DE3204764A1

DE3204764A1 - Vorrichtung zur physikalischen bedampfung von oberflaechen

Info

Publication number: DE3204764A1
Application number: DE19823204764
Authority: DE
Inventors: Tohru Toyoake Aichi Arai; Junji Nagoya Aichi Endo; Hisashi Nagoya Aichi Shimada
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1981-02-12
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS57134559A; US4514275A; GB2093072B; JPH0317904B2; GB2093072A; DE3204764C2; CA1177638A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bedampfung von Oberflächen eines Körpers mit Metallen, anorganisehen oder organischen Substanzen mittels einer physikalischen Dampfabscheidung. Durch eine derartige Behandlung werden den Körpern Wetterbeständigkeit, Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und funktionel-Ie Eigenschaften verliehen.

Die herkömmliche Oberflächenbehandlung von Körpern durch physikalische Dampfabscheidung, wie Vakuumbedampfung, Zerstäuben (sputtering), Ionenbeschichtung (ion plating) und dergl., ist weit verbreitet, um Körpern Abriebfestigkeit, Wetterbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Schattierungsvermögen zu verleihen oder ihr Reflexionsvermögen zu -verbessern.

Gemäss herkömmlichen Methoden müssen die zu behandelnden Körper in einen Vakuumbehälter gebracht werden. Die Grosse der zu behandelnden Körper ist damit durch die Grosse dieses Behälters begrenzt. Für Körper mit grossen Abmessungen sind Vakuumbehälter und Absaugsysteme erforderlich, deren Abmessungen wesentlich grosser sein müssen als die des zu behandelnden Körpers. Dies führt zu erhöhten Kosten bei der physikalischen Dampfabscheidung. Ist der zu behandelnde Körper zu gross, so ist die Oberflächenbehandlung mittels der physikalischen Dampfabscheidung ganz unmöglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur physikalischen Dampfabscheidung bereitzustellen, mit der grosse oder unbewegliche Körper ohne Einsatz von grossen Vorrichtungen behandelt werden können. Dabei soll auch eine teilweise Oberflächenbehandlung oder eine Oberflä-

chenbehandlung von Boden und Seitenteilen eines Körpers ohne eine Bewegung des Körpers selbst ermöglicht werden. Diese Vorrichtung soll platzsparend und einfach gebaut sein und die Durchführung der physikalischen Dampfabscheidung zu wirtschaftlichen Bedingungen ermöglichen. Ausserdem ist es erwünscht, dass der Vorgang der Oberflächenbehandlung beobachtet werden kann. Schliesslich soll diese Vorrichtung eine intensive Haftung der Oberfläche und der darauf gebildeten Schicht ermöglichen.

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Erfindüngsgemäss wurde festgestellt, dass die Oberflächenbehandlung nicht immer an der gesamten Oberfläche vorgenommen werden muss und dass der Raum, der unter Vakuumbedingungen zu halten ist, nicht gross zu sein braucht. ■

Erfindüngsgemäss wird eine Vorrichtung zur physikalischen Bedampfung von Oberflächen eines Körpers zur Verfügung gestellt, die folgende Bestandteile aufweist: Ein an einem Ende offenes Gehäuse; ein Dichtungselement am offenen, mit der zu behandelnden Oberfläche in Kontakt stehenden Ende des Gehäuses, das den luftdichten Verschluss des Gehäuses mit der zu behandelnden Oberfläche unter Ausbildung einer Vakuumkammer ermöglicht; eine in der Vakuumkammer vorgesehene und mit einer Stromquelle verbundene Elektrodeneinrichtung, wie eine Auftreffelektrode (Target-Elektrode) oder eine Mehrzahl von Elektroden zur Hitzeverdampfung, zur physikalischen Dampfabscheidung, mit der Dampf des Beschichtungsmaterials auf die zu behandelnde Oberfläche emittiert wird; und eine an einer bestimmten Wandstelle des Gehäuses vorgesehene Absaugöffnung zum Absaugen der Gase im Gehäuse.

Nachstehend wird die erfindungsgemässe Vorrichtung näher erläutert. Bei der Anwendung der erfindungsgemässen Vor-

Ί richtung wird das Vakuumdichtungselement in Kontakt mit dem Teil des Körpers, dessen Oberfläche behandelt werden soll, gebracht, wodurch eine luftdichte Kammer mit dem Gehäuse gebildet wird. Diese Kammer wird durch die Innenwand des Gehäuses und den vorgenannten Teil des zu behandelnden Körpers begrenzt . Zusätzlich sind im Gehäuse eine Elektrode und eine Absaugöffnung, die für die physikalische Dampfabscheidung erforderlich sind, vorgesehen. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, eine Oberflächenbehandlung mittels physikalischer Dampfabscheidung an Körpern grosser Abmessungen oder an fixierten Körpern durchzuführen.

Das Gehäuse der erfindungsgemässen Vorrichtung dient als Hauptkörper und weist, wie bereits erwähnt, eine Elektrode und eine Absaugöffnung auf, die für die .physikalische Dampfabscheidung erforderlich sind. Ausserdem ist das Gehäuse vollständig an den zu behandelnden Körper angepasst, um eine Vakuumkammer auszubilden. Wie bereits erwähnt, dient somit die Oberfläche des Körpers als Teil der Vakuumkammer. Es kommen beliebige Gehäuse in Frage, sofern sie dem Atmosphärendruck (1 at) standhalten. Die Gehäuse können aus Metallen, Keramik oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Das Gehäuse kann ganz oder teilweise aus einem durchsichtigen Material bestehen. Dies ist besonders zweckmässig, da dadurch die Oberflächenbehandlung selbst beobachtet werden kann. Das Gehäuse ist an einem Ende offen und weist einen Hohlraum auf, der ausreichend gross zur Aufnahme von Elektroden und anderen Bestandteilen ist. Das Gehäuse kann zylindrisch, rechteckig oder auf andere Weise zweckmässig geformt sein.

Durch das Dichtungselement am offenen Ende des Gehäuses werden der zu behandelnde Körper und das Gehäuse fest

miteinander verbunden, so dass das Innere des Gehäuses luftdicht verschlossen ist. Das Dichtungselement besteht aus weichem Material, wie Kautschuk, Silikonharz oder dergleichen. Vorzugsweise ist der Umriss der Dichtung an die Oberfläche des zu behandelnden Körpers angepasst. Diesbezüglich ist die Verwendung eines formbaren Materials, z.B. von Silikonharz oder dergleichen, besonders· zweckmässig. Hat der zu behandelnde Körper eine im wesentlichen glatte Oberfläche, kann ein O-Ring aus Gummi oder dergleichen verwendet werden. Ist die zu behandelnde Oberfläche so rauh, dass die Abdichtung schwierig ist, so kann auch Vakuumfett in Pastenform oder dergleichen verwendet werden.

Im Gehäuse sind eine. Auftreffelektrode zum Zerstäuben oder Elektroden zum Hitzeverdampfen unter Vakuum angeordnet. Hierzu können herkömmliche Elektroden zum Zerstäuben oder Vakuumbedampfen verwendet werden. Im Fall der Vakuumverdampfung, bei der ein durch die Elektroden geschmolzenes Material zur Abscheidung verdampft wird, ist Sorge dafür zu tragen, dass das geschmolzene Material nicht ausfliesst.

Zusätzlich zu den vorgenannten Elektroden kann im Gehäuse eine Vorspannungselektrode (Bias-Elektrode) vorgesehen sein. Ist eine derartige Vorspann'ungselektrode vorhanden, so kann eine Ionenbeschichtung und Vorspannungsbedampfung durchgeführt werden. Diese Elektrode bewirkt eine Reinigung und ein erhöhtes Haftvermögen der zu behandelnden Oberfläche.

Am Gehäuse ist eine Absaugöffnung zum Absaugen der Gase im Gehäuse erforderlich. Durch diese Absaugöffnung kann der Druck im Innern des Gehäuses so verringert werden, dass die Durchführung der physikalischen Dampfabschei-

dung ermöglicht wird. Um die physikalische Dampfabscheidung unter einer speziellen Atmosphäre durchzuführen, kann am Gehäuse auch eine Gaseinleitungsöffnung vorgesehen sein, durch die ein spezielles Gas in das Gehäuse eingeleitet wird. Ausserdem kann ein Befestigungselement, wie eine Klammer, eine Magnet klammer oder dergleichen, zur Befestigung der Vorrichtung an dem zu behandelnden Körper vorgesehen sein.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäss Fig. 1 wird die Bestäubung eines Teils der Oberseite eines grossen Metallwerkzeugs A durchgeführt. Das Vakuumgehäuse 1 dieser Vorrichtung umfasst ein zylindrisches, durchsichtiges Glasrohr 11 und einen Metalldeckel 12, der am oberen Ende des Glasrohrs 11 mit einer Dichtung 13 angebracht ist. Im Gehäuse ist eine Auftreffelektrode 2 fest am Mittelbereich der Unterseite des Deckels 12 angebracht. Eine Klemme 21 der Auftreffelektrode 2 ist an der Oberseite des Deckels 12 ausserhalb des Gehäuses vorgesehen und mit einer Stromquelle verbunden. Ferner befindet sich unterhalb der Auftreffelektrode 2 eine ringförmige Vorspannungselektrode 3· Die Vorspannungselektrode 3 wird durch einen am Deckel 12 hängenden Haltestab 31 gehalten. An der Oberseite des Deckels 12 befindet sich eine Klemme 32 für diese Elektrode. Der Deckel 12 des Ge-

häuses 1 weist ferner eine Absaugöffnung 4 zum Absaugen der Gase im Gehäuse auf. Die öffnung 4 ist über eine Absaugleitung 41 mit einer Vakuumpumpe verbunden. Der Deckel 12 ist ferner mit einer Gaseinleitungsöffnung 5 versehen, in die ein Gaseinleitungsrohr 51 eingebracht ist.

Ein Vakuumdichtelement 6 ist am unteren offenen Ende des Glasrohrs 11 vorgesehen. Dieses Element besteht aus einer Gummidichtung. Das Vakuumdichtelement 6 steht in luftdichtem Kontakt mit der Oberfläche des Metallwerkzeugs A, wodurch das Innere des Gehäuses 1 verschlossen wird.

Beim Einsatz dieser Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung ist zunächst zu gewährleisten, dass die zu behandelnde Oberfläche des Metallwerkzeugs A mittels des Vakuumdichtelements 6 luftdicht am Glasrohr 11 sitzt. Anschliessend wird die Luft im Gehäuse 1 mittels einer (nicht abgebildeten) Vakuumpumpe durch die Absaugöffnung 4 abgesaugt. Anschliessend wird eine vorgesehene Menge eines bestimmten Gases in das Gehäuse eingeleitet, wodurch im Gehäuse 1 eine kontrollierte Atmosphäre entsteht. Eine vorbestimmte Spannung wird zwischen der Vorspannungselektrode 3 und dem Metallwerkzeug A sowie zwischen der Auftreffelektrode 2 und dem Metallwerkzeug A angelegt.

Die Auftreffelektrode 2 fängt positive Ionen auf und emittiert Dampf des Auftreffelektrodenmaterials auf die zu behandelnde Oberfläche, wodurch die Bestäubung abläuft. Ist in diesem Fall die Auftreffelektrode mit einer Gleichstromquelle verbunden, soll die Auftreffelektrode ein geringeres Potential als die zu behandelnde Oberfläche haben. Bei Verbindung mit einer

Wechselstromquelle (Anlegen von Hochfrequenzströmen für industrielle Zwecke) soll die Auftreffelektrode eine kleinere Fläche als die offene Fläche des Gehäuses aufweisen.

Die Vorspannungselektrode soll ein höheres Potential als die zu behandelnde Oberfläche aufweisen.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist sehr kompakt und leicht zu versetzen bzw. zu transportieren. Diese Vorrichtung erlaubt die Oberflächenbehandlung von grossen oder unbeweglichen Körpern, .wie Metallwerkzeugen von grossen Abmessungen, deren Oberflächenbehandlung bisher nur unter Schwierigkeiten oder gar nicht durchführbar war. Ausserdem hat die Vorrichtung gemäss dieser Ausführungsform den Vorteil, dass der eigentliche Vorgang der Oberflächenbehandlung des Körpers beobachtet werden kann, da das Glasrohr 11 des Gehäuses 1 durchsichtig ist.

Beispielsweise wurde ein zylindrisches Vakuumgehäuse der in Fig. 1 gezeigten Art hergestellt. Dieses Gehäuse war ohne Bodenteil und hatte einen Innendurchmesser von 130 mm und eine Länge von 55 mm. Mit einem derartiqen Gehäuse wurde ein Presseniretallaesenk bestäubt. Dieses

Metallwerkzeug war ausreichend geglättet, so dass sich die Oberfläche im Hochglanzzustand befand. Das vorgenannte Vakuumgehäuse wurde auf die Oberfläche des Metallwerkzeugs gesetzt. Gase innerhalb des Gehäuses wurden bis zu einem Druck von 5 χ 10 Torr abgesaugt.

Anschliessend wurde Argon in das evakuierte Gehäuse eingeleitet und eine Atmosphäre von 0,07 Torr aufrecht erhalten. Sodann wurde unter der Argonatmosphäre von 0,07 Torr 5 Minuten eine Ä'tzbehandlung bei einer Stromstärke von 0,05 A und einer Spannung von 2 kV vorgenommen, wo-

bei an das Metallwerkzeug in bezug zur Vorspannungselektrode eine negative Spannung angelegt wurde. Nach dieser Ätzbehandlung wurde das Metallwerkzeug einer Goldbeschichtung mittels Zerstäubens unterzogen. In diesem Fall wurde an die Auftreffelektrode in bezug zum Metallwerkzeug eine negative Spannung angelegt. Während dieser Behandlungen war das Metallwerkzeug immer geerdet.

Die Bedingungen und die Ergebnisse dieser Bestäubung sind nachstehend zusammengestellt:

Abstand zwischen der Auftreffelektrode und der Oberfläche

des Metallwerkzeugs 25 ram

Ionisierungspotential Gleichstrom

1k

Stromstärke 10 mA

Argondruck 0,07 Torr

Abscheidungszeit 8 min.

Stärkenverteilung des in der

Goldfilras Mitte 520 8

in einer Entfernung von 60 mm von der

Mitte 400 8

Ferner wurde eine Vorrichtung der vorgenannten Bauart hergestellt, bei der aber die Auftreffelektrode mit einer

τη Wechselstromquelle (Spitze-zu-Spitze-Spannung 1,4 KV) statt mit einer Gleichstromquelle verbunden wurde. Die Klemme 21 befand sich in einem an der Oberseite des Deckels 12 vorgesehenen Impedanzanpassungskasten. Mit dieser Vorrichtung konnte die Oberfläche des Metallwerkzeugs mit einem Film gewünschter Dicke beschichtet werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform eignet sich zur Durchführung der Vakuumbedampfung der Bodenfläche eines Körpers B. Diese Vorrichtung weist als Hauptkörper ein Metallgehäuse 10 auf. Das Metallgehäuse 10 umfasst eine zylindrische Dose mit einem offenen Ende, an deren Seitenwand Klemmen für ein (nicht abgebildetes) Elektrodenpaar zur Hitzeverdampfung, eine Klemme für eine (nicht abgebildete) Vorspannungselektrode, ein Absaugrohr 42, ein Gaseinleitungsrohr 52 und ein Fenster 14 vorgesehen ist. Das Elektrodenpaar zur Hitzeverdampfung ist in der Gehäusemitte angebracht.

Ferner ist ein Vakuumdichtungselement 60 am offenen Ende des Gehäuses 10 vorgesehen, das aus einer Guitimidichtung besteht. Am unteren Ende des Gehäuses 10 befinden sich Stützen 15, mit denen das Gehäuse 10 an der Bodenfläche des Körpers B fixiert werden kann. Hierzu wird das Gehäuse 10 gegen die zu behandelnde Bodenfläche des Körpers B gedrückt, so dass es an diesem hält.

Zur Durchführung der Oberflächenbehandlung am Boden des Körpers B ist das Gehäuse 10 mittels der in Fig. 2 gezeigten Stützen 15 an der Bodenfläche zu befestigen. Sodann wird die Luft im Gehäuse 10 mittels der Absaugleitung 42 abgesaugt und ein spezielles Gas in das Gehäuse durch das Gaseinleitungsrohr 52 eingeleitet, um eine Kontrolle der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses 10 zu gewährleisten. Nach einer Ätzbehandlung unter Verwendung der Vorspannungselektrode wird den Elektroden zur Hitzeverdampfung über die Klemme 22 ein bestimmter Strom zugeführt, wodurch ein für die Verdampfung verwendeter Draht unter Verdampfung von Metall und Abscheidung desselben an der Bodenfläche des Körpers B erhitzt wird. Für diesen Zweck ist es möglich, einen das Beschichtungsmaterial enthaltenden Schmelz-

tiegel zu verwenden, der durch Elektronenstrahlen durch eine Mehrzahl von Elektroden erhitzt wird. Während dieser Oberflächenbehandlung kann der Behandlungsablauf durch das Fenster 14 beobachtet werden.

Die in den vorstehenden Ausführungsformen genannten Elektroden können durch andere bekannte Elektroden zur Dampf.abscheidung, zum Zerstäuben oder zum Ionenbeschichten ersetzt werden. 10

Leerseite

Claims

BLUMBACH ■ WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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41-1, Aza Yokomichi, Oaza Nagakute, M

Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi-ken, Japan

Vorrichtung zur physikalischen Bedampfung von Oberflächen

Patentan sprüche

1i Vorrichtung zur physikalischen Dampfabscheidung zur Beschichtung einer Oberfläche eines Körpers (A, B), umfassend ein Gehäuse (10, 11), eine im Gehäuse vorgesehene, mit einer Stromquelle verbundene Elektrodenanordnung (2, 3) und eine an einer bestimmten Stelle der Gehäusewand vorgesehene Absaugöffnung (4), dadurch gekennzeichnet , daß

- das Gehäuse (10, 11) an einem Ende offen ist,

- ein Dichtungselement (6, 60) am offenen Gehäuseende vorgesehen ist, das in Kontakt mit der zu behandelnden Oberfläche steht und einen luftdichten Verschluß zwischen Gehäuse und der zu behandelnden Oberfläche unter Bildung einer Vakuumkammer gewährleistet, und

- die Elektrodenanordnung Beschichtungsmaterial in Form von Dampf auf die zu behandelnde Oberfläche emittiert.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. net. · E. Hoffmann Dipl.-lng. Wiesbaden: P.e. Blumbach Dipl.-lng. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-lng, Dipl.-W.-Ing.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer vorbestimmten Wandstelle des Gehäuses unabhängig von der Absaugöffnung eine Gaseinleitungsöffnung zum Einleiten eines bestimmten Gases in das Gehäuse vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die Elektrodenanordnung eine Auftreffelektrode zur Aufnahme von positiven Ionen und zur Emission von Dampf des Materials der Auftreffelektrode auf die zu behandelnde Oberfläche aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffelektrode mit einer Gleichstromquelle verbunden ist und ein niedrigeres Potential als die zu behandelnde Oberfläche aufweist.
5- Vorrichtung nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffelektrode mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und eine kleinere Oberfläche als die Gehäuseöffnung aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung eine Mehrzahl von Elektroden zur Hitzeverdampfung zum Emittieren von Dampf des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche des Körpers aufweist.
7- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η nzeichnet, dass eine mit einer Stromquelle verbundene Vorspannungselektrode mit einem höheren Potential als die zu behandelnde Oberfläche in der Vakuumkammer vorgesehen ist, mit der eine Reinigung der zu behandelnden Oberfläche und eine Erhöhung des Haftvermögens daran ermöglicht wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest teilweise durchsichtig ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Gehäuses an dem zu behandelnden Körper aufweist, wodurch eine Beschichtung an einer vorbestimmten Stelle der Oberfläche des Körpers ermöglicht wird.