DE4026494A1

DE4026494A1 - DEVICE FOR EVAPORATING MATERIAL BY VACUUM ARC DISCHARGE AND METHOD

Info

Publication number: DE4026494A1
Application number: DE4026494A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Phys Dr Ehrich; Michael Dipl Phys Mausbach
Original assignee: EHRICH PLASMA COATING
Current assignee: EHRICH PLASMA COATING
Priority date: 1990-08-22
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1992-02-27
Also published as: WO1992003841A2; DE4042337C1; AU8291191A; DE4026494C2; WO1992003841A3

Abstract

The invention describes a device for evaporating material by means of a vacuum arch discharge with an automatically consumed cathode and an automatically consumed hot anode in an underpressure chamber and a process for increasing the usefull life of electrodes in material evaporation by means of a vacuum arc discharge with a hot automatically consumed anode and a cold automatically consumed cathode, a process for striking a vacuum arc discharge with a cold automatically consumed cathode and a hot automatically consumed anode and a process for controlling the degree of ionisation of the vapour impinging on an object to be coated in surface coating by means of a vacuum arc discharge with a cold automatically consumed cathode and a hot automatically consumed anode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialver dampfung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit einer selbstverzehrenden Kathode und einer selbstverzehrenden heißen Anode sowie ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Elektroden, ein Verfahren zur Zündung des Vakuumlichtbogens und ein Verfahren zur Steuerung des Ionisationsgrades in dieser Vorrichtung zur Materialver dampfung für die Beschichtung von Oberflächen.The invention relates to a device for Materialver vaporization by vacuum arc discharge with a self-consuming cathode and a self-consuming are called anode and a procedure for extending the Service life of electrodes, a method of igniting the Vacuum arc and a method for controlling the Degree of ionization in this device for material ver steaming for coating surfaces.

Zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen mit Hilfe der physikalischen Dampfabscheidung im Vakuum (PVD-Verfahren) sind viele Methoden bekannt.For the production of coatings on surfaces with With the help of physical vapor separation in a vacuum Many methods are known (PVD method).

In den letzten Jahren hat man erkannt, daß plasma- und ionengestützte PVD-Verfahren gegenüber den klassischen Aufdampfverfahren Vorteile bieten hinsichtlich der Qualität der erzeugten Schichten. Insbesondere lassen sich durch Anwendung der plasma- und ionengestützten Ver fahren eine größere Haftfestigkeit der Beschichtung auf Substratoberflächen sowie eine größere Kompaktheit des Schichtaufbaus erzielen. Darüber hinaus eröffnen die plasmagestützten Verfahren aufgrund der hohen chemischen Reaktionsbereitschaft von Plasmen die Möglichkeit, reaktive Beschichtungsprozesse durchzuführen. Weit ver breitet ist bereits der Einsatz plasmagestützter Ver fahren bei der Oberflächenvergütung von Werkstücken mit verschleißfesten Hartstoffschichten, wie Titannitrid.In recent years it has been recognized that plasma and ion-based PVD processes compared to the classic Evaporation processes offer advantages in terms of Quality of the layers created. In particular let by using the plasma and ion-based Ver show a greater adhesive strength of the coating Substrate surfaces as well as a greater compactness of the Achieve layer build-up. In addition, the Plasma-based processes due to the high chemical Willingness to react to plasmas perform reactive coating processes. Far ver the use of plasma-assisted ver is already widespread drive with the surface coating of workpieces wear-resistant hard material layers, such as titanium nitride.

Die Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen mittels plasmagestützter PVD-Verfahren erfolgt im wesentlichen in vier Verfahrensschritten. Der Überführung des Ver dampfungsgutes in den dampfförmigen Zustand durch Auf heizen oder Ionenbeschuß, dem Transport des Material dampfes vom Verdampfungsgut zur Substratoberfläche bei reduziertem Umgebungsdruck, der Überführung des Material dampfes während dieser Transportphase in den Plasmazu stand (unter Umständen unter Anwendung eines Prozeßgases) und der Kondensation des Materials aus dem Plasmazustand auf die Substratoberfläche.The production of coatings on surfaces by means of Plasma-assisted PVD processes are mainly carried out in four process steps. The transfer of the Ver good to vaporize in the vaporous state by opening heat or ion bombardment, transporting the material vapor from the material to be evaporated to the substrate surface reduced ambient pressure, the transfer of the material vapor during this transport phase in the plasma stand (possibly using a process gas) and the condensation of the material from the plasma state on the substrate surface.

Die plasmagestützten Verfahren unterscheiden sich von der klassischen Aufdampftechnik durch die Überführung des Aufdampfmaterials in den Plasmazustand während der Trans portphase; hierzu ist bei einigen Verfahren ein Prozeßgas notwendig. Bei der Kondensation aus dem Plasmazustand verbessert die Beteiligung von energiereichen neutralen Atomen und Ionen und möglicherweise der Einfluß von Elek tronen und UV-Licht die Haftung und Struktur der erzeugten Beschichtung. Eine Reihe von plasmagestützten Beschich tungsverfahren benötigen zur Erzeugung des Plasmas ein Prozeßgas oberhalb eines Druckes von ca. 10^-3 mbar. Zu diesem Verfahren zählen die Kathodenzerstäubung, das Ionenplattieren und die Verwendung von Niedervoltbögen mit einer in einer vom Aufdampfraum durch eine Druckstufe getrennten Glühkathode (US 41 97 157) oder einer Hohl kathode (US 35 62 141).The plasma-based processes differ from classic vapor deposition technology in that the vapor deposition material is converted into the plasma state during the transport phase; a process gas is necessary for this in some processes. In the condensation from the plasma state, the participation of high-energy neutral atoms and ions and possibly the influence of electrons and UV light improve the adhesion and structure of the coating produced. A number of plasma-supported coating processes require a process gas above a pressure of approx. 10 ^-3 mbar to generate the plasma. This method includes sputtering, ion plating and the use of low-voltage arcs with a hot cathode (US 41 97 157) or a hollow cathode (US 35 62 141) separated from the vapor deposition chamber by a pressure stage.

Dieses Prozeßgas bietet Vorteile hinsichtlich der Zünd barkeit, der Entladung sowie bei Beschichtungen, wo eine Streuung des Beschichtungsmaterials während der Transport phase erwünscht ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Durchführung von reaktiven Beschichtungen dadurch, daß das die Entladung aufrecht haltende Prozeßgas gleich zeitig als Reaktionspartner bei der reaktiven Beschichtung dient.This process gas offers advantages in terms of ignition Ability, the discharge and coatings, where a Scattering of the coating material during transport phase is desired. Another advantage comes from the implementation of reactive coatings, that the process gas maintaining the discharge is the same early on as a reaction partner for reactive coating serves.

Für viele Anwendungen jedoch ist die Anwesenheit eines Prozeßgases während der Transport- und Kondensationsphase äußerst ungünstig. Das Prozeßgas wird während der Schicht bildung in die Schicht eingebaut und dies führt zu wenig kompakten und spröden Schichten. Weiterhin beeinflußt ein Prozeßgas in unerwünschter Weise das kristalline Wachstum der Schichten, was zum Beispiel zur Förderung der uner wünschten Säulenstruktur der Schichten führen kann.However, for many applications, the presence is one Process gas during the transport and condensation phase extremely inconvenient. The process gas is during the shift education built into the layer and this leads to little compact and brittle layers. It also affects Process gas in an undesirable manner the crystalline growth of the layers, for example, what to promote the un desired column structure of the layers can result.

Schließlich begrenzt die Verwendung eines Prozeßgases den zur Beschichtung geeigneten Bereich auf den eigentlichen Entladungsraum oder dessen nahe Umgebung. Außerhalb des Entladungsraumes erfolgt durch Stoßprozesse eine schnelle Rekombination des Plasmas, so daß hier kein plasmage stützter Beschichtungsprozeß mehr stattfinden kann.Finally, the use of a process gas limits the area suitable for coating on the actual Discharge area or its vicinity. Outside of Discharge space takes place quickly through shock processes Recombination of the plasma so that there is no plasma supported coating process can take place more.

Ionisierte Materialdämpfe ohne Anwendung eines Prozeß gases werden in sogenannten Vakuumlichtbögen erzeugt. Allgemein wird unter einem Vakuumlichtbogen eine strom starke Entladung zwischen in einer Unterdruckkammer ange ordneten Elektroden verstanden. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Entladungen benötigt ein Vakuumlichtbogen zum Betrieb kein von außen zugeführtes Prozeßgas. Dieses wird ersetzt durch während des Bogenbetriebes abdampfendes Elektrodenmaterial. Bekannt sind die im folgenden aufge führten Typen von Vakuumlichtbögen, die sich durch die unterschiedlichen physikalischen Vorgänge an den Elektro den unterscheiden.Ionized material vapors without using a process gases are generated in so-called vacuum arcs. Generally, a current is generated under a vacuum arc strong discharge between in a vacuum chamber ordered electrodes understood. Unlike the above Discharges mentioned require a vacuum arc to Operation no process gas supplied from outside. This will replaced by steam evaporating during sheet operation Electrode material. The following are known led types of vacuum arcs that are characterized by the different physical processes on the electrical make the difference.

In der FR-A-14 96 697 wird eine Vorrichtung mit einem Vakuumlichtbogen mit heißer elektronenemittierender Kathode, einer sogenannten Glühkathode, und heißer, ver dampfender Anode beschrieben. Die von der Glühkathode emittierten Elektronen werden magnetisch auf einen sehr kleinen Bereich der Anode von 025 mm² fokussiert. In folge der starken Fokussierung tritt so starke anodische Verdampfung ein, daß ein Lichtbogen entsteht mit dem Anodendampf als Brenngas. Weiterhin bekannt aus A.M. Dorodnov, A.N. Kusnetsov und V.A. Petrosov: Sov. Phys. Letters Vol. 5, No. 8, 418, 1979 ist eine Anordnung mit zylindrischer Glühkathode und einer innerhalb dieser Glüh kathode angebrachten sich selbst verzehrenden Anode. Ein industrieller Einsatz dieser beiden Vakuumlichtbögen für Beschichtungen ist bisher nicht bekannt.FR-A-14 96 697 describes a device with a vacuum arc with a hot electron-emitting cathode, a so-called hot cathode, and a hot, evaporating anode. The electrons emitted by the hot cathode are magnetically focused on a very small area of the anode of 025 mm ² . As a result of the strong focus, anodic vaporization occurs so strongly that an arc arises with the anode vapor as the fuel gas. Also known from AM Dorodnov, AN Kusnetsov and VA Petrosov: Sov. Phys. Letters Vol. 5, No. 8, 418, 1979 is an arrangement with a cylindrical hot cathode and a self-consuming anode attached within this hot cathode. An industrial use of these two vacuum arcs for coatings is not yet known.

Vakuumlichtbögen mit selbstverzehrender Kathode und kalter inaktiver Anode zur Erzeugung ionisierter Materialdämpfe für Beschichtungszwecke sind bereits seit langem bekannt. Die grundlegende Wirkungsweise eines solchen Lichtbogen verdampfers beschreibt die US 36 25 848. Charakte ristisches Merkmal des kathodischen Vakuumbogens sind die sogenannten Kathodenflecke. Dies sind regellos auf der Arbeitsfläche der Kathode umherlaufende kleine Fußpunkte des Lichtbogenansatzes. Die hohe Stromkonzentration von 10⁵ bis 10⁷ A/cm² in diesen Kathodenflecken führt zu einer starken Materialabtragung im Bereich der Kathodenflecke. Das verdampfte und ionisierte Kathodenmaterial dient einmal als Brenngas für den Erhalt des kathodischen Vakuumbogens; das Kathodenmaterial wird zum anderen aber auch zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen benutzt.Vacuum arcs with self-consuming cathode and cold inactive anode for generating ionized material vapors for coating purposes have long been known. The basic mode of operation of such an arc evaporator is described in US Pat. No. 3,625,848. The characteristic feature of the cathodic vacuum arc is the so-called cathode spots. These are randomly small foot points of the arc approach running around on the working surface of the cathode. The high current concentration of 10 ⁵ to 10 ⁷ A / cm ² in these cathode spots leads to a strong material removal in the area of the cathode spots. The vaporized and ionized cathode material serves as a fuel gas for maintaining the cathodic vacuum arc; on the other hand, the cathode material is also used for the production of coatings on surfaces.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Beschichtungsmethode ist die Entstehung von kleinen geschmolzenen Materialtröpfchen in den Kathodenflecken. Diese geschmolzenen Tröpfchen verlassen die Kathodenflecke mit hoher Geschwindigkeit und werden in die Beschichtung eingelagert, so daß die so hergestellten Beschichtungen in ihrer Struktur aus er starrten Metalltröpfchen bestehen (D. M. Sanders: Journal of Vacuum Science and Technology A 7, No. 3, 2339, 1989).A major disadvantage of this coating method is the formation of small molten droplets of material in the cathode spots. These melted droplets leave the cathode spots at high speed and are stored in the coating, so that the so produced coatings in their structure from he staring metal droplets exist (D. M. Sanders: Journal of Vacuum Science and Technology A 7, No. 3, 2339, 1989).

Die DE 32 34 100 beschreibt zur Beseitigung dieses Nach teils eine Vorrichtung zur magnetischen Trennung von neu tralen und geladenen Teilchen, wobei das Werkstück nur mit geladenen Teilchen, d. h. Metallionen behandelt wird. DE 32 34 100 describes to eliminate this after partly a device for magnetic separation of new tralen and charged particles, the workpiece only with charged particles, d. H. Metal ions is treated.

Auf diese Weise werden die unerwünschten Metalltröpfchen vom Werkstück ferngehalten. Wegen der großen Verluste an Verdampfungsgut während der Transportphase durch diesen Trennungsprozeß ist diese Methode im allgemeinen nicht wirtschaftlich einsetzbar.This way the unwanted metal droplets kept away from the workpiece. Because of the big losses Evaporation material through this during the transport phase This method is generally not a separation process economically applicable.

Die DE 34 13 891 beschreibt als gattungsgemäß nächstlie genden Stand der Technik ein plasmagestütztes Beschich tungsverfahren durch Anwendung von Vakuumlichtbögen mit kalter Kathode und heißer verdampfender Anode (anodischer Vakuumbogen). Dieser anodische Vakuumbogen benutzt die im vorgehenden beschriebene kalte Kathode mit dem wesent lichen Unterschied, daß das von der Kathode erodierte Material erst gar nicht für Beschichtungszwecke genutzt wird, so daß das Problem der Metalltröpfchen grundsätz lich vermieden wird. Vielmehr werden die in den Kathoden flecken und der Lichtbogenentladung gebildeten Elektronen dazu verwendet, eine strukturierte Anode aufzuheizen und dann das mit der Anode verbundene Verdampfungsgut zu ver dampfen. Es handelt sich dabei um eine Variante der Elek tronenstrahlverdampfung. Die Elektronen aus den Kathoden flecken verdampfen dabei nicht nur das Anodenmaterial, sondern überführen durch nichtelastische Stöße das ab dampfende Anodenmaterial gleichzeitig auch in den für eine Beschichtung erwünschten Plasmazustand. Das anodische Plasma dient weiterhin auch als Brenngas für die Lichtbogenentladung. Der von der selbstverzehrenden Anode in die Unterdruckkammer expandierende ionisierte Metalldampf enthält keine geschmolzenen Tröpfchen und wird zur Beschichtung von Oberflächen verwendet, womit dieses Verfahren den wesentlichen Nachteil des katho dischen Vakuumbogens vermeidet. Zusätzlich wird eine Be teiligung von Kathodenmaterial an der Schichtbildung während des Beschichtungsvorgangs durch ein die Kathode umgebendes Schutzschild vermieden. DE 34 13 891 describes as generic next state of the art a plasma-assisted coating process using vacuum arcs cold cathode and hot evaporating anode (anodic Vacuum arc). This anodic vacuum arc uses the in Cold cathode described above with the essential difference that this was eroded by the cathode Material not used at all for coating purposes becomes, so that the problem of metal droplets fundamentally Lich is avoided. Rather, they are in the cathodes spots and the arc discharge formed electrons used to heat a structured anode and then the material to be evaporated connected to the anode vaping. It is a variant of the Elek electron beam evaporation. The electrons from the cathodes stains not only evaporate the anode material, but transfer this through non-elastic impacts steaming anode material at the same time in the for a coating of the desired plasma state. The anodic plasma also serves as a fuel gas for the arc discharge. That of the self-consuming Anode expanding into the vacuum chamber Metal vapor contains no molten droplets and is used to coat surfaces, with which this method has the major disadvantage of katho avoids vacuum arc. In addition, a Be Participation of cathode material in the layer formation through the cathode during the coating process surrounding protective shield avoided.

Die im folgenden aufgeführten Publikationen behandeln wissenschaftliche Aspekte dieser neuartigen Lichtbogen entladung.Treat the publications listed below scientific aspects of this novel arc discharge.

- H. Ehrich: J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 6, No. 1, 134 (1988)
- H. Ehrich, B. Hasse, K.G. Müller and R. Schmidt: J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 6, No. 4, 2499 (1988)
- H. Ehrich, Vacuum Technology 37, 176, (1988).

Diese Vakuumlichtbogenentladung hat in den letzten Jahren seine Eignung als Grundlage eines neuen, plasmagestützten Beschichtungsverfahrens bewiesen und ist zum Beispiel geeignet für die metallische Beschichtung von Compact- Discs (CD). Es wurde festgestellt, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Schichten eine bessere Qualität aufweisen, als Beschichtungen, die mit anderen Verfahren hergestellt wurden. Diese qualitativen Verbesserungen betreffen sowohl die Haftfestigkeit der Schichten auf Substratoberflächen wie auch den kristallinen Aufbau der Schichten. Der günstige kristalline Aufbau der Schichten führt unter anderem zu guten optischen Eigenschaften, stabilen mechanischen Eigenschaften sowie einer höheren Resistenz gegen äußere chemische Einflüße (H. Ehrich, B. Hasse, M. Mausbach und K.G. Müller, Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 8, No. 3, 2160 (1990).This vacuum arc discharge has been in recent years its suitability as the basis of a new, plasma-based Coating process proven and is for example suitable for the metallic coating of compact Discs (CD). It was found that after this Process produced layers of better quality have than coatings with other methods were manufactured. These qualitative improvements affect both the adhesive strength of the layers Substrate surfaces as well as the crystalline structure of the Layers. The favorable crystalline structure of the layers leads to good optical properties, stable mechanical properties and a higher Resistance to external chemical influences (H. Ehrich, B. Hasse, M. Mausbach and K.G. Müller, Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 8, No. 3, 2160 (1990).

Das technische Problem der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, daß zur Durchführung von Beschichtungen mit Hilfe des vorgenannten anodischen Vakuumlichtbogens bisher nur Vorrichtungen bekannt sind, die für einen kurzzeitigen Betrieb der Lichtbogenentladung im Labormaßstab bei rela tiv geringen Stromstärken unter 150 A geeignet sind. Solche Vorrichtungen werden in der DE 34 13 891 und der US 49 17 786 beschrieben. Dieser kurzzeitige Betrieb re sultiert daraus, daß sich das Material an beiden Elektro den schnell verbraucht und für industrielle Anwendungen zu geringe Standzeiten erreicht werden. So wird zum Bei spiel bei der Verdampfung von Aluminium in Wolfram-Tiegeln die Betriebszeit des Lichtbogens dadurch begrenzt, daß das die Metallschmelze fixierende hochschmelzende Anoden material mit der Metallschmelze (flüssiges Aluminium) eine Legierung bildet, woraus sich eine Standzeitreduzie rung des aktiven Anodenmaterials auf 5 Minuten ergibt.The technical problem of the present invention arises from the fact that to carry out coatings with With the help of the aforementioned anodic vacuum arc so far only devices are known for a short-term Operation of the arc discharge on a laboratory scale at rela tiv low currents below 150 A are suitable. Such devices are in DE 34 13 891 and US 49 17 786 described. This short-term operation re results from the fact that the material on both electrical which is quickly used up and for industrial applications idle times that are too short can be achieved. This is how the play with the evaporation of aluminum in tungsten crucibles the operating time of the arc is limited by the fact that the high-melting anode fixing the molten metal material with the molten metal (liquid aluminum) forms an alloy, which results in a reduction in tool life of the active anode material to 5 minutes.

Ein weiterer Nachteil, der bei den bisherigen Vorrichtun gen zu einem kurzzeitigen Betrieb führte, betrifft die Zündung des Vakuumlichtbogens, die für industrielle Ein sätze wenig geeignet ist. Die Kontaktierung der Licht bogenelektroden führt häufig zur Verschweißung beider Elektroden, insbesondere bei wiederholter Zündung mit bereits aufgeheizter Anode. Eine Zündung des Lichtbogens mit Hilfe einer beweglichen Hilfselektrode erfordert einen relativ großen konstruktiven Aufwand, insbesondere wenn die Elektroden in größeren Aufdampfanlagen weit ent fernt von den Wänden der Unterdruckkammer angeordnet werden sollen. Die weiterhin in der DE 34 13 891 vorge schlagene Vorrichtung zur Zündung des anodischen Vakuum lichtbogens mit Hilfe eines Gleitfunkens ist wegen der dazu erforderlichen Hochspannung von über 20 kV aus sicherheitstechnischen Gründen und wegen der Gefahr von Überschlägen an den elektrischen Durchführungen nicht für den praktischen Betrieb geeignet. Insbesondere die nicht erwünschte aber häufig auftretende Verschweißung der Elektroden erfordert immer wieder Eingriffe in die Vor richtung und verhindert den erwünschten langzeitigen Be trieb der Lichtbogenentladung im industriellen Maßstab.Another disadvantage of the previous devices short-term operation affects the Ignition of the vacuum arc, used for industrial a sentences is not very suitable. Contacting the light arc electrodes often lead to the welding of both Electrodes, especially with repeated ignition already heated anode. Ignition of the arc with the help of a movable auxiliary electrode a relatively large design effort, in particular if the electrodes in large evaporation systems are far away remote from the walls of the vacuum chamber should be. The further featured in DE 34 13 891 striking device for igniting the anodic vacuum arcing with the help of a sliding spark is because of required high voltage of over 20 kV safety reasons and because of the danger of Arcing on the electrical feedthroughs not for suitable for practical operation. Especially not desired but frequently occurring welding of the Electrodes always require interventions in the front direction and prevents the desired long-term exposure drove the arc discharge on an industrial scale.

Ein weiteres technisches Problem, das den langzeitigen Betrieb der Vorrichtung verhindert, ist, daß der Ioni sationsgrad des auf das Objekt auftreffenden Dampfes bis her nicht gesteuert wurde, so daß zur Erreichung ver besserter Haftfestigkeiten unter Umständen mehrmals mit dazwischen eingeschobenen Abkühlungsabschnitten metalli siert werden mußte, um eine genügende Haftfestigkeit zu erreichen.Another technical problem that the long-term Operation of the device is prevented that the Ioni degree of vapor impinging on the object up to ago was not controlled, so that ver with better adhesive strengths under certain circumstances cooling sections inserted between them had to be sufficient to have sufficient adhesive strength to reach.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lang zeitmaterialverdampfung, die für die industrielle Anwen dung geeignet ist, unter Vermeidung der vorstehend ge nannten Nachteile, zu ermöglichen.The invention is therefore based on the object of a long Evaporation of time material for industrial applications is suitable, avoiding the ge above mentioned disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Materialver dampfung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit einer selbstverzehrenden Kathode und einer selbstverzehrenden heißen Anode in einer Unterdruckkammer gelöst, die eine Kathode mit einer kühlbaren Kathodenzuführung (1), auf der die Kathode (3) befestigt ist, enthält, wobei die Kathode (3) von einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Material (4) umgeben ist, und dieses Material (4) wiederum von einem äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) umgeben ist, wobei das Material (4) auf der Stirnseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (5) versehen ist, so daß die Schicht (5) die Kathode (3) elektrisch mit dem äußeren Mantel (6) verbindet, und die Vorrichtung ferner eine Anode enthält, bestehend aus einem kühlbaren Anodenträger (7), an dem die Anodenbasis platte (9) befestigt ist, wobei sich an der Anodenbasis platte (9) ein Behälter aus einem elektrisch leitfähigen, hochschmelzenden Material (10, 12) zur Aufnahme des Ver dampfungsgutes befindet.This object is achieved by a device for material evaporation by means of vacuum arc discharge with a self-consuming cathode and a self-consuming hot anode in a vacuum chamber which contains a cathode with a coolable cathode supply ( 1 ) on which the cathode ( 3 ) is fastened, the Cathode ( 3 ) is surrounded by a temperature-resistant, electrically insulating material ( 4 ), and this material ( 4 ) is in turn surrounded by an outer, electrically conductive jacket ( 6 ), the material ( 4 ) being coated on the front side with an electrically conductive layer ( 5 ) is provided so that the layer ( 5 ) electrically connects the cathode ( 3 ) to the outer jacket ( 6 ), and the device further contains an anode, consisting of a coolable anode carrier ( 7 ) on which the anode base plate ( 9 ) is fastened, with a plate made of an electrically conductive, high-melting material on the anode base plate ( 9 ) Lzenden material ( 10 , 12 ) for receiving the material to be vaporized.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Behälter (10, 12) an der Anodenbasisplatte (9) aus einem kera nischen Material, vorzugsweise Bornitrid. Der Behälter (10, 12) weist vorzugsweise in seiner Bodenplatte eine Bohrung auf, durch die ein elektrisch leitfähiger Stift (13, 15) geführt wird, und dieser Stift in den Behälter hineinragt, so daß das zur Verdampfung vorgesehene Material (14) mit dem Stift elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise besteht dieser Stift aus Titandiborid. Der Stift (13, 15) kann dabei je nach Ausführungsform aus dem zur Verdampfung vorgesehenen Material (14) heraus ragen oder nicht herausragen. Weiterhin können mehrere Stifte (13, 15, 17) vorhanden sein.In a preferred embodiment, the container ( 10 , 12 ) on the anode base plate ( 9 ) consists of a ceramic material, preferably boron nitride. The container ( 10 , 12 ) preferably has a hole in its base plate through which an electrically conductive pin ( 13 , 15 ) is guided, and this pin protrudes into the container, so that the material ( 14 ) provided for evaporation with the Pin is electrically connected. This pin is preferably made of titanium diboride. Depending on the embodiment, the pin ( 13 , 15 ) may or may not protrude from the material ( 14 ) provided for evaporation. Furthermore, several pins ( 13 , 15 , 17 ) can be present.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Stift (17) auch ohne Behälter vorhanden sein, wobei auf der Anoden basisplatte (11) eine elektrische Abschirmung (16) ange bracht ist mit einer mittig angeordneten Bohrung, durch die der Stift (17) geführt ist.In a further embodiment, the pin ( 17 ) can also be present without a container, an electrical shield ( 16 ) being provided on the anode base plate ( 11 ) with a centrally arranged bore through which the pin ( 17 ) is guided.

Die Kathode (3) besteht aus einer Legierung mit einem leicht zu verdampfenden Bestandteil, vorzugsweise Messing.The cathode ( 3 ) consists of an alloy with an easily evaporable component, preferably brass.

Weiterhin enthält die Kathodenzuführung (1) ein Gewinde, an dem die Kathode (3) mittels einer Überwurfmutter (2) befestigt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungs form ist im äußeren elektrisch leitfähigen Mantel (6) ein Fenster (6a) vorhanden. Der Behälter (10, 12) kann beheiz bar sein und zwischen dem Behälter (10, 12) an der Anode und der Anodenbasisplatte (9) kann sich vorzugsweise eine thermisch isolierende Schicht befinden.The cathode feed ( 1 ) also contains a thread to which the cathode ( 3 ) is fastened by means of a union nut ( 2 ). In a particularly preferred embodiment, a window ( 6 a) is present in the outer electrically conductive jacket ( 6 ). The container ( 10 , 12 ) can be heated and a thermally insulating layer can preferably be located between the container ( 10 , 12 ) on the anode and the anode base plate ( 9 ).

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Elektroden bei der Material verdampfung mittels einer Vakuumlichtbogenentladung mit heißer selbstverzehrender Anode und kalter selbstver zehrender Kathode, wobei die Standzeit der Kathode dadurch verlängert wird, daß sie von einer Kathodenabdeckung (6) umgeben ist, die durch die Lichtbogenentladung so stark aufgeheizt wird, daß das verdampfende Kathodenmaterial zur Arbeitsfläche (3a) der Kathode zurückverdampft, und die Standzeit der Anode dadurch verlängert wird, daß sie aus einem hitzebeständigen, elektrisch isolierenden Material in Form eines nachfüllbaren Behälters (10, 12) ausgebildet ist, der mit der Anodenbasisplatte (9) ver bunden ist.The object is further achieved by a method for extending the service life of electrodes during material evaporation by means of a vacuum arc discharge with hot self-consuming anode and cold self-consuming cathode, the service life of the cathode being extended in that it is surrounded by a cathode cover ( 6 ) , which is so strongly heated by the arc discharge that the evaporating cathode material evaporates back to the working surface ( 3 a) of the cathode, and the service life of the anode is extended by the fact that it is made of a heat-resistant, electrically insulating material in the form of a refillable container ( 10 , 12 ) is formed, which is connected to the anode base plate ( 9 ).

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Zündung einer Vakuumlichtbogenentladung mit kalter selbstver zehrender Kathode und heißer selbstverzehrender Anode gelöst, wobei die Arbeitsfläche (3a) der Kathode (3) von einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Material (4) umgeben ist, dieses isolierende Material (4) von einem äußeren, elektrisch leitfähigen Mantel (6) umgeben ist, und besagtes elektrisch isolierendes Material (4) auf der Stirnseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (5) versehen ist, so daß die Kathode (3) und der Mantel (6) mit der Schicht (5) elektrisch verbunden sind und die Zündung so erfolgt, daß zunächst zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt wird, und daß dann zwischen der Kathode (3) und dem leitfähigen Mantel (6) eine Zündspannung von mindestens 18 V angelegt wird, wobei der leitfähige Mantel (6) als Hilfsanode ge schaltet wird, worauf zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem leitfähigen Mantel (6) durch Ver dampfung eines Teils der leitfähigen Schicht (5) ein elek trischer Überschlag entsteht und sich die Vakuumlicht bogenentladung zwischen der Anode (10, 12) und der Kathode (3) ausbildet.The object is further achieved by a method for firing a vacuum-arc discharge with cold selbstver sapping cathode and hot consumable anode, wherein the working surface (3 a) of the cathode (3) is surrounded by a temperature-resistant electrically insulating material (4), this insulating material ( 4 ) is surrounded by an outer, electrically conductive jacket ( 6 ), and said electrically insulating material ( 4 ) is provided on the front side with an electrically conductive layer ( 5 ), so that the cathode ( 3 ) and the jacket ( 6 ) are electrically connected to the layer ( 5 ) and the ignition takes place in such a way that a voltage is first applied between the anode and cathode, and that an ignition voltage of at least 18 V is then applied between the cathode ( 3 ) and the conductive jacket ( 6 ) , wherein the conductive jacket ( 6 ) is switched as an auxiliary anode, whereupon between the working surface of the cathode ( 3 a) and the conductive jacket ( 6 ) by evaporation of part of the conductive layer ( 5 ), an electrical flashover occurs and the vacuum arc discharge between the anode ( 10 , 12 ) and the cathode ( 3 ) is formed.

In einer besonderen Ausführungsform erneuert sich die elektrisch leitfähige Schicht (5) durch Verdampfen des Elektrodenmaterials und dessen Kondensation auf der Stirn seite des temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Materials (4). In a special embodiment, the electrically conductive layer ( 5 ) is renewed by evaporating the electrode material and condensing it on the end face of the temperature-resistant electrically insulating material ( 4 ).

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Ver fahren zur Steuerung des Ionisationsgrades des auf ein zu beschichtendes Objekt auftreffenden Dampfes bei der Ober flächenbeschichtung mittels Vakuumlichtbogenentladung mit selbstverzehrender kalter Kathode und selbstverzehrender heißer Anode gelöst, wobei der geradlinige Stromfluß zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem Ver dampfungsgut an der Anode (14) behindert wird und der Ionisationgrad des Dampfes durch den Grad der Behinderung gesteuert wird. Die Steuerung des Ionisationsgrades kann dadurch vorgenommen werden, daß zwischen der Arbeitsfläche (3a) der Kathode (3) und dem Verdampfungsgut an der Anode (14) eine bewegliche Wandung angeordnet ist und damit der geradlinige Stromfluß zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und dem Verdampfungsgut an der Anode (14) behindert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Ionisationsgrad auch durch Bewegung der Elektroden aufeinander zu oder voneinander weg gesteuert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kathode von einer drehbaren Kathodenabdeckung (6) umgeben, in die ein Fenster (6a) eingelassen ist und der Ioni sationsgrad des Dampfes durch Drehen dieser Kathodenab deckung (6) gesteuert wird.The object of the invention is further achieved by a method for controlling the degree of ionization of the steam impinging on an object to be coated in the upper surface coating by means of vacuum arc discharge with self-consuming cold cathode and self-consuming hot anode, the linear current flow between the working surface of the cathode ( 3 a ) and the material to be vaporized at the anode ( 14 ) is obstructed and the degree of ionization of the steam is controlled by the degree of the obstruction. The degree of ionization can be controlled by arranging a movable wall between the working surface ( 3 a) of the cathode ( 3 ) and the material to be evaporated on the anode ( 14 ) and thus the straight current flow between the working surface of the cathode ( 3 a) and the material to be evaporated is hindered at the anode ( 14 ). In a further embodiment, the degree of ionization can also be controlled by moving the electrodes towards or away from one another. In a particularly preferred embodiment, the cathode is surrounded by a rotatable cathode cover (6), into which a window (6 a) taken and the Ioni sationsgrad of the steam by turning this Kathodenab cover (6) is controlled.

Wird bei einer Elektrodenanordnung (wie beispielhaft in Fig. 1 und Fig. 1a dargestellt) das in der Kathodenab deckung (6) eingelassene Fenster (6a) nach der Zündung des anodischen Vakuumbogens so bewegt, daß zwischen Anode und Kathodenflecken auf der Arbeitsfläche (3a) keine gerad linige Verbindung durch das Fenster (6a) besteht, so sinkt bei konstant gehaltenem Bogenstrom die Abdampfrate von der Anode. Gleichzeitig erhöht sich die über den Licht bogen abfallende Brennspannung und der relative Anteil der Ionen im Dampf (Ionisationsgrad steigt stark an). Dieser Effekt ist in der nachfolgenden Tabelle 1 darge stellt für einen bei 100 A betriebenen anodischen Vakuum bogen mit Kupfer als anodischem Verdampfungsmaterial. Die Tabelle enthält von links nach rechts den Verdrehungs winkel des Fensters (6a) in Fig. 1 aus der geradlinigen Sehlinie zwischen Kathodenfläche (3a) und Anodentiegel (10) um eine Achse parallel zur Zeichenebene, die Wachs tumsgeschwindigkeit der Kupferschicht auf einem Substrat in 30 cm Entfernung von der Anode, den Ionisationsgrad am Orte des Substrats, die Brennspannung des Lichtbogens und die Stromstärke des Lichtbogens.(Shown by way of example in Fig. 1 and Fig. 1a) at an electrode assembly which in the Kathodenab cover (6) recessed window (6 a) after the ignition of the anodic vacuum arc moved so that between the anode and cathode spots on the working surface (3 a) there is no straight line connection through the window ( 6 a), the evaporation rate from the anode drops while the arc current is kept constant. At the same time, the burning voltage dropping over the arc increases and the relative proportion of ions in the vapor (degree of ionization increases sharply). This effect is shown in Table 1 below for an anodic vacuum arc operated at 100 A with copper as the anodic evaporation material. The table contains from left to right the angle of rotation of the window ( 6 a) in Fig. 1 from the straight line of sight between the cathode surface ( 3 a) and anode crucible ( 10 ) about an axis parallel to the plane of the drawing, the growth rate of the copper layer on a substrate at a distance of 30 cm from the anode, the degree of ionization at the location of the substrate, the burning voltage of the arc and the current intensity of the arc.

Tabelle 1 Table 1

Abhängigkeit der Abdampfrate von der Anode der Brennspannung und des Ionisationsgrads bei geändertem Verdrehungswinkel des Fensters (6a) und konstantem Bogenstrom Dependence of the evaporation rate on the anode of the burning voltage and the degree of ionization with a changed angle of rotation of the window ( 6 a) and constant arc current

Damit besteht die einfache Möglichkeit, den Ionisations grad des auf das Objekt auftreffenden Dampfes während des Beschichtungsvorgangs zu verändern oder auch gezielt ein zustellen. Dies kann auch allein durch Verdrehen der ge samten Kathode in Fig. 1 realisiert werden. Dieser Vor gang wird durch den Pfeil in Fig. 1 bis 1a dargestellt. Diese Methode ist dann vorteilhaft einzusetzen, wenn durch eine Erhöhung des Ionisationsgrades im Dampf eine Qualitätsverbesserung der hergestellten Beschichtung, wie zum Beispiel eine verbesserte Haftfestigkeit erreicht werden soll. There is thus the simple possibility of changing the degree of ionization of the steam hitting the object during the coating process or of adjusting it in a targeted manner. This can also be realized solely by rotating the entire cathode in FIG. 1. Before this is shown by the arrow in Fig. 1 to 1a. This method is to be used advantageously if an increase in the degree of ionization in the steam is to improve the quality of the coating produced, for example an improved adhesive strength.

Die vorliegende Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, daß der Langzeitbetrieb des anodischen Vakuumlicht bogens bei einer industriellen Anwendung zur Materialbe dampfung bei Stromstärken über 150 A zu einer gleich mäßigen, kontrollierbaren und reproduzierbaren Erzeugung von ionisiertem Materialdampf an der Anode führt und weiterhin dieser Langzeitbetrieb durch die Verlängerung der Standzeit der Elektroden und eine zuverlässige und schnelle Zündung des anodischen Vakuumlichtbogens ohne Bewegung von Elektroden oder Hilfselektroden und ohne Anwendung einer Hochspannung insbesondere unter Vermei dung einer Verschweißung beider Elektroden, ermöglicht wird.The present invention has the particular advantage on that the long-term operation of the anodic vacuum light sheet in an industrial application for materials attenuation at currents above 150 A equal to one moderate, controllable and reproducible production of ionized material vapor at the anode and this long-term operation continues due to the extension the life of the electrodes and a reliable and quick ignition of the anodic vacuum arc without Movement of electrodes or auxiliary electrodes and without Use of a high voltage, especially under avoidance welding of both electrodes becomes.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen erläutert und beispielhaft dargestellt.In the following the invention with reference to drawings explained and presented as an example.

Fig. 1 zeigt eine senkrecht angeordnete Kathode mit einer waagerecht zugeführten Anode; Fig. 1a zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kathodenabdeckung; Fig. 2 zeigt zwei mögliche Auführungen der elektrischen Versorgung; Fig. 3 zeigt eine Anodenkonstruktion mit einem elektrisch nicht leitenden Tiegel und einer elek trischen Kontaktierung des Verdampfungsgutes durch einen durch den Tiegelboden geführten Stift; Fig. 4 zeigt eine Anode entsprechend Fig. 3 in Verbindung mit einer waage recht angeordneten Kathode; Fig. 5 zeigt eine Anode ent sprechend Fig. 3 mit Verdampfungsstift; Fig. 6 zeigt eine Anode zur tiegellosen Verdampfung von Materialien; Fig. 7 zeigt eine koaxial ausgeführte Kathodenkonstruk tion mit einer Anode entsprechend Fig. 3. Fig. 1 shows a vertically arranged cathode with a horizontally supplied anode; FIG. 1a is a perspective view showing a cathode cover; Fig. 2 shows two possible versions of the electrical supply; Fig. 3 shows an anode construction with an electrically non-conductive crucible and an elec trical contacting the material to be evaporated by a pin guided through the crucible bottom; FIG. 4 shows an anode corresponding to FIG. 3 in connection with a horizontally arranged cathode; Fig. 5 shows an anode accordingly Fig. 3 with evaporation pin; Fig. 6 shows an anode for crucible evaporation of materials; FIG. 7 shows a coaxial cathode construction with an anode corresponding to FIG. 3.

In Fig. 1 sind eine senkrecht eingebaute Kathode und eine waagerecht angeordnete Anode dargestellt. Die zylin dersymmetrische Kathode besteht aus einer gekühlten Kathodenzuführung (1) einschließlich Dichtungsfläche und Dichtungsring zur Aufnahme der sich verbrauchenden Katho denscheibe (3), einer Überwurfmutter (2) zur Halterung dieser Kathodenscheibe und einem auf diese Überwurfmutter gesetzten Rohr aus elektrisch isolierendem und thermisch belastbaren Material (4) sowie einer Kathodenabdeckung (6).In Fig. 1, a vertically mounted cathode and a horizontally arranged anode are shown. The cylin dersymmetrischen cathode consists of a cooled cathode supply ( 1 ) including sealing surface and sealing ring for receiving the cathode disc ( 3 ), a union nut ( 2 ) for holding this cathode disk and a tube placed on this union nut made of electrically insulating and thermally resilient material ( 4 ) and a cathode cover ( 6 ).

Die Kathodenscheibe (3) wird durch die Wirkung der Katho denflecke auf der Kathodenarbeitsfläche (3a) während des Lichtbogenbetriebs verbraucht und ist mit Hilfe der Über wurfmutter leicht auswechselbar. Die direkte Kühlung der Kathodenscheibe setzt die Kathodenerosion herab und erhöht so die Standzeit der Kathode. Die Kathodenabdeckung ver hindert die Beschlagung des zu beschichtenden Werkstücks mit Kathodenmaterial, und ein seitlich angebrachtes Fenster (6a) in der Kathodenabdeckung gewährleistet den Stromfluß zwischen Kathode und Anode.The cathode disc ( 3 ) is consumed by the effect of the cathode spots on the cathode work surface ( 3 a) during the arc operation and is easily replaceable with the help of the union nut. Direct cooling of the cathode disk reduces cathode erosion and thus increases the service life of the cathode. The cathode cover prevents fogging of the workpiece to be coated with cathode material, and a side window ( 6 a) in the cathode cover ensures the current flow between the cathode and anode.

Die Anode besteht aus einem kühlbaren Anodenträger (7) mit Dichtfläche und Dichtring, einer Überwurfmutter (8) zur Befestigung der Anodenbasisplatte (9) sowie einem Tiegel aus einem elektrisch leitfähigen, hochschmelzenden Material, der das Verdampfungsgut aufnimmt (10). Diese Elektrodenkonstruktion ermöglicht eine vereinfachte Zün dung des Bogens ohne Bewegung der Elektroden. Zur Zündung muß die Stirnfläche des Isolationsrohres (4) metallisiert sein. Diese Metallisierung (5) muß bei erstmaliger Anwen dung des Isolationsrohres durch eine vorhergehende Metallisierung aufgebracht werden.The anode consists of a coolable anode support ( 7 ) with a sealing surface and sealing ring, a union nut ( 8 ) for fastening the anode base plate ( 9 ) and a crucible made of an electrically conductive, high-melting material that receives the material to be evaporated (10). This electrode construction enables a simplified ignition of the arc without moving the electrodes. The front surface of the insulation tube ( 4 ) must be metallized for ignition. This metallization ( 5 ) must be applied for the first time application of the insulation tube by a previous metallization.

Zur Einleitung der Zündung wird zunächst das Bogenver sorgungsgerät eingeschaltet, so daß dessen Leerlauf spannung zwischen Kathode und Anode (Anschlüsse A und B in Fig. 1) anliegt. Beide Elektroden müssen gegenüber dem Vakuumgefäß elektrisch isoliert angeordnet sein. Dann wird zwischen Kathode (3) und Kathodenabdeckung (6) eine Hilfsspannung angelegt (Anschluß C). Diese kann einem separaten Netzgerät (U2) oder dem Lichtbogenversorgungs gerät U1 entnommen werden (vgl. Fig. 2). Die Stirnseite des Isolationsrohres stellt eine leitfähige Verbindung zwischen der Kathode und der Kathodenabdeckung her. So bald die Hilfsspannung eingeschaltet wird, entsteht an einer günstigen Stelle auf der Stirnseite des Isolations rohres ein Überschlag und spontan entstehen auf der Ar beitsfläche der Kathode die Kathodenflecken. Zunächst entsteht ein kathodisch bestimmter Vakuumbogen zwischen der Arbeitsfläche der Kathode (3a) und der Kathodenab deckung (6) als Hilfsanode. Gleichzeitig wird das mit der Anode verbundene Verdampfungsgut durch Elektronenbeschuß aufgeheizt und beginnt zu verdampfen. Die Aufheizzeit wird wesentlich beeinflußt durch die Anodenposition re lativ zum Fenster (6a) in der Kathodenabdeckung und durch die zunächst anliegende Leerlaufspannung. Eine hohe Leer laufspannung führt zu einer Erhöhung der Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen und somit zu einer schnelleren Aufheizung.To initiate the ignition, the Bogenver supply device is first switched on so that its open circuit voltage is present between the cathode and anode (connections A and B in FIG. 1). Both electrodes must be electrically insulated from the vacuum vessel. An auxiliary voltage is then applied between the cathode ( 3 ) and the cathode cover ( 6 ) (connection C). This can be taken from a separate power supply unit (U 2 ) or the arc supply device U 1 (cf. FIG. 2). The end face of the insulation tube creates a conductive connection between the cathode and the cathode cover. As soon as the auxiliary voltage is switched on, a flashover occurs at a favorable point on the front of the insulation tube and spontaneously the cathode spots are formed on the working surface of the cathode. First, a cathodically determined vacuum arc is created between the working surface of the cathode ( 3 a) and the cathode cover ( 6 ) as an auxiliary anode. At the same time, the material to be evaporated, which is connected to the anode, is heated by electron bombardment and begins to evaporate. The heating-up time is significantly influenced by the anode position relative to the window ( 6 a) in the cathode cover and by the initially applied open circuit voltage. A high open circuit voltage leads to an increase in the energy of the electrons hitting the anode and thus to faster heating.

Sobald sich der anodische Vakuumbogen ausgebildet hat, kann der Zündlichtbogen abgeschaltet werden, der Zünd vorgang ist dann beendet.As soon as the anodic vacuum arc has formed, the ignition arc can be switched off, the ignition the process is then finished.

Während des Betriebs des Lichtbogens wird die Metalli sierung (5) des Isolationsrohres (4) stets automatisch erneuert, so daß die Zündung beliebig oft wiederholbar ist.During operation of the arc, the metallization ( 5 ) of the insulation tube ( 4 ) is always automatically renewed, so that the ignition can be repeated as often as required.

Die Standzeit der Kathode wird günstig dadurch beein flußt, wenn während des Bogenbetriebs der von Kathoden material beaufschlagte Teil der Kathodenabdeckung (6) so heiß wird, daß das ankommende Kathodenmaterial wieder verdampft. Dieses Verhalten ist zum Beispiel mit Kathoden scheiben (3) aus Legierungen, vorzugsweise aus Messing, zu erreichen, wobei eine Überwurfmutter (2) aus Edelstahl dafür sorgt, daß die Kathodenflecken auf der Arbeitsfläche (3a) fixiert werden. Das aus der Kathode freigesetzte Zink wird von der Kathodenabdeckung bei relativ niedriger Wandtemperatur zurückverdampft. Diese Rückverdampfung verkleinert die von den Kathodenflecken verursachte Katho denerosion beträchlich und erhöht damit die Standzeit der Kathode. Es ist insbesondere günstig, Kathodenmaterialien zu verwenden, die zumindest einen Bestandteil mit geringer Verdampfungstemperatur aufweisen. Dies ist zum Beispiel bei Legierungen wie Messing der Fall, wo die Verdampfungs temperatur des Zinks niedriger als die des Kupfers ist.The service life of the cathode is favorably influenced if the part of the cathode cover ( 6 ) which is acted upon by cathode material becomes so hot during arc operation that the incoming cathode material evaporates again. This behavior can be achieved, for example, with cathode disks ( 3 ) made of alloys, preferably brass, with a union nut ( 2 ) made of stainless steel ensuring that the cathode spots are fixed on the work surface ( 3 a). The zinc released from the cathode is evaporated back from the cathode cover at a relatively low wall temperature. This re-evaporation considerably reduces the cathode erosion caused by the cathode spots and thus increases the service life of the cathode. It is particularly favorable to use cathode materials which have at least one component with a low evaporation temperature. This is the case, for example, with alloys such as brass, where the evaporation temperature of the zinc is lower than that of the copper.

Fig. 1a zeigt in perspektivischer Darstellung eine Kathodenabdeckung (6) mit dem Fenster (6a). Fig. 1a shows a perspective view of a cathode cover ( 6 ) with the window ( 6 a).

Fig. 2a und 2b zeigen zwei Beispiele der elektrischen Versorgung zum Zünden und Betreiben des anodischen Vakuum bogens. Die jeweilige elektrische Verbindung erfolgt durch Verbindung der Punkte A, B und C. Dabei stellt Punkt A die elektrische Verbindung zur Anode, B zur Kathode und C zur Hilfsanode dar. Die Hilfsanode kann elektrisch mit der Unterdruckkammer verbunden sein. Die Kathodenabdeckung (6) dient gleichzeitig als Hilfsanode und ist über das Schaltelement (20) und einen Schalter (21) mit dem anoden seitigen Ausgang der Versorgungsgeräte U1 bzw. U2 ver bunden. Das Schaltelement (20) kann ein elektrischer Widerstand von 0,1 bis 1,0 Ohm oder einer Induktivität von zumindest 1 mH und einem elektrischen Widerstand von 0,1 bis 1,0 Ohm sein. Der Widerstand entkoppelt die Anode von der Hilfskanode, so daß eine Übertragung des Zünd lichtbogens von der Hilfsanode auf die Anode erfolgt. Nach erfolgter Zündung des Lichtbogens kann die Hilfs anode mit Hilfe des Schalters (21) elektrisch vom Ver sorgungsgerät getrennt werden. Ein induktiver Anteil im Schaltelement (20) begünstigt die Zündung des Lichtbogens zur Hilfsanode beim Verdampfen der dünnen leitfähigen Schicht (5) auf dem Isolator (4) beim Einschalten des elektrischen Stroms zwischen Kathode und Hilfsanode. FIGS. 2a and 2b show two examples of the electrical supply for igniting and operating the anodic vacuum arc. The respective electrical connection is made by connecting points A, B and C. Point A represents the electrical connection to the anode, B to the cathode and C to the auxiliary anode. The auxiliary anode can be electrically connected to the vacuum chamber. The cathode cover ( 6 ) also serves as an auxiliary anode and is connected via the switching element ( 20 ) and a switch ( 21 ) to the anode-side output of the supply devices U 1 and U 2, respectively. The switching element ( 20 ) can be an electrical resistance of 0.1 to 1.0 ohm or an inductance of at least 1 mH and an electrical resistance of 0.1 to 1.0 ohm. The resistor decouples the anode from the auxiliary anode, so that the ignition arc is transferred from the auxiliary anode to the anode. After the arc has ignited, the auxiliary anode can be electrically separated from the supply device using the switch ( 21 ). An inductive component in the switching element ( 20 ) favors the ignition of the arc to the auxiliary anode when the thin conductive layer ( 5 ) evaporates on the insulator ( 4 ) when the electrical current between the cathode and auxiliary anode is switched on.

Fig. 2a zeigt die Schaltung, bei der zum Zünden und Be treiben des anodischen Vakuumbogens nur ein Versorgungs gerät (U1) notwendig ist. Fig. 2a shows the circuit in which only one supply device (U 1 ) is necessary to ignite and drive the anodic vacuum arc.

Fig. 2b besitzt im Zündkreis ein zusätzliches Versor gungsgerät (U2), das den Strom für die Entladung zwischen Kathode und Hilfsanode liefert. Fig. 2b has in the ignition circuit an additional supply device (U 2 ) which supplies the current for the discharge between the cathode and auxiliary anode.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung der Anode. Auf eine kühlbare Zuleitung (7) ist mittels einer Überwurf mutter (8) eine Anodenbasisplatte (11) befestigt. Diese Anodenbasisplatte trägt einen Anodentiegel (12) aus einem elektrisch nicht leitenden hitzebeständigen Material. Dieses kann vorzugsweise ein keramisches Material sein. Das Verdampfungsgut (14) befindet sich in dem Tiegel (12) und wird über einen elektrisch leitfähigen Stift (13) mit der Anodenbasisplatte (11) elektrisch verbunden. Fig. 3 shows a possible embodiment of the anode. An anode base plate ( 11 ) is fastened to a coolable supply line ( 7 ) by means of a union nut ( 8 ). This anode base plate carries an anode crucible ( 12 ) made of an electrically non-conductive, heat-resistant material. This can preferably be a ceramic material. The evaporation material ( 14 ) is located in the crucible ( 12 ) and is electrically connected to the anode base plate ( 11 ) via an electrically conductive pin ( 13 ).

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, in der der Anode aus Fig. 3 eine waagerecht eingebaute Kathode gegenübergestellt ist. Diese Kathode ist entsprechend der Kathode in Fig. 1 ausgebildet und bezeichnet. Im Unterschied zu Fig. 1 erfolgt der Stromfluß über ein stirnseitiges Fenster (6c), in der Kathodenabdeckung (6b), die wiederum gleichzeitig die Funktion einer Hilfsanode hat und das zu bedampfende Objekt gegen Kathodenspritzer abschirmt. Der Stromfluß zur Anode erfolgt über das elektrisch leitfähige Ver dampfungsgut. FIG. 4 shows an arrangement in which the anode from FIG. 3 is juxtaposed with a horizontally installed cathode. This cathode is designed and labeled in accordance with the cathode in FIG. 1. In contrast to Fig. 1, the current flows through an end window ( 6 c), in the cathode cover ( 6 b), which in turn has the function of an auxiliary anode and shields the object to be vaporized from cathode splashes. The current flows to the anode via the electrically conductive material to be vaporized.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Anode aus Fig. 3. Im Unterschied zu der Anode in Fig. 3 ragt der Kontaktstift (15) über die Oberfläche des Verdampfungs guts hinaus. Die DE-OS 32 39 131 beschreibt ein Verfahren zur thermischen Metallverdampfung, wobei flüssiges Metall aus einem Tiegel durch Benetzung eines teilweise ein tauchenden, widerstandsbeheizten Verdampfers zugeführt wird. Dieser Kontaktstift (15) besteht aus einem Material, das vom schmelzflüssigen Verdampfungsgut während des Be triebs des anodischen Vakuumlichtbogens stark benetzt wird. Infolge dieser Benetzung kriecht das Verdampfungs gut an dem heißen Kontaktstift entgegen der Schwerkraft empor und wird hauptsächlich von der heißen Spitze des Kontaktstifts verdampft. Der Lichtbogen zeigt nämlich die Eigenschaft, den anodischen Ansatz an Orten mit geringen Energieverlusten zu plazieren; dieses ist bei der Anode in Fig. 5 die Spitze des Kontaktstifts. Verdampfendes Material wird über die Benetzung des Kontaktstifts stetig zum Verdampfungspunkt an dessen Spitze nachgeführt. Der Stift (15) wirkt gleichzeitig als Kontakt und Ver dampfungsstift. Es versteht sich von selbst, daß eine solche Anode entsprechend Fig. 5 auch mit räumlich ge trenntem Kontakt und Verdampfungsstab ausgebildet werden kann. Fig. 5 shows another embodiment of the anode from Fig. 3. In contrast to the anode in Fig. 3, the contact pin ( 15 ) protrudes well above the surface of the evaporation. DE-OS 32 39 131 describes a method for thermal metal evaporation, wherein liquid metal is supplied from a crucible by wetting a partially immersed, resistance-heated evaporator. This contact pin ( 15 ) consists of a material which is heavily wetted by the molten material to be evaporated during the operation of the anodic vacuum arc. As a result of this wetting, the evaporation crawls up well against the force of gravity on the hot contact pin and is mainly evaporated from the hot tip of the contact pin. The arc shows the property of placing the anodic approach in places with low energy losses; this is the tip of the contact pin for the anode in FIG. 5. Vaporizing material is continuously tracked to the evaporation point at the tip by wetting the contact pin. The pin ( 15 ) acts simultaneously as a contact and vaporization pin Ver. It goes without saying that such an anode according to FIG. 5 can also be formed with spatially separated contact and evaporation rod.

Die Ausführungsform der Anode in Fig. 5 kann zum Bei spiel für die Verdampfung von Aluminium verwendet werden. Als Tiegelmaterial (12) ist dann Bornitrid zu verwenden, als Kontakt- und Verdampfungsstift (15) ist insbesondere Titandiborid geeignet. Beide Materialien werden von schmelzflüssigem Aluminium nicht angegriffen, wodurch sich bei der Verdampfung von Aluminium eine sehr hohe Standzeit an der Anode ergibt. Weiterhin ist auch eine Verdampfung von aluminiumhaltigen Legierungen, wie Aluminiumbronze, mit 92 Gew.-% Kupfer und 8 Gew.-% Aluminium aus dieser Anode möglich. Da das während des Betriebs schmelzflüssige Verdampfungsgut (14) nur als Vorrat für eine vorbestimmte Betriebszeit dient, kann das Fassungsvermögen des Tiegels (12) sehr groß bemessen werden. Falls dann die Leistung des Lichtbogens nicht ausreicht, das gesamte Verdampfungsgut im schmelzflüssigen Zustand zu halten, kann eine Heizung des Tiegels durch eine vom Lichtbogen unabhängige Wärmequelle erfolgen. Zur Verminderung der Wärmeverluste des Verdampfungsgutes kann zwischen dem Anodentiegel (12) und der Anodenbasisplatte (11) eine thermische Isolierung angebracht werden.The embodiment of the anode in Fig. 5 can be used for example for the evaporation of aluminum. Boron nitride is then to be used as the crucible material ( 12 ), and titanium diboride is particularly suitable as the contact and evaporation pin ( 15 ). Both materials are not attacked by molten aluminum, which results in a very long service life at the anode when aluminum is evaporated. Evaporation of aluminum-containing alloys, such as aluminum bronze, with 92% by weight copper and 8% by weight aluminum from this anode is also possible. Since the vaporized material ( 14 ) which is molten during operation only serves as a supply for a predetermined operating time, the capacity of the crucible ( 12 ) can be very large. If the power of the arc is then insufficient to keep the entire vaporized material in the molten state, the crucible can be heated by a heat source that is independent of the arc. To reduce the heat loss of the material to be evaporated, thermal insulation can be applied between the anode crucible ( 12 ) and the anode base plate ( 11 ).

Fig. 6 zeigt eine Anodenkonstruktion, die zur tiegel losen Verdampfung von Materialien geeignet ist. Auf der gekühlten Anodenbasisplatte (11) ist das Verdampfungsgut (17) in stabförmiger Geometrie angebracht. Eine Ab schirmung (16) verhindert die Beaufschlagung der Anoden basisplatte und der Überwurfmutter (8) mit verdampftem Material. Die Verdampfung erfolgt infolge des Anodenan satzes an der Spitze des Stabes, der demzufolge aus elektrisch leitfähigem Material bestehen muß. Diese Anodenkonstruktion ist vorzugsweise geeignet für die Verdampfung von Materialien, deren zur Verdampfung not wendige Temperatur unterhalb oder wenig oberhalb des jeweiligen Schmelzpunktes liegt. Im ersten Fall erfolgt eine Sublimation des Verdampfungsgutes, wie zum Beispiel bei dem Metall Chrom, im zweiten Fall kann sich bei ge eigneter Geometrie des Stabes (17) ein solches Temperatur profil innerhalb des Stabes ausbilden, daß die Ver dampfung von einer flachen Schmelzlache am oberen Ende des Stabes (17) erfolgt, ohne daß der Stab durch groß volumiges Aufschmelzen zerstört wird. So ist es bei spielsweise möglich, mit dieser Anordnung Nickel oder Molybdän zu verdampfen. Fig. 6 shows an anode construction which is suitable for the crucible-free evaporation of materials. The material to be evaporated ( 17 ) is attached in a rod-shaped geometry to the cooled anode base plate ( 11 ). A shield ( 16 ) prevents the anode base plate and the union nut ( 8 ) from being exposed to vaporized material. The evaporation takes place as a result of the anode set at the tip of the rod, which must therefore consist of electrically conductive material. This anode construction is preferably suitable for the evaporation of materials whose temperature required for evaporation is below or slightly above the respective melting point. In the first case there is a sublimation of the material to be evaporated, such as with the metal chrome, in the second case, with a suitable geometry of the rod ( 17 ), such a temperature profile can form inside the rod that the evaporation from a flat pool of melt on the top End of the rod ( 17 ) takes place without the rod being destroyed by large-volume melting. For example, it is possible to evaporate nickel or molybdenum with this arrangement.

Fig. 7 zeigt eine koaxiale Elektrodenkonfiguration, bei der eine Anode entsprechend Fig. 3 von einer ringförmigen Kathodenkonstruktion umgeben ist. Entsprechend den Kathoden in Fig. 1 und 3 enthält die Kathode eine ge kühlte Zuführung (1), ein Kathodenmaterial (3) mit Ar beitsfläche (3a), ein elektrisch isolierendes Material (4) mit metallisierter Stirnfläche (5) und eine Hilfs anode (6, 6d). Die Innenwandung der Kathode ist gegenüber der Anode mit einer Abschirmung (18) versehen. Diese kann beispielsweise als elektrisch isoliert angebrachter Metallzylinder ausgeführt sein. Die Abschirmung (19) ver hindert die Beaufschlagung eines zu bedampfenden Objektes mit Spritzern aus den Kathodenflecken und dient gleich zeitig zur Rückverdampfung von Kathodenmaterial. Diese Kathode kann die Anode als geschlossener Ring oder als Ringsegment umgeben. Im letzteren Fall kann im frei bleibenden Kathodenabschnitt eine Nachführung für das Verdampfungsgut (14) untergebracht werden. Diese Elek trodenkonfiguration ermöglicht eine besonders lange Standzeit der Kathode, da infolge des koaxialen Katho denaufbaus in der Umgebung der Anode sehr viel sich ver brauchendes Kathodenmaterial angeordnet werden kann. Be sonders vorteilhaft ist es, wenn das verbrauchte Katho denmaterial nicht durch mechanische Bewegung nachgeführt werden muß, sondern als Vorrat die Anode umgibt. FIG. 7 shows a coaxial electrode configuration in which an anode according to FIG. 3 is surrounded by an annular cathode construction. According to the cathodes in Fig. 1 and 3, the cathode contains a ge cooled supply ( 1 ), a cathode material ( 3 ) with Ar beitsfläche ( 3 a), an electrically insulating material ( 4 ) with a metallized end face ( 5 ) and an auxiliary anode ( 6 , 6 d). The inner wall of the cathode is provided with a shield ( 18 ) from the anode. This can be designed, for example, as an electrically insulated metal cylinder. The shield ( 19 ) prevents the application of an object to be vaporized with splashes from the cathode spots and serves at the same time for re-evaporation of cathode material. This cathode can surround the anode as a closed ring or as a ring segment. In the latter case, a tracking for the material to be evaporated ( 14 ) can be accommodated in the remaining cathode section. This elec trode configuration enables a particularly long service life of the cathode, since as a result of the coaxial cathode construction in the vicinity of the anode, a lot of cathode material can be arranged. It is particularly advantageous if the cathode consumed does not have to be tracked by mechanical movement, but rather surrounds the anode as a supply.

Die gezeigten Elektrodenanordnungen besitzen nur bei spielhaften Charakter. Es ist zum Beispiel auch eine Vorrichtung denkbar, bei der eine Kathode aus Fig. 1 mit einer Anode aus Fig. 5 oder 6 betrieben wird.The electrode arrangements shown only have a playful character. For example, a device is also conceivable in which a cathode from FIG. 1 is operated with an anode from FIG. 5 or 6.

Claims

1.Device for material evaporation by means of vacuum arc discharge with a self-consuming cathode and a self-consuming hot anode in a vacuum chamber containing a cathode with a coolable cathode supply ( 1 ) on which the cathode ( 3 ) is fastened, the cathode ( 3 ) being temperature-resistant electrically insulating material ( 4 ) is surrounded, and this material ( 4 ) is in turn surrounded by an outer electrically conductive jacket ( 6 ), the material ( 4 ) being provided on the end face with an electrically conductive layer ( 5 ) so that the layer ( 5 ) electrically connects the cathode ( 3 ) to the outer jacket ( 6 ), and the device further contains an anode consisting of a coolable anode support ( 7 ), to which the anode base plate ( 9 ) is attached, whereby the Anode base plate ( 9 ) is a container made of an electrically conductive, high-melting material ( 10 , 12 ) for receiving of the material to be evaporated.

2. Device according to claim 1, characterized in that the container ( 10 , 12 ) consists of a ceramic material Ma.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the container ( 10 , 12 ) consists of boron nitride.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the container ( 10 , 12 ) plate in its bottom has a bore through which an electrically conductive pin ( 13 , 15 ) is guided, which protrudes into the container, so that the material intended for vaporization ( 14 ) is electrically connected to the pin.

5. Device according to claims 1 to 4, characterized characterized in that the pin from titanium diboride be stands.

6. Device according to claims 1 to 5, characterized in that the pin ( 15 ) protrudes from the material provided for Ver evaporation ( 14 ).

7. Device according to claims 1 to 5, characterized in that the pin ( 13 ) does not protrude from the material provided for evaporation ( 14 ).

8. Device according to claims 1 to 7, characterized in that a plurality of pins ( 13 , 15 , 17 ) are present.

9. Device according to claims 1 to 8, characterized in that the pin ( 17 ) is also present without loading containers and on the anode base plate ( 11 ) an electrical shield ( 16 ) is provided with a centrally arranged bore through which the pin ( 17 ) is performed.

10. Device according to claims 1 to 9, characterized in that the anode is coaxially surrounded by the cathode ( 3 ).

11. The device according to claims 1 to 10, characterized in that the cathode ( 3 ) consists of an alloy with an easily evaporated component be.

12. Device according to claims 1 to 11, characterized in that the cathode ( 3 ) is made of brass be.

13. Device according to claims 1 to 12, characterized in that the cathode supply ( 1 ) contains a thread on which the cathode ( 3 ) is fastened by means of a union nut ( 2 ).

14. Device according to claims 1 to 13, characterized in that a window ( 6 a) is present in the outer electrically conductive jacket ( 6 ).

15. The device according to claims 1 to 14, characterized in that there is a thermally insulating layer between the container ( 10 , 12 ) on the anode and the anode base plate ( 9 ).

16. The device according to claims 1 to 15, characterized in that the container ( 10 , 12 ) is heatable.

17. A method for extending the service life of electrodes in the material evaporation by means of a vacuum arc discharge with hot self-consumption of the anode and cold self-consuming cathode, the service life of the cathode being extended by the fact that it is surrounded by a cathode cover ( 6 ) which is caused by the arc discharge is heated to such an extent that the evaporating cathode material evaporates back to the working surface ( 3 a) of the cathode, and the service life of the anode is extended by the fact that it is made of a heat-resistant, electrically insulating material in the form of a refillable loading container ( 10 , 12 ) is formed, which is connected to the anode base plate ( 9 ).

18. The method according to claim 17, characterized in that in the cathode cover ( 6 ), a window ( 6 a) is embedded.

19. The method according to claims 17 and 18, characterized in that the container ( 10 , 12 ) consists of a ceramic material.

20. The method according to claims 17 to 19, characterized in that the container ( 10 , 12 ) consists of boron nitride.

21. The method according to claims 17 to 20, characterized in that the container ( 10 , 12 ) in its bottom plate has a bore in which an elec trically conductive pin ( 15 , 13 ) is attached, which protrudes into the container, so that the material intended for vaporization ( 14 ) is electrically connected to the pin.

22. The method according to claims 17 to 21, characterized in that the pin ( 13 , 15 ) consists of titanium diboride.

23. The method according to claims 17 to 22, characterized in that the pin ( 15 ) protrudes from the material provided for Ver evaporation ( 14 ).

24. The method according to claims 17 to 23, characterized in that the pin ( 13 ) does not protrude from the material provided for evaporation ( 14 ).

25. The method according to claims 17 to 24, characterized in that the pin ( 17 ) is also available without loading containers.

26. The method according to claims 17 to 25, characterized in that the anode is coaxially surrounded by the cathode ( 3 ).

27. The method according to claims 17 to 26, characterized in that the cathode ( 3 ) consists of an alloy in which at least one easily evaporable material is present.

28. The method according to claims 17 to 27, characterized in that the cathode ( 3 ) is made of brass.

29. The method according to claims 17 to 28, characterized in that the cathode supply ( 1 ) contains a thread on which the cathode ( 3 ) is fastened by means of a union nut ( 2 ).

30. A method for igniting a vacuum arc charge with a cold self-consuming cathode and hot self-consuming anode, the working surface ( 3 a) of the cathode ( 3 ) being made of a temperature-resistant electrical insulating material ( 4 ), this insulating material ( 4 ) is surrounded by an outer electrically conductive jacket ( 6 ), and said electrically insulating material ( 4 ) is provided on the end face with an electrically conductive layer ( 5 ) so that the cathode ( 3 ) and the jacket ( 6 ) with the Layer ( 5 ) are electrically connected and the ignition is such that a voltage is first applied between the anode and cathode, and that an ignition voltage of at least 18 volts is then applied between the cathode ( 3 ) and the conductive jacket ( 6 ) , in which the pilot enabled jacket (6) is connected as auxiliary anode, whereupon between the working surface of the cathode (3 a) and the conductive shell (6) Major ch evaporation of part of the conductive layer ( 5 ) creates an electrical flashover and the vacuum arc discharge between the anode ( 10 , 12 ) and cathode ( 3 ) is formed.

31. The method according to claim 30, characterized in that the electrically conductive layer ( 5 ) is renewed by evaporation of the electrode material and its condensation on the end face of the temperature-resistant electrical insulating material ( 4 ).

32. Method for controlling the degree of ionization of the steam striking an object to be coated during surface coating by means of vacuum arc discharge with a self-consuming cold cathode and self-consuming hot anode, the rectilinear current flow between the working surface of the cathode ( 3 a) and the material to be evaporated at the anode ( 14 ) is hindered and the degree of ionization of the steam is controlled by the degree of this disability.

33. A method for controlling the degree of ionization according to claim 31, characterized in that the cathode is surrounded by a rotatable cathode cover ( 6 ) into which a window ( 6 a) is inserted, and the degree of ionization of the steam by rotating this cathode cover ( 6 ) is controlled.

34. Method according to claims 32 and 33, characterized in that a movable wall is arranged between the working surface ( 3 a) of the cathode ( 3 ) and the material to be evaporated at the anode ( 14 ) and by changing the position of the wall of the ionis degree of control is controlled.

35. The method according to claims 32 to 34, characterized characterized in that the degree of ionization by Be movement of the electrodes is controlled.