfphase.

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Die Beschichtung wird im allgemeinen im Vakuum durchgeführt. Dabei muß für gewöhnlich ein relativ hohes Vakuum erzeugt werden, damit die Materialdämpfe auch vom Ausgangspunkt aus auf die Träger- oder Grundschicht übertragen und transportiert werden können.

Der Erfinder hat bereits eine Verbesserung an den bisher bekannten Systemen beschrieben. Diese Verbesserung besteht darin, daß eine Substanz, im wesentlichen ein Metall, auch dann im Vakuum dadurch auf eine Träger- oder Grundschicht aufgebracht werden kann, wenn man das Material als Elektrode verwendet, und zwar mit einem Prozeß, in dem zur Erzeugung der Materialdämpfe zwischen der Schmelze des Materials und einer Gegenelektrode ein mehr oder weniger stabiler Lichtbogen erzeugt wird.

Mit einem solchen Beschichtungsverfahren können korrosionsfeste Beschichtungen, Schutzbeschichtungen, dekorative Beschichtungen, elektrisch leitende Beschichtungen, HaIbleiterbeschichtungen oder andere Beschichtungen auf eine Träger- oder Grundschicht aufgebracht werden. Darüber hinaus können mit einem solchen Beschichtungsverfahren auf der Träger- oder Grundschicht Legierungen hergestellt werden, und zwar einmal eine Legierung aus dem aufgedampften Material und .aus den Substanzen der Träger- oder Grundschicht und zum anderen eine Legierung aus zwei aufgedampften Werkstoffen, z.B. die Herstellung von Karbiden, Boriden, Suiziden, Nitriden und Siliziumkarbiden.

Vorgestellt und beschrieben worden ist bereits ein Verfahren für das Aufdampfen von Material auf eine Träger- oder Grundschicht, das, wie bereits erwähnt, mit einem elektrischen Lichtbogen arbeitet, der sich von dem Behälter mit der Materialschmelze aus bis zu einer Gegenelektrode erstreckt, der das Material auf der Oberfläche des Materialbehälters verdampft und den übergang des so verdampften Materials im Dampfzustand auf die Träger- oder Grundschicht in der Vakuumkammer bewerkstelligt.

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Die Materialschmelze ihrerseits kann dadurch hergestellt werden, daß zwischen der vorerwähnten Gegenelektrode und einer aus dem im Dampfauftragungsverfahren aufzutragenden Material bestehenden Elektrode ein Lichtbogen gezündet und geführt wird, wobei die Wärme dieses Lichtbogens das Material in die Flüssigphase bringt und dadurch das geschmolzene Ausgangsmaterial entstehen läßt. Das aufzudampfende Material hat einen größeren Durchmesser als die Lichtbogenelektrode in der Materialschmelze; das wiederum bedeutet, daß die Materialschmelze in dem Materialkörper erzeugt wird, so daß ein Plohlraum entsteht, der die Materialschmelze aufnimmt. Der Vorteil besteht nun darin, daß eine Halterung für den Tiegel oder den Behälter mit der Materialschmelze nicht mehr erforderlich ist.

In einem solchen System kann darüber hinaus die Gegenelektrode bewegt und dabei in die Materialschmelze eingetaucht und aus dieser Materialschmelze auch wieder herausgezogen werden, wobei die Gegenelektrode etwas von der Schmelze aufnimmt und die von der Elektrodenspitze erzeugte Wärme zumindest das von der Elektrode aufgenommene Schmelzenmaterial verdampfen und die Dämpfe dann auf die Träger- oder Grundschicht übertragen kann.

In diesem System wird ein Anfangsvakuum erzeugt, das einem verringerten Druck von 10 Torr entspricht, wohingegen der

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Betriebsdruck einen Maximalwert von 10 Torr annimmt. Wirksame Resultate könnten dann erzielt werden, wenn bei einer Spannung von 70 bis 120 Volt durch den Lichtbogen ein Gleichstrom von 100 bis 250 Ampere fließt. Gegenüber den bis dahin verwendeten Vakuumstufen waren beträchtlich höhere Werte zu verzeichnen. Auch die~Ströme waren sehr viel stärker. Die Auftragungsgeschwindigkeit oder Beschichtungsgeschwindigkeit betrug im allgemeinen 0,1 bis 0.3 Gramm je Minute.

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Das System (so wie dies bei dem vorliegenden System der Fall ist), konnte eingesetzt werden zur Erzeugung von SiIizjLumoxidbeschichtungen, Silizidbeschichtungen oder Karbidbeschichtungen auf einer Trägerschicht oder Grundschicht, zur Herstellung von Silizidverbindungen durch Reaktion des Siliziums mit einem Material der Träger- oder Grundschicht nach dem Aufdampfen des Siliziums auf die Träger- oder Grundschicht, des "weiteren auch noch zur Beschichtung von Träger- oder Grundschichten mit jedem gewünschten Metall oder jeder gewünschten Legierung zur Herstellung von Schutzbeschichtungen oder Beschichtungen für andere Zwecke.

Das System kann Anwendung finden in einem großen und weiten Anwendungsbereich, beispielsweise in der Hüttenindustrie, in der chemischen Industrie, in der Elektroindustrie, in der Elektronikindustrie, für industrielle Anwendungen im Hochvakuumbereich, im Bereich der Optik, im Bereich der Raketenfertigung, im Bereich der Raumtechnik und im Bereich der Kerntechnik. Das Verfahren hat sich für die Herstellung von Spiegelflächen als besonders wirksam erwiesen, desgleichen auch bei der Herstellung von Reflektoren, beim Aufbringen von korrosionsfesten Beschichtungen und Filmen, bei Produkten ebener und anderer Konfigurationen sowie für die Herstellung von Mehrfachbeschichtungen in Form von Filmbeschichtungen für Halbleiterelemente, für Widerstände mit hohem ohmschen Widerstand, d.h. immer da, wo eine Modifikation und Änderung der Trägerschichtoberfläche

notwendig und erforderlich ist. Zur Herstellung von Metall- i nitridbeschichtungen wurde Stickstoff in den evakuierten und luftleeren Raum gebracht, dessen Vakuum sich dann bei ungefähr 2.5 χ 10 3 Torr stabilisierte. Das verdampfte Elektrodenmaterial verbindet sich mit dem "Stickstoff, wobei dann die entsprechenden Nitride abgelagert und aufgetragen werden.

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Das Zweielektrodensystem kann zur Bildung von Legierungen in Situ aus den Materialien der beiden Elektroden verwendet werden. Die eine Elektrode kann dabei eine Metallelektrode aus hochreinem Titan, Wolfram, Aluminium oder Kupfer sein, während die andere Elektrode als eine Silizidelektrode, Boridelektrode oder Karbidelektrode (oder Siliziumelektrode, Borelektrode oder Kohlens-toff elektrode) ausgeführt sein kann, was wiederum zur Folge hat, daß es sich bei der Ablagerung um ein Silizid, Borid oder Karbid eines hochreinen Materials handelt. Besteht eine Eltrode aus Graphit oder Karbid und die andere Elektrode aus einem Silizid, dann entsteht im Lichtbogen Siliziumkarbid, das abgelagert und aufgetragen wird. Bestehen beide Elektroden aus Suiziden oder Boriden, dann wird die Beschichtung als eine Silizidbeschichtung oder Boridbeschichtung ausgeführt sein.

Die Erfindung stellt sich die nachstehenden Aufgaben:

Weiterentwicklung der bisher bekannten Prinzipien und dadurch Schaffung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung für die Materialbeschichtung einer Träger- oder Grundschicht und dies unter Vermeidung der Nachteile der bisher bekannten Technik.

Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Aufdampfungsbeschichtung von Material auf Trägeroder Grundschichten mit großer Fläche und/oder mit komplexen Formen bei relativ niedrigen Energiekosten und besserer Gleichmäßigkeit.

Schließlich auch noch die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von komplexen und/öder großen Oberflächen.

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Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben sieht die Erfindung ein Verfahren der Aufdampfungsbeschichtung vor, das im wesentlichen den zuvor beschriebenen Prinzipien folgt und auf der Entdeckung beruht, daß besonders große Beschichtungsflachen dann heregstellt werden können, wenn in einem Vakuum eine längliche und aus dem Beschichtungsmaterial'bestehende Elektrode-seitlich zur Oberfläche der zu beschichtenden Träger- oder Grundschicht angeordnet wird, so daß die Beschichtung über einen beträchtlichen Teil der •Länge der Elektrode im Vakuum erfolgt, und wenn zwischen die-

ser Elektrode und einer Gegenelektrode ein Lichtbogen geführt wird, und zwar mit einem Strom von 50 bis 90 Ampere und mit einer an die Elektroden angelegten Spannung von 30 bis 60 Volt.

Wenn die beiden Elektroden auseinandergefahren werden und der Lichtbogen gezündet oder herbeigeführt worden ist, bewegt sich überraschenderweise der Lichtbogen, ein Teil des Lichtbogens oder ein Heizeffekt des Lichtbogens anscheinend spiralförmig ringsum die lange Elektrode, wobei von ihm das Material der Elektrode in einem im wesentlichen spiralförmigen und sich nach und nach von der Gegenelektrode entfernenden Muster verdampft wird.

Es ist in der Tat eine große Überraschung, daß der Lichtbogen nicht auf den Raum zwischen den beiden Elektroden begrenzt ist, sondern vielmehr eine Komponente oder eine Wirkung aufweist, die sich von der Gegenelektrode weg spiralförmig in einen Längenbereich der langen Elektrode bewegt, die weiter von der Gegenelektrode entfernt wird, und dies trotz der Tatsache, daß die größte Leitfähigkeit in einer direkten Linie zwischen den Elektroden dort vorliegt, wo der größere Teil des Lichtbogens begrenzt wird. Dieser Effekt manifestiert sich in der Tatsache, daß die lange Elektrode, d.h. die Beschichtungs

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elektrode, die ursprünglich einen gleichmäßigen Querschnitt hat, zur Gegenelektrode hin eine Kegelform entwickelt, wobei eine von der Beschichtungselektrode ausgehende Beschich-, tung auf der Träger- oder Grundschicht in einer beträchtlichen Entfernung von der Auftreffläche des Lichtbogens auf der Beschichtungselektrode zu beobachten ist.

Dieser Effekt bleibt tatsächlich auch kurze Zeit nach dem Verlöschen des Originallichtbogens erhalten. Deswegen sollten bevorzugterweise die Elektroden periodisch immer wieder in Kontakt gebracht und voneinander wieder entfernt werden, damit der Lichtbogen erzeugt wird und dann wieder verlöschen kann.

Einem Aspekt der Erfindung zufolge -ist an einem Ende der für die Materialablagerung bestimmten Elektrode und zwar dem von der lichtbogenzündenden Elektrode entfernten Ende, eine Vorrichtung vorgesehen, die die Temperatur der materialabgebenden Elektrode derart steuert und regelt, daß diese Temperatur im Bereich von 8 00°F bis 1000°F gehalten wird. Bei den niedrigeren Spannungs-, Strom- und Temperaturbedingungen zufolge dieser Erfindung kann die Verdampfungsgeschwindigkeit mit der das Material von der materialabgebenden Elektrode verdampf wird, gegenüber den früheren Systemen um das 1,5 bis 2,0-fache gesteigert und erhöht werden. Zur Herstellung der materialabgebenden Elektrode können alle Metalle, Legierungen Karbide und Suizide verwendet werden. Neben den Metallen und anderen Legierungen können Karbide, Boride, Suizide und Nitride auf die Träger- oder Grundschicht aufgebracht werden.

Wenn die Steigerung der Verdampfungsgeschwindigkeit des für die Beschichtung zu verwendenden Materials bei dem im Rahmen der Erfindung gegebenen geringeren Energieeinsatz auch nicht vollständig zu erklären ist, so ist es doch möglich, daß durch die Wanderung des Lichtbogens die sonst in einem Pool vorhandene Schmelzphase über eine große Fläche der material-

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GEPD MÜLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER

abgebenden Elektrode verteilt wird und dadurch eine Verdampfung des Schmelzmaterials in Dünnschichtform ermöglicht.

Komplexe Formen werden mit einem Material beschichtet, das zumindest teilweise von einer länglichen Elektrode, die entsprechend der Träger- oder Grundschicht geformt und ihr über die Länge der Elektrode zugeordnet ist, verdampft. Ein Lichtbogen wird an einem Ende gezündet und herbeigeführt, wobei es über eine Fläche der vom Lichtbogen zurückfahrenden Elektrode zu Ablagerungen kommt. Das andere Ende der Elektrode wird während der Beschichtung zwecks Beibehaltung einer konstanten Temperatur beheizt.

Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 die Vorderansicht einer Vorrichtung zur Durchführung der Dampfphasenbeschichtung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht einer anderen Vorrichtung, bei welcher das zur Darapfphasenbeschichtung zu verwendende Material in einer Elektrode zusammengefaßt ist, die in Vertikalrichtung bewegt und verfahren werden kann,

Fig. 3 ein ebenfalls in Form einer Skizze dargestellter Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung für die Dampfphasenbeschichtung und durch eine Träger- oder Grundschicht, die unter dem Behälter mit Metall angeordnet ist,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt ähnlich Fig. 3 durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung für die Dampfphasenbeschichtung einer Träger- oder Grundschicht,

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Fig. 6 ein Axialschnitt durch eine sehr kompakte und portable Vorrichtung für das erfindungsgemäße Dampfphasenbeschichtungsverfahren und

Fig. 7 einen skizzenhaften Querschnitt durch eine andere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Dampfphasenbeschichtungsverfahrens.

Fig. 1 zeigt ein System, das entsprechend der Erfindung mit einem einfachen Lichtbogenverfahren arbeitet. Mit diesem System können auf Träger- oder Grundschichten spiegelnde Schutzbeschichtungen aufgebracht werden. Mit diesem System können aber auch noch die verschiedensten Metalle, Metallegierungen, darin eingeschlossen auch die warmfesten und hitzebeständigen Metalle, zur Herstellung der jeweils zutreffenden Beschichtungen auf der Träger- oder Grundschicht verdampft werden.

Wie nun aus Fig. 1 zu erkennen ist, können zum Grundsystem gehören: eine - hier nicht dargestellte - Vakuumkammer, die entsprechend Fig. 6 ausgeführt sein kann, eine darin angeordnete Metallelektrode 1, die von einem Elektrodenmanipulator 7 zum Elektrodenkörper 2 hin derart verfahren werden kann, daß dabei die Vertiefung 11 mit der Metallschmelze entsteht, auf die der Lichtbogen 4 gerichtet ist und aufgrifft.

Der Elektrodenkörper 2 ist in eine Halterung 5 eingespannt. Der Gleichstromanschluß 9 läßt über eine Lichtbogenstabilisierungsschaltung 8 einen Lichtbogenstrom durch die Elektrode 1 und den Elektrodenkörper 2 fließen.

Es hat sich herausgestellt, daß es Vorteile bringt, wenn der Elektrode 1, die einen relativ kleinen Querschnitt hat, zur Vermeidung einer zu starken Erhitzung ein Wärmeregler 6 zugeordnet wird.

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Der Elektrodenkörper 2 hat einen wesentlich größeren Querschnitt als die Elektrode 1. Die Metallschmelze 3 liegt aus diesem Grunde in einer konkaven Vertiefung 11 des Elektrodenkörpers 2, die während des Prozesses, d.h. in situ entsteht.

Beispiel 1

Das System nach Fig. 1, dessen Elektroden 1 und 2 aus Titan, Aluminium, Wolfram, Tantal oder Kupfer bestehen können, erzeugt einen Lichtbogen mit einer Temperatur von 5000° bis 7000⁰F. Dabei wird das Metall 3 der Vertiefung 11 verdampft und über eine Strecke von 10 bis 15 cm zur Herstellung einer Metallbeschichtung auf die Träger- oder Grundschicht 10 geführt. Die Metallschmelze 3 kann aus einer Mischung der Metalle"der Elektroden 1 und 2 bestehen, wodurch es dann wiederum möglich ist, auf die Grund- oder Trägerschicht 10 eine Beschichtung aufzubringen, die eine Legierung der Metalle ist, aus denen die beiden Elektroden hergestellt sind. Die Elektrode 1 besteht vorzugsweise aus Titan, wohingegen die Metallschmelze 3 ihrerseits wiederum vorzugsweise aus Aluminium, Wolfram, Tantal oder Kupfer besteht.

Das mit Fig. 1 dargestellte System kann ohne wesentliche Änderungen auch für ein tiegelfreies Herstellen von Schutzbeschichtungen aus Karbiden verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von Silizidbeschichtungen auf der Träger- oder Grundschicht 10 oder zur Herstellung von Karbidbeschichtungen oder Silizidbeschichtungen oder sogar von Siliziumkarbidbeschichtungen auf der Träger- oder Grundschicht 10. Sollen Karbid-Wolframkarbidbeschichtungen auf die Träger- oder Grundschicht aufgebracht werden, dann besteht der Elektrodenkörper 2 aus Graphit und die Elektrode 1 aus Wolframsilizid. Es wird mit einem Startvakuum von 1Ό~

— 5 Torr begonnen und dann mit einem Dauervakuum von 10 Torr

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oder sogar mit einem schwächeren Vakuum gearbeitet. Die Ablagerung bildet sich mit einer Ablagerungsgeschwindigkeit von 0,2 Gramm je Minute.

Auch in diesem Fall wird mit dem System nach Fig. 1 gearbeitet und zwar in der gewöhnlichen Vakuumkammer. Die Elektrode 1 kann aus Silizium oder Kohlenstoff bestehen, während der Elektrodenkörper 2 aus dem Metall gefertigt ist, dessen Silizid oder Karbid hergestellt werden soll. Soll auf der Träger- oder Grundschicht 10 eine Beschichtung aus Silizium abgelagert werden, dann kann der Elektrodenkörper 2 auch aus Silizium bestehen.

Soll beispielsweise eine Siliziumkarbidschicht auf die Trägeroder Grundschicht 10 aufgebracht werden, dann kann die Elektrode 1 aus Silizium "bestehen und der Elektrodenkörper 2 aus einem Kohlenstoffblock, in dem eine Vertiefung 11 mit Silizium und mit Lösungsmitteln versetzter Kohlenstoff vorhanden ist.

Die Dämpfe werden auf die Träger- oder Grundschicht 10 übertragen und dort als eine Siliziumkarbidbeschichtung abgelagert. Die Träger- oder Grundschicht 10 kann aus Titan hergestellt sein; bei der Ablagerung auf der Trägerschicht kann es sich um ein Gemisch aus Titansilizid und Titankarbid handeln.

Mit einer Elektrode 1, die aus Silizium oder aus Kohlenstoff besteht, und mit einem aus Titan bestehenden Elektrodenkörper 2 kann eine Titankarbidbeschichtung oder Titansilizidbeschichtung auch auf einer Träger- oder Grundschicht 10 aufgebracht werden, die aus einer anderen Materialzusammensetzung besteht.

Siliziumdioxidbeschichtungen entstehen dann auf der Trägeroder Grundschicht, wenn der luftleer gemachten Kammer eine

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geringfügig oxidierende Atmosphäre gegeben wird.

Das mit Fig. 1 dargestellte System eignet sich offensichtlich ganz besonders für die Herstellung von Halbleitern.

Entlang der Länge der Elektrode 1 kann als überhitzungsschutz noch ein zweiter Wärmeregler 6 vorgesehen werden. Darüber hinaus können als überhitzungsschutz auch dem Elektrodenkörper 2 zusätzliche Wärmeregler zugeordnet werden.

Besteht entweder die Elektrode _S1 oder der Elektrodenkörper 2 aus Silizium und die jeweils andere aus Kohlenstoff, dann hat dies zur Folge, daß durch die Reaktion Siliziumkarbid erzeugt und mit größerer Reinheit abgelagert wird, als dies bei dem ursprünglichen Siliziumoxid und Kohlenstoff der Fall ist.

Siliziumoxidbeschichtungen oder Siliziumbeschichtungen hoher Dichte, die besonders für die Beschichtung von Halbleiterelementen gewünscht werden, können dann erzielt werden, wenn beide Elektroden aus Silizium bestehen.

Wenn das System nach Fig. 2 dem mit Fig. 1 dargestellten System auch sehr ähnlich ist, so arbeitet es doch anders, d.h. es finden andere Prinzipien Anwendung. Die Verdampfung erfolgt zumindest'teilweise von der benetzten oberen Elektrode 101 aus.

Die im System verwendeten Konstruktionselemente, die denjenigen aus Fig. 1 entsprechen oder diesen ähnlich sind, erhalten, wenn auch im Hunderterbereich, die gleichen allgemeinen Hinweiszahlen.

Im System nach Fig. 2 ist der Elektrodenmanipulator 107 mit einem Vertikalreziprokationsantrieb 112 gekoppelt, der die Elektrode 101 in Richtung des Pfeiles 114 derart reziprokierend

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bewegt, daß dabei die Spitze der Elektrode 101 periodisch in die Vertiefung für die Metallschmelze 103 im Elektrodenkörper 102 eingetaucht wird.

Wird nach dem Hochfahren aus der Metallschmelze der Lichtbogen 104 wieder gezündet, dann wird die auf der Elektrode 101 vorhandene Metallschmelzenschicht 113 verdampft und schließlich auf der Träger- oder Grundschicht 110 abgelagert.

Der Elektrodenblock 102 ist in die Halterung 105 eingespannt und wird von dieser gehalten. Der Lichtbogenstrom wird in der bereits beschriebenen Weise vom Gleichstromanschluß 109 und von der Lichtbogenstabilisierungsschaltung 108 zugeführt. Der Elektrode 101 ist ein Wärmeregler 106 zugeordnet.

Dieses System hat sich - als eine Modifikation des zuvor beschriebenen Beispieles - dann als besonders wirkungsvoll erwiesen, wenn die Elektrode 101 aus-Titan und die Vertiefung mit der Metallschmelze 103 aus Aluminium bestanden hat.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten System handelt es sich um ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Beschichtungsdämpfe auf einer Träger- oder Grundschicht 210 abgelagert werden, die unterhalb eines als ein nach oben offener Ring ausgeführten Tiegels 217 mit der Metallschmelze 203 angeordnet ist. Der Tiegel 217 wird von einer Halterung 205 gehalten.

Die obere Elektrode 201 hat die Form eines Kugelschalensegmentes und arbeitet wie ein Reflektor, so daß dann, wenn zwischen der Elektrode 201 und der Schmelze im Tiegel 217 ein Lichtbogen 204 vorhanden ist, die Beschichtungsdämpfe in Pfeilrichtung 219 nach oben geführt und dann, wie dies mit den Pfeilen 218 kenntlich gemacht ist, von dort aus reflektiert und auf die Träger- oder Grundschicht 210 gerichtet werden.

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Der Gleichstromanschluß 209 steht über die Lichtbogenstabilisierungsschaltung 208 mit der Elektrode 201 und mit dem Tiegel 217 in Verbindung. Die an der Stange 216 befestigte obere Elektrode 201 wird in Vertikalrichtung vom Elektrodenmanipulator 2 07 und in Horizontalrichtung von einem Hilfsantrieb 215, der die Elektrode 201 über das zu verdampfende Metall bringt, verfahren.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Elektrode 201 aus Titan, Molybdän oder Wolfram bestehen und die Schmelze im Tiegel 217 aus Graphit, aus Aluminium oder Kupfer.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Beschichtungsdämpfe nach unten strömend auf der Träger- oder Grundschicht 310 zur Ablagerung gebracht werden.⁵

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der nach oben offene und die Metallschmelze 3 03 enthaltende Tiegel 317 unter Verwendung einer Gießpfanne 322 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung mit einer Metallschmelze nachgefüllt werden. Dem Tiegel 317 kann aber auch festes Metall zugegeben werden, das dann in diesem Tiegel 317 erschmolzen wird. Die Beheizung des Tiegels 317 erfolgt durch ein zusätzliches System, beispielsweise mit einer Induktionsheizung 323. Zum Halten des Tiegels dient eine Halterung 305.

In den Boden des Tiegels 317 sind die Öffnungen 321 eingearbeitet. Aus diesen Öffnungen 321 tritt das geschmolzene Metall in Tropfen aus. Die Tropfen werden dann von dem zwischen der Elektrode 301 und dem Boden des Tiegels 317 sich erstreckenden Lichtbogen 304 verdampft.

Im Bereich des Lichtbogens kann die Temperatur von einem zusätzlichen Induktionssystem 3 24 gesteuert und geregelt werden

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Die Elektrode 301 kann gekühlt . worden; dafür it;t dau Kühl element 306 vorgesehen.

Die Elektrode 301 wird vom Elektrodenmanipulator 3 07 zum Tiegel 317 hin gefahren. Der Lichtbogen wird aufrechterhalten von einer Lichtbogenstabilisierungsschaltung 3 08, die mit dem Gleichstromanschluß 3 09 verbunden ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann Kupfer als Metallschmelze verwendet werden.

Statt des zusätzlichen Induktionssystems 324 kann an der für dieses System vorgesehenen Stelle eine zu beschichtende Träger- oder Grundschicht angeordnet werden, beispielsweise ein Titanring, von dem die Beschichtungsdämpfe in Form einer Beschichtung aufgefangen werden.

Im System nach Fig. 5 wird das geschmolzene Metall dann verdampft, wenn die Metallschmelze in einem geschlossenen Raum entsteht. Die Beschichtungsdämpfe werden durch die Öffnungen 4 25 hindurch auf die Träger- oder Grundschicht 410 geführt.

In diesem Falle entsteht die Vertiefung mit Flüssigkeit dadurch, daß der von der Halterung 4 05 gehaltene Elektrodenkörper 4 02 geschmolzen wird und zwar dadurch, daß die Elektrode 401 über den Elektrodenmanipulator 4 07 in einer Zentralbohrung 426 des Elektrodenkörpers 402 zugeführt wird, wobei die Elektrode 401 eine Isolierbuchse 427 passiert, die eine Führung darstellt. Ein Wärmeregler 4 06, der ein überhitzen im Bereich vor den Öffnungen 4 25 zu verhindern hat, ist nahe dem Lichtbogen 4 04 koaxial rings um die" beiden Elektroden angeordnet. Beschichtet wird die Träger- oder Grundschicht 410.

Die Stromversorgung der Elektroden erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise von einem Gleichstromanschluß 409 aus über die Lichtbogenstabilisierungsschaltung 408.

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Mit der in Fig. 6 dargestellten portablen galvanischen Lichtbogenvorrichtung können unter Anwendung der zuvor beschriebenen Prinzipien reflektierende Beschichtungen, Korrosionsschutzbeschichtungen, Schutzbcschichtungen sowie Halbleitermetallbeschichtungen, Silizidbeschichtungcn und Karbidbeschichtungen hergestellt werden.

Zu dem mit Fig. 6 gezeigten System gehört eine Vakuumkammer 500, die an ihrem oberen Ende einen Traggriff 530 aufweist und somit leicht transportiert werden kann.

Innerhalb der Vakuumkammer 500 angeordnet ist eine Hohlkugel 517, deren unterer Teil als Tiegel für die Metallschmelze 503 ausgeführt ist. Dieser untere Teil ist innen mit einem hochtemperaturfesten Material beschichtet, beispielsweise mit Aluminiumoxid.

Der obere Teil der Hohlkugel ist mit einer reflektierenden Beschichtung 531 versehen, die die vom Schmelzbad ausgestrahlte Hitze wieder reflektiert und auf das Schmelzbad zurückwirft.

Zwischen der Eletrode 501 und der Metallschmelze 503 erstreckt sich ein Lichtbogen 504. Die Elektrode 501 wird vom Elektrodenmanipulator 507 entsprechend dem Verbrauch des Elektrodenmaterials zum Schmelzenbad hin transportiert.

Dem Schmelzenbad wird in fester Form durch eine Stange 532, die ebenfalls mit der Zuführungsvorrichtung 533' verbunden ist, dann zusätzliches Metall zugeführt, wenn das Schmelzbad verbraucht worden ist.

Die Elektrode 501 und die Metallschmelze 503 sind jeweils mit den entsprechend gepolten Anschlüssen der Lichtbogenstabilisierungsschaltung verbunden und werden von einem Gleichstrom-

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anschluß derart mit Strom versorgt, wie dies bereits zuvor beschrieben worden ist.

Um die Stange 532 ist eine rohrförmige Elektrode 502 angeordnet.

Dem unteren Teil der Vakuumkammer 5 00 ist eine Luftpumpe 533 zugeordnet. Mit dieser Pumpe 533 wird die Vakuumkammer 500, zu welcher auch die Hohlkugel 517 gehört, über einen Vakuumschlauch 534 und über ein Ventil 535 evakuiert und entlüftet, desgleichen auch ein Adapter 536 mit sich nach außen öffnender Form, der an eine seitliche Öffnung der Hohlkugel 517 angesetzt werden kann.

Der Kammer oder dem Adapter 536" kann eine Heizschlange oder Heizwicklung 537 zugeordnet sein, die ein unerwünschtes Kondensieren des in der Kammer vorhandenen Dampfes zu verhindern hat.

Zwischen der seitlichen Öffnung der Hohlkugel 517 und dem Adapter 536 befindet sich ein Vakuumverschluß 538. Hier ist darüber hinaus auch noch eine Halterung 539 für eine Vielzahl von Adaptern der unterschiedlichsten Formen und Größen vorgesehen.

Der Adapter 536 ist ebenfalls mit Vakuumdichtungen 540 derart versehen, daß er auf die zu beschichtende Träger- oder Grundschicht 510 aufgesetzt werden kann.

Das mit Fig. 6 dargestellte, portable System wird zu der zu beschichtenden Träger- oder Grundschicht 510 gebracht. Dann wird der geeignete Adapter 536 in der Halterung 539 befestigt und die Vakuumdichtung 54 0 auf die Träger- oder Grundschicht 510 gedrückt, die beschichtet werden soll. Es wird der Lichtbogenstrom eingeschaltet und zugeführt. Das System wird mit

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der Luftpumpe 533 luftleer gemacht. Das Metall schmilzt und es entsteht das Schmelzenbad 503 in der Hohlkugel 517. Jetzt wird der Vakuumverschluß 538 geöffnet, wobei die Beschichtungsdämpfe durch die Druckdifferenz, die vom Ventil

535 zwischen dem Inneren der Hohlkugel 517 und dem Adapter

536 gesteuert wird, zumindest teilweise auf die Träger- oder Grundschicht weitergeführt werden.

Praktisch jedes Produkt kann an jeder Stelle mit einer Beschichtung versehen werden. Die vielen in Form und Größe verschiedenen Adapter ermöglichen auch die Beschichtung von komplizierten Körpern, ohne daß dazu diese Körper aus ihrem Anwendungsbereich entfernt werden müssen. Das System kann zusammengeklappt werden, so daß es auch zur Beschichtung der Innenflächen von Kanälen oder dergleichen eingesetzt werden kann.

Unter Weltraumbedingungen kann das dargestellte System ohne den Adapter 536 auch als Antriebseinheit für Personen und Geräte eingesetzt werden. Nach dem Zünden des Lichtbogens braucht nur der Vakuumverschluß 538 geöffnet zu werden, wobei aus der seitlichen Öffnung der Hohlkugel 517 eine Strömung austritt, die dann einen Antriebsstoß in die entgegengesetzte Richtung bewirkt. Das Vakuum des Raumes stellt für das System dabei ein natürliches Vakuum dar was wiederum bedeutet, daß dann die Luftpumpe 533 nicht erforderlich ist. Praktisch alle im Raumeinsatz zu findenden Reste können in der Hohlkugel 517 zur Erzeugung des Antriebes genutzt werden.

Das in der Fig. 7 wiedergegebene Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes kombiniert in sich Eigenschaften der früheren Konzeptionen mit den zuvor angeführten Konzeptionen.

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In diesem System, mit dem eine Beschichtung 610' auf die Innenfläche 610a eines Rohres 610 - und dieses Rohr bildet eine Träger- oder Grundschicht mit einer komplexen Form ist eine mäterialabgebende Elektrode 602 von entsprechender Form im Rohr zentral angeordnet-und wird dabei von einer Halterung 6 02c gehalten. Der Elektrode zugeordnet ist eine Induktionsheizspule 606a eines Wärmereglers 606, der mit einem Thermoelement· 606b oder einem ähnlichen Temperaturmeßfühler, der auf die Temperatur der materialabgebenden Elektrode anspricht, arbeitet und über einen'konventionellen Rückführungs-"kreis die Temperatur der Elektrode konstant auf 800 bis 1000⁰F hält.

Wie bei dem früheren Ausführungsbeispiel sind die Trägerschicht und das Ausgangsmaterial für die Beschichtung in einer Vakuumkammer angeordnet, die'-bis auf einen Druck von 10 Torr derart evakuiert werden kann, daß es möglich ist, die Aufdampfungsbeschichtung bei einem Druck von 10 Torr durchzuführen.

Das Ende der 'materialabgebenden Elektrode 602 ist versehen mit der lichtbogenauslösenden Elektrode 601, die von einem Elektrodenmanipulator 607 reziprok-ierend der Elektrode angenähert und auch von dieser wieder zurückgezogen werden kann. Die Elektrode 602 kann im Ansprechen auf einen Nullstromdetektor 607a verfahren werden, so daß dann, wenn der Lichtbogenstrom praktisch nicht mehr vorhanden ist, die Elektrode 601 nach links bewegt und mit dem Ende 602a der Elektrode in Kontakt gebracht und zur Errichtung des Lichtbogens dann wieder zurückgefahren wird.

Der Lichtbogenstrom wird von einem pulsierenden Gleichstromanschluß 609 über eine Lichtbogenstabilisierungsschaltung geliefert. Die Parameter des Lichtbogenstromes werden von den Schaltungselementen in einem Bereich von 5 0 - 9 0 Ampere und von 30 bis 60 Volt gehalten.

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Ist im praktischen Betrieb dieses Systems der Lichtbogen einmal gezündet, dann hat es den Anschein, daß entweder der Lichtbogen selber ein Verdampfungseffekt oder irgend ein anderes elektromagnetisches Phänomen sich - wie dies mit dem Pfeil A gekennzeichnet ist - im Lichtbogenbereich und Aufdampfungsbereich über die ganze Länge der materialabgebenden Elektrode im wesentlichen schraubenförmig oder spiralförmig bewegt, d.h. über die Länge, über die dieses Phänomen bis zur Auflösung des Lichtbogens wirksam wird.

Durch den Materialverlust erhält die Elektrode 602 eine" konische oder kegelförmige Form, so wie sie in Fig. 7 mit Strichpunktlinie 602b dargestellt ist.

Die Tatsache, daß durch die Kegelbildung oder Konusbildung die Elektrode weiter von der Trägerschicht oder Grundschicht entfernt wird, schafft keine besonderen Probleme, weil die stärkste Ablagerung im Bereich der größten Entfernung stattfindet, was wiederum zur Folge hat, daß die Endbeschichtung der Träger- oder Grundschicht sehr gleichmäßig wird.

Das mit der Erfindung geschaffene System erweist sich insbesondere für das beschichtende Aufbringen von temperaturempfindlichen Materialien bei sehr dünnen Beschichtungen als sehr nutzbringend, weil die Beschichtung außergewöhnlich schnell erfolgt und weil der Beschichtungsvorgang ohne beträchtliche Erwärmung der Träger- oder Grundschicht stattfinden kann.

Beispiel 2

Eine Kupferelektrode 602 der zuvor beschriebenen Form ist in ein als Träger- oder Grundschicht dienendes Rohr eingesetzt. Der Abstand der Elektrode 602 zur Trägerschicht beträgt ungefähr 10 cm. Die Elektrode wird auf einer Temperatur von 900⁰F gehalten. Der Lichtbogen wird in der zuvor be-

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schriebenen Weise an einem Ende gezündet.Der Lichtbogen hat eine Stromstärke von ungefähr 7 0 Ampere. Nach dem Zurückfahren der Elektrode 601 fließt zur Bildung des Lichtboaens ein Strom, der eine Stromstärke von 4 0 Ampere hat. Unter diesen gegebenen Bedingungen ist die Verdampfungsgeschwindigkeit an der Elektrode 6 02 größer als die Verdampfungsgeschwindigkeit nach Beispiel 1. '

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Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER ■ D. GROSSE · F. POLLMEIER 8..Mai 1984 m.th 74 194 WEDTECH CORP., 595 Gerard Avenue Bronx, NY 10451 USA Patentansprüche

1. Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Träger- oder Grundschicht,
gekennzeichnet durch folgende Einzelschritte:

- die_tZuordnung einer länglichen Elektrode, die zumin-"" dest eine Komponente des Beschichtungsmaterials aufweist zjj,r Oberfläche der vorerwähnten Träger- oder Grundschicht und zwar entlang der Längsrichtung der Elektrode,

- die Evakuierung des Raumes, in dem die vorerwähnte Elektrode der Trägerschicht zugeordnet ist, auf einen Druck von höchstens 10 Torr und Beibehaltung dieses Druckes auf diesen Wert von nicht mehr als 10 Torr während der Aufdampfungsbeschichtung,

- das Zünden eines elektrischen Lichtbogens mit der Elektrode, und zwar an einem Ende dieser Elektrode, mit einer Spannung von im wesentlichen 30 - 60 Volt und mit einer Stromstärke von im wesentlichen 50-90 Ampere, um dadurch über eine Länge der Elektrode, die sich vom Lichtbogen entfernt, eine Materialverdampfung herbeizuführen und die Beschichtungsdämpfe auf der Träger- oder Grundschicht über die vorerwähnte Länge zur Ablagerung zu bringen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die Überwachung des Zusammenbrechens des Lichtbogens und die Neuzündung des Lichtbogens durch das Berühren der vorerwähnten Elektrode mit der anderen Elektrode.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Überwachung der Temperatur der zuvor genannten Elektrode auf einem Bereich von im wesentlichen 8 00° bis 1000⁰F. ι

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Träger- oder Grundschicht um ein Rohr mit komplexer.· Form handelt und die längliche Elektrode entsprechend der Konturenform des Rohres geformt und in das Rohr eingeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verdampfende Elektrode an dem Ende erwärmt wird, das dem Ende, auf das der Lichtbogen auftrifft, gegenüberliegt, wobei die Temperatur dieser Elektrode ί während der Verdampfungsbeschichtung des Materials im wesentlichen auf einer Temperatur von 800° bis 1000⁰F gehalten wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode länglicher Form, die zumindest aus einem Teil des Beschichtungsmaterials besteht, auf der Oberfläche einer eine komplexe Formgebung aufweisenden Träger- oder Grundschicht angeordnet wird,

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daß die Elektrode eine Form aufweist, die der komplexen Formgebung der Träger- oder Grundschicht entspricht,

daß an einem Ende der vorerwähnten Elektrode eine Vorrichtung zum Zünden des Lichtbogens vorhanden ist, wobei das Beschichtungsmaterial von der Elektrode verdampft wird,

daß an dem anderen Ende der Elektrode eine Vorrichtung zum Beheizen der Elektrode vorhanden ist und

daß schließlich Mittel vorhanden sind, mit welchen der Raum zwischen der vorerwähnten Elektrode und der vorerwähnten Trägerschicht evakuiert und luftleer gemacht werden kann und zwar bis auf einen Druck von rund 10 Torr.