DE3615361C2 - Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken - Google Patents
Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von WerkstückenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung, insbesondere
zum Ätzen und bzw. oder Beschichten von Werkstücken, der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art werden die zu behandelnden Werk
stücke außerhalb des Plasmas der Bogenentladung um diese herum angeordnet und
die Ionendichte des Plasmas wird mittels einer Magnetspule eingestellt, die
außerhalb der Behandlungskammer koaxial zur Niedervolt-Bogenentladung ange
ordnet ist. Durch diese Anordnung der Werkstücke zwischen der Magnetspule
und der Bogenentladung läßt sich am Ort der Bogenentladung kein homogenes
Magnetfeld gewährleisten. Dies führt zu einer inhomogenen Verteilung der
Ionendichte des Plasmas innerhalb der Bogenentladung. Infolge der inhomogenen
Ionendichteverteilung läßt sich kein homogener Ionenbeschuß der Werkstückober
flächen gewährleisten.
Ein weiterer Nachteil der vorbeschriebenen Anordnung der Werkstücke um die
Achse der Bogenentladung herum und innerhalb der Magnetspulen besteht darin,
daß diese bekannte Behandlungsvorrichtung für Werkstückoberflächen nicht ohne
weiteres als Durchlaufanlage zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen
Behandlung einer größeren Anzahl von Werkstücken eingesetzt werden kann.
Aus der CH-PS 5 51 498 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
von Werkstücken mittels Ionenaufstäubung
bekannt, die eine Niedervoltentladungs-Plasmakanone, eine
Halterung für z. B. stabförmige Targets, umgeben von einer
Ringanode, und sowohl externe als auch interne Elektromagnetspulen
(16) bzw. (17) zur Erzeugung eines axialen,
magnetischen Führungsfeldes für den Plasmastrahl aufweist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
von Werkstücken bereitzustellen, mit der unter
geringem Energieaufwand eine gleichmäßige Ätzung oder
Beschichtung der Werkstücke möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
Demgemäß besteht die Erfindung darin, die Magnetspule oder die Magnetspulen
zur Steuerung der Ionendichte in der Niedervolt-Bogenentladung direkt um diese
Entladungszone herum anzuordnen, während die zu behandelnden Werkstücke mit
Abstand zu den Magnetspulen außerhalb derselben in der Behandlungskammer ange
ordnet sind. Diese Anordnung von Magnetspulen und Werkstücken führt einerseits
dazu, daß das Magnetfeld der Spulen ungehindert, d. h. ohne Abschattung durch
die Werkstücke zur Steuerung der Ionendichte der Bogenentladung zur Verfügung
steht, während andererseits die damit erzeugte Führung der Ionendichte in der
Bogenentladung eine gleichmäßige Behandlung der Werkstückoberflächen gewähr
leistet. Durch die unmittelbare Anordnung der Ionendichte steuernden Magnet
spulen im Plasmabereich können diese Spulen im Vergleich zum Stand der Technik
wesentlich kleiner ausgeführt werden, so daß diese Spulen den Ionenfluß vom
Plasma zu den Werkstückoberflächen nicht ungünstig beeinflussen. Ein weiterer
Vorteil der relativ klein dimensionierten Magnetspulen ist auch in energeti
scher Hinsicht gegeben, da zur Erregung dieser Magnetspulen wesentlich weni
ger Strom benötigt wird als bei den außerhalb der Behandlungskammer angeord
neten Magnetspulen nach dem Stand der Technik mit relativ großem Durchmesser.
Durch eine Anordnung der Werkstücke im unmittelbaren Bereich der Kammerwände
befinden sich diese vorteilhafterweise praktisch außerhalb des Einflusses der
Magnetfelder, welche durch die Magnetspulen erzeugt werden, die zwischen der
Glühkathode und der dieser zugeordneten Anode angeordnet sind. Wegen der wand
parallelen bzw. der entladungsparallelen Anordnung der Werkstücke eignet sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Durchlaufanlage.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mindestens zwei
Magnetspulen verwendet, wobei eine erste Magnetspule austrittsseitig an der
Ionisationskammer angeordnet ist, während die zweite Magnetspule im wesent
lichen mittig zwischen der ersten Magnetspule und der zugehörigen Anode ange
ordnet ist.
Zur gleichzeitigen Behandlung einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten
Werkstücken bzw. zur Behandlung eines langgestreckten Werkstücks eignet sich
besonders eine erfindungsgemäße Vorrichtung, deren Ionisationskammer wenig
stens zwei Ionenstrahlaustritte aufweist, denen jeweils eine eigene Anode
zugeordnet ist, die dem jeweiligen Ionenstrahlaustritt gegenüberliegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ionisa
tionskammer elektrisch isoliert von der Behandlungskammer angeordnet und be
steht aus mindestens zwei Teilen, wobei ein erster Teil die Kühlmittel- und
Stromdurchführungen für die Glühkathode enthält, und wobei das zweite Teil die
Kühlmittel- und Stromdurchführungen für die Magnetspule umfaßt, die der
Ionisationskammer nachgeordnet ist. Direkt anschließend an die Ionenstrahl
austrittsöffnung befindet sich die erste Magnetspule, so daß die Bogenent
ladung an dieser Stelle stark eingeschnürt und damit die Gasionisation ent
sprechend aktiviert wird. Durch diese Anordnung läßt sich die benötigte Ein
schnürung der Bogenentladung mit einem relativ geringen Erregungsstrom für
die Spule realisieren.
Der Strom innerhalb der Bogenentladung beträgt 100 A und mehr, so daß sowohl
die Anode bzw. die Anoden und die vakuumdicht in der Behandlungskammer ange
ordneten Magnetspulen einer geeigneten Kühlung bedürfen. Zu diesem Zweck
werden die Magnetspulen mindestens auf der Wicklungsinnenseite durch einen
wassergekühlten Ring gekühlt. Die Anode oder die Anoden sind ebenfalls wasser
gekühlt, wobei die Kühlfläche auf der Anodenrückseite der Bogenentladung ab
gewandt vorgesehen ist.
Die Ionendichte des Entladungsbogens läßt sich durch Änderung der Magnetfeld
stärke einstellen bzw. für eine gleichmäßige Ionenextraktion aus der Gasent
ladung optimieren. Die Magnetfeldstärke läßt sich entweder durch Variation
der die Magnetspulen durchfließenden Ströme oder bzw. und durch eine axiale
Verschiebung der Magnetspulen zueinander bzw. zum Plasma der Entladung
variieren. Von Vorteil sind dabei Stromquellen für die Magnetspulen mit hoher
Ausgangsimpedanz bzw. mit hohem Ausgangswiderstand, so daß induktive Ströme
vom Entladungsbogen durch die Wicklungen nicht entstehen können. Während vor
zugsweise jede Magnetspule von einer eigenen Stromquelle gespeist wird, ist
zur Speisung einer Vielzahl von Anoden eine einzige, gemeinsame Stromquelle
vorgesehen.
Zur gezielten Ionenführung sind die außerhalb des Entladungsbogens und außer
halb des Einflusses der Magnetfelder der Magnetspulen angeordneten Werkstücke
vorteilhafterweise an eine regelbare Hilfsspannung anschließbar, wobei diese
Hilfsspannung entweder eine hochfrequente Wechselspannung oder eine Gleich
spannung ist, die relativ zum Anodenpotential ein negatives Potential auf
weist.
Soll die erfindungsgemäße Vorrichtung als Durchlaufanlage verwendet werden, so
kann die Anode oder können die Anoden als wassergekühlte Ringanoden ausge
bildet sein und die zu behandelnden Werkstücke werden dann unterhalb dieser
Ringanode in der Projektion der Ringöffnung vorbeigeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht nur für das Ätzen von Werk
stückoberflächen mittels Beschuß von Edelgasionen vorteilhaft einsetzbar,
vielmehr eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in vergleichbar vorteil
hafter Weise für das sogenannte reaktive Ätzen von Werkstückoberflächen. Bei
diesem an sich bekannten Verfahren werden die in der Ionisationskammer erzeug
ten Edelgasionen außerhalb der Ionisationskammer mit Reaktivgasen zu einem
Mischionenstrahl vermischt. Als Reaktivgase eignen sich beispielsweise Sauer
stoff und Stickstoff sowie Kohlenstoff, Bor und/oder Fluor enthaltende Gase.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, die Reaktivgase oder
das Reaktivgasgemisch durch Zuführungsleitungen, die im Innenraum der Magnet
spulen münden, in die Behandlungskammer einzuführen, wobei sich die Mündung
der Zuführungsleitungen in unmittelbarer Nähe des Ionenstrahls befindet. Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unter Verwendung eines Mischionenstrahls ist eine spezielle Kammer der Ionisa
tionskammer nachgeschaltet, und zwar vorteilhafterweise innerhalb der ersten
Magnetspule. Diese Kammer ist mit einem Einlaß für das Reaktivgas versehen.
Ihr ist eine weitere Magnetspule zugeordnet. Bei dieser Verbundanordnung von
Ionisationskammer und Reaktivgaskammer ist der Gasdruck in letzterer niedriger
gehalten als in der Ionisationskammer und höher als in der Behandlungskammer.
Sollen mehrere Ionenstrahlen erzeugt werden, so kommt eine Vielzahl von
solchen Ionisationskammer-Reaktivgaskammer-Einheiten zum Einsatz.
Bei Verwendung dieser Verbundkammern läuft die Gasionisierung in zwei Phasen
ab, wobei in der ersten Phase ein Edelgas, wie beispielsweise Argon, Helium
oder Neon kontinuierlich in die Ionisationskammer eingeleitet und dort ioni
siert wird. Die Ionen, welche die Ionisationskammer über die Lochblende zur
Reaktivgaskammer hin verlassen, werden mit Hilfe der ersten Magnetspule in
ihrer Dichte konzentriert und vermischen sich in der Reaktivgaskammer mit den
in diese Kammer kontinuierlich eingeführten Gasen, die in einer zweiten Ioni
sierungsphase ionisiert werden. Eine weitere Einschnürung des Plasmas erfolgt
durch die Lochblende der Reaktivgaskammer hinter dieser Lochblende mit Hilfe
einer weiteren, zweiten Magnetspule. Die Einstellung der Drücke innerhalb der
Kammern erfolgt durch entsprechende Wahl der Öffnungsdurchmesser der Loch
blenden und durch Einstellung des Edel- und Reaktivgaspartialdruckes, und zwar
unter Berücksichtigung des Saugvermögens der Vakuumpumpe, an die die Behand
lungskammer angeschlossen ist.
Vorteilhafterweise ist die Reaktivgaskammer elektrisch isoliert zur Ionisa
tionskammer angeordnet und die beiden Kammern sind auf Schwebepotential ge
halten.
Die Vorteile der der Ionisationskammer nachgeschalteten Kammer bestehen darin,
daß die Ionisationskammer selbst frei von Reaktivgasen ist, so daß die Glüh
kathode nicht einem Beschuß mit Reaktivgasionen ausgesetzt ist und damit eine
höhere Lebensdauer hat als bei entsprechenden Vorrichtungen gemäß dem Stand
der Technik. Außerdem kann der Edelgasdruck in der Ionisationskammer bei Nach
schaltung einer Reaktivgaskammer verringert werden, was wiederum die Lebens
dauer der Glühkathode positiv beeinflußt. Weiterhin kann der Anteil an ioni
sierten Gasatomen dadurch wesentlich erhöht werden, daß das Reaktivgas unmit
telbar in den Bereich der höchsten Ionendichte des Entladungsbogens sowie
der höchsten Magnetfeldstärke eingeführt wird. Zudem kann das Verhältnis
zwischen Edelgas- und Reaktivgaspartialdrücken auf diese Weise frei einge
stellt werden, so daß die übliche Abhängigkeit zwischen den Entladungs
parametern, wie beispielsweise der Druck in der Ionisationskammer, Bogen
strom, Anodenspannung und Magnetfeldstärke und den Ätzparametern, wie bei
spielsweise der Druck in der Behandlungskammer, Werkstückvorspannung und
Ionenstrom zu den Werkstücken, fast vollständig beseitigt ist.
Die vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung werden noch dadurch ergänzt, daß unter Beibehaltung der bereits
beschriebenen Vorteile die Beschichtung von Werkstücken aus der Gasphase
möglich ist.
Auf diese Weise können z. B. Schichten aus Bornitrid oder Borkarbid auf den
Werkstückoberflächen hergestellt werden, indem Bor und Stickstoff bzw. Kohlen
stoff enthaltende Gase verwendet werden. Ebenso können diamantähnliche
Schichten, sogenannte i-C-Schichten, auf die Werkstücke aufgebracht werden,
wenn eine Kohlenwasserstoffverbindung als Reaktivgas verwendet wird.
Zusätzlich kann der Entladungsbogen als Ionenquelle für die Zerstäubung von
Atomen aus einer Kathode aus festem Material verwendet werden, wobei die unter
Ionenbeschuß sich befindende Kathodenoberfläche aus dem zu zerstäubenden Mate
rial besteht. Die Kathode wird auf einem gegenüber der Anode der Bogenent
ladung negativen Potential gehalten, und an die zu behandelnden Werkstücke ist
eine hochfrequente Wechselspannung oder eine gegenüber der Anode negative
Spannung gelegt, so daß die Ablagerung der Ionen und neutralen Teilchen auf
die Werkstückoberflächen möglich ist.
Alternativ hierzu kann der Entladungsbogen als Elektronenquelle für die Ver
dampfung von festen Materialien verwendet werden, wobei das zu verdampfende
Material selbst als Anode der Bogenentladung dient. An die zu behandelnden
Werkstücke ist wiederum hochfrequente Wechselspannung oder gegenüber der Anode
der Bogenspannung negative Gleichspannung angelegt, so daß die Ablagerung der
Ionen und neutralen Teilchen auf den Werkstückoberflächen möglich ist.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich auch metallische
Schichten, nämlich aus dem Kathodenmaterial oder aus Verdampfungsprodukten,
auf den Werkstückoberflächen aufbringen, die sich mit anderen Materialien,
wie beispielsweise Reaktivgasen verbinden. Dadurch ergeben sich Schichten
von beispielsweise Nitriden, Oxiden, Karbiden oder Boriden auf der Werkstück
oberfläche. Es lassen sich also metallische Schichten mit Einlagerungen von
anderen Materialien realisieren. Diese stammen beispielsweise aus der Ionisa
tion in der Reaktivgaskammer oder aus der Ringöffnung der Magnetspulen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
auch die elektrisch isoliert von der Behandlungskammer angeordneten Gehäuse
der Magnetspulen auf Schwebepotential gehalten.
Zur Erhöhung der Glühkathoden-Lebensdauer ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
die Glühkathode aus einer Wechselspannungsquelle und die Anode aus einer
Gleichspannungsquelle mit Strom zu versorgen, wobei der negative Ausgang der
Gleichstromquelle an ein Spannungsmittenpotential der Wechselspannungsquelle
angeschlossen ist, vor allem an die sekundärseitige Mittenanzapfung eines
Transformators der Wechselspannungsquelle, der sekundärseitig den Strom für
die Glühkathode liefert.
Um einen kontinuierlichen Betrieb mit optimaler Elektronenemission zu gewähr
leisten, besteht die Glühkathode aus drei über Glühdrähte miteinander ver
bundene Elektroden, wobei die Mittenelektrode ständig und die beiden Außen
elektroden wechselweise über Schalter an die Wechselspannungsquelle ange
schlossen bzw. anschließbar sind. Im Betrieb ist jeweils vorzugsweise einer
der Glühdrähte über ein Paar von Elektroden an die Spannungsquelle ange
schlossen und der Widerstandswert dieses Glühdrahtes wird kontinuierlich
mittels einer Widerstandsmeßeinrichtung überwacht, die bei Überschreiten eines
vorbestimmten Widerstandsgrenzwertes dieses Glühdrahts die Wechselspannungs
quelle auf den benachbarten Glühdraht umschaltet, bevor ein Durchschmelzen
des ersten Glühdrahts erfolgt. Dadurch ist ein jederzeit sicherer Betrieb
der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.
Um bei einseitiger Anordnung der Werkstücke gegenüber dem Ionenstrahl eine
bevorzugte Richtung der Teilchenbewegung zu erzwingen, können Hilfselektroden
in die Behandlungskammer eingebracht werden, die die Funktion von elektrischen
Abschirmungen übernehmen. Übermäßiges Erhitzen der nahe am Entladungsbogen
angebrachten Hilfselektroden läßt sich durch eine Kühlung dieser Elektroden
vermeiden.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 7 der Zeichnung anhand
mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt, welche nachstehend im
einzelnen näher beschrieben sind. Es zeigt
Fig. 1 einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäß ausgebildete Vor
richtung längs des einzigen Entladungsbogens;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung mit zwei Entladungsbögen;
Fig. 3 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung
mit drei Entladungsbögen in deren Mittenebene;
Fig. 4 einen Axialschnitt entlang der Linien IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Vorrichtung einer weiteren Ausführungs
form;
Fig. 6 einen Schnitt durch eine Ionisationskammer und Reaktivgaskammer
der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtungen, und
Fig. 7 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum kombinierten Ätzen
und Beschichten von Werkstücken in einer weiteren Ausführungs
form.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Werk
stücken umfaßt eine vorzugsweise langgestreckte Behandlungskammer 11 sowie
eine Ionisationskammer 12, die einen rechteckigen Querschnitt oder eine
zylindrische Form aufweisen. Die Behandlungskammer 11 ist vakuumdicht gegen
die Umgebung ausgelegt und mit einem Anschlußstutzen 13 versehen, der an
eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.
Oberhalb des Bodens 14 der Behandlungskammer 11 ist eine plattenförmige Anode
15 angeordnet. Die Anode 15 wird von den Standrohren 16 einer Kühlfluidleitung
17 getragen, welche innerhalb der Anode 15 als Kühlschlange 18 ausgebildet
ist. Die Kühlfluidleitung 17 ist mittels der Dichtungselemente 19 durch den
Boden 14 der Behandlungskammer 11 hindurchgeführt. Auch die elektrische Ver
bindungsleitung 20 zwischen dem Pluspol einer Gleichstromquelle 22 und der
Anode 15 ist durch einen vakuumdichten Isolationskörper 21 hindurchgeführt.
Der Minuspol der Gleichspannungsquelle 22 ist über die Leitung 23 mit dem
Mittelabgriff eines nicht dargestellten Transformators einer Wechselspannungs
quelle 24 verbunden. Diese Wechselspannungsquelle 24 dient der Stromversorgung
der Glühkathode 25 in der Ionisationskammer 12, welche in den Deckel 26 der
Behandlungskammer 11 eingesetzt ist.
Die Ionisationskammer 12 besteht aus einem topf- oder wannenförmigen Gehäuse
27, das durch die Öffnung 28 im Deckel 26 der Behandlungskammer 11 in diese
hineinragt. Der periphere Flansch 29 des Gehäuses 27 liegt auf dem Rand der
Öffnung 28 auf und ist diesem gegenüber elektrisch isoliert und mit diesem
vakuumdicht verbunden.
Das Gehäuse 27 der Ionisationskammer 12 ist mittels des Deckels 30 unter
Zwischenlage einer Isolierung 31 vakuumdicht verschlossen. Durch den Deckel 30
der Ionisationskammer 12 sind die drei Elektroden 32, 33 und 34 sowie ein
Edelgaseinlaßstutzen 35 für das in der Ionisationskammer zu ionisierende
Edelgas vakuumdicht hindurchgeführt. Zwischen den beiden äußeren Elektroden 32
und 34 und der Mittenelektrode 33 sind die Glühdrähte 36 und 37 angeordnet.
Die Mittenelektrode 33 ist mit einem der beiden Wechselspannungsanschlüsse
der Wechselspannungsquelle 24 verbunden; der andere Wechselspannungsanschluß
ist über die beiden Schalter 38, 39 mit den äußeren Elektroden 32 bzw. 34
verbunden. Die Schalter 38 und 39 werden von einer nicht dargestellten
Steuer- und Überwachungseinrichtung betätigt, welche den ohmschen Wider
stand des bei geschlossenem Schalter 38 stromführenden Glühdrahts 36 konti
nuierlich überwacht und nach Erreichen eines kritischen, oberen Wertes den
Schalter 38 öffnet und gleichzeitig den Schalter 39 schließt, damit dann der
zweite Glühdraht 37 von Strom durchflossen wird. Dadurch wird erreicht, daß
in jedem Fall vor einem Durchschmelzen des ersten Glühdrahts, d. h. also mit
der notwendigen Sicherheitsreserve, auf den zweiten, bislang nicht strom
führenden Glühdraht umgeschaltet wird, der dann die Funktion der Elektronen
emission übernimmt. Im Boden 40 des Gehäuses 27 befindet sich zentrisch eine
Ionenstrahlaustrittsöffnung 41 bzw. eine Lochblende, über welche die Ionisa
tionskammer 12 mit der Behandlungskammer 11 verbunden ist. Unterhalb des
Bodens 40 des Gehäuses 27 ist eine erste Magnetspule 42 angeordnet, deren
Magnetfeld den aus der Ionisationskammer 12 in Richtung auf die gegenüber
liegende Anode 15 austretenden Ionenstrom 42 ein erstes Mal einschnürt. Die
erste Magnetspule 42 wird mittels eines von einem Kühlfluid durchströmten
Kühlsystems 44 gekühlt. Die erste Magnetspule 42 ist über die elektrischen
Leitungen 45 und 46 an eine Magnetspulen-Stromversorgung 47 angeschlossen.
Die Anschlußleitungen 45 und 46 sind vakuumdicht durch den Gehäuseflansch 29
der Ionisationskammer 12 aus der Behandlungskammer 11 herausgeführt. In der
Anschlußleitung 46 befindet sich in Reihe ein Stellwiderstand 48, mit dem
der Strom zur Erregung des Magnetfeldes in der ersten Magnetspule 42 einstell
bar ist. Mittels des Rohres 49, dessen Mündung 50 in der Nähe der Öffnung 41
im Boden 40 der Ionisationskammer 12 liegt, ist ein Reaktivgas in die Behand
lungskammer einführbar.
Zwecks weiterer Einschnürung des Ionenstroms bzw. zur Steuerung der Ionen
dichte im Mittenbereich des Entladungsbogens 43 ist eine zweite Magnetspule
51 etwa mittig zwischen der ersten Magnetspule 42 und der Anode 15 angeord
net. Auch die zweite Magnetspule 51 wird mittels eines Kühlsystems 52 gekühlt.
Die Kühlfluidleitungen 53, die elektrischen Leitungen 54, 55 zur Stromver
sorgung der zweiten Magnetspule 51 und die Reaktivgasleitung 56 sind vakuum
dicht durch eine Seitenwand der Behandlungskammer 11 hindurchgeführt. Die
Stromversorgung der zweiten Magnetspule 51 erfolgt mittels der Magnetspulen-
Stromquelle 47. In der einen Verbindungsleitung 55 befindet sich ein Stell
widerstand 57 zwecks Einstellung der Stromstärke.
Die in Fig. 1 dargestellte Ätzvorrichtung ist vorzugsweise als Durchlauf
anlage ausgelegt. Die Werkstücke 58 sind parallel zu den beiden Seitenwänden
der Behandlungskammer in deren unmittelbarer Nähe und damit außerhalb des
Magnetfeldes der ersten und der zweiten Magnetspule 42 und 51 angeordnet
und können mit Hilfe nicht dargestellter Transportmittel durch die Behand
lungskammer hindurchgeführt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Werk
stücken ist derart ausgebildet, daß in ihr zwei Niedervolt-Bogenentladungen
stattfinden können, und zwar mittels einer einzigen Ionisationskammer 12′,
deren Aufbau der Ionisationskammer 12 nach Fig. 1 entspricht. Im Gegensatz
zu letzterer weist diese zwei Ionenstrahlaustrittsöffnungen 41′ auf, die an
einander gegenübergelegenen Stellen in der Wandung des Gehäuses 27′ der
Ionisationskammer 12′ angeordnet sind. Hinter einer jeden Ionenstrahlaus
trittsöffnung 41′ befinden sich axial zu diesen in einer gemeinsamen Ebene
hintereinanderliegend eine erste Magnetspule 42′ sowie eine zweite Magnet
spule 51′ und eine Anode 15′, so daß sich beidseitig der Ionisationskammer
12′ in der Längsrichtung der Behandlungskammer 11′ liegende Entladungsbögen
43′ ausbilden.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 dient der einseitigen und vollflächigen Behand
lung (Ätzen und bzw. oder Beschichten) größerer Werkstücke 59. Anstelle eines
Werkstücks 59, dessen Länge knapp der Länge der Behandlungskammer 11′ ent
sprechen kann, kann zur einseitigen Behandlung auch eine Vielzahl von kleine
ren Werkstücken in die Kammer 11′ eingesetzt sein. Das Werkstück 59 ist an
eine Hilfsspannungsquelle 60 oder 61 anschließbar, die außerhalb der Behand
lungskammer 11′ angeordnet ist. Der wahlweise Anschluß an die eine oder die
andere Hilfsspannungsquelle 60 oder 61 erfolgt über entsprechende Schalter 62
bzw. 63. Die Hilfsspannungsquelle 60 liefert eine hochfrequente Wechselspan
nung an das Werkstück, während die Hilfsspannungsquelle 61 das Werkstück 59
mit einer Gleichspannung beaufschlagt, die relativ zum Anodenpotential negativ
ausgelegt ist. Falls allseitige Behandlung gewünscht ist, ist eine Transport
einrichtung mit drehbarer Halterung vorzusehen.
Zwischen den Entladungsbögen 43′ und der nächstgelegenen Wandung der Behand
lungskammer 11′ sind Elektrodenplatten 64 angeordnet, welche mittels eines
Kühlfluids gekühlt werden, das über elektrisch isolierte Anschlußleitungen 65
den Platten 64 zugeführt wird.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Ätzvorrichtung mit einer zylindrischen Be
handlungskammer 11′′ dargestellt, bei welcher aus einer einzigen zentrisch
angeordneten Ionisationskammer 12′′ drei sich radial nach außen erstreckende
Entladungsbögen 43′′ erzeugt werden, die einen Winkelabstand von je 120°
haben. Zur Erzeugung der drei Entladungsbögen 43′′ gehört jeweils eine
Magnetspule 42′′ und eine zugeordnete Anode 15′′. Die Spannungsversorgung
für alle drei Anoden 15′′ erfolgt aus einer gemeinsamen Stromquelle 66.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind die Werkstücke 58′′ in der zylindrischen Be
handlungskammer 11′′ unterhalb der Entladungsbögen 43′′ zwischen diesen und
dem Boden der Kammer angeordnet.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Ätzvorrichtung dargestellt, die
mit nur einer einzigen Magnetspule 42′′′ direkt unterhalb der Ionisationskammer
12′′′ ausgerüstet ist. Die ringförmige, gekühlte Anode 15′′′ befindet sich in etwa
in der Mittelebene der Behandlungskammer. Das Werkstück 58′′′ ist in dem Raum
unterhalb der gekühlten Ringanode 15′′′ angeordnet und elektrisch leitend mit
einer Hilfsspannungsquelle verbunden. Die Ringanode 15′′′ ist ebenso wie die
Anoden 15 der Vorrichtungen nach den Fig. 1 bis 4 an eine nicht darge
stellte Spannungsquelle angeschlossen; ihr wird über eine Fluidleitung 17′′′ ein
Kühlfluid zugeführt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der Ionisationskammer 12′′′ eine
Kammer 67 nachgeschaltet, in die mittels der Leitung 68 Reaktivgas einge
leitet wird.
Die Reaktivgaskammer 67 weist in ihrem Boden 69 eine Austrittsöffnung 70
für den Ionenstrahl auf. Die zylindrische Kammer 67 ist mittels der Isolier
ringe 71 und 72 einerseits gegenüber der Ionisationskammer 12′′′′ und anderer
seits gegenüber der Behandlungskammer 11′′′′ elektrisch isoliert. Unterhalb
der Kammer 67 und innerhalb der Behandlungskammer 11′′′′ befindet sich
die Magnetspule 73, die mittels Kühlfluid gekühlt wird, das über die Leitung
74 einen ringförmigen Kühlmantel 75 zugeführt wird, welcher auf der Innen
seite der Magnetspule 42′′′′ angeordnet ist.
Den zylindrischen Mantel 76 der Kammer 67 umgibt eine Magnetspule 77,
welcher die Funktion der Magnetspule 42 in Fig. 1 zukommt. Der Mantel 76
der Kammer 67 kann mittels einer von Kühlfluid durchströmten Kühlschlange
78 direkt gekühlt werden, die an der Außenfläche anliegt, oder durch direkte
Wandkühlung, beispielsweise mittels einer Doppelwandung.
Das Gehäuse 27′′′′ der Ionisationskammer 12′′′′ kann gleichfalls mittels einer
an deren Außenfläche anliegenden Kühlschlange 79 direkt gekühlt werden, oder
durch direkte Wandkühlung, beispielsweise mittels einer Doppelwandung. Weiter
hin kann in die Ionisationskammer 12′′′′ über eine Einlaßleitung 80 ein Edelgas
eingeleitet werden. Die Bogenentladung erstreckt sich von dem Ionenstrahlaus
tritt 41′′′′ im Boden 40′′′′ der Ionisationskammer 12′′′′ durch die Reaktivgaskammer
67 und die Öffnung 70 in deren Boden 69 hindurch in die Behandlungskammer
11′′′′ hinein bis zu der nicht dargestellten Anode.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 entsprechen die Ionisationskammer
12 V und die Behandlungskammer 11 V im wesentlichen den entsprechenden An
lageteilen der Behandlungsvorrichtung nach Fig. 1. Zwischen den Werkstücken
58 V und den Seitenwänden der Behandlungskammer 11 V ist jeweils eine Zer
stäubungskathode bzw. ein Magnetron 81 angeordnet, die an externe Strom
quellen 82 angeschlossen sind. Diese Vorrichtung eignet sich ebenfalls als
Durchlaufanlage, und zwar zur kombinierten Oberflächenbehandlung mittels
Ionen aus dem Entladungsbogen sowie mit zerstäubtem Material von den
Zerstäubungskathoden 81.
Claims (19)
1. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung, insbesondere zum Ätzen und/oder Be
schichten von Werkstücken mittels Ionenbeschuß, mit mindestens einer, eine
Glühkathode umfassenden Ionisationskammer, in die Gasatome zur Niedervolt-
Bogenentladung zwischen Ionisationskammer und mindestens einer Anode in
eine Behandlungskammer eingeleitet werden, die an eine Vakuumpumpe ange
schlossen ist, und mit wenigstens einer Magnetspule zur Steuerung der
Ionendichte in der Niedervolt-Bogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß
die Magnetspulen (42, 51, 73) innerhalb der Behandlungskammer (11) und die
Werkstücke (58) radial außerhalb dieser Magnetspulen (42, 51, 73) angeordnet
sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung der
Magnetspulen (42, 51, 73) im Bereich der Bogenentladung zwischen der Glüh
kathode (25) und der Anode (15), wobei die Magnetspulenachsen im wesent
lichen mit der Bogenentladungsmittelachse zusammenfallen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk
stücke (58) in der Nähe der Wand bzw. der Wände der Behandlungskammer (11)
angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine
erste Magnetspule (42), die in Richtung auf die Anode (15) unmittelbar
hinter der Ionenstrahlaustrittsöffnung (41) im Gehäuse (27) der Ionisa
tionskammer (12) angeordnet ist und wenigstens eine zweite Magnetspule
(51), die zwischen der ersten Magnetspule (42) und der Anode (15) angeord
net ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine
Ionisationskammer (12) mit wenigstens zwei Ionenstrahlaustrittsöffnungen
(41), welchen jeweils axial gegenüberliegend eine Anode (15) angeordnet
ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Magnetspulen (42, 51, 73) axial verschiebbar angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stromquellen (47) für die Magnetspulen (42, 51, 73) eine hohe Ausgangs
impedanz haben und daß ihre Stromstärke regelbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch den
Anschluß einer regelbaren Hilfsspannung an die zu behandelnden Werk
stücke (58).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung
eine hochfrequente Wechselspannung ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung
eine relativ zum Anodenpotential negative Gleichspannung ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anode (15) als wassergekühlte Ringanode (15′′′) ausgebildet ist und die
Werkstücke (58′′′) in der Bewegungsrichtung des Ionenstrahls (42′′′) unter
halb bzw. hinter der Ringanode (15′′′) angeordnet sind (Fig. 5).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einer Anordnung zur Ein
bringung eines Reaktivgases oder Reaktivgasgemisches in die Behandlungs
kammer (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen (49, 56) für
das Reaktivgas in den Innenraum der Magnetspulen (42, 51) einmünden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktivgas-
Zuführleitung (49) zum Innenraum der ersten Magnetspule (42) in unmittel
barer Nähe der Ionenstrahlaustrittsöffnung (41) der Ionisationskammer (12)
mündet.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeich
net durch eine der Ionisationskammer (12) nachgeschaltete, von einer
ersten Magnetspule (77) umgebenen Reaktivgaskammer (67) mit einer Ein
laßleitung (68) für das Reaktivgas und eine zweite Magnetspule im Bereich
der Mischionenstrahl-Auslaßöffnung (70), wobei der Gasdruck in der
Reaktivgaskammer (67) niedriger gehalten ist als in der Ionisationskammer
(12) und höher als in der Behandlungskammer (11).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein
Wechselstromversorgungsteil (24) für die Glühkathode (25) und ein Gleich
stromversorgungsteil (22) für die Anode (15), wobei der negative Ausgang
des Gleichstromversorgungsteils (22) an ein Spannungs-Mittenpotential des
Wechselstromversorgungsteils (24) für die Glühkathode (25), vor allem an
die sekundärseitige Mittelanzapfung eines Transformators dieses Teils
angeschlossen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode
(25) drei über Glühdrähte (36, 37) miteinander verbundene Elektroden (32,
33, 34) umfaßt, wobei die Mittenelektrode (33) ständig und die beiden
Außenelektroden (32 u. 34) wechselweise über Schalter (38, 39) an das
Wechselstromversorgungsteil (24) angeschlossen bzw. anschließbar sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine die beiden An
schlußschalter (38, 39) in Abhängigkeit vom ohmschen Widerstand der Glüh
drähte (36, 37) tätigende Meß- und Steuereinrichtung, welche bei Über
schreiten eines vorbestimmten Widerstands-Grenzwertes des stromdurch
flossenen Glühdrahtes den Anschlußschalter der zugehörigen Außenelektrode
öffnet und den Anschlußschalter der anderen Außenelektrode schließt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetspulen (42, 51, 73) gegenüber der Behandlungskammer (11)
elektrisch isoliert angeordnet und gekühlt, vor allem wassergekühlt sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß der radiale Abstand zwischen der Entladungsachse und dem der Bogen
entladung zugewandten Oberflächen der Werkstücke (58) zwischen 100 mm
und 400 mm, vor allem zwischen 150 mm und 300 mm, beträgt.
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