DE102004006849A1

DE102004006849A1 - Vorrichtung zum Beschichten von Substraten

Info

Publication number: DE102004006849A1
Application number: DE200410006849
Authority: DE
Inventors: Josef Hoffmann; Helmut Eberhardt; Pavel Seserko
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: DE102004006849B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten mit wenigstens zwei Tiegeln, in der mittels Elektronenstrahlkanonen Materialien verdampft werden. Hierbei sind die Tiegel relativ zu wenigstens einer Verdampferquelle verdrehbar. Das in den Tiegeln zu verdampfende Material wird durch die Enden von Werkstoff-Stäben gebildet, die entlang ihrer Längsachse nachgeschoben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum Beschichten von Substraten sind verschiedene Verfahren bekannt.
Besondere Probleme treten dann auf, wenn ein Substrat nicht nur mit einer Schicht, sondern mit mehreren Schichten versehen wird. Dies ist beispielsweise bei Turbinenschaufeln der Fall, wenn deren Thermobarriere effizienter gemacht werden soll. Es müssen dann verschiedenartige keramische Schichten in unterschiedlichen Dicken auf den Turbinenschaufeln aufgebracht werden.

Es sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überziehen eines Substrats mit einer Vielzahl von Schichten bekannt, wobei das Substrat in einer evakuierbaren Kammer angeordnet ist ( CH 414 303 ). Diese bekannte Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Elektronenstrahls auf sowie eine Mehrzahl von Tiegeln zur Aufnahme von Überzugsmaterialien. Die Tiegel sind drehbar angeordnet, sodass jeweils ein Tiegel in den Weg des Elektronenstrahls gebracht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei welcher das zu verdampfende Material während des Betriebs nachgeschoben wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten mit wenigstens zwei Tiegeln, in der mittels Elektronenstrahlkanonen Materialien verdampft werden. Hierbei sind die Tiegel relativ zu wenigstens einer Verdampferquelle verdrehbar. Das in den Tiegeln zu verdampfende Material wird durch die Enden von Werkstoff-Stäben gebildet, die entlang ihrer Längsachse nachgeschoben werden.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass ein Tiegel oder eine erste Gruppe von Tiegeln für den Verdampfungsvorgang verwendet wird, während ein anderer Tiegel oder eine zweite Gruppe von Tiegeln mit anderem Verdampfungsmaterial in Warteposition steht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch den unteren Bereich einer Ingot-Kammer;
2 einen Schnitt durch eine Verdampfungskammer;
3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 1;
4 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 1, jedoch mit geschwenkter Tiegelanordnung;
5 eine Draufsicht gemäß 4, jedoch mit Tiegeln, die in einer anderen Drehrichtung gedreht sind;
6 eine Draufsicht auf ein Revolvermagazin;
7 eine Draufsicht auf Tiegel mit zugehörigen Revolvermagazinen;
8 einen Klemmzylinder für zu verdampfende Stäbe;
9 den Klemmzylinder in einer Ansicht von oben.
Die 1 zeigt einen Teilbereich einer Vorrichtung, mit der zwei verschiedene Werkstoffe auf einem Substrat, beispielsweise einer Turbinenschaufel, aufgedampft werden können. Als Werkstoffe kommen z. B. keramische Werkstoffe in Frage. Das Verdampfen der Werkstoffe erfolgt mittels zweier Elektronenstrahlkanonen, die in 2 gezeigt sind.
Der Teilbereich weist eine Ingot-Kammer 1 auf, in der sich eine Drehscheibe 2 befindet, auf der parallel zueinander vier Tiegelgehäuse 3, 73; 4, 72 angeordnet sind. Jedes dieser Tiegelgehäuse 3, 73; 4, 72 enthält einen Tiegel 5, 6 bzw. 7, 8. Die Tiegel 5 bis 8 weisen hierbei Durchbohrungen auf, durch welche Stäbe geschoben werden, deren Enden das zu verdampfende Material darstellen. Die Durchbohrungen der Tiegel 5 bis 8 setzen sich durch die Tiegelgehäuse 3, 73; 4, 72 fort. Im Tiegel 6 befindet sich beispielsweise das Ende einer Stange aus einem ersten Material, während sich im Tiegel 5 das Ende einer Stange aus einem zweiten Material befindet. Das Material des Tiegels 8 entspricht dem Material des Tiegels 5, während das Material des Tiegels 6 dem Material des Tiegels 7 entspricht. Da es vier Tiegel 5 bis 8, aber nur zwei Elektronenstrahlkanonen gibt, befinden sich zwei Tiegel in der Verdampferposition und zwei in der Warteposition. So wird in einem ersten Einsatzfall, der in der 1 dargestellt ist, zunächst aus den Tiegeln 5 und 7 verdampft. Anschließend springen die Elektronenstrahlen aufgrund einer Ablenkung durch elektrische und/oder magnetische Felder zu den Tiegeln 6 und 8 und verdampfen das dort vorhandene Material.
Wird in einem zweiten Einsatzfall die Drehscheibe 2 um einen vorgegebenen Winkel im Uhrzeigersinn gedreht, so liegen die Tiegel 6 und 7 auf einer gedachten horizontalen Achse 39. Diese Achse 39 bezeichnet die Richtung, in welcher sich ein nicht dargestellter Substratträger mit einem Substrat bewegt. Jetzt wird aus den Tiegeln 6 und 7 verdampft, während aus den Tiegeln 8 und 5 nicht verdampft wird; letztere befinden sich also in Warteposition. Wird die Drehscheibe 2 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, liegen die Tiegel 8 und 5 auf der Mittelachse 39, und die Tiegel 6 und 7 befinden sich in der Warteposition.
Die Drehscheibe 2 ist mit einer Achse 9 verbunden, die an ihrem unteren Ende von einer zweiten Achse 10 umgeben ist, in der sämtliche Medien, z. B. Wasser, Gas, Strom usw., in die Vakuumkammer 1 geführt werden. Zu beiden Seiten der Achse 9 ist jeweils ein Revolvermagazin 11, 12 vorgesehen. Statt der beiden in der 1 dargestellten Revolvermagazine 11, 12 können auch vier Revolvermagazine vorgesehen sein, und zwar je ein Revolvermagazin für einen Tiegel 5 bis 8. Die Revolvermagazine 11, 12 weisen mehrere Magazine 13 auf, bei denen es sich um Vertiefungen bzw. Nuten in einem Zylinder handeln kann. Vorzugsweise weist jedes Revolvermagazin 11, 12 acht Magazine 13 auf, d. h. acht zylindrische Ausnehmungen, in denen sich jeweils ein nicht dargestellter Werkstoff-Stab befindet, der exakt unter der Durchbohrung eines Tiegels angeordnet und nach oben geschoben werden kann. Auf zwei Innenseiten der Ingot-Kammer ist jeweils eine Hubvorrichtung 14, 15 angeordnet, welche über einen Pusher 16, 17 die Werkstoff-Stäbe heben und senken können. Hierbei stehen die Enden der Pusher 16, 17 mit den unteren Enden der Werkstoff-Stäbe in Kontakt. In die Revolvermagazine 11, 12 greifen Wellen 18, 19 ein, die durch eine Platte 20 geführt und an ihren Enden mit einem Motor 21, 22 verbunden sind. Mit Hilfe dieser Motoren 21, 22 können die Revolvermagazine 11, 12 um ihre Längsachse gedreht werden.
Die Achse 10 wird durch eine Drehdurchführung 23 am Boden der Ingot-Kammer 1 nach außen geführt. Wie man aus der in ihrem unteren Bereich geschnitten dargestellten Achse 10 erkennt, weist diese Medienzuführungen 24, 25 auf. Bei diesen Medienzuführngen 24, 25 handelt es sich z. B. um Zuführungen für Wasser, Gas und Strom. Am unteren Ende der Achse 10 befindet sich ein Zahnriemenrad 26, das von einem nicht dargestellten Zahnriemen angetrieben werden kann. Dreht sich das Zahnriemenrad 26, so drehen sich auch die Achse 10, die Achse 9, die Platte 20 und die Drehscheibe 2. Mit der Platte 20 drehen sich auch die Revolvermagazine 11, 12. Der Antrieb der Hubvorrichtungen 14, 15 erfolgt über Motoren 27, 28, die über Wellen 29, 30 mit den Hubvorrichtungen 14, 15 verbunden sind. Unterhalb der Platte 20 sind an der Achse 10 mehrere Medienanschlüsse 31, 32, 33, 34 angeordnet.
An der Ingot-Kammer 1 ist ein Arm 35 vorgesehen, der ein Lager 36 aufweist, in dem eine Verlängerung 37 der Achse 9 ruht. Senkrecht zur Verlängerung 37 der Achse 9 verläuft die Gerade 39.
In der 2 ist der obere Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Man erkennt hierbei die Tiegel 7, 6 auf den Gehäusen 4 und 3, die sich auf dem Drehteller 2 befinden. Außerdem erkennt man die beiden Magazine 13, 38, die nur angedeutet sind. Die Ingot-Kammer 1 ist an eine Bedampfungskammer 49 angedockt. Auf der Oberseite der Bedampfungskammer 49 sind zwei Elektronenstrahlkanonen 41, 42 angeflanscht, deren Elektronenstrahlen 43, 44 auf die Tiegel 7, 6 gerichtet sind. Oberhalb dieser Tiegel 7, 6 befindet sich ein Substrat 45, das zu beschichten ist. Bei dem Substrat 45 kann es sich beispielsweise um eine Turbinenschaufel handeln. Die Tiegel 5, 8 sind in 2 nicht zu erkennen.
Die erste Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Darstellungen der 1 und 2 beschrieben.
Auf die beiden Tiegel 8 und 6, aus denen die Enden von Maerialstäben herausragen, treffen die Elektronenstrahlen 43, 44 aus den Elektronenstrahlkanonen 41, 42, die zum Verdampfen des oberen Bereichs des Materialstabs führen. Eine Elektronenstrahlkanone 41 ist in einem ersten Zeitabschnitt für den Tiegel 8, die andere für den Tiegel 5 zuständig. In einem zweiten Zeitabschnitt sind die Elektronenstrahlkanone 41 und die Elektronenstrahlkanone 42 für die Tiegel 8 und 6 zuständig. Dabei springt der Elektronenstrahl 43 der einen Elektronenstrahlkanone 41 vom Tiegel 8 zum Tiegel 7 bzw. umgekehrt und der Elektronenstrahl 44 der anderen Elektronenstrahlkanone 42 von Tiegel 6 auf Tiegel 5 bzw. umgekehrt. Das Material der aus den Tiegeln 5 und 7 herausragenden Werkstoff-Stäbe sowie das Material der aus den Tiegeln 6 und 8 herausragenden Werkstoff-Stäbe werden also gleichzeitig verdampft, wenn auch zu verschiedenen Zeiten.
In der 3 ist die in der 1 dargestellte Vorrichtung noch einmal in einer Ansicht von oben dargestellt. Man erkennt hierbei die Tiegel 5 bis 8 sowie einen Substratträger 46, der oberhalb der Tiegel 5 bis 8 angeordnet ist. Der Substratträger 46 ist entlang der Richtung des Pfeils 69 auf der Geraden 39 bewegbar. Außerdem erkennt man die Drehscheibe 2, die Hubvorrichtungen 14, 15 und die Verlängerung 37.
Bei einer zweiten Funktionsweise, die anhand der 4 beschrieben wird, ist die Drehscheibe 2 um einen bestimmten Winkel im Gegenuhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 47 gedreht, sodass die Tiegel 5 und 8 auf der Achse 39 liegen. Bei dieser zweiten Funktionsweise werden die Tiegel 5 bis 8 also um einen bestimmten Winkel gedreht, und zwar zusammen mit allen Bauteilen, die in der Ingot-Kammer 1 um die Achse 9 und die Achse 11 herum fest angeordnet sind. Durch das Drehen des Zahnriemenrads 26 werden also die Achse 10 mit den Medienzu- und -abführungen 24, 31 bis 34, die Platte 20, die Revolvermagazine 11, 12, die Scheibe 2 und die Tiegelgehäuse 3, 4 mit den Tiegeln 5 bis 8 ebenfalls um einen bestimmten Winkel im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Mit den Elektronenstrahlen 43, 44 können jetzt die Werkstoff-Stäbe in den Tiegeln 5 und 8 verdampft und die Werkstoff-Stäbe der Tiegel 6 und 7 ausgetauscht werden.
Bei der Darstellung der 5 sind die Tiegel 5 bis 8 und die Drehscheibe 2 im Uhrzeigersinn, also in Richtung des Pfeils 48 gedreht worden. Jetzt liegen die Tiegel 7 und 6 auf der Mittelachse 39, und die Enden der entsprechenden Werkstoff-Stäbe können verdampft werden. Die Werkstoff-Stäbe der Tiegel 5 und 8, bei denen es sich z. B. um Keramikstäbe handelt, können nachgeladen werden.
Das Nachladen der Tiegel erfolgt während des Bedampfungsprozesses. Die Reste der gebrauchten Stäbe werden nach oben in den Tiegel geschoben. Dort werden die Stäbe von einer Klemmeinheit, die in den 8 und 9 näher dargestellt ist, festgehalten. Anschließend fährt ein Pusher 16, 17 nach unten aus dem Revolvermagazin heraus. Das Revolvermagazin wird gedreht und um einen Schritt weitergetaktet. Sodann fährt der Pusher die in das Magazin eingefüllten Stäbe an den Tiegel. Die Klemmeinheit wird gelöst und die Stäbe können kontinuierlich weiter verdampft werden, ohne den Verdampfungsprozess zu unterbrechen.
In der 6 ist ein Revolvermagazin 12 in einer Ansicht von oben vergrößert dargestellt. Man erkennt hierbei, dass es mehrere Ausnehmungen 50 bis 57 für die Aufnahme von Stäben aufweist, die als Verdampferstäbe verwendet werden. Die Stäbe werden dabei in die Zeichenebene hinein bewegt.
Die 7 zeigt die Tiegel 5 bis 8 in einer Position wie in 5, jedoch zusätzlich mit zwei Revolvermagazinen 11 und 12, die unterhalb der Drehscheibe 2 angeordnet sind. Man erkennt hierbei, dass die Revolvermagazine 11, 12 die Tiegel 6 bzw. 7 mit Verdampferstäben versorgen. Das Revolvermagazin 11 besitzt ebenfalls acht Ausnehmungen 58 bis 65, in denen sich die Verdampferstäbe befinden.
In der 8 ist ein Klemmzylinder 66 dargestellt, der einen Verdampferstab, der sich in einer Ausnehmung, z. B. 51, eines Revolvermagazins 11, 12, befindet, festklemmen kann, sodass dieser nicht herunterfällt. Man erkennt eine Druckfeder 67, die ein Klemmteil 68 gegen einen nicht dargestellten Verdampferstab drückt.
In der 9 ist der Klemmzylinder 66 noch einmal in einer Ansicht von oben dargestellt. Die Druckfeder 67 ist vorzugsweise als Tellerfeder ausgebildet.

Claims

Vorrichtung zum Beschichten von Substraten mit wenigstens zwei Tiegeln, in denen Materialien verdampft werden, wobei diese Tiegel relativ zu wenigstens einer Verdampferquelle verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Tiegeln (5 bis 8) zu verdampfende Material durch die Enden von Werkstoff-Stäben gebildet wird, die entlang ihrer Längsachse verschiebbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoff-Stäbe in oder an einem Revolvermagazin (11, 12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Revolvermagazin (11, 12) zylindrisch ausgebildet und um seine Mittelachse drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegel (5 bis 8) auf einer drehbaren Scheibe (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Revolvermagazin (11, 12) auf seinem Umfang mit Ausnehmungen (13) für die Aufnahme von Werkstoff-Stäben versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Revolvermagazin (11, 12) auf einer drehbaren Platte (20) ruhen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Scheibe (2) entlang ihrer Mittelachse verschiebbar ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass vier Tiegel (5 bis 8) vorgesehen sind, von denen zwei Tiegel (6, 7 bzw. 5, 8) nach einer Drehung der Scheibe (2) um ihre Mittelachse auf einer Geraden (39) angeordnet sind, entlang welcher die Substrate bewegbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Revolvermagazin (11, 12) mit einem Motor (21, 22) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenwand der Ingot-Kammer (1) eine Hubvorrichtung (14, 15) mit einem Pusher (17) angeordnet ist, wobei der Pusher (17) mit dem unteren Ende eines Werkstoff-Stabs in Berührung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdampferquellen Elektronenstrahlkanonen (41, 42) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Klemmelemente (67, 68) vorgesehen sind, mit denen die Werkstoff-Stäbe gehalten werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegel (5 bis 8) auf die Positionen der Elektronenstrahlkanonen (41, 42) ausrichtbar sind.