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DE102006036711B3 - Preparation of oxidic coating material based on refractive metals, useful e.g. for treating cathode tubes, comprises providing oxide powder into a vacuum arc furnace and melting the powder under inert gas atmosphere to a fusion body - Google Patents

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DE102006036711B3
DE102006036711B3 DE200610036711 DE102006036711A DE102006036711B3 DE 102006036711 B3 DE102006036711 B3 DE 102006036711B3 DE 200610036711 DE200610036711 DE 200610036711 DE 102006036711 A DE102006036711 A DE 102006036711A DE 102006036711 B3 DE102006036711 B3 DE 102006036711B3
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vacuum arc
melting
powder
blanks
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Karl-Uwe van Dipl.-ing. Osten
Claudia Dütsch
Sven Reiner
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GfE Metalle und Materialien GmbH
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Abstract

Preparation of oxidic coating material based on refractive metals comprises providing oxide powder or a compacted tablet-like blank of the refractive metal oxide from the oxide powder, providing the powder or the blanks into a vacuum arc furnace with stationary tungsten electrode, and melting the powder or the blank in the vacuum arc furnace under inert gas atmosphere to a fusion body.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oxidischer Beschichtungswerkstoffe auf der Basis von Refraktärmetallen, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal.The The invention relates to a process for the production of oxidic coating materials based on refractory metals, such as titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium or tantalum.

Zum Stand der Technik ist festzuhalten, dass Beschichtungswerkstoffe auf der Basis von Oxiden oder Suboxiden von z.B. Niob, Tantal, Titan, Hafnium und dergleichen marktüblich in Form von nicht vorgeschmolzenen Pulvern, Granulaten, Granalien, Tabletten, Scheiben oder ähnlichen Formkörpern als Bedampfungsmaterialien zum Einsatz in Verdampfungsprozessen verfügbar sind. Die Anwendungsgebiete dieser Aufdampfrohstoffe sind vielfältig, wie beispielsweise Antireflexionsschichten, Interferenzfilter, Multilayer-Schichten für Laser- und Hitzereflexionsspiegel, Multilayer-Schichten im UV-Bereich, Schutzschichten, hoch brechende Schichten, Herstellung hoch qualitativer Membranen oder dielektrische Schichten für Dünnschichtkondensatoren.To the The prior art states that coating materials based on oxides or suboxides of e.g. Niobium, tantalum, titanium, Hafnium and the like market in the form of non-premelted powders, granules, granules, Tablets, discs or similar moldings as vapor deposition materials for use in evaporation processes available are. The fields of application of these Aufdampfrohstoffe are many, such as for example, antireflection layers, interference filters, multilayer layers for laser and heat reflecting mirrors, multilayer coatings in the UV range, protective coatings, high-breaking layers, production of high-quality membranes or dielectric layers for Thin film capacitors.

Derartige Beschichtungswerkstoffe werden – wie beispielsweise aus DE 43 02 167 C1 , DE 100 65 647 A1 , DE 103 07 095 A1 oder DE 10 2004 049 996 A1 bekannt ist, durch Bereitstellung entsprechender Oxyde oder Oxydmischungen hergestellt, die zu Formkörpern gepresst und gesintert werden. Die letztgenannte Druckschrift offenbart ferner, dass Ta2O5 als aufzudampfender Beschichtungswerkstoff vor dem eigentlichen Verdampfen in einem vorgelagerten Verfahrensschritt vorgeschmolzen wird, um einen Druckanstieg durch Sauerstofffreisetzung zu vermeiden.Such coating materials are - such as DE 43 02 167 C1 . DE 100 65 647 A1 . DE 103 07 095 A1 or DE 10 2004 049 996 A1 is known, prepared by providing appropriate oxides or Oxydmischungen that are pressed into shaped bodies and sintered. The latter document further discloses that Ta 2 O 5 is pre-melted as a coating material to be evaporated before the actual evaporation in an upstream process step to avoid a pressure increase by oxygen release.

Ferner sind die vorgenannten Oxide in vorgeschmolzener Form mittels Elektronenstrahlverdampfung auf dem Markt verfügbar. Auf Basis dieses Herstellungsverfahrens werden Pulver, Granulate, Granalien, Kegel, Stäbchen, Scheiben und Stücke für alle Elektronenstrahl-Beschichtungsplattformen angeboten. Verfügbare Materialien sind z. Zt. Al2O3, HfO2, Ta2O5, TiO2 und ZrO2.Furthermore, the aforementioned oxides in pre-melted form are available on the market by electron beam evaporation. Based on this manufacturing process, powders, granules, granules, cones, rods, discs and pieces are offered for all electron beam coating platforms. Available materials are z. Zt. Al 2 O 3 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , TiO 2 and ZrO 2 .

Schließlich ist für Herstellung oxidischer Beschichtungswerkstoffe das Plasmaspritzen bekannt. Hierbei stellt sich das Problem, dass die Ausgangsstoffe nicht komplett aufgeschmolzen werden, da das in den Lichtbogen geförderte Pulver nur eine kurze Verweilzeit hat. Insoweit ist es auch schwierig, substöchiometrische Oxide präzise einzustellen.Finally is for production oxidic coating materials known plasma spraying. in this connection poses the problem that the starting materials are not complete be melted, as the pumped into the arc powder has only a short residence time. In that sense it is also difficult substoichiometric Oxides precisely adjust.

Die gleichen Nachteile gelten für die Herstellung von geschmolzenen Oxiden über einen Drei-Phasen-Lichtbogenofen, da dieses Verfahren zu einer Kontamination des herzustellenden Werkstoffes mit Kohlenstoff führt. Dies schließt die so hergestellten Materialien für qualitativ hochwertige PVD-Beschichtungen aus. Reaktionsgesinterte Produkte können eingesetzt werden, sind aber kostenseitig unattraktiv.The same disadvantages apply to the production of molten oxides via a three-phase electric arc furnace, since this method leads to contamination of the material to be produced with carbon leads. This concludes the materials thus produced for high quality PVD coatings out. Reaction sintered products can be used but unattractive on the cost side.

Grundsätzlich ist das Schmelzen von Oxiden im Vakuumlichtbogenofen (VLBO) wegen fehlender elektrischer Leitfähigkeit des Oxides nicht für möglich gehalten worden.Basically the melting of oxides in the vacuum arc furnace (VLBO) because of missing electrical conductivity the oxide is not for possible been held.

Ausgehend von den oben geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung oxidischer Beschichtungswerkstoffe auf der Basis von Refraktärmetallen, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal anzugeben, auf dessen Basis die damit hergestellten Beschichtungswerkstoffe mit ver besserten Verdampfungseigenschaften kostengünstig und produktionstechnisch vereinfacht hergestellt werden können.outgoing from the above-described problems of the prior art The invention is based on the object, a method for producing oxidic coating materials based on refractory metals, such as titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium or tantalum, on the basis of which the coating materials produced therewith with ver improved evaporation properties cost and production technology can be simplified.

Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebene Verfahren gelöst, das folgende Schritte umfasst:

  • – Bereitstellen von Oxidpulver oder daraus kompaktierten, tablettenartigen Rohlingen des Refraktärmetalloxids,
  • – Eingeben des Pulvers oder der Rohlinge in einen Vakuumlichtbogenofen mit stationärer Wolframelektrode,
  • – Schmelzen des Pulvers oder der Rohlinge im Vakuumlichtbogenofen unter Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise unter Argon, Helium oder Wasserstoff, zu einem Schmelzkörper.
This object is achieved by the method specified in the characterizing part of claim 1, which comprises the following steps:
  • Providing oxide powder or compacted, tablet-like blanks of the refractory metal oxide,
  • Introducing the powder or the blanks into a vacuum arc furnace with stationary tungsten electrode,
  • - Melting of the powder or blanks in a vacuum arc furnace under a protective gas atmosphere, preferably under argon, helium or hydrogen, to a melted body.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einer Schaltung des Stromflusses mit kathodischen Schmelzkokille und einer anodischen Schmelzelektrode sowie bei den gewählten Schmelzparamtern sich beim Auftreffen des gerade gezündeten Lichtbogens auf das nichtleitende Oxid „in statu nascendi" der ersten Schmelzphase die genannten Oxide durch eine sich einstellende Unterstöchiometrie aufgrund eines Sauerstoffaustrages elektrisch leitfähig werden und somit im Vakuumlichtbogenofen geschmolzen werden können. Die o.a. Schaltung mit kathodischem Schmelzgut führt dabei dazu, dass der Energieeintrag in das Schmelzgut über den fließenden Strom deutlich erhöht ist.Surprisingly, it has been found that, in particular in a circuit of the current flow with cathodic crucible and anodic melting electrode and in the selected melt parameters when striking the just ignited arc on the non-conductive oxide "in statu nascendi" of the first melt phase said oxides by a self-adjusting Substoichiometry due to an oxygen discharge are electrically conductive and thus can be melted in a vacuum arc furnace. The above circuit with cathodic melt leads to the fact that the energy input is significantly increased in the melt over the flowing stream.

Die derart hergestellten geschmolzenen Oxide haben gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten gesinterten Oxiden als PVD-Beschichtungswerkstoff mehrere Vorteile in Bezug auf ihr Einsatzgebiet und der Wirtschaftlichkeit der damit durchgeführten Beschichtungsprozes se. So zeigen die geschmolzenen Oxide während des Verdampfungsprozesses ein reduziertes Ausgasen und geringeres Spritzen. Die Materialien erlauben längere Beschichtungsläufe wegen ihrer erhöhten Dichte. Aufgrund dieser Eigenschaften können die Zykluszeiten innerhalb von beispielsweise PVD-Elektronenstrahlbeschichtungsanlagen herabgesetzt werden, was zu einer wirtschaftlicheren Beschichtung führt. Insbesondere kann das bisher notwendige Vorschmelzen innerhalb der Elektronenstrahlbeschichtungsanlagen entfallen. Zusammenfassend wird also eine kostengünstige Herstellungsvariante zur Erzeugung von geschmolzenen Oxiden und Suboxiden durch die Erfindung erzielt. Diese geschmolzenen Oxide bzw. Suboxide finden als PVD-Beschichtungswerkstoff in Form etwa als Granulat oder Tabletten, Target, oder eines anders gearteten Körpers beispielsweise in Elektronenstrahlbeschichtungs- oder Sputteranlagen Anwendung. Die sich beim Schmelzprozess unter Schutzgasatmosphäre einstellende elektrische Leitfähigkeit der genannten Oxide bzw. Mischungen zur Herstellung von Suboxiden ist hierbei eine Grundvoraussetzung für das Schmelzen der jeweiligen Materialien im Vakuumlichtbogen. Dabei kann die elektrische Leitfähigkeit der sonst als Nichtleiter bekannten Materialien durch Dotierungsmaßnahmen mit Metallen, Oxiden, wie beispielsweise Titan oder Al2O3 (zur Spinellbildung), oder Suboxiden wie z.B. TiO oder durch den Schmelzprozess selbst über den Energieeintrag des Lichtbogens bzw. Plasmas in sauerstoffdefizitärer Umgebung ohne Zugabe weiterer Elemente erreicht werden.The molten oxides prepared in this way have several advantages over the sintered oxides known from the prior art as PVD coating material in terms of their field of application and the cost effectiveness of the coating processes carried out therewith. Thus, during the evaporation process, the molten oxides exhibit reduced outgassing and less splashing , The materials allow longer coating runs because of their increased density. Because of these characteristics, cycle times within, for example, PVD electron beam coating equipment can be reduced, resulting in a more economical coating. In particular, the previously required premelting can be omitted within the electron beam coating equipment. In summary, therefore, a cost-effective production variant for producing molten oxides and suboxides is achieved by the invention. These molten oxides or suboxides are used as PVD coating material in the form, for example, of granules or tablets, target, or another type of body, for example in electron beam coating or sputtering systems. The electrical conductivity of the abovementioned oxides or mixtures for producing suboxides which occurs during the melting process under a protective gas atmosphere is a basic prerequisite for the melting of the respective materials in a vacuum arc. In this case, the electrical conductivity of the otherwise known as non-conductive materials by doping with metals, oxides such as titanium or Al 2 O 3 (for spinel formation), or suboxides such as TiO or by the melting process itself on the energy input of the arc or plasma in Oxygen deficient environment without adding other elements can be achieved.

Das Schmelzen im Vakuumlichtbogenofen ist im Übrigen zur Erzeugung geschmolzener Oxide weit kostengünstiger als z.B. ein Elektronenstrahlofen oder die Sintertechnologie.The Incidentally, melting in a vacuum arc furnace is melted for generation Oxides far cheaper as e.g. an electron beam furnace or the sintering technology.

Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 kennzeichnen vorteilhafte Betriebsbedingungen und Anlagenspezifikationen für einen Versuchs-Vakuumlichtbogenofen zum Schmelzen der oxidischen Beschichtungswerkstoffe. Nähere Angaben hierzu sind der Beschreibung der Ausführungsbeispiele entnehmbar.The dependent claims 2 to 8 indicate advantageous operating conditions and plant specifications for one Experimental vacuum arc furnace for melting the oxide coating materials. details Information on this can be found in the description of the exemplary embodiments.

Typische Parameter einer VLBO-Produktion sind z.B. Stromstärken bis zu 2.800 A bei 15 bis 30 Volt und Prozessgasdrücke von 100 bis 800 mbar.typical Parameters of a VLBO production are e.g. Current levels up to 2,800 A at 15 to 30 volts and process gas pressures of 100 to 800 mbar.

Durch die im Anspruch 9 angegebene mehrmalige Anwendung des Schmelzprozesses auf den Schmelzkörper wird vermieden, dass in diesem noch unaufgeschmolzene Materialdomänen bestehen bleiben.By the specified in claim 9 multiple use of the melting process on the enamel body it is avoided that in this still unmelted material domains exist stay.

Gemäß Anspruch 10 können zur Herstellung stöchiometrischer Schmelzoxide reine Oxidpulver oder daraus kompaktierte Rohlinge eingesetzt werden. Demgegenüber werden zur Herstellung substöchiometrischer Schmelzoxide Mischungen des reinen Oxides und des entsprechenden Metalls für die Bereitstellung des Pulvers oder kompaktierten Rohlings verwendet.According to claim 10 can for the production of stoichiometric Melt oxides pure oxide powder or blanks compacted from it be used. In contrast, are used to produce substoichiometric Melt oxides Mixtures of pure oxide and the corresponding Metal for the provision of the powder or compacted blank used.

Laut Anspruch 12 ist es möglich, lediglich pulverkompaktierte Rohlinge in Form von gepressten Grünlingen in Tablettenart aufzuschmelzen und die gewünschten Eigenschaften über die Oxidpulver-Mischung vorab einzustellen. Damit kann der Produktionsschritt des Sinterns und falls notwendig auch ein Entgasen bei dieser Herstellungsroute entfallen. Für qualitativ hochwertige Schmelzbeschichtungswerkstoffe können die kompaktierten Rohlinge natürlich auch als gesinterte Tabletten bereitgestellt werden, die gegebenenfalls noch entgast werden, wie dies in den Ansprüchen 13 und 14 angegeben ist. Durch die nach Anspruch 15 zu dem Oxidpulver oder den daraus kompaktierten Rohlingen vorgesehenen Beimischungen von Dotierungsmaterialien aus Metallen oder Oxiden der Gruppen IIIb bis VIIIb, Ib, IIb, IIIa und/oder IVa in einem An teil von 0,002 Gew.% bis 50 Gew.% können PVD-Beschichtungswerkstoffe für die Herstellung dünner Schichten hergestellt werden, die über physikalische Beschichtungsverfahren auf Substratwerkstoffen aus Kunststoffen, Metallen oder Keramiken zur Erzeugung transparenter oder elektrisch leitfähiger, korrosionsresistenter, farbgebender oder informationsspeichernder Eigenschaften eingesetzt werden können.Loud Claim 12 it is possible only powder-compacted blanks in the form of pressed green bodies melt in tablet and the desired properties on the Pre-adjust oxide powder mixture. This can be the production step sintering and, if necessary, degassing at this production route omitted. For High quality hot melt coating materials can be used compacted blanks of course also be provided as sintered tablets, optionally are still degassed, as indicated in claims 13 and 14. By according to claim 15 to the oxide powder or the compacted therefrom Blanks provided admixtures of doping materials Metals or oxides of Groups IIIb to VIIIb, Ib, IIb, IIIa and / or IVa in a proportion of 0.002 wt.% To 50 wt.% PVD coating materials for the Making thinner Layers are made using physical coating techniques on substrate materials made of plastics, metals or ceramics for producing transparent or electrically conductive, corrosion-resistant, coloring or information-storing properties used can be.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrererFurther Features, details and advantages of the method according to the invention result from the following description of several

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Grundsätzlich werden die Beschichtungswerkstoffe in einem Vakuumlichtbogenofen mit wassergekühlter Kupferkokille und stationärer Wolframelektrode geschmolzen. Diese Oxide können z.B. in Form von gesinterten, entgasten bzw. nicht-entgasten Tabletten oder als aus Pulver gepresste Grünlinge bereitgestellt werden. Ebenso ist durch Zugabe von Metallen oder Oxiden bzw. Suboxiden die Herstellung substöchiometrischer Schmelzoxide möglich. Auch reicht ein reines Aufschmelzen der Oxide zur Erzielung der notwendigen elektrischen Leitfähigkeit aus.Basically, the coating materials are melted in a vacuum arc furnace with water-cooled copper mold and stationary tungsten electrode. These oxides can be provided, for example, in the form of sintered, degassed or non-degassed tablets or as green compacts pressed from powder the. Likewise, by the addition of metals or oxides or suboxides, the production of substoichiometric melt oxides is possible. Also, a mere melting of the oxides to achieve the necessary electrical conductivity is sufficient.

Durch die Zugabe des jeweiligen Metalls zum entsprechenden Oxid können beim Schmelzen beispielsweise NbO2, TaO2, Ti2O3 und Ti3O5 aus den jeweiligen Ausgangsoxiden hergestellt werden.By adding the respective metal to the corresponding oxide, for example NbO 2 , TaO 2 , Ti 2 O 3 and Ti 3 O 5 can be prepared from the respective starting oxides during melting.

Das Tiegelmaterial wird bei dem Schmelzprozess jeweils dem zu schmelzenden Oxid angepasst, um mögliche Verunreinigungen aus artfremdem Tiegelmaterial zu vermeiden. Dies bedeutet, dass die Tiegel in der Kokille des Vakuumlichtbogenofens jeweils aus dem entsprechenden Metall, wie beispielsweise Niob, Tantal oder Titan gefertigt sind.The Crucible material is melted in the melting process Oxid adapted to possible Avoid contamination from non-type crucible material. This means that the crucibles in the mold of the vacuum arc furnace each of the corresponding metal, such as niobium, Tantalum or titanium are made.

Die Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde im Versuchsmaßstab unter Verwendung von Niob-, Tantal-, Titan- und Hafniumoxid als Ausgangsoxide verifiziert. Es wurden gesinterte, entgaste und gesinterte, nicht-entgaste Tabletten mit einem Durchmesser von 7 bis 10 mm hergestellt. Die Versuchsmengen betrugen zwischen 30 g und 110 g pro Schmelzansatz.The feasibility the method according to the invention was on trial scale using niobium, tantalum, titanium and hafnium oxide as Source oxides verified. Sintered, degassed and sintered, Non-degassed tablets manufactured with a diameter of 7 to 10 mm. The experimental amounts were between 30 g and 110 g per melt.

Ferner wurden Oxidpulver in Versuchsmengen von 25 g bis 50 g pro Schmelzansatz eingesetzt. Dabei wurden stöchiometrische Pulver mittels einer Handtablettenpresse zu Tabletten mit einem Durchmesser von 27 mm kompaktiert.Further were oxide powders in experimental quantities of 25 g to 50 g per melt used. These were stoichiometric Powder by means of a hand-held tablet press to tablets with one Diameter of 27 mm compacted.

Substöchiometrische Oxidpulver wurden durch Vorlage von stöchiometrischem Oxidpulver und dem jeweils entsprechenden Metallpulver vorgelegt und mit einer 20t-Presse zu Tabletten mit einem Durchmesser von 55 mm kompaktiert.substoichiometric Oxide powders were prepared by the introduction of stoichiometric oxide powder and submitted to the respective corresponding metal powder and with a 20t press compacted into tablets with a diameter of 55 mm.

Die Tabletten bzw. kompaktierten Rohlinge auf der Basis von Oxid- bzw. Suboxidpulver wurden in einen in der Kupferkokille des Vakuumlichtbogenofens eingebauten Tiegel aus dem entsprechenden Metallmaterial gelegt. Danach wurde der Vakuumlichtbogenofen kurz für eine Zeitdauer von 1 bis 2 Minuten evakuiert und mit dem Schutzgas Argon gespült. Anschließend wurden nochmals 15 bis 30 Minuten auf einen Sollwert von unter 0,2 bar evakuiert. Bei kompaktierten Oxidpulvern betrug die Evakuierungszeit 30 bis 45 Minuten.The Tablets or compacted blanks based on oxide or Suboxide powders were placed in one in the copper mold of the vacuum arc furnace built-in crucible made of the appropriate metal material. Thereafter, the vacuum arc furnace became short for a period of 1 to Evacuated for 2 minutes and purged with the protective gas argon. Subsequently were another 15 to 30 minutes to a setpoint of less than 0.2 bar evacuated. For compacted oxide powders, the evacuation time was 30 to 45 minutes.

Anschließend wurden das Vakuumventil geschlossen, der Vakuumlichtbogenofen mit 450 bis 500 mbar mit dem Schutzgas Argon geflutet, die Kupferkokille mit Kühlwasser gekühlt und der Schmelzvorgang gestartet.Subsequently were closed the vacuum valve, the vacuum arc furnace with 450 bis 500 mbar with the inert gas argon flooded, the copper mold with cooling water chilled and the melting process started.

Dabei wurde der Ofen so geschaltet, dass die Kokille als Kathode wirkte. Die Stromaufnahme des Vakuumlichtbogenofens lag je nach zu schmelzendem Material zwischen 400 A und 550 A.there The oven was switched so that the mold acted as a cathode. The current consumption of the vacuum arc furnace was depending on the melting Material between 400 A and 550 A.

Nach dem Schmelzvorgang wurde zur schnelleren Abkühlung des Schmelzgutes 200 bis 300 mbar Argon zugegeben. Nach 15 bis 20 Minuten wurde die Kühlwasserversorgung unterbrochen, der Vakuumlichtbogenofen belüftet und der geschmolzene Schmelzkörper entnommen.To the melting process was for faster cooling of the melt 200th added to 300 mbar argon. After 15 to 20 minutes was the cooling water supply interrupted, ventilated the vacuum arc furnace and removed the molten fusible link.

Bei den meisten Schmelzansätzen war mindestens ein zweites Aufschmelzen nötig, da nach dem ersten Mal an der Unterseite des knopfförmigen Schmelzkörpers unaufgeschmolzenes Material erkennbar war. Für den zweiten Aufschmelzvorgang wurde der Schmelzkörper gedreht.at most melting approaches At least a second melting was necessary, since after the first time at the bottom of the button-shaped melting body Unmelted material was recognizable. For the second melting process became the enamel body turned.

Die vorstehend erwähnten Oxide wurden in verschiedenen Zustandsformen, wie Tabletten, Tabletten unter Zugabe von Metall und kompaktierte Pulver einzeln aufgeschmolzen. In der der Beschreibung angehängten Tabelle 1 sind die unterschiedlichen Schmelzansätze aufgeführt und mit den Ansatznummern 1 bis 7 gekennzeichnet.The mentioned above Oxides were in various state forms, such as tablets, tablets under Addition of metal and compacted powder individually melted. In the appended to the description Table 1 lists the different melting batches and the batch numbers 1 to 7 marked.

Die Ergebnisse der unterschiedlichen Schmelzansätze sind in der ebenfalls am Ende der Beschreibung zu findenden Tabelle 2 dargestellt. Zur Erstellung dieser Tabelle wurden die geschmolzenen oxidischen Beschichtungswerkstoffe noch verschiedenen Analysen unterzogen, nämlich einer Röntgenbeugungsanalyse (Phasenanalyse) und einer Leitfähigkeitsmessung, die indirekt über den Durchgangswiderstand mithilfe eines Multimeters durchgeführt wurde.The Results of the different melting approaches are also in the End of the description to be found Table 2 shown. To create this table was the molten oxide coating materials subjected to different analyzes, namely an X-ray diffraction analysis (phase analysis) and a conductivity measurement, the indirectly over the volume resistance was performed using a multimeter.

Die Leitfäihigkeit ist dabei wie folgt qualifiziert:

  • – 0,1 bis 10 Ω = sehr gut leitfähig
  • – 10 bis 50 Ω = gut leitfähig
  • – ≥ 100 Ω = schlecht leitfähig.
The executability is qualified as follows:
  • - 0.1 to 10 Ω = very good conductivity
  • - 10 to 50 Ω = good conductivity
  • - ≥ 100 Ω = poorly conductive.

Die in den beigefügten Tabellen vorgestellten, schmelzmetallurgisch produzierten Oxide und Suboxide sind spröde, zu Granulat weiterverarbeitbar und weisen elektrische Leitfähigkeit in unterschiedlichen Intensitäten auf. Grundsätzlich ergibt sich aus den Versuchen, dass das Kompaktieren der Tabletten aus Oxid- und Suboxidpulvern ohne Presshilfsmittel ausreichend ist, um ein Aufschmelzen im Vakuumlichtbogenofen zu ermöglichen.The in the attached Tables presented, melt-metallurgically produced oxides and suboxides are brittle, can be processed into granules and have electrical conductivity in different intensities on. in principle results from the experiments that compacting the tablets is sufficient from oxide and suboxide powders without pressing aids, to allow melting in a vacuum arc furnace.

Zusammenfassend führt das Schmelzen von Oxiden im Vakuumlichtbogenofen mit Wolframelektrode in der Praxis zu folgenden Anwendungsmöglichkeiten:

  • – Es können planare Targets von mindestens 100 mm × 100 mm, bevorzugt 150 mm × 150 mm, mit anschließendem Bonden auf einer Kupfer-Rückplatte hergestellt werden.
  • – Targets können aus Niob-, Tantal-, Titan- oder Hafniumoxiden bis hin zu Suboxidtargets für die Sputtertechnologie hergestellt werden.
  • – Halbzeuge und Kacheln z.B. für die Glasindustrie oder das reaktive Sputtern können gefertigt werden.
  • – Suboxid-Rohrkathoden sind ebenfalls denkbar.
Ausgangsmaterial Zustandsform Nb2O5 Ta2O5 TiO2 HfO2 Tabletten gesintert, entgast 1 1 1 gesintert, nicht entgast 2 2 2 2 gesintert, entgast + gesintert, nicht entgast 3 3 3 Tabletten + Metall gesinterte, entgaste Nb2O5-Tabletten + Zugabe Nb (für Suboxid NbO2) 4 gesinterte, entgaste Ta2O5-Tabletten + Zugabe Ta (für Suboxid TaO2) 4 gesinterte, entgaste TiO2-Tabletten + Zugabe Ti (für Suboxid Ti2O3) 4 kompaktierte Pulver Ti3O5 entgast, wärmebehandelt, gemischt aus Ti/TiO2 5 Ti3O3 gemischt aus Ti/TiO2 6 Nb2O5 7 Ta2O5 7 TiO2 7 HfO2 7
  • Schmelzansätze gekennzeichnet mit Nr. 1 bis Nr. 7
In summary, the melting of oxides in the vacuum arc furnace with tungsten electrode in practice leads to the following application possibilities:
  • Planar targets of at least 100 mm × 100 mm, preferably 150 mm × 150 mm, with subsequent bonding to a copper backplate can be produced.
  • - Targets can be made from niobium, tantalum, titanium or hafnium oxides to suboxide targets for sputtering technology.
  • - Semi-finished products and tiles, eg for the glass industry or reactive sputtering can be manufactured.
  • - Suboxide tube cathodes are also conceivable.
starting material state form Nb 2 O 5 Ta 2 O 5 TiO 2 HfO 2 tablets sintered, degassed 1 1 1 sintered, not degassed 2 2 2 2 sintered, degassed + sintered, not degassed 3 3 3 Tablets + metal sintered, degassed Nb 2 O 5 tablets + Nb addition (for suboxide NbO 2 ) 4 sintered, degassed Ta 2 O 5 tablets + addition Ta (for suboxide TaO 2 ) 4 sintered, degassed TiO 2 tablets + Ti addition (for suboxide Ti 2 O 3 ) 4 compacted powders Ti 3 O 5 degassed, heat treated, mixed with Ti / TiO 2 5 Ti 3 O 3 mixed with Ti / TiO 2 6 Nb 2 O 5 7 Ta 2 O 5 7 TiO 2 7 HfO 2 7
  • Melt mixtures marked with No. 1 to No. 7

Tabelle 1

Figure 00110001
Table 1
Figure 00110001

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung oxidischer Beschichtungswerkstoffe auf der Basis von Refraktärmetallen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen von Oxidpulver oder von daraus kompaktierten, tablettenartigen Rohlingen des Refraktärmetalloxids, – Eingeben des Pulvers oder der Rohlinge in einen Vakuumlichtbogenofen mit stationärer Wolframelektrode, – Schmelzen des Pulvers oder der Rohlinge im Vakuumlichtbogenofen unter Schutzgasatmosphäre zu einem Schmelzkörper.Process for the production of oxidic coating materials based on refractory metals, characterized by the following process steps: - Provide of oxide powder or of compacted, tablet-like blanks the refractory metal oxide, - Enter of the powder or blanks in a vacuum arc furnace stationary Tungsten electrode, - Melting of the powder or blanks in a vacuum arc furnace under a protective gas atmosphere to a melt body. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Refraktärmetalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal verwendet werden.Method according to claim 1, characterized in that that as refractory metals Titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium or tantalum become. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuumlichtbogenofen mit während des Schmelzprozesses wassergekühlter Kupferkokille eingesetzt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that a vacuum arc furnace with during the melting process water-cooled Copper mold is used. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel des Vakuumlichtbogenofens aus dem jeweils herzustellenden Schmelzmetalloxid entsprechenden Metall besteht.Method according to claim 2 or 3, characterized that the crucible of the vacuum arc furnace from each produced Melt metal oxide corresponding metal. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumlichtbogenofen vor dem Schmelzprozess mindestens einmal evakuiert und mit Schutzgas, vorzugsweise Argon, Helium und/oder Wasserstoff gespült wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the vacuum arc furnace before the melting process evacuated at least once and with inert gas, preferably argon, helium and / or hydrogen rinsed becomes. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromaufnahme des Vakuumlichtbogenofens zwischen 200 A und 3.000 A liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the power consumption of the vacuum arc furnace between 200 A and 3,000 A. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schmelzprozesses der Tiegel unter einer Helium-, Wasserstoff- oder Argonatmosphäre oder Mischungen hieraus von einem Druck von 100 mbar bis 750 mbar steht.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that during of the melting process the crucible under a helium, hydrogen or argon atmosphere or mixtures thereof from a pressure of 100 mbar to 750 mbar stands. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzkokille des Vakuumlichtbogenofens kathodisch geschaltet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the melting mold of the vacuum arc furnace is switched cathodically. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Schmelzkörper mindestens ein weiteres Mal dem Schmelzprozess unterworfen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the at least one further melting body Is subjected to the melting process. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung stöchiometrischer Schmelzoxide reine Oxidpulver oder daraus kompaktierte Rohlinge eingesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that for the production of stoichiometric melt oxides pure oxide powder or compacted blanks are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung substöchiometrischer Schmelzoxide eine Mischung des reinen Oxides und des entsprechenden Metalls für die Bereitstellung des Pulvers oder kompaktierten Rohlings verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized that for the production of substoichiometric Melt oxides a mixture of pure oxide and the corresponding ones Metal for the provision of the powder or compacted blank used becomes. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kompaktierten Rohlinge als gepresste Grünlinge bereitgestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the compacted blanks are provided as pressed green bodies become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kompaktierten Rohlinge als gesinterte Tabletten bereitgestellt werden.Method according to one of claims 1 to 11, characterized that the compacted blanks are provided as sintered tablets become. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterten Tabletten entgast werden.Method according to claim 12, characterized in that that the sintered tablets are degassed. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Oxidpulver oder daraus kompaktierten Rohlingen Dotierungsmaterialien aus Metallen oder Oxiden der Gruppen IIa, IIIb bis VIIIb, Ib, IIb, IIIa und/oder IVa in einem Anteil von 0,002 Gew.-% bis 50 Gew.-% beigemischt sind.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the oxide powder or blanks compacted therefrom Dopants of metals or oxides of groups IIa, IIIb to VIIIb, Ib, IIb, IIIa and / or IVa in a proportion of 0.002 Wt .-% to 50 wt .-% are mixed. Verwendung des nach einem der vorgenannten Ansprüche hergestellten Beschichtungswerkstoffes zur Weiterverarbeitung zu planaren Targets oder Rohrkathoden.Use of the product according to one of the preceding claims Coating material for further processing into planar targets or tubular cathodes.
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