DE4225352C1 - Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen und Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen auf Substrate durch Verdampfen mindestens eines Metalls mittels eines Elektronenstrahls, der in eine Vakuumkammer auf einen Tiegel mit Verdampfergut bei Drücken nicht über 10^-1 mbar geleitet wird, wobei eine Kathode zwischen einem auf Potential liegenden Substrat und der eine Öffnung aufweisenden Vakuumkammer angeordnet ist.

Es ist bereits ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen eines Metalls bekannt (DE 36 27 151 A1), wobei der Aufdampfprozeß durch einen Elektronenstrahl erfolgt, der in eine aus dem Reaktionsgas bestehende Atmosphäre bei Drücken von höchstens 10^-1 mbar geleitet wird. Dabei wird im Bereich des zum Substrat führenden Dampfstroms eine gegenüber Masse positiv vorgespannte Kathode angeordnet. Um in großtechnischem Maßstab bei stabilen Betriebsbedingungen und hohen Niederschlagsraten Schichten mit stöchiometrisch umgesetzten Reaktionskomponenten zu erhalten, wird der Metalldampf in einer den Verdampfer umgebenden Innenkammer erzeugt, die gegenüber dem Substrat eine Blendenöffnung aufweist. Das Reaktionsgas wird in die Innenkammer und anschließend Metalldampf und Reaktionsgas durch die Blendenöffnung in Richtung auf das Substrat geleitet. Nun wird in der Innenkammer der Elektronenstrahl zu Ionisationszwecken mit dem Metalldampf in Wechselwirkung gebracht, wobei eine Beschleunigungsspannung von ca. 20 kV gewählt wird. Die negativen Ladungsträger werden über die jenseits der Blendenöffnung und außerhalb des Dampfstroms liegende, gegenüber der Masse positiv vorgespannte Kathode abgesaugt. Hierdurch sollen bei hohen Niederschlagsraten Schichten mit stöchiometrisch umgesetzten Reaktionskomponenten aus Metallen und Gasen erzielt werden.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, mit der auf kostengünstige Weise hochfeste und korrosionsbeständige Schichten auf Substrate ohne Hochfrequenz aufgebracht werden können.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Kathode über eine Heizung derart hochgeheizt wird und im Bereich der Kahode ein Plasma gezündet werden kann. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile bestehen unter anderem darin, daß nunnmehr auch ohne ein Hochfrequenzfeld im Bereich der Kathode ein Plasma energiesparend gezündet werden kann, so daß mit dieser Vorrichtung auch ein Verdampfen von nichtleitenden Materialien, beispielsweise Keramik, möglich ist. Auf diese Weise kann die Reißfestigkeit der Schicht erhöht werden.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können Oberflächen von Turbinenschaufeln wesentlich verbessert, d. h. hitze- und korrosionsbeständiger sowie kostengünstiger hergestellt werden.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Kathode an eine Heizung angeschlossen ist und auf mindestens 2000°C erhitzt wird. Es ist auch möglich, daß ein Elektronenstrahl durch eine Öffnung der aufheizbaren Kathode geführt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß der Elektronenstrahl derart dicht an die Kathode herangeführt ist, daß je nach Verdampfergut über die Wärmeenergie des Elektronenstrahls die Kahode auf ca. 2000°C aufgeheizt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ferner vorgesehen, daß zwischen dem Tiegel zur Aufnahme des zu verdampfenden Mittels und der Kathode ein Bedampfungsschutz vorgesehen und der Elekronenstrahl durch die Öffnung der Kathode geführt ist, die zwischen dem Substrat, dem Bedampfungsschutz bzw. dem Tiegel vorgesehen ist. Hierdurch erhält man mit einfachen baulichen Mitteln eine sehr wirtschaftlich arbeitende Anlage.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß der Elektronenstrahl durch die Öffnung der Kathode geführt ist, die zwischen dem Substrat, dem Bedampfungsschutz bzw. dem Tiegel vorgesehen ist.

Vorteilhaft ist ferner, daß die in der Kathode vorgesehene Öffnung koaxial zu der im Bedampfungsschutz vorgesehenen Öffnung angeordnet ist und der Elektronenstrahl durch beide Öffnungen geführt ist.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß die Kathode mit Wolfram beschichtet und direkt durch den Elektronenstrahl beheizbar ist. Durch die vorteilhafte Ausbildung ist es möglich, im Bereich der Kathode ein Plasma ohne großen Energieaufwand zu zünden, so daß man auf einfache Weise ein dichtes Gefüge in der auf dem Substrat aufgedampfen Schicht erhält, die hierdurch wesentlich korrosionsbeständiger ist als bisher. Ferner wird auch die Härte der so gebildeten Schicht wesentlich erhöht. Derart hergestellte Schichten sind insbesondere für Turbinenschaufeln sehr gut geeignet, da sie eine höhere Haftfestigkeit aufweisen und sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt werden können. Durch die erwähnte höhere Dichte der Schicht und durch das Einbringen der Keramikteilchen wird auch auf einfache Weise die Korrosionsbeständigkeit der Metallschicht erhöht.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Kathode aus einem hochschmelzenden Material, insbesondere aus Wolfram, gebildet ist und direkt durch den Elektronenstrahl beheizbar ist. Auf diese Weise kann auf eine Fremdheizung verzichtet werden.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß das Substrat sowie das Kathodenblech jeweils an einer einstellbaren, negativen Spannung anliegen, die zwischen -10 und -100 Volt beträgt, und daß das Substrat und auch die Kathode auf gleichem Potential liegen.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfungsmaterial und der Kathode ca. 200°C groß ist, wobei die Temperatur der Kathode größer ist als die Temperatur des Verdampfergutes.

Das Verfahren zur Herstellung der Schicht besteht in vorteilhafter Weise darin, daß die Kathode aus einem hochschmelzenden Material, beispielsweise aus Wolfram, besteht und über den Elektronenstrahl aufgeheizt wird, in deren Bereich ein Plasma gezündet wird, und dann eine Metallschicht bzw. eine Magnesium-Oxidschicht und eine Nickelbasislegierung mit Zusätzen von Cr und/oder Co, Ir, Ge, Mo, Ta, Ti oder Keramiken auf die Oberfläche des Substrats aufgedampft wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutet und in den Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 mit 1 eine Vakuumkammer für eine Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen auf einem Substrat 16 bezeichnet. Die Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen wird über einen Saugstutzen 2 von einem nicht dargestellten Pumpensatz evakuiert.

Die Vakuumkammer 1 besteht aus einer äußeren Vakuumkammer 3 und einer inneren Vakuumkammer 3′. Die innere Vakuumkammer 3′ weist einen wagerechten Boden 4, vier senkrechte Seitenwände 5 und eine wiederum waagerechte obere Wand 6 auf, die als Verdampferschutz ausgebildet ist. Auf dem Boden 4 steht ein Verdampfertiegel 7, in dem flüssiges, schmelzförmiges Verdampfergut 8 untergebracht ist und der von einer Kühlschlange 9 umgeben ist. Der wassergekühlte Verdampfertiegel 7 kann aus einem Keramikwerkstoff bestehen, in dem das Material aufgeschmolzen wird und dabei die Oberfläche des Materials überhitzt, so daß dieses im Vakuum verdampft wird. Hierzu liegt der Tiegel 7 auf positivem Erdpotential.

In einer linken Seitenwand 5′ der äußeren Vakuumkammer 3 befindet sich eine Eintrittsöffnung 10 für einen Elektronenstrahl 11, der auf einer bogenförmigen Bahn auf die Oberfläche des Verdampferguts 8 abgelenkt wird. Die Mittel für die Strahlablenkung werden anhand von Fig. 2 noch näher erläutet.

Hinter der Eintrittsöfffnung 10 befindet sich eine Elektronenkanone 12 mit einem Ablenksystem 13, durch das der Elektronenstrahl 11 nach einem vorgegebenen und von einem Programmgeber gesteuerten Ablenkmuster auf der Oberfläche des Verdampfergutes 8 periodisch abgelenkt wird.

Der Verdampferschutz 45 besitzt eine Blendenöffnung 14, die gegenüber dem Gesamtquerschnitt einer Innenkammer 3′ einen merklich kleineren Querschnitt aufweist. In dem unteren Teil der Innenkammer 3′ befindet sich eine Zuführeinrichtung 15, die aus zwei perforierten, geraden Rohren 15′ besteht, die senkrecht zur Zeichenebene verlaufen und zur Zufuhr des Reaktionsgases dienen. Der durch die Wirkung des Elektronenstrahls 11 gebildete Dampf des Verdampferguts 8 und das durch die Zuführeinrichtung 15 zugeführte Gas werden durch die Blendenöffnung 14 hindurch auf das Substrat 16 geleitet, das sich stationär oder beweglich oberhalb der Blendenöffnung 14 und einer Kathode 17 befindet. Im vorliegenden Fall ist das Substrat 16 stationär dargestellt. Das Substrat 16 ist an eine Spanungsquelle 43 zwischen -10 und -100 Volt angeschlossen und liegt auf einem negativen Potential.

Oberhalb der Blendenöffnung 14, d. h. zwischen der oberen Wand 6 und dem Substrat 16 bzw. dem Verdampferschutz 45, befindet sich die nicht in der Projektionsfläche der Blendenöffnung 14 liegende Elektrode bzw. Kathode 17, die sich mittels Isolatoren 18 auf der oberen Wand 6 abstützt. Die Kathode 17 ist an eine Spannungsquelle 42 angeschlossen und liegt auf einem negativen Potential.

Die Innenkanten 14a der Blendenöffnung 14 bilden ein Rechteck oder einen Kreisausschnitt. Das gleiche gilt auch für die Innenkanten 17a der Kathode 17, die infolgedessen einen rechteckigen Rahmen bilden. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Innenkanten 14a und 17a im wesentlichen koaxial zueinander fluchten, wobei allerdings geringfügige Abweichungen von der Fluchtstellung nicht weiter kritisch sind. Die Elektrode bzw. Kathode 17 ist im Außenbereich von einem Kühlkanal 19 umgeben, der zum Transport von Kühlwasser dient.

Die Innenkammer 3′ ebenso wie die äußere Vakuumkammer 3 und der Verdampfertiegel 7 sind an Masse gelegt. Die Kathode 17 ist über die Leitung 20 und eine Isolierdurchführung 21 mit der Spannungsquelle 42 verbunden, durch die sie auf ein gegenüber Masse negatives Potential gelegt ist.

Es ist möglich, das Substrat 16 gleichfalls auf Massenpotential zu legen und, wie aus Fig. 1 hervorgeht, über eine Leitung 23 und eine Isolierdurchführung 24 an die Gleichspannungsquelle 43 zu legen. Durch die angegebene Potentialdifferenz zwischen der Kathode 17 und der Innenkammer 3′ im Bereich der Blendenöffnung 14 wird eine äußerst intensive Glimmentladung erzeugt, deren obere und seitliche Begrenzung in etwa durch eine gestrichelte Linie 26 angedeutet ist.

Der Abstand zwischen der Oberseite des oberen Verdampferschutzes 45 und der Unterseite der Kathode 17 kann ca. 31 bis 35 mm, insbesondere 31 mm, und der Abstand zwischen der Oberseite der Kathode 17 und der Unterseite des Substrats 16 ca. 34 mm betragen.

Gemäß Fig. 2 können ein oder mehrere Substrate auf einem fahrbaren Substrathalter 27 befestigt sein, der über Rollen und eine Schienenführung 28 senkrecht zur Zeichenebene oberhalb der Blendenöffnung 14 fahrbar ist. Der Antrieb erfolgt über einen Getriebemotor 29, der über ein Zahnrad 30 mit einer Zahnstange 31 in Antriebsverbindung steht. Die gegenüberliegende Seite des Substrathalters 27stützt sich über eine Rolle 32 auf einer Laufschiene 33 ab.

Oberhalb der Substrate 16 kann eine Heizvorrichtung 34 zur Aufheizung der Substrate 16 vorgesehen sein.

Zur Heizvorrichtung 34 gehört unter anderem eine Wärmedämmung 35 und eine Kabel-Schleppeinrichtung 36 für die Zufuhr des Heizstroms und einer negativen Vorspannung, falls dies notwendig sein sollte.

Die Innenkammer 3′ weist einen nach unten offenen Boden auf, der sich auf Auslegern 38 im unteren Teil der Kammer 1 abstützt. Unterhalb des Bodens befindet sich der Verdampfertiegel 7.

Beiderseits der Innenkammer 3′ befinden sich Polflächen 39, die von den Innenseiten der Schenkel eines U- förmigen Ablenksystems 40 gebildet sind. Die beiden Schenkel können über ein Joch 41 miteinander verbunden sein, auf dem eine nicht dargestellte Magnetwicklung angeordnet sein kann.

In vorteilhafter Weise ist, wie nachstehend ausführlich erläutert, die Elektronenkanone 12 oberhalb der Kathode 17 angeordnet.

Über das in Fig. 1 näher veranschaulichte Ablenksystem 40 wird über die Elektonenkanone 12 der Elektronenstrahl 11 in einer gekrümmten Bahn abgelenkt und gezielt auf das Verdampfergut 8 gerichtet. Die Elektronenkanone 12 ist aus diesem Grund in der Höhe des Freiraums zwischen dem Substrat 16 und der Kathode 17 vorgesehen, so daß der Elektronenstrahl 11 in vorteilhafter Weise über die in der Kathode 17 vorgesehene Öffnung 47 und eine Öffnung 47 des Bedampfungsschutzes 46 geleitet werden kann. Hierdurch kann auf sehr vorteilhafte Weise die Wärmeenergie des Elektronenstrahls 11 genutzt und die Kathode 17 auf eine Temperatur von ca. 2000°C und mehr aufgeheizt werden.

Hierdurch kann ohne Einsatz eines Hochfrequenzfeldes im Bereich der Kathode 17 ein Plasma gezündet werden, um dadurch eine höhere Aufdampfgeschwindigkeit zu erreichen und eine härtere Schicht auf dem metallischen Substrat 16 zu erzielen.

Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, befindet sich oberhalb des Verdampfertiegels 7 der Verdampferschutz 45 mit einer Kühleinrichtung 44 für Wasser. Der Verdampferschutz 45 weist mittig die Öffnung 46 auf, durch die der Elektronenstrahl 11 geführt ist. Der Verdampferschutz 45 hat die Aufgabe, die Kathode 17 während des Aufdampfprozesses vor zu starker Kontamination zu bewahren.

Die Heizwirkung wird, wie bereits erwähnt, dadurch erzielt, daß der Elektronenstrahl 11 durch die konzentrische Öffnung 47 der Kathode 17 geführt ist und dabei sonst verlorengegangene Wärmeenergie an die Kathode abgibt.

Es ist auch möglich, die Kathode 17 über Fremdheizung auf die gewünschte Arbeitstemperatur von 2000°C oder mehr aufzuheizen. Dies ist jedoch sehr aufwendig und teuer. Durch die vorteilhafte Führung des Elektronenstrahls 11 wird seine Energie direkt genutzt.

Das wassergekühlte Kathodenblech 17 ist in vorteilhafter Weise aus Wolfram bzw. mit autothermischen Wolfram- Aktivatoren versehen, die von dem verdampfenden Material bzw. dem Elektronenstrahl 11 während des Prozesses aufgeheizt werden. Das Substrat 16 liegt wie das Kathodenblech 17 auf einer einstellbaren, negativen Spannung an.

Es ist besonders vorteilhaft, daß beim Verdampfungsvorgang des eingesetzten, nicht leitenden Werkstoffs, beispielsweise Keramikwerkstoff, der Ionisationsgrad beträchtlich erhöht werden kann, ohne daß ein Hochfrequenzfeld verwendet werden muß, das sehr schwer an größere Einheiten anzupassen ist.

Die autothermischen Wolfram-Aktivatoren werden von dem abdampfenden Isolationsmaterial der Elektronen beschichtet. Das Elektronenbombardement bewirkt während des Beschichtungsprozesses, daß die Streuelektronen des primären Elektronenstrahls während des Verdampfens und während des Beschichtungsprozesses auf die Wolfram-Finger auftreffen und diese auf eine Temperatur bis zu 2000°C aufheizen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die auf dem Kathodenblech 17 befindliche Keramikschicht während des Aufdampfprozesses leitend bleibt und die Ionisation des abdampfenden Materials ca. 20% beträgt bzw. um 20% höher liegt als bei den bekannten Verfahren, so daß hierdurch auf der Oberfläche des Substrats eine härtere und auch zähere Schicht gebildet werden kann.

Der Spannungsbereich des Kathodenblechs 17 und der auf dem gleichen Potential befindlichen Wolfram-Aktivatoren beträgt, wie bereits erwähnt, ca. -10 bis -100 Volt. Die gleichen Potentialverhältnisse gelten auch für das Substrat 16. Die Stromstärken bewegen sich zwischen einigen zehn bis hundert Ampère. Die Stromstärken sind abhängig von der Verdampferrate und von der Tiegelfläche.

Durch das Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung wird also erreicht, daß die Haftfestigkeit und auch die Schichtmorphologie von Keramikschichten sehr positiv und nachhaltig beeinflußt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Vakuumkammer
 2 Saugstutzen
 3 äußere Vakuumkammer
 3′ innere Vakuumkammer
 4 waagerechter Boden
 5 Seitenwand
 5′ Seitenwand
 6 waagerechte obere Wand
 7 Verdampfertiegel
 8 Verdampfergut
 9 Kühlschlange
10 Eintrittsöffnung
11 Elektronenstrahl
12 Elektronenkanone
13 Ablenksystem
14 Blendenöffnung, Bedampfungsschutz
14a Innenkante
15 Zuführeinrichtung
15′ Rohr
16 Substrat
17 (Elektrode), Kathode=Kathodenblech
17a Innenkante
18 Isolator
19 Kühlkanal
20 Leitung
21 Isolierdurchführung
23 Leitung
24 Isolierdurchführung
26 Linie
27 Substrathalter
28 Schienenführung
29 Getriebemotor
30 Zahnrad
31 Zahnstange
32 Rolle
33 Laufschiene
34 Heizvorrichtung
35 Wärmedämmung
36 Kabel-Schleppeinrichtung
38 Ausleger
39 Polfläche
40 Ablenksystem
41 Joch
42 Spannungsquelle
43 Spannungsquelle
44 Kühleinrichtung
45 Verdampferschutz in der oberen Wand 6
46 Öffnung für den Bedampfungsschutz
47 Öffnung der Kathode 17

Claims (12)

1. Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen auf Substrate durch Verdampfen mindestens eines Metalls mittels eines aus einer Elektronenstrahlkanone (12) austretenden Elektronenstrahls (11), der eine ringförmige Kathode (17) sowie ein eine Öffnung (14) aufweisender kühlbarer, als Abschirmvorrichtung ausgebildeter Verdampferschutz (45) zugeordnet ist, wobei der Elektronenstrahl (11) in eine Vakuumkammer (3′) auf einen anodischen Verdampfertiegel (7) mit Verdampfergut (8) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone (12) oberhalb der Kathode (17) angeordnet und der Elektronenstrahl (11) über eine magnetische Umlenkeinrichtung durch eine Öffnung (47) der Kathode (17) geführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (17) an eine Heizung angeschlossen ist und auf mindestens 2000°C erhitzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (11) derart dicht an die Kathode (17) herangeführt ist, daß je nach Verdampfergut über die Wärmeenergie des Elektronenstrahls (11) die Kathode auf ca. 2000°C aufgeheizt wird.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Aufdampftiegel (7) zur Aufnahme des zu verdampfenden Mittels (8) und der Kathode (17) der Bedampfungsschutz (45) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (11) durch die Öffnung (47) der Kathode (17) geführt ist, die zwischen dem Substrat (16), dem Bedampfungsschutz (45) bzw. dem Tiegel (7) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kathode (17) vorgesehene Öffnung (47) koaxial zu der im Bedampfungsschutz (45) vorgesehenen Öffnung (14) angeordnet ist und der Elektronenstrahl (11) durch beide Öffnungen (14, 47) geführt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (17) aus einem hochschmelzenden Material gebildet ist und direkt durch den Elektronenstrahl (11) beheizbar ist, wobei das Material aus Wolfram bestehen kann.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (16) sowie das Kathodenblech (17) jeweils an einer einstellbaren, negativen Spannung anliegen, die zwischen -10 und -100 Volt beträgt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (16) und auch die Kathode (17) auf gleichem Potential liegen.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfungsmaterial und der Kathode ca. 200°C groß ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kathode (17) größer ist als die Temperatur des Verdampfergutes.

12. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (17) aus einem hochschmelzenden Material, beispielsweise aus Wolfram, besteht und über den Elektronenstrahl (11) aufgeheizt wird, im Bereich der Kathode ein Plasma gezündet und dann eine Metall- oder eine Keramikschicht auf die Oberfläche des Substrats (6) aufgedampft wird.