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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Lichtbogenverdampfer und insbesondere Lichtbogenverdampfer mit einem magnetischen Lenksystem für den Lichtbogen.
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Hintergrund der Erfindung
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Lichtbogenverdampfer sind Systeme oder Maschinen zum Verdampfen eines elektrisch leitenden Materials, sodass sich das Material durch eine Kammer (in der gewöhnlich ein Vakuumzustand oder ein sehr niedriger Druck hergestellt wird) bewegen kann, um auf einer Fläche eines mit dem Material zu beschichtenden Teils aufgebracht zu werden. Mit anderen Worten werden Maschinen dieses Typs für die Beschichtung von Teilen und Oberflächen verwendet.
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Lichtbogenverdampfer-Maschinen umfassen gewöhnliche zusätzlich zu der Kammer selbst wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode, zwischen denen ein elektrischer Lichtbogen erzeugt wird. Dieser Lichtbogen (der gewöhnlich einen Strom von 80 A aufweist und unter einer Spannung von 22 V angelegt wird) trifft auf einen Punkt der Kathode (als Kathodenpunkt bezeichnet) und erzeugt an diesem Punkt eine Verdampfung des Materials der Kathode. Deshalb ist die Kathode aus einem Material, das für die Beschichtung zu verwenden ist, gewöhnlich in der Form einer Platte (z. B. einer Scheibe) ausgebildet und stellt ein so genanntes „Verdampfungsziel” dar. Um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten und/oder die Erzeugung des Lichtbogens zu bewerkstelligen, wird gewöhnlich eine kleine Menge an Gas in die Kammer eingeführt. Der Lichtbogen veranlasst eine Verdampfung des Material auf der Innenfläche der Kathode (d. h. auf der Fläche der Kathode, die in Kontakt mit der Innenseite der Kammer ist) an den Punkten, an denen der Lichtbogen auf die Fläche trifft. Diese Innenfläche kann dem zu beschichtenden Teil oder der zu beschichtenden Oberfläche zugewandt sein, sodass das durch den Lichtbogen verdampfte Material auf diesem Teil oder dieser Oberfläche aufgebracht wird. Um eine Überhitzung der Kathode zu verhindern, wird häufig eine Kühlflüssigkeit (zum Beispiel Wasser) auf die Kathode angewendet, zum Beispiel auf die Außenfläche der Kathode.
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Der Lichtbogen (bzw., im Fall eines Systems mit mehreren Lichtbögen, jeder Lichtbogen) trifft stets auf einen bestimmten Punkt, an dem die Verdampfung der Kathode stattfindet. Der Lichtbogen bewegt sich auf der Innenfläche der Kathode und verursacht dabei einen Verschleiß der Oberfläche in Übereinstimmung mit dem Pfad, dem der Lichtbogen in seiner Bewegung folgt. Wenn die Bewegung des Lichtbogens nicht gesteuert wird, kann die Bewegung willkürlich erfolgen und dabei einen ungleichmäßigen Verschleiß der Kathode verursachen, was eine schlechte Ausnutzung des Materials der Kathode mit sich bringen kann, deren Stückkosten ziemlich hoch sein können.
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Dieses Problem ist bei kleineren Verdampfern unter Umständen weniger schwerwiegend. Wenn die Verdampfer kreisrunde Verdampfungsziele mit einem Durchmesser von 60 nm verwenden, müssen gewöhnlich keine speziellen Maßnahmen getroffen werden, um eine ausreichende Gleichmäßigkeit des Verschleißes sicherzustellen. Bei größeren Verdampfern dagegen wird das Problem schwerwiegender.
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Um eine zufällige Bewegung des Lichtbogens zu verhindern oder zu reduzieren und dadurch den Verschleiß der Kathode gleichmäßiger zu machen, wurden Steuer- oder Lenksysteme für die Bewegung des Lichtbogens auf der Basis von magnetischen Lenksystemen für den Lichtbogen entwickelt. Diese Lenksysteme erzeugen und modifizieren Magnetfelder, die die Bewegung des elektrischen Lichtbogens beeinflussen, sodass der Verschleiß aufgrund einer Verdampfung der Kathode gleichmäßiger vorgesehen werden kann. Weiterhin tragen diese magnetischen Lenkelemente dazu bei, die Zuverlässigkeit des Lichtbogenverdampfers zu erhöhen, weil es schwierig oder unmöglich wird, dass der Lichtbogen versehentlich zu einem Punkt gelangt, der nicht zu der Verdampfungsfläche gehört.
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Das durch den Lichtbogen verdampfte Material ist stark ionisiert. Unter diesen Bedingungen wird die Bewegung stark durch die Beschaffenheit der Magnetfelder beeinflusst. Die Magnetfelder wirken sich also stark auf die Verteilung des verdampften Materials, auf die Energie, mit der das verdampfte Material die zu beschichtenden Teile erreicht, und damit auch auf die Qualität der Beschichtung aus.
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Es wurden verschiedene Patente oder Patentanmeldungen veröffentlicht, die verschiedene Systeme dieses Typs beschreiben.
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US-A-4673477 beschreibt ein magnetisches Lenksystem, das einen Permanentmagneten verwendet, der durch eine mechanische Einrichtung auf der Rückseite der zu verdampfenden Platte bewegt wird, sodass das durch den Permanentmagneten erzeugte variable Magnetfeld den elektrischen Lichtbogen auf der Kathode lenkt. Diese Maschine umfasst vorzugsweise auch eine Magnetwicklung um die Platte der Kathode herum, um die Stärke des Magnetfelds in einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche der Kathode zu verstärken oder zu reduzieren und dadurch die Lenkung der Elektrode zu verbessern. Ein Problem dieser Maschine ist darin gegeben, dass das Magnetsystem mit den mobilen Permanentmagneten mechanisch sehr komplex ist, sodass es nur kostspielig implementiert werden kann und außerdem anfällig für Ausfälle ist.
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US-A-4724058 beschreibt eine Maschine mit einem magnetischen Lenkelement, das Spulen umfasst, die auf der Rückseite der Kathodenplatte angeordnet sind und den elektrischen Lichtbogen in einer Richtung parallel zu dem durch die Spule befolgten Pfad lenken. Um einen vorwiegenden Verschleiß in einem einzelnen Pfad zu reduzieren, werden Methoden verwendet, die versuchen, den Lenkeffekt des Magnetfelds zu schwächen, sodass eine willkürliche Komponente auf das Magnetfeld gelagert wird. Insbesondere wird das durch die Spule erzeugte Magnetfeld angelegt und unterbrochen, sodass sich der Lichtbogen über die meiste Zeit zufällig über die Kathode bewegt und nur für einen sehr kleinen Teil der Zeit durch das Magnetfeld gelenkt wird.
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US-A-5861088 beschreibt eine Maschine mit einem magnetischen Lenkelement, das einen Permanentmagneten, der im Zentrum der Ziels auf dessen Rückseite angeordnet ist, und eine den genannten Permanentmagneten umgebende Spule umfasst, wobei die Anordnung einen Magnetfeld-Konzentrator bildet. Das System wird durch eine zweite, außerhalb des Verdampfers angeordnete Spule vervollständigt.
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WO-A-02/077318 (entspricht
ES-T-2228380 und
EP-A-1382711 ) gibt einen Verdampfer mit einem leistungsstarken magnetischen Lenkelement an, das Permanentmagneten in einer fortgeschrittenen Position in Entsprechung zu dem Inneren der Kammer verwendet, sodass Einrichtungen zum Kühlen dieser Magneten vorgesehen sein müssen, wenn die Kammer für bei hohen Temperaturen ausgeführte Beschichtungen verwendet wird, wie etwa für das Beschichten von Schneidewerkzeugen, für das Prozesstemperaturen von ungefähr 500°C erforderlich sind.
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US-A-5298136 beschreibt ein magnetisches Lenkelement für dicke Ziele in kreisrunden Verdampfern, die zwei Spulen und einen Magnetteil mit einer speziellen Konfiguration umfassen, die auf die Kanten des zu verdampfenden Ziels angepasst ist, sodass die Anordnung als ein einzelnes magnetisches Element mit zwei Magnetpolen funktioniert. Wie in dem Fall der mit Bezug auf
US-A-4724058 beschriebenen Systeme und in anderen ähnlichen Systemen besteht das Problem des in
US-A-5298136 beschriebenen Systeme darin, dass sich der magnetisch definierte Pfad nicht über die Oberfläche des Verdampfungsziel bewegen kann (oder nur innerhalb eines sehr kleinen Bereichs). Um also einen übermäßigen Verschleiß auf diesem Pfad zu vermeiden, muss die Intensität des Magnetfelds begrenzt werden, damit der Lichtbogen über einen bestimmten Freiheitsgrad für eine Bewegung weg von dem vordefinierten Pfad verfügt.
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EP-A-1576641 beschreibt ein System, das einen Pfad auf dem Verdampfungsziel unter Verwendung von zwei Spulen mit entgegen gesetzten Polaritäten definiert, ohne dass hierfür ferromagnetische Teile verwendet werden. Dieses System ist einigen der zuvor genannten Systemen überlegen, weil sich der magnetisch definierte Pfad über die Oberfläche des Verdampfungsziels bewegen kann.
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Alle vorstehend genannten Aufbauten von magnetischen Lenkelementen beruhen darauf, dass ein Pfad auf der Oberfläche des Verdampfungsziels durch Punkte gebildet wird, an denen das Magnetfeld senkrecht zu der Oberfläche des Verdampfungsziels aufgehoben ist, was dem Pfad entspricht, dem der elektrische Lichtbogen vorzugsweise folgt, während er sich aber die Oberfläche des Verdampfungsziels bewegt. Die Technik zum magnetischen Lenken des Lichtbogens wird als Lichtbogen-Lenktechnik bezeichnet. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Lichtbogen über die Oberfläche des Verdampfungsziels bewegt, nimmt mit der Intensität des parallelen Magnetfelds zu, wodurch eine Emission von Mikrotröpfchen vermindert wird. Mikrotröpfchen sind ein üblicher Defekt in den durch eine Kathoden-Lichtbogenverdampfung aufgebrachten Schichten. Weiterhin kann das magnetische Lenkelement der Lichtbogen-Lenktechnik derart aufgebaut sein, dass es eine Modifikation des durch den Lichtbogen befolgten Pfads gestattet, wodurch das zu verdampfende Material besser ausgenutzt werden kann.
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Neben den vorstehend genannten Lenkelementen mit einer Lichtbogen-Lenktechnik, in denen das senkrechte Magnetfeld entlang eines Pfads auf dem Verdampfungsziel aufgehoben wird, der dem vorzugsweise durch die Bewegung des Lichtbogens befolgten Pfad entspricht, gibt es auch Verdampfer, in denen ein Magnetfeld ohne einen derartigen Pfad verwendet wird. In diesen Verdampfern ist das Magnetfeld auf der gesamten Oberfläche des Ziels im wesentlichen senkrecht zu dem Ziel. Dieses senkrecht zu der Oberfläche des Verdampfungsziels vorgesehene Magnetfeld befördert die Übertragung des verdampften Materials von der Oberfläche des Ziels zu der Oberfläche des zu beschichtenden Teils, weil das ionisierte Material (Plasma) dazu neigt, der durch die Magnetlinien vorgegebenen Route zu folgen. Wenn das magnetische Lenkelement dagegen die Lichtbogen-Lenktechnik verwendet, in welcher der Lichtbogen dem Pfad folgt, in dem das senkrechte Magnetfeld gleich null ist, muss das ionisierte Material die durch das magnetische Lenkelement erzeugten Magnetflusslinien queren, bevor es die zu beschichtenden Teile erreicht, was sich negativ auf die kinetische Energie des aufgebrachten Materials und damit auf die erzielte Qualität der Beschichtung auswirkt.
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Ein Nachteil der „senkrechten” magnetischen Lenkelemente gegenüber den in der Lichtbogen-Lenktechnik verwendeten Lenkelementen besteht darin, dass diese keine gleichmäßige Nutzung des Verdampfungsziels gestatten, wenn dieses eine bestimmte Größe überschreitet, sodass „senkrechte” magnetische Lenkelemente besser für kleine Verdampfer geeignet sind, wodurch andererseits die Verwendung von hohen Intensitäten des Magnetfelds vereinfacht wird, was wiederum vorteilhaft für die Qualität der Beschichtung ist. Im Gegensatz dazu entwickeln kleinere Verdampfer eine höhere Energiedichte pro Einheitsbereich, was zu einer Vergrößerung der Proportionen von Mikrotröpfchen in der Beschichtung beiträgt.
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JP-A-2-194167 beschreibt ein System mit einem Typ von magnetischem Lenkelement, das relativ leistungsstark ist, wodurch das Magnetfeld in dem Raum zwischen dem Verdampfungsziel und dem zu beschichtenden Substrat verengt wird. Es wird davon ausgegangen, dass das beschriebene System eine wesentliche Reduktion in der Menge der durch den Lichtbogenverdampfer emittierten Mikrotröpfchen erzielt.
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JP-A-4-236770 beschreibt eine Variante dieses Systems, in dem ein kleiner mobiler Magnet auf der Rückseite des Verdampfungsziels zu der Verengungsspule hinzugefügt ist, wobei die Funktion dieses Magneten darin besteht, einen übermäßigen Verschleiß in der Mitte des Verdampfungsziels zu verhindern.
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EP-A-0495447 (entspricht
JP-A-4-236770 ) beschreibt ein System mit einem magnetischen Lenkelement, das dem oben beschriebenen sehr ähnlich ist, wobei jedoch ein kleiner mobiler Magnet auf der Rückseite des Ziels hinzugefügt ist, um den Verschleiß des Verdampfungsziels auf dessen gesamter Oberfläche auszugleichen.
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US-A-6139964 beschreibt ausführlich ein Beispiel für ein System dieses Typs und die dadurch erhaltenen Vorteile, zu denen eine beträchtlich größere Ionisierung gehört als sie mit herkömmlichen Lichtbogenverdampfungsverfahren erzielt wird, insbesondere was die Ionisierung der Gase in der Kammer betrifft. Durch die erhöhte Ionisierung der gasförmigen Bestandteile wird bei dem gebräuchlichsten Beschichtungsprozess mittels einer Verdampfung von Titan in einer Stickstoffatmosphäre eine Reaktion in dem Verdampfungsziel zwischen beiden Elementen veranlasst, die zu der Bildung einer Schicht aus Titannitrid auf der Oberfläche des Titanziels führt. Wenn die Verbindung (TiN) stärker refraktorisch ist als das ursprüngliche Metall (Titan), bringt diese Oberflächenreaktion eine beträchtliche Reduktion in der Emission der Mikrotröpfchen mit sich.
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Ein weiterer Vorteil der erhöhten Ionisierung besteht in einer Erhöhung der Stabilität des Lichtbogens, der ohne Unterbrechungen bei niedrigeren elektrischen Intensitätswerten gehalten werden kann, die auch besser geeignet sind, um die Menge der Mikrotröpfchen in der Beschichtung zu reduzieren.
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Ein weiterer Vorteil dieses Typs von Verdampfer besteht darin, dass die Temperatur der Elektroden in dem durch den Lichtbogenverdampfer erzeugten Plasma bei diesem Typ von Magnetfeld beträchtlich höher ist, sodass Beschichtungen in hoher Qualität einfacher erhalten werden können.
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JP-A-11-269634 beschreibt eine weitere Variante eines Systems dieses Typs, in dem eine Verengung des Magnetfelds nicht unter Verwendung einer Spule zwischen dem Verdampfer und dem Substrat, sondern durch eine Anordnung von Permanentmagneten an dem Umfang des Verdampfungsziels erreicht wird, wobei diese Magneten im Gegensatz zu der in
JP-A-2-194167 beschriebenen Spule in dem hinteren Teil des Ziels angeordnet sind. Das in
JP-A-2-194167 beschriebene Konzept sieht die Verwendung einer Spule von mehreren zehn Kilos zwischen dem Verdampfer und der Kammer vor, sodass es schwierig ist für Wartungszwecke oder ähnliches auf den Verdampfer zuzugreifen. Das in
JP-A-11-269634 beschriebene System vereinfacht den Zugriff auf den Verdampfer und seine Herstellung und bietet den zusätzlichen Vorteil, dass auf die Anordnung eines Elements (eines Rohrs zum Halten der Spule) verzichtet werden kann, das in dem Fall von
JP-A-2-194167 zwischen dem Verdampfer und dem Substrat angeordnet ist. Deshalb kann der Verdampfer eng an dem zu beschichtenden Substrat angeordnet werden, was gewöhnlich eine bessere Qualität der Beschichtung mit sich bringt, wobei allerdings auch die Verteilung des verdampften Materials starker fokussiert ist.
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Um das Problem eines vergrößerten Verschleißes in der Mitte des Ziels eines Verdampfers dieses Typs mit einem konvergierenden Magnetfeld zu reduzieren, sieht
JP-A-21-269634 eine Möglichkeit zum Modifizieren der Distanz zwischen dem Ring von Magneten und dem Ziel des Verdampfers während der gesamten Lebensdauer des Verdampfungsziels vor, sodass die Intensität des Magnetfelds an dem Rand des Ziels und dessen Neigung in Bezug auf die Senkrechte zu der Verdampfungsfläche modifiziert werden, wodurch die Tendenz zu einer Konzentration der Entladung in dem mittleren Bereich modifiziert wird. Aus den grafisch in
JP-A-11-269634 wiedergegebenen Berechnungen wird deutlich, wie durch eine Vergrößerung der Distanz die konvergierende Beschaffenheit des Magnetfelds modifiziert werden kann, sodass dieses zu einem divergierenden Magnetfeld gewandelt wird, in dem der Lichtbogen nicht nur in der Mitte, sondern auch an den Rändern konzentriert ist. Indem also verschiedene Distanzen zwischen dem Ring von Magneten und dem Verdampfungsziel über die gesamte Lebensdauer des Verdampfungsziels hinweg verwendet werden, kann das Verschleißprofil modifiziert werden. Um einen gleichmäßigen Verschleiß des Ziels zu erreichen, erfordert das in
JP-A-11-269634 beschriebene System, dass die Beschichtungsprozesse für einen beträchtlichen Teil der Lebensdauer des Verdampfungsziels mit einem nicht-konvergierenden Magnetfeld ausgeführt werden. Dadurch gehen jedoch die Vorteile dieses Typs von Verdampfer verloren.
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JP-A-2000-328236 gibt eine andere Lösung an, in der das Feld durch kleine Permanentmagneten erzeugt wird, die koplanar mit dem Verdampfungsziel angeordnet sind, sodass der mittlere Abschnitt derselben mit der Verdampfungsfläche zusammenfällt. Dadurch wird erreicht, dass das Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu dem Verdampfungsziel auf dessen Oberfläche ist. Um den Zugriff des Lichtbogens auf den senkrechten Bereich des Verdampfungsziels zu beschränken, ist ein Teil aus einem ferromagnetischen Material in Nachbarschaft zu dem gesamten Umfang des Ziels angeordnet, wobei dieser Teil das Profil des Magnetfels lokal modifiziert, sodass es an diesem Punkt konvergierend ist und deshalb dazu neigt, eine Lichtbogenentladung, die sich dem Rand des Verdampfungsziels nähert, zu der Mitte des Verdampfungsziels abzulenken.
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Entsprechend sieht
JP-A-2000-328236 die Möglichkeit vor, einen kleinen Permanentmagneten in der Mitte auf der Rückseite des Ziels anzuordnen, sodass der Lichtbogen von der geometrischen Mitte weg bewegt wird und ein gleichmäßigerer Verschleiß erzielt wird. In dem in
JP-A-2000-328236 beschriebenen System gehen die Vorteile der Konvergenz des Magnetfelds jedoch zu einem großen Teil verloren.
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US-A-6103074 beschreibt ein System mit einem Lichtbogenverdampfer, der eine magnetische Verengung des Flusses (Konvergenz) durch die Verwendung von zwei Spulen erzielt, von denen eine vor der Verdampfungsfläche angeordnet ist und die andere hinter der Verdampfungsfläche angeordnet, ist. Der Vorteil des Hinzufügens der hinteren Spule liegt darin, dass dadurch der Grad der Konvergenz des Magnetflusses und dessen Position in Bezug auf das Verdampfungsziel modifiziert wird, sodass eine Anpassung an die spezifischen Anforderungen verschiedner Beschichtungsprozesse möglich ist.
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JP-A-2000-204466 zeigt ein System, in dem das Magnetfeld senkrecht zu dem Verdampfungsziel durch eine Reihe von Magneten erhalten wird, die im wesentlichen koplanar zu dem Verdampfungsziel sind, die Magnete etwas in einer Richtung senkrecht zu dem Verdampfungsziel bewegt werden können, um den Pfad des Lichtbogens auf der Oberfläche des Verdampfungsziels zu modifizieren.
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JP-A-2001-040467 beschreibt ein System, das einen Ring von Umfangsmagneten innerhalb des Aufbaus umfasst, der als die Anode für die elektrische Lichtbogenentladung funktioniert. Die Magneten werden auf diese Weise direkt durch Wasser gekühlt, sodass kein Risiko besteht, dass ihre Eigenschaften unter der Einwirkung der hohen Temperaturen (500°C) verloren gehen, denen das Innere der Kammer unterworfen werden muss, um Beschichtungen in hoher Qualität für Schneidewerkzeuge zu erhalten.
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JP-A-2001-295030 gibt ein System an, das dem in
US-1-6103074 beschriebenen System darin ähnlich ist, dass es auf der Verwendung von zwei Spulen beruht, von denen eine vor der Verdampfungsfläche angeordnet ist, während die andere hinter der Verdampfungsfläche angeordnet ist, um die konvergierende oder divergierende Beschaffenheit des Magnetflusses zu steuern. Die Position der Spulen macht die Verwendung einer speziellen Kühlung mit Wasser erforderlich, um eine Überhitzung der Spulen ähnlich wie in
US-A-6139964 beschrieben zu verhindern.
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JP-A-2003-392717 beschreibt eine magnetische Konfiguration, die durch drei Spulen für jeden Verdampfer gebildet wird. Eine koplanar zu dem Verdampfungsziel angeordnete Spule erzeugt ein Magnetfeld, das im wesentlichen senkrecht zu dem Verdampfungsziel ist. Eine andere Spule erzeugt eine magnetische Verengung zwischen dem Verdampfungsziel und dem zu beschichtenden Teil. Eine dritte Spule, die hinter dem Ziel angeordnet ist, trägt dazu bei, einen besseren Verschleiß vorzusehen. Die Verwendung von drei Spulen für jeden Verdampfer (gewöhnlich sind zwölf Verdampfer in einer Maschine vorgesehen) kann jedoch kostspielig und nicht sehr praktisch sein.
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Beschreibung der Erfindung
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Lichtbogenverdampfer, der umfasst:
wenigstens eine Anode, die konfiguriert ist, um in einer Verdampfungskammer angeordnet zu werden, die konfiguriert ist, um wenigstens ein zu beschichtendes Objekt aufzunehmen,
eine Kathode, wobei die Kathode umfasst:
eine Innenfläche, die konfiguriert ist, um in einer derartigen Verdampfungskammer derart angeordnet zu werden, dass ein Lichtbogen zwischen der wenigstens einen Anode und der Kathode eine Verdampfung von Material auf der Innenfläche veranlassen kann, und
eine Außenfläche, die konfiguriert ist, um nicht in der Verdampfungskammer angeordnet zu werden, und
ein System zum Erzeugen eines Magnetfelds, das konfiguriert ist, um ein Magnetfeld in der Verdampfungskammer zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung umfasst das System zum Erzeugen eines Magnetfelds:
ein erstes Subsystem, das aus einem Satz von Permanentmagneten besteht (der Satz von Permanentmagneten besteht aus einem oder mehreren Permanentmagneten), die konfiguriert sind, um außerhalb der Verdampfungskammer angeordnet zu werden, sodass der Satz von Permanentmagneten eine erste Magnetfeldkomponente in Entsprechung zu der Innenfläche der Kathode erzeugt, wobei die erste Magnetfeldkomponente eine konvergierende Magnetfeldkomponente ist (sodass die Magnetfeldlinien an dem Rand der Kathode dazu neigen, an einem Punkt vor der Kathode zu konvergieren), und
ein zweites Subsystem, das aus wenigstens einer Spule besteht, die konfiguriert ist, um außerhalb der Verdampfungskammer und hinter der Außenfläche der Kathode angeordnet zu werden (d. h. in einer Ebene, die nicht durch die Kathode verläuft und weiter von der Innenfläche der Kathode entfernt ist als von der Außenfläche der Kathode), wobei das zweite Subsystem konfiguriert ist, um in wenigstens einem ersten Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem es eine zweite Magnetfeldkomponente in der Verdampfungskammer erzeugt, wobei die zweite Magnetfeldkomponente eine divergierende Magnetfeldkomponente ist.
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Das erste Subsystem erzeugt ein konvergierendes Magnetfeld (oder eine Magnetfeldkomponente), die einen beträchtlichen Konvergenzgrad aufweisen kann, wodurch die oben beschriebenen Vorteile hinsichtlich des Ionisierungsgrads und der Temperatur des Plasmas ermöglicht werden. Wenn jedoch das gesamte Magnetfeld nur durch diese durch das erste Subsystem erzeugte Komponente gebildet wird, tritt eine Situation auf, in welcher der Verschleiß des Verdampfungsziels (der Kathode) vorwiegend in dem mittleren Bereich auftritt. Die Aktivierung des zweiten Subsystems auf der Basis der Spule gestattet eine Verminderung des Konvergenzgrads des Magnetfelds auf kontrollierte Weise (einfach indem die durch die Spule hindurchgehende Stromintensität variiert wird) und eine Anpassung des Konvergenzgrads des gesamten Magnetfelds (d. h. des aus der Summe der zwei Komponenten resultierenden Magnetfelds) auf die genauen Anforderungen jeder Stufe des Beschichtungsprozesses durch das Erzeugen einer divergierenden Magnetfeldkomponente an der Innenfläche der Kathode. Es kann also zum Beispiel (ohne deshalb andere Möglichkeiten auszuschließen), ein hoher Konvergenzgrad in den anfänglichen und sehr kritischen Stufen der Beschichtung verwendet werden, wobei die Konvergenz dann während des fortschreitenden Beschichtungsprozesses graduell vermindert wird, um eine bessere Ausnutzung des Verdampfungsziels während der Phasen des Beschichtungsprozesses zu erzielen, für die keine derartig hohe Plasmaqualität benötigt wird.
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Mit anderen Worten verwendet der Lichtbogenverdampfer ein magnetisches Lenkelement mit einem Magnetfeld eines senkrechten Typs, das ein Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetfeldlinien im wesentlichen senkrecht zu der Verdampfungsfläche sind, aber konvergieren. Der Konvergenzgrad kann durch die Spule modifiziert werden, um sicherzustellen, dass der Verschleiß des Verdampfungsziels in geeigneter Weise stattfindet. Der Aufbau der Erfindung weist eine reduzierte Anzahl von Elementen auf, sodass die Lösung kosteneffizienter erzielt werden kann. Weiterhin weisen die Elemente ein kleines Volumen auf und sind an einer geeigneten Position angeordnet, sodass sie den Zugriff auf den Verdampfer und auf das Verdampfungsziel für Wartungszwecke nicht behindern. Dank des Aufbaus der beschriebenen Lösung ist keine Kühlung durch Wasser erforderlich, die ansonsten die Herstellung des Verdampfers verkomplizieren würde. Außerdem kann das Lenkelement in einem senkrechten (aber konvergierenden) Modus oder in einem Lichtbogen-Lenkmodus betrieben werden, wobei mit einer Frequenz von einigen zehn Hz zwischen den verschiedenen Modi gewechselt werden kann.
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Jeder Permanentmagnet aus dem Satz von Permanentmagneten kann ein Magnet sein, dessen Magnetisierung im wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche der Kathode ist und dieselbe Richtung aufweist.
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Wenigstens einige der Magneten aus dem Satz von Magneten können in einem Ring aufgenommen sein, dessen Durchmesser größer als derjenige des Verdampfungsziels ist.
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Jeder Permanentmagnet aus dem Satz von Magneten kann ein Magnet sein, dessen Magnetisierung im wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche des zu verdampfenden Materials ist und dieselbe Richtung aufweist, sodass die senkrechte Komponente auf der gesamten Innenfläche der Kathode dieselbe Richtung aufweist.
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Jeder Permanentmagnet aus dem Satz von Magneten kann ein Magnet sein, dessen Magnetisierung im wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche des zu verdampfenden Materials ist und dieselbe Richtung aufweist, wobei die senkrechte Komponente der ersten Magnetfeldkomponente auf der gesamten Innenfläche der Kathode dieselbe Richtung aufweist, mit Ausnahme der Mitte der Fläche, wo das Magnetfeld eine umgekehrte Richtung wie an den Rändern, aber eine Intensität von weniger als 10 Gauss aufweist (10 Gauss entsprechen der Gesamtintensität, d. h. der Summe der durch alle Magnete erzeugten Felder).
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Das durch die Spule erzeugte Magnetfeld kann auf der gesamten Fläche im wesentlichen senkrecht zu der Fläche der Kathode sein, sodass es keine Punkte gibt, an denen das Magnetfeld parallel zu der Fläche der Kathode ist.
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Der Verdampfer kann derart konfiguriert sein, dass das durch die Spule erzeugte Magnetfeld modifiziert werden kann, indem der durch die Spule zirkulierende elektrische Strom variiert wird, sodass das durch die Spule und die Permanentmagneten erzeugte gesamte Magnetfeld konvergieren, divergieren oder einen Pfad aus Punkten mit jeweils einem senkrechten Magnetfeld von null auf der Innenfläche des zu verdampfenden Materials bilden kann, indem einfach der durch die Spule zirkulierende elektrische Strom variiert wird.
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Der Satz von Permanentmagneten des ersten Subsystems kann hinter der Außenfläche der Kathode angeordnet werden.
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Der Satz von Permanentmagneten des ersten Subsystems kann in der Form wenigstens eines Rings angeordnet sein, der konzentrisch mit der Kathode ist. Zum Beispiel kann der Satz von Permanentmagneten des ersten Subsystems in der Form von wenigstens zwei Ringen angeordnet sein, die konzentrisch mit der Kathode sind.
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Die Permanentmagneten aus dem Satz von Permanentmagneten können aus Ferrit, Neodym-Eisen-Bor oder Cobalt-Samarium hergestellt sein.
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Die Permanentmagneten können derart angeordnet sein, dass ihre entsprechenden magnetischen Ausrichtungen mit einer zylindrischen Symmetrie um die Symmetrieachse der Kathode herum angeordnet sind.
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Die Magneten können derart angeordnet sein, dass ihre entsprechenden magnetischen Ausrichtungen parallel sind und dieselbe Richtung aufweisen.
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Die Magneten können derart angeordnet sein, dass ihre Magnetisierung senkrecht in Bezug auf die Innenfläche der Kathode ist.
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Der Satz von Permanentmagneten kann einen äußersten Ring von Magneten umfassen, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser der Innenfläche der Kathode ist.
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Der Satz von Magneten kann an einem Gehäuse der Spule angeordnet sein.
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Die Spule kann weiter weg von der Kathode als der Satz von Permanentmagneten angeordnet sein, sodass der Satz von Permanentmagneten zwischen der Spule und der Kathode entlang einer Achse senkrecht zu der Kathode angeordnet ist.
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Die Spule kann konzentrisch mit der Kathode sein.
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Die Spule kann mit einem Stromversorgungssystem assoziiert sein, das konfiguriert ist, um die Spule wahlweise in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben.
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Die Spule kann mit einem Stromversorgungssystem assoziiert sein, das eine Modifikation der durch die Spule zirkulierenden Intensität gestattet, sodass durch eine Erhöhung der durch die Spule zirkulierenden Intensität die konvergierende Beschaffenheit des Magnetfelds reduziert werden kann, die aus der Summe der durch die Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder und des durch die Spule erzeugten Felds resultiert.
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Das Stromversorgungssystem kann konfiguriert sein, um die Spule wahlweise in einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, in dem die Stromrichtung durch die Spule umgekehrt zu der Stromrichtung in dem ersten Betriebsmodus ist, wobei das zweite Subsystem derart konfiguriert ist, dass in dem zweiten Betriebsmodus das Magnetfeld in Entsprechung zu der Innenfläche der Kathode entlang wenigstens eines Verlaufs parallel zu der Innenfläche ist. Der Zweck davon ist, dass die Spule zusammen mit den Permanentmagneten eine auf dem Gebiet der Lichtbogen-Lenktechnik bekannte geschlossene Magnetschleife bildet. Diese Form des Lenkens ist am besten geeignet, um einen richtigen Verschleiß der Bereiche in nächster Nähe zu dem Rand des Verdampfungsziels zu bilden, sodass die Ausnutzung des Ziels auf Kosten einer niedrigeren Qualität des Beschusses während dieser Phase erhöht werden kann.
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Die Spule und ihre Stromversorgung können konfiguriert sein, um eine Umkehrung der Stromrichtung durch die Spule mit einer Frequenz von mehr als 1 Hz zu erlauben. Die Richtung des während des Betriebs des Verdampfers durch die Spule zirkulierenden Stroms kann also mit einer Frequenz von z. B. mehreren zehn Hz umgekehrt werden. Es ist also möglich, zwei verschiedene Ströme (mit verschiedenen Richtungen und optional auch mit verschiedenen Amplituden) mit einer Frequenz von mehreren zehn Hz alternieren zu lassen, wobei einer der Ströme (zusammen mit den Permanentmagneten) ein Magnetfeld erzeugt, das im wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche der Kathode in Entsprechung zu der Fläche ist (obwohl es normalerweise konvergiert oder divergiert, insbesondere an den Rändern der Innenfläche der Kathode), während der andere Strom veranlasst, dass eine Lenkung gemäß der Lichtbogen-Lenktechnik erfolgt.
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Der Verdampfer kann ein System zum Kühlen der Kathode umfassen, das eine Einrichtung zum Transportieren einer Kühlflüssigkeit umfasst, sodass diese die Außenfläche der Kathode (3) kühlt. Diese Kühleinrichtung bildet auch eine Art von Schild, um die Subsysteme zum Erzeugen eines Magnetfelds von der von der Verdampfungskammer kommenden Hitze zu schützen.
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Der Verdampfer kann weiterhin die Verdampfungskammer umfassen, wobei die Verdampfungskammer konfiguriert ist, um wenigstens ein zu beschichtendes Objekt aufzunehmen,
wobei die wenigstens eine Anode in der Verdampfungskammer angeordnet ist,
wobei die Kathode mit ihrer Innenfläche innerhalb der Verdampfungskammer angeordnet ist,
wobei der Satz von Permanentmagneten außerhalb der Verdampfungskammer angeordnet ist,
und wobei die wenigstens eine Spule außerhalb der Verdampfungskammer angeordnet ist.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung gibt ein Verfahren zum Betreiben eines Verdampfers gemäß der Erfindung an, das folgende Schritte umfasst:
Platzieren wenigstens eines zu beschichtenden Objekts in der Verdampfungskammer,
Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der wenigstens einen Anode und der Kathode, um eine Verdampfung auf der Innenfläche der Kathode zu veranlassen, und
Steuern des Konvergenzgrads des Magnetfelds in Entsprechung zu der Innenfläche der Kathode durch das Variieren der Stromintensität durch die wenigstens eine Spule.
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Zum Beispiel kann der Strom derart variiert werden, dass ein höherer Konvergenzgrad des Magnetfelds in einer ersten Phase und ein niedrigerer Konvergenzgrad des Magnetfelds in einer folgenden Phase des Beschichtungsprozesses verwendet wird, um eine bessere Ausnutzung des Verdampfungsziels zu erzielen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Um die Beschreibung zu vervollständigen und die Merkmale der Erfindung in bevorzugten, praktischen Ausführungsformen zu verdeutlichen, ist der vorliegenden Beschreibung ein Satz von Figuren beigefügt, deren Inhalt beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen ist.
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1 ist eine schematische Querschnittansicht des Verdampfers gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung und zeigt das nur durch die hinter dem Verdampfungsziel angeordneten Permanentmagneten erzeugte konvergierende Magnetfeld.
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2 ist eine schematische Querschnittansicht des Verdampfers gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung und zeigt das nur durch die hinter dem Verdampfungsziel angeordnete Spule ohne Mitwirkung der Permanentmagneten erzeugte divergierende Magnetfeld.
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3 ist eine schematische Querschnittansicht des Verdampfers gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung und zeigt das Lichtbogen-Lenkungs-Magnetfeld, das durch beide Systeme erzeugt werden kann, um die durch die Spule zirkulierende Intensität unter Berücksichtigung der Intensität des wiederum durch die Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds in geeigneter Weise anzupassen.
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4 ist eine grafische Darstellung der durch die Spule ohne die Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder, wenn 2500 Amperewindungen durch dieselben zirkulieren.
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5 ist ein Kurvendiagramm der Tangentialkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, wenn 2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird und der Beitrag der Permanentmagneten nicht berücksichtigt wird.
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6 ist eine grafische Darstellung der durch den Satz von Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder, wenn kein Strom durch die Spule zirkuliert.
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7 ist ein Kurvendiagramm der Tangentialkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den Satz von Permanentmagneten erzeugt wird, wenn kein Strom durch die Spule zirkuliert, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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8 ist eine grafische Darstellung der durch den Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugten Magnetfelder, wenn 1250 Amperewindungen durch dieselbe zirkulieren.
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9 ist ein Kurvendiagramm der Tangentialkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugt wird, wenn 1250 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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10 ist eine grafische Darstellung der durch den Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugten Magnetfelder, wenn –2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren.
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11 ist ein Kurvendiagramm der Normalkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugt wird, wenn –2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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12 ist eine grafische Darstellung der durch den zweiten Satz von Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder, wenn kein Strom durch die Spule zirkuliert.
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13 ist ein Kurvendiagramm der Normalkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den zweiten Satz von Permanentmagneten erzeugt wird, wenn kein Strom durch die Spule zirkuliert, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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14 ist eine grafische Darstellung der durch den zweiten Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugten Magnetfelder, wenn 600 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren.
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15 ist ein Kurvendiagramm der Tangentialkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den zweiten Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugt wird, wenn 600 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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16 ist eine grafische Darstellung der durch den zweiten Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugten Magnetfelder, wenn 2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren.
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17 ist ein Kurvendiagramm der Tangentialkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den zweiten Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugt wird, wenn 2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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18 ist eine grafische Darstellung der durch den zweiten Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugten Magnetfelder, wenn –2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren.
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19 ist ein Kurvendiagramm der Normalkomponente des Magnetfelds auf der Innenfläche des Verdampfungsziels, das durch den zweiten Satz von Permanentmagneten und die Spule erzeugt wird, wenn –2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wobei die Mitte des Verdampfungsziels als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird.
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20 ist eine grafische Darstellung der Magnetfelder, die durch einen Satz von Permanentmagneten erzeugt werden, die mit einer magnetischen Ausrichtung platziert sind, die derjenigen von
JP-A-11-269634 ähnlich ist.
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21 und 22 sind schematische Ansichten, auf die Bezug genommen wird, um den Begriff „konvergierend” zu verdeutlichen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1–3 zeigen schematisch einen Verdampfer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der eine Verdampfungskammer 2 umfasst. Ein zu beschichtender Teil 1 wurde in die Kammer 2 eingeführt. Bevor mit dem Beschichtungsprozess begonnen wird, wird ein geeigneter Unterdruckpegel (z. B. 5 × 10–8) unter Verwendung von Vakuumpumpen 20 hergestellt. Während des Vakuumerzeugungszyklus können Infrarotstrahlung emittierende Heizer (nicht gezeigt) eingeschaltet werden, um den zu beschichtenden Teil 1 zu der erforderlichen Temperatur zu erwärmen. Je nach dem Typ des Prozesses können diese Heizer während des gesamten Beschichtungsprozesses eingeschaltet bleiben.
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Sobald der erforderliche Unterdruckpegel erreicht wurde, wird ein bestimmter Gasfluss unter Verwendung einer entsprechenden Gaspumpe 21 in die Kammer eingeführt, sodass der Gleichgewichtsdruck zwischen dem durch die Vakuumpumpen 20 abgesaugten Gas und dem eingeführten Gas ungefähr 10–5 bar beträgt. Sobald dieser Druck erreicht wurde, kann mit den elektrischen Entladungen in den Verdampfern begonnen werden. Diese Entladungen veranlassen eine Materialemission aufgrund einer Verdampfung von dem Verdampfungsziel (nämlich der Kathode 3), wobei sich die Emission durch das Teilvakuum zu dem zu beschichtenden Teil bewegt und wobei das neu aufgebrachte Material wiederum mit dem Gas in der Kammer reagieren kann. In der schematischen Darstellung sind die mobilen Elemente, die herkömmlicherweise für eine Zündung einer Bogenentladung dieses Typs verwendet werden (Beispiele für derartige mobile Elemente werden in einigen der oben genannten Dokumente beschrieben) der Deutlichkeit halber nicht gezeigt.
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Die elektrische Lichtbogenentladung wird durch die Aktion einer eigens für diese Aufgabe entwickelten Stromquelle 22 aufrechterhalten, um eine spontane Selbstauslöschung der Entladung zu verhindern. Die Entladung tritt zwischen dem Verdampfungsziel 3 und in geeigneter Weise gekühlten Elementen, die als Anode 4 für die elektrische Entladung dienen, auf. Das Verdampfungsziel 3 (die Kathode) ist an einem Körper 5 befestigt, in dem eine Reihe von Elementen für die Kühlung des hinteren Teils des Verdampfungsziels mit Wasser und für die Vakuumdichtung gegen den Körper der Kammer 2 wie in herkömmlichen Systemen dieses Typs üblich untergebracht sind. In dem in 1–3 gezeigten Beispiel tritt das Kühlwasser durch eine axiale Verlängerung 7, die durch den mittleren Bereich der ein Magnetfeld erzeugenden Elemente verläuft, in den Körper 5 ein und wieder aus demselben aus. Die ein Magnetfeld erzeugenden Elemente werden weiter unten beschrieben und sind derart aufgebaut, dass sie eine einfache Demontage der Magnetkomponenten gestatten.
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Um eine geeignete elektrische Isolation zwischen dem Verdampfungsziel 3 und dem Körper der Kammer 2 vorzusehen, wurde ein Reihe von elektrisch isolierenden Elementen 6 platziert, die für ein hohes Vakuum und eine hohe Temperatur geeignet sind und einer periodischen Wartung unterzogen werden müssen, um eine Verschlechterung der elektrischen Isolation zu verhindern, wenn sie nach und nach mit dem von dem Verdampfungsziel verdampften Material beschichtet werden.
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Alle Elemente des Körpers des Verdampfers werden aus Materialien hergestellt, die keinen Ferromagnetismus aufweisen (deren relative magnetische Permeabilität weniger als 1,2 beträgt).
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Alle Elemente zum Erzeugen der Magnetfelder für ein Verdampfungsziel mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 15 mm sind wie in der Figur gezeigt auf der Rückseite des Verdampfers angeordnet, d. h. hinter dem Verdampfungsziel 3 entlang einer Achse senkrecht zu dem Verdampfungsziel, entlang welcher das zu beschichtende Objekt 1 vor dem Verdampfungsziel 3 angeordnet ist.
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Eine Spule 10, durch die 2500 Amperewindungen zirkulieren können, wurde in einem Körper aus einem Isolationsmaterial in der Form einer Spule 13 untergebracht. Für eine Spule, die für das oben genannte Verdampfungsziel mit einem Durchmesser von 10 mm geeignet ist, ist dieser Stromwert ausreichend niedrig, sodass keine spezielle Kühlung benötigt wird. Auf der Spule 13 sind zwei konzentrische Ringe (8, 9) aus Magneten mit einer hohen Energiedichte platziert, die zum Beispiel aus Neodym-Eisen-Bor oder Cobalt-Samarium hergestellt sind und deren Magnetisierung parallel zueinander ist und eine Richtung senkrecht zu der Innenfläche des Verdampfungsziels (d. h. senkrecht zu der innerhalb der Verdampfungskammer angeordneten Fläche) aufweist, wobei beide Ringe (d. h. der äußere Ring 8 und der innere Ring 9) dieselbe Polarisation aufweisen. Die gesamte Anordnung ist einfach mittels eines Teils 11 an dem Körper des Verdampfers gesichert.
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Zum Beispiel werden die Ringe der Magneten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auf der Basis von Cobalt-Samarium-Magneten mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Höhe von 5 mm hergestellt. In dem äußeren Ring 8 sind die Magneten übereinander gestapelt, um eine Höhe von 10 mm zu erreichen, während der innere Ring 9 eine Höhe von 5 mm aufweist. Der durchschnittliche Durchmesser der Ringe liegt bei 84 mm für den inneren Ring 9 und bei 146 mm für den äußeren Ring 8, wobei die Distanz zwischen der Haltebasis der Ringe und der Innenfläche (der Verdampfungsfläche in der Kammer 2) des Verdampfungsziels bei 52 mm liegt.
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1 ist eine schematische Darstellung der Magnetfeldlinien des durch die Magneten erzeugten Magnetfelds. Diese Darstellung zeigt, dass es sich um ein konvergierendes Feld handelt, d. h. um ein Magnetfeld, dessen Verlängerungen tangential zu den Feldlinien an den Rändern des Verdampfungsziels, d. h. an den Punkten A und A' von 1, an einem Punkt liegen, der vor dem Verdampfungsziel liegt. Im Gegensatz dazu liegen bei einem divergierenden Feld die geraden Verlängerungen tangential zu den Magnetfeldlinien an den Punkten A und A' an einem Punkt hinter dem Verlängerungsziel.
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Das Magnetfeld, das bei diesem Aufbau erhalten wird, wenn kein Strom in der Spule 10 fließt, ist im größeren Detail in 6 gezeigt. 7 ist eine grafische Darstellung der Komponente des Magnetfelds (in Tesla (T)) parallel zu der Verdampfungsfläche in Entsprechung zu dieser Fläche von der Mitte des Verdampfungsziels 3, die als Ursprung des Koordinatensystems genommen wird, zu der mit einer Distanz von 50 mm von der Mitte entfernten Peripherie. Die Komponente wird in der Mitte aufgrund der Symmetrie aufgehoben und ist dann über die gesamte Breite des Ziels negativ, was einem konvergierenden Magnetfeld auf der gesamten Fläche des Ziels wie in 6 gezeigt entspricht.
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Aus dem Kurvendiagramm wird deutlich, dass die Tangentialkomponente an dem Rand des Ziels (d. h. mit einer Distanz von 50 mm von der Mitte) in der Größenordnung von –5 Gauss liegt, sodass diese Anordnung leicht konvergiert, wenn kein Strom durch die Spule fließt.
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Wie bereits erwähnt, neigen die Magnetfeldlinien in einem konvergierenden Feld dazu, vor der Innenfläche des zu verdampfenden Materials konzentriert zu werden. Bei der in 21 gezeigten Definition der Koordinaten, die die Mitte der Innenfläche des Verdampfungsmaterials als Ursprung nimmt, und bei den in 21 gezeichneten Vektoren t (tangential) und n (normal) ist deutlich, dass ein konvergierendes Magnetfeld durch eine der beiden Möglichkeiten von 21 und 22 gekennzeichnet ist. So ist das Magnetfeld konvergierend, wenn das Magnetfeld an dem Rand des Verdampfungsmaterials eine positive senkrechte Komponente (B·n) und eine negative parallele Komponente (B·t) aufweist (21) oder auch wenn das Magnetfeld am Rand der Verdampfungsfläche eine negative senkrechte Komponente (B·n) und eine positive parallele oder tangentiale Komponente (B·t) aufweist (22). Der Einfachheit halber wurden die magnetische Ausrichtung der Magneten und die positive Richtung des elektrischen Stroms in der Spule in den beschriebenen Beispielen derart gewählt, dass ein senkrechtes Feld mit einer positiven Richtung auf der gesamten Fläche des zu verdampfenden Materials erzeugt wird. Unter diesen Bedingungen erzeugt eine negative tangentiale Komponente an dem Rand des zu verdampfenden Materials ein konvergierendes Feld, während eine positive tangentiale Komponente ein divergierendes Magnetfeld erzeugt.
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Das Magnetfeld, das nur durch die Spule 10 (ohne die Permanentmagneten) erzeugt wird, wenn 2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, ist in vereinfachter Form in 2 und detaillierter in 4 gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist dieses Feld divergierend. 5 ist eine grafische Darstellung der parallelen Komponente des Magnetfelds (in Tesla (T)) auf der Verdampfungsfläche von der Mitte des Ziels zu dessen mit einer Distanz von 50 mm entfernten Peripherie. Wiederum wird die Komponente in der Mitte aufgrund der Symmetrie aufgehoben und wird danach zunehmend positiv, d. h. zunehmend divergierend wie in 2 gezeigt. Das hier gezeigte Feld wird niemals in der Praxis verwendet, weil immer Permanentmagneten vorgesehen sind. Die Figuren dienen lediglich dazu, die Zunahme der divergierenden Beschaffenheit des Magnetfelds bei einer Aktivierung der Spule zu zeigen.
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8 zeigt das Ergebnis des Hinzufügens des durch die Magneten (8, 9) erzeugten Magnetfelds zu dem durch die Spule 10 erzeugten Magnetfeld, wenn ein Strom von 1250 Amperewindungen durch die Spule zirkuliert. Wie aus 9 hervorgeht, ist bei dieser Anordnung von Permanentmagneten die Intensität ausreichend hoch, dass die tangentiale Komponente des Magnetfelds an dem Rand des Verdampfungsziels etwas positiv ist, sodass das Magnetfeld leicht divergiert.
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Es sollte also deutlich sein, dass durch das Modifizieren des durch die Spule zirkulierenden Stroms zwischen 0 Amperewindungen und 1250 Amperewindungen der gewünschte Divergenz- oder Konvergenzgrad zwischen einer leichten Konvergenz bei 0 Amperewindungen und einer leichten Divergenz bei 1250 Amperewindungen erhalten werden kann, wodurch das Verschleißprofil des Verdampfungsziels und der Ionisierungsgrad des verdampften Materials angepasst werden können.
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Wenn 2500 Amperewindungen durch die Spule zirkulieren, wird das vereinfacht in 3 und detaillierter in 10 gezeigte Magnetfeld erhalten, das wie gezeigt von dem für Elemente einer Lichtbogen-Lenktechnik verwendeten Typ ist. 11 zeigt die Tangentialkomponente des Magnetfelds nicht, weil diese immer positiv ist, und zeigt statt dessen die Normalkomponente (in Tesla). Wie zu erkennen ist, wird die Normalkomponente für eine Bewegung von der Mitte nahe zu 30 mm aufgehoben. Der Lichtbogen wird deshalb in diesem Fall in einem kreisrunden Pfad mit einem Radius von 30 mm gehalten.
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In den folgenden Figuren werden ergänzend die Magnetfelder dargestellt, die bei einer Konfiguration erhalten werden, in welcher der für die vorausgehende Konfiguration beschriebene Ring 9 von Magneten nicht vorgesehen ist.
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12 zeigt das Magnetfeld, wenn kein Strom in der Spule zirkuliert. In diesem Fall ist das resultierende Magnetfeld bereits von dem für eine Lichtbogen-Lenkung geeigneten Typ, wobei die Lenkung jedoch sehr schwach ist. Dies geht aus dem Kurvendiagramm der Normalkomponente (13) hervor, das deutlich zeigt, dass die Komponente für einen Radius von ungefähr 23 mm aufgehoben wird und dass die senkrechte Komponente in der Mitte des Ziels schwach ist (bei ungefähr 6 Gauss liegt).
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14 zeigt das Feld, wenn ein Strom von ungefähr 600 Amperewindungen durch die Spule zirkuliert. In diesem Fall ist das Feld etwas konvergierend, wie in dem Kurvendiagramm der Tangentialkomponente (15) zu erkennen ist, das eine Tangentialkomponente des Felds an dem Rand des Verdampfungsziels von ungefähr –15 Gauss angibt.
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Bei einem Strom von 2500 Amperewindungen entspricht das erzeugte Feld dem in 16 gezeigten, das wie in 17 gezeigt einen Tangentialwert des Magnetfelds an dem Rand des Ziels von –4 Gauss erreicht und somit weiterhin konvergierend ist, wenn auch nur schwach.
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Bei einem Stromwert von –2500 Amperewindungen ist das erzeugte Feld wie in 18 gezeigt von einem für eine Lichtbogen-Lenkung geeigneten Typ, wobei der Drehradius des Lichtbogens gemäß dem Kurvendiagramm zu der Normalkomponente des Magnetfelds von 19 bei ungefähr 47 mm liegt, d. h. dem Rand des Verdampfungsziels sehr nahe ist.
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Aus einer Analyse dieser zwei geringfügig unterschiedlichen Konfigurationen wird deutlich, dass unter Nutzung der weiter oben erläuterten Grundprinzipien die Größen der Permanentmagneten derart angepasst werden können, dass durch eine einfache Modifikation der durch die Spule zirkulierenden Intensität ein stark konvergierendes Magnetfeld, ein senkrechtes Magnetfeld, ein leicht divergierendes Magnetfeld und auch ein für eine Lichtbogen-Lenkung geeignetes Magnetfeld, das den Lichtbogen innerhalb eines Kreises mit einem wohldefinierten Durchmesser kreisen lässt, erhalten und von dem mittleren Bereich zu der Peripherie des Verdampfungsziels hin gesteuert werden kann.
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Als Vergleich zeigt
20 das Feld, das erhalten wird, wenn in der zuletzt erläuterten Konfiguration der Magneten und der Spule die Ausrichtung der Permanentmagneten derart modifiziert wird, dass dise wie in
JP-A-11-269634 beschrieben ausgerichtet sind. In diesem Fall kann kein konvergierendes Magnetfeld auf der Oberfläche des Verdampfungsziels mehr erhalten werden. Um dies zu erreichen, müssten die Magneten noch weiter voneinander entfernt angeordnet werden, sodass also die Größe des Rings von Magneten vergrößert werden müsste und die Magneten wie in der genannten Veröffentlichung erläutert näher zu der Ebene der Verdampfungsfläche bewegt werden müssten. Der Nachteil dabei ist jedoch, dass die Magneten sehr nahe an der Verdampfungskammer oder innerhalb derselben angeordnet sind und deshalb spezielle Maßnahmen getroffen werden müssen, um zu verhindern, dass die von dem Beschichtungsprozess kommende Hitze eine Überhitzung der häufig temperaturempfindlichen Magneten verursacht. Zum Beispiel sind in
JP-A-2001-040467 die Magneten an einer ähnlichen Position wie in
JP-A-11-269634 beschrieben angeordnet, aber in ein Wasserbad getaucht. Einer der Vorteile der Anordnung der Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Magneten direkt hinter dem Körper des Verdampfers angeordnet sind, sodass kein spezielles Kühlsystem erforderlich ist, weil die Kühlung des Verdampfungsziels eine Einwirkung der durch die Infrarotstrahlung aus den Heizern in der Maschine erzeugten Wärme verhindert.
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Der vorstehend beschriebene Verdampfer kann mit anderen bekannten Techniken kombiniert werden, um die Qualität der Leistung zu verbessern. Derartige Modifikationen können durch dem Fachmann vorgenommen werden, ohne dass deshalb der hier beschriebene Aufbau des Verdampfers modifiziert zu werden braucht.
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Wenn in der vorliegenden Patentanmeldung das Wort „umfassen” verwendet wird, ist dies nicht ausschließlich zu verstehen, sodass also auch andere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Der Fachmann kann auch andere alternative Ausführungsformen der Erfindung realisieren, z. B. hinsichtlich der gewählten Materialien, Dimensionen, Komponenten, Konfigurationen usw., ohne dass deshalb der durch die Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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