ES2575119T3 - Fuente de evaporación en vacío de arco voltaico, así como una cámara de evaporación en vacío de arco voltaico con una fuente de evaporación en vacío de arco voltaico - Google Patents

Fuente de evaporación en vacío de arco voltaico, así como una cámara de evaporación en vacío de arco voltaico con una fuente de evaporación en vacío de arco voltaico Download PDF

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Abstract

Fuente de evaporación en vacío de arco voltaico, que comprende una fuente de campo magnético (2) en forma de anillo y un cuerpo de cátodo (3) con un material de evaporación (31) como cátodo (32) para la generación de una descarga de arco voltaico sobre una superficie de evaporación (33) del cátodo (32), en la que el cuerpo del cátodo (3) está limitado en una primera dirección axial por un fondo del cátodo (34) y en una segunda dirección axial por la superficie de evaporación (33) en dirección axial, y la fuente de campo magnético en forma de anillo (2) está polarizada paralela o antiparalela a una normal superficial (300) de la superficie de evaporación (33) y está dispuesta concéntricamente a la normal superficial (300) de la superficie de evaporación (33), en la que un anillo de amplificación del campo magnético (4) está dispuesto sobre un lado alejado de la superficie de evaporación a una segunda distancia predeterminada (A2) delante del fondo del cátodo (34), caracterizada porque un diámetro interior (DI) del anillo de amplificación del campo magnético (4) es aproximadamente 3 %, en particular hasta 10 %, con preferencia hasta 15 %, especialmente hasta 50 % de un diámetro del cátodo (32) y el anillo de amplificación del campo magnético comprende una pluralidad de imanes permanentes alineados esencialmente paralelos a la normal superficial.

Description

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DESCRIPCION
Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico, asf como una camara de evaporacion en vado de arco voltaico con una fuente de evaporacion en vado de arco voltaico
La invencion se refiere a una fuente de evaporacion en vado de arco voltaico asf como a una camara de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con el preambulo de las reivindicaciones independientes 1 y 24.
Se conocen a partir del estado de la tecnicas una pluralidad de instalaciones de evaporacion en vado de arco voltaico, en las que se genera una descarga de arco con un material de evaporacion, que esta configurado como catodo, en una camara de vado, con lo que el material de evaporacion se evapora a traves de la energfa de un arco volitado y se ioniza total o parcialmente, para depositar pelmulas finas sobre un sustrato.
En este caso, tales pelmulas depositadas pueden cumplir funciones muy diferentes, Pueden cumplir funciones puramente decorativas, proteger contra desgaste o corrosion y blindar las superficies de materiales contra repercusiones grandes del calor, etc. Con frecuencia las capas aplicadas por medio de evaporacion de arco voltaico cumplen dos o mas funciones a menudo diferentes. De manera correspondiente se conocen tambien desde hace mucho tiempo sistemas de estratos de varias capas de la misma o de diferente composicion.
Asf, por ejemplo, en el documento DD 293 145 se publican un procedimiento y un dispositivo para la fabricacion de capas de varios componentes, en las que se utiliza un catodo que esta constituido de varias superficies de trabajo, en el que se aplica un campo magnetico variable localmente y en el tiempo, de manera que el foco del catodo se forzado de acuerdo con la composicion requerida de las capas sobre las diferentes superficies de trabajo.
Un procedimiento relacionado con ello asf como un dispositivo correspondiente se muestra en el documento DD 285 483 para garantizar una combustion uniforme de los catodos, lo que se puede emplear de manera ventajosa tambien durante la aplicacion de sistemas de capas sencillos de una sola capa.
En el documento DE 197 39 527 A1 se describe una fuente de plasma en vado de arco voltaico con un filtro de partmulas magneticas, en la que las partmulas perturbadoras son eliminadas del plasma. A tal fin se propone una bobina de compensacion, que se encuentra dentro del cuerpo del anodo, asf como una bobina de filtro. Ademas, se proponen una bobina de foco y/o una o varias bobinas de control en posicion especial.
Independientemente de si se aplican sistemas de capas de una sola capa o de varias capas, todas las instalaciones de evaporacion en vado de arco voltaico de este tipo o similares conocidas a partir del estado de la tecnica presentan diferentes inconvenientes decisivos.
Asf, por ejemplo, en los evaporadores de arco voltaico conocidos se forman forzosamente partmulas fundidas con un diametro de hasta algunos micrometres o mas, que son claramente mayores que las parttculas evaporadas y ionizadas pequenas propiamente deseadas. Estas partreulas esencialmente mayores se mezclan entonces en las capas o bien pelfculas finas, lo que conduce a un empeoramiento de la estructura de las superficies, de la resistencia, de la resistencia adhesiva, de las propiedades tribologicas, etc. de las pelreulas, y en el caso de estratos de una o varias capas puede conducir a una composicion irregular de las capas aplicadas.
Para evitar esto, se ha propuesto en el documento JP 2 194 187 disponer una bobina coaxial a la superficie de evaporacion con un nucleo de aire entre la superficie de evaporacion y un sustrato. De esta manera se fuerzan electrones en un plasma alrededor de las lmeas de fuerza magnetica generadas por la bobina y fluyen a lo largo de las lmeas de fuerza, mientras que llevan a cabo un movimiento giratorio, de manera que el plasma llega al sustrato. Este efecto de induccion no actua, sin embargo, naturalmente, sobre las partreulas fundidas neutras. Otro inconveniente decisivo de esta disposicion es que la bobina esta dispuesta en una posicion intermedia entre el sustrato y la superficie de evaporacion, lo que conduce a que el campo magnetico generado por la bobina este dirigido radialmente hacia dentro con respecto a la superficie de evaporacion. Esto tiene como consecuencia que el arco voltaico es guiado tendencialmente mas cerca del centro del catodo, de manera que este se consume de manera irregular. Ademas, otras fuentes de evaporacion, que pueden estar dispuestas en determinados casos adicionalmente en la camara, por ejemplo para fabricar estratos de varias capas o estratos de composicion compleja, pueden ser influenciadas negativamente por la bobina magnetica, lo que puede conducir naturalmente a efectos no deseados.
En la solicitud de patente europea EP 0 495 447 se propone, por lo tanto, prever sobre el lado trasero del cuerpo del catodo una fuente de campo magnetico adicional, que esta acoplada en un motor, de manera que se puede varias en el espacio y en el tiempo un campo magnetico generado por la fuente de campo magnetico adicional, de manera que se puede guiar el arco voltaico de forma selectiva sobre la superficie del evaporados y de esta manera se puede garantizar, por ejemplo, una combustion mas uniforme del catodo. El in conveniente de esta disposicion es, naturalmente, que la construccion es muy costosa en la estructura, funcionamiento y mantenimiento. Ademas, se generan de la misma manera campos de dispersion, que vanan todavfa en el espacio y en el tiempo, y pueden
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exponer catodos de evaporacion vecinos a influencias no deseadas.
Para la solucion de estos problemas conocidos a partir del estado de la tecnica se propone en el documento DE 600 19 821 una fuente de generacion de campos magneticos de forma anular, de tal manera que rodea el material de evaporacion y la superficie de evaporacion esta prevista entre el polo Norte y el polo Sur de la fuente de generacion de campos magneticos. A tal fin se agrupan dos fuentes de generacion de campos magneticos, una interior y una exterior, alrededor de la fuente de descarga del arco. Las lmeas de fuerza magneticas de la fuente de generacion de campos magneticos deben cruzar en este caso bajo un angulo de +/- 30° con relacion a la normal la superficie del evaporador.
En este caso, con preferencia sobre el lado del catodo del evaporador, que esta alejado de la superficie de evaporacion esta prevista una fuente de campo magnetico en forma de disco en el centro en el lado inferior del cuerpo del catodo, con lo que las lmeas de campo magnetico de la fuente de generacion de campos magneticos en forma de anillo deben modificarse de tal manera que el arco voltaico es conducido sobre la superficie de evaporacion de tal manera que debe impedirse una erosion irregular de la superficie del evaporador. Sin embargo, de acuerdo con la invencion, un posicionamiento de un iman en el centro provoca una amplificacion del campo exactamente en el centro de la superficie de los catodos.
El sistema es inflexible condicionado por su estructura. Es decir, especialmente cuando se utilizan las fuentes de campos magneticos, que no se puede modificar ya practicamente la intensidad del campo y la distribucion de las intensidades del campo. De esta manera, el sistema no se puede adaptar a influencias externas, por ejemplo a traves de fuentes magneticas vecinas, ni a otras densidades de corriente en el arco voltaico, ni a diferentes materiales de los catodos, o a otras influencias que determinan el proceso de recubrimiento o bien el proceso de combustion en el catodo.
El documento WO 2004/057642 A2 del tipo indicado al principio describe una la fuente de generacion de evaporacion en vado de arco voltaico con una fuente de campo magnetico en forma de anillo y un cuerpo de catodo con un material de evaporacion como catodo para la generacion de una descarga de arco voltaico sobre una superficie de evaporacion del catodo. Un anillo de amplificacion de campo magnetico esta dispuesto sobre un lado alejado de la superficie de evaporacion delante de un fondo de catodo. Un diametro interior del anillo de amplificacion magnetica corresponde aproximadamente a un diametro del catodo.
Por lo tanto, el cometido de la invencion es proporcionar una camara de evaporacion de arco voltaico mejorada, que realiza especialmente una amplificacion del campo magnetico en direccion a los sustratos, al mismo tiempo garantiza una amplificacion del campo magnetico en la superficie interior del catodo, de manera que, por una parte, se puede conseguir un desarrollo homogeneo sobre la combustion del catodo y se consigue un desarrollo ventajoso del campo magnetico en la superficie del catodo, de manera que se posibilita una aceleracion optima del arco voltaico.
En este caso debe evitarse una amplificacion excesiva del campo en el centro de la superficie de los catodos.
A este respecto, el sistema mejorado debe ser al mismo tiempo flexible con respecto a las posibilidades de las modificaciones de la geometna del campo magnetico, de manera que de una manera sencilla y economica la fuente de evaporacion de arco voltaico o bien la camara de evaporacion de arco voltaico equipada con ella se puede adaptar de una manera optima en cualquier momento a modificaciones variables.
Los objetos de la invencion que solucionan estos cometidos se caracterizan por las caractensticas de las reivindicaciones independientes 1 y 15.
Las reivindicaciones dependientes respectivas se refieren a formas de realizacion especialmente ventajosas de la invencion.
Por lo tanto, la invencion se refiere a una fuente de evaporacion en vado de arco voltaico, que comprende una fuente de campo magnetico en forma de anillo y un cuerpo de catodo con un material de evaporacion como catodo para la generacion de una descarga de arco voltaico sobre una superficie de evaporacion del catodo. En este caso, el cuerpo de catodo esta limitado en su primera direccion axial por la superficie de evaporacion en una direccion axial, y la fuente de campo magnetico en forma de anillo esta polarizada paralela o antiparalela a una normal superficial de la superficie de evaporacion y esta dispuesta concentricamente a la normal superficie de evaporacion. Un anillo de amplificacion de campo magnetico esta dispuesto sobre un lado alejado de la superficie de evaporacion a una segunda distancia predeterminable delante del fondo del catodo. Segun la invencion, su diametro interior es aproximadamente 3 %, en particular hasta 10 %, con preferencia hasta 15 %, especialmente hasta 50 % de un diametro del catodo.
Por lo tanto, es esencial para la invencion la combinacion de un anillo de amplificacion del campo magnetico sobre el lado alejado de la superficie del evaporador con la fuente de campo magnetico en forma de anillo dispuesta en la
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En este caso, la fuente de campo magnetico puede estar dispuesta concentricamente a la normal superficial de la superficie de evaporacion, de tal manera que la superficie de evaporacion se encuentra entre un polo Norte y un polo Sur de la fuente de campo magnetico. Es decir, que en un ejemplo de realizacion muy especial, la fuente de campo magnetico en forma de anillo rodea la superficie de evaporacion del catodo de tal manera que la superficie de evaporacion tiene aproximadamente la misma distancia desde el polo Sur de la fuente de campo magnetico en forma de anillo que desde el polo Norte de la fuente de campo magnetico en forma de anillo.
En un ejemplo de realizacion muy especialmente importante en la practica, la fuente de campo magnetico en forma de anillo esta distanciada, sin embargo, a una primera distancia predeterminada sobre el lado del cuerpo del catodo, que esta alejado del fondo del catodo, desde la superficie de evaporacion.
En efecto, se ha mostrado de manera sorprendente que cuando la superficie de evaporacion no esta dispuesta entre el polo Norte y el polo Sur de la fuente de campo magnetico en forma de anillo, sino que esta distanciada de esta a una distancia predeterminada, se pueden alcanzar una distribucion todavfa mas optima del campo en la zona del cuerpo del catodo, especialmente en la zona de la superficie de evaporacion. A pesar de todo, se puede dar un ejemplo de aplicacion especial determinado, en el que es preferible una disposicion de la superficie de evaporacion entre el polo Norte y el polo Sur de la fuente de campo magnetico en forma de anillo.
Para el numero predominante de las aplicaciones, sin embargo, se ha mostrado de forma sorprendente que, puesto que, por una parte, la superficie de evaporacion no esta dispuesta entre el polo Norte y el polo Sur de la fuente de campo magnetico en forma de anillo, sino que esta distanciada a una distancia predeterminada de esta y, por otra parte, en lugar de una fuente magnetica en forma de anillo, dispuesta en el centro debajo del cuerpo del catodo, se preve un anillo de amplificacion del campo magnetico en forma de anillo, se puede alcanzar una distribucion optima del campo en la zona del cuerpo del catodo, en particular en la zona de la superficie de evaporacion, que no presenta los inconvenientes conocidos a partir del estado de la tecnica.
A traves de la disposicion de acuerdo con la invencion se genera especialmente en la zona del centro del catodo un campo claramente mas uniforme en comparacion con el estado de la tecnica. De esta manera se consigue que el catodo se consuma de manera muy uniforme, es decir, que se queme de manera uniforme sobre toda la superficie de evaporacion, de manera que este efecto positivo no es acosta de los componentes del campo magnetico paralelos a la superficie del evaporador, que sirven principalmente para la aceleracion del movimiento del arco voltaico. Es decir, que a traves de la disposicion de acuerdo con la invencion se mejora finalmente la conduccion del arco voltaico sobre la superficie de evaporacion, lo que conduce, entre otras cosas, a una combustion mucho mas uniforme del catodo y a resultados de recubrimiento claramente mejorados.
Ademas, se eleva al mismo tiempo el campo magnetico en direccion a los sustratos, lo que repercute finalmente de forma muy positiva sobre la calidad del recubrimiento durante el recubrimiento de un sustrato.
Esto se consigue a traves del posicionamiento de la fuente de campo magnetico en la superficie del catodo o bien a una distancia de esta en la direccion de los sustratos.
Ademas, la fuente de evaporacion del arco voltaico o bien la camara de evaporacion del arco voltaico de acuerdo con la presente invencion son muy flexibles condicionados por su estructura. Esto significa que, tambien cuando se utilizan fuentes de iman permanente, se puede modificar muy facilmente la intensidad de campo y la distribucion de las intensidades de campo en el catodo. De esta manera, se puede adaptar el sistema de acuerdo con la invencion facilmente a una modificacion de influencias externas, por ejemplo a traves de fuentes magneticas vecinas, a otras densidades de corriente en el arco voltaico, a diferentes materiales de los catodos, o a otras influencias que determinan el proceso de recubrimiento o bien el proceso de combustion en el catodo.
En este caso es especialmente ventajoso el modo de construccion modular de la fuente de evaporacion de arco voltaico de acuerdo con la presente invencion. Con preferencia, una fuente de evaporacion de arco voltaico de acuerdo con la invencion esta constituida, en efecto, por un sistema separado de imanes interiores y la placa de base del evaporador con el segundo sistema magnetico, de manera que los sistemas magneticos se pueden manipular o bien modificar o sustituir por separado y de manera independiente unos de los otros.
En un ejemplo de realizacion preferido, el anillo de amplificacion del campo magnetico esta polarizado paralelo o antiparalelo a la normal superficial y/o dispuesto concentrico a la normal superficial.
En un ejemplo de realizacion especialmente importante en la practica, adicionalmente al anillo de amplificacion del campo magnetico, adicionalmente al menos un anillo de correccion magnetica puede estar dispuesto sobre el lado alejado de la superficie de evaporacion a una tercera distancia predeterminada delante del fondo del catodo. A traves del anillo de correccion magnetica es posible efectuar una sintonizacion fina de la geometna de distribucion del campo magnetico, de manera que tambien en casos complicados se garantiza una conduccion optima del arco
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Se entiende que segun la distribucion deseada del campo magnetico o bien la distribucion espacial de la curva del campo magnetico, el anillo de correccion magnetica puede estar polarizado paralelo o antiparalelo a la normal superficial y/o puede estar dispuesto con preferencia concentrico a la normal superficial.
Para determinados casos de aplicacion especiales, tambien es posible que el anillo de amplificacion del campo magnetico y/o el anillo de correccion magnetica esta alineado no-concentrico a la normal superficial y/o el anillo de amplificacion del campo magnetico y/o el anillo de correccion magnetica tienen un area de la seccion transversal nocircular. Con tales disposiciones se pueden construir geometnas todavfa mas complejas del campo magnetico en la zona del cuerpo de los catodos, de manera que, por ejemplo, en el caso de recubrimiento de varios sustratos, los campos magneticos pueden ser de diferente intensidad en direccion a los diferentes sustratos, de manera que se pueden recubrir diferentes sustratos al mismo tiempo desde la misma fuente en diferentes condiciones. O bien se puede emplear, por ejemplo, ventajosamente cuando el catodo comprende diferentes zonas con diferentes materiales de recubrimiento, de modo que es necesaria una conduccion correspondiente complicada del arco voltaico sobre la superficie de evaporacion.
De la misma manera son muy importante para la practica ejemplos de realizacion de fuentes de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con la invencion, en los que la primera distancia y/o la segunda distancia y/o la tercer distancia son regulables, en particular en funcion del material de evaporacion y/o del estado de combustion del catodo y/o es controlable y/o regulable en funcion de otro parametro de funcionamiento de la fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico, con lo que la fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico adquiere una flexibilidad hasta ahora desconocida con respecto a todos los estados de funcionamiento posibles y requerimientos del procedimiento.
La primera distancia y/o la segunda distancia y/o la tercera distancia pueden estar en este caso con preferencia en un intervalo de 0 mm a 200 mm. Como ya se ha mencionado anteriormente, en este caso es decisivo para la invencion que la superficie de evaporacion no se coloca directamente entre el polo Norte y el polo Sur de una de las fuentes del campo magnetico empleadas, puesto que entonces no se puede alcanzar la geometna optima de distribucion del campo de acuerdo con la invencion.
Las diferentes fuentes del campo magnetico ya descritas en detalle anteriormente pueden estar realizadas en concreto en este caso a traves de diferentes conceptos. La fuente de campo magnetico en forma de anillo y/o el anillo de amplificacion del campo magnetico y/o el anillo de correccion magnetica pueden comprender en un ejemplo de realizacion especialmente preferido una pluralidad de imanes permanentes alineados esencialmente paralelos a la normal superficial. Esencialmente paralelo significa en este caso que el angulo entre la normal superficial de la superficie de evaporacion y una direccion de polarizacion de los imanes permanentes esta, por ejemplo, entre 0° y 20°, pero con preferencia en 0°.
Muy en general, en diferentes ejemplos de realizacion muy importantes para la practica, una intensidad del campo magnetico de la fuente del campo magnetico en forma de anillo y/o una intensidad del campo magnetico del anillo de amplificacion del campo magnetico y/o una intensidad del campo magnetico del anillo de correccion magnetica son variables y/o controlables y/o regulables, especialmente en funcion del material de evaporacion y/o del estado de combustion y/o es ajustable y/o controlable y/o regulable en funcion de otro parametro de funcionamiento de la fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico.
De acuerdo con la aplicacion especial, la intensidad del campo magnetico puede ser controlable y/o regulable a traves de un control y/o regulacion de una corriente electrica a traves de un electroiman de la fuente del campo magnetico en forma de anillo y/o del anillo de amplificacion del campo magnetico y/o del anillo de correccion magnetica.
Si se emplean imanes anulares, entonces la intensidad del campo magnetico puede ser ajustable a traves de una sustitucion del iman anular y/o a traves de otro iman anular adicional y/o a traves de la retirada de un iman anular de la fuente del campo magnetico en forma de anillo y/o del anillo de amplificacion del campo magnetico y/o del anillo de correccion magnetica.
Para muchas aplicaciones practicas, se han revelado como especialmente ventajosos aquellos ejemplos de realizacion segun la invencion, en los que la intensidad del campo magnetico es ajustable a traves de una modificacion de un numero de la pluralidad de imanes permanentes alineados paralelamente a la normal superficial de la fuente del campo magnetico en forma de anillo y/o del anillo de amplificacion del campo magnetico y/o del anillo de correccion magnetica.
Por lo que se refiere a las instalaciones de polarizacion magnetica de las diferentes fuentes del campo magnetico, la fuente del campo magnetico en forma de anillo y/o el anillo de amplificacion del campo magnetico y/o el anillo de correccion magnetica pueden estar polarizados del mismo tipo con respecto a la normal superficial o en otro caso, la fuente del campo magnetico en forma de anillo y/o el anillo de amplificacion del campo magnetico y/o el anillo de
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correccion magnetica pueden estar polarizados opuestos con respecto a la normal superficial.
Como se conoce en sf a partir del estado de la tecnica, para la refrigeracion de la fuente de evaporacion de arco voltaico esta previsto con preferencia un sistema de refrigeracion, en particular una refrigeracion por agua.
En particular, la fuente de campo magnetico en forma de anillo y/o el anillo de amplificacion del campo magnetico y/o el anillo de correccion magnetica pueden comprender un iman de alta temperatura, en particular un iman de alta temperatura de SmCo, de manera que se pueden alcanzar temperaturas de funcionamiento claramente mas elevadas con una fuente de evaporacion de arco voltaico o bien se puede trabajar con una potencia de refrigeracion reducida en el catodo del evaporador. En casos especiales, incluso se puede prescindir totalmente de una refrigeracion.
Con preferencia, la fuente de campo magnetico en forma de anillo esta dispuesta de manera conocida en sf en un bloque de soporte, en particular en un bloque de soporte de cobre y para la limitacion de la descarga del arco voltaico sobre la superficie de evaporacion del catodo esta previsto un aislamiento-BN entre el bloque de soporte y el catodo.
El bloque de soporte puede comprender en este caso para el encendido y para el mantenimiento de la descarga del arco voltaico un anodo primario, pudiendo estar aislado el anodo primario electricamente contra el bloque de soporte, pero en otro ejemplo de realizacion no tiene que estar aislado forzosamente electricamente contra el bloque de soporte.
Para en encendido y el mantenimiento de la descarga del arco voltaico, el aislamiento-BN puede estar en contacto con el catodo, una disposicion que se conoce en sf a partir del estado de la tecnica.
Para conseguir un encendido mejorado del arco voltaico, la fuente de evaporacion del arco voltaico puede comprender para el encendido de la descarga del arco voltaico una instalacion de disparo pivotable, que esta dispuesta especialmente movil linealmente y/o giratoria.
La invencion se refiere, ademas, a una camara de evaporacion del arco voltaico, que comprende una fuente de evaporacion del arco voltaico de acuerdo con la invencion, como se ha descrito mas arriba y se describe en detalle a continuacion con la ayuda de las figuras.
Como se conoce en principio a partir del estado de la tecnica, el cuerpo del catodo de una fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico de acuerdo con la invencion y la camara de evaporacion de arco voltaico propiamente dicha pueden estar conectadas con una unidad de suministro de energfa electrica, estando conectada la camara de evaporacion de arco voltaico electricamente como anodo con respecto al catodo.
Tambien la camara de evaporacion de arco voltaico puede estar conectada electricamente de una manera conocida en sf por el tecnico a traves de una resistencia electrica con un anodo primario aislado electricamente del bloque de soporte o un anodo primario aislado electricamente del bloque de soporte esta conectado con un polo positivo de una unidad auxiliar de suministro electrico, estando conectada la camara de evaporacion de arco voltaico con un polo negativo de la unidad auxiliar de suministro electrico.
La unidad de suministro de energfa electrica y/o la unidad auxiliar de suministro electrico pueden ser en este caso una fuente de energfa de tension continua electrica, pudiendo ser en otro ejemplo de realizacion la unidad de suministro de energfa electrica y/o la unidad auxiliar de suministro electrico una fuente de energfa electrica de impulsos o cualquier otra fuente de en energfa electrica adecuada.
Los parametros habituales para el funcionamiento de la fuente de arco voltaico de acuerdo con la invencion en el modo continuo DC son tensiones de funcionamiento de la fuente de energfa en el intervalo de 10 - 600 V y corrientes en el intervalo de 30 a 500 A. En el caso de que se trabaje con descargas de impulsos, se pueden aplicar corrientes de impulsos hasta algunos 1000 A, de tal manera que la refrigeracion de la fuente es suficiente para refrigerar todavfa la energfa media en el tiempo. Las frecuencias de los impulsos de la fuente de energfa pueden estar en el intervalo de algunos Hz hasta algunos 10 kHz. La fuente auxiliar es accionada con parametros similares.
Las presiones de trabajo, en las que se emplean los evaporadores, se extienden desde alto vacfo hasta 50 Pa.
A continuacion se explica en detalle la invencion con la ayuda del dibujo esquematico. En este caso:
La figura 1 muestra un primer ejemplo de realizacion de una fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico de acuerdo con la invencion.
La figura 2a muestra una vista trasera de una fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico con una pluralidad de imanes permanentes.
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La figura 2b muestra una seccion a lo largo de la lmea de interseccion I-I segun la figura 2a.
La figura 3 muestra un ejemplo de realizacion de acuerdo con la invencion de una fuente de evaporacion en vado de arco voltaico con anillo de correccion magnetica.
La figura 4 muestra una vista trasera de otro ejemplo de realizacion segun la figura 3 con una pluralidad de imanes permanentes.
La figura 5 muestra un ejemplo de realizacion con aislamiento-BN.
La figura 6 muestra una camara de evaporacion de arco voltaico con una instalacion de disparo pivotable.
La figura 7 muestra una camara de evaporacion de arco voltaico con anodo primario y resistencia.
La figura 8 muestra un ejemplo de realizacion segun la figura 8 y unidad de suministro auxiliar.
La figura 9 muestra una primera camara de evaporacion de arco voltaico con varias fuentes de evaporacion de arco voltaico.
La figura 10 muestra una segunda camara de evaporacion de arco voltaico con varias fuentes de evaporacion de arco voltaico.
En la figura 1 se representa de forma esquematica en la seccion un primer ejemplo de realizacion sencillo de una fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico de acuerdo con la invencion, que se designa a continuacion, en general, con el signo de referencia 1, en el estado de montaje en una camara de evaporacion de arco voltaico de acuerdo con la invencion.
La fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico de acuerdo con la invencion 1 comprende una fuente de campo magnetico 2 en forma de anillo y un cuerpo de catodo 3 con un material de evaporacion 31 como catodo 32 para la generacion de una descarga de arco voltaico sobre una superficie de evaporacion 33 del catodo 32. El cuerpo del catodo 3 esta limitado en una primera direccion axial por un fondo de catodo 34 y en una segunda direccion axial por la superficie de evaporacion 33 en direccion axial. La fuente de campo magnetico 2 en forma de anillo esta polarizada en paralelo o bien antiparalelo a una normal superficial 300 de la superficie de evaporacion 33 y esta distanciada concentricamente a la normal superficial 300 de la superficie de evaporacion 33 a una primera distancia A1 predeterminada sobre un lado del cuerpo del catodo 3 que esta alejado del fondo del catodo 34. De acuerdo con la presente invencion, un anillo de amplificacion del campo magnetico 4 esta dispuesto sobre untado alejado de la superficie de evaporacion 33 a una segunda distancia A2 predeterminada delante del fondo del catodo 34.
Un diametro interior DI del anillo de amplificacion del campo magnetico 4 tiene en este caso aproximadamente 3 %, en particular hasta 10 %, con preferencia hasta 15 %, en particular hasta 50 % o mas del 50 % de un diametro del catodo 32. Por lo tanto, si se utiliza un catodo 32 con un diametro de 100 mm, entonces el diametro interior DI del anillo de amplificacion magnetica 4 tiene, por ejemplo, 3 mm, en particular hasta 10 mm, con preferencia hasta 15 mm y especialmente hasta 50 mm o mas.
La anchura B del anillo de amplificacion del campo magnetico 4 puede ser aproximadamente 2 %, en particular hasta 5 %, con preferencia hasta 10 % o mas el 10 % de un diametro del catodo 32. Si se parte de nuevo de un catodo 32 con un diametro de 100 mm, por lo tanto, la anchura B del anillo de amplificacion magnetica 4 puede ser, por ejemplo, 2 mm, en particular hasta 5 mm, y con preferencia hasta 10 mm o mas.
La geometna concreta del anillo de amplificacion magnetica 4 puede depender en este caso de los requerimientos especiales planteados al cometido de recubrimiento concreto, a la geometna y/o al tamano de las disposiciones de recubrimiento, del material del catodo o de otras variables que influyen en el proceso de recubrimiento.
La fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico esta montada en este caso de manera conocida en sf en una camara de evaporacion de arco voltaico 10 y esta provista para la refrigeracion con un sistema de refrigeracion 6 que, como se indica por medio de flechas 600, es atravesado por la corriente de agua de refrigeracion 600 para la refrigeracion. El campo magnetico generado en comun por la fuente de campo magnetico 2 y el anillo de amplificacion de campo magnetico 4 esta simbolizado en una representacion esquematica simplificada a traves de las lmeas de campo magnetico 300, que reproducen la geometna real el campo magnetico y que influyen, por ejemplo, en el movimiento de los electrones 6.
En la figura 2a se representa una vista trasera, es decir, una dista sobre el fondo del catodo 34 de una fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico, en la que el anillo de amplificacion magnetica 4 esta formado esencialmente por una pluralidad de imanes permanentes 40. Los imanes permanentes 40 del anillo de amplificacion del campo magnetico 4 esta dispuestos en este caso sobre el lado alejado de la superficie de evaporacion 33 a una segunda distancia A2 predeterminable delante del fondo del catodo 34 y estan alineados esencialmente con respecto a su polarizacion magnetica paralelos o antiparalelos a la normal superficial 300. Se entiende que, por ejemplo, todos los
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iimanes permanentes 40 pueden estar alineados o bien paralelos o antiparalelos con respecto a las superficies 300, o que una parte de los manes permanentes 40 puede estar alineada paralela y otra parte d los manes permanentes 40 puede estar alineada antiparalela con respecto a la normal superficial 300, por ejemplo para realizar geometnas especiales el campo magnetico en la zona del cuerpo del catodo 3.
Se entiende, ademas, que tanto el anillo de amplificacion del campo magnetico 4 y/o el anillo de correccion magnetica 5 y/o la fuente de campo magnetico 2, pueden estar formadas por un anillo ferntico o un anillo ferromagnetico o un anillo no-magnetico, sobre el que estan dispuestos, por ejemplo, una pluralidad de manes permanentes (20, 40, 50) alineados paralelos a la normal superficial 300, de manera que esta claro que tambien puede faltar el anillo ferntico o el anillo ferromagnetico o el anillo no-magnetico.
En un ejemplo de realizacion importante para la practica, por ejemplo el anillo de amplificacion magnetica 4 esta formado por un anillo ferntico, sobre el que estan dispuestos a distancia de 120° tres manes permanentes 40.
Lo dicho anteriormente se aplica evidentemente tambien a disposiciones posibles de los manes permanentes 20 de la fuente de campo magnetico 2 en forma de anillo y a los manes permanentes 50 del anillo de correccion magnetica 5, que se describen mas adelante todavfa con mas detalle.
Para la ilustracion se representa en la figura 2b una seccion a lo largo de la lmea de interseccion I-I a traves del cuerpo del catodo 3 segun la figura 2a. Se puede ver la fuente de campo magnetico 2 en forma de anillo, que esta dispuesta directamente por encima de la superficie de evaporacion 33 concentricamente a la normal superficial 3. En el ejemplo de la figura 2b, la fuente de campo magnetico 2 en forma de anillotes un man anular 2. Se entiende que en otro ejemplo de realizacion el man anular 2 puede estar formado tambien de varios manes anulares 2 individuales y/o se puede realizar a traves de un electroiman 2.
El anillo de amplificacion del campo magnetico 4 comprende un anillo de soporte 400 magnetico o no magnetico, en el que los manes permanentes 40 estan previstos con preferencia de forma desprendible, de manera que estos se pueden sustituir comodamente o bien de acuerdo con el requerimiento se puede variar el numero total de los manes permanentes 40, de manera que se puede variar muy facilmente el espesor y/o la geometna del campo magnetico provocado por el anillo de amplificacion magnetica 4.
En la figura 3 se representa otro ejemplo de realizacion de acuerdo con la invencion especialmente importante en la practica con un anillo de correccion magnetica 5 parcialmente en seccion. La fuente de campo magnetico 2 en forma de anillo esta distanciada a una distancia A1 de la superficie de evaporacion 33 del catodo 3. El anillo de correccion magnetica 5 esta emplazado a una distancia A3 un poco mas cerca el fondo del catodo 34 que el anillo de amplificacion magnetica 4, que esta distanciado a una distancia A2 un poco mayor desde el fondo del catodo 34. En este caso, estan presentes unos medios conocidos en sf por el tecnico, no representados en detalle, que permiten modificar las distancias A1, A2, y A3 de manera adecuada segun los requerimientos.
En el ejemplo de la figura 3, la fuente de campo magnetico 2, el anillo de amplificacion magnetica 4 y el anillo de correccion magnetica 5 estan polarizados magneticamente en el mismo sentido con respecto a la normal superficial 300. Se entiende que los anillos magneticos mencionados anteriormente pueden estar dispuestos en otros ejemplos de realizacion tambien en cualquier otra combinacion adecuada con respecto a la normal superficial 300. Esto se puede variar segun los requerimientos y se puede determinar, por ejemplo, a traves del espesor relativo de los manes 2, 4,5 utilizados y/o se puede determinar la disposicion geometrica especial con respecto al cuerpo del catodo 3 o a traves de otras especificaciones del aparato o de la tecnica del procedimiento.
La figura 4 muestra una vista trasera de otro ejemplo de realizacion segun la figura 3, en el que el anillo de amplificacion magnetica 4 y el anillo de correccion magnetica 5 estan formados por una pluralidad de manes permanentes 40, 50. En el ejemplo de la figura 4, el anillo de amplificacion magnetica 6 y el anillo de correccion magnetica 5 tienen la misma distancia desde el fondo del catodo 34.
En la figura 5 se representa de forma esquematica un ejemplo de realizacion, en el que el anodo 9 esta aislado electricamente a traves de un aislamiento-BN, es decir, a traves de una capa de aislamiento electrico, que contiene como componentes esencial bentonita, es decir, BN, contra un bloque de soporte 7 aislante de electricidad, que puede estar constituido, por ejemplo, de cobre. Esta disposicion con capa de BN se conoce en sf y sirve sobre todo para impedir en el estado de funcionamiento una diafoma del arco voltaico sobre el anodo 9 o bien el bloque de soporte 7. El anodo 9 puede servir en este caso para el encendido y el mantenimiento del arco voltaico durante un proceso de recubrimiento.
En el ejemplo de realizacion de la figura 6 se representa esquematicamente una camara de evaporacion de arco voltaico 10 con una instalacion de disparo 14 pivotable, en la que la instalacion de disparo 14 esta conectada sobre un potencial positivo electricamente como anodo contra los cuerpos de catodo 3 que estan en un potencial electrico negativo. La instalacion de disparo 14 sirve de manera conocida en sf para el encendido y el mantenimiento de un arco voltaico y, como se representa a traves de la flecha 141, es tanto pivotable alrededor de un eje de giro, como
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La figura 7 y la figura 8 muestran, respectivamente, un ejemplo de realizacion de una camara de evaporacion de arco voltaico de acuerdo con la invencion con anodo primario aislado. La camara de evaporacion de arco voltaico 10 esta conecta en ambos ejemplos con un polo positivo de una unidad de suministro de energfa 11 y el cuerpo de catodo 3 esta conectado con un polo negativo de la unidad de suministro de energfa 11. Es decir, que la camara de evaporacion de arco voltaico 10 esta conectada electricamente como anodo con respecto al cuerpo del catodo 3.
El anodo 9 esta realizado en cada caso como anodo primario 9 aislado electricamente del bloque de soporte 7. En este caso, en el ejemplo de la figura 7 el anodo primario 9 esta acoplado electricamente a traves de una resistencia electrica 12 con la camara de evaporacion de arco voltaico 10, mientras que en el ejemplo de realizacion de la figura 8, el anodo primario 9 esta acoplado a traves de una unidad auxiliar de suministro 13 de la manera representada conocida en sf con la camara de evaporacion de arco voltaico 10.
Para este tipo de disposicion electrica del bloque de soporte 7, la unidad de suministro de energfa 11 y el anodo primario 9 es esencialmente que se establezca una separacion de potencial entre la camara de evaporacion de arco voltaico 10 y el anodo 9, para que se creen un anodo primario 9 y un anodo secundario, estando formado el anodo secundario por la propia camara de evaporacion de arco voltaico 10.
Se entiende que se puede realizar una separacion de potencial entre el anodo primario y la camara de evaporacion de arco voltaico 10 tambien porque la unidad auxiliar de suministro 13 o bien la resistencia electrica 12 estan dispuestas entre el bloque de soporte 7 y la camara de evaporacion de arco voltaico 12, de manera que el anodo primario 9 este entonces en conexion electrica con el bloque de soporte 7 o bien el bloque de soporte 7 forma o comprende directamente el anodo primario 9.
En este caso, los principios teoricos y practicos para la conexion electrica entre la camara de evaporacion de arco voltaico 10 y la fuente de evaporacion en vacfo de arco voltaico 9 son conocidos por el tecnico en sf y, por lo tanto, no es necesario describirlos mas en detalle en este lugar.
En la figura 9 y en la figura 10 se representan de forma ejemplar todavfa dos ejemplos de realizacion especiales de camaras de evaporacion de arco voltaico de acuerdo con la invencion. En este caso se describe de forma ejemplar especialmente la disposicion de las polaridades de evaporadores individuales para el caso en el que carios evaporadores estan montados en la camara de evaporacion de arco voltaico 10.
Con la ayuda de la figura 9 y de la figura 10 se puede demostrar en este caso de manera especialmente grafica la interaccion entre las lmeas de campo magneticas en presencia de varias fuentes de evaporacion de arco voltaico 1 en una y la misma camara de evaporacion de arco voltaico 10. Segun los requerimientos planteados al cometido de recubrimiento concreto, puede ser mejor adecuada, por ejemplo, la variante segun la figura 9 o segun la figura 10. Se entiende que, naturalmente, tambien otras disposiciones de fuentes de evaporacion de arco voltaico 1 de acuerdo con la invencion en una camara de evaporacion de arco voltaico 10 estan comprendidas por la invencion.
La figura 9 muestra una disposicion con una primera camara de evaporacion de arco voltaico 10 con varias fuentes de evaporacion de arco voltaico 1, que conduce fuentes de evaporacion de arco voltaico 1 opuestas a una amplificacion de campo transversalmente a traves de la camara de evaporacion de arco voltaico 10. Con preferencia, las fuentes de evaporacion de arco voltaico 1 dispuestas debajo segun la representacion estan dispuestas alternando con respecto a su polaridad. A traves de la disposicion de las fuentes de campo magnetico 2 con polaridad alterna (por ejemplo el polo-N esta frente al polo-S), se conectan lmeas de campo magnetico transversalmente a traves de la camara de evaporacion de arco voltaico 10. Esto conduce a una influencia favorable de la excitacion de gases reactivos en la proximidad de los sustratos a recubrir, que no se representan por razones de claridad en las figuras 9 y 10. A traves de la disposicion de la figura 9 se influye positivamente sobre la excitacion de gases reactivos en la proximidad de los sustratos a recubrir para el crecimiento de la capa.
Otra variante de una camara de evaporacion de arco voltaico 10 con varias fuentes de evaporacion de arco voltaico 1 se muestra en la figura 10. Aqrn los evaporadores 1 se encuentran en un plano alrededor de la camara 10. Esta disposicion alterna provoca que no aparezca una amplificacion del campo segun la figura 9 transversalmente a traves de la camara 10, sino que aparece un campo magnetico cerrado entre los evaporadores 1. Esta estructura es preferida cuando no es deseable una excitacion adicional de la reactividad de los gases de proceso en la proximidad de los sustratos, por ejemplo cuando deben separarse capas, en las que es deseable una porcion reducida de gases reactivos en las capas.
Se entiende que los ejemplos de realizacion descritos solo deben entenderse de forma ejemplar y la zona de proteccion no esta limitada a las forma de realizacion descritas explfcitamente. En particular, cualquier combinacion adecuada de ejemplos de realizacion esta comprendida de la misma manera por la invencion.
En este caso, una fuente de evaporacion de arco voltaico de acuerdo con la invencion se puede emplear de multiples maneras para el recubrimiento de las mas diferentes piezas de trabajo. Utilizando loa fases reactivos
habituales, por ejemplo, para la fabricacion de capas de nitruro, de carburo, de carbonitruro o de oxinitruro, as^ como para la fabricacion de capas de oxido o de capas de carbo-oxinitruro o de todas las otras capas, que se pueden fabricar con ventaja con la fuente de evaporacion de arco voltaico.
A continuacion se muestran algunos metodos practicos para el ajuste de los campos magneticos de acuerdo con el 5 cometido de la evaporacion.
La fuente de campo magnetico en forma de anillo posibilita a traves de la construccion maciza de la placa de soporte con taladros para la mecanizacion una seccion del numero de los imanes as^ como para la fijacion de su posicion A1 relativa. Entonces se atornilla un anodo, dado el caso, sobre los taladros.
El anillo de amplificacion del campo magnetico asf como el anillo de correccion se pueden sustituir facilmente, 10 puesto que el espacio de construccion detras del fondo del catodo esta configurado libre.
Los anillos propiamente dichos estan constituidos con preferencia por imanes individuales, de manera que su numero y polaridad son regulables. Una regulacion de las distancias con respecto al fondo del catodo o bien entre sf se puede realizar con sistemas mecanicos de corredera o de sujecion sencillos.
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    REIVINDICACIONES
    1. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico, que comprende una fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo y un cuerpo de catodo (3) con un material de evaporacion (31) como catodo (32) para la generacion de una descarga de arco voltaico sobre una superficie de evaporacion (33) del catodo (32), en la que el cuerpo del catodo (3) esta limitado en una primera direccion axial por un fondo del catodo (34) y en una segunda direccion axial por la superficie de evaporacion (33) en direccion axial, y la fuente de campo magnetico en forma de anillo (2) esta polarizada paralela o antiparalela a una normal superficial (300) de la superficie de evaporacion (33) y esta dispuesta concentricamente a la normal superficial (300) de la superficie de evaporacion (33), en la que un anillo de amplificacion del campo magnetico (4) esta dispuesto sobre un lado alejado de la superficie de evaporacion a una segunda distancia predeterminada (A2) delante del fondo del catodo (34), caracterizada porque un diametro interior (DI) del anillo de amplificacion del campo magnetico (4) es aproximadamente 3 %, en particular hasta 10 %, con preferencia hasta 15 %, especialmente hasta 50 % de un diametro del catodo (32) y el anillo de amplificacion del campo magnetico comprende una pluralidad de imanes permanentes alineados esencialmente paralelos a la normal superficial.
  2. 2. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que la fuente de campo magnetica (2) esta dispuesta concentricamente a la normal superficial (300) de la superficie de evaporacion (33), de tal manera que la superficie de evaporacion (33) esta dispuesta entre un polo Norte y un polo Sur de la fuente de campo magnetico (2).
  3. 3. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que la anchura (B) del anillo de amplificacion del campo magnetico (4) es aproximadamente 2 %, en particular hasta 5 %, con preferencia hasta 10 % de un diametro del catodo (32).
  4. 4. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos un anillo de correccion magnetica (5) esta dispuesto sobre el lado alejado de la superficie de evaporacion (33) a una tercera distancia predeterminada (A3) delante del fondo del catodo (34).
  5. 5. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con la reivindicacion 4, en la que el anillo de correccion magnetica (5) esta polarizado paralelo o antiparalelo a la normal superficial y/o esta dispuesto concentricamente a la normal superficial (300).
  6. 6. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con la reivindicacion 4 o 5, en la que el anillo de amplificacion del campo magnetico (4) o el anillo de correccion magnetica (5) estan alineados no-concentricamente a la normal superficie (300) o el anillo de amplificacion del campo magnetico () o el anillo de correccion magnetica (5) tienen un area de la seccion trasversal de forma no-circular.
  7. 7. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con la reivindicacion 4, 5 o 6, en la que la fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo o el anillo de correccion magnetica (6) comprenden una pluralidad de imanes permanentes (20, 40, 50) alineados paralelos a la normal superficial (300).
  8. 8. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, en la que una intensidad del campo magnetico de la fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo o una intensidad de campo magnetico del anillo de amplificacion del campo magnetico (4) o una intensidad del campo magnetico del anillo de correccion magnetica (5) son variables o controlables o regulables, en particular en funcion del material de evaporacion (31) o del estado de combustion del catodo (32) o es controlable o regulable en funcion de otro parametro de la fuente de evaporacion en vado de arco voltaico.
  9. 9. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 8, en la que la fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo y/o el anillo de amplificacion del campo magnetico (4) y/o el anillo de correccion magnetica (5) estan polarizados del mismo tipo con relacion a la normal superficial (300).
  10. 10. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 9, en la que la fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo o el anillo de amplificacion del campo magnetico (4) o el anillo de correccion magnetica (5) estan polarizados opuestos con relacion a la normal superficial (300).
  11. 11. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 10, en la que la fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo o el anillo de amplificacion del campo magnetico (4) o el anillo de correccion magnetica (5) comprenden un iman de alta temperatura, en particular un iman de alta temperatura de SmCo.
  12. 12. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que la fuente de campo magnetico (2) en forma de anillo esta dispuesta en un bloque de soporte (7) y para la
    limitacion de la descarga del arco voltaico sobre la superficie de evaporacion (33) del catodo (32) entre el bloque de soporte (7) y el catodo (32) esta previsto un aislamiento-BN (8), estando realizado el bloque de soporte (7) especialmente de cobre.
    5 13.- Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la
    que el bloque de soporte (7) comprende para el encendido y el mantenimiento de la descarga del arco voltaico un anodo primario (9), y/o en la que el anodo primario (9) esta aislado electricamente contra el bloque de soporte (7).
  13. 14. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico de acuerdo con la reivindicacion 12, en la que para el 10 encendido y el mantenimiento de la descarga del arco voltaico el aislamiento-BN esta en contacto con el catodo (32).
  14. 15. - Fuente de evaporacion en vado de arco voltaico, que comprende una fuente de evaporacion de arco voltaico (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14.
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