DE10059451C1 - Werkstückaufnahme für galvanische Beschichtungen - Google Patents

Abstract

Eine Werkstückaufnahme für galvanische Beschichtungen, die ein Boden- und Deckelteil (1, 2) enthält, zwischen denen mindestens ein kreiszylindrisches Werkstück (6) zentrisch und mit elektrischer Leitverbindung einspannbar ist, wobei das Werkstück (6), das Boden- und das Deckelteil (1, 2) ebene Einspannflächen und einen gleichen Außendurchmesser aufweisen und wobei das Deckelteil (2) eine Aufsteckachse (4) enthält, die an einem in ein Galvanikbad absenkbaren Drehantrieb befestigbar ist und über die ein negatives Potential (5) an die Werkstückaufnahme anlegbar ist, zeichnet sich dadurch aus, daß in jede der Einspannflächen (10) eine erste und zweite elastische Dichtungsfolie (8) mit zwischengelegter Metallscheibe (9) eingefügt sind, wobei der Außendurchmesser der Dichtungsfolie (8) an den Außendurchmesser des Werkstücks (6) angepaßt ist und die Metallscheibe (9) einen geringfügig größeren Außendurchmesser aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkstückaufnahme für galvanische Beschichtungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Werkstückaufnahmen für galvanische Beschichtungen sind insbesondere aus der Halbleiterfertigung bekannt. Dabei soll meist eine Seite der Halbleiterscheibe beschichtet werden, während die Randbereiche gegenüber dem Einfluß des Galvanikbades geschützt werden sollen.

Aus US 5 078 852 ist ein Halter bekannt, der aus einer Grundplatte aus Kunststoff mit einer flächigen Vertiefung besteht, in die ein Wafer eingelegt werden kann. Um die Waferaufnahme herum wird ein Ringelement aus Metall in die Grundplatte eingelegt. In die Grundplatte eingesetzte Halteklammern halten den Wafer und stellen einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ringelement und der Waferfläche her.

Ein vergleichbarer Trägerhalter ist aus EP 0 799 909 bekannt, wobei der Trägerhalter mit einer angetriebenen Welle verbunden ist, so daß der zu beschichtende Wafer im Galvanikbad gedreht werden kann.

Aus WO 94/05827 ist ein ringförmiger Halter bekannt, in den eine Waferscheibe auf einen Dichtring aufgelegt werden kann. Die obere Seite der Waferscheibe wird mit einem Deckel geschützt, der über einen weichen Auflagering die Waferscheibe gegen den Dichtring drückt.

Auch aus DE 198 59 467 A1 ist ein Substrathalter bekannt, der aus einem oberen Deckel und einem unteren Ring besteht, zwischen denen das Substrat über einen Dichtring eingeklemmt ist.

Aus DE 23 43 031 ist ein zweiteiliger Klapprahmen bekannt, in den eine zu beschichtende Scheibe eingelegt werden kann, wobei die Randbereiche der Ober- und Unterseite der Scheibe in dem Klapprahmen durch Dichtungsringe gehalten werden.

Zum galvanischen Beschichten müssen die Werkstücke in einer Aufnahme gehalten und in ein Galvanikbad eingetaucht werden. Die Werkstücke, auf denen sich die im Galvanikbad befindlichen Metallionen abscheiden, bilden die Kathode, während das auf dem Werkstück abzuscheidende Metall oder ein inertes Material die Anode bildet. Die Ionen des abzuscheidenden Materials folgen im galvanischen Bad dem elektrischen Feld, das sich zwischen Kathode und Anode ausbildet. Für eine gleichmäßige Beschichtung ist ein möglichst homogener Feldlinienverlauf erforderlich.

Besondere Anforderungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und des Materialaufbaus in der Beschichtung bestehen für galvanisch abgeschiedene hartmagnetische Schichten, die als Träger magnetisch gespeicherter Informationen dienen sollen. Diese Schichten werden insbesondere in der magnetischen Weg- und Winkelmeßtechnik, bei der Positionsinformationen in eine integral mit dem Maßstabträger verbundene und gegen äußere Einwirkungen unempfindliche magnetische Speicherschicht eingeschrieben werden, angewendet.

Als Maßstabträger für die Winkelmeßtechnik werden üblicherweise Kreisscheiben oder Kreisringe verwendet, die auf ihren Zylindermantelflächen eine ein- oder mehrspurige Maßstabkodierung tragen. Dazu ist es erforderlich, daß auf die Zylindermantelfläche eine magnetische Speicherschicht in Form einer Rundumbeschichtung aufgebracht wird. Eine solche Beschichtung läßt sich besonders gut in einem Galvanikbad erzeugen.

Als Konstruktionswerkstoffe für die Kreisscheiben sind z. B. Aluminium, Stahl oder Keramik geeignet. Beim Aufbringen einer hartmagnetischen Beschichtung auf Stahl muß zunächst eine magnetisch isolierende Schicht auf den Maßstabträger aufgebracht werden. Geeignet dafür sind z. B. Kupferschichten, die sich ebenfalls mit Vorteil in einem Galvanikbad erzeugen lassen.

Ein spezielles Galvanikbad, das zur Erzeugung einer geeigneten Ablagerung magnetischer Kobaltpartikel in einer nichtmagnetischen separierenden Matrix vorteilhaft ist, wird in DE 199 11 186.3 A1 beschrieben.

Zur Anpassung des von der Magnetschicht kommenden Lesesignals an unterschiedliche magnetoresistive Sensoren kann die galvanisch erzeugte Schichtdicke über einen großen Bereich variiert werden. Dabei ist jedoch zu beachten, daß bei der Anwendung in der Winkelmeßtechnik im allgemeinen die Sensoren feststehen und der Maßstabträger mit der Welle, auf der er montiert ist, gedreht wird. Der Abstand zwischen dem Sensor und der magnetischen Speicherschicht darf sich dabei nur in sehr engen Toleranzen verändern, um die Meßgenauigkeit nicht zu beeinträchtigen. Neben den mechanischen Anforderungen an eine präzise Lagerung des Maßstabträgers und der Anordnung der Sensoren darf sich die Dicke der Magnetschicht daher ebenfalls nur in äußerst engen Toleranzen ändern, und zwar sowohl über den Umfang der beschichteten Zylindermantelfläche als auch in der Höhe dieser Fläche.

Eine gleichmäßige galvanische Beschichtung über den Umfang einer Zylindermantelfläche kann durch eine Drehung des Werkstücks um seine Zylinderachse und damit senkrecht zu den elektrischen Feldlinien im Galvanikbad unterstützt werden. Die Gleichmäßigkeit bezüglich der Höhe des Zylindermantels kann dadurch jedoch nicht beeinflußt werden.

In einer vorteilhaften Anwendung werden die die Maßverkörperung tragenden Kreisscheiben gleichzeitig auch als Teile eines Wälzlagers verwendet. In diesem Fall muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß sich in der Nachbarschaft der zu erzeugenden galvanischen Schicht, d. h. auf Bereichen der Scheibenfläche keine Ablagerungen bilden, die den Präzisionseinbau der Lagerteile behindern. Da auf den Scheibenflächen zudem hochbelastete Rollkörper laufen sollen, führen selbst Erhebungen durch Ablagerungen oder Korrosionen durch die Säure des Galvanikbades im µm-Bereich zur schnellen Zerstörung des Lagers.

Da sich die hartmagnetische Schicht somit ausschließlich auf der Zylindermantelfläche der Kreisscheibe abscheiden soll, muß diese in der Werkstückaufnahme so gehalten werden, daß alle anderen Scheibenflächen gegenüber einer Einwirkung des Galvanikbades geschützt sind. Ein Abkleben der nicht zu beschichtenden Flächen hat sich nicht bewährt. Die Randbereiche zwischen den freien und den abgeklebten Teilen werden von der Galvanikflüssigkeit unterwandert und führen zu unerwünschten Abscheidungen und Rostbildung aufgrund der Säureeinwirkung.

Eine übliche Werkstückaufnahme besteht daher aus einem Boden- und einem Deckelteil, zwischen denen eine oder mehrere der Kreisscheiben eingespannt werden. Um das Eindringen der Badflüssigkeit zwischen die planen Einspannflächen der Kreisscheiben zu vermeiden, wird eine elastische Dichtung eingefügt, die beim Zusammendrücken auch eine zumindest teilweise Abdeckung der gebrochenen Kanten der Zylindermantelflächen bewirken kann.

Die gesamte Werkstückaufnahme wird mit einem einheitlichen Außendurchmesser ausgeführt, so daß sich eine vergrößerte Kathodenfläche ergibt, die eine Homogenisierung des elektrischen Feldlinienverlaufs im Galvanikbad bewirkt. Bei der Vermessung der auf den Zylindermantelflächen der Kreisscheiben abgeschiedenen Galvanikschichten ergibt sich jedoch, daß diese in den Bereichen der gebrochenen Kanten der Zylindermantelflächen immer noch eine für die Winkelmeßtechnik nicht tolerierbare Aufwulstung aufweisen. Diese Aufwulstungen werden um so stärker je dicker die zwischengefügte Dichtung ist.

Bei der Verwendung von üblichen Flächendichtungen geringerer Dicke hat sich aber in der Praxis herausgestellt, daß diese das Einwandern von Flüssigkeitsspuren aus folgenden Gründen grundsätzlich nicht verhindern können. Nicht alle Werkstücke und Boden-/Deckelteile weisen einen absolut identischen Durchmesser auf und können darüber hinaus nicht ideal konzentrisch zueinander montiert werden. Auch die Brechungen der Kanten sind in der Praxis nicht ideal gleich. Dadurch ergeben sich immer schmale periphere Bereiche, in denen die Dichtung nicht mit dem notwendigen Druck gegen die Dichtfläche gepreßt wird, weil von der Rückseite kein Abstützdruck vorhanden ist. In diesen Bereichen wandern dann Flüssigkeitsspuren auf die Scheibenflächen ein und rufen dort die unerwünschten galvanischen Abscheidungen oder Korrosionen hervor.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bekannte Werkstückaufnahmen in der Weise weiterzubilden, daß eine wirksame Abdeckung der Scheibenfläche und der Abkantung erreicht wird und Aufwulstungen der Galvanikschicht im Bereich der Abkantung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Werkstückaufnahme der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 11.

Gemäß der Erfindung werden statt der einen Dichtung nunmehr zwei Dichtungen mit einer zwischengelegten kreisrunden Metallscheibe eingesetzt. Die kreisrunde Metallscheibe, die in ihrem Durchmesser etwas größer als Dichtung und Werkstück ist, stützt die beiden anliegenden Dichtungen auch in solchen peripheren Bereichen ab, in denen die Werkstückzylinder wegen der gebrochenen Kanten oder wegen Streuungen in den Dimensionen oder wegen der Ungenauigkeit in der Montage keinen Abstützdruck geben. Korrosionen und galvanische Abscheidungen im Kantenbereich auf der Scheibenfläche des Werkstücks werden damit zuverlässig verhindert.

Die Aufwulstungen am Rand der Zylindermantelfläche des Werkstücks hängen wie bereits erwähnt von der Dicke der Dichtungen ab. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme vergrößert sich zwar die Gesamtdicke des Dichtungspakets, so daß ein Anwachsen der Aufwulstungen zu erwarten ist. Wenn die zwischengelegte Metallscheibe aber zu den Deckelteilen und dem Werkstück elektrischen Kontakt hat und damit ebenfalls auf kathodischem Potential liegt, dann wirken die nach außen weisenden Flächen der Metallscheibe als Hilfskathode. Ihre Wirkung wird wesentlich von ihrem Durchmesser bestimmt. Je größer der Durchmesser ist, um so mehr Feldlinien ziehen sie auf sich. Der für die jeweilige Werkstückaufnahme optimale Durchmesser kann durch Versuche in einfacher Weise bestimmt werden. Die elektrische Kontaktierung kann durch konstruktive und montagebedingte Maßnahmen in vielfältiger Weise hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Werkstückaufnahme ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die in der Zeichnung dargestellte Werkstückaufnahme besteht aus einem Bodenteil 1 und einem Deckelteil 2, die über mehrere durchgehende Spannschrauben 3 miteinander verspannbar sind. Das Deckelteil 2 weist eine Aufsteckachse 4 auf, die an der Achse eines nicht dargestellten Drehantriebs befestigt werden kann. An die Aufsteckachse 4 wird z. B. über einen Schleifkontakt 5 ein negatives Potential angelegt.

Zwischen dem Boden- und Deckelteil 1, 2 ist eine Kreisscheibe 6 als Werkstück eingespannt und über Zentrierbohrungen 6' für die Schäfte der Spannschrauben 3 zentrisch ausgerichtet. Die Kreisscheibe 6 soll auf ihrer Zylindermantelfläche 7 in einem nicht dargestellten Galvanikbad mit einer hartmagnetischen Kobaltschicht versehen werden und ist z. B. als Wellenscheibe für ein Winkelmeßsystem vorgesehen.

In die Einspannflächen 10 zwischen Bodenteil 1 und Kreisscheibe 6, sowie zwischen Deckelteil 2 und Kreisscheibe 6 sind jeweils Dichtungsfolien 8 und eine zwischengelegte Metallscheibe 9 eingefügt. Die Metallscheibe 9 ist z. B. als Kreisring ausgeführt und enthält Zentrierbohrungen 9' zum Durchstecken der Spannschrauben 3. Sie erhält elektrischen Kontakt mit dem Deckelteil 2 und der Kreisscheibe 6 z. B. durch eingelegte Federblättchen oder durch eine Welligkeit an ihrem inneren Durchmesser. Der Außendurchmesser der Metallscheibe 9 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Kreisscheibe 6. Bei einem Durchmesser der Kreisscheibe 6 zwischen etwa 25 bis 50 cm hat sich ein Überstand von etwa 1 mm als vorteilhaft herausgestellt. Die Dicke der Metallscheibe 9 beträgt tatsächlich etwa 0,5 mm und ist in der Zeichnung in ihrer Dicke verstärkt dargestellt.

Die Dichtungsfolien 8 sind ebenfalls als Kreisring ausgeführt und tatsächlich ebenfalls wesentlich dünner als dargestellt. Wenn der innere Durchmesser der Dichtungsfolie 8 größer als der innere Durchmesser der Metallscheibe 9 gewählt wird, ergibt sich beim Zusammenpressen der Dichtungsfolie und aufgrund von Verbiegungen der Metallscheibe 9 am inneren Rand der Dichtungsfolie 8 eine gute Kontaktmöglichkeit zu den übrigen Teilen der Werkstückaufnahme.

Als Dichtungsfolie 8 bewährt hat sich z. B. eine PVC-Folie mit eingelagerten Kohlenstoffpartikeln, so daß zusätzlich eine zumindest geringfügige elektrische Leitfähigkeit besteht, die ebenfalls den Kontakt zu den übrigen Teilen der Werkstückaufnahme sicherstellt. Die Dichtungsfolie 8 soll so dünn wie möglich gewählt werden, wobei durch ihre Elastizität und das Zusammenpressen während des Spannvorgangs ein Eindringen des Galvanikbades in die Einspannflächen 10 hinein unterbunden wird. Eine Shorehärte von etwa 60 hat sich als vorteilhaft für die Dichtungsfolie herausgestellt. Überstehende Teile der Dichtungsfolie 8 können in einfacher Weise mit einem Messer abgeschnitten werden. Bei gebrochenen Kanten der zu beschichtenden Zylindermantelfläche 7 sind der Spanndruck und die Dicke der Dichtungsfolie 8 so zu wählen, daß diese durch die Metallscheibe 9 auch auf die Kantenflächen gedrückt werden kann und diese zumindest teilweise überdeckt. Die optimale Dicke kann durch Versuche leicht herausgefunden werden. Die überstehende Fläche der Metallscheibe 9 verhindert dabei zudem, daß die Dichtungsfolie 8 auch über die Stirnfläche der Metallscheibe 9 geschoben wird.

Bei dieser Anordnung wird erreicht, daß die Stirnfläche der Metallscheibe 9 als Hilfskathode wirkt, die Inhomogenitäten des elektrischen Feldlinienverlaufs wirksam ausgleicht, die von der Kante an der zu beschichtenden Zylindermantelfläche 7 ausgehen. Diese Wirkung wird zusätzlich durch eine elektrische Leitfähigkeit der Dichtungsfolie 8 unterstützt, die dann auch in deren Stirnfläche besteht. Die üblicherweise insbesondere von Kantenlinien an den Werkstücken ausgehende Verdichtung der Feldlinien wird durch die besonders eingefügte Hilfskathode gezielt verringert.

Wenn als Material für die Metallscheibe 9 Titan gewählt wird, läßt sich die auf der Stirnfläche im Galvanikbad abgeschiedene Kobaltschicht nach dem Auseinandernehmen der Werkstückaufnahme leicht ablösen. Die abgelöste Kobaltfolie kann dann für Kontrollmessungen zur Ermittlung der Eigenschaften der hartmagnetischen Schicht auf der Zylindermantelfläche 7 der Kreisscheibe 6 verwendet werden.

Die beschriebene Werkstückaufnahme kann mehr als eine Kreisscheibe 6 enthalten, wobei zwischen die Kreisscheiben ebenfalls die erfindungsgemäße Kombination aus Dichtungsfolien 8 und Metallscheibe 9 einzufügen ist.

Der vorstehend beschriebene Aufbau der Werkstückaufnahme ist ersichtlich nicht auf die beispielhaft gewählten galvanischen Schichten beschränkt. Für das Wesen der Erfindung ist es unbeachtlich, ob die Schichten hartmagnetisch oder weichmagnetisch sind, ob es sich um Kobaltschichten oder Kobalt-Lanthan-Schichten handelt und ob das Werkstückmaterial Aluminium oder Stahl ist. Auch die spezielle Verwendung der Beschichtung für magnetische Winkelmeßvorrichtungen ist selbstverständlich unbeachtlich.

Die Werkstückaufnahme kann vielmehr in allen Galvanikbädern eingesetzt werden, bei denen ausschließlich eine gleichmäßig dicke Randbeschichtung des Werkstücks gefordert wird und eine Einwirkung des Galvanikbades auf die Einspannflächen sicher ausgeschlossen werden muß. Dazu muß jede der Einspannflächen zunächst mit einer randabschließenden elastischen Dichtungsfolie abgedeckt werden. Zwischen aufeinanderfolgende Dichtungsfolien ist eine dünne Metallscheibe einzufügen. Der Außendurchmesser dieser Metallscheibe ist geringfügig größer zu wählen als der Außendurchmesser der Dichtungsfolie. Bei Einspannen ist darauf zu achten, daß die Metallscheibe ausreichenden elektrischen Kontakt zum Werkstück und zu dem Boden- und Deckelteil der Werkstückaufnahme erhält. Der Spanndruck und die Elastizität der Dichtungsfolie sind so zu wählen, daß sich diese beim Einspannen durch elastische Verformung über die Kanten des Werkstücks schieben kann.

Claims (11)

1. Werkstückaufnahme für galvanische Beschichtungen, die ein Boden- und Deckelteil (1, 2) enthält, zwischen denen mindestens ein kreiszylindrisches Werkstück (6) zentrisch und mit elektrischer Leitverbindung einspannbar ist, wobei das Werkstück (6), das Boden- und das Deckelteil (1, 2) ebene Einspannflächen und einen gleichen Außendurchmesser aufweisen und wobei das Deckelteil (2) eine Aufsteckachse (4) enthält, die an einem in ein Galvanikbad absenkbaren Drehantrieb befestigbar ist und über die ein negatives Potential (5) an die Werkstückaufnahme anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in jede der Einspannflächen (10) eine erste und zweite elastische Dichtungsfolie (8) mit zwischengelegter Metallscheibe (9) eingefügt sind, wobei der Außendurchmesser der Dichtungsfolie (8) an den Außendurchmesser des Werkstücks (6) angepaßt ist und die Metallscheibe (9) einen geringfügig größeren Außendurchmesser aufweist.

2. Werkstückaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (9) zum Deckelteil (2) elektrisch kontaktiert ist.

3. Werkstückaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfolie (8) aus einem säure- und chemikalienbeständigen Kunststoff besteht.

4. Werkstückaufnahme nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff elektrisch leitfähig ist.

5. Werkstückaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfolie (8) eine Shorehärte von etwa 60 aufweist.

6. Werkstückaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (9) eine Dicke von etwa 0,5 mm besitzt und bei einem Außendurchmesser des Werkstücks (6) von etwa 25 bis 50 cm der Überstand etwa 1 mm beträgt.

7. Werkstückaufnahme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (9) aus Titan besteht.

8. Werkstückaufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfolien (8) und/oder die Metallscheibe (9) als Kreisringe ausgebildet sind.

9. Werkstückaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Ränder des Werkstücks (6) abgekantet sind.

10. Werkstückaufnahme nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndruck, sowie die Dicke und Shorehärte der Dichtungsfolie (8) so gewählt sind, daß im Spannzustand die abgekanteten Ränder durch die Dichtungsfolie (8) abgedeckt sind.

11. Werkstückaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndruck, sowie die Dicke und Shorehärte der Dichtungsfolie (8) so gewählt sind, daß beim Einspannen die Dichtungsfolie (8) durch elastische Verformung über die Kanten des Werkstücks (6) geschoben wird.