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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren, die es gestatten,
auf einen Träger,
der aus einem ersten Material besteht, eine Beschichtungsschicht
aufzutragen, die ein zweites Material oder mehrere Materialien umfaßt, deren
Eigenschaften verschieden von denjenigen des Trägermaterials sind.
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Genauer
betrifft die Erfindung ein Beschichtungsverfahren für einen
Träger,
das wenigstens eine Auftragungsphase eines kohärenten Materials umfaßt.
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Unter
einem "kohärenten Material" versteht man ein
Material, das eine kohärente
Struktur (beispielsweise kristallografisch) hat: diese Definition schließt damit
Materialien aus, die in Form einer Flüssigkeit oder eines Pulvers
vorliegen.
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Noch
genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren, das es gestattet,
eine Beschichtung sehr hoher Qualität zu erhalten (insbesondere
in Bezug auf die Homogenität,
die Gleichmäßigkeit
des Oberflächenzustands
und des Zusammenhalts mit dem Träger),
wobei das Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren bedeutende
Vorteile in der Schnelligkeit und Einfachheit des Einsatzes und
bei den Kosten hat.
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Die
Beschichtung von Objekten durch eine Materialschicht, die spezifische
Eigenschaften hat (Oberflächenzustand,
mechanische Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Kompaktheit, Haftwirkung, Dichtheit
...) ist in vielen Bereichen sehr weit verbreitet (Werkzeugherstellung,
Medizintechnik, Industrie ...) und es sind zahlreiche Techniken
bekannt, um auf ein Objekt eine Schicht eines Beschichtungsmaterials
aufzutragen.
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Ein
erster Typ einer herkömmlichen
Technik, die mit dem Akronym CVD (chemische Abscheidung aus der
Gasphase) bezeichnet wird, besteht darin, eine chemische Reaktion
herbeizuführen,
so daß ein Material
in die Gasphase übertritt
und danach die erhaltene Gasphase auf einem Träger so kondensieren zu lassen,
daß das
Material sich auf dem Träger
absetzt.
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Um
diese Art von Technik einzusetzen ist es notwendig, die Temperatur-
und Druckbedingungen zu kontrollieren, um die Zustandsänderungen
des auf den Träger
aufzutragenden Materials zu ermöglichen.
So sind Auftragungstechniken im Vakuum bekannt, die es gestatten,
das Auftragen zu verbessern und die Quantität des aufgetragenen Materials
zu erhöhen.
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Die
Qualität
der mit diesen bekannten Techniken erhaltenen Beschichtungen ist
jedoch eingeschränkt,
da die Moleküle
des Beschichtungsmaterials im Wortsinn auf den Träger "aufgetragen" werden, wodurch
das Anhaften der Beschichtung auf dem Träger von mittlerer Qualität ist, was
für bestimmte
Anwendungen inakzeptabel sein kann.
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Außerdem gestatten
es diese Techniken nicht, Beschichtungen zu erhalten, deren Oberflächen äußerst glatt
sind, was bei zahlreichen Anwendungen gewünscht ist (beispielsweise aus ästhetischen
Gründen
oder auch im Hinblick auf die Vorteile, die mit einem sehr geringen
Reibungskoeffizienten verbunden sind).
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Genauer
hängt die
Qualität
der erhaltenen Beschichtung zum einen vom ursprünglichen Zustand des Trägers und
zum anderen vom Auftragungsverfahren ab und tatsächlich können die verschiedenen bekannten
Verfahren zu Beschichtungen von deutlich verschiedener Qualität führen.
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Zur
Verbesserung der Ergebnisse dieser ersten bekannten Technik ist
es ebenfalls gut bekannt, ein Plasma geringer Temperatur (mit Ionen,
deren Energie kleiner als 1 eV ist) zu erzeugen.
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Die Übertragung
des Beschichtungsmaterials auf den Träger wird durch die Temperatur
des Trägers
kontrolliert (die durch Bestrahlung mit Wärme erhöht werden kann) oder durch
Beschuß mit
Ionen, die aus dem Auftragungsplasma entnommen werden und die dazu
verwendet werden, das Wachstum der Beschichtung zu unterstützen (ion
assisted deposition), indem auf den Träger ein negatives elektrisches Potential
von beispielsweise 50 bis 200 eV gelegt wird.
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Zur
Verbesserung der Beschichtung kann auch die Temperatur des Trägers in
der Weise erhöht werden,
daß ein
besseres Anhaften beim Kontakt erreicht wird oder es kann ein zusätzlicher
Ionenstrahl von einigen KeV verwendet werden, um die Auftragung
zu unterstützen.
Diese Verfahren sind zusätzliche
Verfahren, die die Übertragung
des Beschichtungsmaterials auf den Träger begünstigen.
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Für den Einsatz
dieser Techniken bestimmt die Energie des Plasma die Oberflächentemperatur des
Trägers,
die ein wichtiger Faktor ist, da es notwendig ist, daß die Temperatur
ausreichend hoch ist, um es den Atomen und Molekülen des Beschichtungsmaterials
zu gestatten beweglich zu sein und sich richtig an den Träger zu binden,
um einen guten Zusammenhalt zwischen dem Träger und der Beschichtung zu
erhalten und eine gute Homogenität der
Beschichtung sicherzustellen.
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Es
muß jedoch
ebenfalls vermieden werden, daß eine
zu großer
Anstieg der Temperatur des Trägers
eine Beschädigung
des Trägers
selbst bewirkt.
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Um
diese gegensätzlichen
Bedingungen zu vereinbaren, ist es notwendig, das Beschichten sehr langsam
durchzuführen,
so daß es
dem Träger
möglich
ist, einen Teil der aufgenommenen Wärme nach außen abzugeben. Eine solche
Beschränkung
der Beschichtungsgeschwindigkeit stellt jedoch einen bedeutenden
Nachteil aus der Sicht einer industriellen Nutzung dar.
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In
jedem Fall macht alleine die Tatsache, daß der Träger erhöhten Temperaturen ausgesetzt
wird, diese Technik ausreichend schwierig in der Handhabung, da
sie besondere Mittel und Verfahren zum Einschluß braucht. Außerdem schränkt dies
den Bereich der Materialien ein, auf deren Basis der Träger hergestellt
werden kann.
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Es
ist ebenfalls bekannt in Kombination mit den oben erwähnten Techniken
einen Laserstrahl zu verwenden, der das Auftragen der Moleküle des Beschichtungsmaterials
auf dem Träger
begünstigt
(im Fall einer Verwendung mit einem Plasma muß der Laser eine hohe Leistung
haben).
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Diese
Verbesserung geht jedoch nur sehr unzulänglich auf die oben erwähnten Nachteile
ein, da die Auftragungsgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials
gering und die Beschichtungsqualität eingeschränkt bleibt.
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Daher
wurden verschiedene Techniken entwickelt, um die erhaltene Beschichtungsqualität zu verbessern.
Insbesondere ist folgendes bekannt:
- • ein erster
Typ von Techniken setzt eine Ionenstrahlung mittlerer Energie (etwa
20 bis 30 KeV) in Verbindung mit einem Plasma ein. Diese Technik verwendet
die Energie der Ionenstrahlung, um die Kondensation des Beschichtungsmaterials
auf dem Träger
anzuregen, wobei sie die dem Beschichtungsmaterial eigene kristallografische Struktur
respektiert und eine homogene Verteilung des Beschichtungsmaterials
auf dem Träger gestattet.
- – die
Beschichtungsgeschwindigkeit bleibt jedoch bei diesem ersten Typ
von Techniken gering.
- • ein
zweiter Typ von Techniken verwendet sehr kurze Beschußpulsationen
des Trägers
durch eine Ionenstrahlung hoher Energiedichte (über 300 KeV und verbunden mit
einer Fluenz von etwa 1 J/cm2), die eine
Beschichtung hoher Qualität
erzeugt (sehr homogene Beschichtung, die genauso glatt wie Glas
sein kann), und dies durch das Aufschmelzen der Oberflächenschicht, die sich
während
jeder sehr kurzen Pulsation mit dem Beschichtungsmaterial vermischt,
bevor sie mit einer sehr schnellen Abkühlung fest wird (ein Vorgang,
der gemäß der angelsächsischen
Terminologie "quenching" genannt wird, was
einem "Härten" entspricht).
- – Es
ist dagegen nur schwer vorstellbar, diesen zweiten Typ von Techniken
im industriellen Maßstab
einzusetzen, da er wie die oben erwähnten Techniken langsam ist
(das Verhältnis
der energetischen Ionen, die den Träger beschießen, liegt bei jeder Pulsation
nur bei etwa einem pro eine Millionen Teilchen der Einheitsoberfläche des
bestrahlten Festkörpers).
Außerdem
sind die Kosten, die mit der Realisierung von Pulsationen sehr hoher
Energie bei ausreichend hohen Frequenzen, um Beschichtungen relevanter
Dicke herstellen zu können,
verbunden sind unrealistisch hoch.
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Es
sei klargestellt, daß aus
dem Dokument
US 6 086 726 ein
Verfahren bekannt ist, das mit einem Beschichtungsschritt eines
Trägers
einen Beschuß durch
einen Ionenstrahl kombiniert.
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So
umfaßt
das in diesem Dokument offenbarte Verfahren einen einzigen Beschichtungsschritt, nach
dem der beschichtete Träger
mit Ionen hoher Energie beschossen wird.
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Es
ist zu bemerken, daß in
diesem Verfahren der Ionenbeschuß Wirkungen bei sehr unterschiedlichen
Tiefen in der Dicke der Beschichtungsschicht und/oder dem Träger erzeugen
kann.
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Dieses
Dokument zeigt insbesondere, daß:
- • in
bestimmten Einsatzformen die Tiefe nur bei etwa einem Zehntel der
Dicke der Beschichtungsschicht liegt, was zeigt, daß nur ein
Teil dieser Beschichtungsschicht durch den Beschuß erfaßt wird,
- • wohingegen
bei anderen Einsatzformen die Tiefe größer sein kann als die Dicke
der Beschichtungsschicht. Dabei beziehen wir uns insbesondere auf
Spalte 4 Zeilen 47 und folgende in diesem Dokument.
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Es
ist damit ersichtlich, daß das
Verfahren aus diesem Dokument keine genaue Steuerung der Bedingungen
des Ionenbeschusses umfaßt
(und insbesondere des Energieniveaus der bombardierten Ionen), um
eine genaue und genau lokalisierte Wirkung zu erreichen (beispielsweise
zwischen der Beschichtungsschicht und dem beschichteten Träger).
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Es
ist außerdem
zu bemerken, daß dieses Verfahren
nur eine einzige Beschichtungsphase umfaßt und in keiner Weise die
Aufeinanderfolge mehrer Beschichtungsphasen vorsieht.
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Aus
dem Dokument WO 99/65 038 ist außerdem ein Verfahren bekannt,
das seinerseits die Wiederholung eines Vorgangs ausführt, der
daraus besteht, aufeinanderfolgend Pulver auf einen Träger zu geben
und dann wenigstens eine Komponente dieses Pulvers durch Bestrahlung
mit einem Ionenstrahl zu schmelzen, um eine Legierung zu bilden.
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Es
ist zu bemerken, daß dieses
Verfahren keinesfalls einen Beschichtungsvorgang betrifft, da das
aufgetragene Pulver nicht mit einer kohärenten Beschichtung gegebener
Struktur vergleichbar ist, wie diejenige, die, wie zu sehen sein
wird, in der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
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Insbesondere
hat bei dem Verfahren des Dokuments WO 99/65 038 der Ionenbeschuß zur Wirkung,
der Pulverschicht eine strukturelle Kohärenz zu verleihen, die bei
ihr vor diesem Beschuß vollständig fehlt.
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Es
sei daran erinnert, daß die
Erfindung in den Rahmen der Verbesserung kohärenter Beschichtungen gehört.
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Das
Verfahren des Dokuments WO 99/65 038 gehört dagegen in den sehr speziellen
Rahmen der Verwendung eines (nicht kohärenten) Pulvers und der Erzeugung
einer kohärenten
Struktur durch die Bestrahlung mit einem Ionenstrahl.
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Schließlich ist
durch das Dokument
US 4 759 948 ein
Verfahren bekannt, das dafür
vorgesehen ist, eine zu beschichtende Oberfläche gleichförmig zu machen, wobei das Verfahren
hierfür
die Bestrahlung der Oberfläche
des zu beschichtenden Trägers
mit einem Ionenstrahl einsetzt.
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Dieses
Verfahren stellt damit nur einen Schritt zur Vorbereitung einer
Beschichtung dar.
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Es
ist auch zu bemerken, daß die
Energie des Ionenstrahls dadurch nicht dafür angepaßt ist, ein Aufschmelzen der
Oberfläche
zu bewirken.
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Es
wird damit ersichtlich, daß die
Gesamtheit der bekannten Verfahren Einschränkungen umfaßt oder
nicht an den Gegenstand der Erfindung angepaßt ist.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, es zu gestatten, diese Einschränkungen
zu beseitigen.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, es zu gestatten, eine Beschichtung zu
realisieren, die von sehr hoher Qualität, einfach und schnell auszuführen ist
und deren Kosten gering bleiben.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Beschichtung sehr hoher
Qualität
auf Trägern
zu realisieren, die aus verschiedenen Materialien bestehen, die
sehr niedrige Vertormungs-, Befeuchtungs- oder Aufweichungstemperaturen
haben können.
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Zum
Erreichen dieser Ziele schlägt
die Erfindung ein Beschichtungsverfahren für einen Träger gemäß Anspruch 1 vor.
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Bevorzugte
aber nicht einschränkende
Eigenschaften des Verfahrens gemäß der Erfindung sind
die folgenden:
- • Das Verfahren umfaßt die Wiederholung
der Aneinanderreihungen, die aus einer Auftragungsphase und einer
Phase der Bestrahlung durch einen Ionenbeschuß gebildet sind.
- • Jede
Ionenbeschußpulsation
dauert weniger als eine Mikrosekunde, jede Ionenbeschußpulsation dauert
weniger als hundert Nanosekunden.
- • Das
Energieniveau der beschießenden
Ionen liegt wenigstens in der Größenordnung
von 300 bis 500 KeV.
- • Die
in den Materialauftragungsphasen eingesetzte Plasmaquelle ist ein
Plasmatron oder eine Plasmabogenquelle.
- • Das
Material des Trägers
ist ein Metall, ein Verbundwerkstoff oder ein Kunststoffmaterial.
- • Die
Ionen hoher Energiedichte entsprechen einem Energieeintrag auf dem
Träger
in der Größenordnung
von 0,01 bis 5 Joule pro Quadratzentimeter, die Ionen hoher Energiedichte
entsprechen einem Energieeintrag auf dem Träger in der Größenordnung
von 0,1 bis 2 Joule pro Quadratzentimeter, die Ionen hoher Energiedichte
entsprechen einem Energieeintrag auf dem Träger in der Größenordnung
von 1 Joule pro Quadratzentimeter.
- • Die
Dicke der Beschichtung hat eine gewünschte Dicke.
- • Die
Dicke liegt in der Größenordnung
von 20 Mikrometer.
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Weitere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung werden besser beim
Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
deutlich werden, die sich auf die einzige beigefügte Figur bezieht, die schematisch
die Abfolge der Hauptphasen des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt:
Mit
Bezug auf diese einzige Figur wird zuerst in einer ersten Phase 1 ein
Träger 10 der
Strahlung einer Plasmaquelle 20 vom Plasmatrontyp oder
einer Plasmabogenquelle mit starkem Strom (Quelle mit Kathodenbogen
oder mit Vakuumbogen) oder jeder anderen Plasmaquelle ausgesetzt.
Die Quelle 20 befindet sich ihrerseits innerhalb eines
Plasmas.
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Tatsächlich befindet
sich die Plasmaquelle 20 wie auch der Träger im Inneren
einer Kammer, die ein umgebendes Plasma enthält. Im allgemeinen ist dieses
umgebende Plasma ein Plasma niedriger Energie.
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Eine
Energiequelle 21 ist in den Phasen B und B' in der Figur ebenfalls
dargestellt.
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Genauer
sei gesagt, daß die
Quelle 21 allgemein ebenfalls jede Ionenquelle hoher Energiedichte sein
kann. Unter "Ionen
hoher Energiedichte" werden Ionen
verstanden, deren auf einen zuvor mit einer Beschichtungsschicht
beschichteten Träger
gerichteter Fluß eine
ausreichende Energie besitzt, um über die zuvor aufgetragene
Beschichtungsschicht hinaus in den Träger einzudringen.
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Genauer
sollen die Ionen hoher Energiedichte in eine Tiefe in der Größenordnung
von wenigstens dem 1,5-fachen der Dicke der Beschichtungsschicht eindringen
können.
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Außerdem sollen
die Ionen hoher Energiedichte nicht nur in dieser Weise in den Träger eindringen,
sondern auch noch dazu fähig
sein, ihre Energie auf das Trägermaterial
so zu übertragen,
daß das Material
des Trägers
von einer gewöhnlichen
Umgebungstemperatur von etwa 25 Grad Celsius auf die Schmelztemperatur
dieses Trägermaterials
gebracht wird.
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Die
Bedeutung dieser Definition von Ionen hoher Energiedichte wird noch
besser beim Lesen der vorliegenden Beschreibung deutlich werden.
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Es
sei daran erinnert, daß Plasmatronquellen
Hitzebogenquellen großer
Leistung sind, die eine Bogenentladung verwenden, die von einem
großen Strom
zwischen konzentrischen Elektroden in einem Aufbau erzeugt wird,
der eben oder zylindrisch sein kann und sich in einem Ausgangsgas
befindet, wobei der Bogen durch eine Rotation der Elemente der Vorrichtung
mit hoher Geschwindigkeit stabilisiert wird.
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In
der hier betroffenen Anwendung kann ein ebenes Plasmatron verwendet
werden, bei dem die Kathode eine flache Scheibe ist, die von einer
Anode in Ringform umgeben ist, und der Bogen wird in einem Gas gebildet,
das reaktionsfähig
oder inaktiv sein kann, wobei der Bogen durch ein sich drehendes Magnetfeld
stabilisiert wird.
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Der
Träger 10 kann
jeder Träger
sein, der beschichtet werden soll (Werkzeug oder anderes), und er
kann aus einem Material bestehen, das aus einer großen Palette
von Metallen, Oxiden oder Karbiden oder Nitriden gewählt werden
kann oder sogar aus Verbundmaterialien (eingeschlossen Keramiken) oder
Kunststoffen.
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Es
wird in der Tat ersichtlich werden, daß es einer der Vorteile des
Verfahrens gemäß der Erfindung
ist, daß es
bei einer sehr großen
Anzahl von Trägertypen
eingesetzt werden kann (selbst solche, mit einer sehr niedrigen
Schmelztemperatur), ohne diese durch ein zu großes Aufheizen zu schmelzen oder
zu beschädigen.
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Tatsächlich ist
ein Vorteil im Fall der Erfindung, daß die Temperatur des Trägers nicht
notwendigerweise über
einen Wert von etwa 40 Grad Celsius erhöht werden muß.
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Es
sei hervorgehoben, daß es
gemäß der Erfindung
tatsächlich
nicht notwendig ist, den Träger vor
der Beschichtungsphase zu erhitzen. Dagegen kann sich der Träger durch
die Bestrahlung mit einer Ionenstrahlung hoher Energiedichte leicht
erwärmen, wie
dies noch genauer weiter unten im Text beschrieben ist.
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In
jedem Fall übersteigt
bei dieser Erwärmung
die Trägertemperatur
nicht einen Wert von etwa 40 Grad Celsius.
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Die
Teilchen können
beispielsweise TiN oder VrN sein, das Verfahren ist jedoch ebenso
auf alle anderen Teilchentypen zur Beschichtung anwendbar.
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Wenn
die Dicke der Schicht 11 einen vorbestimmten Wert erreicht
hat (beispielsweise 0,5 Mikrometer), wie in Phase 2 dargestellt,
wird die Versorgung der Quelle 20 unterbrochen, um die
Teilchenauftragung auf den Träger
einzustellen.
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Hierfür kann die
Versorgung der Quelle 20 von einem System gesteuert werden,
das ein neuronales Netz verwendet, das es gestattet, den Betrieb der
Quelle in Echtzeit zu steuern.
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Die
Phasen 1 und 2 bilden damit eine Phase A ununterbrochener
Materialauftragung auf den Träger,
die es gestattet, schnell eine Schicht größerer Dicke zu erhalten.
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In
diesem Zustand hat die erhaltene Auftragung jedoch Eigenschaften
der Homogenität,
der Haftung am Träger
und des Oberflächenzustands, die
eingeschränkt
sind (die Schicht hat eine Struktur, die Stellen niedrigerer Dichte
und/oder Lagen oder Platten umfaßt).
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Gemäß der Erfindung
folgt auf diese Materialauftragungsphase A eine Phase B, die der
Phase 3 entspricht, bei der der Träger 10 und die ihn
bedeckende Schicht 11 einer sehr kurzen Pulsation (einer Dauer,
die typischerweise unter einer Mikrosekunde und beispielsweise unter
100 Nanosekunden liegt) einer Strahlung leichter Ionen ausgesetzt
wird, deren Energie wenigstens in der Größenordnung von 300 bis 500
KeV liegt, die auf dem Träger
eine Quantität an
Oberflächenwärme von
etwa 1 Joule pro Quadratzentimeter bereitstellt.
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Es
ist dieser Fluß leichter
Ionen, der den weiter oben definierten Ionen hoher Energiedichte
entspricht und der ein wichtiges Element der Erfindung darstellt.
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Es
sei klargestellt, daß der
Wert von 1 Joule pro Quadratzentimeter ein mittlerer Richtwert ist;
in jedem Fall liegt die durch die Bestrahlung mit der gepulsten
Ionenstrahlung hoher Energiedichte erzeugte Quantität an Oberflächenwärme auf
dem Träger
im allgemeinen zwischen 0,01 und 5 Joule pro Quadratzentimeter.
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Es
ist jedoch zu beobachten, daß für die meisten
Materialien dieser Wert in einem Bereich liegt, der von 0,1 bis
2 Joule pro Quadratzentimeter geht. Diese Werte hängen von
der Beschaffenheit des Trägermaterials
ab.
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Es
sei ebenfalls klargestellt, daß die
Dauer der sehr kurzen Pulsation (für die wie oben angegeben ein
Richtwert bei etwa 100 Nanosekunden liegt) ebenfalls von der Beschaffenheit
des Trägers
abhängt.
Die Dauer dieser Pulsation muß so
festgelegt werden, daß sie
kurz genug ist, um eine fortschreitende und kontinuierliche Diffusion
der von den Ionen hoher Energiedichte eingetragenen Wärme in den Träger zu verhindern.
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In
jedem Fall sind die Dauer der Pulsation und die Höhe der Energiedichte
der Ionen so gewählt,
daß die
Ionen die Dicke der Beschichtungsschicht des Materials durchlaufen,
das während
der Materialauftragungsphase aufgetragen wurde, die der Bestrahlungsphase
mit einer Ionenbeschußpulsation
vorangegangen ist, um die Energie, die diese Ionen nach dem Durchqueren
der Beschichtungsschicht zurückbehalten,
in einer Region zu verteilen, der unmittelbar an den Grund der Beschichtungsschicht
angrenzt.
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Das
Energieniveau der in dieser zweiten Phase eingesetzten Ionen wird
somit so gewählt,
daß diese
Ionen die Schicht 11 durchlaufen, um die Trägerregion
zu erreichen, die an diese Schicht angrenzt, und die Energie, die
ihnen verbleibt, in dieser Trägerregion
(mit einer Dicke in der Mikrometergrößenordnung) abzugeben.
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In
der Praxis wird das Energieniveau der Ionen so gewählt, daß die Ionen
im wesentlichen die gesamte Dicke der Schicht 11 sowie
eine Oberflächenregion
des Trägers 10,
die an die Schicht 11 angrenzt und eine Dicke hat, die
beispielsweise in der Mikrometergrößenordnung liegen kann, durchlaufen, bevor
sie die ihnen verbleibende Energie verteilen.
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Genauer
geben die Ionen einen Teil ihrer Energie beim Durchlaufen der Schicht 11 ab
und verändern
damit die Struktur dieser Schicht. Der verbleibende Teil der Energie
der Ionen wird in der Trägerregion
verteilt, die an die Schicht 11 angrenzt, um die Ausbildung
einer Mischung zwischen dieser Oberflächenregion des Trägers und
dem Material der Schicht 11 hervorzurufen.
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Die
mit diesem Vorgang verbundene Fluenz muß ausreichen, um die in der
Reichweite der Ionen befindliche Materialschicht von der Trägertemperatur auf
die Temperatur gerade oberhalb des Schmelzpunkts des Materials der
Schicht 11 zu bringen. Die Phase B ist damit einer Phase
der Strukturveränderung.
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Wie
in Phase 4 dargestellt, erhält man so am Ende der Phasen
A und B eine Beschichtung des Trägers 10,
die aus einer Oberschicht 111, die sich aus der Veränderung
der Schicht 11 durch die beschießenden Ionen während der
Phase B ergibt, und einer dünneren
Zwischenschicht 12 einer Mischung zwischen der Schicht 111 und
dem Träger 10 besteht.
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Die
Mischungszwischenschicht 12, die aus dem Aufschmelzen des
unteren Bereichs der Schicht 11 und der angrenzenden Region
des Trägers
gebildet wurde, stellt somit einen sehr starken Zusammenhalt zwischen
dem Träger
und seiner Beschichtung sicher.
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Sobald
die sehr kurze Ionenbeschußpulsation
beendet ist, kühlen
die Zwischenschicht 12 und die Schicht 111 extrem
schnell ab (mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit
in der Größenordnung
von 109 bis 1010 Grad
pro Sekunde) und zwar aufgrund des sehr hohen Temperaturgradienten,
der in diesen Regionen erzeugt wurde (die mit der Energie der Ionen verbundene
Wärme hat
nicht die Zeit gehabt sich in das Innere des Trägers zu verteilen).
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Diese
schnelle Abkühlung
vom "Quenching"-Typ:
- • bewirkt
die Verfestigung der veränderten
Region 12, wodurch der Gesamtheit (Träger + Beschichtungsschichten)
ein sehr starker Zusammenhalt gegeben wird,
- • und
begünstigt
die Veränderung
der Struktur der Schicht 111 und ihre Aushärtung, wodurch
diese Schicht 111 eine amorphe Struktur sehr feiner Körnung hat,
mit einer Mikrostruktur, die nanokristalline und metastabile Phasen
einschließt,
und ihre Struktur und ihr Oberflächenzustand
sind von extrem hoher Qualität,
vergleichbar mit der Qualität,
die in der Einleitung des vorliegenden Textes erreicht wurde.
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Die
Kürze des
Impulses, während
dessen der Träger 10 und
die Beschichtungsschicht 11 der Ionenstrahlung ausgesetzt
sind (in der Größenordnung
von Nanosekunden), gestattet zugleich:
- • einer Aufheizung
des Trägers
vorzubeugen, der auf einer Temperatur in der Größenordnung von 40 Grad Celsius
bleibt. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft, da sie es gestattet,
das Verfahren gemäß der Erfindung
auf einer sehr großen
Vielfalt von Trägertypen
einzusetzen,
- • und
den allgemeinen Verlauf des Verfahrens nicht zu verzögern, dessen
Ausführungsgeschwindigkeit
durch die Dauer der Materialauftragungsphase A bestimmt wird.
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Es
wird damit deutlich, daß das
Aneinanderreihen der Phasen A und B es gestattet, eine Beschichtung äußerst hoher
Qualität
in Bezug auf die Dichte, Homogenität, Zusammenhalt mit dem Träger, Oberflächenzustand
und Größe der Dicke
herzustellen und dies alles in einfacher (keine Aufheizung des Trägers) und
schneller Weise.
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Außerdem kann
dieses Verfahren auf einer sehr großen Vielzahl von Trägern eingesetzt
werden, im Gegensatz zur Mehrheit der existierenden Verfahren.
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Es
ist außerdem
möglich,
eine größere Beschichtungsdicke
zu erreichen, indem sooft wie notwendig die Aufeinanderfolge einer
Materialauftragungsphase A' wiederholt
wird, bei der der Träger 10, die Übergangsschicht 12 und
die obere Schicht 111 der Phase 4 erneut der in
ihrem Plasma aktivierten Plasmaquelle 20 ausgesetzt werden,
um eine neue Auftragung 13 der Schicht 111 (Phase 5)
zu bilden.
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Wenn
die Dicke der neuen Schicht 13 eine vorbestimmte Dicke
erreicht hat (beispielsweise hier immer noch in der Größenordnung
von 0,5 Mikrometer), wird der Träger 10 und
die ihn bedeckenden Schichten in einer Phase 6, die eine
Phase B' bildet, einer
sehr kurzen Ionenbeschußpulsation
ausgesetzt.
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Wiederum
wird hier die mit den Ionen verbundene Energie so gewählt, daß diese
während
der Phase B' geschossenen
Ionen die Schicht 13 durchlaufen, um die Zwischenregion
zwischen der Beschichtung 13 und ihrem Träger 111 zu
erreichen und ein Aufschmelzen und die Erzeugung einer Legierung
zwischen der Schicht 13 und dem oberen Bereich der Schicht 111 zu
bewirken (es wird dafür
gesorgt, daß die
Dicke der in der Phase A' aufgetragenen
Schicht 13 klein genug gewählt wird, damit die beschießenden Ionen
diese Schicht durchlaufen können).
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Man
erhält
so eine Veränderung
und Härtung der
Schicht 13 und ihre Verankerung sehr hoher Qualität auf der
bereits ausgeführten
Beschichtung.
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Und
obwohl die mit den während
der Phasen B und B' verschossenen
Ionen verbundene Oberflächenenergie
nur bei etwa 1 bis 2 Joule pro Quadratzentimeter liegt, verteilt
sich diese Energie jedoch in der Zwischenregion zwischen der letzten
Beschichtungsschicht und dem letzten Träger, wobei diese Region eine
Dicke von nur 1 bis 2 Mikrometer hat, was Übertragungsraten der Volumenenergie
in der Größenordnung
von 104 Joule pro Kubikzentimeter entspricht,
was ausreicht, um ein Aufschmelzen zu bewirken (im Gegensatz zu
dem, was bei bekannten Techniken der "Ionenimplantation" geschieht).
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Man
erhält
so in 7 einen Träger,
der mit einer Beschichtungsschicht 131 äußerst hoher Qualität beschichtet
ist, und es ist möglich
die Aufeinanderfolge von Materialauftragungsphasen und Ionenbeschußphasen
zu wiederholen, um die Dicke dieser Schicht 131 auf einen
gewünschten
Wert zu bringen.
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In
diesem Fall gestattet jede Aneinanderreihung einer Phase der Materialauftragung
und der Strukturveränderung
die Gesamtdicke der Beschichtung zu erhöhen und die neue Auftragung
auf der bereits realisierten Beschichtung zu härten und zu verankern.
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Und
wiederum ist hier die Dauer der Phasen der Strukturveränderung
und der Abkühlung
vernachlässigbar
gegenüber
der Dauer der Materialauftragungsphasen, derart, daß die Phasen
B und B' der Strukturveränderung
die Geschwindigkeit des Verfahrensablaufs gemäß der Erfindung nicht verlangsamen,
wobei diese durch die Auftragungsphasen A und A' bedingt wird.
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So
hat der Anmelder festgestellt, daß die Gesamtgeschwindigkeit
der Beschichtung in der Größenordnung
von etwa 0,5 Mikrometer pro Minute liegen kann, was mit einer industriellen
Nutzung vollständig
vereinbar ist.
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Im
Vergleich zu bekannten Beschichtungstechniken, die durch einen Beschuß mit Ionen
mittlerer Energie begleitet werden, ist das Verfahren gemäß der Erfindung
ebenfalls sehr viel schneller und es bietet außerdem den Vorteil, der mit
der Ausbildung einer Legierung zwischen der Beschichtung und dem
Träger
verbunden ist, was die Qualität
und den Zusammenhalt des Ganzen beträchtlich erhöht.
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Gegenüber Techniken
vom Typ, wie sie im Dokument
US
6 086 726 offenbart sind, ist außerdem zu bemerken, daß das Verfahren
gemäß der Erfindung
es gestattet sehr große
Beschichtungsoberflächen
zu erhalten, die genannten Dicken können in der Größenordnung
mehrerer Mikrometer liegen (der Anmelder hat Beschichtungsdicken
in der Größenordnung
von 20 Mikrometer oder mehr erhalten).
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Diese
Wiederholung abwechselnder Phasen der Auftragung und des Beschusses,
die unter spezifischen Bedingungen ausgeführt werden, gestattet es tatsächlich Beschichtungen
hervorragender Qualität
und mit gewünschter
Dicke herzustellen.
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Die
Auftragungsphase eines kohärenten
Materials gestattet es, schnell eine gewünschte Menge an Beschichtungsmaterial
aufzutragen.
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Die
Phase der Strukturveränderung
dieser Auftragung, die mit einem Ionenbeschuß realisiert wird, dessen Energieniveau
sehr genau ausgewählt ist,
ermöglicht
der Einsatz einer sehr kurzen und sehr intensiven Ionenbeschußpulsation.
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Die
Wahl der Beschußenergie,
die so geschieht, daß die
Ionen gerade über
die mittlere Tiefe der neuen Beschichtungsschicht hinaus eindringen, bietet
dabei eine maximale Wirkung, insbesondere was die Verfestigung der
neuen Beschichtung mit der existierenden Struktur betrifft.
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Außerdem ist
die vom Ionenstrahl in der Beschichtungsschicht und dem Substrat
eingebrachte Energiedichte so gewählt, daß sie ausreicht die vom Ionenstrahl
durchlaufene Zone aufzuschmelzen, jedoch auch so, daß sie unter
einem Wert bleibt, der zur Materialverdampfung in dieser Zone führen würde.
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Die
in die Zone eingebrachte Energie bewirkt somit ein schnelles Aufschmelzen
des lokalen Materials.
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Dieses
aufgeschmolzene Material, das die neue Beschichtung und die Oberflächenschicht
des Substrats umfaßt,
ist Gegenstand eines Vorgangs der schnellen Härtung und es verfestigt sich
ab dem Ende der Beschußpulsation.
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Diese
Härtung
führt zur
Bildung nanokristalliner Strukturen und metastabiler Legierungen,
wobei sie außerdem
einen äußerst starken
Zusammenhalt zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat
bewirkt.
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Wie
bereits gesagt wurde, gestattet es die Wiederholung dieser beiden
Phasen eine Beschichtung gewünschter
Dicke auszuführen,
Schicht auf Schicht auf einem Ausgangssubstrat.
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Als
Folge des durch den energiereichen Ionenstrahl bewirkten Aufschmelzeffekts
wird jede neue aufeinanderfolgende Beschichtungsschicht mit der
Oberfläche
verschmolzen, die sich direkt darunter befindet.
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Daraus
ergibt sich, daß alle
aufeinanderfolgenden Beschichtungsschichten miteinander verschmolzen
sind, wobei sie eine einzige und durchgehende Schicht bilden, die
sich bis zum Ausgangssubstrat erstreckt.
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Außerdem ist
das Verfahren gemäß der Erfindung
einfach einzusetzen (insbesondere, weil die Temperatur des Trägers von
etwa 40 Grad Celsius kein spezielles Mittel zum Schutz oder zum
Einschluß notwendig
macht) und daher leicht reproduzierbar.