DE4217450A1

DE4217450A1 - Ionenplattierverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE4217450A1
Application number: DE4217450A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kibe; Hiroshi Kagechika; Takeshi Sekiguchi
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2012-05-27
Also published as: DE4217450C2; US5227203A; DE4217450C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenplattierverfahren und eine Vorrichtung dafür, und zwar insbesondere zur Herstellung einer Schicht auf einem breiten Substrat mit hoher Ge schwindigkeit.

Seit einigen Jahren wird versucht, mittels Trockenverfahren Schichten auf breiten Stahlbändern wie etwa kaltgewalztem Bandstahl zu bilden, um den Wert zu erhöhen. Von diesen Ver suchen hat sich das Ionenplattieren als ein Verfahren be stätigt, das in bezug auf Haftvermögen und Dichte einer Schicht sowie hinsichtlich der Produktivität sehr gut geeig net ist (Material and Process, Bd. 2, S.1636-1637 (1989)). Um die Produktivität beim Ionenplattieren zu steigern, muß ein Schichtmaterial mit hoher Geschwindigkeit verdampft werden, und als Heizeinrichtung für das Material wird vorteilhaft ein Hochleistungs-Elektronenstrahlerzeuger verwendet. Bei der Ionisation des mit hoher Rate verdampften Materials treten jedoch bei einem großen Ionisationsverhältnis technische Schwierigkeiten auf. Bisher ist noch kein industriell anwend bares Verfahren für Breitbandstahl entwickelt worden.

Bei der Bildung einer Keramikschicht mit einem Ionenplat tierverfahren wird ein Metallmaterial, das ein Hauptbestand teil einer Keramik ist, aufgeheizt, verdampft und ionisiert. Gleichzeitig treten die Metallionen in Reaktion mit einem Reaktionsgas, das während der Ionisierung gleichzeitig zuge führt wird, um eine Keramikschicht auf einem Substrat zu bil den. Von den Ionenplattierverfahren ist ein HCD- bzw. Hohl kathodenentladungs-Verfahren verfügbar, um gleichzeitig eine Materialverdampfung und Ionisation durch Anwendung einer Plasmakanone durchzuführen. Dieses Verfahren wird als reak tives Ionenplattierverfahren angewandt, weil es ein großes Ionisierungsverhältnis hat. Da jedoch die Abscheidungsrate bei diesem Verfahren in der Größenordnung von 1/10 am/min liegt, sind die meisten in der Praxis gebauten Systeme kleine, diskontinuierlich arbeitende Systeme. Ein wirtschaft licher Nachteil stellt sich automatisch ein, wenn dieses Verfahren in einer kontinuierlichen Bearbeitungsanlage für Bandgut angewandt wird.

Die geprüfte JP-Patentanmeldung 57-57 553 schlägt ein Verfah ren vor, bei dem ein Elektronenstrahlerzeuger als Heizein richtung verwendet und eine positive Elektrode nahe einem Tiegel angeordnet wird, um das Ionisierungsverhältnis und die Schichtgüte zu verbessern. Da jedoch bei diesem Verfahren der Ausstoß während der Schichtbildung mit hoher Rate instabil wird, wird das Verfahren nur bei kleinen diskontinuierlich arbeitenden Systemen angewandt. Es ist daher schwierig, ein großflächiges Bandgut mit hoher Rate unter Anwendung eines breiten Tiegels einer Ionenplattierung zu unterziehen.

Die nichtgeprüfte JP-Patentanmeldung 57-1 55 369 schlägt ein Verfahren vor, bei dem Dampfteilchen von einer über einem Tiegel positionierten Haube gebündelt und von einer positiven Elektrode und einem Heizfaden, die in einem oberen Teil der Haube angeordnet sind, ionisiert werden. Bei diesem Verfahren kann auch bei hoher Verdampfungsgeschwindigkeit ein stabiler Ausstoß erhalten werden. Allerdings ist die Lebensdauer des Fadens kurz, und das Verfahren ist in einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung in der Praxis nicht anwendbar.

Wie Fig. 5 schematisch zeigt, schlägt die US-PS 48 28 872 (DE 36 27 151 A1) ein Verfahren vor, bei dem ein Tiegel 3 vollständig von einer Innenkammer 6 mit einer oberen Öffnung 8 überdeckt ist und ein Dampfstrom aus der Öffnung von einer über der Öffnung 8 liegenden positiven Elektrode 9 ionisiert wird. Bei diesem Verfahren wird auch bei hoher Verdampfungs geschwindigkeit ein stabiler Ausstoß erreicht, und die Vor richtung von Fig. 5 ist für Langzeitbetrieb geeignet. Da je doch der Abstand zwischen der Elektrode 9 über der Innenkam mer 6 und dem Tiegel 3 groß ist, können von einem Verdamp fungsmaterial 4 erzeugte Thermoelektronen nicht ausreichend beschleunigt werden. Daher ist das Ionisierungsverhältnis der Dampfteilchen nicht groß genug. Insbesondere wird das Ioni sierungsverhältnis während der Hochgeschwindigkeits-Ver dampfung weitgehend verringert.

Die Erfinder haben ausführliche Untersuchungen zu den vorge nannten Problemen durchgeführt. Dabei wurde eine Vorrichtung entwickelt, bei der eine haubenartige Elektrode angeordnet ist, deren Funktion es ist, einen Dampfstrom über einem Tie gel zu bündeln, wenn ein Verdampfungsmaterial im Tiegel von einem Elektronenstrahlerzeuger aufzuheizen und zu verdampfen und von einer positiven Elektrode zu ionisieren ist, wodurch der Ausstoß stabilisiert und das Ionisierungsverhältnis auch bei hoher Verdampfungsgeschwindigkeit mit einer einfachen Konstruktion vergrößert wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ionenplat tierverfahrens und einer dafür geeigneten Vorrichtung, wobei eine einfache Konstruktion verwendet wird, um in Großproduk tion ein Bandgut und insbesondere ein Breitband in stabiler Weise mit hoher Abscheidungsgeschwindigkeit und einem großen Ionisierungsverhältnis ionenplattieren zu können, so daß auf dem durchlaufenden Band Metall-, Legierungs- und Keramik schichten hoher Güte erzeugt werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Ionenplattierverfahren für ein bewegtes Band angegeben, das folgende Schritte aufweist:
Richten eines Elektronenstrahls auf wenigstens ein Material, um das Material auf zuheizen und zu verdampfen und dadurch einen Dampfstrom des Materials zu erzeugen; Bündeln des Dampfstroms des Materials mit einer haubenartigen Elektrode; Anlegen einer positiven Spannung an die haubenartige Elek trode, um Thermoelektronen aus dem Material anzuziehen und sie zu veranlassen, den Dampfstrom zu ionisieren; und Ab scheiden des gebündelten und ionisierten Dampfstroms auf dem Band. Ferner wird, wenn auf dem Band eine Keramikschicht ge bildet werden soll, ein Reaktionsgas im Inneren der Elektrode zugeführt, und das in die Elektrode strömende Reaktionsgas wird gemeinsam mit dem Dampfstrom ionisiert, um dadurch das resultierende Verbundmaterial auf dem Band als Keramikschicht abzuscheiden.

Gemäß der Erfindung wird ferner eine Ionenplattiervorrichtung angegeben, die folgendes aufweist:
eine Vakuumkammer zum Durchführen eines Bands, die auf einer Unterdruckatmosphäre gehalten wird und einen Einlaß und einen Auslaß hat, durch die ein mit einer Ionenplattierung zu ver sehendes Band in der Unterdruckkammer bewegt wird;
einen unter dem Band in der Vakuumkammer angeordneten Tiegel zur Aufnahme eines Ionenplattiermaterials;
eine Bestrahlungseinrichtung zum Richten eines Elektronen strahls auf das Material, um das Material auf zuheizen und zu verdampfen;
eine Elektrode, die über dem Tiegel und unter dem Band in der Vakuumkammer angeordnet ist und haubenartige Gestalt hat, um einen oberen Teil des Tiegels zu überdecken, wobei die Elek trode eine an einem unteren Teil der Elektrode gebildete Öffnung hat, um das aufgeheizte und verdampfte Material auf zunehmen, und eine an einem oberen Teil der Elektrode gebil dete Öffnung hat, um das aufgeheizte und verdampfte Material in Richtung zu dem Band auszuleiten; und
eine Gleichstromquelle, die einen mit der Elektrode verbunde ne positiven Anschluß und einen mit dem Tiegel verbundenen negativen Anschluß hat. Die Vorrichtung zum Bilden einer Keramikschicht auf einem Band hat außerdem einen Einlaß zur Aufnahme eines Reaktionsgases.

Da gemäß der Erfindung die haubenartige Elektrode über dem Tiegel liegt, kann eine Streuung des Dampfstroms verhindert werden. Insbesondere können Dampfstörungen, die durch einen Oberflächenzustand des Verdampfungsmaterials bei der Hochge schwindigkeitsverdampfung bewirkt werden, unterdrückt werden, so daß der Ausstoß stabilisierbar ist. Auch wenn ferner der Dampfdruck an der Oberfläche des Verdampfungsmaterials wäh rend der Hochgeschwindigkeitsverdampfung stark ansteigt und die mittlere freie Weglänge der an der Oberfläche des Ver dampfungsmaterials erzeugten Thermoelektronen kurz wird, können die Thermoelektronen ausreichend beschleunigt werden, um ein großes Ionisationsverhältnis aufrechtzuerhalten, weil ein Ende der Elektrode nahe dem Tiegel angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ionenplattier vorrichtung gemäß Beispiel 1 der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Ab scheidungsraten und Ionisierungsverhältnissen bei Verwendung der Vorrichtung von Beispiel 1 und einer konventionellen Vorrichtung des Vergleichsbeispiels zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ionenplat tiervorrichtung gemäß Beispiel 2 der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ionenplattier vorrichtung gemäß Beispiel 3 der Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung gemäß US-PS 48 28 872 (DE 36 27 151 A1).

Beispiel 1

Nachstehend wird das in Fig. 1 gezeigte Beispiel beschrieben. Die gezeigte Ionenplattiervorrichtung dient dem kontinu ierlichen Ionenplattieren eines bewegten Bands 11. Beispiele für ein bevorzugtes Band 11 sind kohlenstoffarmer Bandstahl, rostfreier Bandstahl, magnetischer Bandstahl, dünnes Fe-Ni- Legierungsblech, dünnes Al-Blech und dünnes Ti-Blech. Wenn die Vorrichtung einen entsprechenden Kühlmechanismus auf weist, kann sie in Verbindung mit einer Polymerfolie oder dergleichen verwendet werden. Das Material des mit der Vor richtung zu bearbeitenden Bands ist daher nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt. Die Vorrichtung hat eine Vakuumkammer 1, um darin eine Vakuumatmosphäre zu unter halten. Die Vakuumkammer 1 hat einen Einlaß 14 und einen Auslaß 15 in ihrem oberen Teil. Das Band 11 wird durch die Vakuumkammer 1 bewegt. Der Einlaß 14 und der Auslaß 15 weisen Vakuumdichtungen 14a und 15a auf, um während des Durchlaufs des Bands 11 ein Vakuum aufrechtzuerhalten. Die Vakuumdich tungen 14a und 15a brauchen nicht vorgesehen zu werden, wenn der Druck in einem an die Vakuumkammer angrenzenden Vakuum raum nahezu gleich dem in der Vakuumkammer 1 ist. Über der Vakuumkammer 1 ist ein Evakuierungssystem 2 angeordnet, um ein die Ionenplattierung ermöglichendes Vakuum im Bereich von 1 Pa bis 1×10^-3 Pa zu unterhalten. Ein Tiegel 3 liegt im unteren Teil der Vakuumkammer 1, und im Tiegel 3 befindet sich ein zu verdampfendes Material 4. Die Breite des Tiegels 3 ist gleich oder größer als die Breite des Bands 11. Bei spiele des bevorzugten Verdampfungsmaterials sind Ni, Co, Fe, Ti, Zr, Ta, V und Hf. Weitere bevorzugte Verdampfungsmate rialien sind Cr, Mn und dergleichen. Ein Elektronenstrahl erzeuger 12 ist an einer Seite der Vakuumkammer 1 angeordnet. Ein vom Elektronenstrahlerzeuger ausgehender Elektronenstrahl 7 wird von einem Magnetfeldgenerator 20 abgelenkt, und der abgelenkte Elektronenstrahl trifft auf die Oberfläche des Verdampfungsmaterials 4 auf. Eine haubenartige Elektrode 9 ist zwischen dem Tiegel 3 und dem Band 11 angeordnet. Der untere Teil der Elektrode 9 ist zum Tiegel 3 hin offen. Die haubenartige Elektrode 9 ist zu ihrem oberen Teil hin konisch verjüngt. Der obere Teil hat eine Öffnung 8, die dem Band 11 zugewandt ist. Die Breite der Öffnung 8 ist gleich oder grö ßer als die Breite des Bands 11. In dem Seitenteil der Elek trode 9 ist eine Öffnung 16 gebildet, so daß der Elektronen strahl die Öffnung 16 durchsetzt. Das Material der Elektrode 9 ist bevorzugt Kupfer mit einem Wasserkühlungsmechanismus, so daß sie der vom Tiegel 3 abgestrahlten und der während der Ionisierung erzeugten Wärme standhalten kann. Die seitliche Öffnung 16, durch die der Elektronenstrahl geht, ist nicht wesentlich. Wenn der Elektronenstrahl 7 durch einen Zwischen raum zwischen der Elektrode 9 und dem Tiegel 3 auf das Ver dampfungsmaterial 4 auftrifft, kann die seitliche Öffnung 16 entfallen. Der positive Anschluß einer Gleichstromquelle 13 ist mit der Elektrode 9 verbunden, und der negative Anschluß der Gleichstromquelle 13 ist mit dem Tiegel 3 verbunden.

Bei dieser Vorrichtung tritt der Elektronenstrahl 7 aus dem Elektronenstrahlerzeuger 13 aus und wird von dem Magnetfeld generator 20 abgelenkt. Der abgelenkte Elektronenstrahl 7 trifft auf den Tiegel 3, der am unteren zentralen Teil der Vakuumkammer 1 liegt, um das Verdampfungsmaterial 4 auf zu heizen und zu verdampfen. Die Ausgangsleistung des Elektro nenstrahlerzeugers 12 ist beispielsweise 40-600 kW. Der Dampfstrom dieses Materials wird in die haubenartige Elektro de 9 gebündelt. An die Elektrode 9 wird eine positive Span nung angelegt, und der Dampfstrom wird von Thermoelektronen, die aus dem Verdämpfungsmaterial 4 erzeugt werden, ionisiert. Die an die Elektrode 9 angelegte Spannung liegt beispiels weise zwischen 15 und 100 V. Der ionisierte Metalldampf wird von der Elektrode 9 gebündelt und auf dem oben laufenden Band 11 durch die obere Öffnung 8 der Elektrode 9 abgeschieden, wodurch auf dem Band 11 eine Metallschicht gebildet wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Band 11 mit einer negativen Spannung beaufschlagt ist, werden die ionisierten Dampfteil chen zum Band 11 hin beschleunigt, so daß das Haftvermögen der Schicht erhöht und die Formbarkeit verbessert werden. Die an das Band 11 angelegte Spannung liegt bevorzugt im Bereich von -50 bis -1000 V.

Da bei dieser Vorrichtung die haubenartige Elektrode 9 über dem Tiegel 3 angeordnet ist, wird eine Streuung des Dampf stroms verhindert. Insbesondere kann eine durch einen Ober flächenzustand des Verdampfungsmaterials bewirkte Dampfstö rung während der Hochgeschwindigkeitsverdampfung unterdrückt werden, so daß der Ausstoß stabilisiert werden kann. Da fer ner die Elektrode 9 selbst die Funktion einer Haube hat, kann die Konstruktion vereinfacht sein, um über einen langen Zeitraum für Stabilität zu sorgen. Da ein Ende der hauben artigen Elektrode nahe dem Tiegel liegt, können die Elek tronen auch bei einer kürzeren mittleren freien Weglänge von an der Oberfläche des Verdampfungsmaterials erzeugten Ther moelektronen beschleunigt werden, wodurch ein großes Ionisie rungsverhältnis aufrechterhalten wird.

Das Diagramm von Fig. 2 zeigt eine Beziehung zwischen den Ab scheidungsraten und den Ionisationsverhältnissen bei Verwen dung der Vorrichtung nach Fig. 1 bzw. der Vorrichtung nach Fig. 5. In diesem Fall war das Verdampfungsmaterial Ti, und die Ausgangsleistung des Elektronenstrahlerzeugers wurde zu dem Bereich von 40-150 kW geändert. Die an die Elektrode an gelegte Spannung lag im Bereich von +30 bis +50 V. Die Ioni sationsverhältnisse wurden nach Maßgabe der Werte von Strö men, die durch die Substrate flossen, berechnet. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß bei einer Erhöhung der Abscheidungsrate das Ionisationsverhältnis bei dem konventionellen Verfahren abrupt verringert wird. Dagegen kann bei der Erfindung ein größeres Ionisationsverhältnis als bei dem konventionellen Verfahren auch bei einer hohen Abscheidungsrate aufrecht erhalten werden.

Beispiel 2

Die Ionenplattiervorrichtung von Fig. 3 entspricht im Prinzip derjenigen von Fig. 1 mit der folgenden Ausnahme: In einem unteren Teil im Inneren der Vakuumkammer 1 sind wenigstens zwei Tiegel 3a und 3b in Bewegungsrichtung eines Bands 11 fluchtend angeordnet. Zu verdampfende Materialien 4a und 4b, die Bestandteile einer durch Ionenplattieren zu bildenden Legierungsschicht sind, sind in den Tiegeln 3a und 3b ent halten. Beispiele der geeigneten Verdampfungsmaterialien 4a und 4b sind Ti, Hf, Ta, W, V, Zr, Ni, Co, Fe, Cr, Al, Mn und Zn. Von diesen Materialien ist als das Verdampfungsmaterial ein hochschmelzendes Metall geeignet, bei dem während des Aufheizens und Verdampfens eine große Zahl von Thermoelektro nen erzeugt werden. Die Verdampfungsmaterialien sind aber nicht auf die genannten Materialien beschränkt. Je nach einer gewünschten Legierung kann ein Verbundmaterial (z. B. ein Nitrid, Oxid oder Carbid) mit Ausnahme von Metallen einge setzt werden. Die Breite jedes Tiegels 3a und 3b ist gleich oder größer als die Breite des Bands 11.

Ein Elektronenstrahlerzeuger 12 ist an einer Seite der Va kuumkammer 1 angeordnet. Ein Elektronenstrahl 7 wird von einem Ablenkmagnetfeld, das von einem Magnetfeldgenerator 20 erzeugt wird, zu den Tiegeln abgelenkt. Der abgelenkte Elek tronenstrahl wird abwechselnd auf die Oberflächen der Ver dampfungsmaterialien 4a und 4b gerichtet. Der Elektronen strahlerzeuger ist bevorzugt ein Pierce-Strahlerzeuger, wenn der Elektronenstrahl auf eine Mehrzahl von Tiegeln gerichtet wird. Zwei oder mehr Elektronenstrahlerzeuger, die nicht auf Pierce-Strahlerzeuger beschränkt sein müssen, können ver wendet werden.

Eine haubenartige Elektrode 9 ist zwischen den Tiegeln 3a und 3b und dem Band 11 angeordnet. Die Elektrode 9 hat von der unteren Öffnung bis zu ihrem oberen Teil gleichen Quer schnitt. Die Elektrode 9 hat eine seitliche Öffnung 16, durch die der Elektronenstrahl 7 geht, und eine obere Öffnung 8. Die seitliche Öffnung 16 für den Durchtritt des Elektronen strahls 7 ist nicht unbedingt notwendig. Beispielsweise kann diese Öffnung entfallen, wenn der Elektronenstrahl 7 durch einen Zwischenraum, der zwischen der Elektrode 9 und den Tiegeln 3a und 3b gebildet ist, in abwechselnder Folge auf die Verdampfungsmaterialien 4a und 4b gerichtet wird. Die Breite der oberen Öffnung 8 ist gleich oder größer als die Breite des Bands 11. Der positive Anschluß einer Gleich stromquelle 13 ist mit der Elektrode 9 verbunden, und der negative Anschluß der Gleichstromquelle 13 ist mit den Tie geln 3a und 3b verbunden. Außerdem sind die beiden Tiegel 3a und 3b geerdet.

Bei dieser Vorrichtung wird der Elektronenstrahl 7 von dem Elektronenstrahlerzeuger 12 abwechselnd auf die Verdampfungs materialien 4a und 4b in den Tiegeln 3a und 3b, die in der Vakuumkammer 1 angeordnet sind, gerichtet, um die Verdamp fungsmaterialien 4a und 4b gleichzeitig zu verdampfen. Ein optimaler Abtastmodus wird so eingestellt, daß die Schicht dickenverteilung in Breitenrichtung des Bands vergleichmäßigt wird und gleichzeitig die resultierende Schicht eine ge wünschte Zusammensetzung hat. Der Elektronenstrahl 7 wird in diesem Abtastmodus abgestrahlt. Die von den Verdampfungs materialien 4a und 4b erzeugten Thermoelektronen werden von der Elektrode 9, an die die positive Spannung angelegt ist, beschleunigt und treffen auf die Dampfteilchen auf, um sie zu ionisieren. Zu diesem Zeitpunkt hat das Magnetfeld zum Ablen ken des Elektronenstrahls die Auswirkung, die Wahrscheinlich keit eines Bombardements zwischen den Thermoelektronen und den Dampfteilchen dadurch zu erhöhen, daß die Thermoelektro nen eingefangen werden, wodurch die Ionisierung beschleunigt wird. Die ionisierten Materialdämpfe werden von der hau benartigen Elektrode 9 gebündelt und in einer Gasphase ver mischt, und auf dem Band 11 wird ein Legierungsdampf 30 abgeschieden. Dadurch wird auf dem Band 11 eine Legierungs schicht gebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird an das Band 11 eine negative Spannung angelegt gehalten, um das Haftvermögen der Schicht zu steigern und die Formbarkeit zu verbessern, weil die ionisierten Dampfteilchen zum Band 11 hin beschleu nigt werden. Beispiele der Legierung der auf dem Band gebil deten Legierungsschicht sind bevorzugt Ti-Cr, Ti-Ni, Ti-Al, Co-Cr und Zn-Mg. Diese Legierungen haben bei dem konven tionellen Verfahren schlechtes Haftvermögen und schlechte Formbarkeit.

Da bei dieser Vorrichtung die haubenartige Elektrode 9 über den Tiegeln 3a und 3b angeordnet ist, kann eine Streuung des Dampfstroms verhindert werden. Insbesondere kann eine Dampf störung, die durch einen Oberflächenzustand des Verdampfungs materials während der Hochgeschwindigkeitsverdampfung bewirkt wird, unterdrückt werden, so daß der Ausstoß stabilisierbar ist. Da ferner die Elektrode 9 selbst als Haube wirkt, kann die Konstruktion vereinfacht werden und über einen langen Zeitraum für Stabilität sorgen. Da ein Ende der haubenartigen Elektrode nahe dem Tiegel liegt, können die Elektronen auch bei einer kürzeren mittleren freien Weglänge der von der Oberfläche des Verdampfungsmaterials erzeugten Thermoelek tronen ausreichend beschleunigt werden, so daß eine hohe Ionisierungsrate aufrechterhalten wird.

Nachstehend wird ein Vergleich zwischen den Ionenplattie rungs-Ergebnissen beschrieben, die bei der Herstellung einer Legierungsschicht mit der Vorrichtung nach Fig. 3 und mit einer Vergleichsvorrichtung (Fig. 5) mit zwei Tiegeln an stelle eines Tiegels erhalten wurden. Dabei wurde als das Band rostfreier Bandstahl verwendet, und die Verdampfungs materialien waren Ti und Cr. Die Bestrahlungsdauern des auf Ti und Cr auftreffenden Elektronenstrahls wurden nach Maßgabe einer Beziehung mit Legierungszusammensetzungen eines vorher durchgeführten Experiments bestimmt. Die an die Elektrode 9 angelegte Spannung wurde mit +50 V eingestellt. Das Ionisie rungsverhältnis wurde nach Maßgabe der Abscheidungsrate und des Stroms, der beim Ionenplattieren durch ein Band fließt, berechnet. Eine Spannung von -100 V wurde an das Band an gelegt.

Das Ionenplattieren wurde mit einer Ausgangsleistung des Elektronenstrahlerzeugers von 80 kW in der Vorrichtung nach der Erfindung ausgeführt, die Abscheidungsrate war 8 µm/min, und das Ionisierungsverhältnis war 35%. Zu diesem Zeitpunkt war die Abscheidungsrate der Vergleichsvorrichtung nahezu gleich derjenigen der Vorrichtung nach der Erfindung. Aller dings war das Ionisierungsverhältnis der Vergleichsvorrich tung 8%.

Beim Ionenplattieren mit einer Ausgangsleistung des Elektro nenstrahlerzeugers von 150 kW war die Abscheidungsrate der Vorrichtung nach der Erfindung 20 µm/min und das Ionisie rungsverhältnis 28%. Dagegen nahm das Ionisierungsverhältnis der Vergleichsvorrichtung auf 3% ab.

Die Testergebnisse hinsichtlich Haftvermögen und Formbarkeit von Legierungsschichten und die Testergebnisse von mittels Abscheidung im Vakuum gebildeten Schichten sind in der Ta belle 1 zusammengefaßt. Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Legierungsschichten, die durch Ionenplattierung mit der Vorrichtung nach der Erfindung gebildet wurden, auch bei hoher Abscheidungsrate größere Ionisierungsverhältnisse sowie höheres Haftvermögen und bessere Formbarkeit als diejenigen der Vergleichsbeispiele haben.

In Beispiel 2 sind zwei Tiegel nebeneinander angeordnet. Es können aber auch drei oder mehr Tiegel einander benachbart angeordnet sein.

Beispiel 3

Eine Ionenplattiervorrichtung von Fig. 4 wird zur Bildung einer Keramikschicht auf der Oberfläche eines Bands verwen det. Ein Verdampfungsmaterial 4 in einem Tiegel 3 ist einer der Bestandteile, die eine Keramikschicht bilden, und ist beispielsweise Ti, Hf, Ta, W, V, Zr, Ni, Co, Fe, Cr, Al, Mn, Mg oder Zn. Von diesen Materialien ist als Verdampfungs material ein hochschmelzendes Metall geeignet, in dem während des Aufheizens und Verdampfens eine große Zahl von Thermo elektronen erzeugt wird. Die Verdampfungsmaterialien sind aber nicht auf die angegebenen Materialien beschränkt. Eine Verbindung (z. B. ein Nitrid, Oxid oder Carbid) mit Ausnahme von Metallen kann je nach der gewünschten Legierung einge setzt werden. Die Zahl der Tiegel ist nicht auf einen be schränkt. Eine Vielzahl von Tiegeln kann aneinandergrenzend angeordnet sein, und verschiedene Materialien können gleich zeitig verdampft werden, um eine Keramikschicht zu bilden, die zwei oder mehr metallische Bestandteile enthält. Die Breite des Tiegels 3 ist bevorzugt gleich oder größer als die des Bands.

An einer Seite einer Vakuumkammer 1 ist ein Elektronenstrahl erzeuger 12 angeordnet. Ein Elektronenstrahl 7 wird von einem Ablenkmagnetfeld, das von einem Magnetfeldgenerator 20 er zeugt wird, in Richtung zum Tiegel abgelenkt. Der abgelenkte Elektronenstrahl trifft auf die Oberfläche des Verdampfungs materials 4 auf. Der Elektronenstrahlerzeuger 12 ist be vorzugt ein Pierce-Strahlerzeuger, der auch dann stabil betrieben werden kann, wenn der Druck in der Vakuumkammer 1 bei Zuführung eines Reaktionsgases ansteigt.

Zwischen dem Tiegel 3 und dem Band 11 ist eine haubenartige Elektrode 9 angeordnet. Diese Konstruktion entspricht im Prinzip derjenigen von Fig. 1. Die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen gleiche Teile in Fig. 4, die nicht noch mals erläutert werden. Es ist zu beachten, daß diese Elek trode 9 Einlässe 17a und 17b aufweist, die in ihrer Seite und ihrem oberen Teil gebildet sind, um ein Reaktionsgas 18 auf zunehmen, so daß das Reaktionsgas 18 dem inneren und oberen Teil der haubenartigen Elektrode 9 zugeführt wird. Das ferne Ende jedes Gaseinlasses 17a und 17b hat einen metallischen Drosselmechanismus. Erforderlichenfalls ist eine Wasserkühl einrichtung vorgesehen. Gasleitungen bis zu den Gaseinlässen bestehen aus einem Isolierstoff. Das aus den Gaseinlässen 17a und 17b zugeführte Reaktionsgas 18 enthält wenigstens einen Bestandteil, der eine gewünschte Keramik bildet. Beispiele für diesen Bestandteil sind etwa N₂, O₂, CH₄, C₂H₂, H₂, und jedes Gas kann entsprechend der gewünschten Keramikschicht bestimmt werden. Die Zahl der Bestandteile ist nicht auf einen beschränkt. Zwei oder mehr Gase können miteinander vermischt werden, um eine zusammengesetzte Verbindung zu erhalten, um beispielsweise eine Carbonitridschicht herzu stellen.

Bei dieser Vorrichtung trifft der Elektronenstrahl 7 aus dem Elektronenstrahlerzeuger 12 auf das Verdampfungsmaterial 4 auf, das in dem Tiegel 3 in der Vakuumkammer 1 enthalten ist, um das Verdampfungsmaterial 4 zu verdampfen. Ein optimaler Abtastmodus des Elektronenstrahls 7 ist so festgelegt, daß die Schichtdickenverteilung in Breitenrichtung des Bands vergleichmäßigt wird. Der Elektronenstrahl 7 wird in diesem Abtastmodus abgestrahlt. Von dem Verdampfungsmaterial 4 er zeugte Thermoelektronen werden von der Elektrode 9, an die eine positive Spannung angelegt ist, beschleunigt und bombar dieren die Dampfteilchen und das Reaktionsgas, um sie zu ionisieren. Zu diesem Zeitpunkt hat das Magnetfeld zum Ablen ken des Elektronenstrahls die Auswirkung, die Wahrschein lichkeit eines Bombardements zwischen den Thermoelektronen, den Dampfteilchen und dem Reaktionsgas zu erhöhen, indem die Thermoelektronen eingefangen werden und dadurch die Ionisie rung beschleunigt wird. Der ionisierte Materialdampf und das ionisierte Reaktionsgas werden von der haubenartigen Elek trode 9 gebündelt und miteinander zu einer Verbindung umge setzt. Diese Verbindung wird auf dem Band 11 abgeschieden. Zu diesem Zeitpunkt wird das Band 11 unter einer negativen Span nung gehalten, um die ionisierten Dampfteilchen und das ioni sierte Reaktionsgas in Richtung zum Band 11 zu beschleunigen, um dadurch die Reaktion zu beschleunigen, das Haftvermögen zu steigern und die Formbarkeit zu verbessern. Auf diese Weise wird auf dem Band 11 eine Verbundschicht wie etwa eine Kera mikschicht gebildet. Beispiele für die gebildete Keramik schicht sind bevorzugt TiN, TiC, CrN, TiAlN, TiCrN und TiCN.

Da bei dieser Vorrichtung die haubenartige Elektrode 9 über dem Tiegel 3 angeordnet ist, kann eine Streuung des Dampf stroms verhindert werden. Insbesondere kann eine Dampfstörung aufgrund eines Oberflächenzustands des Verdampfungsmaterials während der Hochgeschwindigkeitsverdampfung unterdrückt werden, so daß der Ausstoß stabilisiert wird. Da ferner ein Ende der haubenartigen Elektrode nahe dem Tiegel liegt, kön nen der Dampfdruck und der Druck des Reaktionsgases an der Oberfläche des Verdampfungsmaterials während der Hochge schwindigkeitsabscheidung erhöht werden, so daß die Elektro nen ausreichend beschleunigt werden können, und die Reaktion zwischen den Dampfteilchen und dem Reaktionsgas kann selbst bei einer kürzeren mittleren freien Weglänge der Thermoelek tronen, die von dem Dampfmaterial erzeugt werden, und der reflektierten Elektronen des Elektronenstrahls beschleunigt werden.

Ein Vergleich zwischen dem Ergebnis der Ionenplattierung einer Verbundschicht, die unter Anwendung der Vorrichtung von Fig. 4 erhalten wurde, und einer Verbundschicht, die mit einer Vergleichsvorrichtung (Fig. 5), in der zusätzlich Reaktionsgaseinlässe gebildet worden waren, erhalten wurde, wird nachstehend beschrieben. Als das Band wurde ein rost freier Bandstahl verwendet, Ti wurde als Verdampfungsmaterial eingesetzt, und als Reaktionsgas wurde N₂ eingesetzt. Eine Spannung von +50 V wurde an die Elektrode 9 angelegt, und das Band wurde mit einer Spannung von -100 V beaufschlagt.

Beim Ionenplattieren mit einer Ausgangsleistung des Strahl erzeugers von 120 kW und einem Elektrodenstrom von 1250 A in der Vorrichtung nach Fig. 4 wurde mit einer Abscheidungsrate von 9 um/min eine Goldschicht, deren Farbe für TiN spezifisch war, gebildet. Während der Abscheidung über einen Zeitraum von 3 h trat kein anomaler Ausstoß auf, und der Ausstoß war stabil. Die resultierende Schicht hatte eine dichte Struktur mit glatter Oberfläche, was durch REM-Beobachtung festge stellt wurde. Das Haftvermögen der Schicht bei einem Ritztest war 7 kgf, und die Vickers-Härte war 2200 kg/mm².

Dagegen war bei der Schichtbildung unter Anwendung der Ver gleichsvorrichtung mit der gleichen Abscheidungsrate der maximale Elektrodenstrom 750 A, und die Farbe der resultie renden Schicht war dunkelbraun. Bei der REM-Beobachtung hatte die Schicht eine brüchige Struktur mit rauher Oberfläche. Das Haftvermögen der Schicht bei einem Ritztest war 3,5 kgf, und die Vickers-Härte war 850 kg/mm². Diese Schicht war derjeni gen von Beispiel 3 unterlegen.

Claims

1. Ionenplattierverfahren für ein Band (1), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Richten eines Elektronenstrahls auf ein Ionenplattier material (4), um es aufzuheizen und zu verdampfen und dadurch einen Dampfstrom des Ionenplattiermaterials (4) zu erzeugen;
- Bündeln des Dampfstroms des Ionenplattiermaterials (4) mit einer haubenartigen Elektrode (9);
- Anlegen einer positiven Spannung an die haubenartige Elek trode (9), um aus dem ionenplattiermaterial Thermoelektronen anzuziehen und damit den Dampfstrom zu ionisieren; und
- Abscheiden des gebündelten und ionisierten Dampfstroms auf einer Oberfläche des Bands (11).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt wird, deren Vakuum in einen Bereich von 1 Pa bis 1×10^-3 Pa fällt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die haubenartige Elektrode (9) angelegte Spannung in einen Bereich von +15 bis +100 V fällt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) mit einer Spannung beaufschlagt wird, die in einen Bereich von -50 bis -1000 V fällt.

5. Ionenplattiervorrichtung, gekennzeichnet durch

- eine Vakuumkammer (1) zum Durchleiten eines Bands (11), die in einer Vakuumatmosphäre gehalten ist und einen Einlaß (14) und einen Auslaß (15) hat, durch die das zu beschichtende Band in der Vakuumkammer (1) läuft;
- einen Tiegel (3), der unter dem Band (11) in der Vakuumkam mer (1) angeordnet ist, um ein Ionenplattiermaterial (4) auf zunehmen;
- eine Strahlerzeugungseinrichtung (12), um einen Elektronen strahl auf das Material zu richten, um es auf zuheizen und zu verdampfen;
- eine Elektrode (9), die über dem Tiegel (3) und unter dem Band (11) in der Vakuumkammer (1) angeordnet ist und eine haubenartige Gestalt hat, um einen oberen Teil des Tiegels zu überdecken, wobei die Elektrode (9) eine an einem unteren Teil gebildete Öffnung (8) zur Aufnahme des aufgeheizten und verdampften Materials (4) und eine an einem oberen Teil ge bildete Öffnung zum Ausstoßen des aufgeheizten und verdampf ten Materials (4) in Richtung des Bands hat; und
- eine Gleichstromquelle (13), deren positiver Anschluß mit der Elektrode (9) und deren negativer Anschluß mit dem Tiegel (3) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (14) und der Auslaß (15) der Vakuumkammer (1) hermetisch dicht sind, so daß ein Innenraum der Vakuumkammer (1) während des Durchlaufs des Bands in einer Vakuumatmo sphäre gehalten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (3) eine Breite hat, die nicht geringer als die Breite des Bands (11) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerzeugungseinrichtung (12) an einem Seitenteil der Vakuumkammer (1) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (9) eine Gestalt hat, die von einem durch messergroßen unteren Teil, der dem Tiegel zugewandt ist, unter konischer Verjüngung zu einem oberen Teil verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Magnetfeldgenerator (20), um den Elektronenstrahl zu dem Tiegel zu reflektieren.

11. Verfahren zum Aufbringen einer Legierungsschicht durch Ionenplattieren auf ein bewegtes Band (11), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Richten eines Elektronenstrahls auf wenigstens zwei ver schiedene Ionenplattiermaterialien (4a, 4b), um sie auf zuheizen und zu verdampfen und somit Dampfströme dieser Ionenplattiermaterialien zu erzeugen, wobei die beiden ver schiedenen Ionenplattiermaterialien Bestandteile der Legie rungsschicht sind;
- Bündeln des Dampfstroms der Ionenplattiermaterialien mit tels einer haubenartigen Elektrode (9);
- Anlegen einer positiven Spannung an die haubenartige Elek trode (9), um gleichzeitig Dampfteilchen der wenigstens zwei Ionenplattiermaterialien zu erzeugen und sie zu ionisieren; und
- Abscheiden der gebündelten und ionisierten Dampfteilchen auf einer Oberfläche des Bands (11) unter Bildung der Legie rungsschicht auf dem Band.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt wird, deren Vakuum in einen Bereich von 1 Pa bis 1×10^-3 Pa fällt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die an die haubenartige Elektrode (9) angelegte Spannung in einen Bereich von +15 bis +100 V fällt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) mit einer Spannung beaufschlagt wird, die in einen Bereich von -50 bis -1000 V fällt.

15. Ionenplattiervorrichtung, gekennzeichnet durch

- eine Vakuumkammer (1) zum Durchleiten eines Bands (11), die in einer Vakuumatmosphäre gehalten ist und einen Einlaß (14) und einen Auslaß (15) hat, durch die das zu beschichtende Band in der Vakuumkammer (1) läuft;
- wenigstens zwei Tiegel (3a, 3b), die unter dem Band in der Vakuumkammer liegen, um Ionenplattiermaterialien aufzunehmen, wobei die Ionenplattiermaterialien Bestandteile einer auf dem Band zu bildenden Legierungsschicht sind;
- eine Strahlerzeugungseinrichtung (12) zum Richten eines Elektronenstrahls auf die Materialien, um sie aufzuheizen und zu verdampfen;
- eine Elektrode (9), die über den Tiegeln und unter dem Band in der Vakuumkammer angeordnet ist und haubenartige Gestalt hat, um obere Teile der Tiegel zu überdecken, wobei die Elek trode eine an einem unteren Teil gebildete Öffnung (8) zur Aufnahme der aufgeheizten und verdampften Materialien und eine an einem oberen Teil gebildete Öffnung zum Ausstoß der aufgeheizten und verdampften Materialien in Richtung des Bands (11) hat; und
- eine Gleichstromquelle (13), deren positiver Anschluß mit der Elektrode (9) und deren negativer Anschluß mit den Tie geln (3a, 3b) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (1) in einer Vakuumatmosphäre auf einem Vakuum im Bereich von 1 Pa bis 1×10^-3 Pa gehalten ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (14) und der Auslaß (15) der Vakuumkammer (1) hermetisch dicht sind, so daß ein Innenraum der Vakuumkammer (1) in einer Vakuumatmosphäre gehalten ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Tiegel (3a, 3b) eine Breite hat, die nicht geringer als diejenige des Bands (11) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerzeugungseinrichtung (12) an einem Seitenteil der Vakuumkammer angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (9) eine Gestalt hat, die von einem durch messergroßen unteren Teil, der den Tiegeln (3a, 3b) zugewandt ist, unter konischer Verjüngung zu einem oberen Teil ver läuft.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Magnetfeldgenerator (20) zum Ablenken des Elektronen strahls zu den Tiegeln.

22. Verfahren zum Ionenplattieren eines bewegten Bands mit einer Keramikschicht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Richten eines Elektronenstrahls auf ein Ionenplattier material (4), um es aufzuheizen und zu verdampfen und somit Dampfteilchen des Ionenplattiermaterials zu erzeugen;
- Bündeln der Dampfteilchen des Ionenplattiermaterials mit einer haubenartigen Elektrode (9);
- Zuführen eines Reaktionsgases in die haubenartige Elektrode (9);
- Anlegen einer positiven Spannung an die haubenartige Elek trode (9), um die Dampfteilchen und das Reaktionsgas zu ioni sieren; und
- Abscheiden der ionisierten Dampfteilchen und des ionisier ten Reaktionsgases auf dem Band unter Bilden einer Keramik schicht auf dem Band.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt wird, deren Vakuum in einen Bereich von 1 Pa bis 1×10^-3 Pa fällt.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die an die haubenartige Elektrode (9) angelegte Spannung in einen Bereich von +15 bis +100 V fällt.

25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) mit einer Spannung beaufschlagt wird, die in einen Bereich von -50 bis -1000 V fällt.

26. Ionenplattiervorrichtung, gekennzeichnet durch

- eine Vakuumkammer (1) zum Durchleiten eines Bands (11), die in einer Vakuumatmosphäre gehalten ist und einen Einlaß (14) und einen Auslaß (15) hat, durch die das zu beschichtende Band (11) in der Vakuumkammer (11) läuft;
- einen Tiegel (3), der unter dem Band in der Vakuumkammer angeordnet ist, um Ionenplattiermaterialien (4a, 4b) auf zu nehmen, die Bestandteile einer auf dem Band (11) zu bildenden Keramikschicht sind;
- eine Strahlerzeugungseinrichtung (12) zum Richten eines Elektronenstrahls auf die Materialien, um sie aufzuheizen und zu verdampfen;
- eine Elektrode (9), die über dem Tiegel und unter dem Band in der Vakuumkammer (1) angeordnet ist und eine haubenartige Gestalt hat, um obere Teile des Tiegels (3) zu überdecken, wobei die Elektrode (9) eine an einem unteren Teil gebildete Öffnung (8) zur Aufnahme der aufgeheizten und verdampften Materialien und eine an einem oberen Teil gebildete Öffnung zum Ausstoß der aufgeheizten und verdampften Materialien in Richtung des Bands hat, und wobei die Elektrode einen Reak tionsgaseinlaß für ein Reaktionsgas hat; und
- eine Gleichstromquelle (13), deren positiver Anschluß mit der Elektrode (9) und deren negativer Anschluß mit dem Tiegel verbunden ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer in einer Vakuumatmosphäre gehalten ist, deren Vakuum in einen Bereich von 1 Pa bis 1×10^-3 Pa fällt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (14) und der Auslaß (15) der Vakuumkammer (1) hermetisch dicht sind, so daß ein Innenraum der Vakuumkammer (1) in einer Vakuumatmosphäre gehalten ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (3) eine Breite hat, die nicht geringer als diejenige des Bands (11) ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerzeugungseinrichtung (12) an einem Seitenteil der Vakuumkammer (1) angeordnet ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen Magnetfeldgenerator (20) zum Ablenken des Elektronen strahls zu dem Tiegel (3).