DE10022159A1 - Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen mit mindestens einem Substrate aufnehmenden Halter und mit mindestens einer Temperiereinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halter ein inneres Kammersystem mit mindestens einem Kammerbereich aufweist, der ein Fluid enthält, das in einem Teilkammerbereich verdampft und in einem anderen Teilkammerbereich kondensiert, und daß die Beschichtung auf einem Abschnitt des Halters erfolgt, der mindestens einem der beiden Teilkammerbereiche zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen mit mindestens einem Substrate aufnehmenden Halter und mit mindestens einer Tempe­ riereinrichtung.

In Beschichtungseinrichtungen werden üblicherweise die zu beschichtenden Substrate an Halterungen befestigt, um sie geeignet positionieren und fixieren zu können. Um sowohl die Abscheidungsrate als auch die Morphologie und somit die Qualität der abzuscheiden­ den Schichten positiv beeinflussen zu können, werden Substrate bei solchen Beschich­ tungsprozessen häufig temperiert, d. h. gekühlt oder beheizt. Hierzu werden die Substrate an speziellen Halterungen bzw. Substrathalterungen angebracht, die von Fluiden, zum Beispiel Wasser, Öle, durchflossen werden; die Substrathalterungen selbst werden auf die gewünschten Temperaturen sowohl vor dem als auch während des Beschichtungsvor­ gangs gebracht. Eine weitere, bekannte Maßnahme ist die Beheizung durch elektrische Heizpatronen, die in die Halterung eingebracht werden. In einigen Fällen werden auch La­ ser eingesetzt, um partiell vorzuheizen.

Systembedingt können bei den derzeit üblichen Temperiereinrichtungen beträchtliche Temperaturunterschiede (auf einige 100 K) in der Substrathalterung und den zu beschichtenden Substraten bzw. in der Schicht selbst auftreten, die sich in der Regel negativ auf die Beschichtung auswirken, indem Risse in der Beschichtung oder sogar ein Abplat­ zen ganzer Schichten zu beobachten sind. Elektrische Heizeinrichtungen sind auch einge­ setzt worden; bei elektrischen Beheizungen im Vakuum treten allerdings Begrenzungen bei der Versorgungsspannung auf und somit werden die Heizleistungen technisch einge­ schränkt. Dadurch sind Substrattemperaturen bzw. Heiztemperaturen begrenzt. Zudem sind elektrische Heizpatronen stark belastete Bauteile, die anfällig für Ausfälle sind. Han­ delt es sich bei den zu beschichtenden Bauteilen um sich bewegende (rotierende) Bautei­ le, so entstehen zusätzlich Leitungsprobleme. Bei den erwähnten Strahlungsheizern ent­ stehen darüber hinaus Probleme hinsichtlich der Verschmutzung durch sogenanntes Overspray (Fein- und Feinststaub) sowie bei der Positionierung und möglicher Mitführung dieser Strahlquellen. Eine homogene Temperierung ist hierbei meist nicht gewährleistet.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen zu schaffen, die die angegebenen Nachteile vermeidet. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer Kapillarstrukturschicht für eine solche Substrathalterung angegeben werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen mit mindestens einer Temperiereinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halter ein inneres Kammersystem mit mindestens einem Kammerbereich aufweist, der ein Fluid enthält, das in einem Teilkammerbereich verdampft und in einem anderen Teilkammerbe­ reich kondensiert, und daß die Beschichtung auf einem Abschnitt des Halters erfolgt, der mindestens einem der beiden Teilkammerbereich zugeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird die Substrathalterung in Form eines Zweiphasen-Wärmetauschers aufgebaut. In einem solchen Zweiphasen-Wärmetauscher, bei dem es sich in der Regel um ein geschlossenes System handelt, finden Verdampfung und Kondensation eines Wärmeträgermediums statt. Durch die Nutzung der latenten Verdampfungs- bzw. Konden­ sationswärme lassen sich große Wärmemengen transportieren, die bis zu 1000mal so groß sind, wie sie von den besten, wärmeleitenden Feststoffen bekannt sind. Charakteri­ stisch für Zweiphasen-Wärmetauscher sind weiter ihr isothermes Verhalten und die Puffe­ rung bzw. der Ausgleich von Temperaturspitzen, was von besonderem Vorteil in Beschichtungseinrichtungen ist. Dadurch können Gradienten von nur wenigen Zehntel bis ca. 1 Kelvin erreicht werden. Der Einsatz solcher Substrathalterungen in Form von Zweipha­ sen-Wärmetauschern hat den Vorteil, daß bei Beschichtungsprozessen, insbesondere thermischen Beschichtungsprozessen, unter höheren Substrattemperaturen beschichtet werden kann. Die Homogenität und die Qualität der Beschichtung verbessern sich und die Vielfalt an Einsatzstoffen, die verwendet werden kann, vergrößert sich. Falls im Vakuum beschichtet wird, unter Einsatz von elektrischen Heizeinrichtungen, müssen elektrische Spannungen auf 28 V begrenzt werden; alternativ muß die komplette Heizeinrichtung un­ ter Atmosphäre geführt werden. Mit der erfindungsgemäßen Substrathalterung in Form eines Zweiphasen-Wärmetauschers können die Zonen, in denen die Wärme erzeugt und eingespeist wird, geometrisch getrennt werden. Wird zur Verdampfung des Fluids eine induktive Heizeinrichtung eingesetzt, so kann darüber hinaus die Energie berührungslos eingekoppelt werden. Auch besteht die Möglichkeit, beim thermischen Beschichten nur mit der Beschichtungsflamme selbst zu heizen, was zu einer gleichmäßigen Temperierung des Substrats über die gesamte Fläche, auf der das zu beschichtende Substrat angeord­ net ist, führt, auch wenn mit der Flamme selbst nur partiell geheizt wird.

Falls nicht-kondensierbare Gase in der Substrathalterung gezielt eingesetzt werden, so kann die Leistungsübertragung gezielt gesteuert werden; bestimmte Flächen, auf denen beschichtet wird, können somit schnell aus der Heiz/Kühlzone genommen werden.

Die angegebene Substrathalterung kann so aufgebaut werden, daß mehrere Teilkammer­ bereiche vorgesehen werden, wobei zumindest Teile dieser Teilkammerbereiche als Hal­ ter für Substrate dienen. Diese Teilkammerbereiche werden dann einem gemeinsamen anderen Kammerbereich zugeordnet, der zur Verdampfung bzw. Kondensation dient. Die einzelnen Teilkammerbereiche, auf denen die Substrate angeordnet sind, können fin­ gerartig aufgebaut werden, mit einem Übergangsbereich, der mit dem Kammerbereich, der die Verdampfungs- bzw. Kondensationseinrichtung bildet, verbunden ist. Trotz einer solchen geometrisch komplizierten Konstruktion ist eine gleichmäßige Temperierung mög­ lich.

Bevorzugt wird die Substrathalterung so aufgebaut, daß der als Halter dienende Teilkam­ merbereich den das Fluid kondensierenden Abschnitt bildet.

Dem verdampfenden Teilkammerbereich kann unmittelbar eine Heizeinrichtung zugeord­ net werden, wozu sich eine elektrische Widerstandsheizung, eine indirekte Heizung oder eine Strahlungsheizung eignen. Insbesondere eine indirekte Heizung oder Strahlungshei­ zung haben den Vorteil, daß die notwendige Energie von außen eingekoppelt werden kann.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Substrathalterung erwiesen, bei der zumindest Teile des Kammerbereichs mit einer inneren Kapillarstruktur versehen werden. Gerade eine solche Kapillarstruktur hat den Vorteil, daß das Wärmeträgermedium nur mittels Ka­ pillarkräften, also ohne mechanische Pumpe, zur Verdampfungszone zurücktransportiert wird. Falls thermisch beschichtet wird, erfolgt, wie beschrieben, im Kondensationsbereich auch eine partielle Verdampfung. Hierzu ist eine Kapillarstruktur im Kondensationsbereich notwendig. Darüber hinaus erhöht die Kapillarstruktur den Wärmeübergang bei der Kon­ densation.

Strukturen, wie sie vorstehend erwähnt sind, können durch eine Sinterstruktur gebildet werden. Mit solchen Sinterstrukturen können mittlere bis hohe Kapillarkräfte erreicht wer­ den, und zwar dort, wo mittlere Temperaturen (je nach Anwendungsfall bis 500°C) gefor­ dert sind. Zusätzlich können in eine solche Kapillarstruktur Axialrillen eingebracht werden, d. h. Rillen, die im wesentlichen von dem einen Kammerbereich in den anderen Kammer­ bereich führen, d. h. zwischen dem verdampfenden Teil und dem kondensierenden Teil des Substrathalters der Substrathalterung. Eine solche Sinterstruktur wird vorzugsweise aus Pulverpartikeln gebildet.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kapillarstruktur erwiesen, die durch thermisches Spritzen/Beschichten von Pulverpartikeln, die auf Teilen der Wände des Kammerbereichs aufgebracht werden, unter Bildung von Poren gebildet ist. Hierbei werden zur Bildung der Poren Pulverpartikel oberflächlich angeschmolzen und durch den definierten Grad des Anschmelzens wird eine im wesentlichen offene Porenstruktur erzeugt. Gerade mit einem solchen Aufbau bzw. der entsprechenden Verfahrensweise zum Herstellen der Kapillar­ struktur kann ein hoher Porenanteil erhalten werden. Für die Effektivität der Kapillarstruk­ tur, d. h. hinsichtlich des Wärme- und Stofftransportes, kann es wesentlich sein, die Poren­ struktur definiert einzustellen.

Eine solche Kapillarschicht ist besonders effektiv in der Zwischenzone zwischen dem ver­ dampfenden Teil und dem kondensierenden Teil der Substrathalterung, um dort den Transport des Fluids zu unterstützen. Gerade im Bereich dieser Zwischenzone sollten die Poren der Kapillarstrukturschicht zur radial innenliegenden Seite hin geschlossener sein als zur radial außenliegenden Seite hin, d. h. zu der Innenseite der Hohlraumstruktur hin. Mit dieser Massnahme wird erreicht, daß die Flüssigkeitsmenge, die von der Dampfströ­ mung aus der Kapillarschicht gerissen wird, minimiert wird.

Weiterhin ist ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der Kapillarschicht Hochfrequenz­ plasmaspritzen. Gerade mit einem solchen Hochfrequenzplasmaspritzverfahren können die einzelnen Pulverpartikel definiert durch Einstellung der Verfahrensparameter, wie bei­ spielsweise Druck, Flammabstand, Leistung, usw., in der Oberfläche angeschmolzen wer­ den. Die aufeinandergeschichteten Pulverpartikel verbinden sich dann oberflächenmäßig, allerdings unter Erhaltung der Porenstruktur aufgrund der nicht angeschmolzenen Kerne der Pulverpartikel. Bevorzugte Partikelgrößen liegen hierbei im Bereich von 10 µm bis 800 µm, insbesondere im Bereich von 100 µm und 250 µm. Es ist ersichtlich, daß die Partikel mit relativ großem Durchmesser nur oberflächlich angeschmolzen werden, wogegen die Pulverpartikel mit kleinem Durchmesser vollständig aufgeschmolzen werden und zu dem innigen Kontakt der einzelnen Pulverpartikel beitragen. Folglich kann die offene Poren­ struktur auch durch die geeignete Wahl der eingesetzten Pulverfraktion eingestellt werden. Es sollte darauf geachtet werden, daß der offene Porenradius 5 bis 500 µm, vorzugsweise 50 µm bis 170 µm, beträgt. Der gesamte Volumenanteil der Poren im Gesamtvolumen der Schicht sollte 10 bis 80% betragen.

Mit den angegebenen Maßnahmen können Dicken der Kapillarstrukturschicht im Bereich vom 10 µm bis 10.000 µm erhalten werden. Als Pulver können Metalle und/oder Metalle­ gierungen eingesetzt werden. Insbesondere in Verbindung mit einem Hochfrequenzplas­ maspritzverfahren kann eine solche Kapillarstrukturschicht aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut werden, zum Beispiel aus Metall und/oder Metallegierungen, aus Keramikmaterialien oder aber sogar aus Kunststoffmaterialien.

In einer bevorzugten Ausführungsform sollte zwischen dem einen Teilkammerbereich und dem anderen Teilkammerbereich, d. h. zwischen dem verdampfenden Teilkammerbereich und dem kondensierenden Teilkammerbereich, eine Zwischenzone angeordnet werden. Hierdurch können die beiden Teilkammerbereiche ausreichend voneinander beabstandet werden, was den Vorteil mit sich bringt, daß der Heizeinrichtung ein geeigneter Raum in geeigneter Größe zugeordnet werden kann.

Gerade dieser Zwischenbereich bzw. diese Zwischenzone sollte mit einer inneren Kapil­ larstrukturschicht versehen werden, um den Rücktransport des kondensierten Fluids in besonders geeigneter Weise bewerkstelligen zu können. Hierbei kann es bevorzugt sein, im Bereich dieser Zwischenzone die Poren zur radial innenliegenden Seite hin geschlos­ sener auszubilden als zur radial außenliegenden Seite hin.

Vorzugsweise wird die Kapillarstrukturschicht durch ein Vakuum-Hochfrequenzplasma­ spritzverfahren erzeugt. Gerade der Druck ist ein wichtiger Parameter, um die Poren­ struktur der Kapillarschicht zu beeinflussen bzw. einzustellen. Grundsätzlich sollte ein Druck beim Aufbauen der Kapillarschicht im Bereich von 5.10³ bis 2.10⁴ Pa eingestellt werden.

Die Substrathalterung kann durch Teile des Substrats selbst gebildet werden, indem das zu beschichtende Substrat als Hohlkörper ausgebildet wird und so einen Teil der Sub­ strathalterung bildet. Bevorzugt sollte hierbei dieser Hohlkörper einen lösbaren Teil der Substrathalterung bilden, so daß die zu beschichtenden Teile jeweils mit einer Grundanordnung verbunden werden können.

Die Kapillarstrukturschicht kann unmittelbar auf die Innenflächen der Teilkammerbereiche aufgebracht werden. Verfahrenstechnisch ist es hierzu hilfreich, die Substrathalterung zu­ mindest zweiteilig aufzubauen, wobei dann die beiden Hälften miteinander verbunden werden müssen. Eine bevorzugte Maßnahme besteht allerdings darin, die Kapillarstruktur­ schicht als gesondertes Bauteil auszubilden und sie anschließend in die Kammerbereiche einzusetzen.

Um die Kapillarstrukturschicht für die Substrathalterung herzustellen, kann zunächst ein Formkörper bereitgestellt werden, auf dem Stege gebildet sind, die in ihrer Querschnitts­ form und Positionierung den zu erzeugenden Kanälen in der Kapillarstrukturschicht ange­ paßt sind. Anschließend werden auf diesen Grundkörper Pulverpartikel, vorzugsweise durch Plasmaspritzen, aufgebracht, unter Erzeugung einer Porenstruktur, indem die Pul­ verpartikel zur Erzeugung der Struktur während der schichtweisen Beschichtung ober­ flächlich angeschmolzen werden und durch den Grad des Anschmelzens eine offene oder teilweise geschlossene Porenstruktur erzeugt wird. Als Grundkörper kann auch eine Platte eingesetzt werden, die Stege aufweist. Diese Stege sollten dann bevorzugt im Querschnitt dreieckförmig sein, so daß diese Stege in der späteren, porösen Kapillarstrukturschicht V- förmige Nuten bilden; diese Nuten erzeugen dann, wenn diese poröse Strukturschicht in ein Mantelrohr bzw. einen Mantelkörper eingesetzt wird, Kanäle, die den Transport von Fluid unterstützen. Der Grundkörper, auf den die Partikel beschichtet werden, sollte vor­ zugsweise aus Graphit bestehen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen in einer vertikalen Anordnung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Substrathalterung in einer horizontalen Anord­ nung der das Substrat aufnehmenden Fläche,

Fig. 3 einen weiteren Schnitt durch eine Substrathalterung in horizontaler Anord­ nung mit einem Verdampfungsbereich, eine Zwischenzone und einem Kon­ densationsbereich,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Kammerbereich einer Substrathalterung mit einer speziell aufgebauten Kapillarstrukturschicht,

Fig. 5 eine gegenüber der Fig. 4 abgewandelte Ausführungsform,

Fig. 6 drei Phasen A, B und C zur Herstellung einer Kapillarstrukturschicht, wie sie in den Fig. 4 und 5 zeigt ist,

Fig. 7 ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten Kapillarstrukturschicht im Be­ reich einer Fügestelle, und

Fig. 8 eine der Fig. 7 entsprechende Darstellung, mit einem geänderten Aufbau der der Fügestelle.

Die Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, um­ faßt ein Kammersystem, allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, mit einem er­ sten Teilkammerbereich 2, dem eine Induktionsspule 3 als Heizeinrichtung zugeordnet ist. Dieser erste Teilkammerbereich 2 verzweigt in drei zweite bzw. weitere Teilkammerberei­ che 4, die in einen Halter 5, der kastenförmig aufgebaut ist, eingebettet sind. Der Halter 5 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, abhängig von den Materialpaarungen und den Temperaturen. Auf der einen, sichtbaren Fläche des Halters 5 sind insgesamt fünf Substrataufnahmen 6 schematisch dargestellt, an denen zu beschichtende Substrate angebracht werden können. Die ge­ samte Anordnung ist um eine vertikale Achse, die der Achse des rohrförmigen ersten Teil­ kammerbereichs 2 entspricht, drehbar, wie durch den Drehpfeil 7 angedeutet ist.

In das Kammersystem 1 der Substrathalterung der Fig. 1 ist ein Fluid eingefüllt, das in dem ersten Teilkammerbereich 2 mittels der Heizeinrichtung 3 (Induktionsspule) verdampft wird, von dort in die zweiten Teilkammerbereiche 4 aufsteigt und an den Wänden der zweiten Teilkammerbereiche 4 wieder kondensiert. Während des Beschichtungsvorgangs können dadurch auf den Flächen des Halters 5, insbesondere an den Substrataufnahmen, gleichmäßige Temperaturen erzielt werden; weiterhin können große Temperaturgradien­ ten schnell abgebaut werden. Gerade mit einem solchen Zweiphasen- Wärmetauschersystem können, unter Ausnutzung der latenten Verdampfungs- bzw. Kon­ densationswärme, sehr große Wärmemengen transportiert werden, was zu einem schnel­ len Ausgleich von Temperaturspitzen im Bereich der die zu beschichtenden Substrate aufnehmenden Substrataufnahmen 6 von Vorteil ist.

Es ist ersichtlich, daß in Fig. 1 sowohl die gezeigte Vorderseite des Halters 5 als auch die nicht zu sehende Rückseite mit Substrataufnahmen 6 versehen werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Substrathalterung in einer horizontalen Anordnung mit einer Kammer 8, in die ein flüssiges Wärmeträgermedium 9 eingefüllt wird. Die Kammer 8 kann in der verti­ kalen Richtung gesehen in einen unteren oder ersten Teilkammerbereich 11 und einen oberen oder zweiten Teilkammerbereich 12 unterteilt werden. Unterhalb des ersten Teilkammerbereichs 11 ist ein elektrischer Heizstab 13 angeordnet, der sich über die gesamte Fläche des Zwischenbodens 14 erstreckt. Die obere Wand 15, die die Kammer 8 be­ grenzt, die auch als Kondensationsfläche in Bezug auf den zweiten Teilkammerbereich 12 bezeichnet werden kann, dient als Halter 5, um darauf Substrate 16, die beschichtet wer­ den sollen, anzuordnen. Im Betrieb dieser Substrathalterung für Beschichtungsanlagen wird mit dem Heizstab 13 geheizt, das Wärmeträgermedium 9 verdampft und wird an der oberen Wand 15 kondensiert. Auch hierdurch ist eine gleichmäßige Temperatur im Be­ reich der oberen Wand bzw. des Halters 15 gewährleistet. Eine Kapillarschicht ist hierbei günstig, jedoch nicht zwingend notwendig.

In Fig. 3 ist eine Substrathalterung gezeigt, die mit der Anordnung der Fig. 1 vergleich­ bar ist, allerdings in einer horizontalen Positionierung. Einem ersten Teilkammerbereich 2 eines Kammersystems 1 ist wiederum eine Induktionsspule 3 als Heizeinrichtung zuge­ ordnet. Dieser erste Teilkammerbereich 2 ist über eine Zwischenzone 17 mit einem zwei­ ten Teilkammerbereich 4 verbunden. Auf diesen zweiten Teilkammerbereich 4 ist ein Hal­ ter 5 aufgesteckt, der in geeigneter Weise auf seinen Flächen zu beschichtende Substrate aufnehmen kann. Die Innenwände des Kammersystems 1 sind mit einer Kapillarstruktur­ schicht 18 versehen, die eine offene Porosität aufweist. Bei dem Kammersystem 1 kann es sich um eine rotationssymmetrische Anordnung handeln, beispielsweise rohrförmig mit kreisförmigem Querschnitt, so daß rohr- oder hülsenförmige Substrate, die auf den zwei­ ten Teilkammerbereich 4 aufgesteckt werden, allseitig unter Drehung dieser Anordnung in Richtung des Drehpfeils 19 beschichtet werden können. Vor bzw. während des Beschich­ tungsvorgangs wird mit der Induktionsspule 3 der erste Teilkammerbereich 2 beheizt. Ein in den Innenraum des Kammersystems 1 eingefülltes Fluid wird verdampft, wie durch die Pfeile 20 angedeutet ist und die dampfförmige Phase geht über den Innenraum der Zwi­ schenzone 17 in den zweiten Teilkammerbereich 4 über. Aufgrund der geringeren Tempe­ raturen bzw. der entlang des zweiten Teilkammerbereichs 4 vorhandenen Temperaturgra­ dienten kondensiert das Wärmeträgermedium, beispielsweise eine für den erforderlichen Temperaturbereich geeignete Flüssigkeit, und das Kondensat wird von der Kapillarstruk­ turschicht 18 über deren offene Poren aufgenommen und wird aufgrund von Kapillarkräf­ ten und/oder Gravitationskräften entlang der Kapillarstrukturschicht 18 wieder zu dem er­ sten Teilkammerbereich 2 zurücktransportiert, um erneut dort verdampft zu werden. Mit einem solchen System können sehr gleichmäßige Temperaturverteilungen im Bereich des Halters 5, gebildet auf der Außenseite des zweiten Teilkammerbereichs 4, erzielt werden.

Wie anhand der Fig. 3 zu erkennen ist, ist ein bevorzugter Aufbau einer solchen Sub­ strathalterung für Beschichtungseinrichtungen der Einsatz einer inneren Kapillarstruktur­ schicht 18. Eine solche Kapillarstrukturschicht 18 kann in Form von Segmentteilen 21 auf­ gebaut werden, wie dies in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.

Die Anordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt ein äußeres Hüllrohr 22, dessen Achse mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet ist, sowie eine in das Hüllrohr 22 einge­ setzte Kapillarstrukturschicht 18. Die innere Kapillarstrukturschicht 18 umfaßt einzelne Segmentteile 21, die jeweils durch eine mit ihrer Öffnungsseite nach innen weisenden V- förmigen Nut 25 getrennt sind.

Die Kapillarstrukturschicht 18 bzw. die Segmentteile 21 sind offenporige, durch thermi­ sches Spritzen von Pulverpartikeln aufgebaute Schichten. Zum Transport von Flüssigkei­ ten wird nicht nur die kapillare Struktur, gebildet durch die offene Porosität der einzelnen Pulverpartikel der Segmentteile 21, ausgenutzt, sondern es werden zusätzlich durch die V- förmigen Nuten Kanäle gebildet, die einen erhöhten Flüssigkeitstransport in der Haupt­ transportrichtung, die in der Richtung der Achse 23 verläuft, bewirken. Mit einem solchen Aufbau einer Kapillarstruktur, gebildet durch die Kapillarstrukturschicht 18, verbunden mit den V-förmigen Kanälen, ergibt sich eine Kombination von Bereichen hoher Kapillarität mit solchen niedriger Druckverluste. Die Kapillarstrukturschicht 18 mit den V-förmigen Kanä­ len bzw. Nuten 25 hat die Besonderheit, daß die Nuten bzw. Kanäle 25 im Bereich von Fügestellen, entlang derer die einzelnen Segmentteile 21 aneinandergefügt sind, gebildet sind. Hierzu werden fertigungstechnisch die einzelnen Segmentteile 21 mit einer mit Fase versehenen Kante 26 ausgestattet, so daß dann die jeweils aneinanderstoßenden Seg­ mentteile 21 aufgrund der abgeschrägten oder mit Fase versehenen Kante 26 jeweils die Nut 25 belassen. Diese Segmentteile 21 mit den abgeschrägten Kanten können spritz­ technisch hergestellt werden, indem diese Segmentteile auf einer entsprechenden Form gespritzt werden. Es ist auch möglich, gegebenenfalls die Segmentteile geringfügig nach­ zuarbeiten, um diese Fase 26 an den jeweiligen Kanten zu erzielen.

Eine weitere Besonderheit der Ausführungsform, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, ist dieje­ nige, daß die jeweiligen Segmentteile 21 der Kapillarstrukturschicht 18 jeweils nur linien­ förmig an dem Außenhüllrohr 22, in Richtung der Achse 23 gesehen, anliegen, während zwischen der Basisfläche 27 mit der Segmentbreite a und dem Innenradius des Hüllrohrs 22, der mit R bezeichnet ist, ein Spalt mit der Breite, in radialer Richtung gesehen, h ver­ bleibt. Dieser Spalt kann zusätzlich zum Transport von Flüssigkeit ausgenutzt werden. Allerdings sollte hierbei unter Berücksichtigung des eingesetzten Fluids und seines Benet­ zungswinkels zum Wandmaterial eine Spaltbreite h < 500 µm, vorzugsweise < 250 µm, betragen, so daß die kapillare Wirkung eines solchen Spalts ausgenutzt werden kann. Folglich sollte zwischen der Stegbreite a, dem Radius R und der Spaltbreite h, der Bedin­ gung

a = 2 √R² - (R - h)²

mit der vorstehend angegebenen Einhaltung der maximal zulässigen Spaltbreite h gefolgt werden. Beispielsweise ergeben sich für eine maximale Spaltbreite von h von 100 µm für den Radius R und die Stegbreite a folgende Werte:

Falls kleine Schichtdicken der Kapillarstrukturschicht bzw. der Segmente 21 und relativ große Radien gewählt werden, so kann die Kapillarstrukturschicht 18 unter geringer Vor­ spannung in das Hüllrohr eingesetzt werden, so daß sich die einzelnen Segmentteile 21 gegeneinander verspannen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kapillarstrukturschicht 18 in ein Hüllrohr, ebenfalls mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet, eingesetzt ist, das eine im Querschnitt gesehene, Polygonform zeigt, wobei die einzelnen Flächenabschnitte des Hüllrohrs 22 der Außenfläche 27 der Segmentteile 21 zugeordnet sind. Die einzelnen Segmentteile 21 liegen entsprechend flächig an dem Außenhüllrohr 22 an, so daß in dieser Ausführungsform keine Spalte 28 zwischen der Außenfläche 27 der Segmentteile 21 und der Innenfläche des Außenhüllrohrs 1 gebildet werden.

Die Kapillarstrukturschicht 18 in Fig. 5 kann an dem Außenhüllrohr 22 mittels Lot oder einer Lotfolie fest verbunden werden, falls dies erforderlich ist.

Fig. 6 zeigt in drei Phasen, mit A, B und C bezeichnet, die spritztechnische Herstellung der Kapillarstrukturschicht 18, wie sie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist. Zunächst wird, wie die Phase A zeigt, ein Formkörper 29, beispielsweise aus Graphit, einem Metall oder einer Keramik, bereitgestellt, und zwar als Negativform. Dieser Formkörper 29 weist im Querschnitt dreieckförmige Stege 30 auf, die in ihrem Querschnitt etwa den V-förmigen Nuten oder Kanälen 25 der Fig. 4 und 5 entsprechen. Anschließend wird eine Pulver­ fraktion mit definierter Partikelgröße, die vorzugsweise im Bereich von 100 µm bis 250 µm liegt, mittels thermischer Beschichtung aufgebracht, in einer bevorzugten Form mittels ei­ nem Hochfrequenzplasmaspritzverfahren. Hierbei werden die Oberflächen der einzelnen Pulverpartikel angeschmolzen und durch den jeweiligen Grad des Anschmelzens wird die Porosität der Kapillarstrukturschicht 18 bestimmt. Insbesondere läßt sich letztlich durch den Grad des Anschmelzens und die Partikelgröße die offene Porosität dieser Kapillar­ strukturschicht einstellen. Nachdem die Kapillarstrukturschicht 18 auf dem Formkörper 30 hergestellt ist, wird sie abgelöst, wie die Phase B zeigt. Hierbei ist, aufgrund des Formkör­ pers 30, auch an den beiden Enden bzw. Stirnseiten eine Schräge bzw. Fase 31 ausgebil­ det. Die einzelnen V-förmigen Nuten 25 der Kapillarstrukturschicht 18 bilden Sollbiege­ stellen, entlang derer dann die Kapillarstrukturschicht 18 zu einer Polygonform, wie sie in der Phase C dargestellt ist, gebogen wird. Die beiden mit Fase versehenen Stirnseiten 31 der Kapillarsfrukturschicht, wie sie in der Phase B dargestellt ist, ergänzen sich dann im Bereich einer Fügestelle zu einem entsprechenden Kanal 25 der Kapillarstrukturschicht 18, die in Fig. 6C gezeigt ist.

Es ist ersichtlich, daß bereits mit einer oder mit zwei Fügestellen eine oder zwei der V- förmigen Kanäle 25 gebildet werden können, ohne daß dazu besondere Bearbeitungs­ schritte, insbesondere Nachbearbeitungsschritte, an der Kapillarstrukturschicht 18 not­ wendig wären. Dies gilt auch dann, wenn die Kapillarstrukturschicht 18 aus mehr als zwei schalenförmigen Teilen aufgebaut wird, d. h. auch dann, wenn die einzelnen Segmentteile 21 jeweils als gesonderte Bauteile gespritzt werden und dann zu der Kapillarstruktur­ schicht 18 zusammengesetzt werden.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Träger bzw. ein Substrat 32, bei dem es sich um ein Außenhüllrohr 22 handeln kann, wie es in den Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 dargestellt ist, im Bereich einer Fügestelle 33. In dieser Ausführungsform wurde vor dem Fügen auf die jeweiligen Substratteile 32 zunächst eine Kapillarstruktur­ schicht 18 aus Pulverpartikeln, die eine definierte Partikelgrößenverteilung besitzt, plas­ maspritztechnisch aufgebracht. Die beiden Kapillarstrukturschichten 18 wurden durch ein Formteil beim Spritzen so maskiert, daß an der Stirnseite eine Fase 36 gebildet wird. Beim Flammspritzen werden die Oberflächen der Pulverpartikel definiert angeschmolzen, so daß über den Grad des Anschmelzens eine offene Porosität der Kapillarstrukturschicht 18 eingestellt wird. Nachdem die jeweiligen Substrate 32 mit den darauf aufgebrachten Ka­ pillarstrukturschichten 18 fertiggestellt sind, wird eine Fügung der beiden Substrate ent­ lang der Fügestelle 33 vorgenommen, wobei sich dann die Fasen 36 an den jeweiligen Kapillarstrukturschichten entlang dieser Fügestelle zu einer V-förmigen Nut bzw. einem V- förmigen Kanal 25 ergänzen.

In Fig. 8 ist eine mit der Fig. 7 vergleichbare Ausführungsform gezeigt. In diesem Fall ist allerdings eine Fase 36 unmittelbar an der Kante der jeweiligen Substrate 32, die zu der Kapillarstrukturschicht 18 weist, ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel wird folglich der Kanal 25 nicht nur durch einen Freiraum bzw. eine Abschrägung der Seitenkante der Kapillarstrukturschicht 18 gebildet, sondern auch durch die entsprechend gefaste Kante des Substrats 32. Eine zusätzliche V-Nut auf der Außenseite der Substrate 32 dient dazu, die beiden Teile miteinander, beispielsweise durch eine Schweißnaht, zu verbinden.

Mit dem dargestellten Aufbau eines Wärmerohrs ergeben sich folgende Vorteile:

Die Kapillarstrukturschicht kann spritztechnisch aufgebaut werden, mit einer definierten, einstellbaren Porosität, die insbesondere über den Grad des Anschmelzens der Oberflä­ che der verwendeten Pulverpartikel sowie der eingesetzten Pulverfraktion mit definierten Partikeldurchmessern erhalten werden kann; gleichzeitig können, ohne eine aufwendige, mechanische oder sonstige Nachbearbeitung, Kanäle in Haupttransportrichtung des Wärmeträgermediums gebildet werden, indem mindestens eine Fügestelle, entlang derer die Kapillarstrukturschicht gefügt wird, mit einer Fase versehen wird, um dadurch den ent­ sprechenden Kanal zu bilden. Spritztechniken können durch Bereitstellen einer Negativ­ form, die zu den zu bildenden Kanälen entsprechende Erhebungen besitzt, solche Kanäle nicht nur an Fügestellen integriert werden, sondern sie können auch über die Fläche der Kapillarstrukturschicht verteilt werden. Durch Bereitstellen entsprechender Formen sind nicht nur Kanäle oder Rillen ausbildbar, die in Längsrichtung des Wärmerohrs verlaufen, sondern solche Kanäle können auch spiralförmig in schalenförmigen Negativformen er­ zeugt werden.

Claims (21)

1. Substrathalterung für Beschichtungseinrichtungen mit mindestens einem Substrate aufnehmenden Halter und mit mindestens einer Temperiereinrichtung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halter ein inneres Kammersystem mit mindestens einem Kammerbereich aufweist, der ein Fluid enthält, das in einem Teilkammerbereich verdampft und in einem anderen Teilkammerbereich kondensiert, und daß die Be­ schichtung auf einem Abschnitt des Halters erfolgt, der mindestens einem der bei­ den Teilkammerbereich zugeordnet ist.

2. Substrathalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Teil­ kammerbereiche vorgesehen sind, wobei zumindest Teile dieser Teilkammerberei­ che als Halter für Substrate dienen, wobei diese Teilkammerbereiche einem ge­ meinsamen anderen Kammerbereich, der zur Verdampfung bzw. Kondensation dient, zugeordnet sind.

3. Substrathalterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Halter dienende Teilkammerbereich den das Fluid kondensierenden Abschnitt bil­ det.

4. Substrathalterung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem verdamp­ fenden Teilkammerbereich eine Heizeinrichtung zugeordnet ist.

5. Substrathalterung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrich­ tung eine elektrische Widerstandsheizung, eine indirekte Heizung oder eine Strah­ lungsheizung vorgesehen ist.

6. Substrathalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in Teilen des Kammerbereichs eine innere Kapillarstruktur aufgebracht ist.

7. Substrathalterung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillar­ schicht durch eine Sinterstruktur gebildet ist.

8. Substrathalterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Ka­ pillarstruktur durch eine Sinterstruktur aus Pulverpartikeln gebildet ist.

9. Substrathalterung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Ka­ pillarstruktur durch thermisches Spritzen/Beschichten von Pulverpartikeln unter Bil­ dung von Poren gebildet ist, wobei die Pulverpartikel zur Erzeugung der Poren­ struktur oberflächlich angeschmolzen sind und durch den Grad des Anschmelzens eine im wesentlichen offene Porenstruktur gebildet ist.

10. Substrathalterung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillar­ strukturschicht durch ein Hochfrequenzplasmaspritzverfahren erzeugt ist.

11. Substrathalterung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Parti­ kelgröße im Bereich von 10 µm bis 800 µm liegt.

12. Substrathalterung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel­ größe zwischen 100 µm und 250 µm liegt.

13. Substrathalterung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Po­ renradius 5 bis 500 µm, vorzugsweise 50 µm bis 170 µm, beträgt.

14. Substrathalterung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumen­ anteil der Poren im Gesamtvolumen der Schicht 10 bis 80% beträgt.

15. Substrathalterung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kapillarstrukturschicht 10 µm bis 10.000 µm beträgt.

16. Substrathalterung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pul­ ver aus Metallen und/oder Metallegierungen gebildet.

17. Substrathalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Teilkammerbereich und dem anderen Teilkammerbereich eine Zwischenzone angeordnet ist.

18. Substrathalterung nach Anspruch 6 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi­ schenzone mit einer inneren Kapillarstrukturschicht versehen ist.

19. Substrathalterung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Zwischenzone die Poren zur radial innenliegenden Seite hin geschlossener sind als zur radial außenliegenden Seite hin.

20. Substrathalterung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillar­ strukturschicht durch ein Vakuum-Hochfrequenzplasmaspritzverfahren erzeugt ist.

21. Substrathalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat als Hohlkörper ausgebildet ist und einen Teil der Substrathalterung bildet, wobei dieser Hohlkörper einen lösbaren Teil der Substrathalterung bildet.