DE102010028421B4

DE102010028421B4 - Keramikwälzlager und Endblock für ein rotierendes Magnetron

Info

Publication number: DE102010028421B4
Application number: DE102010028421A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Heinrich; Christian Klatt
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: DE102010028421A1

Abstract

Keramikkugellager, umfassend einen kreisförmigen keramischen Innenring (2) mit einer konkaven Wälzkörperbahn (21), einen kreisförmigen keramischen Außenring (1) mit einer konkaven Wälzkörperbahn (11), einen zwischen Innenring (2) und Außenring (1) angeordneten Wälzkörperkäfig (4) sowie eine Mehrzahl von zwischen Innenring (2) und Außenring (1) im Wälzkörperkäfig (4) einreihig angeordneten, kugelförmigen keramischen Wälzkörpern (3), wobei der Innenring (2) oder/und der Außenring (1) aus zwei Teilringen (24, 25) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) bzw. der Außenring (1) durch die Teilringe (24, 25) bezüglich der Wälzkörperbahn (11, 21) asymmetrisch geteilt ist und die Wälzkörperbahn (21) mindestens eines Teilrings (24) in einem dem anderen Teilring (25) zugewandten Abschnitt (26) zylindrisch ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramikwälzlager und einen Endblock für ein rotierendes Magnetron.
Rillenkugellager in verschiedenen Ausführungen sind unter anderem aus den Druckschriften WO 99/02873 A1 , DE 103 92 207 T5 , DE 7232284 U , US 6,318,899 B1 , EP 0 258 845 A2 , EP 1 083 351 A1 , DE 10 2008 033 904 A1 , JP 07190071 A , JP 2009275792 A , US 5,887,985 A , DE 26 18 667 A1 bekannt.
Rotierende Magnetrons, auch als Rohrmagnetrons bezeichnet, werden in Vakuumbeschichtungsanlagen zur Beschichtung von Substraten verwendet. Sie umfassen eine meist rohrförmige Kathode (auch als Rohrtarget bezeichnet), von deren Oberfläche in einem Sputterprozess Materialteilchen abgelöst werden, die sich sodann auf dem Substrat niederschlagen. Im Innenraum der Rohrkathode ist üblicherweise ein – drehbar gelagertes oder stillstehendes – Magnetsystem angeordnet, welches das sich außerhalb der Rohrkathode ausbildende Plasma so formt, dass dessen Oberflache entlang der gesamten Länge der Rohrkathode möglichst gleichmäßig der Einwirkung des Plasmas ausgesetzt ist. Um den Materialabtrag auch in der Umfangsrichtung der Rohrkathode möglichst gleichmäßig zu gestalten, wird die Rohrkathode während des Beschichtungsvorgangs gedreht, so dass die gesamte Mantelfläche der Rohrkathode dem Angriff des Plasmas ausgesetzt ist.
Hierzu ist die Rohrkathode entweder einseitig oder beidseitig in einem bzw. zwei sogenannten Endblöcken drehbar gelagert. Beispiele solcher Endblöcke sind aus DE 10 2007 049 735 A1 , WO 2007/147757 A1 , DE 10 2008 058 528 A1 , DE 10 2008 033 904 A1 , DE 10 2008 033 902 A1 und DE 10 2008 039 211 A1 bekannt.
Der Endblock oder die Endblöcke dienen dabei dem Antrieb der Rohrkathode, der Versorgung des Magnetrons mit elektrischer Energie und der Zu- und Abfuhr von Kühlmittel zur Kühlung der Rohrkathode. Sind zwei Endblöcke vorhanden, so können die genannten Funktionen auf diese beiden Endblöcke aufgeteilt sein.
Die Versorgungsspannung für das Rohrtarget wird durch den Endblock zur Kathode geführt. Da solche Rohrmagnetrons prozessbedingt häufig mit Mittelfrequenz, d. h. mit Wechselspannungen in einem Frequenzbereich von 0,5 kHz bis 300 kHz, betrieben werden, besteht ein Problem darin, dass durch die Bildung von Wirbelströmen in den spannungsführenden Teilen Energieverluste entstehen und diese Teile einer unerwünschten Erwärmung ausgesetzt sind. Die Erwärmung führt zum Verlust von Energie, welche dem Vakuumprozess nicht mehr zur Verfügung gestellt werden kann. Weiterhin wirken sich durch die Erwärmung bedingte Wärmedehnungen ungünstig auf die Magnetronanordnung aus. Außerdem kann eine zu starke Erwärmung des Endblocks zur Beschädigung oder gar Zerstörung wärmeempfindlicher Bauteile des Endblocks, wie beispielsweise Dichtungen, führen und damit zum Ausfall des Magnetrons oder der ganzen Vakuumprozessanlage führen. Dies ist insbesondere für die Funktion der Drehlager problematisch, die in den Endblöcken verbaut sind und die die Rotation des Rohrtargets erst ermöglichen.
Bei bekannten Endblöcken wird der im Betrieb auftretenden Erwärmung des Endblocks dadurch entgegengewirkt, dass die anfallende Wärme durch ein in den Endblock integriertes Kühlsystem abgeführt wird oder/und die Energieeinspeisung durch Leistungsbegrenzung niedrig gehalten wird. Im ersteren Fall muss eine zusätzliche Kühleinrichtung vorgesehen sein, welche zusätzliche Kosten erzeugt und den Energieaufwand zum Betrieb der Vakuumprozessanlage weiter erhöht. Im letzteren Fall hingegen wird die Leistungsfähigkeit des Magnetrons künstlich eingeschränkt, wodurch die Produktivität der Vakuumprozessanlage sinkt.
Ein anderer Ansatz besteht darin, dass das Endblockgehäuse so ausgebildet ist, dass jeder die Stromführungseinrichtung umschließende Strompfad im Endblockgehäuse an mindestens einer Stelle eine Unterbrechung aufweist. Der zugrundeliegende Gedanke besteht darin, das Endblockgehäuse generell so auszuführen, dass geschlossene Stromwege, in denen Wirbelströme entstehen können, verhindert werden. Dazu wird vorgeschlagen, in die geometrische Kontur des gesamten Endblocks Isolationsstrecken einzubauen. Die konkrete Geometrie und Ausgestaltung der Isolationsbereiche kann dabei sehr vielfältig sein.
Die Rotations-Lagerstelle im Endblock kann zur Verhinderung von Wirbelströmen aus nichtmetallischen Werkstoffen ausgeführt sein, wobei Keramik oder Kunststoff verwendet werden können. Funktionsbedingt sind sowohl die radiale als auch die axiale Belastung das bestimmende Kriterium zur Auswahl des Lagers. Bei eingeschränkten Platzverhältnissen ist die Auswahl bei Standard-Lagern nicht ausreichend. Besonders die axiale Belastung ist auf Dauer für Rillenkugellager nicht optimal. Der Einsatz herkömmlicher Standard-Wälzlager aus Keramik führt zu kurzen Standzeiten und verlangt nach häufiger Wartung der Lagerstelle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, für den Einsatz im Bauraum eines üblichen Rillenkugellagers mit Standardabmaßen ein Lager anzugeben, welches wesentlich höhere Traglasten in einer axialen Richtung aufnehmen kann.
Längere Standzeiten und weniger Wartung sind weitere Ziele der Erfindung.
Hierzu wird ein Keramikkugellager vorgeschlagen, das einen kreisförmigen keramischen Innenring mit einer konkaven Wälzkörperbahn, einen kreisförmigen keramischen Außenring mit einer konkaven Wälzkörperbahn, einen zwischen Innenring und Außenring angeordneten Wälzkörperkäfig sowie eine Mehrzahl von zwischen Innenring und Außenring im Wälzkörperkäfig einreihig angeordneten, kugelförmigen keramischen Wälzkörpern umfasst, wobei der Innenring oder/und der Außenring aus zwei Teilringen besteht, und wobei der Innenring bzw. der Außenring durch die Teilringe bezüglich der Wälzkörperbahn asymmetrisch geteilt ist und die Wälzkörperbahn mindestens eines Teilrings in einem dem anderen Teilring zugewandten Abschnitt zylindrisch ist.
Ein Teilring in diesem Sinne ist ein Ring, der nur einen Teil der Wälzkörperbahn und damit auch nur eine Wälzkörperbahnschulter aufweist. Zwei zusammengefügte Teilringe ergeben den vollständigen Innenring oder Außenring des Keramikwälzlagers, wobei die Trennebene zwischen den beiden Teilringen durch die Wälzkörperbahn hindurch verläuft. Die Wälzkörperbahn von Innenring und Außenring ist jeweils konkav, d. h. sie ist in die Innenfläche des Außenrings bzw. in die Außenfläche des Innenrings oder, bei einem geteilten Innen- oder Außenring in die jeweiligen Teilringe eingearbeitet. Die seitlichen Begrenzungsflanken, die durch die Konkavität der Wälzkörperbahn entstehen, werden nachfolgend als Wälzkörperbahnschultern bezeichnet.
Die Kombination einer einreihigen Wälzkörperanordnung mit einem geteilten Innen- oder Außenring vereint die Vorteile eines Rillenkugellagers mit denen eines üblicherweise zweireihigen Vierpunktlagers (mehr Kugeln bei geringeren Abmessungen durch geteilten Innenring oder Außenring und dadurch höhere aufnehmbare Axial- und Radialkräfte). Die vollständige Zusammensetzung des Lagers aus keramischen Komponenten ermöglicht eine elektrisch isolierte Lagerstelle, bei der die Entstehung von Wirbelströmen unterbunden wird. Die Unterteilung des Innenrings oder Außenrings in zwei Teilringe ermöglicht die offene Montage einer Lagerstelle.
Ein zylindrischer Abschnitt der Wälzkörperbahn erleichtert die offene Montage des Keramikwälzlagers, weil dadurch die Wälzkörper kollisionsfrei eingesetzt werden können.
In weiteren Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass zwischen zwei Teilringen eine Kunststoffscheibe angeordnet ist oder/und die Wälzkörperbahn des Innenrings oder/und des Außenrings von unterschiedlich hohen Schultern begrenzt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die jeweils höhere der beiden Wälzkörperbahnschultern des Innenrings und des Außenrings an unterschiedlichen Seiten des Keramikwälzlagers angeordnet sind. In einem axial geführten Schnitt durch das Wälzlager liegen demgemäß die beiden hochgezogenen wälzkörperbahnschultern des Innenrings und des Außenrings bezogen auf den Mittelpunkt des Wälzkörpers schräg gegenüber und der Wälzkörper ist zwischen ihnen eingeschlossen. Hierdurch ist die axiale Belastbarkeit des Lagers gegenüber einem Wälzlager mit gleich hohen Wälzkörperbahnschultern deutlich erhöht.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Innenring oder/und der Außenring mindestens einseitig eine den Wälzlagerkäfig zumindest teilweise übergreifende Begrenzungsschulter aufweisen. Diese Begrenzungsschultern bilden in axialer Richtung den Abschluss des Keramikwälzlagers. Sie sind gegenüber den Wälzkörperbahnschultern nochmals deutlich erhöht, so dass das Keramikwälzlager gegen äußere Einflüsse besser geschützt ist. Alternativ oder zusätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass der zwischen Innenring und Außenring verbleibende Spalt auf mindestens einer Seite des Keramikwälzlagers durch eine Abdeckscheibe zumindest teilweise verschlossen ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Wälzkörperbahn des Innenrings oder/und des Außenrings oder/und mindestens eines Teilrings des Innenrings oder/und des Außenrings eine Schmierstoffnut auf, so dass das Keramikwälzlager über ein Schmierstoffreservoir verfügt.
Weiterhin wird ein Endblock für eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Target vorgeschlagen, der ein Endblockgehäuse mit einer Anschlussfläche zur Anbringung des Endblocks an einer Stützeinrichtung, sowie einer in einem Keramikwälzlager drehbar gelagerten Trägerwelle zur Lagerung des rotierenden Targets umfasst, wobei das Keramikwälzlager wie oben beschrieben ausgebildet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt 1 eine Teildarstellung eines Axialschnitts durch das Keramikwälzlager.
Der Außenring 1 ist so gestaltet, dass er auf einer Seite eine erhöhte Wälzkörperbahnschulter 12 hat, um die Wälzkörper 3 wie bei einem Schrägkugellager aufzunehmen. Auf der anderen Seite ist der Außenring 1 wie bei einem Standardrillenkugellager mit einer Wälzkörperbahnschulter 13 – gestaltet. Die Wälzkörperbahnschultern 12, 13 begrenzen die konkave Wälzkörperbahn 11.
Der erste Teilring 24 des Innenrings 2, der der erhöhten Wälzkörperbahnschulter 12 des Außenrings 1 schräg gegenüber liegt, hat ebenfalls eine erhöhte Wälzkörperbahnschulter 22 und ist in einem dem zweiten Teilring 25 des Innenrings 2 zugewandten Abschnitt 26 annähernd zylindrisch. Der zweite Teilring 25 des Innenrings 2 hat eine kleine Wälzkörperbahnschulter 23 und stützt wie ein Standardrillenkugellager die Wälzkörper 3. Die Wälzkörperbahnschultern 22, 23 begrenzen die konkave Wälzkörperbahn 21.
Bedingt durch die Aufteilung des Innenrings 2 in zwei Teilringe 24, 25 ist eine offene Montage der Lagerstelle möglich. Es können so viele Wälzkörper 3 wie möglich eingebaut werden. Die Wälzkörper 3 werden mit einem Wälzkörperkäfig 4 auf geringstem Abstand gehalten.
Mit dem vorgeschlagenen Keramikwälzlager kann erreicht werden, dass in dem Bauraum eines Standardrillenkugellagers ein modifiziertes Kugellager mit keramischen Ringen und Wälzkörpern so gestaltet ist, dass bei offener Montage wesentlich mehr Wälzkörper eingebaut werden und zum Tragbild beitragen können. Alle Ringe sind aus Keramik, beispielsweise ZrO₂ gefertigt.
Bezugszeichenliste

1: Außenring
11: konkave Wälzkorperbahn
12: erhöhte Wälzkörperbahnschulter
13: Wälzkörperbahnschulter
2: Innenring
21: konkave Wälzkörperbahn
22: erhohte Walzkörperbahnschulter
23: Wälzkörperbahnschulter
24: erster Teilring
25: zweiter Teilring
26: zylindrischer Abschnitt
3: Walzkorper
4: Wälzkörperkäfig

Claims

Keramikkugellager, umfassend einen kreisförmigen keramischen Innenring (2) mit einer konkaven Wälzkörperbahn (21), einen kreisförmigen keramischen Außenring (1) mit einer konkaven Wälzkörperbahn (11), einen zwischen Innenring (2) und Außenring (1) angeordneten Wälzkörperkäfig (4) sowie eine Mehrzahl von zwischen Innenring (2) und Außenring (1) im Wälzkörperkäfig (4) einreihig angeordneten, kugelförmigen keramischen Wälzkörpern (3), wobei der Innenring (2) oder/und der Außenring (1) aus zwei Teilringen (24, 25) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) bzw. der Außenring (1) durch die Teilringe (24, 25) bezüglich der Wälzkörperbahn (11, 21) asymmetrisch geteilt ist und die Wälzkörperbahn (21) mindestens eines Teilrings (24) in einem dem anderen Teilring (25) zugewandten Abschnitt (26) zylindrisch ist.
Keramikkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Teilringen (24, 25) eine Kunststoffscheibe angeordnet ist.
Keramikkugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörperbahn (11, 21) des Innenrings (2) oder/und des Außenrings (1) von unterschiedlich hohen Wälzkörperbahnschultern (12, 13, 22, 23) begrenzt ist.
Keramikkugellager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils höhere der beiden Wälzkörperbahnschultern (12, 22) des Innenrings (2) und des Außenrings (1) an unterschiedlichen Seiten des Keramikwälzlagers angeordnet sind.
Keramikkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) oder/und der Außenring (1) mindestens einseitig eine den Wälzlagerkäfig (4) zumindest teilweise übergreifende Begrenzungsschulter aufweisen.
Keramikkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen Innenring (2) und Außenring (1) verbleibende Spalt auf mindestens einer Seite des Keramikwälzlagers durch eine Abdeckscheibe zumindest teilweise verschlossen ist.
Keramikkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörperbahn (11, 21) des Innenrings (2) oder/und des Außenrings (1) oder/und mindestens eines Teilrings (24, 25) des Innenrings (2) oder/und des Außenrings (1) eine Schmierstoffnut aufweist.
Endblock für eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Target, umfassend ein Endblockgehäuse mit einer Anschlussfläche zur Anbringung des Endblocks an einer Stützeinrichtung, sowie einer in einem Keramikkugellager drehbar gelagerten Trägerwelle zur Lagerung des rotierenden Targets, wobei das Keramikkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.