WO1992003841A2 - Vorrichtung zur materialverdampfung mittels vakuumlichtbogenentladung und verfahren - Google Patents

Vorrichtung zur materialverdampfung mittels vakuumlichtbogenentladung und verfahren Download PDF

Info

Publication number
WO1992003841A2
WO1992003841A2 PCT/EP1991/001446 EP9101446W WO9203841A2 WO 1992003841 A2 WO1992003841 A2 WO 1992003841A2 EP 9101446 W EP9101446 W EP 9101446W WO 9203841 A2 WO9203841 A2 WO 9203841A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
anode
evaporation
container
pin
Prior art date
Application number
PCT/EP1991/001446
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO1992003841A3 (de
Inventor
Horst Ehrich
Brunhilde Hasse
Michael Mausbach
Original Assignee
Plasco Dr. Ehrich Plasma-Coating Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasco Dr. Ehrich Plasma-Coating Gmbh filed Critical Plasco Dr. Ehrich Plasma-Coating Gmbh
Publication of WO1992003841A2 publication Critical patent/WO1992003841A2/de
Publication of WO1992003841A3 publication Critical patent/WO1992003841A3/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055—Arc discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32532—Electrodes
    • H01J37/32614—Consumable cathodes for arc discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32623—Mechanical discharge control means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/332—Coating

Definitions

  • the invention relates to a device for material evaporation by means of vacuum arc discharge with a self-consuming cathode and a self-consuming hot anode, as well as a method for extending the service life of electrodes, a method for igniting the vacuum arc and a method for controlling the degree of ionization in this device for material evaporation for coating surfaces.
  • PVD process Many methods are known for producing coatings on surfaces using physical vapor deposition in a vacuum (PVD process).
  • plasma and ion-based PVD processes offer advantages over the classic vapor deposition processes with regard to the quality of the layers produced.
  • a greater adhesive strength of the coating on substrate surfaces and a greater compactness of the layer structure can be achieved.
  • the plasma-based processes open up the possibility of carrying out reactive coating processes.
  • the use of plasma-assisted methods for the surface coating of workpieces with wear-resistant hard material layers, such as titanium nitride, is already widespread.
  • the production of coatings on surfaces by means of plasma-assisted PVD processes essentially takes place in four process steps.
  • the plasma-based processes differ from classic vapor deposition technology in that the vapor deposition material is converted into the plasma state during the transport phase; A process gas is necessary for this in some processes.
  • a process gas is necessary for this in some processes.
  • the participation of high-energy neutral atoms and ions and possibly the influence of electrons and UV light improve the adhesion and structure of the coating produced.
  • a number of plasma-supported coating processes require a process gas above a pressure of approx. 10 -3 bar to generate the plasma.
  • This method includes cathode sputtering, ion plating and the use of low-voltage arcs with a hot cathode (US Pat. No. 4,197,157) or a hollow cathode (US Pat. No. 3,562,141) separated from the vapor deposition chamber by a pressure stage.
  • This process gas offers advantages with regard to the ignitability, the discharge and also in the case of coatings where scattering of the coating material is desired during the transport phase. Another advantage of carrying out reactive coatings is that the process gas which maintains the discharge simultaneously serves as a reactant in the reactive coating.
  • a process gas during the transport and condensation phase is extremely unfavorable for many applications.
  • the process gas is education built into the layer and this leads to less compact and brittle layers.
  • a process gas undesirably influences the crystalline growth of the layers, which can lead, for example, to the undesired column structure of the layers.
  • vacuum arcs Ionized material vapors without the use of a process gas are generated in so-called vacuum arcs.
  • a vacuum arc is generally understood to mean a high-current discharge between electrodes arranged in a vacuum chamber.
  • a vacuum arc does not require any process gas supplied from outside to operate. This is replaced by electrode material that evaporates during sheet operation.
  • the types of vacuum arcs listed below, which differ in the different physical processes at the electrodes, are known.
  • FR-A-1,496,697 describes a device with a vacuum arc with a hot electron-emitting cathode, a so-called hot cathode, and a hot, evaporating anode.
  • the electrons emitted by the hot cathode are magnetically focused on a very small area of the anode of 0.25 mm.
  • an anodic evaporation occurs that an arc arises with the anode vapor as the fuel gas.
  • AM Dorodnov AN Kusnetsov and VA Petrosov: Sov. Phys. Letters, Vol. 5, No. 8, 418, 1979 is an arrangement with a cylindrical hot cathode and a self-consuming anode attached within this hot cathode.
  • An industrial use of these two vacuum arcs for coatings is not yet known.
  • Vacuum arcs with self-consuming cathode and cold inactive anode for generating ionized material vapors for coating purposes have long been known.
  • the basic mode of operation of such an arc evaporator is described in US Pat. No. 3,625,848.
  • the so-called cathode spots are a characteristic feature of the cathodic vacuum arc. These are randomly small foot points of the arc approach running around on the working surface of the cathode.
  • the high current concentration of 10 5 to 107 A / cm2 in these cathode spots leads to a strong material removal in the area of the cathode spots.
  • the vaporized and ionized cathode material serves as a fuel gas for maintaining the cathodic vacuum arc; the cathode material is also used for the production of coatings on surfaces.
  • a major disadvantage of this coating method is the formation of small molten droplets of material in the cathode spots. These molten droplets leave the cathode spots at high speed and are incorporated into the coating so that the coatings produced in this way consist of solidified metal droplets (DM Sanders: Journal of Vacuum Science and Technology A 7, No. 3, 2339, 1989).
  • DE 32 34 100 describes a device for the magnetic separation of neutral and charged particles, the workpiece being treated only with charged particles, ie metal ions. In this way, the unwanted metal droplets are kept away from the workpiece. Because of the large losses of vaporized material during the transport phase due to this separation process, this method is generally not economically viable.
  • DE 34 13 891 describes the closest prior art of the generic type to a plasma-assisted coating process by using vacuum arcs with a cold cathode and hot evaporating anode (anodic vacuum arc).
  • This anodic vacuum arc uses the cold cathode described above with the essential difference that the material eroded by the cathode is not used at all for coating purposes, so that the problem of metal droplets is avoided in principle. Rather, the electrons formed in the cathode spots and the arc discharge are used to heat a structured anode and then to evaporate the vaporized material connected to the anode. It is a variant of electron beam evaporation.
  • the electrons from the cathode spots not only evaporate the anode material, but at the same time convert the evaporating anode material into the plasma state desired for a coating by non-elastic collisions.
  • the anodic plasma also serves as fuel gas for the arc discharge.
  • the ionized metal vapor expanding from the self-consuming anode into the vacuum chamber does not contain any molten droplets and is used to coat surfaces, whereby this method avoids the essential disadvantage of the cathode vacuum arc.
  • participation of cathode material in the layer formation during the coating process by a protective shield surrounding the cathode is avoided.
  • the technical problem of the present invention results from the fact that only devices which are suitable for short-term operation of the arc discharge on a laboratory scale at relatively low currents below 150 A are known for carrying out coatings with the aid of the aforementioned anodic vacuum arc. Such devices are described in DE 34 13 891 and US 4,917,786. This short-term operation results from the fact that the material which are quickly used up and the service life is too short for industrial applications.
  • the operating time of the arc is limited by the fact that the high-melting anode material fixing the molten metal forms an alloy with the molten metal (liquid aluminum), resulting in a reduction in the service life of the active Anode material to 5 minutes.
  • the device proposed in DE 34 13 891 for igniting the anodic vacuum arc with the aid of a sliding spark is not practical because of the high voltage of over 20 kV required for safety reasons and because of the risk of flashovers on the electrical feedthroughs Suitable for operation.
  • the undesired but frequently occurring welding of the electrodes repeatedly requires interventions in the device and prevents the desired long-term operation of the arc discharge on an industrial scale.
  • Another technical problem that prevents long-term operation of the device is that the degree of ionization of the steam hitting the object has not been controlled so far, so that improved adhesive strengths may have had to be metallized several times with cooling sections inserted between them in order to achieve sufficient adhesive strength.
  • the invention is therefore based on the object of enabling long-term material evaporation, which is suitable for industrial use, while avoiding the disadvantages mentioned above.
  • Cathode (3) is surrounded by a temperature-resistant electrically insulating material (4), and this material
  • the device further contains an anode, consisting of a coolable anode support (7), to which the anode base plate (9) is fastened, a container being formed on the anode base plate (9) an electrically conductive, high-melting material (10, 12) for receiving the evaporation material.
  • the container (10, 12) on the anode base plate (9) consists of a ceramic material, preferably boron nitride.
  • the container (10, 12) preferably has a hole in its base plate through which an electrically conductive pin (13, 15) is guided, and this pin in the container protrudes so that the material (14) intended for evaporation is electrically connected to the pin.
  • This pin is preferably made of titanium diboride.
  • the pin (13, 15) may or may not protrude from the material (14) intended for evaporation.
  • several pins (13, 15, 17) can be present.
  • the pin (17) can also be present without a container, an electrical shield (16) being attached to the anode base plate (11) with a centrally arranged bore through which the pin (17) is guided .
  • the cathode (3) consists of an alloy with an easily evaporable component, preferably brass.
  • the cathode feed (1) also contains a thread to which the cathode (3) is fastened by means of a union nut (2).
  • a window (6a) is present in the outer electrically conductive jacket (6).
  • the container (10, 12) can be heated and preferably there can be a thermally insulating layer between the container (10, 12) on the anode and the anode base plate (9).
  • the object is further achieved by a method for extending the service life of electrodes during material evaporation by means of a vacuum arc discharge with a hot self-consuming anode and a cold self-consuming cathode, the service life of the cathode being extended in that it is covered by a cathode cover (6). is surrounded, which is so strongly heated by the arc discharge that the evaporating cathode material evaporates back to the working surface (3a) of the cathode, and the service life of the anode is extended by the fact that it is made of a heat-resistant, electrically insulating material in the form of a refillable container (10, 12) which is connected to the anode base plate (9) is.
  • the object is further achieved by a method for igniting a vacuum arc discharge with a cold self-consuming cathode and hot self-consuming anode, the working surface (3a) of the cathode (3) being surrounded by a temperature-resistant electrically insulating material (4), this insulating material ( 4) is surrounded by an outer, electrically conductive jacket (6), and said electrically insulating material (4) is provided on the front side with an electrically conductive layer (5), so that the cathode (3) and the jacket (6) are electrically connected to the layer (5) and the ignition takes place in such a way that a voltage is first applied between the anode and cathode, and that an ignition voltage of at least 18 V is then applied between the cathode (3) and the conductive jacket (6) , the conductive jacket (6) being switched as an auxiliary anode, whereupon between the working surface of the cathode (3a) and the conductive jacket ( 6) evaporation of part of the conductive layer (5) creates
  • the electrically conductive layer (5) is renewed by evaporation of the electrode material and its condensation on the end face of the temperature-resistant electrically insulating material (4).
  • the object of the invention is further achieved by a method for controlling the degree of ionization of the steam impinging on an object to be coated during surface coating by means of vacuum arc discharge with a self-consuming cold cathode and self-consuming hot anode, the linear current flow between the working surface of the cathode ( 3a) and the material to be evaporated at the anode (14) is hindered and the degree of ionization of the steam is controlled by the degree of obstruction.
  • the degree of ionization can be controlled by arranging a movable wall between the working surface (3a) of the cathode (3) and the material to be evaporated on the anode (14) and thus the straight-line current flow between the working surface of the cathode (3a) and the Evaporation material on the anode (14) is hindered.
  • the degree of ionization can also be controlled by moving the electrodes towards or away from one another.
  • the cathode is surrounded by a rotatable cathode cover (6) into which a window (6a) is inserted and the degree of ionization of the steam is controlled by rotating this cathode cover (6).
  • the window (6a) let into the cathode cover (6) is moved after the anodic vacuum arc has been ignited in such a way that there is none between the anode and cathode spots on the work surface (3a) If there is a straight line connection through the window (6a), the evaporation rate from the anode drops while the arc current is kept constant. At the same time, the burning voltage dropping over the arc increases and the relative proportion of ions in the vapor (degree of ionization rises sharply). This effect is shown in Table 1 below for an anodic vacuum bend with copper as anodis.chem evaporation material.
  • the table contains from left to right the angle of rotation of the window (6a) in Figure 1 from the straight line of sight between the cathode surface (3a) and anode crucible (10) about an axis parallel to the plane of the drawing, the growth rate of the copper layer on a substrate at a distance of 30 cm from the anode, the degree of ionization at the location of the substrate, the operating voltage of the arc and the current intensity of the arc.
  • Table 1 Dependency of the evaporation rate on the anode of the burning voltage and the degree of ionization with a changed angle of rotation of the window (6a) and constant arc current.
  • the present invention has the particular advantage that the long-term operation of the anodic vacuum arc in an industrial application for material vaporization at current intensities above 150 A leads to a uniform, controllable and reproducible generation of ionized material vapor at the anode, and further this Long-term operation is made possible by extending the service life of the electrodes and reliably and quickly igniting the anodic vacuum arc without moving electrodes or auxiliary electrodes and without using high voltage, in particular while avoiding welding of both electrodes.
  • FIG. 1 shows a vertically arranged cathode with a horizontally supplied anode
  • Figure la shows a perspective view of a cathode cover
  • Figure 2 shows two possible versions of the electrical supply
  • FIG. 3 shows an anode construction with an electrically non-conductive crucible and an electrical contacting of the material to be evaporated by a pin guided through the crucible bottom
  • FIG. 4 shows an anode corresponding to FIG. 3 in connection with a horizontally arranged cathode
  • FIG. 5 shows an anode corresponding to FIG. 3 with an evaporation pin
  • Figure 6 shows an anode for crucible evaporation of materials
  • FIG. 7 shows a coaxial cathode construction with an anode corresponding to FIG. 3.
  • FIG. 1 a vertically installed cathode and a horizontally arranged anode are shown.
  • the cylin ⁇ symmetrical cathode consists of a cooled cathode supply (1) including the sealing surface and Sealing ring for receiving the consuming cathode disk (3), a union nut (2) for holding this cathode disk and a tube made of electrically insulating and thermally resilient material (4) and a cathode cover (6) placed on this union nut.
  • the cathode disc (3) is consumed by the action of the cathode spots on the cathode work surface (3a) during arc operation and can be easily replaced with the aid of the union nut. Direct cooling of the cathode disc reduces cathode erosion and thus increases the service life of the cathode.
  • the cathode cover prevents the workpiece to be coated from being fogged with cathode material, and a window (6a) in the side of the cathode cover ensures the current flow between cathode and anode.
  • the anode consists of a coolable anode support (7) with a sealing surface and sealing ring, a union nut (8) for fastening the anode base plate (9) and a crucible made of an electrically conductive, high-melting material that receives the material to be evaporated (10).
  • This electrode design enables the arc to be ignited more easily without moving the electrodes.
  • the front face of the insulation tube (4) must be metallized for ignition. This metallization (5) must be applied by a previous metallization when the insulation tube is first used.
  • the sheet supply device is first switched on so that its open circuit voltage is present between the cathode and the anode (connections A and B in FIG. 1). Both electrodes must be electrically insulated from the vacuum vessel. Then between the cathode (3) and cathode cover (6) Auxiliary voltage applied (connection C). This can be found in a separate power supply unit (U2) or the arc supply device U1 (cf. FIG. 2). The end face of the insulation tube creates a conductive connection between the cathode and the cathode cover. As soon as the auxiliary voltage is switched on, a flashover occurs at a favorable point on the end face of the insulation tube and the cathode spots spontaneously appear on the working surface of the cathode.
  • a cathodically determined vacuum arc is created between the working surface of the cathode (3a) and the cathode cover (6) as an auxiliary anode.
  • the material to be evaporated which is connected to the anode, is heated by electron bombardment and begins to evaporate.
  • the heating time is significantly influenced by the anode position relative to the window (6a) in the cathode cover and by the no-load voltage initially present.
  • a high open circuit voltage leads to an increase in the energy of the electrons hitting the anode and thus to faster heating.
  • the ignition arc can be switched off and the ignition process is then ended.
  • the metallization (5) of the insulation tube (4) is always renewed automatically, so that the ignition can be repeated as often as desired.
  • the service life of the cathode is favorably influenced if the part of the cathode cover (6) which is acted upon by cathode material becomes so hot during arc operation that the incoming cathode material evaporates again.
  • This behavior is, for example, with cathode disks (3) made of alloys, preferably of brass, to achieve, whereby a union nut (2) made of stainless steel ensures that the cathode spots are fixed on the work surface (3a).
  • the zinc released from the cathode is evaporated back from the cathode cover at a relatively low wall temperature. This re-evaporation considerably reduces the cathode erosion caused by the cathode spots and thus increases the service life of the cathode.
  • Figure la shows a perspective view of a cathode cover (6) with the window (6a).
  • FIGS. 2a and 2b show two examples of the electrical supply for igniting and operating the anodic vacuum arc.
  • the respective electrical connection is made by connecting points A, B and C.
  • Point A represents the electrical connection to the anode, B to the cathode and C to the auxiliary anode.
  • the auxiliary anode can be electrically connected to the vacuum chamber.
  • the cathode cover (6) also serves as an auxiliary anode and is connected via the switching element (20) and a switch (21) to the anode-side output of the supply devices U1 or U2.
  • the switching element (20) can be an electrical resistance of 0.1 to 1.0 ohm or an inductance of at least 1 mH and an electrical resistance of 0.1 to 1.0 ohm.
  • the resistor decouples the anode from the auxiliary cathode, so that the ignition arc is transferred from the auxiliary anode to the anode.
  • the auxiliary anode can be electrically separated from the supply device using the switch (21).
  • An inductive component in the switching element (20) favors the ignition of the arc to the auxiliary anode when evaporating the thin conductive layer (5) on the insulator (4) when the electrical current between the cathode and auxiliary anode is switched on.
  • FIG. 2a shows the circuit in which only one supply device (U1) is required to ignite and operate the anodic vacuum arc.
  • FIG. 2b has an additional supply device (U2) in the ignition circuit, which supplies the current for the discharge between the cathode and auxiliary anode.
  • U2 additional supply device
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the anode.
  • An anode base plate (11) is attached to a coolable supply line (7) by means of a union nut (8). This
  • Anode base plate carries an anode crucible (12) made of an electrically non-conductive, heat-resistant material.
  • This can preferably be a ceramic material.
  • the evaporation material (14) is located in the crucible (12) and is electrically connected to the anode base plate (11) via an electrically conductive pin (13).
  • FIG. 4 shows an arrangement in which the anode from FIG. 3 is juxtaposed with a horizontally installed cathode.
  • This cathode is designed and labeled in accordance with the cathode in FIG. 1.
  • the current flows through an end window (6c), in the cathode cover (6b), which in turn has the function of an auxiliary anode and shields the object to be steamed from cathode splashes.
  • the current flow to the anode takes place via the electrically conductive material to be evaporated.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the anode from FIG. 3.
  • the contact pin (15) protrudes over the surface of the evaporation well out.
  • DE-OS 32 39 131 describes a method for thermal metal evaporation, liquid metal being supplied from a crucible by wetting a partially immersed, resistance-heated evaporator.
  • This contact pin (15) consists of a material which is heavily wetted by the molten material to be evaporated during the operation of the anodic vacuum arc. As a result of this wetting, the evaporation material creeps up against the force of gravity on the hot contact pin and is mainly evaporated from the hot tip of the contact pin.
  • the arc shows the property of placing the anodic approach in places with low energy losses; this is the tip of the contact pin for the anode in FIG. Vaporizing material is continuously tracked to the evaporation point at the tip by wetting the contact pin.
  • the pin (15) acts simultaneously as a contact and an evaporation pin. It goes without saying that such an anode according to FIG. 5 can also be formed with a spatially separated contact and evaporation rod.
  • the embodiment of the anode in FIG. 5 can be used, for example, for the evaporation of aluminum. Boron nitride is then to be used as the crucible material (12), and titanium diboride is particularly suitable as the contact and evaporation pin (15). Both materials are not attacked by molten aluminum, which results in a very long service life at the anode when aluminum is evaporated. Evaporation of aluminum-containing alloys, such as aluminum bronze, with 92% by weight copper and 8% by weight aluminum from this anode is also possible. Since the vaporized material (14) which is molten during operation only serves as a supply for a predetermined operating time, the capacity of the crucible (12) can be very large become.
  • the crucible can be heated by a heat source that is independent of the arc.
  • thermal insulation can be applied between the anode crucible (12) and the anode base plate (11).
  • FIG. 6 shows an anode construction which is suitable for the crucible-free evaporation of materials.
  • the material to be evaporated (17) is attached to the cooled anode base plate (11) in the form of a rod.
  • a shield (16) prevents the anode base plate and the union nut (8) from being exposed to evaporated material. Evaporation takes place as a result of the anode attachment at the tip of the rod, which consequently must consist of an electrically conductive material.
  • This anode construction is preferably suitable for the evaporation of materials whose temperature required for the evaporation is below or slightly above the respective melting point.
  • the material to be evaporated is sublimated, as is the case, for example, with the metal chromium; in the second case, with a suitable geometry of the rod (17), such a temperature profile can form inside the rod that the evaporation from a flat surface Melt pool at the upper end of the rod (17) takes place without the rod being destroyed by large-volume melting. It is possible, for example, to vaporize nickel or molybdenum with this arrangement.
  • FIG. 7 shows a coaxial electrode configuration in which an anode according to FIG. 3 is surrounded by an annular cathode construction.
  • the cathode contains a cooled feed (1), a cathode material (3) with an beitsflache (3a), an electrically insulating material (4) with a metallized end face (5) and an auxiliary anode (6, 6d).
  • the inner wall of the cathode is provided with a shield (18) from the anode. This can be designed, for example, as an electrically insulated metal cylinder.
  • the shield (19) prevents an object to be steamed from being sprayed with from the cathode spots and at the same time serves to re-evaporate cathode material.
  • This cathode can surround the anode as a closed ring or as a ring segment. In the latter case, the evaporation material (14) can be accommodated in the remaining cathode section.
  • This electrode configuration enables a particularly long service life of the cathode, since, owing to the coaxial cathode structure, a great deal of cathode material which is consuming can be arranged in the vicinity of the anode. It is particularly advantageous if the used cathode material does not have to be tracked by mechanical movement, but rather surrounds the anode as a supply.
  • the electrode arrangements shown have only exemplary character.
  • a device is also conceivable in which a cathode from FIG. 1 is operated with an anode from FIG. 5 or 6.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Materialverdampfung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit einer selbstverzehrenden Kathode und einer selbstverzehrenden heißen Anode in einer Unterdruckkammer sowie ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Elektroden bei der Materialverdampfung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit heißer selbstverzehrender Anode und kalter selbstverzehrender Kathode, ein Verfahren zur Zündung einer Vakuumlichtbogenentladung mit kalter selbstverzehrender Kathode und heißer selbstverzehrender Anode sowie ein Verfahren zur Steuerung des Ionisationsgrades des auf ein zu beschichtendes Objekt auftreffenden Dampfes bei der Oberfächenbeschichtung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit selbstverzehrender kalter Kathode und selbstverzehrender heißer Anode.

Description

"Vorrichtung zur Materialverdampfuncr mittels Vakuumlichtbocrenentladunα und Verfahren"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialver- dampfung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit einer selbstverzehrenden Kathode und einer selbstverzehrenden heißen Anode sowie ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Elektroden, ein Verfahren zur Zündung des Vakuumlichtbogens und ein Verfahren zur Steuerung des Ionisationsgrades in dieser Vorrichtung zur Materialver¬ dampfung für die Beschichtung von Oberflächen.
Zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen mit Hilfe der physikalischen Dampfabscheidung im Vakuum (PVD-Verfahren) sind viele Methoden bekannt.
In den letzten Jahren hat man erkannt, daß plasma- und ionengestützte PVD-Verfahren gegenüber den klassischen Aufdampfverfahren Vorteile bieten hinsichtlich der Qualität der erzeugten Schichten. Insbesondere lassen sich durch Anwendung der plasma- und ionengestützten Verfahren eine größere Haftfestigkeit der Beschichtung auf Substratoberflächen sowie eine größere Kompaktheit des Schichtaufbaus erzielen. Darüber hinaus eröffnen die plasmagestützten Verfahren aufgrund der hohen chemischen Reaktionsbereitschaft von Plasmen die Möglichkeit, reaktive Beschichtungsprozesse durchzuführen. Weit ver¬ breitet ist bereits der Einsatz plasmagestützter Ver¬ fahren bei der Oberflächenvergütung von Werkstücken mit verschleißfesten Hartstoffschichten, wie Titannitrid.
Die Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen mittels plasmagestützter PVD-Verfahren erfolgt im wesentlichen in vier Verfahrensschritten. Der Überführung des Ver¬ dampfungsgutes in den dampfförmigen Zustand durch Auf- heizen oder Ionenbeschuß, dem Transport des Material¬ dampfes vom Verdampfungsgut zur Substratoberfläche bei reduziertem Umgebungsdruck, der Überführung des Material¬ dampfes während dieser Transportphase in den Plasmazu- stand (unter Umständen unter Anwendung eines Prozeßgases) und der Kondensation des Materials aus dem Plasmazustand auf die Substratoberfläche.
Die plasmagestützten Verfahren unterscheiden sich von der klassischen Aufdampftechnik durch die Überführung des Aufdampfmaterials in den Plasmazustand während der Trans¬ portphase; hierzu ist bei einigen Verfahren ein Prozeßgas notwendig. Bei der Kondensation aus dem Plasmazustand verbessert die Beteiligung von energiereichen neutralen Atomen und Ionen und möglicherweise der Einfluß von Elek¬ tronen und UV-Licht die Haftung und Struktur der erzeugten Beschichtung. Eine Reihe von plasmagestützten Beschich- tungsverfahren benötigen zur Erzeugung des Plasmas ein Prozeßgas oberhalb eines Druckes von ca. 10 —3 bar. Zu diesem Verfahren zählen die Kathodenzerstäubung, das Ionenplattieren und die Verwendung von Niedervoltbögen mit einer in einer vom Aufdampfraum durch eine Druσkstufe getrennten Glühkathode (US 4,197,157) oder einer Hohl¬ kathode (US 3,562,141).
Dieses Prozeßgas bietet Vorteile hinsichtlich der Zünd- barkeit, der Entladung sowie bei Beschichtungen, wo eine Streuung des Beschichtungsmaterials während der Transport¬ phase erwünscht ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Durchführung von reaktiven Beschichtungen dadurch, daß das die Entladung aufrecht haltende Prozeßgas gleich¬ zeitig als Reaktionspartner bei der reaktiven Beschichtung dient.
Für viele Anwendungen jedoch ist die Anwesenheit eines Prozeßgases während der Transport- und Kondensationsphase äußerst ungünstig. Das Prozeßgas wird während der Schicht- bildung in die Schicht eingebaut und dies führt zu wenig kompakten und spröden Schichten. Weiterhin beeinflußt ein Prozeßgas in unerwünschter Weise das kristalline Wachstum der Schichten, was zum Beispiel zur Förderung der uner- wünschten Säulenstruktur der Schichten führen kann.
Schließlich begrenzt die Verwendung eines Prozeßgases den zur Beschichtung geeigneten Bereich auf den eigentlichen Entladungsraum oder dessen nahe Umgebung. Außerhalb des Entladungsraumes erfolgt durch Stoßprozesse eine schnelle Rekombination des Plasmas, so daß hier kein plasmage¬ stützter Beschichtungsprozeß mehr stattfinden kann.
Ionisierte Materialdämpfe ohne Anwendung eines Prozeß- gases werden in sogenannten Vakuumlichtbögen erzeugt. Allgemein wird unter einem Vakuumlichtbogen eine strom¬ starke Entladung zwischen in einer Unterdruckkammer ange¬ ordneten Elektroden verstanden. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Entladungen benötigt ein Vakuumlichtbogen zum Betrieb kein von außen zugeführtes Prozeßgas. Dieses wird ersetzt durch während des Bogenbetriebes abdampfendes Elektrodenmaterial. Bekannt sind die im folgenden aufge¬ führten Typen von Vakuumlichtbögen, die sich durch die unterschiedlichen physikalischen Vorgänge an den Elektro- den unterscheiden.
In der FR-A-1,496,697 wird eine Vorrichtung mit einem Vakuumlichtbogen mit heißer elektronenemittierender Kathode, einer sogenannten Glühkathode, und heißer, ver- dampfender Anode beschrieben. Die von der Glühkathode emittierten Elektronen werden magnetisch auf einen sehr kleinen Bereich der Anode von 0,25 mm fokussiert. In¬ folge der starken Fokussierung tritt so starke anodische Verdampfung ein, daß ein Lichtbogen entsteht mit dem Anodendampf als Brenngas. Weiterhin bekannt aus A.M. Dorodnov, A.N. Kusnetsov und V.A. Petrosov: Sov. Phys. Letters, Vol. 5, No. 8, 418, 1979 ist eine Anordnung mit zylindrischer Glühkathode und einer innerhalb dieser Glüh¬ kathode angebrachten sich selbst verzehrenden Anode. Ein industrieller Einsatz dieser beiden Vakuumlichtbögen für Beschichtungen ist bisher nicht bekannt.
Vakuumlichtbögen mit selbstverzehrender Kathode und kalter inaktiver Anode zur Erzeugung ionisierter Materialdämpfe für Beschichtungszwecke sind bereits seit langem bekannt. Die grundlegende Wirkungsweise eines solchen Lichtbogen¬ verdampfers beschreibt die US 3,625,848. Charakte¬ ristisches Merkmal des kathodischen Vakuumbogens sind die sogenannten Kathodenflecke. Dies sind regellos auf der Arbeitsfläche der Kathode umherlaufende kleine Fußpunkte des Lichtbogenansatzes. Die hohe Stromkonzentration von 10 5 bis 107 A/cm2 in diesen Kathodenflecken führt zu einer starken Materialabtragung im Bereich der Kathodenflecke.
Das verdampfte und ionisierte Kathodenmaterial dient einmal als Brenngas für den Erhalt des kathodischen Vakuumbogens; das Kathodenmaterial wird zum anderen aber auch zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen benutzt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Beschichtungsmethode ist die Entstehung von kleinen geschmolzenen Materialtröpfchen in den Kathodenflecken. Diese geschmolzenen Tröpfchen verlassen die Kathodenflecke mit hoher Geschwindigkeit und werden in die Beschichtung eingelagert, so daß die so hergestellten Beschichtungen in ihrer Struktur aus er- starrten Metalltröpfchen bestehen (D. M. Sanders: Journal of Vacuum Science and Technology A 7, No. 3, 2339, 1989).
Die DE 32 34 100 beschreibt zur Beseitigung dieses Nach¬ teils eine Vorrichtung zur magnetischen Trennung von neu¬ tralen und geladenen Teilchen, wobei das Werkstück nur mit geladenen Teilchen, d. h. Metallionen behandelt wird. Auf diese Weise werden die unerwünschten Metalltröpfchen vom Werkstück ferngehalten. Wegen der großen Verluste an Verdampfungsgut während der Transportphase durch diesen Trennungsprozeß ist diese Methode im allgemeinen nicht wirtschaftlich einsetzbar.
Die DE 34 13 891 beschreibt als gattungsgemäß nächstlie- genden Stand der Technik ein plasmagestütztes Beschich- tungsverfahren durch Anwendung von Vakuumlichtbögen mit kalter Kathode und heißer verdampfender Anode (anodischer Vakuumbogen) . Dieser anodische Vakuumbogen benutzt die im vorgehenden beschriebene kalte Kathode mit dem wesent¬ lichen Unterschied, daß das von der Kathode erodierte Material erst gar nicht für Beschichtungszwecke genutzt wird, so daß das Problem der Metalltröpfchen grundsätz¬ lich vermieden wird. Vielmehr werden die in den Kathoden¬ flecken und der Lichtbogenentladung gebildeten Elektronen dazu verwendet, eine strukturierte Anode aufzuheizen und dann das mit der Anode verbundene Verdampfungsgut zu ver- dampfen. Es handelt sich dabei um eine Variante der Elek- tronenstrahlverdampfung. Die Elektronen aus den Kathoden¬ flecken verdampfen dabei nicht nur das Anodenmaterial, sondern überführen durch nichtelastische Stöße das ab¬ dampfende Anodenmaterial gleichzeitig auch in den für eine Beschichtung erwünschten Plasmazustand. Das anodische Plasma dient weiterhin auch als Brenngas für die Lichtbogenentladung. Der von der selbstverzehrenden Anode in die Unterdruckkammer expandierende ionisierte Metalldampf enthält keine geschmolzenen Tröpfchen und wird zur Beschichtung von Oberflächen verwendet, womit dieses Verfahren den wesentlichen Nachteil des katho¬ dischen Vakuumbogens vermeidet. Zusätzlich wird eine Be¬ teiligung von Kathodenmaterial an der Schichtbildung während des Beschichtungsvorgangs durch ein die Kathode umgebendes Schutzschild vermieden. Die im folgenden aufgeführten Publikationen behandeln wissenschaftliche Aspekte dieser neuartigen Lichtbogen¬ entladung.
H. Ehrich: J. Vac. Sei. Technol. A, Vol. 6, No. 1, 134 (1988)
H. Ehrich, B. Hasse, K. G. Müller und R. Schmidt: J. Vac. Sei. Technol. A, Vol. 6, No. 4, 2499 (1988) H. Ehrich, Vakuum Technik 37, 176, (1988)
Diese Vakuumlichtbogenentladung hat in den letzten Jahren seine Eignung als Grundlage eines neuen, plasmagestützten Beschichtungsverfahrens bewiesen und ist zum Beispiel geeignet für die metallische Beschichtung von Compact- Discs (CD) . Es wurde festgestellt, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Schichten eine bessere Qualität aufweisen, als Beschichtungen, die mit anderen Verfahren hergestellt wurden. Diese qualitativen Verbesserungen betreffen sowohl die Haftfestigkeit der Schichten auf Substratoberflächen wie auch den kristallinen Aufbau der Schichten. Der günstige kristalline Aufbau der Schichten führt unter anderem zu guten optischen Eigenschaften, stabilen mechanischen Eigenschaften sowie einer höheren Resistenz gegen äußere chemische Einflüße (H. Ehrich, B. Hasse, M. Mausbach und K.G. Müller, Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 8, No. 3, 2160 (1990).
Das technische Problem der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, daß zur Durchführung von Beschichtungen mit Hilfe des vorgenannten anodischen Vakuumlichtbogens bisher nur Vorrichtungen bekannt sind, die für einen kurzzeitigen Betrieb der Lichtbogenentladung im Labormaßstab bei rela¬ tiv geringen Stromstärken unter 150 A geeignet sind. Solche Vorrichtungen werden in der DE 34 13 891 und der US 4,917,786 beschrieben. Dieser kurzzeitige Betrieb re¬ sultiert daraus, daß sich das Material an beiden Elektro- den schnell verbraucht und für industrielle Anwendungen zu geringe Standzeiten erreicht werden. So wird zum Bei¬ spiel bei der Verdampfung von Aluminium in Wolfram-Tiegeln die Betriebszeit des Lichtbogens dadurch begrenzt, daß das die Metallschmelze fixierende hochschmelzende Anoden¬ material mit der Metallschmelze (flüssiges Aluminium) eine Legierung bildet, woraus sich eine Standzeitreduzie¬ rung des aktiven Anodenmaterials auf 5 Minuten ergibt.
Ein weiterer Nachteil, der bei den bisherigen Vorrichtun¬ gen zu einem kurzzeitigen Betrieb führte, betrifft die Zündung des Vakuumlichtbogens, die für industrielle Ein¬ sätze wenig geeignet ist. Die Kontaktierung der Licht¬ bogenelektroden führt häufig zur Verschweißung beider Elektroden, insbesondere bei wiederholter Zündung mit bereits aufgeheizter Anode. Eine Zündung des Lichtbogens mit Hilfe einer beweglichen Hilfselektrode erfordert einen relativ großen konstruktiven Aufwand, insbesondere wenn die Elektroden in größeren Aufdampfanlagen weit ent- fernt von den Wänden der Unterdruckkammer angeordnet werden sollen. Die weiterhin in der DE 34 13 891 vorge¬ schlagene Vorrichtung zur Zündung des anodischen Vakuum¬ lichtbogens mit Hilfe eines Gleitfunkens ist wegen der dazu erforderlichen Hochspannung von über 20 kV aus sicherheitstechnischen Gründen und wegen der Gefahr von Überschlägen an den elektrischen Durchführungen nicht für den praktischen Betrieb geeignet. Insbesondere die nicht erwünschte aber häufig auftretende Verschweißung der Elektroden erfordert immer wieder Eingriffe in die Vor- richtung und verhindert den erwünschten langzeitigen Be¬ trieb der Lichtbogenentladung im industriellen Maßstab.
Ein weiteres technisches Problem, das den langzeitigen Betrieb der Vorrichtung verhindert, ist, daß der Ioni- sationsgrad des auf das Objekt auftreffenden Dampfes bis¬ her nicht gesteuert wurde, so daß zur Erreichung ver- besserter Haftfestigkeiten unter Umständen mehrmals mit dazwischen eingeschobenen Abkühlungsabschnitten metalli¬ siert werden mußte, um eine genügende Haftfestigkeit zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lang¬ zeitmaterialverdampfung, die für die industrielle Anwen¬ dung geeignet ist, unter Vermeidung der vorstehend ge¬ nannten Nachteile, zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Materialver¬ dampfung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit einer selbstverzehrenden Kathode und einer selbstverzehrenden heißen Anode in einer Unterdruckkammer gelöst, die eine Kathode mit einer kühlbaren Kathodenzuführung (1) , auf der die Kathode (3) befestigt ist, enthält, wobei die
Kathode (3) von einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Material (4) umgeben ist, und dieses Material
(4) wiederum von einem äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) umgeben ist, wobei das Material (4) auf der Stirnseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (5) versehen ist, so daß die Schicht (5) die Kathode (3) elektrisch mit dem äußeren Mantel (6) verbindet, und die Vorrichtung ferner eine Anode enthält, bestehend aus einem kühlbaren Anodenträger (7) , an dem die Anodenbasis- platte (9) befestigt ist, wobei sich an der Anodenbasis- platte (9) ein Behälter aus einem elektrisch leitfähigen, hochschmelzenden Material (10, 12) zur Aufnahme des Ver¬ dampfungsgutes befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Behälter (10, 12) an der Anodenbasisplatte (9) aus einem kera¬ mischen Material, vorzugsweise Bornitrid. Der Behälter (10, 12) weist vorzugsweise in seiner Bodenplatte eine Bohrung auf, durch die ein elektrisch leitfähiger Stift (13, 15) geführt wird, und dieser Stift in den Behälter hineinragt, so daß das zur Verdampfung vorgesehene Material (14) mit dem Stift elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise besteht dieser Stift aus Titandiborid. Der Stift (13, 15) kann dabei je nach Ausführungsform aus dem zur Verdampfung vorgesehenen Material (14) heraus¬ ragen oder nicht herausragen. Weiterhin können mehrere Stifte (13, 15, 17) vorhanden sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Stift (17) auch ohne Behälter vorhanden sein, wobei auf der Anoden¬ basisplatte (11) eine elektrische Abschirmung (16) ange¬ bracht ist mit einer mittig angeordneten Bohrung, durch die der Stift (17) geführt ist.
Die Kathode (3) besteht aus einer Legierung mit einem leicht zu verdampfenden Bestandteil, vorzugsweise Messing.
Weiterhin enthält die Kathodenzuführung (1) ein Gewinde, an dem die Kathode (3) mittels einer Überwurfmutter (2) befestigt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungs¬ form ist im äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) ein Fenster (6a) vorhanden. Der Behälter (10, 12) kann beheiz¬ bar sein und zwischen dem Behälter (10, 12) an der Anode und der Anodenbasisplatte (9) kann sich vorzugsweise eine thermisch isolierende Schicht befinden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Elektroden bei der Material- Verdampfung mittels einer Vakuumlichtbogenentladung mit heißer selbstverzehrender Anode und kalter selbstver¬ zehrender Kathode, wobei die Standzeit der Kathode dadurch verlängert wird, daß sie von einer Kathodenabdeckung (6) umgeben ist, die durch die Lichtbogenentladung so stark aufgeheizt wird, daß das verdampfende Kathodenmaterial zur Arbeitsfläche (3a) der Kathode zurückverdampft, und die Standzeit der Anode dadurch verlängert wird, daß sie aus einem hitzebeständigen, elektrisch isolierenden Material in Form eines nachfüllbaren Behälters (10, 12) ausgebildet ist, der mit der Anodenbasisplatte (9) ver¬ bunden ist.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Zündung einer Vakuumlichtbogenentladung mit kalter selbstver- zehrender Kathode und heißer selbstverzehrender Anode gelöst, wobei die Arbeitsfläche (3a) der Kathode (3) von einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Material (4) umgeben ist, dieses isolierende Material (4) von einem äußeren, elektrisch leitfähigen Mantel (6) umgeben ist, und besagtes elektrisch isolierendes Material (4) auf der Stirnseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (5) versehen ist, so daß die Kathode (3) und der Mantel (6) mit der Schicht (5) elektrisch verbunden sind und die Zündung so erfolgt, daß zunächst zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt wird, und daß dann zwischen der Kathode (3) und dem leitfähigen Mantel (6) eine Zündspannung von mindestens 18 V angelegt wird, wobei der leitfähige Mantel (6) als Hilfsanode ge¬ schaltet wird, worauf zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem leitfähigen Mantel (6) durch Ver¬ dampfung eines Teils der leitfähigen Schicht (5) ein elek¬ trischer Überschlag entsteht und sich die Vakuumlicht¬ bogenentladung zwischen der Anode (10, 12) und der Kathode (3) ausbildet.
In einer besonderen Ausführungsform erneuert sich die elektrisch leitfähige Schicht (5) durch Verdampfen des Elektrodenmaterials und dessen Kondensation auf der Stirn¬ seite des temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Materials (4) . Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Ver¬ fahren zur Steuerung des Ionisationsgrades des auf ein zu beschichtendes Objekt auftreffenden Dampfes bei der Ober- flächenbeschichtung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit selbstverzehrender kalter Kathode und selbstverzehrender heißer Anode gelöst, wobei der geradlinige Stromfluß zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem Ver¬ dampfungsgut an der Anode (14) behindert wird und der Ionisationgrad des Dampfes durch den Grad der Behinderung gesteuert wird. Die Steuerung des Ionisationsgrades kann dadurch vorgenommen werden, daß zwischen der Arbeitsfläche (3a) der Kathode (3) und dem Verdampfungsgut an der Anode (14) eine bewegliche Wandung angeordnet ist und damit der geradlinige Stromfluß zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem Verdampfungsgut an der Anode (14) behindert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Ionisationsgrad auch durch Bewegung der Elektroden aufeinander zu oder voneinander weg gesteuert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungs orm ist die Kathode von einer drehbaren Kathodenabdeckung (6) umgeben, in die ein Fenster (6a) eingelassen ist und der Ioni¬ sationsgrad des Dampfes durch Drehen dieser Kathodenab¬ deckung (6) gesteuert wird.
Wird bei einer Elektrodenanordnung (wie beispielhaft in Figur 1 und Figur la dargestellt) das in der Kathodenab¬ deckung (6) eingelassene Fenster (6a) nach der Zündung des anodischen Vakuumbogens so bewegt, daß zwischen Anode und Kathodenflecken auf der Arbeitsfläche (3a) keine gerad- linige Verbindung durch das Fenster (6a) besteht, so sinkt bei konstant gehaltenem Bogenstrom die Abdampfrate von der Anode. Gleichzeitig erhöht sich die über den Licht¬ bogen abfallende Brennspannung und der relative Anteil der Ionen im Dampf (Ionisationsgrad steigt stark an) . Dieser Effekt ist in der nachfolgenden Tabelle 1 darge¬ stellt für einen bei 100 A betriebenen anodischen Vakuum- bogen mit Kupfer als anodis.chem Verdampfungsmaterial. Die Tabelle enthält von links nach rechts den Verdrehungswinkel des Fensters (6a) in Figur 1 aus der geradlinigen Sehlinie zwischen Kathodenfläche (3a) und Anodentiegel (10) um eine Achse parallel zur Zeichenebene, die Wachstumsgeschwindigkeit der Kupferschicht auf einem Substrat in 30 cm Entfernung von der Anode, den Ionisationsgrad am Orte des Substrats, die Brennspannung des Lichtbogens und die Stromstärke des Lichtbogens.
Tabelle 1: Abhängigkeit der Abdampfrate von der Anode der Brennspannung und des Ionisationsgrads bei geändertem Verdrehungswinkel des Fensters (6a) und konstantem Bogenstrom.
Figure imgf000014_0001
Damit besteht die einfache Möglichkeit, den Ionisations¬ grad des auf das Objekt auftreffenden Dampfes während des Beschichtungsvorgangs zu verändern oder auch gezielt einzustellen. Dies kann auch allein durch Verdrehen der gesamten Kathode in Figur 1 realisiert werden. Dieser Vorgang wird durch den Pfeil in Figur 1 bis l a darge¬ stellt. Diese Methode ist dann vorteilhaft einzusetzen, wenn durch eine Erhöhung des lonisationsgrades im Dampf eine Qualitätsverbesserung der hergestellten Beschich tung, wie zum Beispiel eine verbesserte Haftfestigkeit erreicht werden soll. Die vorliegende Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, daß der Langzeitbetrieb des anodischen Vakuumlicht¬ bogens bei einer industriellen Anwendung zur Materialbe- dampfung bei Stromstärken über 150 A zu einer gleich- mäßigen, kontrollierbaren und reproduzierbaren Erzeugung von ionisiertem Materialdampf an der Anode führt und weiterhin dieser Langzeitbetrieb durch die Verlängerung der Standzeit der Elektroden und eine zuverlässige und schnelle Zündung des anodischen Vakuumlichtbogens ohne Bewegung von Elektroden oder Hilfselektroden und ohne Anwendung einer Hochspannung insbesondere unter Vermei¬ dung einer Verschweißung beider Elektroden, ermöglicht wird.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen erläutert und beispielhaft dargestellt.
Figur 1 zeigt eine senkrecht angeordnete Kathode mit einer waagerecht zugeführten Anode; Figur la zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kathodenabdeckung; Figur 2 zeigt zwei mögliche Auführungen der elektrischen Versorgung; Figur 3 zeigt eine Anodenkonstruktion mit einem elektrisch nicht leitenden Tiegel und einer elek¬ trischen Kontaktierung des Verdampfungsgutes durch einen durch den Tiegelboden geführten Stift; Figur 4 zeigt eine Anode entsprechend Figur 3 in Verbindung mit einer waage¬ recht angeordneten Kathode; Figur 5 zeigt eine Anode ent¬ sprechend Figur 3 mit Verdampfungsstift; Figur 6 zeigt eine Anode zur tiegellosen Verdampfung von Materialien; Figur 7 zeigt eine koaxial ausgeführte Kathodenkonstruk¬ tion mit einer Anode entsprechend Figur 3.
In Figur 1 sind eine senkrecht eingebaute Kathode und eine waagerecht angeordnete Anode dargestellt. Die zylin¬ dersymmetrische Kathode besteht aus einer gekühlten Kathodenzuführung (1) einschließlich Dichtungsfläche und Dichtungsring zur Aufnahme der sich verbrauchenden Katho¬ denscheibe (3) , einer Überwurfmutter (2) zur Halterung dieser Kathodenscheibe und einem auf diese Überwurfmutter gesetzten Rohr aus elektrisch isolierendem und thermisch belastbaren Material (4) sowie einer Kathodenabdeckung (6).
Die Kathodenscheibe (3) wird durch die Wirkung der Katho¬ denflecke auf der Kathodenarbeitsfläche (3a) während des Lichtbogenbetriebs verbraucht und ist mit Hilfe der Über¬ wurfmutter leicht auswechselbar. Die direkte Kühlung der Kathodenscheibe setzt die Kathodenerosion herab und erhöht so die Standzeit der Kathode. Die Kathodenabdeckung ver¬ hindert die Beschlagung des zu beschichtenden Werkstücks mit Kathodenmaterial, und ein seitlich angebrachtes Fenster (6a) in der Kathodenabdeckung gewährleistet den Stromfluß zwischen Kathode und Anode.
Die Anode besteht aus einem kühlbaren Anodenträger (7) mit Dichtfläche und Dichtring, einer Überwurfmutter (8) zur Befestigung der Anodenbasisplatte (9) sowie einem Tiegel aus einem elektrisch leitfähigen, hochschmelzenden Material, der das Verdampfungsgut aufnimmt (10) . Diese Elektrodenkonstruktion ermöglicht eine vereinfachte Zün- dung des Bogens ohne Bewegung der Elektroden. Zur Zündung muß die Stirnfläche des Isolationsrohres (4) metallisiert sein. Diese Metallisierung (5) muß bei erstmaliger Anwen¬ dung des Isolationsrohres durch eine vorhergehende Metallisierung aufgebracht werden.
Zur Einleitung der Zündung wird zunächst das Bogenver- sorgungsgerät eingeschaltet, so daß dessen Leerlauf- Spannung zwischen Kathode und Anode (Anschlüsse A und B in Figur 1) anliegt. Beide Elektroden müssen gegenüber dem Vakuumgefäß elektrisch isoliert angeordnet sein. Dann wird zwischen Kathode (3) und Kathodenabdeckung (6) eine Hilfsspannung angelegt (Anschluß C) . Diese kann einem separaten Netzgerät (U2) oder dem Lichtbogenversorgungs¬ gerät Ul entnommen werden (vgl. Figur 2) . Die Stirnseite des Isolationsrohres stellt eine leitfähige Verbindung zwischen der Kathode und der Kathodenabdeckung her. So¬ bald die Hilfsspannung eingeschaltet wird, entsteht an einer günstigen Stelle auf der Stirnseite des Isolations¬ rohres ein Überschlag und spontan entstehen auf der Ar¬ beitsfläche der Kathode die Kathodenflecken. Zunächst entsteht ein kathodisch bestimmter Vakuumbogen zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und der Kathodenab¬ deckung (6) als Hilfsanode. Gleichzeitig wird das mit der Anode verbundene Verdampfungsgut durch Elektronenbeschuß aufgeheizt und beginnt zu verdampfen. Die Aufheizzeit wird wesentlich beeinflußt durch die Anodenposition re¬ lativ zum Fenster (6a) in der Kathodenabdeckung und durch die zunächst anliegende LeerlaufSpannung. Eine hohe Leer¬ laufspannung führt zu einer Erhöhung der Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen und somit zu einer schnelleren Aufheizung.
Sobald sich der anodische Vakuumbogen ausgebildet hat, kann der Zündlichtbogen abgeschaltet werden, der Zünd¬ vorgang ist dann beendet.
Während des Betriebs des Lichtbogens wird die Metalli¬ sierung (5) des Isolationsrohres (4) stets automatisch erneuert, so daß die Zündung beliebig oft wiederholbar ist.
Die Standzeit der Kathode wird günstig dadurch beein¬ flußt, wenn während des Bogenbetriebs der von Kathoden¬ material beaufschlagte Teil der Kathodenabdeckung (6) so heiß wird, daß das ankommende Kathodenmaterial wieder verdampft. Dieses Verhalten ist zum Beispiel mit Kathoden¬ scheiben (3) aus Legierungen, vorzugsweise aus Messing, zu erreichen, wobei eine Überwurfmutter (2) aus Edelstahl dafür sorgt, daß die Kathodenflecken auf der Arbeitsfläche (3a) fixiert werden. Das aus der Kathode freigesetzte Zink wird von der Kathodenabdeckung bei relativ niedriger Wandtemperatur zurückverdampft. Diese Rückverdampfung verkleinert die von den Kathodenflecken verursachte Katho¬ denerosion beträchlich und erhöht damit die Standzeit der Kathode. Es ist insbesondere günstig, Kathodenmaterialien zu verwenden, die zumindest einen Bestandteil mit geringer Verdampfungstemperatur aufweisen. Dies ist zum Beispiel bei Legierungen wie Messing der Fall, wo die Verdampfungs¬ temperatur des Zinks niedriger als die des Kupfers ist.
Figur la zeigt in perspektivischer Darstellung eine Kathodenabdeckung (6) mit dem Fenster (6a) .
Figuren 2a und 2b zeigen zwei Beispiele der elektrischen Versorgung zum Zünden und Betreiben des anodischen Vakuum¬ bogens. Die jeweilige elektrische Verbindung erfolgt durch Verbindung der Punkte A, B und C. Dabei stellt Punkt A die elektrische Verbindung zur Anode, B zur Kathode und C zur Hilfsanode dar. Die Hilfsanode kann elektrisch mit der Unterdruckkammer verbunden sein. Die Kathodenabdeckung (6) dient gleichzeitig als Hilfsanode und ist über das Schaltelement (20) und einen Schalter (21) mit dem anoden- seitigen Ausgang der Versorgungsgeräte Ul bzw. U2 ver¬ bunden. Das Schaltelement (20) kann ein elektrischer Widerstand von 0,1 bis 1,0 Ohm oder einer Induktivität von zumindest 1 mH und einem elektrischen Widerstand von 0,1 bis 1,0 Ohm sein. Der Widerstand entkoppelt die Anode von der Hilfskathode, so daß eine Übertragung des Zünd- lichtbogens von der Hilfsanode auf die Anode erfolgt. Nach erfolgter Zündung des Lichtbogens kann die Hilfs¬ anode mit Hilfe des Schalters (21) elektrisch vom Ver¬ sorgungsgerät getrennt werden. Ein induktiver Anteil im Schaltelement (20) begünstigt die Zündung des Lichtbogens zur Hilfsanode beim Verdampfen der dünnen leitfähigen Schicht (5) auf dem Isolator (4) beim Einschalten des elektrischen Stroms zwischen Kathode und Hilfsanode.
Figur 2a zeigt die Schaltung, bei der zum Zünden und Be¬ treiben des anodischen Vakuumbogens nur ein Versorgungs¬ gerät (Ul) notwendig ist.
Figur 2b besitzt im Zündkreis ein zusätzliches Versor- gungsgerät (U2) , das den Strom für die Entladung zwischen Kathode und Hilfsanode liefert.
Figur 3 zeigt eine mögliche Ausführung der Anode. Auf eine kühlbare Zuleitung (7) ist mittels einer Überwurf- mutter (8) eine Anodenbasisplatte (11) befestigt. Diese
Anodenbasisplatte trägt einen Anodentiegel (12) aus einem elektrisch nicht leitenden hitzebeständigen Material.
Dieses kann vorzugsweise ein keramisches Material sein.
Das Verdampfungsgut (14) befindet sich in dem Tiegel (12) und wird über einen elektrisch leitfähigen Stift (13) mit der Anodenbasisplatte (11) elektrisch verbunden.
Figur 4 zeigt eine Anordnung, in der der Anode aus Figur 3 eine waagerecht eingebaute Kathode gegenübergestellt ist. Diese Kathode ist entsprechend der Kathode in Figur 1 ausgebildet und bezeichnet. Im Unterschied zu Figur 1 erfolgt der Stromfluß über ein stirnseitiges Fenster (6c) , in der Kathodenabdeckung (6b) , die wiederum gleichzeitig die Funktion einer Hilfsanode hat und das zu bedampfende Objekt gegen Kathodenspritzer abschirmt. Der Stromfluß zur Anode erfolgt über das elektrisch leitfähige Ver¬ dampfungsgut.
Figur 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Anode aus Figur 3. Im Unterschied zu der Anode in Figur 3 ragt der Kontaktstift (15) über die Oberfläche des Verdampfungs- guts hinaus. Die DE-OS 32 39 131 beschreibt ein Verfahren zur thermischen Metallverdampfung, wobei flüssiges Metall aus einem Tiegel durch Benetzung eines teilweise ein¬ tauchenden, widerstandsbeheizten Verdampfers zugeführt wird. Dieser Kontaktstift (15) besteht aus einem Material, das vom schmelzflüssigen Verdampfungsgut während des Be¬ triebs des anodischen Vakuumlichtbogens stark benetzt wird. Infolge dieser Benetzung kriecht das Verdampfungs¬ gut an dem heißen Kontaktstift entgegen der Schwerkraft empor und wird hauptsächlich von der heißen Spitze des Kontaktstifts verdampft. Der Lichtbogen zeigt nämlich die Eigenschaft, den anodischen Ansatz an Orten mit geringen Energieverlusten zu plazieren; dieses ist bei der Anode in Figur 5 die Spitze des Kontaktstifts. Verdampfendes Material wird über die Benetzung des Kontaktstifts stetig zum Verdampfungspunkt an dessen Spitze nachgeführt. Der Stift (15) wirkt gleichzeitig als Kontakt und Ver¬ dampfungsstift. Es versteht sich von selbst, daß eine solche Anode entsprechend Figur 5 auch mit räumlich ge- trenntem Kontakt und Verdampfungsstab ausgebildet werden kann.
Die Ausführungsform der Anode in Figur 5 kann zum Bei¬ spiel für die Verdampfung von Aluminium verwendet werden. Als Tiegelmaterial (12) ist dann Bornitrid zu verwenden, als Kontakt- und Verdampfungsstift (15) ist insbesondere Titandiborid geeignet. Beide Materialien werden von schmelzflüssigem Aluminium nicht angegriffen, wodurch sich bei der Verdampfung von Aluminium eine sehr hohe Standzeit an der Anode ergibt. Weiterhin ist auch eine Verdampfung von aluminiumhaltigen Legierungen, wie Aluminiumbronze, mit 92 Gew.-% Kupfer und 8 Gew.-% Aluminium aus dieser Anode möglich. Da das während des Betriebs schmelzflüssige Verdampfungsgut (14) nur als Vorrat für eine vorbestimmte Betriebszeit dient, kann das Fassungsvermögen des Tiegels (12) sehr groß bemessen werden. Falls dann die Leistung des Lichtbogens nicht ausreicht, das gesamte Verdampfungsgut im schmelzflüssigen Zustand zu halten, kann eine Heizung des Tiegels durch eine vom Lichtbogen unabhängige Wärmequelle erfolgen. Zur Verminderung der Wärmeverluste des Verdampfungsgutes kann zwischen dem Anodentiegel (12) und der Anodenbasisplatte (11) eine thermische Isolierung angebracht werden.
Figur 6 zeigt eine Anodenkonstruktion, die zur tiegel- losen Verdampfung von Materialien geeignet ist. Auf der gekühlten Anodenbasisplatte (11) ist das Verdampfungsgut (17) in stabförmiger Geometrie angebracht. Eine Ab¬ schirmung (16) verhindert die Beaufschlagung der Anoden¬ basisplatte und der Überwurfmutter (8) mit verdampftem Material. Die Verdampfung erfolgt infolge des Anodenan¬ satzes an der Spitze des Stabes, der demzufolge aus elektrisch leitfähigem Material bestehen muß. Diese Anodenkonstruktion ist vorzugsweise geeignet für die Verdampfung von Materialien, deren zur Verdampfung not- wendige Temperatur unterhalb oder wenig oberhalb des jeweiligen Schmelzpunktes liegt. Im ersten Fall erfolgt eine Sublimation des Verdampfungsgutes, wie zum Beispiel bei dem Metall Chrom, im zweiten Fall kann sich bei ge¬ eigneter Geometrie des Stabes (17) ein solches Temperatur- profil innerhalb des Stabes ausbilden, daß die Ver¬ dampfung von einer flachen Schmelzlache am oberen Ende des Stabes (17) erfolgt, ohne daß der Stab durch groß- volumiges Aufschmelzen zerstört wird. So ist es bei¬ spielsweise möglich, mit dieser Anordnung Nickel oαer Molybdän zu verdampfen.
Figur 7 zeigt eine koaxiale Elektrodenkonfiguration, bei der eine Anode entsprechend Figur 3 von einer ringförmigen Kathodenkonstruktion umgeben ist. Entsprechend den Kathoden in Figur 1 und 3 enthält die Kathode eine ge¬ kühlte Zuführung (1), ein Kathodenmaterial (3) mit Ar- beitsflache (3a) , ein elektrisch isolierendes Material (4) mit metallisierter Stirnfläche (5) und eine Hilfs¬ anode (6, 6d) . Die Innenwandung der Kathode ist gegenüber der Anode mit einer Abschirmung (18) versehen. Diese kann beispielsweise als elektrisch isoliert angebrachter Metallzylinder ausgeführt sein. Die Abschirmung (19) ver¬ hindert die Beaufschlagung eines zu bedampfenden Objektes mit Spritzern aus den Kathodenflecken und dient gleich¬ zeitig zur Rückverdampfung von Kathodenmaterial. Diese Kathode.kann die Anode als geschlossener Ring oder als Ringsegment umgeben. Im letzteren Fall kann im frei¬ bleibenden Kathodenabschnitt eine Nachführung für das Verdampfungsgut (14) untergebracht werden. Diese Elek¬ trodenkonfiguration ermöglicht eine besonders lange Standzeit der Kathode, da infolge des koaxialen Katho- denaufbaus in der Umgebung der Anode sehr viel sich ver¬ brauchendes Kathodenmaterial angeordnet werden kann. Be¬ sonders vorteilhaft ist es, wenn das verbrauchte Katho¬ denmaterial nicht durch mechanische Bewegung nachgeführt werden muß, sondern als Vorrat die Anode umgibt.
Die gezeigten Elektrodenanordnungen besitzen nur bei¬ spielhaften Charakter. Es ist zum Beispiel auch eine Vorrichtung denkbar, bei der eine Kathode aus Figur 1 mit einer Anode aus Figur 5 oder 6 betrieben wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Materialverdampfung mittels Vakuu - lichtbogenentladung mit einer selbstverzehrenden Kathode und einer selbstverzehrenden heißen Anode in einer Unterdruckkammer enthaltend eine Kathode mit einer kühlbaren Kathodenzuführung (1) , auf der die Kathode (3) befestigt ist, wobei die Kathode (3) von einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Material (4) umgeben ist, und dieses Material (4) wiederum von einem äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) umgeben ist, wobei das Material (4) auf der Stirnseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (5) versehen ist, so daß die Schicht (5) die Kathode (3) elektrisch mit dem äußeren Mantel (6) verbindet, und die Vorrichtung ferner eine Anode enthält bestehend aus einem kühlbaren Anodenträger (7) , an dem die Anodenbasisplatte (9) befestigt ist, wobei sich an der Anodenbasisplatte (9) ein Behälter aus einem elektrisch leitfähigen, hochschmelzenden Material (10, 12) zur Aufnahme des Verdampfungsgutes befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10, 12) aus einem keramischen Ma¬ terial besteht.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10, 12) aus Bor¬ nitrid besteht.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Behälter (10, 12) in seiner Boden¬ platte eine Bohrung aufweist, durch die ein elek¬ trisch leitfähiger Stift (13, 15) geführt wird, der in den Behälter hineinragt , so daß das zur Ver¬ dampfung vorgesehene Material (14) mit dem Stift elektrisch verbunden ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift aus Titandiborid be¬ steht.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (15) aus dem zur Ver¬ dampfung vorgesehenen Material (14) herausragt.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (13) nicht aus dem zur Verdampfung vorgesehenen Material (14) herausragt.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß mehrere Stifte (13, 15, 17) vorhanden sind.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (17) auch ohne Be¬ hälter vorhanden ist und auf der Anodenbasisplatte
(11) eine elektrische Abschirmung (16) vorhanden ist mit einer mittig angeordneten Bohrung, durch die der Stift (17) geführt ist.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode koaxial von der Kathode (3) umgeben ist.
11. Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Kathode (3) aus einer Legierung mit einem leicht zu verdampfenden Bestandteil be¬ steht.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) aus Messing be¬ steht.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenzuführung (1) ein
Gewinde enthält, an dem die Kathode (3) mittels einer Überwurfmutter (2) befestigt ist.
14. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß im äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) ein Fenster (6a) vorhanden ist.
15. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, daß sich zwischen dem Behälter (10,
12) an der Anode und der Anodenbasisplatte (9) eine thermisch isolierende Schicht befindet.
16. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Behälter (10, 12) beheizbar ist.
17. Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Elek¬ troden bei der Materialverdampfung mittels einer Vakuumlichtbogenentladung mit heißer selbstverzehren¬ der Anode und kalter selbstverzehrender Kathode, wobei die Standzeit der Kathode dadurch verlängert wird, daß sie von einer Kathodenabdeσkung (6) umgeben ist, die durch die Lichtbogenentladung so stark auf- geheizt wird, daß das verdampfende Kathodenmaterial zur Arbeitsfläche (3a) der Kathode zurückverdampft, und die Standzeit der Anode dadurch verlängert wird, daß sie aus einem hitzebeständigen, elektrisch iso¬ lierenden Material in Form eines nachfüllbaren Be¬ hälters (10, 12) ausgebildet ist, der mit der Anoden¬ basisplatte (9) verbunden ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kathodenabdeckung (6) ein Fenster (6a) eingelassen ist.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10, 12) aus einem keramischen Material besteht.-
20. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10, 12) aus Bor¬ nitrid besteht.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10, 12) in seiner Bodenplatte eine Bohrung aufweist, in dem ein elek¬ trisch leitfähiger Stift (15, 13) befestigt ist, der in den Behälter hineinragt , so daß das zur Ver¬ dampfung vorgesehene Material (14) mit dem Stift elektrisch verbunden ist.
22. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (13, 15) aus Titan- diborid besteht.
23. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (15) aus dem zur Ver¬ dampfung vorgesehenen Material (14) herausragt.
24. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (13) nicht aus dem zur
Verdampfung vorgesehenen Material (14) herausragt.
25. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (17) auch ohne Be¬ hälter vorhanden ist.
26. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode koaxial von der Kathode (3) umgeben ist.
27. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) aus einer Legierung besteht, in der zumindest ein leicht verdampfbares Material vorhanden ist.
28. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) aus Messing be¬ steht.
29. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenzuführung (1) ein
Gewinde enthält, an dem die Kathode (3) mittels einer Überwurfmutter (2) befestigt ist.
30. Verfahren zur Zündung einer Vakuumlichtbogenent- ladung mit kalter selbstverzehrender Kathode und heißer selbstverzehrender Anode, wobei die Arbeits¬ fläche (3a) der Kathode (3) von einem temperaturbe¬ ständigen elektrisch isolierenden Material (4) um¬ geben ist, dieses isolierende Material (4) von einem äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) umgeben ist, und besagtes elektrisch isolierendes Material (4) auf der Stirnseite mit einer elektrisch leit¬ fähigen Schicht (5) versehen ist, so daß die Kathode (3) und der Mantel (6) mit der Schicht (5) elektrisch verbunden sind und die Zündung so erfolgt, daß zu¬ nächst zwischen Anode und Kathode eine Spannung ange¬ legt wird, und daß dann zwischen der Kathode (3) und dem ieitfähigen Mantel (6) eine Zündspannung von mindestens 18 Volt angelegt wird, wobei der leit¬ fähige Mantel (6) als Hilfsanode geschaltet wird, worauf zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem leitfähigen Mantel (6) durch Verdampfung eines Teils der leitfähigen Schicht (5) ein elek¬ trischer Überschlag entsteht und sich die Vakuum¬ lichtbogenentladung zwischen Anode (10, 12) und Kathode (3) ausbildet.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrisch leitfähige Schicht (5) durch Verdampfen des Elektrodenmaterials und dessen Kon- densation auf der Stirnseite des temperaturbestän¬ digen elektrisch isolierenden Materials (4) erneuert.
32. Verfahren zur Steuerung des lonisationsgrades des auf ein zu beschichtendes Objekt auftreffenden Dampfes bei der Oberflächenbeschichtung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit selbstverzehrender kalter Kathode und selbstverzehrender heißer Anode, wobei der geradlinige Stromfluß zwischen der Arbeits¬ fläche der Kathode (3a) und dem Verdampfungsgut an der Anode (14) behindert wird und der Ionisationsgrad des Dampfes durch den Grad dieser Behinderung ge¬ steuert wird.
33. Verfahren zur Steuerung des lonisationsgrades nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode von einer drehbaren Kathodenabdeckung (6) umgeben ist, in die ein Fenster (6a) eingelassen ist, und der Ionisationsgrad des Dampfes durch Drehen dieser Kathodenabdeckung (6) gesteuert wird.
34. Verfahren nach den Ansprüchen 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Arbeitsfläche (3a) der Kathode (3) und dem Verdampfungsgut an der Anode (14) eine bewegliche Wandung angeordnet ist und durch die Veränderung der Lage der Wandung der Ioni¬ sationsgrad gesteuert wird.
35. Verfahren nach den Ansprüchen 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsgrad durch Be¬ wegung der Elektroden gesteuert wird.
PCT/EP1991/001446 1990-08-22 1991-08-01 Vorrichtung zur materialverdampfung mittels vakuumlichtbogenentladung und verfahren WO1992003841A2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4026494A DE4026494A1 (de) 1990-08-22 1990-08-22 Vorrichtung zur materialverdampfung mittels vakuumlichtbogenentladung und verfahren
DEP4026494.7 1990-08-22
DE4042337A DE4042337C1 (en) 1990-08-22 1990-08-22 Controlling degree of ionisation of vapour for surface coating - by preventing straight line current flow between hot anode target surface and cold cathode by using movable wall between them

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO1992003841A2 true WO1992003841A2 (de) 1992-03-05
WO1992003841A3 WO1992003841A3 (de) 1992-04-16

Family

ID=39523631

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1991/001446 WO1992003841A2 (de) 1990-08-22 1991-08-01 Vorrichtung zur materialverdampfung mittels vakuumlichtbogenentladung und verfahren

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU8291191A (de)
DE (2) DE4042337C1 (de)
WO (1) WO1992003841A2 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0554552A1 (de) * 1992-02-06 1993-08-11 METAPLAS Oberflächenveredelungstechnik GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einem Vakuumbehälter
DE19600993A1 (de) * 1995-01-13 1996-08-08 Technics Plasma Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur anodischen Verdampfung eines Materials mittels einer Vakuumlichtbogenentladung
US6251233B1 (en) 1998-08-03 2001-06-26 The Coca-Cola Company Plasma-enhanced vacuum vapor deposition system including systems for evaporation of a solid, producing an electric arc discharge and measuring ionization and evaporation
US6279505B1 (en) 1997-03-14 2001-08-28 The Coca-Cola Company Plastic containers with an external gas barrier coating
US6599584B2 (en) 2001-04-27 2003-07-29 The Coca-Cola Company Barrier coated plastic containers and coating methods therefor
US6720052B1 (en) 2000-08-24 2004-04-13 The Coca-Cola Company Multilayer polymeric/inorganic oxide structure with top coat for enhanced gas or vapor barrier and method for making same

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4200429A1 (de) * 1992-01-10 1993-07-15 Ehrich Plasma Coating Verfahren zur ionisation thermisch erzeugter materialdaempfe und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE4223091C1 (en) * 1992-07-14 1993-07-01 Vtd-Vakuumtechnik Dresden Gmbh, O-8017 Dresden, De Water cooled holder for inserted exchangeable target - comprises housing, cooling plate and axially freely movable metal bellows, vacuum arc discharge vapour deposition appts.
DE4409761B4 (de) * 1994-03-22 2007-12-27 Vtd Vakuumtechnik Dresden Gmbh Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung in einem Bogenentladungsplasma
DE4444763C2 (de) * 1994-12-19 1996-11-21 Apvv Angewandte Plasma Vakuum Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von Substraten
DE19521419C2 (de) * 1995-06-14 1997-11-27 Plasma Applikation Mbh Ges Verdampfereinheit zur Verdampfung von Materialien im elektrischen Vakuumbogen
US6881270B1 (en) 1999-11-17 2005-04-19 Applied Films Gmbh & Co. Kg Electrode arrangement
US6740378B1 (en) 2000-08-24 2004-05-25 The Coca-Cola Company Multilayer polymeric/zero valent material structure for enhanced gas or vapor barrier and uv barrier and method for making same
AU2003234200A1 (en) 2002-04-15 2003-11-03 The Coca-Cola Company Coating composition containing an epoxide additive and structures coated therewith
DE102020124270A1 (de) 2020-09-17 2022-03-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Verfahren und Vorrichtung zur anodischen Bogenverdampfung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2106545A (en) * 1981-02-23 1983-04-13 Rimma Ivanovna Stupak Consumable cathode for electric-arc evaporator of metal
DE3239131A1 (de) * 1982-10-22 1984-04-26 Ulrich 8950 Kaufbeuren Goetz Verfahren zur thermischen verdampfung von metallen im vakuum
EP0158972A2 (de) * 1984-04-12 1985-10-23 Plasco Dr. Ehrich Plasma-Coating GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einer Unterdruckkammer durch Bogenentladung
EP0277341A2 (de) * 1987-02-03 1988-08-10 Balzers Aktiengesellschaft Anordnung zur Anwendung eines Lichtbogens
DE3829260A1 (de) * 1988-08-29 1990-03-01 Multi Arc Gmbh Plasmabeschichtungskammer mit entfernbarem schutzschirm
JPH06149358A (ja) * 1992-11-13 1994-05-27 Matsushita Electric Works Ltd 移動ロボット

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1496697A (fr) * 1965-10-20 1967-09-29 Gen Precision Inc Appareil de revêtement de la surface d'un substrat
US3562141A (en) * 1968-02-23 1971-02-09 John R Morley Vacuum vapor deposition utilizing low voltage electron beam
US3625848A (en) * 1968-12-26 1971-12-07 Alvin A Snaper Arc deposition process and apparatus
US4197157A (en) * 1975-03-19 1980-04-08 Arthur D. Little, Inc. Method for forming refractory tubing
AT376460B (de) * 1982-09-17 1984-11-26 Kljuchko Gennady V Plasmalichtbogeneinrichtung zum auftragen von ueberzuegen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2106545A (en) * 1981-02-23 1983-04-13 Rimma Ivanovna Stupak Consumable cathode for electric-arc evaporator of metal
DE3239131A1 (de) * 1982-10-22 1984-04-26 Ulrich 8950 Kaufbeuren Goetz Verfahren zur thermischen verdampfung von metallen im vakuum
EP0158972A2 (de) * 1984-04-12 1985-10-23 Plasco Dr. Ehrich Plasma-Coating GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einer Unterdruckkammer durch Bogenentladung
EP0277341A2 (de) * 1987-02-03 1988-08-10 Balzers Aktiengesellschaft Anordnung zur Anwendung eines Lichtbogens
DE3829260A1 (de) * 1988-08-29 1990-03-01 Multi Arc Gmbh Plasmabeschichtungskammer mit entfernbarem schutzschirm
JPH06149358A (ja) * 1992-11-13 1994-05-27 Matsushita Electric Works Ltd 移動ロボット

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Patent Abstracts of Japan, Band 10, Nr. 209 (E-421)[2265], 22. Juli 1986; & JP, A, 6149358 (SEIKO EPSON CORP.) 11. März 1986, siehe das ganze Dokument *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0554552A1 (de) * 1992-02-06 1993-08-11 METAPLAS Oberflächenveredelungstechnik GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einem Vakuumbehälter
DE19600993A1 (de) * 1995-01-13 1996-08-08 Technics Plasma Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur anodischen Verdampfung eines Materials mittels einer Vakuumlichtbogenentladung
US6279505B1 (en) 1997-03-14 2001-08-28 The Coca-Cola Company Plastic containers with an external gas barrier coating
US6548123B1 (en) 1997-03-14 2003-04-15 The Coca-Cola Company Method for coating a plastic container with vacuum vapor deposition
US6599569B1 (en) 1997-03-14 2003-07-29 The Coca-Cola Company Plastic containers with an external gas barrier coating, method and system for coating containers using vapor deposition, method for recycling coated containers, and method for packaging a beverage
US6251233B1 (en) 1998-08-03 2001-06-26 The Coca-Cola Company Plasma-enhanced vacuum vapor deposition system including systems for evaporation of a solid, producing an electric arc discharge and measuring ionization and evaporation
US6447837B2 (en) 1998-08-03 2002-09-10 The Coca-Cola Company Methods for measuring the degree of ionization and the rate of evaporation in a vapor deposition coating system
US6720052B1 (en) 2000-08-24 2004-04-13 The Coca-Cola Company Multilayer polymeric/inorganic oxide structure with top coat for enhanced gas or vapor barrier and method for making same
US6599584B2 (en) 2001-04-27 2003-07-29 The Coca-Cola Company Barrier coated plastic containers and coating methods therefor

Also Published As

Publication number Publication date
DE4042337C1 (en) 1991-09-12
DE4026494A1 (de) 1992-02-27
WO1992003841A3 (de) 1992-04-16
DE4026494C2 (de) 1992-05-21
AU8291191A (en) 1992-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0158972B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einer Unterdruckkammer durch Bogenentladung
EP2633543B1 (de) Vorrichtung zum erzeugen eines elektronenstrahls
DE3513014C2 (de) Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken
DE4026494C2 (de)
DE4336681A1 (de) Verfahren und Einrichtung zum plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfen
EP2159821A2 (de) Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats, sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats
Ehrich The anodic vacuum arc. I. Basic construction and phenomenology
DE3901401C2 (de) Verfahren zur Steuerung einer Vakuum-Lichtbogenentladung
DE4100541C1 (de)
EP0444538B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Verdampfen von Material im Vakuum sowie Anwendung des Verfahrens
DE19600993A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur anodischen Verdampfung eines Materials mittels einer Vakuumlichtbogenentladung
DE102004054092B4 (de) Zündvorrichtung
DE19724996C1 (de) Verfahren zum plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP2746424B1 (de) Verdampfungsquelle
EP0389506B1 (de) Verfahren zum erzeugen dünner schichten aus hochschmelzendem oder bei hoher temperatur sublimierendem material welches aus unterschiedlichen chemischen verbindungen zusammengesetzt ist auf einem substrat
EP0791226B1 (de) Vorrichtung zum beschichten von substraten mit einem materialdampf im unterdruck oder vakuum
DE102019135749B4 (de) Lichtbogen-Beschichtungsanordnung und Verfahren
DE4409761B4 (de) Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung in einem Bogenentladungsplasma
DE102007041327B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Nanopulver
DE102020124269A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden harter Kohlenstoffschichten
DD275883B5 (de) Verfahren zur homogenen Schichtabscheidung mittels Bogenentladung
DE102007063364A1 (de) Verfahren und Einrichtung zum Beschichten großflächiger Substrate im Vakuum
DE4405254A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung
DE102020114898A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer Dünnschicht mittels eines anodischen Lichtbogens
DD269403A1 (de) Niedervoltbogenentladungsverdampfer mit tiegeleinsatz

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AU BR CA CS JP KR SU US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE

AK Designated states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AU BR CA CS JP KR SU US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE

NENP Non-entry into the national phase in:

Ref country code: CA