DE102011013279A1

DE102011013279A1 - Keramische Transportrolle zur Vakuumbeschichtung

Info

Publication number: DE102011013279A1
Application number: DE201110013279
Authority: DE
Inventors: Lutz Ryster; Reinhardt BAUER; Dr. Stiegler Jörg; Dr. Strümpfel Johannes; Dr. Nilsson Andreas; Christian Naderer
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: W. HALDENWANGER TECHNISCHE KERAMIK GMBH & CO. , DE; Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transportrolle aus keramischem Material zur Anwendung in der Vakuumbeschichtung. Als langgestreckte Rolle eignen sich mehrere von diesen als Rollenbahn beispielsweise für den Transport großflächiger Substrate durch eine Beschichtungsanlage wie das bei der Glasbeschichtung der Fall ist. Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Porosität der Transportrolle anhand von herstellungsspezifischen Rahmenparametern so vorgebend zu mindern, dass die Desorption bei angestrebt hoher Stabilität der Transportrolle möglichst gering ausfällt. Die Transportrolle aus Keramik in einem durch mehrere dieser Transportrollen gebildeten Transportpfad ist für die Bewegung des beziehungsweise den auf den Transportrollen aufliegenden Substrates vorgesehen und befindet sich in einer mindestens ein Gehäuse umfassenden Anlage zur Vakuumbeschichtung. Die Transportrolle zeichnet sich dadurch aus, dass sie den Ausgangsstoffen nach maßgeblich aus SiO2 gefertigte ist und einen Anteil an Cristobalit (SiO4) enthält, der größer ist als 0% und kleiner als die Obergrenze von 10%. Ein Verfahren gibt die Anleitung zur Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transportrolle aus keramischem Material zur Anwendung in der Vakuumbeschichtung. Als langgestreckte Rolle eignen sich mehrere von diesen als Rollenbahn beispielsweise für den Transport großflächiger Substrate durch eine Beschichtungsanlage wie das bei der Glasbeschichtung der Fall ist.
Bekannt sind Vakuumbeschichtungsanlagen, die im so genannten air-to-air-Betrieb arbeiten. Dabei gelangen die Substrate aus atmosphärischer Umgebung über eine Schleusenkammer (Eingangsschleuse) in weitere Kammern der Anlage und über eine weitere Schleusenkammer (Ausgangsschleuse) wieder aus der Anlage heraus. Für die dafür erforderliche Bewegung der Substrate sorgt üblicherweise ein Transportsystem. Zur Beschichtung großflächiger Substrate mit seitlichen Abmaßen im einstelligen Meter-Bereich haben sich geradlinig aufgestellte Anlagen – Inline-Anlagen – bewährt. Solche können eine Gesamtlänge von ca. 30 m und mehr erreichen. Der Substrattransport erfolgt geradlinig. Für großflächige Substrate ist auch deren Transport in der Horizontalen etabliert, wobei die Substrate auf sich drehenden Rollen aufliegend fortbewegt sind.
In einer Beschichtungsanlage passieren die Substrate zweckbestimmt Kammern oder Sektionen; eben solche entlang des Transportpfades angelegte Bereiche, in denen das Substrat allgemein behandelt oder speziell geätzt, beschichtet oder erhitzt wird. Während die Substrate die angesprochenen Bereiche in vergleichsweise kurzen Zeiten kontinuierlich durchlaufen, verbleiben die Transportrollen im Bereich, sorgen für die störungsfreie Bewegung der Substrate und sind dauerhaft den bereichsspezifischen Bedingungen ausgesetzt. Folglich kommen in den jeweiligen Bereichen und je nach Bedingungen bzw. Anforderungen wie ätz- oder hitzeresistent Transportrollen aus unterschiedlichen Materialien zum Einsatz, die zudem vakuumtauglich und ausreichend stabil sein müssen.
In thermisch behandelnden Bereichen reduziert sich aufgrund der thermischen Beanspruchung die Materialauswahl für Transportrollen deutlich. Keramische Materialien zu verwenden ist ein möglicher Kompromiss. Das stellt insofern keine optimale Lösung dar, da solche Transportrollen nicht selten brechen.
Ihnen haftet ein weiterer Mangel an. Sie sind für den Einsatz im Vakuum insofern nur bedingt geeignet, dass sie das Herstellen eines prozessbedingten Vakuums (10^–3 mbar...10^–6 mbar) behindern. Der zeitliche Aufwand nimmt nachweislich bedingt durch die Transportrollen mit angestrebtem Vakuumniveau deutlich zu. Lösungen dafür zu finden, beschäftigt die Fachwelt.
Der Grund für das nachteilige Verhalten des keramischen Materials liegt in dessen Desorptionsverhalten. Gemeint ist eine Art „Ausgasen”, das unter Vakuumbedingungen stattfindet. Das gegenüber metallischen Werkstoffen vergleichsweise poröse keramische Material gibt im Vakuum nur sehr zögerlich zuvor unter Umgebungsbedingungen (Luft) eingelagerten Sauerstoff und Wasser frei. Kommt die Transportrolle mit Luft in Kontakt, nimmt es dessen Bestandteile in sich auf.
Das ist insbesondere bei Transportrollen aus Materialien wie SiO₂, SiC und Mischformen mit Si der Fall; allgemein Quarzgut. Für diese Materialien steht stellvertretend begrifflich SiO₂.
Versuche mit Gewichtsmessungen haben gezeigt, dass die Transportrollen, sofern sie mit Luft umgeben sind, offensichtlich Wasser einlagern. Dieser Effekt unterliegt auch nachweislich den Schwankungen der jahreszeitbedingten Luftfeuchte. Ein Prozess der auch zeitlichen Kriterien unterliegt. Nur ist nahezu unumgänglich, da im Zuge von Wartungen Kammern geöffnet werden, dass diese über Stunden mit Luft ausgefüllt sind, was auch die Transportrollen diesen nachteiligen Bedingungen aussetzt.
Um den genannten Effekt zu mindern, kamen versuchsweise Edelgase zum Einsatz, die im Zuge der Belüftung der Kammern den Transportrollen zugeführt wurden. Dem blieb der produktive Einsatz verwehrt.
Die Beschaffenheit einer aus SiO₂ gefertigten Transportrolle bestimmt neben den eingesetzten Materialien deren Fertigungsprozess. Üblicherweise wird zunächst eine Art Rohling aus verflüssigtem SiO₂ gegossen, dem sich ein mehr oder weniger intensiver Nachschmelz- oder Nachbrennprozess anschließen kann. Die genannten Schritte werden nachfolgend unter dem Begriff „Gießen” verstanden.
Dem wiederum folgt ein Verschleifen, um die gewollten geometrischen Maße zu erreichen, sowie ein Reinigen/Waschen, um Schleifrückstände zu entfernen.
Abschließend erfährt die Rolle einen Prozess des „Ausglühens”, der auch als Tempern bezeichnet wird. Zweck dessen ist zum Einen, Rückstände wie Schleifmittel und Wasser dem Festkörper weitestgehend zu entziehen, und zum Zweiten die kristalline Struktur zur formieren. Dabei stellt sich der Effekt ein, dass sich die Transportrolle aus SiO₂ von einem eher spröden und brüchigen, eher milchig erscheinenden Festkörper zu einem an Transparenz zunehmenden, eher glasig wirkenden Festkörper verändert.
Da der milchige Zustand ein deutliches Zeichen für geringe Stabilität (spröde) ist, zielt das übliche Bestreben darauf ab, die Rolle möglichst gut zu „verglasen”. Das hat dazu geführt, dass beim so genannten Tempern Temperaturen über 600°C üblich sind.
Beim Zustandsübergang vom „milchigen” ins „glasige”, der mit der Temperaturbehandlung (Tempern) einher geht, wandelt sich die Konzentration eines Materialparameters so, dass daran die Porosität der Transportrolle feststellbar ist.
So hat es sich gezeigt, dass der genannte Materialparameter mit einer gezielten thermischen Behandlung beim Tempern, auf einen Wert, der maßgeblich vorteilhaft für Porosität und Desorption ist, gebracht werden kann. Zur Verteilung der Porosität über den Querschnitt ist bekannt, dass diese nach Außen – zur Oberfläche hin – zunimmt.
Es ist außer Frage, dass die Porosität der Transportrolle einen maßgeblichen Anteil an den optimalen zweckbestimmten Einsatz der Transportrolle hat, woraus sich das Ziel der Erfindung ableitet, die Transportrolle mit einer geringen Porosität und folglich mit einer geringen Desorption zu finden. Die Funktion als Transportrolle hinsichtlich Stabilität muss zudem gegeben sein.
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Porosität der Transportrolle anhand von herstellungsspezifischen Rahmenparametern so vorgebend zu mindern, dass die Desorption bei angestrebt hoher Stabilität der Transportrolle möglichst gering ausfällt.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit einer Transportrolle gemäß Patentanspruch 1 und mit einem Verfahren zur Herstellung dieser gemäß Patentanspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Transportrolle aus Keramik in einem durch mehrere dieser Transportrollen gebildeten Transportpfad ist für die Bewegung des beziehungsweise den auf den Transportrollen aufliegenden Substrates vorgesehen und befindet sich in einer mindestens ein Gehäuse umfassenden Anlage zur Vakuumbeschichtung. Die Transportrolle zeichnet sich dadurch aus, dass sie den Ausgangsstoffen nach maßgeblich aus SiO₂ gefertigte ist und einen Anteil an Cristobalit (SiO₄) enthält, der größer ist als 0% und kleiner als die Obergrenze von 10%.
Günstiger ist es, wenn der Anteil an Cristobalit auf weniger als 5% oder besser auf weniger als 1% reduziert ist.
Dem Prozentwert nach Gewicht oder Volumen festzulegen erscheint nach der abgezielten Genauigkeit nicht notwendig.
Den Cristobalit Anteil wie beschrieben bis zu einem verbleibenden Rest zu reduzieren und nicht wie bislang möglichst vollständig zu eliminieren, hat erkanntermaßen den Vorteil, die Transportrolle mit geringer Porosität und folglich mit einer geringen Desorption zu schaffen.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal besteht das Verfahren zur Herstellung einer Transportrolle aus Keramik, die in einem durch mehrere dieser Transportrollen gebildeten Transportpfad für die Bewegung des beziehungsweise den auf den Transportrollen aufliegenden Substrates durch eine mindestens ein Gehäuse umfassende Anlage zur Vakuumbeschichtung vorgesehen ist, aus den Teilschritten:

a. Gießens eines zylinderförmigen Rohlings maßgeblich aus SiO₂,
b. Verschleifen dessen zur maßgenauen Formung,
c. Waschen dessen zur Beseitigung von Schleifresten und
d. Tempern dessen zur Verbesserung von Stabilität und Porosität.

Kennzeichnend ist, dass der Schritt Tempern mit einer Temperatur und einer Dauer derart durchgeführt wird, dass die Transportrolle einen Anteil an Cristobalit (SiO₄) enthält, der größer ist als 0% und kleiner als die Obergrenze von 10%.
Günstiger ist es auch hier, wenn der Anteil an Cristobalit auf weniger als 5% oder besser auf weniger als 1% reduziert wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Temperatur zur Beeinflussung des Cristobalitanteils in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 700°C gewählt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist die Temperatur so gewählt, dass diese einer Phasenwechseltemperatur mit einer Toleranz gleicht, wobei die Phasenwechseltemperatur daran ermittelbar ist, dass beim Erhitzen mit steigender Temperatur der zunächst anwachsende Anteil des Cristobalits abrupt auf einen Minimalwert, der nahezu 0% beträgt abfällt.
Zweckmäßigerweise beträgt die Toleranz ±30°C. In diesem Bereich ist die Phasenwechseltemperatur zu finden.
Das Erfindungswesentliche zusammenfassend liegt die Lösung darin, eine Transportrolle soweit zu Tempern (auch Nachbrennen, Ausglühen), bis das der Anteil an Cristobalit abrupt absinkt und einen Minimalwert erreicht, der bestenfalls im Prozent einstellig ist. Das Tempern soll eben nicht soweit stattfinden, dass der Anteil an Cristobalit weitestgehend eliminiert ist (Verglasung). Ein Optimum für Materialgemische und für die Brenntechnik bzw. für das Brennverfahren zu finden, verbleibt als fachmännische Aufgabe aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten.
Die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren unterbleibt, da der Erfindungsgedanke bereits mit Ansprüchen und Beschreibung umfassend aufgezeigt ist.

Claims

Transportrolle aus Keramik in einem durch mehrere dieser Transportrollen gebildeten Transportpfad für die Bewegung des beziehungsweise den auf den Transportrollen vorgesehen aufliegenden Substrates durch eine mindestens ein Gehäuse umfassende Anlage zur Vakuumbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ausgangsstoffen nach maßgeblich aus SiO₂ gefertigte Transportrolle einen Anteil an Cristobalit (SiO₄) enthält, der größer ist als 0% und kleiner als die Obergrenze von 10%.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze des Anteils an Cristobalit 5% beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze des Anteils an Cristobalit 1% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Transportrolle aus Keramik, die in einem durch mehrere dieser Transportrollen gebildeten Transportpfad für die Bewegung des beziehungsweise den auf den Transportrollen aufliegenden Substrates durch eine mindestens ein Gehäuse umfassende Anlage zur Vakuumbeschichtung vorgesehen ist, deren Fertigung in den Teilschritten a. Gießens eines zylinderförmigen Rohlings maßgeblich aus SiO₂, b. Verschleifen dessen zur maßgenauen Formung, c. Waschen dessen zur Beseitigung von Schleifresten und d. Tempern dessen zur Verbesserung von Stabilität und Porosität, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Tempern mit einer Temperatur und einer Dauer derart durchgeführt wird, dass die Transportrolle einen Anteil an Cristobalit (SiO₄) enthält, der größer ist als 0% und kleiner als die Obergrenze von 10%.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze des Anteils an Cristobalit 5% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze des Anteils an Cristobalit 1% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zur Beeinflussung des Cristobalitanteils in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 700°C gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, so gewählt ist, dass diese einer Phasenwechseltemperatur mit einer Toleranz gleicht, wobei die Phasenwechseltemperatur daran ermittelbar ist, dass beim Erhitzen mit steigender Temperatur der zunächst anwachsende Anteil des Cristobalits abrupt auf einen Minimalwert, der nahezu 0% beträgt abfällt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranz ±30°C beträgt.