ES2539017T5

ES2539017T5 - Procedimiento para hacer funcionar una fuente pulsante de arcos eléctricos

Info

Publication number: ES2539017T5
Application number: ES06705363.7T
Authority: ES
Inventors: Jürgen RAMM; Oliver Gstoehl; Beno Widrig; Daniel Lendi
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: EP1869690B1; JP5571898B2; US9997338B2; US7943017B2; ES2539017T3; JP2014029862A; JP2008533686A; PL1869690T5; US20080173536A1; KR20080012260A; JP2008533311A; EP1869690A2; EP1869690B2; EP2447978A3; CN101151701B; CN101263575A; US20080193782A1; BRPI0609127B1; BRPI0609127A2; JP5043824B2

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento para hacer funcionar una fuente pulsante de arcos eléctricos Campo técnico

El invento se refiere a un procedimiento para hacer funcionar a una fuente de arcos eléctricos de acuerdo con el prefacio de la reivindicación 1.

Estado de la técnica

El pulsamiento de fuentes de arcos eléctricos es ya conocido desde hace mucho tiempo a partir del estado de la técnica, así por ejemplo, el documento de solicitud de patente internacional WO 02/070776 describe en términos muy generales el pulsamiento de fuentes de arcos eléctricos, con el fin de depositar diferentes capas superduras, entre otras, de la aleación de TiSiN.

En el documento WO 03/057939 describe una fuente de arcos eléctricos, en la cual el encendido de la descarga de chispas se efectúa a través de un abastecimiento pulsante de alta tensión, y la alimentación de la descarga de chispas se efectúa a través de un abastecimiento pulsante de alta corriente eléctrica. El funcionamiento de la descarga de chispas se efectúa aquí de una manera discontinua. Los materiales de partida son unos cátodos metálicamente conductores, unas aleaciones conductivas de la electricidad y adicionalmente el carbono, o respectivamente unos semiconductores evaporables. Sin embargo, la fuente de arcos eléctricos que aquí se muestra, a causa de la geometría muy compleja del cuerpo de la diana, es de fabricación especialmente costosa, en especial para unos materiales de cátodo que son difíciles de elaborar, y es cara en funcionamiento.

En el documento de patente de los EE.UU. US 6.361.663 se describe una fuente de arcos eléctricos con un cátodo a base de un material conductivo de la electricidad, que se hace funcionar de un modo pulsante o de un modo pulsante modulado con unas corrientes eléctricas de cresta de hasta 5 kA y una corriente de base de por ejemplo 100 A. También esta fuente, a causa de su modo constructivo con un túnel magnético y un ánodo que está rodeado completamente por el cátodo, es de fabricación costosa y es cara en funcionamiento.

También ya es conocida la deposición de unas capas eléctricamente aislantes mediante una evaporación catódica por descarga de chispas. Así, el documento US 5.518.597 describe la producción de tales capas en un proceso reactivo. En tal caso, las superficies que se han de revestir son dispuestas fuera de una unión óptica con la superficie activa de la diana, que aquí se usa como sinónimo de la superficie de evaporación del cátodo. Después de una evacuación por bombeo, la presión del proceso se ajusta con un gas inerte. Durante el proceso de revestimiento el oxígeno se introduce en inmediata proximidad de la superficie que se ha de revestir y ciertamente solo con una velocidad tal que él es consumido durante la operación y se puede mantener una presión estable. Esto está en consonancia con la opinión, también conocida a partir de otros documentos del estado de la técnica, de que la entrada del gas reactivo en la proximidad del substrato es importante con el fin de reducir la oxidación de la diana y estabilizar la descarga de chispas. Como una medida adicional, con el fin de evitar unas interrupciones del proceso mediante una indeseada acumulación de capas aislantes sobre el ánodo, éste, en el documento US 5.518.597, se mantiene de manera preferida a una temperatura de aproximadamente 1.200°C, y se debe de fabricar de un modo costoso es decir a partir de un caro material refractario.

El documento de solicitud de patente alemana DE 44 01 986 A1 (de VTD-Vakuumtechnik Dresden GmbH) describe un procedimiento para hacer funcionar un evaporador por arco eléctrico en vacío, en el que sobre una corriente de base se superpone una corriente pulsante, con lo que la diana se erosiona de una manera más uniforme y se disminuye la formación de gotitas. Para esto, una fuente de corriente continua para la corriente eléctrica de base y una fuente de corriente pulsante para la corriente eléctrica pulsante son conectadas en paralelo dentro de la disposición de abastecimiento de corriente eléctrica, siendo reguladas la fuente de corriente continua y la fuente de corriente pulsante mediante una disposición de regulación con un microordenador incorporado. Se comprobó que la corriente eléctrica de base puede ser disminuida hasta un valor que está situado por debajo del valor que se necesita sin una corriente eléctrica pulsante para el mantenimiento de una descarga estable del arco eléctrico. Como material para la diana se pueden escoger unos metales de los grupos IV, V y VI. En los ejemplos de realización se escogen, como material para la diana, en particular el titanio y el titanio en común con el aluminio, estando dispuestos el titanio y el aluminio en unas zonas coaxiales simétricas en rotación y teniendo lugar la erosión en una atmósfera de nitrógeno.

Puesto que en el documento DE 44 01 986 A1 se aplican solamente unas capas conductoras y no se aplica ninguna capa aislante, sobre la diana tampoco se puede formar ningún recubrimiento aislante. Esto quiere decir que no es posible un funcionamiento en la zona contaminada. Por lo tanto, tampoco se deduce a partir de este documento DE 44 01 986 A1 la repercusión que tiene un recubrimiento aislante sobre la diana para el funcionamiento de una fuente de arcos eléctricos.

Es común a todos estos procedimientos el hecho de que, en el caso de la utilización de unos gases reactivos, que reaccionan rápidamente con él o respectivamente los material(es) evaporado(s) mediando formación de una capa aislante, han de adoptarse por un lado unas medidas técnicas especiales con el fin de no contaminar a la superficie

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activa de la diana o respectivamente del ánodo y, por otro lado, para evitar la formación de unas indeseadas gotitas. Tales medidas técnicas comprenden, junto al mencionado calentamiento del ánodo y a la aportación y la adición dosificada exacta del gas reactivo en una inmediata proximidad de la superficie que se ha de revestir, una dilución del gas reactivo con una alta proporción de un gas inerte.

En particular, en tal caso hay que prestar atención a que la superficie de la diana esté metálicamente desnuda o mantenga por lo menos una conductividad correspondiente a la de un semiconductor. Mediante el gradiente positivo de temperaturas de los semiconductores, en la zona de los puntos de arcos eléctricos está presente ciertamente una conductividad suficientemente buena con el fin de dejar que las chispas se quemen, pero mediante la elevada tendencia a la combustión de la chispa que va acompañada con esto, usualmente se llega a una formación de salpicaduras que es más alta que en el caso de unas superficies de dianas que son metálicamente conductoras. También para esto se conocen a partir del estado de la técnica toda una serie de posibilidades. Por ejemplo, las fuentes, tal como más arriba se ha mencionado, pueden ser dispuestas fuera de la línea de unión óptica con la superficie de la diana, lo cual sin embargo restringe drásticamente el rendimiento del material de la diana o respectivamente la velocidad de revestimiento. Se pueden aplicar, adicionalmente o a solas, unos campos magnéticos, que conducen solamente la porción ionizada del vapor sobre las superficies que se han de revestir, mientras que unas gotitas eléctricamente neutras son captadas sobre las superficies de impacto. Unos ejemplos de esto son unos filtros magnéticos curvados, unas lentes magnéticas y unos dispositivos similares.

Otro método de reducir las salpicaduras consiste en una breve interrupción de la aportación de la corriente eléctrica, siendo encendida de nuevo la chispa, por ejemplo de un modo regulado a través de un rayo láser, en cada caso en otro sitio distinto de la superficie activa de la diana. Este método se usa sobre todo en el sector de evaporación catódica de carbono por descarga de chispas pero también se usa para aleaciones a base de un metal.

Todas estas medidas técnicas, o respectivamente las combinaciones asimismo conocidas de estas medidas técnicas, tienen en común un considerable gasto técnico adicional y/o una disminución esencial de la velocidad de revestimiento. Sin embargo, si sobre la superficie de la diana se llega a la formación de un recubrimiento aislante, hasta hoy en día tampoco se pudo realizar ningún proceso estable con las medidas técnicas más arriba indicadas.

Exposición del invento

Una misión del presente invento consiste por lo tanto en poner a disposición un procedimiento, con el que también se puedan producir capas aislantes con unas usuales fuentes de arcos eléctricos sin costosas medidas técnicas adicionales en unas condiciones estables del proceso.

El problema planteado por esta misión se resuelve mediante un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1.

De un modo sorprendente se pudo mostrar que en el caso de la aplicación simultánea de una corriente continua, sobre la que se ha superpuesto una corriente pulsante o respectivamente alterna, se puede hacer funcionar un proceso estable de arcos eléctricos también cuando la superficie de la diana está cubierta por lo menos parcialmente mediante un recubrimiento aislante.

Por ejemplo, de esta manera, sin otras medidas técnicas adicionales, se podía hacer funcionar una diana de aluminio durante varias horas en una atmósfera de oxígeno puro. En tal caso, se observó un aumento de la tensión eléctrica junto a la diana, pero este aumento se estabilizaba en el transcurso de unos pocos minutos y no conducía a la interrupción ni a la inestabilidad del proceso de descarga de arcos eléctricos. La capa de óxido de aluminio que se había depositado directamente sobre un substrato colocado directamente delante de la diana, mostraba una reducción manifiesta de los defectos superficiales por causa de gotitas adheridas, que era totalmente inesperada frente a la de una capa de aluminio metálico que se había depositado en las mismas condiciones. En todos los casos, las dianas detrás de un recubrimiento aislante completo de la superficie, se podían encender de nuevo sin problemas bajo una atmósfera de un gas reactivo también después de unas interrupciones del proceso y se podían hacer funcionar con una disminuida formación de gotitas. El funcionamiento en una atmósfera de un gas reactivo puro o respectivamente con el cubrimiento de la superficie de la diana mediante el gas reactivo o respectivamente mediante la reacción de éste con la superficie de la diana, condujeron en este modo pulsante a una calidad elevada de las capas con una formación disminuida de gotitas.

En comparación con el funcionamiento de la diana sin ningún recubrimiento aislante se pudo comprobar que la proporción del gas reactivo se debía escoger por lo menos tan alta que la tensión eléctrica de la fuente aumente en por lo menos un 20%, en comparación con el funcionamiento sin ningún recubrimiento aislante. El aumento de la tensión eléctrica de la fuente es dependiente fundamentalmente del gas reactivo y del material de la diana que se utilicen. Cuanto más altas sean las propiedades aislantes de la unión o respectivamente de las uniones que se haya(n) producido a partir del material de la diana y el gas reactivo junto a la superficie de la diana, tanto mayor será usualmente la diferencia de la tensión eléctrica de la fuente aun cuando en este caso, a causa de los numerosos modelos o respectivamente las numerosas inhibiciones de la reacción que son específicos/as para las superficies y los materiales, no se pueda producir sin dificultades una conexión matemática directa.

Los gases reactivos son oxígeno. Es especialmente apropiado este procedimiento para unos procesos con altos flujos del gas reactivo, en los que la proporción del gas reactivo se escoja de mayor magnitud que la del gas inerte,

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por ejemplo por encima de un 70% y en particular por encima de un 90%. Sin embargo, también como más arriba se ha mencionado, se pueden realizar unos procesos ventajosamente en una atmósfera pura, es decir una que contiene un 100% de un gas reactivo.

El material objetivo es el aluminio, que forma un recubrimiento aislante correspondiente a un óxido con los gases más arriba mencionados, sobre la superficie de una diana que se hace funcionar como antes se ha señalado.

Para la disminución adicional de las salpicaduras, en particular en el caso del funcionamiento de una diana bajo una atmósfera que contiene oxígeno, puede ser ventajoso, tal como se divulga en el documento US 6.602.390, que el material de la diana se componga de una única fase cristalográfica.

Otra ventaja más del funcionamiento simultáneo de una fuente de arcos eléctricos con una corriente continua así como con una corriente pulsante o alterna resulta al revestir unas piezas de trabajo sensibles térmicamente, tales como por ejemplo unos aceros endurecidos, unas aleaciones de envejecimiento que están constituidas sobre la base de bronce y latón, unas aleaciones de aluminio y magnesio, unos materiales sintéticos y otros materiales. En el caso de un funcionamiento en CC (corriente continua) de una o varias fuentes de arcos eléctricos en la proximidad de la corriente de mantenimiento, es decir la más pequeña corriente eléctrica con la que todavía es posible un funcionamiento estable de una fuente de arcos eléctricos conductora de la electricidad con un sencillo abastecimiento de corriente CC, ciertamente la carga térmica de las piezas de trabajo que se han de revestir es pequeña, pero al mismo tiempo es poco satisfactoria la velocidad de revestimiento para unos usos industriales. El valor de la corriente de mantenimiento o de la potencia de mantenimiento depende en tal caso del material de la diana, del tipo constructivo de la fuente de arcos eléctricos o respectivamente del funcionamiento de la descarga, por ejemplo de sí ésta se realiza bajo un vacío con o sin la adición de un gas inerte o respectivamente reactivo. Una suficiente conductividad, con el fin de garantizar un funcionamiento estable con pequeñas corrientes eléctricas la tienen por ejemplo unas superficies metálicamente desnudas pero también unos compuestos tales como unas dianas de WC, TiN o CrN. Unas dianas de grafito o respectivamente silicio, forman aquí un caso límite, puesto que, por un lado, su conductividad es ciertamente todavía suficiente con el fin de evaporarlas mediante un arco eléctrico de CC, pero, por otro lado, se puede comprobar una fuerte tendencia a una combustión local de la chispa, con lo que se llega a oscilaciones en el plasma y a una fuerte formación de gotitas, por lo cual las dianas de grafito se hacen funcionar hoy día de manera preferida de un modo pulsante.

Si una fuente se hace funcionar, por el contrario, en la proximidad de la corriente eléctrica de mantenimiento de CC y al mismo se superpone con una corriente eléctrica pulsante, sorprendentemente, no solamente se pudo aumentar esencialmente la velocidad sino que se pudo mantener pequeña también la carga térmica en comparación con un revestimiento por CC con una velocidad comparable. De manera ventajosa, en tal caso la proporción de CC se ajusta entre 100 y 300%, de manera preferida entre 100 y 200% de la corriente eléctrica de mantenimiento o de la potencia de mantenimiento.

Una tal porcentaje de la corriente eléctrica de mantenimiento corresponde, en el caso de las fuentes que se van a describir seguidamente con mayor detalle, a una proporción de CC del flujo de corriente eléctrica, que está situada en un intervalo comprendido entre 30 y 90 A, de manera preferida entre 30 y 60 A. En tal caso la fuente de arcos eléctricos se puede hacer funcionar con un gas de proceso, que solamente contiene un gas reactivo, o una mezcla de un gas reactivo y un gas inerte.

La aplicación o respectivamente la generación de las diferentes proporciones de corriente eléctrica se puede efectuar en tal caso de un modo conocido. Por ejemplo, la proporción de corriente continua se puede generar mediante un generador de corriente continua, la proporción de corriente pulsante o respectivamente alterna se puede generar mediante un generador de corriente pulsante o respectivamente alterna, siendo conectados ambos generadores o bien en paralelo o en serie entre la fuente de arcos eléctricos y por lo menos un ánodo o respectivamente una masa.

Otra posibilidad es generar la proporción de corriente continua y la de corriente pulsante mediante dos generadores de corriente continua o respectivamente alterna asimismo conectados, superpuestos y que se hacen funcionar de modo sincronizado. Por lo demás, finalmente también es posible generar la proporción de corriente continua o pulsante mediante un generador individual de corriente eléctrica, que se pone en cadencia secundaria o primaria.

Para unos usos industriales es especialmente interesante tal modo de proceder cuando se han de revestir por ejemplo unas piezas de trabajo, para las que se establecen unos requisitos especiales en lo que se refiere a la estabilidad frente al desgaste, o respectivamente unas piezas de trabajo cuyas superficies deben de tener unas propiedades aislantes o decorativas. Un ejemplo de capa para la cual dicho procedimiento es particularmente adecuado es la de óxido de aluminio.

El material mencionado se puede depositar como una capa individual o como una sucesión de dos o más capas, que se hacen variar en lo que se refiere a la composición elemental, a la estequiometría o a la orientación cristalográfica, pudiendo ser ajustado el espesor de capa de los estratos de capas individuales, de acuerdo con las necesidades, entre unos pocos nanómetros y algunos micrómetros. Adicionalmente, tal como es conocido por un experto en la especialidad, se depositan por ejemplo unas capas adherentes metálicas o del tipo de nitruros o unas

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capas de adaptación a base de diferentes materiales, que hacen posible por ejemplo una transición graduada desde el material de substrato de la pieza de trabajo hasta el material de la capa, delante de las capas más arriba señaladas. Unas capas adherentes conocidas son por ejemplo de Cr, Ti, CrN o TiN. Unas capas de adaptación se señalan dentro del Ejemplo 1.

Adicionalmente, en el caso de tales procedimientos se puede aplicar de manera ventajosa una polarización en CC, en corriente pulsante o en corriente alterna, que en caso necesario se sincroniza con el generador de corriente pulsante o respectivamente alterna de la fuente.

Otro campo de uso para tal procedimiento es el revestimiento de unas piezas de trabajo que están constituidas a base de silicio o de otros materiales semiconductores.

Se ha mostrado que el revestimiento en el modo pulsante que se ha descrito, también es apropiado para unos substratos aislantes, en los que no es conveniente ninguna polarización del substrato en CC o ninguna polarización pulsante en CC del substrato con frecuencias más pequeñas o medianas.

Con un procedimiento como más arriba se ha descrito se pueden conseguir, de un modo resumido por una palabra de lema, los siguientes otros efectos ventajosos:

1. Un proceso estable para la producción de capas aislantes mediante evaporación por chispas sin que se llegue a una formación de salpicaduras, que impide una oxidación o reacción de todo el espesor de la capa.

2. Por primera vez se ha hecho posible trabajar con una diana de chispas totalmente contaminada. La reactividad, es decir la oferta del componente reactivo, oxígeno en el caso de la deposición de óxido de aluminio, se puede aumentar mediante el trabajo en un modo totalmente contaminado o respectivamente en una atmósfera de un gas reactivo y, acompañando a éste, un crecimiento más grande de la capa.

3. No se necesita una separación local o por escalones de presión de la diana y del recinto de reacción ni tampoco una costosa separación de salpicaduras y de vapor ionizado.

4. La realización de la descarga de chispas se puede efectuar sin un apoyo adicional de un campo magnético.

5. Una reducción del número y del tamaño de las salpicaduras incluso en el caso de una diana contaminada.

6. Mediante el funcionamiento pulsante modulado se hace posible trabajar con unas corrientes eléctricas más altas, lo cual conduce a una ionización más grande en el caso de una carga térmica constante o incluso disminuida de la diana.

7. Una erosión más uniforme de superficies conductoras, y no conductoras de la diana de aluminio.

8. Una subdivisión más fina de la descarga de chispas, es decir, es decir muchos puntos de arco eléctrico

pequeños y que se desplazan rápidamente sobre la superficie.

9. La consecución de una ionización más alta mediante el uso de impulsos de alta corriente eléctrica y por consiguiente un aumento vinculado con ello de la corriente eléctrica del substrato.

10. La realización del proceso en el caso de la evaporación reactiva por descarga de chispas se hace independientemente del recubrimiento de la diana mediante capas aislantes. Esto permite una mezcladura de gases reactivos y permite el funcionamiento en rampas en el caso de procesos reactivos lo cual es ventajoso tanto en el caso de la capa intermedia, como en el de la capa funcional.

11. Un aumento de la estabilidad del proceso y una ventana más ancha para el proceso.

12. La utilización de unos conocidos sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica, que permiten una gama amplia de especificaciones en cuanto a la corriente y a la tensión (son posibles numerosas combinaciones económicas, por ejemplo un barato abastecimiento de corriente eléctrica de CC para la carga de base).

13. El invento asegura que el plasma no sea interrumpido y por consiguiente ya no es necesario un nuevo encendido repetido o periódico con la costosa técnica que se necesita para ello.

14. Es posible una combinación del procedimiento con unas fuentes de plasma adicionales; en este contexto se ha de mencionar en particular una inducción adicional mediante un arco eléctrico de bajo voltaje que se hace funcionar simultáneamente, con lo que se consigue un aumento adicional de la reactividad al efectuar la deposición de una capa sobre el substrato.

Vías para la realización del invento

A continuación se expone un típico transcurso de un procedimiento de revestimiento conforme al invento con un proceso reactivo de revestimiento por descarga de chispas. De esta manera, en una instalación de revestimiento industrial del tipo RCS de la entidad Balzers, tal como se describe por ejemplo en el documento de patente europea

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EP 1 186 681 en las Figuras 3 hasta 6, en la descripción desde la columna 7, línea 18 hasta la columna 9, línea 25, se depositó, de un modo correspondiente al siguiente Ejemplo descrito con detalle, óxido de aluminio sobre diferentes piezas de trabajo.

Junto al proceso de revestimiento propiamente dicho, donde es necesario también entrar brevemente en detalles de otras etapas de proceso, que conciernen al tratamiento previo y posterior de los substratos. Muchas de estas etapas, tales como por ejemplo la limpieza de los substratos, que se realiza de un modo diferente según sean el material y el tratamiento previo, admiten, tal como conoce un experto en la especialidad, amplias variaciones, algunas de ellas, en determinadas condiciones, también pueden ser suprimidas, acortadas, prolongadas o combinadas entre sí de otra manera distinta.

Ejemplo 1

Después de la introducción de las piezas de trabajo en unos soportes capaces de girar dos o tres veces, previstos para ello, y de la incorporación de los soportes en la instalación de tratamiento en vacío, la cámara de tratamiento se evacúa por bombeo a una presión de aproximadamente 10-4 mbar.

Para el ajuste de la temperatura del proceso, se encendió un plasma de arco eléctrico en bajo voltaje (NVB = acrónimo de Niedervoltbogen) apoyado por unos sistemas de calefacción por radiación entre una cámara de cátodo, que está separada por medio de un diafragma, con un cátodo caliente y las piezas de trabajo conectadas en el ánodo, en una atmósfera de argón e hidrógeno.

En tal caso se ajustaron los siguientes parámetros de calentamiento:

Corriente eléctrica de descarga NVB 150 A

Flujo de argón 50 sccm (cm3 en condiciones normales)

Flujo de hidrógeno 300 sccm

Presión del proceso 1,4x10-2mbar

Temperatura del substrato aproximadamente 500°C

Tiempo del proceso 45 min

Son conocidas por un experto en la especialidad unas alternativas a esto. Los substratos se conectaron en tal caso de manera preferida como un ánodo para el arco eléctrico de bajo voltaje y preferiblemente se pulsaron adicionalmente de un modo unipolar o bipolar.

Como siguiente etapa del proceso se inició el ataque químico. Para esto, el arco eléctrico de bajo voltaje se hizo funcionar entre el filamento y el ánodo auxiliar. También en este caso se puede conectar entre las piezas de trabajo y la masa un sistema de abastecimiento en MF o RF que se hace funcionar con CC, con CC pulsante o con corriente alterna. De modo preferido las piezas de trabajo se cargaron sin embargo con una tensión eléctrica de polarización negativa.

En tal caso se ajustaron los siguientes parámetros de ataque químico:

Flujo de argón 60 sccm

Presión del proceso 2,4x10-3mbar

Corriente eléctrica de descarga NVB 150 A Temperatura del substrato aprox. 500°C

Periodo de tiempo del proceso 30 min

Con el fin de garantizar la estabilidad de la descarga en arco eléctrico de bajo voltaje en el caso de la producción de capas aislantes, en todas las etapas del proceso apoyadas por un NVB o bien se trabaja con un ánodo auxiliar conductivo caliente, o se conecta entre el ánodo auxiliar y la masa un sistema de abastecimiento pulsante de alta corriente eléctrica.

Con el fin de aumentar la resistencia de adherencia, se aplica una capa de CrN con un grosor de aproximadamente 300 nm mediante una evaporación por descarga de chispas, que en caso necesario se puede apoyar en una ionización adicional todavía mediante el plasma del arco eléctrico de bajo voltaje.

En tal caso se ajustaron los siguientes parámetros de capa intermedia:

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Flujo de argón 80 sccm

Flujo de nitrógeno 200 sccm

Presión del proceso 8x10 3 mbar

Corriente eléctrica de fuente de CC Cr 140 A

Polarización del substrato desde -100 V a - 40 V bipolar con 36 |js de

polarización negativa y 4 js de polarización positiva

Temperatura del substrato aprox. 500°C

Período de tiempo del proceso 10 min

Para la transición con una duración de aproximadamente 5 min hasta llegar a la capa funcional propiamente dicha, las fuentes de arcos eléctricos de aluminio se conectan con una corriente eléctrica de 60 A de la fuente de CC, estando unido el polo positivo de la fuente de CC con el anillo de ánodos y con la masa. Adicionalmente, se efectúa una superposición con impulsos de CC unipolares de un segundo sistema de abastecimiento de corriente eléctrica, que está conectado en paralelo, el cual se hace funcionar con 50 kHz. En el presente ejemplo se trabajó con una relación simétrica de tanteo/pausa de 10 js de impulso/10 js de pausa y se generaron en los impulsos unas corrientes eléctricas hasta de 150 A. Luego se efectúa la introducción del oxígeno con 300 sccm, o respectivamente según los parámetros que se indican en la Tabla.

Después de haber levantado las dianas de Al y de haber ajustado el flujo de oxígeno, la corriente eléctrica de la fuente se desplaza de retorno hasta cero junto a la diana de Cr sobre una rampa en aproximadamente 10 min y al mismo tiempo se reduce el flujo de N2. A continuación el flujo de Ar se desplaza hasta cero.

El revestimiento de los substratos con la capa funcional propiamente dicha se efectúa en el gas reactivo puro, oxigeno. Puesto en el caso del óxido de aluminio se trata de unas capas aislantes, se utiliza o bien un sistema de abastecimiento pulsante o con polarización en CA (corriente alterna).

Los parámetros esenciales de la capa funcional se ajustaron de la siguiente manera:

Flujo de oxígeno 300 scm

Presión del proceso 9x103mbar

Corriente eléctrica de la fuente de CC, de Al 60A

Corriente eléctrica de la fuente de impulsos, de Al 150 A, 50 kHz, 10 js de impulso/10 js de pausa

Polarización del substrato permanece a una CC pulsada a -40 V o a una AC

(en cada caso de 50 - 350 kHz)

Temperatura del substrato aproximadamente 500°C

Período de tiempo del proceso 60 a 120 min, ensayos individuales con 360 min

El proceso de revestimiento puede efectuarse también simultáneamente con un arco eléctrico de bajo voltaje encendido. En este caso se consigue una más alta reactividad. Además de esto, el uso simultáneo del arco eléctrico de bajo voltaje durante el proceso de revestimiento tiene también todavía la ventaja de que la proporción de CC de las fuentes se puede reducir aún más, según sea la magnitud de la corriente eléctrica de NVB.

El proceso de revestimiento realizado de esta manera es estable durante varias horas. La diana se cubre con una capa delgada y lisa de óxido. La descarga de chispas transcurre de una manera más reposada que en el caso de un funcionamiento sin ninguna señal pulsante adicional y se subdivide en varias descargas de chispas más pequeñas. El número de las salpicaduras se reduce esencialmente.

Las fuentes de arcos eléctricos se utilizaron tanto para la capa adhesiva como también para la capa funcional, unas fuentes de arcos eléctricos de la entidad Balzers con un diámetro de las dianas de 160 mm y un grosor de 6 mm, con un sistema patrón de imanes MAG 6. En principio cualquier fuente apropiada se puede hacer funcionar con un tal proceso, siempre y cuando que se conecte una correspondiente unidad de abastecimiento de corriente eléctrica.

El proceso descrito es la versión preferida, puesto que él mantiene pequeños los requisitos del abastecimiento pulsante de corriente eléctrica. El sistema de abastecimiento de CC suministra la corriente mínima o de mantenimiento para las descargas de chispas y el sistema de abastecimiento pulsante de corriente eléctrica sirve para la evitación de las salpicaduras.

Otros ejemplos acerca de los parámetros de deposición de capas funcionales se describen con mayor detalle en la Tabla 1. En primer lugar se llevaron a cabo en lo esencial las mismas etapas de limpieza, calentamiento y ataque químico, así como se depositó una capa intermedia a base de CrN o respectivamente TiN de una manera

correspondiente al Ejemplo 1. A continuación se preparó la capa funcional de óxido de aluminio de un modo correspondiente a los datos que aparecen en la Tabla.

Para la comparación de la influencia de la tensión eléctrica de la fuente mediante el cubrimiento con un recubrimiento aislante, se depositó en el Ejemplo 2 una capa puramente metálica. En tal caso se muestra que sobre 5 todo en el caso de un recubrimiento con unas capas de óxidos altamente aislantes se llega a un fuerte aumento de la proporción de CC de la tensión eléctrica de la fuente. En este contexto, el aumento relativo de la tensión eléctrica ya en el caso de unas adiciones comparativamente pequeñas de un gas reactivo que contiene oxígeno, está entre aproximadamente 20 y 50% del valor de la fuente metálicamente desnuda que se hace funcionar bajo un gas inerte puro. También en el caso de un funcionamiento con nitrógeno se llega a un aumento de la tensión eléctrica de la 10 fuente, que sin embargo tiene unos valores más pequeños, por ejemplo entre aproximadamente 10 y como máximo 30%. En todos los casos, ciertamente mediante la aplicación simultánea de una tensión eléctrica pulsante se llega a una insignificante disminución de la tensión eléctrica de la fuente de CC en comparación con el puro funcionamiento con CC, pero en ningún caso se alcanza de nuevo el original estado de tensión eléctrica más baja de una fuente metálicamente desnuda.

15 El preferido intervalo de frecuencias, en el que se hace funcionar la fuente de arcos eléctricos, está situado entre 5 y 50 kHz. En caso necesario, la fuente, sin embargo, se puede hacer funcionar también con unas frecuencias más bajas hasta de aproximadamente 0,5 kHz o con unas altas frecuencias hasta de 1 MHz. En el caso de unas frecuencias todavía más bajas, el funcionamiento en el caso de la deposición de capas aislantes, es inestable y con unas frecuencias más altas suben extremadamente los costos del generador.

20 Si se desean o se hacen necesarias unas adicionales capas de adaptación, éstas se pueden aplicar en lugar de las capas de CrN de otras capas adherentes o respectivamente entre una capa adherente y una capa funcional. Unos ejemplos de los que pueden ser ventajosos, junto a los que ya se han mencionado también en el caso de la deposición de capas cubrientes oxídicas, son los oxicarburos de titanio y cromo así como los oxinitruros, oxisiliciuros, oxisiliconitruros o respectivamente siliconitruros de aluminio, cromo, titanio, tántalo, niobio o Zr.

25 A pesar de la sobresaliente resistencia de adherencia de las capas adherentes o respectivamente de adaptación que se han producido mediante una evaporación catódica por descarga de chispas, éstas se pueden llevar a efecto, tal como ya es conocido por un experto en la especialidad, también mediante otras técnicas de revestimiento tales como las de por ejemplo CVD, PECVD, pulverización catódica o la de evaporación mediante un arco eléctrico de bajo voltaje a partir de un crisol que está conectado como ánodo. En este caso es posible en principio cualquier

30 combinación de diferentes técnicas, siendo preferidos sin embargo unos procesos apoyados por un plasma, que garantizan una alta ionización; a causa de la mejor adhesión que se puede conseguir con esto.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se explican los objetos con los que se puede llevar a cabo la invención. En ellos muestran:

La Fig. 1 35 La Fig. 2

La Fig. 3 La Fig. 4 La Fig. 5 La Fig. 6 40 La Fig. 7

La Fig. 8 La Fig. 9

una instalación de tratamiento en vacío con una fuente de arcos eléctricos

un sistema de abastecimiento con CC y corriente pulsante, que está conectado en paralelo

unas superficies de dianas

dos sistemas de abastecimiento de corriente pulsante que están conectados en paralelo una disposición de ánodos múltiples

unos sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica en una conexión en serie unos sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica con una conexión en cortocircuito. un sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en una cadencia secundaria un sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en una cadencia primaria.

La instalación de tratamiento en vacío 1, que se ha representado en la Fig. 1 muestra comparativamente una disposición conocida a partir del estado de la técnica para hacer funcionar una fuente de arcos eléctricos con un 45 sistema de abastecimiento de corriente DC = CC 13. La instalación 1 está equipada con un puesto de bombeo 2 para la producción del vacío, unos soportes 3 de substratos para la recepción y la puesta en contacto eléctrico de las piezas de trabajo que aquí no se representan con mayor detalle, así como un sistema 4 de abastecimiento de corriente eléctrica polarizada, para la aplicación de una denominada tensión eléctrica de substrato a las piezas de trabajo. Este último puede ser un sistema de abastecimiento de tensión eléctrica de substrato de CC, de Ac o bi- o 50 respectivamente unipolar. A través de una entrada 11 para el gas de proceso se puede introducir un gas inerte o respectivamente reactivo, con el fin de regular la presión del proceso y la composición del gas en la cámara de tratamiento.

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Unos componentes de la fuente de arcos eléctricos propiamente dicha son una diana 5 con una placa de refrigeración 12 situada detrás de ella, un dedo encendedor 7 así como un ánodo 6 que comprende la diana. Con un conmutador 14 se puede escoger entre un funcionamiento flotante del ánodo y del polo positivo del sistema 13 de abastecimiento de corriente eléctrica y un funcionamiento con un definido potencial nulo o respectivamente de masa.

Otras características facultativas de la instalación 1 de tratamiento en vacío son una fuente de plasma 9 adicional, en este caso una fuente para la generación de un NVB con un cátodo caliente, con una entrada 8 para el gas inerte un ánodo auxiliar 10 así como otro sistema de abastecimiento de corriente, que aquí no se representa con más detalle, para hacer funcionar el arco eléctrico de bajo voltaje entre una fuente de plasma 9 y un ánodo auxiliar 10, y en caso necesario unas bobinas 17 para el empaquetamiento magnético del plasma de arco eléctrico de bajo voltaje.

En la fig. 2 se representa una fuente de arcos eléctricos, que se hace funcionar con dos sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica que están conectados en paralelo, a saber un sistema 13' de abastecimiento de corriente eléctrica de CC y un sistema pulsante 18 de abastecimiento de alta corriente eléctrica, con el fin de superponer la corriente continua con una señal de impulsos unipolares o bipolares. Este sistema de conexión permite un funcionamiento estable de una evaporación reactiva por descarga de chispas también para unas capas aislantes, en cuyos casos en el transcurso del tiempo el interior de la instalación 1, el ánodo auxiliar 10 y los soportes 3 de substratos se cubren con unos substratos que tienen una capa aislante.

Si, de modo comparativo, una diana 5 a base de aluminio puro se hace trabajar en una atmosfera que contiene argón y oxígeno solamente con un sistema 13 de abastecimiento de corriente eléctrica de CC de acuerdo con la Fig. 1, ya después de unos pocos minutos se llega a unas inestabilidades del proceso, que conducen a la interrupción del proceso en el caso de un alto flujo de oxígeno, En tal caso, sobre la diana 5 se forma un recubrimiento representado como en la Fig. 3a, con unos islotes que tienen un tamaño de varios milímetros, constituidos a base de un material aislante. Las capas depositadas sobre las superficies de las piezas de trabajo se vuelven muy ásperas y no son completamente aislantes, puesto que manifiestamente no se llega a una reacción pasante continua de las muchas salpicaduras metálicas. Por el contrario, si una diana 5 se hace funcionar en una atmósfera que contiene oxígeno, en unas condiciones por lo demás iguales con un procedimiento conforme al invento como se hace funcionar en la Fig. 2, se forma una superficie aislante pero totalmente uniforme de óxido de aluminio, como se muestra en la Fig. 3b. El proceso se puede realizar durante varias horas, interrumpir y reanudar con una diana que ha sido contaminada de este modo. Al mismo tiempo se llega a una reducción esencial de las salpicaduras sobre la superficie de la pieza de trabajo.

A continuación se indican otras posibilidades y disposiciones para el funcionamiento pulsante modulado de una fuente de arcos eléctricos. La Fig. 4 muestra la conexión en paralelo de dos sistemas 18' y 18'' de abastecimiento de corriente eléctrica de CC pulsantes, preferiblemente sincronizados. Esta disposición tiene por ejemplo en el caso del funcionamiento unipolar una serie de ventajas. Así, en el caso de un funcionamiento con igual anchura de los impulsos, el período de tiempo que trascurre entre dos impulsos se puede escoger muy corto, con lo que se puede ajustar una relación de tanteo correspondientemente grande o respectivamente una duración muy corta del ciclo. Mediante la posibilidad vinculada con ello de limitar la aportación de energía por impulso, por ejemplo también en adaptación al material específico de la diana, se puede evitar muy eficazmente una combustión firme de la chispa y se puede contrarrestar aun más una formación de salpicaduras. Sin embargo, también en el caso de un funcionamiento unipolar con diferentes amplitudes de impulsos y con frecuencias diferentes o iguales, un tal funcionamiento hace posible un ajuste especialmente bueno de las fases individuales del ciclo y por consiguiente un control muy bueno de la velocidad de revestimiento. En principio, unos sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica de CC pulsantes se pueden reemplazar también por unos más favorables sistemas de abastecimiento de corriente alterna. No obstante en tal caso es por ejemplo más difícil conseguir unas señales que tengan una forma y una pendiente de flanco determinadas.

Al mismo tiempo, el concepto de dos sistemas 19, 19'' de abastecimiento de corriente eléctrica hace posible de una manera especialmente ventajosa, como se muestra en la Fig. 5, la colocación de varios ánodos 20, 20' para efectuar una mejor distribución del plasma en la cámara de revestimiento. Por consiguiente, los electrones pueden ser mejor conducidos, y con ello se pueden aumentar la densidad del plasma y la reactividad del proceso.

En la Fig. 6 se representa una fuente de arcos eléctricos, que es alimentada mediante dos sistemas 19, 19'' de abastecimiento de corriente eléctrica que están conectados en serie, de los que por lo menos uno es un sistema abastecimiento pulsante o respectivamente de CA. Con esta disposición se puede realizar con especial facilidad una adaptación de la regulación de la velocidad de la fuente de arcos eléctricos.

En las otras figuras se hace referencia a unos sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica, en los que la corriente pulsante o la proporción de corriente continua se produce mediante una técnica de partes de redes de conmutación. En el caso de tales sistemas de abastecimiento de corriente eléctrica la ondulación de la resultante señal de CC, que por lo demás no es deseada, se puede reforzar de tal modo que una señal correspondiente a los requisitos más arriba descritos se aplique a la salida del sistema de abastecimiento de corriente eléctrica.

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Por ejemplo, en tal caso, tal como se representa esquemáticamente en la Fig. 7, un sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en cadencia secundaria se puede utilizar como convertidor ascendente 21 o, como se representa en la Fig. 8, un sistema de abastecimiento de corriente eléctrica asimismo puesto en cadencia secundaria se puede utilizar como convertidor descendente 21'. La Fig. 9 muestra, por el contrario, un sistema 22 de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en cadencia primaria para la producción de la señal deseada.

De todos los sistemas de abastecimiento con una técnica de partes de redes de conmutación el sistema de abastecimiento mostrado en la Fig. 8 es el que se puede realizar con el más pequeño gasto técnico y se usa, es decir de manera preferida.

Lista de signos de referencia

1 instalación de tratamiento en vacío

2 puesto de bombeo

3 soporte de substratos

4 sistema de abastecimiento de corriente polarizada

5 diana

6 ánodo

7 dedo encendedor

8 introducción de un gas interne

9 fuente de plasma

10 ánodo auxiliar

11 introducción de un gas de proceso

12 placa de refrigeración

13,13' sistema de abastecimiento de corriente eléctrica de CC

14 conmutador

17 bobinas magnéticas

18,18',18” sistema de abastecimiento de corriente eléctrica pulsante

19,19',19'' sistema de abastecimiento de corriente eléctrica

20,20' ánodo

21 convertidor ascendente

21' convertidor descendente

22 sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en cadencia primaria

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para hacer funcionar una fuente de arcos eléctricos, en el que una descarga eléctrica de chispas se enciende o respectivamente se hace funcionar dentro de una atmósfera que comprende un gas reactivo, sobre una superficie de una diana (5), siendo alimentada la descarga de chispas al mismo tiempo con una corriente 5 continua así como también con una corriente pulsante o respectivamente alterna, caracterizado porque la superficie de la diana (5) está cubierta por lo menos parcialmente mediante un recubrimiento aislante que se forma haciendo funcionar la fuente de arcos eléctricos en la atmósfera que comprende un gas reactivo, a partir de la reacción entre el gas reactivo y el material evaporado de la diana (5), dando como resultado el recubrimiento aislante a un aumento de la proporción de CC de la tensión eléctrica de la fuente, de por lo menos un 20%, en comparación con el 10 funcionamiento con una superficie sin ningún recubrimiento aislante, siendo utilizado el oxígeno como gas reactivo y usándose el aluminio como material para la diana.