DE19643702B4

DE19643702B4 - Vakuumbeschichtungsvorrichtung zum allseitigen Beschichten eines Substrats durch Rotation des Substrats im Materialstrom

Info

Publication number: DE19643702B4
Application number: DE19643702A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Anderle
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: GB9720309D0; FR2754830A1; GB2318589A; GB2318589B; DE19643702A1; JPH10130838A; US5985036A; FR2754830B1

Abstract

Vakuumbeschichtungsvorrichtung zum allseitigen Beschichten eines Substrates (3) durch Rotation des Substrates (3) in einem Materialstrom, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer Materialquelle (13), aus einem Substrathalter (6) mit einer Befestigungsstelle (19) für die Halterung des Substrates (3) gegenüber der Materialquelle (13) und aus einem dem Substrathalter (6) zugeordneten Antrieb (10, 11, 21) für die Erzeugung einer Rotations- und Verschiebebewegung des Substrats (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (6) aus einem in drei sich winklig zueinander erstreckende Schenkel (7, 8, 9) aufgeteilten Hohlprofilzuschnitt gebildet ist, wobei der erste (7) mit dem zweiten Schenkel (8) einen stumpfen Winkel (α) einschließt und der zweite und dritte Schenkel (8 und 9) zusammen ein etwa rechtwinkliges Knie bilden, und das Substrat (3) am Ende des dritten Schenkels (9) gehalten ist, wobei die Längsachse (1) des ersten Schenkels (7) etwa den zentralen Bereich des Substrats (3) schneidet, wobei der Substrathalter (6) motorisch angetrieben um die...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumbeschichtungsanlage zum allseitigen Beschichten eines Substrats durch Rotation des Substrats in einem Materialstrom, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer aus einem Substrathalter für die Anordnung des Substrats gegenüber der Materialquelle und unter im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung über deren Fläche und aus dem Substrathalter zugeordneten Antrieben für die Erzeugung einer Schwenkbewegung des Substrats.
Als Beschichtungsverfahren kommen des Vakuumaufdampfen, Kathodenzerstäubungsverfahren, Ion-Plating, die CVD-Methode (Chemical Vapor Deposition) und verwandte Verfahren in Frage.
Es ist bekannt, Substrate dadurch allseitig mit einer dünnen Oberflächenschicht zu versehen, daß man sie innerhalb eines gerichteten Dampfstroms einer Rotationsbewegung aussetzt und/oder sie unter Ausführung einer Rotationsbewegung durch den Dampfstrom hindurchführt. Zu diesem Zweck können die Substrate einzeln auf Wellen aufgesteckt und um die Wellenachse rotierend in den Dampfstrom gebracht werden. Zum Zwecke eines Antriebs der Wellen werden auf den Wellenenden Zahnräder oder Rollen angebracht, die sich auf einer ortsfesten Zahnstange oder Schiene abwälzen. Auf die angegebene Weise wurden schon Widerstandsschichten auf rohrförmige Isolatoren aufgetragen.
Es ist auch bereits bekannt, geometrische einfache Substrate, wie zum Beispiel optische Linsen und Filter auf Substrathaltern zu befestigen und diese unter Ausführung komplizierter zusammengesetzter Bewegungen periodisch durch den Dampfstrom zu führen. Derartige Vorrichtungen bzw. Verfahren sind nur für relativ kleine Substrate geeignet, deren Formgebung selbst im Hinblick auf eine gleichförmige Schichtdickenverteilung keine Probleme aufwirft.
Zum Zwecke des Bedampfens von relativ komplizierten Teilen, wie beispielsweise von Scheinwerferreflektoren für Kraftfahrzeugscheinwerfer, ist es bereits bekannt, die Substrate auf Substrathaltern anzuordnen, die drehbeweglich in einem im wesentlichen zylindrischen Käfig angeordnet sind. Im Innern des Käfigs befindet sich die Verdampferquel le, so daß bei einer Rotation des Käfigs die Substrate durch den nach oben gerichteten Dampfstrom bewegt werden. Hierbei führen die Substrathalter aufgrund eines überlagerten Antriebs eine zusätzliche Drehbewegung innerhalb des Käfigs aus, die als Evolventenbewegung beschrieben werden kann. Auf die angegeben Weise wird eine recht gute Schichtdickenverteilung nach dem Zufälligkeitsgesetz erreicht. Für extrem unregelmäßig geformte Substrate größerer Abmessungen, die chargenweise mit hochschmelzenden Metallen bzw. Metallegierungen bedampft werden sollen, wobei die Substrattemperaturen oberhalb von beispielsweise 555°C liegen sollen, ist jedoch auch eine derartige Vorrichtung nicht geeignet.
Geometrisch besonders kompliziert geformte Substrate, bei denen auch noch großer Wert auf eine gleichförmige Schichtdickenverteilung, Verteilung der Legierungselemente in der Schicht und eine große Haftfestigkeit durch intermetallische Diffusion gelegt wird, sind beispielsweise Turbinenschaufeln für Gasturbinen, wie sie in der Luftfahrt verwendet werden. Die mit Oberflächenschichten auf derartigen Turbinenschaufeln verbundenen Probleme sind in der Firmendruckschrift "High Temperature Resistant Coatings for Super-Alloy" von Richard P Seeling und Dr. Richard J. Stueber von der Firma CHROMALLOY AMERICAN CORPORATION, New York, USA beschrieben. Es war bisher außerordentlich schwierig, derartige Schichten mit den geforderten Eigenschaften in großtechnischem Maßstab und zu wirtschaftlich vertretbaren Preisen herzu stellen. Ein besonderes Problem sind hierbei die Übertragung einer definierten Drehbewegung von einem Antriebsmotor auf ein Substrat sowie die relativ hohen Verluste an teuerem Aufdampfmaterial, welches nicht auf dem Substrat, sondern auf den Innenflächen der Aufdampfanlage kondensiert und dort zu störenden Ablagerungen führt. Diesem Problem kann in gewissem Umfang durch eine räumlich enge Anordnung des Substrats im Dampfstrom bzw. oberhalb des Verdampfertiegels entgegengewirkt werden.
Bekannt ist schließlich eine Vakuumbeschichtungsanlage zum allseitigen Beschichten von Substraten durch Rotation der Substrate in einem Materialstrom ( DE 28 13 180 A1 ), bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer langgestreckten Materialquelle, mit einer Längsachse und einer Querachse, aus einem Substrathalter mit mehreren Befestigungsquelle für die flächige Anordnung mehrerer Substrate oberhalb der Materialquelle, wobei der Substrathalter zwei parallele, gabelförmig angeordnete Tragarme aufweist, deren Längsachsen spiegelsymmetrisch zu einer senkrechten, durch die Längsachse der Materialquelle gehenden Symmetrieebene angeordnet und an den aufeinander zugerichteten Innenseiten der Tragarme Kupplungen für die Substrate angeordnet sind, wobei die Rotationsachsen der Kupplungen senkrecht zur Symmetrieebene ausgerichtet sind, und den Tragarmen in ihrer Längsrichtung je eine Antriebswelle, zugeordnet ist, die über Winkelgetriebe einerseits mit den Kupplungen, andererseits mit einem Motor in Verbindung steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumbeschichtungsanlage der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die es ermöglicht, auch ein kompliziert geformtes Substrat besonders gleichmäßig mit metallischen Oberflächenschichten zu versehen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Substrathalter aus einem in drei sich winklig zueinander erstreckende Schenkel aufgeteilten Hohlprofilzuschnitt gebildet ist, wobei der erste mit dem zweiten Schenkel einen stumpfen Winkel einschließt und der zweite und dritte Schenkel zusammen ein etwa rechtwinkliges Knie bilden, und das Substrat am Ende des dritten Schenkels gehalten ist, wobei die Längsachse des ersten Schenkels etwa den zentralen Bereich des Substrats schneidet, wobei der Substrathalter motorisch angetrieben um die Längsachse des ersten Schenkels rotierbar und darüber hinaus in Richtung dieser Längsachse hin- und herbewegbar ist, und wobei das Substrat mit einer Welle drehfest verbunden ist, die als Gelenkwelle oder als flexible Welle ausgebildet und entlang den Längsachsen der Schenkel durch den Profilzuschnitt hindurchgeführt ist, wobei deren freies Ende motorisch antreibbar ist.
Weitere Merkmale und Einzelheiten sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen rein schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen:
1 die Vakuumbeschichtungsanlage mit einem Manipulator-Arm zur Halterung einer Turbinenschaufel in der Seitenansicht,
2 die Anlage gemäß 1, jedoch mit einem um 90° verschwenkten Manipulator-Arm und
3 die Anlage nach den 1 und 2, jedoch mit einem um weitere 90° verschwenkten Manipulator-Arm.
In einer nicht näher dargestellten Vakuumkammer ist eine Beschichtungsquelle 13 ortsfest angeordnet, die geeignet ist, das Substrat 3, im dargestellten Falle eine Turbinenschaufel, mit einer verschleißfesten und/oder wärmefesten Schicht zu überziehen. Damit die Beschichtung gleichmäßig erfolgt, ist das Substrat 3 an einem Substrathalter 6 befestigt, der aus drei Armteilen oder Schenkeln 7, 8, 9 zusammengefügt ist, von denen die ersten beiden Schenkel 7,8 einen stumpfen Winkel α und der zweite und dritte Schenkel 8 bzw. 9 einen rechten Winkel β miteinander einschließen.
Die Schenkel 7, 8, 9 sind als Hohlprofile ausgebildet und fest miteinander verbunden oder einteilig ausgebildet. Durch die Längsbohrungen der drei Schenkel 7, 8, 9 ist eine mehrteilige Antriebswelle 14, 15, 16 hindurchgeführt, deren einzelne Glieder durch Kegelradpaare 17 bzw. 18 in Wirkverbindung stehen. Die Welle 14 ist von einem Motor 21 angetrieben, dessen Drehbewegungen über die mehrteilige Welle 14, 15, 16 auf das Substrat 3 übertragen werden, wozu das Substrat 3 unmittelbar von einer Spannzange 19 am freien Ende der Welle 12 gehalten wird. Dar Schenkel 7 ist auf einem Bock 20 drehbar gelagert und kann mit Hilfe des Motors 10 um die Achse 1 gedreht werden, weshalb der Substrathalter 6 die in den 2 und 3 dargestellten Positionen einnehmen kann. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Substrathalter 6 um ein Maß α parallel zur Achse 1 zu verschieben, wobei das Substrat 3 ebenfalls seinen Gestaltschwerpunkt A um diesen weg a verändert. Um diese Verschiebung parallel der Achse 1 zu bewirken ist ein Stellmotor 11 vorgesehen, der über eine Stange einen schwenkbar gelagerten Hebel 22 bewegt, dessen Kulisse das Zahnrad 23 übergreift und entsprechend verschiebt. Die Welle 24 des Motors 21 greift über einen Nocken in die Schlitze 25 der Welle 14 ein und steht somit in Wirkverbindung mit der mehrteiligen Welle 14, 15, 16, die ihre Drehbewegung auf das Substrat 3 überträgt, das von der Spannzange 19 gehalten ist. Gegenüber der Wirkachse b der ortsfesten Beschichtungsquelle 13 kann das Substrat 3 also um das Maß a quer verschoben werden und dabei gleichzeitig auch um die Achse m gedreht werden.
Wie die 2 und 3 zeigen, kann das Substrat 3 so in seiner Stellung zur Beschichtungsquelle 13 verschoben und verdreht werden, daß alle Partien der Mantelfläche des Substrats gleichmäßig beschichtbar sind.

3: Substrat
6: Substrathalter
7: Schenkel
8: Schenkel
9: Schenkel
10: Motor
11: Motor
12: Welle
13: Beschichtungsquelle
14: Welle, Glied
15: Welle, Glied
16: Welle, Glied
17: Kegelradpaar
18: Kegelradpaar
19: Spannzange
20: Bock
21: Motor
22: Hebel, Schaltklaue
23: Zahnrad
24: Welle
25: Schlitz
26: Ritzel
27: Schiebemuffe, Vielkeilwelle

Claims

Vakuumbeschichtungsvorrichtung zum allseitigen Beschichten eines Substrates (3) durch Rotation des Substrates (3) in einem Materialstrom, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer Materialquelle (13), aus einem Substrathalter (6) mit einer Befestigungsstelle (19) für die Halterung des Substrates (3) gegenüber der Materialquelle (13) und aus einem dem Substrathalter (6) zugeordneten Antrieb (10, 11, 21) für die Erzeugung einer Rotations- und Verschiebebewegung des Substrats (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (6) aus einem in drei sich winklig zueinander erstreckende Schenkel (7, 8, 9) aufgeteilten Hohlprofilzuschnitt gebildet ist, wobei der erste (7) mit dem zweiten Schenkel (8) einen stumpfen Winkel (α) einschließt und der zweite und dritte Schenkel (8 und 9) zusammen ein etwa rechtwinkliges Knie bilden, und das Substrat (3) am Ende des dritten Schenkels (9) gehalten ist, wobei die Längsachse (1) des ersten Schenkels (7) etwa den zentralen Bereich des Substrats (3) schneidet, wobei der Substrathalter (6) motorisch angetrieben um die Längsachse (1) des ersten Schenkels (7) rotierbar und darüber hinaus in Richtung dieser Längsachse (1) hin- und herbewegbar (a) ist, und wobei das Substrat (3) mit einer Welle (12) drehfest verbunden ist, die als Gelenkwelle oder als flexible Welle ausgebildet und entlang den Längsachsen der Schenkel (7, 8, 9) durch den Profilzuschnitt (6) hindurchgeführt ist, und deren freies Ende mit einem Motor (21) in Wirkverbindung steht.
Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, dem Substrat (3) abgewandte Schenkel (7) des Hohlprofilzuschnitts dreh- und längsverschiebbar in einem ortsfesten Lager (20) gehalten und geführt ist und auf seiner zumindest abschnittsweise zylindrischen Mantelfläche mit einer Verzahnung (23) versehen ist, die mit dem Ritzel (26) der Antriebswelle eines Motors (10) im Eingriff steht.
Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Substrat (3) zugewandte Ende der Gelenkwelle (14, 15, 16) mit einer Spannzange (19) zur Halterung des Substrats (3) versehen ist.
Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Substrat (3) abgewandte Ende der flexiblen Welle (14, 15, 16) über ein Vielnutprofil (27) mit der Motorantriebswelle (24) drehfest verbunden ist.
Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stellmotor (11) mit einer von diesem bewegbaren, den Zahnkranz (23) am ersten Schenkel (7) des Hohlprofils übergreifenden und mit diesem zusammenwirkenden Schaltklaue (22) zum Verschieben des Hohlprofils in ihrer Lagerung (20).