WO2007017528A1 - Dispositivo evaporador de arco catodico, y metodo para el encendido del arco - Google Patents

Abstract

El dispositivo evaporador de arco catódico comprende una cámara (2) de evaporación, al menos un cátodo (7) y al menos un ánodo (13, 13A). El cátodo (7) comprende un cuerpo de un material que se evapora por el arco en una superficie de evaporación (71). En esa superficie de evaporación (71) está situado un inserto (100, 200) con una parte eléctricamente conductora (101, 201) que sobresale con respecto a dicha superficie de evaporación (71), para establecer un punto de fácil formación de chispa. El dispositivo comprende además un orificio (102, 202) de entrada de gas situado en correspondencia con dicha parte eléctricamente conductora (101, 201), para la inyección de un gas en la cámara (2) en correspondencia con dicha parte eléctricamente conductora, para facilitar la formación de una chispa. La invención también se refiere a un método para encender el arco.

Description

DISPOSITIVO EVAPORADOR DE ARCO CATÓDICO. Y MÉTODO PARA EL ENCENDIDO DEL ARCO

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN La invención se engloba en el campo de los evaporadores de arco catódico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se conocen evaporadores de arco catódico que se utilizan en máquinas de recubrimiento por PVD (Physical Vapour Deposition) y que trabajan en un ambiente de presión reducida (en torno a 10^"2 mbar). Sistemas de este tipo se describen en, por ejemplo, las patentes estadounidenses US-A-3625848 y US-A-3783231. Su funcionamiento se basa en una evaporación de un cátodo, compuesto por el material de recubrimiento. La evaporación se genera mediante un arco de corriente eléctrica establecido entre al menos un cátodo y al menos un ánodo dispuestos en una cámara de evaporación. El material evaporado se deposita sobre un objeto alojado en Ia cámara de evaporación.

El método tradicional de producir el encendido de Ia descarga de arco entre cátodo y ánodo es por medio de un electrodo móvil, conectado al ánodo a través de una resistencia pequeña (por ejemplo, del orden de unos 10 Ohm), que toca el cátodo en el momento en el que se desea encender el arco, con Io que se crea un cortocircuito. Una vez establecida una corriente eléctrica se procede a retirar el electrodo móvil del cátodo, Io que a su vez provoca Ia aparición del arco entre al cátodo y el ánodo. Este método mecánico de realizar el encendido de Ia descarga de arco tiene el inconveniente de presentar numerosos problemas de fiabilidad, pues con frecuencia el electrodo móvil queda adherido a Ia superficie del cátodo, con Io cual resulta imposible iniciar el arco. Además, requiere el uso de elementos móviles (al menos, el electrodo tiene que ser móvil). EP-A-0253435 describe un sistema de encendido electrónico del arco eléctrico entre cátodo y ánodo que, en un principio, puede funcionar sin elementos móviles. Un gas se inyecta a través de un electrodo para generar una presión más elevada en un número limitado de puntos entre las partes donde se desea encender el arco.

El gas se inyecta por un ánodo complementario o cerca de un ánodo complementario. De esta manera, parece ser que el mayor aumento de Ia presión se produce en correspondencia con el ánodo. Sin embargo, se ha comprobado que este enfoque posiblemente no sea el óptimo, ya que en el proceso de encendido electrónico del arco, el ánodo juega un papel pasivo y los aspectos relevantes del encendido se producen en correspondencia con el cátodo.

Por otra parte, un problema para establecer el arco entre cátodo y ánodo(s) en el sistema descrito en EP-A-0253435 está relacionado con Ia superficie plana del cátodo de evaporación, contra Ia que se inyecta el gas.

El arco tiene que establecerse en esta superficie, pero su forma plana Io hace muy difícil, Io cual exige una mayor presión de gas y unos voltajes de encendido muy altos. Además, Ia forma plana de Ia superficie del cátodo hace que sea fácil que el pulso de alto voltaje que se usa par generar el encendido del arco provoque el salto de Ia chispa entre puntos no deseados, como por ejemplo entre Ia conexión eléctrica al cátodo y el cuerpo de Ia cámara. Por añadidura, el material que se debe emplear en el cátodo para obtener el recubrimiento que se desea puede ser tal que presente una muy baja emisión de electrones por efecto termoiónico, por Io que puede resultar difícil cebar una chispa sobre el mismo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un primer aspecto de Ia invención se refiere a un dispositivo evaporador de arco catódico para Ia evaporación de material a presión subatmosférica para el recubrimiento de piezas, que comprende una cámara de evaporación configurada para alojar al menos una pieza a recubrir (y que normalmente está configurada para mantener una presión subatmosférica dentro de Ia cámara), y en Ia cámara, al menos un cátodo y al menos un ánodo, dispuestos de manera que se pueda establecer un arco eléctrico de evaporación en Ia cámara, entre dicho al menos un cátodo y dicho al menos un ánodo, comprendiendo dicho cátodo un cuerpo de un primer material destinado a ser evaporado por dicho arco en una superficie de evaporación del cátodo.

Esta parte del sistema puede ser convencional, y presentar, tal y como es frecuente en los sistemas de evaporación convencionales, una superficie de evaporación plana, en Ia que es relativamente difícil que se produzca un encendido de un arco.

De acuerdo con Ia invención, en Ia superficie de evaporación del cuerpo del cátodo está situado al menos un inserto que tiene una parte eléctricamente conductora que sobresale con respecto a dicha superficie de evaporación, para establecer un punto de fácil formación de chispa. Además, el dispositivo comprende un orificio de entrada de gas situado en correspondencia con dicha parte eléctricamente conductora (concretamente, en Ia misma parte eléctricamente conductora o en una zona próxima a esta parte eléctricamente conductora), para Ia inyección de un gas en Ia cámara en correspondencia con dicha parte eléctricamente conductora, para facilitar

Ia formación de una chispa en el punto de fácil formación de chispa.

De esta manera, Ia parte eléctricamente conductora que sobresale de Ia superficie de evaporación permite una fácil generación de Ia chispa y arco en correspondencia con esta parte eléctricamente conductora (ya que Ia forma "sobresaliente" da lugar a un incremento en el campo eléctrico local).

Dado que Ia parte eléctricamente conductora sobresale de Ia propia superficie de evaporación, resulta fácil desplazar el arco hacia dicha superficie. La combinación de Ia inyección de una pequeña cantidad de gas con este elemento que "rompe" el carácter plano y uniforme de Ia superficie de evaporación, es Io que permite el fácil encendido del arco en el cátodo, sin necesidad de utilizar tensiones excesivamente altas, con los problemas que ello implica y que se han comentado más arriba.

La parte eléctricamente conductora que sobresale con respecto a Ia superficie de evaporación puede terminar en una punta, de manera que se genere un incremento local del campo eléctrico en Ia zona de dicha punta

(ya que el campo eléctrico se incrementa en las puntas de una superficie conductora).

El orificio de salida de gas puede estar situado en esa punta, con Io que se garantiza que Ia presión de gas es máxima, o cerca del máximo, en Ia punta. Para ello, el orificio de salida de gas puede constituir Ia salida de un conducto que se extiende por dicha parte eléctricamente conductora.

La parte eléctricamente conductora puede presentar una superficie externa cóncava que se extiende desde el orificio de salida de gas (donde Ia superficie externa de Ia parte eléctricamente conductora puede ser sustancialmente perpendicular a Ia superficie de evaporación) hasta Ia base del inserto (donde Ia superficie externa puede extenderse de forma paralela a Ia superficie de evaporación), para evitar cambios bruscos en Ia superficie que puedan dificultar que el arco, una vez cebado, se desplace del inserto hasta Ia superficie de evaporación. Alternativamente, el orificio puede situarse no en Ia punta, sino en una zona próxima a Ia punta. Esto puede implicar una cierta reducción de Ia presión de gas en Ia punta, si comparamos con Ia modalidad anteriormente descrita, pero esto se puede compensar haciendo Ia punta más afilada, aprovechando que Ia parte saliente que establece Ia punta no tiene que albergar ningún conducto de gas.

En este caso, el inserto puede comprender una base (que puede ser del mismo material eléctricamente conductor, o no) en Ia que se encuentra el orificio de salida de gas, y una extensión en forma de aguja o similar que se extiende desde dicha base de manera que establece Ia punta a una distancia de dicha base (ahora bien, Ia distancia debe ser suficientemente pequeña como para garantizar una suficiente presión de gas en Ia zona de Ia punta).

En ambos casos, el orificio puede ser pequeño, para garantizar que se pueda obtener una elevada presión de gas local, sin tener que inyectar una cantidad de gas que afecte sustancialmente a Ia presión general en Ia cámara. En aplicaciones típicas, el orificio puede tener un diámetro inferior a

3 mm.

La parte eléctricamente conductora puede ser de un material refractario (para evitar que Ia punta quede deteriorada durante el proceso). El material debe también ser tenaz, para tolerar un brusco calentamiento sin fragmentarse.

La parte eléctricamente conductora puede ser de un material que el arco tienda a evitar; esto se puede conseguir, por ejemplo, utilizando para Ia parte eléctricamente conductora un material con una baja presión de vapor, y/o con un elevado incremento de Ia resistividad con Ia temperatura, y/o con una baja conductividad térmica."

Por ejemplo, Ia parte eléctricamente conductora puede ser de un material que comprende al menos un 30% en peso de una sustancia seleccionada del grupo que comprende Zr, Nb₁ Mo, Hf, Ta, Re y W, o de una combinación de dichas sustancias. Por ejemplo, Ia parte eléctricamente conductora puede comprender al menos un 30% en peso de Nb. Nb es un material muy adecuado para Ia parte eléctricamente conductora del inserto.

La parte eléctricamente conductora puede ser de un material que incluye elementos que emiten electrones por radiación natural (por ejemplo, torio) y/o que incluye elementos que emiten electrones por efecto termoiónico (por ejemplo, tierras raras).

El inserto puede atravesar el cuerpo del cátodo. Por ejemplo, el inserto puede comprender, en adición a Ia parte eléctricamente conductora, una parte externa (que también puede ser eléctricamente conductora para facilitar Ia conexión a Ia de Ia parte eléctricamente conductora del inserto a una fuente de alimentación eléctrica externa) en Ia que está enroscada Ia parte eléctricamente conductora. Esta parte externa puede estar apoyada en una superficie exterior de Ia cámara, por ejemplo, en Ia cara exterior del cuerpo del cátodo. La parte externa puede estar apoyada en dicha superficie exterior de Ia cámara con Ia interposición de una junta tórica, para evitar Ia entrada de fluidos en Ia cámara a través de Ia perforación o similar en el cuerpo del cátodo en Ia que puede estar colocado el inserto.

El dispositivo puede adicionalmente comprender un sistema eléctrico de encendido que comprende medios para generar pulsos eléctricos de alta frecuencia, por ejemplo, de entre 0,5 y 10 Mhz entre ánodo y cátodo, para encender el arco. Se puede utilizar un sistema eléctrico de encendido convencional para esta finalidad.

El dispositivo puede adicionalmente comprender un sistema de inyección de gas a través del orificio. Este sistema de inyección de gas puede comprender una válvula de abertura rápida. Adicionalmente el dispositivo puede comprender un sistema de guiado magnético de arco, que puede comprender una o más bobinas para generar un campo magnético variable o no variable. Con un campo variable, el desplazamiento del arco puede ser controlado y variado mediante una variación del campo magnético. El sistema de guiado magnético puede estar configurado para desplazar el arco según una trayectoria, estando el inserto situado alejado de dicha trayectoria. De esta manera, se reduce el tiempo que el arco se queda situado en correspondencia con el inserto.

El dispositivo puede comprender al menos dos ánodos, y estar configurado de manera que al menos un primer ánodo hace función de ánodo en una fase de encendido del arco, y de manera que al menos un segundo ánodo (que puede ser las propias paredes de Ia cámara) hace función de ánodo durante operación del dispositivo una vez encendido el arco. También es posible que el dispositivo comprenda una pluralidad de cátodos y sólo un ánodo, compartido por los cátodos. Otro aspecto de Ia invención se refiere a un método para encender un arco en un dispositivo según Io que se ha descrito más arriba. El método comprende los pasos de inyectar una cantidad de gas por el orificio, y aplicar pulsos eléctricos de alta frecuencia, por ejemplo, de entre 0,5 y 10 Mhzentre ánodo y cátodo, para encender el arco. El gas que se inyecta puede ser un gas fácilmente ionizable, por ejemplo, argón, kriptón o xenón.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para complementar Ia descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con unos ejemplos preferentes de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista esquemática del dispositivo, de acuerdo con una primera realización de Ia invención.

La figura 2.- Muestra una vista similar a Ia de Ia figura 1 , pero incluyendo un sistema magnético de guiado del arco.

La figura 3.- Muestra una vista esquemática de una segunda realización de Ia invención. La figura 4.- Muestra un detalle del inserto de acuerdo con una posible modalidad de Ia primera realización de Ia invención.

La figura 5.- Muestra una vista esquemática de un dispositivo con varios cátodos y un ánodo común a los cátodos.

Las figuras 6 y 7.- Muestran dos variantes de configuración de Ia parte de ánodo de Ia cámara.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La figura 1 muestra una imagen esquemática de un dispositivo de acuerdo con una primera realización de Ia invención. Para realizar un recubrimiento, Ia pieza a recubrir 1 se introduce en el interior de Ia cámara 2 en Ia que se realiza un vacío del orden de 5 x 10^"5 mbar y se calienta. Una vez alcanzada Ia temperatura y el grado de vacío requeridos, Ia cámara se llena con los gases de proceso adecuados (por ejemplo, argón, nitrógeno, acetileno...) hasta una presión de aproximadamente 7 x 10^'3 mbar. La presión se mantiene constante por el equilibrio establecido entre el gas que se introduce a través de unas válvulas reguladas y el que se aspira a través de un conjunto de bombas de alto vacío instaladas en Ia cámara (esta parte del sistema es convencional y no se ha ilustrado en las figuras, con el fin de facilitar Ia comprensión de Ia parte novedosa del sistema). Una vez hecho esto, se enciende un arco eléctrico de corriente continua que se establece entre una pieza que actúa de cátodo 7 y otra que actúa como ánodo 13. La pieza que actúa como cátodo 7 evapora material por efecto de Ia actuación del arco, y este material evaporado viaja a través del vacío parcial de Ia cámara para irse a depositar sobre Ia pieza 1 a recubrir. La evaporación se produce en una superficie de evaporación 71 del cuerpo del cátodo. El cátodo 7 está eléctricamente aislado de Ia cámara a través de una pieza aislante 6 interpuesta entre el cátodo 7 y las paredes de Ia cámara. En Ia figura 1 , también el ánodo 13 está aislado de Ia cámara mediante una pieza aislante 14 interpuesta, pero en numerosos casos el cuerpo de Ia cámara hace las veces de ánodo. Tal y como es convencional, tanto el cátodo 7 como el ánodo 13 cuentan con sistemas de refrigeración (no ilustrados). El cátodo y el ánodo están conectados a respectivos terminales de una fuente de alimentación 12 de corriente continua como las empleadas en Ia soldadura de elementos metálicos, y que está dotado de un sistema de encendido electrónico a base de breves pulsos de alta frecuencia (este tipo de sistemas de encendido son convencionales y se encuentras descritos en, por ejemplo, las patentes estadounidenses US-A-3008036, US-A-3154719 y US-A-3876855, por Io que este sistema de encendido no tiene que ser descrito con más detalle en esta patente.

A pesar del sistema de encendido electrónico que posee esta fuente de alimentación, Ia aplicación de tales pulsos a un evaporador de arco convencional no consigue provocar el encendido del arco, ya que Ia pieza que actúa como cátodo 7, y que evapora el material, habitualmente presenta una superficie plana y muy limpia, por Ia acción de Ia evaporación en vacío, y estas dos circunstancias dificultan Ia aparición de Ia chispa, por Io que habitualmente el sistema de encendido electrónico llega al limite de voltaje que tiene prefijado por razones de seguridad, sin haber conseguido provocar

Ia aparición de Ia chispa entre el cátodo y el ánodo. Alternativamente, también puede ocurrir que Ia chispa entre cátodo y ánodo se desdoble en dos chispas en serie, una entre el cátodo y Ia masa y otra entre Ia masa y el ánodo, y que ambas chispas se produzcan entre las superficies de esas partes que están situadas en el exterior de Ia cámara de vacío.

Para evitar todos estos problemas se ha previsto el inserto 100, configurado para optimizar Ia probabilidad del salto de Ia chispa desde el cátodo, que es el elemento más activo e importante en esta tarea, ya que Ia función del ánodo es prácticamente pasiva. El inserto 100 está colocado en el blanco de evaporación (constituido por el cuerpo del cátodo 7) y termina en una punta que sobresale con respecto a Ia superficie de evaporación 71. El inserto tiene una parte eléctricamente conductora 101 que está atravesado por un conducto 103 que desemboca en un orificio 102 en Ia punta del inserto. A través del conducto 103 se puede inyectar una bocanada de gas en el momento en el que está actuando el encendido electrónico de Ia fuente de alimentación 12; esta bocanada de gas sale del orificio 102 por Io que se produce un aumento de presión justo en Ia punta del inserto 100.

El campo eléctrico en una superficie equipotencial, como Ia de un metal, es inversamente proporcional a su radio de curvatura, por Io que si el radio de curvatura de Ia punta del inserto 100 es muy pequeño, el campo eléctrico en sus inmediaciones aumenta enormemente y con ello Ia probabilidad de ionizar el gas circundante, con Io que se facilita Ia formación de Ia chispa. A este fin también conviene que el orificio de salida del gas sea pequeño (por ejemplo, entre 1 y 2 mm), para conseguir que Ia presión local en el punto de salida sea elevada. Tal y como es habitual en este tipo de sistemas, el gas inyectado para el cebado puede ser argón, que es inerte y fácilmente ionizable.

El inserto 100 está fabricado en un material refractario, de forma que Ia acción momentánea del arco sobre Ia punta y el orificio de salida del gas en el momento del cebado no vaya causando un redondeamiento de Ia punta que disminuya su eficacia a largo plazo. Asimismo, el material debe ser Io suficientemente tenaz para tolerar sin fragmentarse el brusco calentamiento localizado provocado por el arco.

Existe el riesgo de que, aún en el caso de que exista un campo magnético que empuje al arco a alejarse del inserto, el arco tienda a cebarse en el inserto y no migre a Ia zona circundante, que es en fa que debe actuar para evaporar el material con el que va a recubrirse Ia pieza 1. Para reducir ese riesgo, conviene que el inserto esté fabricado en un material que el arco eléctrico tienda a evitar, a causa, por ejemplo, de su muy baja presión de vapor o de su rápido incremento de Ia resistividad eléctrica con Ia temperatura, de forma que una vez establecido el arco éste tienda espontáneamente a migrar a Ia superficie circundante. Por ello, en esta realización de Ia invención, Ia parte eléctricamente conductora 101 del inserto está fabricada en un material de un alto contenido en niobio (Nb), que es un material que reúne todas estas características convenientes para el inserto.

Para facilitar Ia producción de Ia chispa, Ia parte eléctricamente conductora 101 puede incluir en su composición elementos que emitan electrones naturalmente por efecto de su radiactividad natural (torio) y/o elementos con una acusada emisión de electrones por efecto termoiónico, a causa de presentar una muy bajo valor de Ia función trabajo (tales como las tierras raras, entre las que las que se encuentran el cerio y el lantano).

Aunque hubiera sido posible simplemente roscar Ia parte eléctricamente conductora 101 del inserto en el material de evaporación que constituye el cuerpo del cátodo 7, se debe tener en cuenta que este cuerpo puede ser de un material que puede presentar dificultades de mecanización. Por ello, se puede optar por roscar Ia parte eléctricamente conductora 101 en otra pieza 4, de manera que entre ambas piezas se comprima el material a evaporar. La pieza 4 apoya en Ia superficie externa del cuerpo del cátodo y se ha interpuesto una junta tórica 5 para asegurar el buen sellado de este punto, de forma que el fluido en contacto con Ia parte exterior del material de evaporación 7, que puede ser agua de refrigeración o el aire, no penetre en Ia cámara de vacío a través del orificio en el que está montado el inserto 100.

La introducción de gas simultáneamente con Ia aplicación de los pulsos de alta frecuencia se efectúa por medio de una válvula de apertura rápida 8, situada próxima al inserto 100 y que comunica con el orificio 102 del inserto. La cantidad de gas necesaria para facilitar Ia producción de Ia chispa disminuye con Ia distancia de Ia válvula 8 al orificio. Dicha cantidad de gas introducida es Ia que queda atrapada en el tramo 9, situado entre Ia válvula que regula Ia entrada 8 y otra válvula 10 que permite Ia carga con gas de ese reducto, a través de su conexión 11 a una fuente de suministro de gas. Cada vez que el gas encerrado en el tramo 9 se descarga a través de Ia válvula 8, este espacio se vuelve a cargar de gas a través de Ia válvula 10 (una vez que se haya vuelto a cerrar Ia válvula 8). El experto medio en Ia materia puede fácilmente elegir las dimensiones adecuadas de las conducciones de gas y de las distancias entre válvulas, como para obtener una inyección de una cantidad adecuada de gas, en función de las características concretas del dispositivo. Por ejemplo, en algunas aplicaciones puede ser suficiente suministrar 2 centímetros cúbicos de gas a presión estándar para provocar el encendido, Io que en Ia mayoría de los sistemas de producción supone una muy pequeña alteración del proceso, una alteración que puede resultar perfectamente asumible.

Conviene no inyectar más gas del estrictamente necesario para provocar el cebado del arco, ya que mientras se está produciendo Ia salida del gas por Ia punta del inserto el arco tiende a permanecer en el mismo, deteriorándolo, y evaporando el material del inserto en lugar del material del blanco circundante, Io cual también puede influir en Ia calidad del recubrimiento obtenido.

La figura 2 ilustra una configuración parecida a Ia de Ia figura 1 (los elementos idénticos llevan las mismas referencias numéricas), pero con Ia incorporación de un sistema magnético 15 de guiado del arco. Tal y como se describe en Ia patente estadounidense US-A-4724058, Ia existencia de un campo magnético que presente sobre Ia superficie del material de evaporación una trayectoria constituida por puntos en los que el campo magnético es paralelo a Ia superficie del cátodo, fuerza al punto caliente del arco eléctrico a seguir esa trayectoria. Colocando el inserto 100 para el cebado del arco en una posición exterior a esa trayectoria, se consigue que el campo magnético contribuya a disminuir el tiempo que el arco necesita para desplazarse desde el inserto 100 donde se produce el cebado, a Ia superficie de evaporación 71 del blanco de evaporación contigua. Adicionalmente, el conjunto magnético encargado de guiar el arco puede incluir entre sus componentes una o varias bobinas que permitan modificar Ia ubicación de Ia trayectoria seguida por el arco, tal y como se expone en Ia solicitud de patente internacional publ. no. WO-A-02/077318.

Por Io tanto, puede sincronizarse Ia acción del guiado magnético con Ia de cebado de forma que cuando quiera producirse el cebado el guiado magnético esté configurado para guiar al arco hacia Ia trayectoria más alejada del inserto 100, de forma que se maximice el empuje que el campo magnético ejerce sobre el arco para alejarlo del inserto.

La figura 4 ilustra un detalle de una posible configuración del inserto 100: para contribuir a reducir el tiempo que tarda el arco en migrar desde Ia zona de cebado hasta Ia zona de evaporación, Ia forma de Ia parte eléctricamente conductora que sobresale con respecto a Ia superficie de evaporación 71 puede ser tal y como se ilustra en Ia figura 4, es decir, sustancialmente cóncava. De esta manera, Ia parte eléctricamente conductora 101 presenta una superficie externa que hace una transición suave desde Ia punta, en Ia que Ia superficie del inserto 100 es prácticamente perpendicular a Ia superficie de evaporación 71 , hasta Ia base en Ia que confluye suavemente con Ia superficie de evaporación. De esta manera, se evitan discontinuidades en Ia superficie que pudieran servir para anclar el punto caliente del arco e impedir su migración a Ia superficie de evaporación 71.

La figura 3 ilustra una segunda realización de Ia invención. La estructura básica del dispositivo coincide con Ia de Ia figura 1 , y partes idénticas llevan las mismas referencias numéricas. Sin embargo, en este caso, se ha dotado al cátodo 7 de otro tipo de inserto 200, concretamente, de un inserto que comprende una parte eléctricamente conductora que comprende una base 203 que presenta un conducto de gas 204 que desemboca en un orificio 202 previsto en dicha base. Al lado del orificio 202 se encuentra una extensión 201 en forma de aguja que establece una punta muy aguda en una zona situada a poca distancia del orificio 202. La reducción en Ia efectividad para el cebado provocada por Ia disminución de

Ia presión de gas en las inmediaciones de Ia punta puede verse más que compensada por Ia disminución del radio de curvatura en Ia punta que puede conseguirse empleando un filamento suficientemente fino para dicha extensión 201 , y esto a su vez incrementa mucho el campo eléctrico en sus inmediaciones y por consiguiente, las probabilidades de ionización del gas circundante y de formación de Ia chispa.

A diferencia de Io expuesto en EP-A-0253435, los sistemas descritos más arriba no precisan de un ánodo auxiliar situado en sus inmediaciones, sino que el ánodo puede encontrarse en cualquier punto de Ia cámara, e incluso un mismo ánodo puede llegar a ser compartido por varios evaporadores, tal y como se ilustra en Ia figura 5, en Ia que se ve un conjunto de piezas 1 girando en torno de un eje vertical 18, inmerso en una cámara de forma mas o menos cilindrica, en cuyas paredes laterales hay instalados multitud de pequeños evaporadores constituidos por los respectivos cátodos 7, tal y como es habitual en los sistemas que existen hoy en día. Cada uno de estos cátodos está dotado de su correspondiente inserto 100 o 200, y todos ellos están conectados a un ánodo común y remoto 13. A diferencia de Io expuesto en EP-A-0253435, con el sistema de Ia presente invención no es necesario que el gas introducido para facilitar el encendido electrónico provoque un incremento de presión en las inmediaciones del ánodo (que sería Io mismo que decir en todo el conjunto de Ia cámara de vacío, dada Ia situación alejada del ánodo), sino que es suficiente con que este incremento de presión se produzca en las inmediaciones de Ia punta del inserto 100 o 200 colocado en el cátodo. El alejamiento del ánodo con respecto al cátodo, algo que resulta posible con Ia presente invención, puede ser ventajoso ya que dificulta que el salto de Ia chispa entre ambos elementos se produzca por Ia parte exterior de Ia cámara. La invención permite esto sin mermar Ia capacidad para que Ia chispa salte por el interior de Ia cámara de vacío, por Io que incrementa Ia fiabilidad del dispositivo. La figura 6 presenta otra configuración en Ia que Ia función de ánodo

13A para los múltiples evaporadores se ha asignado a las paredes de Ia cámara de vacío.

La figura 7 presenta aún otra configuración más en Ia que las fuentes de potencia tienen dos conexiones para ánodos: una que funciona como tal en Ia descarga de arco durante Ia mayor parte del tiempo y que está conectada a las paredes 13A de Ia cámara; y otra que está conectada a un ánodo individual 13 que se emplea solamente para el cebado del arco ya que resulta más ventajoso que las paredes de Ia cámara para esta función, por tener menor capacidad eléctrica, y resultar mas adecuado para Ia transmisión de Ia alta frecuencia, y porque de esta forma pueden alejarse físicamente cátodo y ánodo de cebado.

En este texto, Ia palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen Ia posibilidad de que Io descrito incluya otros elementos, pasos etc. Por otra parte, Ia invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en Ia materia (por ejemplo, en cuanto a Ia elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de Io que se desprende de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Dispositivo evaporador de arco catódico para Ia evaporación de material a presión subatmosférica para el recubrimiento de piezas (1 ), que comprende una cámara (2) de evaporación configurada para alojar al menos una pieza a recubrir, y en Ia cámara (2), al menos un cátodo (7) y al menos un ánodo (13, 13A), dispuestos de manera que se pueda establecer un arco eléctrico de evaporación en Ia cámara, entre dicho al menos un cátodo y dicho al menos un ánodo, comprendiendo dicho cátodo (7) un cuerpo de un primer material destinado a ser evaporado por dicho arco en una superficie de evaporación (71 ) del cátodo; caracterizado porque en dicha superficie de evaporación (71 ) de dicho cuerpo del cátodo (7) está situado al menos un inserto (100, 200) que tiene una parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) que sobresale con respecto a dicha superficie de evaporación (71 ), para establecer un punto de fácil formación de chispa, y porque el dispositivo además comprende un orificio (102, 202) de entrada de gas situado en correspondencia con dicha parte eléctricamente conductora (101 , 201 ), para Ia inyección de un gas en Ia cámara (2) en correspondencia con dicha parte eléctricamente conductora, para facilitar Ia formación de una chispa en el punto de fácil formación de chispa.

2.- Dispositivo de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) que sobresale con respecto a Ia superficie de evaporación termina en una punta.

3.- Dispositivo según Ia reivindicación 2, caracterizado porque el orificio (102) está situado en dicha punta.

4.- Dispositivo según Ia reivindicación 3, caracterizado porque el orificio (102) constituye Ia salida de un conducto (103) que se extiende por dicha parte eléctricamente conductora (101).

5.- Dispositivo según Ia reivindicación 2, caracterizado porque el orificio (202) se sitúa en una zona próxima a Ia punta.

6.- Dispositivo según Ia reivindicación 5, caracterizado porque el inserto comprende una base (203) en Ia que se encuentra el orificio (202), y una extensión (201 ) en forma de aguja que se extiende desde dicha base de manera que establece Ia punta a una distancia de dicha base.

7.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el orificio tiene un diámetro inferior a 3 mm.

8.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) es de un material refractario.

9.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) es de un material con una baja presión de vapor, y/o con un rápido incremento de resistividad eléctrica con Ia temperatura, y/o con una baja conductividad térmica.

10.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) es de un material que comprende al menos un 30% en peso de una sustancia seleccionada del grupo que comprende Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Re y W, o de una combinación de dichas sustancias.

11.- Dispositivo según Ia reivindicación 10, caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) comprende al menos un 30% en peso de Nb.

12.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) es de un material que incluye elementos que emiten electrones por radiación natural.

13.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parte eléctricamente conductora (101 , 201 ) es de un material que incluye elementos que emiten electrones por efecto termoiónico.

14.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el inserto (100, 200) atraviesa el cuerpo del cátodo (7).

15.- Dispositivo según Ia reivindicación 14, caracterizado porque el inserto (100, 200) comprende, en adición a Ia parte eléctricamente conductora (101 ,

201 ), una parte externa (4) en Ia que está enroscada Ia parte eléctricamente conductora, estando dicha parte externa (4) apoyada en una superficie exterior de Ia cámara.

16.- Dispositivo según Ia reivindicación 15, caracterizado porque dicha parte externa (4) está apoyada en dicha superficie exterior de Ia cámara con Ia interposición de una junta tórica (5).

17.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema eléctrico de encendido que comprende medios para generar pulsos eléctricos de alta frecuencia entre ánodo (13, 13A) y cátodo (7), para encender el arco.

18.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un sistema (8, 9, 10, 11) de inyección de gas a través del orificio (102, 202), comprendiendo dicho sistema de inyección de gas una válvula de abertura rápida (8).

19.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende un sistema (15) de guiado magnético de arco.

20.- Dispositivo según Ia reivindicación 19, caracterizado porque dicho sistema (15) de guiado magnético está configurado para desplazar el arco según una trayectoria, estando el inserto situado alejado de dicha trayectoria.

21.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos dos ánodos (13, 13A), estando el dispositivo configurado de manera que al menos un primer ánodo (13) hace función de ánodo en una fase de encendido del arco, y de manera que al menos un segundo ánodo (13A) hace función de ánodo durante operación del dispositivo una vez encendido el arco.

22.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-20, caracterizado porque comprende una pluralidad de cátodos (7) y sólo un ánodo (13).

23.- Método para encender un arco en un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende los pasos de inyectar una cantidad de gas por el orificio (102, 202) y aplicar pulsos eléctricos de alta frecuencia entre ánodo y cátodo, para encender el arco.

24.- Método según Ia reivindicación 23, caracterizado porque Ia alta frecuencia es una frecuencia de entre 0,5 y 10 Mhz.

25.- Método según cualquiera de las reivindicaciones 23 y 24, caracterizado porque el gas que se inyecta es un gas fácilmente ionizable.

26.- Método según Ia reivindicación 25, caracterizado porque dicho gas es argón, kriptón o xenón.