DE4217450C3 - Ionenbedampfungsverfahren und Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenbedampfungsverfahren und eine Vorrichtung dafür gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7.

Seit einigen Jahren wird versucht, mittels Trockenverfahren Schichten auf breiten Stahlbändern wie etwa kaltgewalztem Bandstahl zu bilden, um dessen Qualität zu erhöhen. Von diesen Versuchen hat sich das Ionenbedampfen als ein Verfahren erwiesen, das in bezug auf Haftvermögen und Dichte einer Schicht sowie hinsichtlich der Produktivität sehr gut geeignet ist (Material and Process, Bd. 2, S. 1636-1637 (1989)). Um die Produktivität beim Ionenbedampfen zu steigern, muß ein Schichtmaterial mit hoher Geschwindigkeit verdampft werden. Als Heizeinrichtung für das Material wird vorteilhafterweise ein Hochleistungs-Elektronenstrahlerzeuger verwendet. Bei der Ionisation des mit hoher Geschwindigkeit 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 Ionenbedampfungsverfahren 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 zugeführt wird, um eine Keramikschicht auf einem Substrat zu bilden. Von den Ionenbedampfungsverfahren ist ein HCD- bzw. Hohlkathodenentladungs-Verfahren verfügbar, um gleichzeitig eine Materialverdampfung und Ionisation durch Anwendung einer Plasmakanone durchzuführen. Dieses Verfahren wird als reaktives Ionenbedampfungsverfahren angewandt, weil es ein großes Ionisierungsverhältnis aufweist. Da jedoch die Abscheidungsgeschwindigkeit bei diesem Verfahren in der Größenordnung von 1/10 µm/min liegt, sind die meisten in der Praxis gebauten Systeme kleine, diskontinuierlich arbeitende Systeme. Ein wirtschaftlicher Nachteil stellt sich automatisch ein, wenn dieses Verfahren in einer kontinuierlichen Bearbeitungsanlage für Bandgut angewandt wird.

Die JP 57-57553 C schlägt ein Verfahren vor, bei dem ein Elektronenstrahlerzeuger als Heizeinrichtung 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 Geschwindigkeit instabil wird, wird das Verfahren nur bei kleinen, diskontinuierlich arbeitenden Systemen angewandt. Es ist daher schwierig, ein großflächiges Bandgut mit hoher Geschwindigkeit unter Anwendung eines breiten Tiegels einer Ionenbedampfung zu unterziehen.

Die JP 57-1553369 A 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 4 828 872 (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 Verdampfungsgeschwindigkeit ein stabiler Ausstoß erreicht, und die Vorrichtung von Fig. 5 ist für Langzeitbetrieb geeignet. Da jedoch der Abstand zwischen der Elektrode 9 über der Innenkammer 6 und dem Tiegel 3 groß ist, können von einem Verdampfungsmaterial 4 erzeugte Thermoelektronen nicht ausreichend beschleunigt werden. Daher ist das Ionisierungsverhältnis der Dampfteilchen nicht groß genug. Insbesondere wird das Ionisierungsverhältnis während der Hochgeschwindigkeits-Verdampfung weitgehend verringert.

Aus der JP 63-18059 A und der JP 63-18065 A sind Vakuumbedampfungsverfahren bekannt, mit denen ein Quellmaterial aus einem Tiegel auf ein Band aufgebracht werden kann. Gemäß den jeweiligen Verfahren werden die von einer Elektronenstrahlröhre erzeugten Ionen eines Metalls auf die Unterseite eines zu bedampfenden Metalls, an das eine negative Spannung angelegt ist, aufgebracht. Zusätzlich ist durch eine zwischen dem zu bedampfenden Band und Tiegel angeordneten Abschirmplatte lediglich der zu bedampfende Teil des Bandes für den Durchtritt des Quellmaterials freigegeben.

Eine Bündelung des Quellmaterialstroms ist mit diesen Verfahren nicht möglich. So lagert sich auf der Abschirmplatte Quellmaterial ab, das damit verlorengeht bzw. verschwendet wird. Dies führt zu einem kostenintensiven Betrieb.

Auch mit dem im JP 01-008262 A beschriebenen Chrombeschichtungsverfahren, bei dem die Chromatome beim Durchtritt durch ein Plasma teilweise ionisiert und dann durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, ist keine Bündelung des erzeugten, ionisierten Materialstroms möglich.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 32 04 337 A bekannt. Demgemäß wird ein Dampfstrom eines Ablagerungsmaterials durch Verwendung einer reflektierenden Führungswand, die aufgeheizt ist, konvergent gemacht. Separat oberhalb der Führungswand ist eine Thermoelektronenquelle zur Erzeugung von Thermoelektronen angeordnet. Diese prallen mit den Dampfstromteilchen zusammen und ionisieren diese. Die ionisierten Teilchen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht.

Bei diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist eine separate Thermoelektronenquelle zur Erzeugung von Thermoelektronen notwendig. Dadurch erhöht sich nicht nur die Zahl der Bauteile, sondern auch die Kosten der Vorrichtung sowie die Betriebskosten.

Die DE-OS 20 06 866 beschreibt ein Verfahren zum Aufbrin­ gen eines Überzugs auf ein langgestrecktes Metallteil und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung dieses Verfah­ rens, wobei das zu beschichtende Teil senkrecht durch einen va­ kuumisierten Behälter hindurchgeführt wird. Eine Quelle zur Er­ zeugung von Metallatomen ist an beiden Seiten des zu beschich­ tenden Teils angebracht. Die Metallatome werden von einem haubenartigen Reflektor, der auf eine Reflexionstemperatur auf­ geheizt ist, auf das zu beschichtende Teil reflektiert. Weiter­ hin ist eine Ionisierungseinrichtung zur Erzeugung positiver Metallionen notwendig.

In dem Artikel "Möglichkeiten der Ionisierungserhöhung beim Ion-Plating-Verfahren" von K. H. Kloos, E. Broszeit, H. M. Gabriel in Vakuum-Technik, 30. Jahrgang, Heft 1, wird zur Erhö­ hung der Ionisierung vorgeschlagen, zwischen dem zu verdampfen­ den Beschichtungsmaterial und dem oberhalb von diesem gehalte­ nen Substrat, das auf negativem Potential liegt, eine zusätli­ che dritte ringförmige Elektrode anzuordnen, die auf positivem Potential liegt. Eine Bündelung und Führung des Dampfstromes in Richtung auf das Substrat ist mit einer derartigen Anordnung nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein eingangs genanntes Verfahren bzw. eine Vorrichtung derart weiterzubilden, daß bei hoher Abscheidungsgeschwindigkeit und einem großen Ionisierungsverhältnis Schichten hoher Güte erzeugt werden können, wobei das Verfahren auf einfache Weise durchgeführt und die Vorrichtung mit einfachen Mitteln bzw. Kosten effektiv aufzubauen ist.

Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Einrichtung, mit der ein Elektronenstrahl auf das Quellenmaterial gerichtet werden kann. Das Material wird aufgeheizt und verdampft, wobei zusätzlich Thermoelektronen erzeugt werden. Die haubenartige Elektrode mit positiver Spannung übernimmt anschließend zwei Funktionen. Zum einen werden die bei der Aufheizung erzeugten Thermoelektronen angezogen und beschleunigt, wobei die verdampften Atome bzw. Moleküle durch Zusammenstöße mit den Elektronen beschleunigt und ionisiert werden. Andererseits sorgt die positiv geladene haubenartige Elektrode für die Bündelung des Dampfstroms in Richtung auf das Band.

Nicht notwendig ist es gemäß der Erfindung, eine zusätzliche Vorrichtung zur Erzeugung von Thermoelektronen vorzusehen. Die Thermoelektronen werden bereits bei der Verdampfung des Quellenmaterials erzeugt. Damit besteht die Vorrichtung aus weniger Bauteilen und ist einfach aufgebaut. Darüber hinaus ist es möglich, die für eine separate Thermoelektronenerzeugungsvorrichtung benötigte Energie beim Betrieb einzusparen bzw. zu reduzieren. Damit ist das Bedampfungsverfahren kostengünstig durchzuführen.

Im übrigen wird durch die Bündelung des Quellenmaterialstroms durch die haubenartige Elektrode eine Verschwendung von Quellenmaterial vermieden. Eine Ablagerung von Quellenmaterial auf die haubenartige Elektrode findet nicht statt. Auch dies trägt zu einem kosteneffizienten Verfahren zur Ionenbedampfung eines Bandes bei.

Da gemäß der Erfindung die haubenartige Elektrode über dem Tiegel liegt, kann eine Streuung des Dampfstroms verhindert werden. Überdies können Dampfstörungen, die durch einen Oberflächenzustand des Verdampfungsmaterials bei der Hochgeschwindigkeitsverdampfung bewirkt werden, unterdrückt werden, so daß der Ausstoß stabilisierbar ist. Auch wenn der Dampfdruck an der Oberfläche des Verdampfungsmaterials während der Hochgeschwindigkeitsverdampfung stark ansteigt und die mittlere freie Weglänge der an der Oberfläche des Verdampfungsmaterials 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 beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

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

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

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ionenbedampfungs­ vorrichtung gemäß Beispiel 2 der Erfindung;

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

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung gemäß US-PS 4 828 872 (DE 36 27 151 A1).

Beispiel 1

Nachstehend wird das in Fig. 1 gezeigte Beispiel beschrieben. Die gezeigte Ionenbedampfungsvorrichtung dient der kontinu­ ierlichen Ionenbedampfung bzw. -beschichtung eines bewegten Bands 11. Beispiele für ein bevorzugtes Band 11 sind kohlenstoffarmer Bandstahl, nicht-rostender 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 Ionenbedampfung 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. 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. 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 aufzu­ 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 Verdampfungsmaterial 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 scheidungsgeschwindigkeiten 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 Abscheidungsgeschwindigkeit 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 Abscheidungsgeschwindigkeit aufrecht­ erhalten werden.

Beispiel 2

Die Ionenbeschichtungsvorrichtung 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 Ionenbedampfen 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 Thermoelektronen 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 Ionisierungsgeschwindigkeit aufrechterhalten wird.

Nachstehend wird ein Vergleich zwischen den Ionenbedampfungs­ 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 Band nicht-rostender 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 Abscheidungsgeschwindigkeit und des Stroms, der beim Ionenbedampfen durch ein Band fließt, berechnet. Eine Spannung von -100 V wurde an das Band an­ gelegt.

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

Beim Ionenbedampfen mit einer Ausgangsleistung des Elektro­ nenstrahlerzeugers von 150 kW war die Abscheidungsgeschwindigkeit 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 Ionenbedampfung mit der Vorrichtung nach der Erfindung gebildet wurden, auch bei hoher Abscheidungsgeschwindigkeit 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 Ionenbedampfungsvorrichtung 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 be­ schränkt. 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 Ionenbedampfung 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 nicht rostender 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 Ionenbedampfen mit einer Ausgangsleistung des Strahl­ erzeugers von 120 kW und einem Elektrodenstrom von 1250 A in der Vorrichtung nach Fig. 4 wurde mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 9 µm/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 Abscheidungsgeschwindigkeit 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 (12)

1. Verfahren zur Ionenbedampfung eines Bandes, das folgende Schritte aufweist:

• - Aufheizen und Verdampfen eines Quellenmaterials (4) mit Elektronenstrahlen,
• - Bündeln des Dampfstromes vom Quellenmaterial (4) mit einer haubenartigen Elektrode (9), die eine Öffnung (8) zum Durchtritt des ionisierten Quellenmaterials zum Band (11) hin besitzt,
• - Versorgung der haubenartigen Elektrode (9) mit einer elek­ trischen Spannung, um das verdampfte Quellenmaterial zu ionisieren und
• - Abscheiden des ionisierten Quellenmaterials auf der Ober­ fläche des Bandes (11),
  dadurch gekennzeichnet, daß zum Abziehen von Elektronen aus dem aufgeheizten Quel­ lenmaterial (4) und zur Ionisierung des verdampften Quel­ lenmaterials an die haubenförmige Elektrode (9) eine posi­ tive Spannung angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei verschiedene Quellenmaterialien zur Ionenbedampfung mit Legierungsschichten eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu reaktiver Ionenbedampfung mit Keramikschichten zusätzlich ein Reaktionsgas (18) der haubenförmigen Elektrode (9) zugeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei Drücken von 1 mPa bis 1 Pa durchgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die haubenartige Elektrode (9) eine Spannung zwischen +15 und +100 V gelegt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an das zu beschichtende Band eine Spannung zwischen -50 und -1000 V gelegt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Ionenbedampfungsverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, die aufweist:

• - eine Vakuumkammer mit einem Einlaß (14) und einem Auslaß (15) zu kontinuierlicher Führung des zu beschichtenden Ban­ des (11),
• - einen oder mehrere Tiegel (3, 3a, 3b), die das zu verdamp­ fende Quellenmaterial (4, 4a, 4b) aufnehmen und unterhalb des Bandes (11) angeordnet sind,
• - eine Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung (12) und
• - eine haubenartige Elektrode (9), die über den Tiegeln (3, 3a, 3b) und unterhalb des Bandes (11) angeordnet ist, die eine Öffnung (8) zum Durchtritt des ionisierten Dampfes zum Band (11) hin besitzt und die den oberen Teil der Tiegel überdeckt,
  dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gleichstromquelle (13), deren positiver Anschluß mit der Elektrode (9) und deren negativer Anschluß mit dem Tiegel (3, 3a, 3b) verbunden ist, besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung des Vakuums Einlaß (14) und Auslaß (15) beim Durchlauf des Bandes (11) vakuumdicht sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Tiegel (3, 3a, 3b) gleich breit oder breiter als das durchlaufende Band (11) sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung (12) an einem Seitenteil der Vakuumkammer (1) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der haubenartigen Elektrode (9) einen dem Tiegel (3, 3a, 3b) zugewandten Teil mit großem Durchmesser und einen konisch verjüngten oberen Teil aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lenkung des Elektronenstrahls (7) zum Tiegel ein Magnetfeldgenerator vorgesehen ist.