Procedimiento para hacer funcionar una fuente pulsante de arcos eléctricos.

Procedimiento para hacer funcionar una fuente de arcos eléctricos,

realizándose que una descarga eléctrica de chispas se enciende o respectivamente se hace funcionar dentro de una atmósfera que comprende un gas reactivo, sobre una superficie de una diana (5), siendo alimentada la descarga de chispas al mismo tiempo con una corriente continua así como también con una corriente pulsante o respectivamente alterna, caracterizado porque la superficie de la diana (5) es cubierta por lo menos parcialmente mediante un recubrimiento aislante que se forma a partir de una reacción entre el gas reactivo y el material de la diana, realizándose que

mediante el recubrimiento aislante se da lugar a un aumento de la proporción de CC de la tensión eléctrica de la fuente, de por lo menos un 10 %, de manera preferida de por lo menos un 20 %, en comparación con el funcionamiento con una superficie sin ningún recubrimiento aislante.

Procedimiento para hacer funcionar una fuente pulsante de arcos eléctricos

Campo técnico

El invento se refiere a un procedimiento para hacer funcionar a una fuente de arcos eléctricos de acuerdo con el prefacio de la reivindicación 1, así como a una fuente de arcos eléctricos de acuerdo con el prefacio de la reivindicación 32.

Estado de la técnica

El pulsamiento de fuentes de arcos eléctricos es ya conocido desde hace mucho tiempo a partir del estado de la técnica, así por ejemplo, el documento de solicitud de patente internacional WO 02/070776 describe en términos muy generales el pulsamiento de fuentes de arcos eléctricos, con el fin de depositar diferentes capas superduras, entre otras, de la aleación de TiSiN.

En el documento WO 03/057939 describe una fuente de arcos eléctricos, en la cual el encendido de la descarga de chispas se efectúa a través de un abastecimiento pulsante de alta tensión, y la alimentación de la descarga de chispas se efectúa a través de un abastecimiento pulsante de alta corriente eléctrica. El funcionamiento de la descarga de chispas se efectúa aquí de una manera discontinua. Los materiales de partida son unos cátodos metálicamente conductores, unas aleaciones conductivas de la electricidad y adicionalmente el carbono, o respectivamente unos semiconductores evaporables. Sin embargo, la fuente de arcos eléctricos que aquí se muestra, a causa de la geometría muy compleja del cuerpo de la diana, es de fabricación especialmente costosa, en especial para unos materiales de cátodo que son difíciles de elaborar, y es cara en funcionamiento.

En el documento de patente de los EE.UU. US 6.361.663 se describe una fuente de arcos eléctricos con un cátodo a base de un material conductivo de la electricidad, que se hace funcionar de un modo pulsante o de un modo pulsante modulado con unas corrientes eléctricas de cresta de hasta 5 kA y una corriente de base de por ejemplo 100 A. También esta fuente, a causa de su modo constructivo con un túnel magnético y un ánodo que está rodeado completamente por el cátodo, es de fabricación costosa y es cara en funcionamiento.

También ya es conocida la deposición de unas capas eléctricamente aislantes mediante una evaporación catódica por descarga de chispas. Así, el documento US 5.518.97 describe la producción de tales capas en un proceso reactivo. En tal caso, las superficies que se han de revestir son dispuestas fuera de una unión óptica con la superficie activa de la diana, que aquí se usa como sinónimo de la superficie de evaporación del cátodo. Después de una evacuación por bombeo, la presión del proceso se ajusta con un gas inerte. Durante el proceso de revestimiento el oxígeno se introduce en inmediata proximidad de la superficie que se ha de revestir y ciertamente solo con una velocidad tal que él es consumido durante la operación y se puede mantener una presión estable. Esto está en consonancia con la opinión, también conocida a partir de otros documentos del estado de la técnica, de que la entrada del gas reactivo en la proximidad del substrato es importante con el fin de reducir la oxidación de la diana y estabilizar la descarga de chispas. Como una medida adicional, con el fin de evitar unas interrupciones del proceso mediante una indeseada acumulación de capas aislantes sobre el ánodo, éste, en el documento US 5.518.597, se mantiene de manera preferida a una temperatura de aproximadamente 1.200ºC, y se debe de fabricar de un modo costoso es decir a partir de un caro material refractario.

Para todos estos procedimientos es común el hecho de que en el caso de la utilización de unos gases reactivos, que reaccionan rápidamente con el o respectivamente los material (es) evaporado (s) mediando formación de una capa aislante, han de adoptarse unas medidas técnicas especiales, por un lado con el fin de no contaminar a la superficie activa de la diana o respectivamente del ánodo, y por otro lado para evitar la formación de gotitas indeseadas. Tales medidas técnicas comprenden, junto al deseado calentamiento del ánodo y la aportación y la adición dosificada exacta del gas reactivo en inmediata proximidad de la superficie que se ha de revestir, una dilución del gas reactivo con una alta proporción de un gas inerte.

También es conocida la deposición de capas aislantes de la electricidad mediante una evaporación catódica por descarga de chispas, así, el documento US 5.518.597 describe la producción de tales capas en un proceso reactivo. En tal caso, las superficies que se han de revestir son dispuestas fuera de una unión óptica con la superficie activa de la diana, que aquí se usa como sinónimo de la superficie de evaporación del cátodo. Después de una extracción por bombeo la presión del proceso es ajustada con un gas inerte. Durante el proceso de revestimiento, el oxígeno es introducido en inmediata proximidad de la superficie que se ha de revestir y ciertamente sólo con una velocidad tal que él se consume durante la operación, y se puede mantener una presión estable. Esto está en consonancia con la idea, que es conocida también a partir de otros documentos del estado de la técnica, de que es importante la introducción del gas reactivo en la proximidad del substrato, con el fin de reducir la oxidación de la diana y de estabilizar la descarga de chispas. Como una medida técnica adicional, con el fin de evitar interrupciones del proceso mediante una acumulación indeseada de capas aislantes sobre el ánodo, éste, en el documento US 5.518.597, se mantiene de manera preferida a una temperatura 20 a aproximadamente 1.200ºC y se debe de producir a partir de un metal refractario caro, es decir costoso.

El documento de solicitud de patente alemana DE 44 01 986 A1 (de VTD-Vakuumtechnik Dresden GmbH) describe un procedimiento para hacer funcionar un evaporador por arco eléctrico en vacío, en el que sobre una corriente de base se superpone una corriente pulsante, con lo que la diana se erosiona de una manera más uniforme y se disminuye la formación de gotitas. Para esto, una fuente de corriente continua para la corriente eléctrica de base y una fuente de corriente pulsante para la corriente eléctrica pulsante son conectadas en paralelo dentro de la disposición de abastecimiento de corriente eléctrica, siendo reguladas la fuente de corriente continua y la fuente de corriente pulsante mediante una disposición de regulación con un microordenador incorporado. Se comprobó que la corriente eléctrica de base puede ser disminuida hasta un valor que está situado por debajo del valor que se necesita sin una corriente eléctrica pulsante para el mantenimiento de una descarga estable del arco eléctrico. Como material para la diana se pueden escoger unos metales de los grupos IV, V y VI. En los ejemplos de realización se escogen, como material para la diana, en particular el titanio y el titanio en común con el aluminio, estando dispuestos el titanio y el aluminio en unas zonas coaxiales simétricas en rotación y teniendo lugar la erosión en una atmósfera de nitrógeno.

Puesto que en el documento DE 44 01 986 A1 se aplican solamente unas capas conductoras y no se aplica ninguna capa aislante, sobre la diana tampoco se puede formar ningún recubrimiento aislante. Esto quiere decir que no es posible un funcionamiento en la zona contaminada. Por lo tanto, tampoco se deduce a partir de este documento DE 44 01 986 A1 la repercusión que tiene un recubrimiento aislante sobre la diana para el funcionamiento de una fuente de arcos eléctricos.

Es común a todos estos procedimientos el hecho de que, en el caso de la utilización de unos gases reactivos, que reaccionan rápidamente con él o respectivamente los material (es) evaporado (s) mediando formación de una capa aislante, han de adoptarse por un lado unas medidas técnicas especiales con el fin de no contaminar a la superficie activa de la diana o respectivamente del ánodo y, por otro lado, para evitar la formación de unas indeseadas gotitas. Tales medidas técnicas comprenden, junto al mencionado calentamiento del ánodo y a la aportación y la adición dosificada exacta del gas reactivo en una inmediata proximidad de la superficie que se ha de revestir, una dilución del gas reactivo con una alta proporción de un gas inerte.

En particular, en tal caso hay que prestar atención a que la superficie de la diana esté metálicamente desnuda o mantenga por lo menos una conductividad correspondiente a la de un semiconductor. Mediante el gradiente positivo de temperaturas de los semiconductores, en la zona de los puntos de arcos eléctricos está presente ciertamente una conductividad suficientemente buena con el fin de dejar que las chispas se quemen, pero mediante la elevada tendencia a la combustión de la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para hacer funcionar una fuente de arcos eléctricos, realizándose que una descarga eléctrica de chispas se enciende o respectivamente se hace funcionar dentro de una atmósfera que comprende un gas reactivo, sobre una superficie de una diana (5) , siendo alimentada la descarga de chispas al mismo tiempo con una corriente continua así como también con una corriente pulsante o respectivamente alterna, caracterizado porque la superficie de la diana (5) es cubierta por lo menos parcialmente mediante un recubrimiento aislante que se forma a partir de una reacción entre el gas reactivo y el material de la diana, realizándose que

mediante el recubrimiento aislante se da lugar a un aumento de la proporción de CC de la tensión eléctrica de la fuente, de por lo menos un 10 %, de manera preferida de por lo menos un 20 %, en comparación con el funcionamiento con una superficie sin ningún recubrimiento aislante.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la atmósfera que contiene un gas reactivo comprende por lo menos uno de los siguientes componentes: un gas que contiene oxígeno, nitrógeno, silicio, boro o carbono, en particular oxígeno, nitrógeno, acetileno, metano, un silano, tetrametilsilano, trimetilaluminio y diborano.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la proporción del gas reactivo es mayor que la del gas inerte y de manera preferida está situada por encima de un 70 % de manera más preferida por encima de un 90 % o respectivamente en aproximadamente un 100 %.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el material de la diana comprende por lo menos uno de los siguientes materiales: un metal de transición de los grupos secundarios IV, V, VI o respectivamente aluminio, boro, carbono o silicio o respectivamente una aleación o un compuesto de los materiales antes mencionados, tal como por ejemplo TiAl, CrAl, TiAlCr, TiSi, TaSi, CrSi, WC.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que el recubrimiento aislante se compone de un óxido, nitruro, boruro, siliciuro o carburo del material de la diana o de una mezcla de los compuestos mencionados del material de la diana.

6. Procedimiento para hacer funcionar una fuente de arcos eléctricos de acuerdo con unas de las reivindicaciones 1 hasta 5, caracterizado por que la proporción de CC del flujo de corriente se ajusta en un intervalo situado entre 100 % y 300 % de una corriente de mantenimiento, de manera preferida entre 100 y 200 % de la corriente de mantenimiento.

7. Procedimiento para hacer funcionar una fuente de arcos eléctricos de acuerdo con unas de las reivindicaciones 1 hasta 5, caracterizado por que la proporción de CC del flujo de corriente se ajusta en un intervalo comprendido entre 30 y 90 A, de manera preferida entre 30 y 60 A.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado por que se añade dosificadamente un gas reactivo, un gas inerte o bien un gas reactivo y un gas inerte.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado por que el material de la diana comprende por lo menos uno de los siguientes materiales: un metal de transición de los grupos secundarios IV, V, VI

o respectivamente aluminio, boro, carbono o silicio, o respectivamente una aleación o un compuesto de los materiales antes mencionados, tal como por ejemplo TiAl, CrAl, TiAlCr, TiSi, TaSi, CrSi, WC.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 6 ó 7, caracterizado por que el material de la diana se compone de una única fase cristalográfica.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado por que la porción de corriente continua se produce mediante un generador de corriente continua (13) y la porción de corriente pulsante o respectivamente alterna se produce mediante un generador de corriente pulsante o respectivamente alterna (18) , siendo conectados ambos generadores (13, 18) o bien en paralelo o en serie entre el cátodo de arcos eléctricos y por lo menos un ánodo (6; 20; 20) o respectivamente la masa.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 10, caracterizado por que las porciones de corriente continua y de corriente pulsante se producen mediante dos generadores de corriente pulsante o respectivamente alterna superpuestos y que se hacen funcionar de manera sincronizada, siendo conectados ambos generadores o bien en paralelo o en serie entre el cátodo de arcos eléctricos y por lo menos un ánodo (20, 20?) o respectivamente la masa.

13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 10, caracterizado por que las porciones de corriente continua y de corriente pulsante se producen mediante un generador de corriente eléctrica puesto en

cadencia secundaria, siendo conectado el generador (21) o bien en paralelo o en serie entre el cátodo de arcos eléctricos y por lo menos un ánodo (6; 20; 20) o respectivamente la masa.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 10, caracterizado por que las porciones de corriente continua y de corriente pulsante se producen mediante un generador de corriente eléctrica puesto en cadencia primaria (22) , siendo conectado el generador (22) o bien en paralelo o en serie entre el cátodo del arco eléctrico y por lo menos un ánodo (6; 20; 20) o respectivamente la masa.

15. Procedimiento de revestimiento, caracterizado porque una fuente de arcos eléctricos se hace funcionar según un procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones para la deposición de una o varias capas sobre una pieza de trabajo.

16. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que la capa comprende por lo menos uno de los siguientes materiales: un metal de transición de los grupos secundarios IV, V o VI así como aluminio y sus compuestos con oxígeno, nitrógeno, carbono, boro o silicio.

17. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que la capa comprende por lo menos uno de los siguientes materiales: óxido de aluminio, nitruro de aluminio, oxinitruro de aluminio, óxido de cromo, nitruro de cromo, oxinitruro de cromo, óxido de aluminio y cromo, nitruro de aluminio y cromo, oxicarbonitruro de aluminio y cromo, óxido de silicio, nitruro de silicio, oxinitruro de silicio, óxido de silicio y aluminio, nitruro de silicio y aluminio, oxinitruro de silicio y aluminio, nitruro de titanio y silicio, oxinitruro de titanio y silicio, nitruro de tántalo y silicio, óxido de tántalo, oxinitruro de tántalo, nitruro de wolframio y silicio, carburo de wolframio y silicio, nitruro de niobio y silicio, carburo de titanio, carburo de wolframio o respectivamente una aleación o un compuesto de los materiales antes mencionados.

18. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que a la pieza de trabajo se le aplica una polarización en CC, una polarización en corriente pulsante o una polarización en corriente alterna.

19. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado por que se aplica una polarización en corriente pulsante o respectivamente en corriente alterna que está sincronizada con la corriente pulsante o respectivamente alterna de la fuente.

20. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que por lo menos una vez se añade dosificadamente por lo menos un gas inerte o reactivo con una primera velocidad de flujo y a continuación se añade dosificadamente por lo menos un gas reactivo con una segunda velocidad de flujo o respectivamente a la inversa, con el fin de dar lugar a una modificación de la composición de la capa.

21. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado por que la primera velocidad de flujo se disminuye antes, durante o después del ajuste de la segunda velocidad de flujo, y la segunda velocidad de flujo se ajusta desde un valor más bajo a un valor más alto o respectivamente a la inversa.

22. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado por que la adición dosificada

o respectivamente el ajuste se efectúa en forma de una rampa o de un escalón, con el fin de dar lugar a una modificación esencialmente constante o de forma escalonada de la composición de la capa.

23. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado por medio de un aumento y una disminución alternantes de las velocidades de flujo primera y segunda se deposita una capa de dos estratos o de múltiples estratos.

24. Procedimiento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que se hacen funcionar al mismo tiempo varias fuentes con un material idéntico o diferente para la diana.

25. Procedimiento de ataque químico para el ataque químico con iones metálicos, caracterizado porque una fuente de arcos eléctricos se hace funcionar de acuerdo con por lo menos un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 hasta 13 para el ataque químico de por lo menos una pieza de trabajo mediando aplicación de una polarización en CC, en corriente pulsante o en corriente alterna.

26. Procedimiento de ataque químico de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizado por que a la pieza de trabajo se le ajusta una polarización en CC comprendida entre -50 y -2.000 V, de manera preferida entre -200 y -1.500 V.

27. Procedimiento de ataque químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 25 hasta 26, caracterizado por que se introduce un gas de ataque químico adicional.

28. Procedimiento de ataque químico de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado por que el gas de ataque químico contiene por lo menos uno de los siguientes componentes: He, Ar, Kr, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, un halógeno (p.ej. flúor, bromo, yodo) o un compuesto halogenado.

29. Procedimiento de revestimiento o ataque químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 hasta 28, caracterizado por que la velocidad de revestimiento o respectivamente la incorporación de energía en la pieza de trabajo se ajusta mediante el ajuste de por lo menos uno de los siguientes parámetros: la anchura de impulsos de la pulsación de corriente eléctrica, la magnitud de la pulsación de corriente eléctrica o la relación de tanteo.

30. Procedimiento de revestimiento o ataque químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 hasta 29, caracterizado por que la pieza de trabajo es una herramienta o una pieza de construcción.

31. Procedimiento de revestimiento o ataque químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 14 hasta 26, caracterizado por que la pieza de trabajo se compone en lo esencial a base de silicio o a base de otro material semiconductor.

32. Fuente de arcos eléctricos con una diana (5) y por lo menos un contraelectrodo (6, 20, 20) así como una unidad de abastecimiento de corriente eléctrica que está conectada a una diana (5) , que comprende por lo menos un primer sistema de abastecimiento de corriente continua (13, 18) así como otro sistema de abastecimiento de corriente eléctrica (18, 18) , con el que sobre una corriente continua se puede superponer una corriente alterna o una corriente pulsante, caracterizado por que una superficie de la diana (5) es cubierta por lo menos parcialmente mediante un recubrimiento aislante que se había formado a partir de una reacción entre un gas reactivo y el material de la diana (5) , siendo producido el recubrimiento aislante en el caso de un funcionamiento de la fuente de arcos eléctricos en el que una descarga eléctrica de chispas dentro de una atmósfera, que comprende el gas reactivo, se alimenta al mismo tiempo con una corriente continua así como también con una corriente pulsante o respectivamente alterna, se da lugar a un aumento de la proporción de CC de la tensión eléctrica de la fuente de por lo menos un 10 %, de manera preferida de por lo menos un 20 %, en comparación con el funcionamiento con una superficie sin ningún recubrimiento aislante.

33. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 32, caracterizada por que el sistema de abastecimiento de corriente CC (13) está estructurado por lo menos para la conservación de una corriente de mantenimiento.

34. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 32, caracterizada por que la unidad de abastecimiento de corriente eléctrica comprende adicionalmente un segundo sistema de abastecimiento pulsante de alta corriente eléctrica (18) que se puede sincronizar con el primer sistema de abastecimiento de corriente continua de tal manera que se puede ajustar una corriente de mantenimiento con una señal pulsante superpuesta.

35. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 34, caracterizada por que el primer sistema de abastecimiento de corriente continua es un sistema de abastecimiento pulsante de alta corriente eléctrica (18) y los sistemas de abastecimiento pulsante de alta corriente eléctrica (18, 18) se pueden sincronizar de manera tal que la corriente de mantenimiento tenga en unas pausas de impulsos individuales o en todas ellas una o varias pausas de corriente de mantenimiento, en las que no se aplica ninguna tensión eléctrica a la diana o respectivamente al electrodo, siendo ajustables las pausas de corriente de mantenimiento tan breves que el plasma de arco eléctrico no se apague en las pausas.

36. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 35, caracterizada por que las pausas de corriente de mantenimiento son ajustables entre 1 ns y 1 µs, de manera preferida entre 1 y 100 ns.

37. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 32, caracterizada por que el primer sistema de abastecimiento de corriente continua (13, 18) y el otro sistema de abastecimiento de corriente eléctrica (18, 18) están conectados en paralelo o en serie.

38. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 32, caracterizada por que por lo menos el primer sistema de abastecimiento de corriente continua (13, 18) o por lo menos el otro sistema de abastecimiento de corriente (18, 18) está conectado entre la diana (5) y un electrodo (6) que comprende la diana (5) , o respectivamente otros electrodos (20, 20) .

39. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 32, con una diana (5) y por lo menos un contraelectrodo (6, 20, 20) así como una unidad de abastecimiento de corriente eléctrica que está conectado a la diana (5) , caracterizada porque la unidad de abastecimiento de corriente eléctrica es un sistema de abastecimiento puesto en cadencia secundaria (21, 21) con lo que la señal del sistema de abastecimiento puesto en cadencia secundaria (21, 21) es modulada de tal manera que se aplique una corriente de mantenimiento de CC, que está superpuesta con una señal pulsante o de CA.

40. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 39, caracterizada por que el sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en cadencia secundaria está estructurado como convertidor descendente (21) o como convertidor ascendente (21) .

41. Fuente de arcos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 32, caracterizada por que la unidad de abastecimiento de corriente es un sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en cadencia primaria (22) siendo modulada la señal del sistema de abastecimiento de corriente eléctrica puesto en cadencia primaria (22) de

tal manera que se aplica una corriente de mantenimiento de CC, que está superpuesta con una señal pulsante o de CA.