Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinheit für eine Zündeinheit und eine Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung.

Zur Beschichtung von Werkstücken, insbesondere von tribologisch hochbelasteten Komponenten, die gleichzeitig einer zusätzlichen, mehrfachartigen Belastung wie beispielsweise der Temperatur oder der Kavitation unterliegen, sind mehrere physikalische Abscheidungsverfahren bekannt. Aus dem Bereich der Plasmabeschichtungstechnik sind zwei unterschiedliche Verfahren zur Erzeugung von metall- und Wasserstofffreien Kohlenstoffschichten (sog. Tetraedrisch koordinierter amorpher Kohlenstoff, ta-C) zu nennen: Abscheidung von Graphittargets durch Sputtern oder durch Bogenverdampfung.

Das Sputter-Verfahren zeichnet sich jedoch durch eine niedrige Depositionsrate aus, weshalb dieses Verfahren für eine wirtschaftliche Nutzung nicht geeignet ist.

Bei einer Bogenverdampfung wird typischerweise das zu verdampfende Material auf kathodisches Potential gelegt, während als Anode eine spezielle Elektrode vorhanden ist oder auch die Wand der Beschichtungskammer als Anode dienen kann. Zum Verdampfen des Targetmaterials wird zwischen der Anode und der Kathode ein Lichtbogen gezündet, der die Kathode lokal an dem Brennpunkt, erkennbar an einem Brennfleck auf der Kathode, so stark aufheizt, dass das Targetmaterial in die Dampfphase übergeht und auf einem Werkstück abscheidet. Zur Erzeugung des Lichtbogens zwischen der Anode und der Kathode benötigt man eine Zündvorrichtung.

Neben beweglichen Zündvorrichtungen sind fest in der Nähe der Targetkathode angeordnete Zündelektroden bekannt, zwischen denen ein Lichtbogen gezündet wird, der dann von der Zündelektrode auf die Anode übergeht.

Eine kontrollierte dc-Bogenverdampfung von Kohlenstoff erweist sich als schwierig, da der Brennpunkt des Lichtbogens dazu tendiert, an einer Stelle des Targets fest- und möglicherweise durchzubrennen. Auch ist es bekannt, dass beim Verdampfen sogenannte Droplets (Makropartikeln) zu einer erhöhten Schichtrauheit auf dem Werkstück führen. Auch dieses Verfahren wird daher nur eingeschränkt eingesetzt.

Bei einer gepulsten Bogenentladung hingegen wird die Spannung zwischen der Anode und der Kathode pulsierend angelegt, wodurch der Brennpunkt auf dem Target gegenüber der dc-Bogenverdampfung auf ca. lOOfache Geschwindigkeit beschleunigt und dadurch das Festbrennen vermieden wird. Die gepulste Bogenentladung hat im allgemeinen eine Pulslänge im Bereich von Millisekunden (msec) , dadurch ist die Entladung in der räumlichen Nähe der Zündung lokalisiert.

Will man die Technologie der gepulsten Bogenentladung bei großflächigen Targets einsetzen, ist daher ein Aufbau mit mehreren einzelnen Zündquellen sinnvoll. Aus der RU 2153782 Cl ist eine Kohlenstoffplasma- Impulsquelle zum Auftragen einer Kohlenstoffschicht auf ein Werkstück bekannt, die unter anderem eine Graphitkathode, eine Anode, eine kapazitive Speicherschaltung und mindestens zwei am Umfang der Graphitkathode angeordnete Zündeinheiten aufweist. Durch diese Anordnung wird im Vergleich zu einer Vorrichtung mit nur einer Zündeinheit der mit der KohlenstoffSchicht beschichtete Bereich erweitert und gleichzeitig die Dicke der aufgebrachten Schicht am Werkstück gleichmäßiger. Die Zündeinheiten bestehen jeweils aus einer stabförmigen Metallelektrode und aus einer ringförmigen Graphitelektrode, die jeweils als Zündkathode bzw. Zündanode dienen. Zwischen der Zündkathode und der Zündanode ist ein Ring aus einem dielektrischen Material angeordnet, wobei das dielektrische Material an der der Targetkathode zugewandten Seite mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist. Die Längsachse jeder Zündeinheit ist dabei auf das entsprechende Gebiet der Arbeitsfläche der Targetkathode gerichtet, welches zum Starten der Lichtbogenentladung vorgesehen ist. Durch diese Anordnung ist die Zündeinheit mit der Stirnseite, an der die Zündung erfolgt, zur Targetkathode unter einem bestimmten Winkel geneigt.

Ist ein Austausch einer beispielsweise funktionsuntüchtigen Zündeinheit mit einer neuen Zündeinheit notwendig geworden, so ist es darauf zu achten, dass beim Einbau der neuen Zündeinheit die ursprüngliche Anordnung wiederhergestellt wird. Dazu gehört insbesondere auch die richtige Neigung der Zündeinheit gegenüber der Targetkathode unter einem vorgegebenen Winkel. Aus der oben genannten Schrift geht jedoch nicht hervor, wie die erwünschte Neigung der Zündeinheit zu erreichen ist. Für die Praxis ist es wünschenswert, wenn die gewünschte Neigung der Zündeinheit einfach und schnell erreicht werden kann und vor allem eine erneute Justierung der Neigung nach einem Austausch der Zündeinheiten nicht notwendig wird. Aus der notwendigen Justierung der ausgetauschten Zündeinheiten resultiert ein hoher Zeit- und Wartungsaufwand im Betrieb der Beschichtungsanlage.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Befestigungseinheit für Zündeinheiten und die Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung hat den Vorteil, dass ein einfacher Austausch der Zündeinheiten ermöglicht wird, ohne dabei die vorgesehene Neigung der neu eingebauten Zündeinheit justieren zu müssen. Ein Einbau einer Zündeinheit mittels der erfindungsgemäßen Befestigungseinheit führt automatisch zu der vorgegebenen Neigung der Zündeinheit gegenüber der Targetkathode der Beschichtungsanlage. Durch eine einfache Handhabung der Befestigungseinheit wird zudem ein schneller Austausch auch mehrerer Zündeinheiten ermöglicht. Weiter ist ein zusätzlicher Aufwand für wie etwa Wartung oder Kontrolle der Befestigungseinheit praktisch nicht notwendig.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Befestigungseinheit und Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich¬ nung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Befestigungseinheit im Querschnitt,

Figur 2 eine Befestigungseinheit mit einer eingebauten Zündeinheit und einer Targetkathode im Querschnitt,

Figur 3 eine erste Zündeinheit in perspektivischer Darstellung,

Figur 4 eine zweite Zündeinheit in perspektivischer Darstellung,

Figur 5 eine Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung mit ihren wesentlichen Komponenten, und

Figur 6 eine Targetkathode in Draufsicht mit einem Kühlwasserkreislauf, einer Basiselektrode und mehreren Zündeinheiten.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in Figur 1 im Querschnitt dargestellte Befestigungseinheit 82 für eine Zündeinheit, insbesondere einer Kohlenstoffabscheidevorrichtung, weist eine erste und eine zweite Halterung 85, 90 auf. Die beiden Halterungen 85, 90 werden, wie in Figur 2 dargestellt, durch ein Befestigungsmitte 95 zusammengehalten. Die Ausdehnung in der Länge ist für beide Halterungen 85, 90 größer als ihre jeweilige Ausdehnung in ihre Dicke. Entlang der Längenausdehnung der beiden Halterungen 85, 90 verlaufen, wie in Figur 1 dargestellt, die jeweiligen Längsachsen 105, 107. Die absolute Länge der ersten Halterung 8 ist typischerweise größer als die der zweiten Halterung 90.

Die erste Halterung 85 weist eine erste Bohrung 104 auf, die durchgehend durch die Dicke der Halterung 85 verläuft. Die Bohrung 104 ist abgestuft und hat einen mittleren Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser. Die Bohrung 104 verläuft geneigt zur Oberfläche der Halterung 85 bzw. zur Längsachse 105. Ferner ist an einem Endbereich in der Längenausdehnung der Halterung 8 eine Ausnehmung 102 ausgebildet und zur zweiten Halterung 90 hi geöffnet. Dabei weist die Ausnehmung 102 eine derartige Form a\ dass durch die Ausnehmung 102 eine Wand auf der Unterseite der Halterung 85 ausgebildet wird, die im weiteren als Ebene 100 bezeichnet wird, die gegenüber der Längsachse 105 der ersten Halterung 85 einen ersten Winkel 110 zwischen 0° und 45° bildet In diese Ausnehmung 102 kann eine Zündeinheit zumindest teilweise eingesetzt sein.

Die zweite Halterung 90 weist ebenfalls eine zweite Bohrung 106 und eine zweite Ausnehmung 92 auf. Die Bohrung 106 verläuft mit konstantem Durchmesser senkrecht zur Oberfläche der zweiten Halterung 90 bzw. zu ihrer Längsachse 107. Die Bohrung 106 kann durchgehend durch die Dicke der Halterung 90 verlaufen. Die Ausnehmung 92 ist an einem Endbereich in der Längenausdehnung der Halterung 90 ausgebildet und zur Ausnehmung 102 der ersten Halterung 85 geöffnet. Die Ausnehmung 92 weist eine Wand auf, die parallel zur Längsachse 107 der zweiten Halterung 90 verläuft. In diese Ausnehmung 92 kann die Zündeinheit zumindest teilweise eingesetzt sein.

Wie aus Figur 2 erkennbar, werden die beiden Halterungen 85, 90 durch ein Befestigungsmittel 95 zusammengehalten. Das Befestigungsmittel 95 ist bevorzugt eine Schraube 115. Für das Anbringen des Befestigungsmittel 95 sind die beiden Bohrungen 104, 106 vorgesehen. Typischerweise fluchten die Bohrungen 104, 106 miteinander. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Bohrung 104 der ersten Halterung 85 senkrecht zur Ebene 100 und die Bohrung 106 der zweiten Halterung 90 senkrecht zur Längsachse 107 der zweiten Halterung 90 verlaufen Dann verlaufen die Bohrungen 104, 106 und die Stirnseite der Zündeinheit 20, an der die Zündung erfolgt, parallel zueinander Auch sind mehrere Befestigungsmittel 95 für eine Befestigungseinheit 82 möglich, insbesondere zwei. Entsprechend steigt dann die Anzahl der Bohrungen 104, 106.

Die beiden Halterungen 85, 90 sind so angeordnet, dass die Ausnehmungen 102, 92 zueinander zugewandt sind. Die Zündeinheit 20 ist zwischen den beiden Halterungen 85, 90 angeordnet, wobei sie gleichzeitig in beide Ausnehmungen 102, 92 zumindest teilweise eingesetzt ist.

Weiter ist die Zündeinheit 20 so zwischen den beiden Halterunge 85, 90 angeordnet, dass die Stirnseite der Zündeinheit 20, an der die Zündung erfolgt, eine Senkrechte zu der Ebene 100 bild< Da die Ebene 100 wie bereits geschildert gegenüber der Längsachse 105 der ersten Halterung 85 einen festen Winkel 110 zwischen 0° und 45° aufweist, führt diese Kombination immer zu einem festen Winkel zwischen 45° und 90° zwischen der Stirnseit der Zündeinheit 20 und der Längsachse 105 der ersten Halterung 85.

Bevorzugt ist die Befestigungseinheit 82 und eine Targetkathode 10 der Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung, wie in Figur 5 dargestellt, so angeordnet, dass die Längsachse 105 der ersten Halterung 85 und die Oberfläche der Targetkathode 10 parallel zueinander verlaufen. Ein daraus resultierender zweiter Winkel 135 zwischen der Stirnseite der Zündeinheit 20 und der Oberfläche der Targetkathode 10 beträgt dann genau 90° vermindert um dem Wert des ersten Winkels 110. Ein geeigneter Wert des zweites Winkels 135 liegt insbesondere zwischen 45° un 90°.

Nach dem Lösen des Befestigungsmittels 95 kann die Zündeinheit 20 ausgetauscht werden. Die erste Halterung 85 ist fest mit einem Träger 130 der Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung verbunden. Daher braucht die Anordnung und die relative Positio der ersten Halterung 85 gegenüber der Targetkathode 10 nicht verändert zu werden. Nach einem einfachen Austausch der neuen Zündeinheit 20 werden anschließend die beiden Halterungen 85, 9 wieder durch das Befestigungsmittel 95 zusammengehalten, wobei durch die oben beschriebenen Merkmale der Befestigungseinheit 8 die gewünschte Neigung der Zündeinheit 20 ohne jegliche Justierung wieder erreicht wird.

Der Träger 130 der Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung kann durch ein Gerüst innerhalb der Vakuumkammer ausgebildet sein oder ein Teil der Kammerwand sein.

Bevorzugt werden planar ausgebildete Zündeinheiten 20 eingeset: da sich daraus weitere Vorteile der Erfindung ergeben. Wie in Figur 3 dargestellt, umfasst eine Zündeinheit 20 zwei planare, zueinander parallel angeordnete metallische Elektroden 25, 30, wobei im Zwischenraum zwischen den Elektroden 25, 30 eine planare Isolierkeramik 35 angeordnet ist. Die metallischen Elektroden 25, 30 können aus abbrandfesten Materialen wie beispielsweise Wolfram, Wolfram/Lanthan oder auch Graphit bestehen.

Eine zweite Ausführungsform der Zündeinheit 20 zeigt die Figur bei der die Isolatorkeramik vorteilhafterweise zweiteilig aufgebildet ist. Der erste Teil wird, wie bereits beschrieben, durch eine planare Isolatorkeramik 35 gebildet. Der zweite Teil der Isolatorkeramik ist eine keramische Ummantelung 37, die sowohl die Rückseite 40 als auch die Seitenflächen 45, 50 der Zündeinheit 20 abdeckt. Dadurch wird sichergestellt, dass nur a der nicht mit der keramischen Ummantelung 37 abgedeckten Stirnseite 55 ein Zündfunke zwischen den zwei planaren Elektroden 25, 30 entsteht. Der erste und der zweite Teil der Isolatorkeramik können auch als ein zusammenhängendes Einzeltei ausgebildet sein. Durch die planare Gestaltung der Zündeinheit 20 ergibt sich für die Isolierkeramik 35 auf der Oberfläche der Zündeinheit 20 ein linear ausgedehnte Struktur. In der Praxis beträgt ihre Länge etwa bis zu 10 cm. Zündet man die Zündeinheit 20 mehrere Male hintereinander, so entsteht der Zündfunke bei jeder erneuten Zündung statistisch verteilt an verschiedenen Stellen entlang der linear ausgedehnten Struktur. Somit wird auch der Brennpunk auf der Targetkathode 10 bei jeder Zündung etwas versetzt. Auf eine einfache Weise wird eine homogene Ausnutzung der Gesamtfläche der Targetkathode 10 erzielt, die schließlich zu einer gleichmäßigen Beschichtung eines Werkstückes führt.

Ein weiteres Vorteil ergibt sich beim Vergleich der notwendigen Anzahl der planaren Zündeinheiten 20 gegenüber der Anzahl der nicht-planaren Zündeinheiten wie beispielsweise der rundförmige Zündeinheiten. Hat die Targetkathode 10 in beiden Fällen die gleiche Länge 38 (siehe Figur 6) , so sind weniger planare Zündeinheiten 20 notwendig, weil jede einzelne planare Zündeinheit 20 eine größere Fläche auf der Targetkathode 10 homogen abträgt. Eine kleinere Anzahl der Zündeinheiten 10 vermindert den Wartungsaufwand und verlängert die Standzeit.

Weiter können die planaren Zündeinheiten 20 aufgrund ihrer Form sehr nahe an der Targetkathode 10 positioniert werden, der Abstand 22 der Zündeinheit 20 zur Targetkathode 10 kann gegenüber einem Abstand einer nicht-planaren Zündeinheit zur Targetkathode 10 kleiner gewählt werden. Dadurch wird die Zündsicherheit deutlich erhöht und das Beschichtungsverfahren läuft insgesamt zuverlässiger.

Weiter ist in dieser Ausführungsform die Isolatorkeramik 35 der Zündeinheit 20 an der Stirnseite 55 mit einem elektrisch leitfähigen Material 60 beschichtet. Beim Anlegen eines Strompulses an der Zündeinheit 20 resultiert dann ein zur Targetkathode 10 gerichteter Strompfad, da teilweise die leitfähige Beschichtung der Isolatorkeramik 35 verdampft und ei hochionisiertes Plasma entsteht. Dieser aus Plasma gebildete Strompfad ermöglicht wiederum einen weiteren Strompfad zur eigentlichen Hauptentladung von der Targetkathode 10 zur Anode wie in Figur 5 dargestellt. Der teilweise Verbrauch des leitfähigen Materials 60 auf der Isolatorkeramik 35 wird währen der Hauptentladung durch eine erneute Beschichtung kompensiert und so der leitfähige Film regeneriert. Dieser Vorgang gewährleistet die Dauerstabilität der Zündeinheit 20 auch im Betrieb über eine längere Zeit.

Für eine zuverlässige Zündung sollte die Polung der Zündelektroden 25, 30 derart angelegt sein, dass eine maximale Potentialdifferenz zwischen der Zündeinheit 20 und der Kathode 10 erzeugt wird. Hierfür wird die der Targetkathode 10 näher angeordnete metallische Elektrode 30 als positiver, die der Targetkathode 10 entfernter angeordnete metallische Elektrode 2 als negativer Pol verwendet.

Durch eine günstige Anordnung der planaren Zündeinheiten 20 bezüglich der Targetkathode 10 lässt sich eine homogene Abtragung des Targetmaterials bzw. eine homogene Beschichtung eines Werkstückes noch weiter steigern. In Figur 6 ist eine Targetkathode 10 in Draufsicht dargestellt, wobei mehrere Zündeinheiten 20 am Rand der Targetkathode 10 angeordnet sind. Um die Hauptentladung gleichmäßig verteilt an verschiedenen Orten der Targetfläche lokalisiert zu zünden, ordnet man mehrer Zündeinheiten 20 derart entlang des Targetrandbereichs an, dass die Gesamtwirkung der einzelnen Zündeinheiten 20 zu einer optimalen, d. h. homogenen Abtragung über den gesamten Bereich der Targetkathode 10 führt. Diese Vorgehensweise wird ermöglich durch einen sowohl variierbaren Abstand 65 zwischen den Zündeinheiten 20 als auch durch die Wahlmöglichkeit, geeignete Zündeinheiten 20 mit variierender Länge 70 einsetzen zu können. Bisher bekannte, unerwünschte Randeffekte wie die abnehmende Schichtdicke der Beschichtung am oberen und unteren Bereich der Targetfläche können durch einen engeren Abstand 65 der Zündeinheiten 20 in den entsprechenden Bereichen ausgeglichen werden.

Figur 5 zeigt die Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung mit ihren wesentlichen Komponenten. Die Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung besteht im wesentlichen aus einer Anode einer planaren Targetkathode 10, einer Pulsenergiequelle 15, einem Träger 130 für Befestigungseinheiten 82 und aus mindesten zwei Zündeinheiten 20 und Befestigungseinheiten 82. Die Zündeinheiten 20 sind im Randbereich der Targetkathode 10 angeordnet (siehe auch Figur 6) . Die Zündeinheiten 20 sind elektrisch mit einem nicht dargestellten Zündverteiler verbünd« welcher die Zündung der einzelnen Zündeinheiten 20 steuert. Bei Anlegen eines Strompulses mit einer ausreichend hohen Spannung zwischen den beiden Elektroden 25, 30 entsteht eine Glimmentladung, mit dem die eigentliche Bogenentladung von der Targetkathode 10 zur Anode 5 entfacht wird.

Zwischen der aus Kohlenstoff gebildeten Targetkathode 10 und de Anode 5 ist die Pulsenergiequelle 15 geschaltet, die typischerweise mittels einer Kondensatorbank realisiert- wird. Die Kondensatorbank wird über ein nicht dargestelltes Stromnetzteil gespeist und bleibt zunächst geladen, da zwischen der Anode 5 und der Targetkathode 10 ein Vakuum besteht und somit der Stromkreis nicht geschlossen ist. Zur Zündung eines Lichtbogens zwischen der Anode 5 und der Targetkathode 10 und damit zum Kohlenstoffabtrag von der Targetkathode 10 in Richtun zur Anode 5 sind mindestens zwei Zündeinheiten 20 vorgesehen.

Ein weiterer Vorteil der planaren Zündeinheiten 20 in Kombination mit der erfindungsgemäßen Befestigungseinheit ergibt sich aus der Möglichkeit, auf eine einfache Weise eine gemeinsame, durchgehende Basiselektrode 75 einzuführen.

Hierfür bestehen beiden Halterungen 85, 90 aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei das Befestigungsmittel 95 durch einen Isolierkörper 112, insbesondere eine keramische Isolierhülse 114, gegenüber mindestens einer Halterung 85, 90 elektrisch getrennt ist. Die elektrisch leitfähige Halterung 85, 90 bildet zusammen mit der kontaktierenden planaren Elektrode 25, 30 der Zündeinheit 20 eine gemeinsame Zündkathode 120 bzw. eine gemeinsame Zündanode 125. Mindestens zwei Zündeinheiten 20 weisen dann eine gemeinsame, durchgehende Basiselektrode 75 auf. Beispielsweise sind alle negativ gepolten Elektroden 25 der einzelnen Zündeinheiten 20 miteinander verbunden und somit elektrisch kontaktiert.

Solch eine gemeinsame, durchgehende Basiselektrode 75 bietet außerdem die Möglichkeit, einen Kühlwasserkreislauf 80 in die Basiselektrode 75 zu integrieren. Wie beispielsweise aus Figur 2 und Figur 6 erkennbar, weist die Basiselektrode 75 eine innere Leitung 80 auf, die als Kühlwasserleitung dient. Damit wird eine Kühlung aller Zündeinheiten 20 auf eine einfache Weise erzielt. Eine Kühlung der Zündeinheiten 20 ist für einen stabilen Dauerbetrieb deshalb erforderlich, weil die Zündeinheiten 20 einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt sind, insbesondere bei hohen Zündfrequenzen.