DE2820286C2

DE2820286C2 - Durchlauf-Heizeinrichtung für diskontinuierlichen Betrieb als Vorschalteinrichtung für Vakuumbeschichtungsanlagen

Info

Publication number: DE2820286C2
Application number: DE2820286A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 6450 Hanau Aichert; Otto-Horst Dr.-Ing. 6451 Rodenbach Hoffmann; Friedrich 6456 Langenselbold Stark; Herbert Dr.-Phys. 6454 Bruchköbel Stephan
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1985-12-19
Also published as: DE2820286A1; US4226587A

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchlauf-Heizeinrichtung für diskontinuierlichen Betrieb als Vorschalteinrichtung für Vakuumbeschichtungsanlagen, vorzugsweise für metallische Substrate, bestehend aus einer Heizkammer mit mindestens einer Heizeinrichtung und einer zwischen den Heizkammerwänden und der Heizeinrichtung parallel zur Transportrichtung der Substrate angeordneten Wärmedämmung.

Es ist bekannt, Substrate auf Temperaturen aufzuheizen, die erheblich oberhalb der Raumtemperatur liegen, um beispielsweise die Haftfestigkeit zwischen dem das Substrat bildenden Grundmetall und der aufgedampften Schicht durch intermetallische Diffusion zu vergrößern. Beim Aufdampfen von oxydations- und korrosionshemmenden Oberflächenschichten auf Gasturbinenschäufeln haben sieh Temperaturen zwischen etwa 800° C und UOO⁰C, vorzugsweise zwischen 950° C und 1000°C, als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn beispielsweise Legierungen aus CoCrAlY und NiCoCrAIY für die Herstellung der Oberflächenschichten verwendet werden.

Durch die DE-PS 19 41 254 ist es bekannt, in der eigentlichen Aufdampfkammer für die Substratbeheizung besondere Wärmequellen vorzusehen, mit denen die Substrate beispielsweise auf Temperaturen von etwa 980°C aufgeheizt werden können. Abgesehen davon, daß eine Kondensation von Metalldämpfen auf den Wärmequellen unbedingt vermieden werden muß, wird hierdurch die Aufdampfkammer für die Dauer der Aufheizzeit der Substrate zusätzlich blockiert, wodurch die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage herabgesetzt wird. Eine Beschleunigung des Aufheizvorganges durch Erhöhung der Heizleistung verbietet sich deswegen, weil die Wärmeausbreitung in den Substraten nur durcn Wärmeleitung erfolgen kann und eine zu große Heizleistung die Gefahr örtlicher Oberhitzungen mit sich bringen würde.

Es ist auch bereits bekannt, Substrate in sogenannten Vorheizkammern aufzuheizen, wobei jedoch die Substrattemperaturen Maximalwerte von ca. 300 bis 400° C nicht überschritten haben. Aus diesem Grunde waren die Vorheizkammern auch nicht mit Wärmedämmungen ausgerüstet, die sich zu einer praktisch geschlossenen Kammer ergänzten. Bei einem niedrigen Temperaturniveau spielen öräiche Senken bzw. Quellen von Wärmeverlusten nicht die entscheidende Rolle wie bei einem hohen Temperaturniveaa

Während es im allgemeinen keine Schwierigkeiten bereitet, ein einzelnes Substrat bei ausreichender Aufheizzeit auf ein genau vorherbestimmtes Temperaturniveau zu bringen, wachsen die Schwierigkeiten ganz beträchtlich, wenn es sich darum handelt eine Vielzahl von Substraten, die in einer Fläche ausgebreitet bedampft werden sollen, auf ein gleichmäßig hohes Temperaturniveau aufzuheizen. Die gleichzeitige Beschichtung einer Vielzahl von Substraten ist aber auch bei großtechnischer Anwendung der infrage kommenden Beschichtungsverfahren unerläßlich. Es handelt sich hierbei um Vakuumaufdampfverfahren, Katodenzerstäubungsverfahren, die CVD-Mcthode (Chemical Vapor Deposition), die Ionen-Implantation etc.

Bei der Herstellung der eingangs beschriebenen oxydations- und korrosionshetnmend-r; Schichten hat es sich gezeigt, daß eine Substrattemperatur von beispielsweise 1000° C bei sämtlichen Substraten möglichst genau, d.h. mit einer Abweichung von höchstens ±10°C eingehalten werden muß. Zur Erfüllung solcher Forderungen ist es bekannt, Durchlauf-Heizeinrichtungen entsprechend lang auszubilden, d. h. ihnen etwa die doppelte Länge zu geben wie die Längenausdehnung der Substrate. Ein solcher Längenzuwachs hat jedoch bei Vakuumanlagen den Nachteil, daß er doppelt auftritt, weil die notwendigerweise für den Substrathalter vorhandene Transportstange entsprechend länger gestaltet werden muß. Da die Transportstange in eine Schleusenoder Chargierkammer zurückgezogen werden muß, ist es erforderlich, auch diese Kammer entsprechend länger zu gestalten, woraus sich die Verdoppelung der Baulänge ergibt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchlauf-Heizeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die es geatattet, eine Vielzahl von Substraten auf ein gleichmäßiges Temperaturniveau zu bringen und dabei dennoch eine möglichst geringe Baulänge aufweist, so daß auch die Baulänge der gesamten Anlage sich entsprechend verringert.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Durchlaufheizeinrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß der Heizkammer an beiden Enden quer zur Transporteinrichtung angeordnete, bewegliche Wärmedämmungen zugeordnet sind. Sobald die Substrate sich in der Heizeinrichtung befinden,

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j lassen sich die Wärmedämmungen als strahlungsun- dung vorgeschlagen, daß in mindestens einer zur Durch-

' durchlässige Verschlüsse vor die Eintritts- und Aus- laufrichtung parallelen Seitenwand der Heizeinrichtung

. trittsöffnung der Heizeinrichtung bringen, so daß ein eine sich über deren gesamte Länge erstreckende

Temperaturabfall zu den ursprünglich vorhandenen schlitzförmige öffnung vorhanden ist, daß sich außer-

öffnungen der Heizeinrichtung vermieden, zumindest 5 halb der öffnung eine unbeheizbare Kammer befindet,

aber stark unterdrückt wird. Die Längenabmessung der und daß der Rahmen mit einer Seitenwand in die öff-

Heizeinrichtung läßt sich infolgedessen stark reduzie- nung, diese im wesentlichen verschließend, einführbar

ren, womit sich auch die Gesamtabmessungen der AnIa- ist Die Lage der Seitenwand (mit ihrer Wärmedäm-

ge um das doppelte Maß verringern. Die Verringerung mung), die Lage der schlitzförmigen öffnung und die

der gesamten Baulänge ist dabei im wesentlichen auf die 10 geometrische Form der unbeheizbaren Kammer sind

Verringerung der Länge der Transportstange zurückzu- dabei in der Weise auf die Abmessungen des Substrat-

, führen. Da die Transportstange den Substrathalter flie- halters abgestimmt, daß dieser sich in der unbeheizba-

gend trägt läßt sich durch eine Verkürzung der Baulän- ren Kammer befindet, während die Substrate aufgeheizt

ge auch der aus Festigkeitsgründen bedingte Bauauf- werden. Hierdurch findet eine weitgehende Schonung

J wand verringern. 15 des Substrathalters ebenso statt wie eine Vermeidung

Die Wirkung der beweglichen Wärmedämmungen entsprechender Wärmeverluste.

läßt sich gemäß der weiteren Erfindung noch dadurch Ein Ausführungsbeispiel des Erfindtaigsgegenstandes

, : beträchtlich steigern, daß auf ihnen zusätzliche Heizein- sei nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 6 näher erläutert

ii richtungen befestigt sind. Auf diese Weise hat die Heiz- Es zeigt

L¹ einrichtung in geschlossenem Zustand die Wirkung ei- 20 F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch Jie wesentlichen 'ä. ner allseitig geschlossenen Heizkammer mit gleicbmä- Teile einer Vakuumbeschichiungsaniagr mit vorge- ψ Big auf die Wände verteilten Heizeinrichtungen, so daß schalteter Durchlauf-Heizeinrichtung,
ti die beobachteten Temperaturabweichungen sich noch F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch den Gegenstand % weiter verringern. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß nach F ig. 1 entlang der Linie H-II,
[j unbeheizte Wärmedämmungen, die sich in der Warte- 25 Fig.? in der unteren Hälfte eine Draufsicht in Richly stellung befinden, selbst erst durch die Wärmestrahlung tung des Pfeiles X und in der oberen Hälfte einen Horijy der Heizeinrichtung aufgeheizt werden müssen, wenn zontalschnitt entlang der Linie IH-III in F ig. 2,
% sie die Betriebsstellung erreicht haben. Durch die zu- F i g. 4 eine Draufsicht auf eine der beweglichen Wär- \i sätzliche Anordnung von Heizeinrichtungen auf den medämmungen vom Innern der Heizeinrichtung her,
ψ Wärmedämmungen wird dies ausgeschaltet 30 F i g. 5 eine Draufsicht auf den Rahmen in der Transit Bei einer Vakuumbeschichtungsanlage mit einem portstange und

£ Substrathalter, der an einer ausladenden Transportstan- F i g. 6 einen Schnitt durch den Gegenstand von

|- ge befestigt ist befindet sich diese Transportstange in F i g. 5 entlang der Linie VI-VI.

|"_f: der Beschichtungsstellung des Substrathalters notwen- Die Vakuumbeschichtungsanlage gemäß F i g. 1 be-

% digerweise in der Durchlauf-Heizeinrichtung. Zwar wä- 35 steht aus einer Vakuumaufdampfkammer 10 mit einem

■5 re es möglich, den schädlichen Einfluß der Sirahiungs- rechteckigen Verdampfertiege! 11, dessen längste Sym-

% wärme auf die Transportstange durch eine entsprechen- metrieebene mit der Schnittebene zusammenfällt Die

ρ de Kühlung auszuschalten, jedoch würde dies nicht nur Kammer 10 ist auf ihrer Unterseite durch eii.e Trajplat-

^;» zu Energievcrlusten und zu einer ungleichmäßigen te 12 verschlossen, die gemeinsam mit dem auf ihr befe-

V. Temperaturverteilung aufgrund des Wärmeentzugs 40 stigten Verdampfertiegel 11 absenkbar ist Der Ver-

durch die Transportstange führen, sondern die Trans- dampfertiegel wird von unten her mit Stangen 13 aus

):\ portstange selbst verhindert auch einen weitgehenden der zu verdampfenden Legierung beschickt, während

P₁ Verschluß der Heizeinrichtung. Zur Beseitigung dieses die obere Öffnung des Verdampferticgels durch Elek-

; Mangels wird weiterhin vorgeschlagen, daß innerhalb tronenstrahlen beheizt wird, die von den Elektronen-

^; der Transportstange ein kastenförmiger Rahmen ange- 45 Strahlkanonen 14 erzeugt werden. Eine Vielzahl von

'.'. ordnet ist, durch den die Heizkammer an den Seiten und Substraten sind an einem Substrathalter 15 befestigt,

: ' an den Enden im wesentlichen verschließbar ist, und daß der gabelförmig ausgebildet ist und sich beiderseits des

-', an diesem Rahmen auf die Heizkammer ausgerichtete Verdampfertiegels 11 über dessen gesamte Länge er-

;■: Wärmedämmungen befestigt sind. Der Rahmen über- streckt Auf diese Weise befinden sich die Substrate in

ja nimmt hierbei während der Dauer des Beschichtungs- 50 flächiger Ausbreitung oberhalb des Verdampfertiegels

^;y Vorganges, bei dem sich der Substrathalter mit den Sub- 11. Die Vakuumaufdampfkammer 10 ist auf der linken

ti straten in der Beschichtungskammer befindet die Funk- Seite mit einer Ventilkammer 16 versehen, in dem sich

tion der beweglichen Wärmedämmungen. Er stellt im ein Absperrventil 17 befindet welches durch einen Ven-

Prinzip eine allseitig geschlossene Heizeinrichtung wie- tilantrieb 18 betätigbar ist Das Absperrventil 17 ist in

der her. 55 geöffneter Stellung gezeigt

Der Substrathalter hat dabei im allgemeinen Abmes- Der Vakuumaufdampfkammer 10 ist eine Chargier-

sungen, die merklich über die Abmessungen der Fläche einrichtung 19 vorgeschaltet, zu der eine Vorbehand-

hinausgehen, in der die Substrate angeoidnet sind. Dies lungskammer 20 gehört. Die Chargiereinrichtung 19 be-

ist schon deswegen erforderlich, damit der Substrathai- steht aus einer Chargierkammer 21 mit einem Deckel 22

ter nicht selbst unmittelbar dem Beschichtungsvorgang 60 zum Einsetzen der Substrate in den Substrathalter 15.

und einer etwaigen Wärmestrahlung während des Be- Um den Substrathalter 15 in den Raum unterhalb des

Schichtungsvorganges ausgesetzt ist. Hierbei ist zu be- Deckels 22 bringen zu können, ist der Substrathalter 15

achten, daß sich im Substrathalter auch empfindliche über eine Transportstange 23 mit einem Fahrgestell 24

Antriebsteile beispielsweise für die Bewegung der Sub- verbunden, welches auf Schienen 25 in Richtung der

strate im Dampf strom befinden können. Selbstv erstand- 65 Transportstange 23 geführt ist Die Energiezufuhr zu

lieh soll der Substrathalter auch nicht dem Wärmeein- dem auf dem Fahrgestell 24 angeordneten, nicht näher

fluß im Innern der Heizeinrichtung ausgesetzt werden. bezeichneten Antrieben geschieht durch ein Schleppka-

l Im dies zu vermeiden wird gemäß der weiteren Erfin- belsystem 26. Die Vorbehandlungskammer 20 ist an bei-

den Enden mit Ventilkammern 27 und 28 versehen, in denen sich Absperrventile 29 und 30 befinden, die durch Ventilantriebe 31 und 32 betätigbar sind. Auch die Absperrventile 29 und 30 sind wegen der Hindurchführung der Transportstange 23 durch die Vorbehandlungskammer 20 in geöffneter Stellung gezeigt. Die Ventilkammern 16 und 28 sind durch ein lösbares Kuppelventil 33 miteinander verbunden.

In der Vorbehandlungskammer 20 befindet sich eine Durchlauf-Heizeinrichtung 34, die als liegender Schacht ausgebildet ist und aus einer Heizkammer 35 mit einer innenliegenden Heizeinrichtung 36 besteht, die beispielsweise aus einem Heizwiderstand aus einem hochschmelzenden Widerstandsmaterial gebildet ist. Zwischen der Heizeinrichtung und den Heizkammerwänden befinden sich Wärmedämmungen 37 auch Blechpaketen. An den beiden Enden ist die Heizkammer 35 soweit verschlossen, daß der Substrathalter 15 gerade eben in Längsrichtung hindurchführbar ist. In der in F i g. 1 gezeigten Stellung von Substrathalter 15 und Transportstange 23 befinden sich ein in den F i g. 5 und 6 dargestellter Rahmen 38, der die Heizkarnmer an den Seiten und an den Enden im wesentlichen strahlur.gsundurchiässig verschließt, in der Heizkammer.

Auf der Vorbehandlungskammer 20 ist ein Antriebszylinder 39 angeordnet, dessen Kolbenstange 40 die obere Wand der Vorbehandhingskammer durchdringt und an einer Traverse 41 befestigt ist, die parallel zur Transportstange 23 oberhalb der Heizkammer 35 verläuft Die Traverse 41 hat eine Länge, die geringfügig größer ist als die Länge der Heizkammer 35. An den beiden Enden der Traverse 41 befinden sich bewegliche Wärmedämmungen 42 und 43, die in der Draufsicht in Fig.4 dargestellt sind. Diese Wärmedämmungen erstrecken sich quer zur Transportstange 23 und sind im Stande, die stirnseitigen öffnungen in der Heizkammer 35 strahlungsdicht zu verschließen, sobald die Traverse 41 mittels des Antriebszylinders 39 um ein entsprechendes Maß abwärts bewegt wird.

Den F i g. 2 und 3 ist zu entnehmen, daß die Heizkammer 35 einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt hat In den beiden zur Durchlaufrichtung parallelen Seitenwänden 44 und 45 sind schlitzförmige öffnungen 46 und 47 angeordnet, die sich über die gesamte Länge der Heizkammer 35 erstrecken. Außerhalb der öffnungen 46 und 47 sind unbeheizbare Kammern 48 und 49 angeordnet, die mit Kühlschlangen 50 versehen sind. In den Kammern 48 und 49 befinden sich während der Heizperiode die beiden Schenkel des gabelförmigen Substrathalters 15, wobei die Substrate im Innern der Heizkammer 35 durch nicht gezeigte Distanzstücke gehalten werden, die sich durch die Öffnungen 46 und 47 in das Innere der Heizkammer 35 erstrecken. Die elektrischen Anschlüsse der Heizeinrichtung 36 werden durch Stromschienen 51 bewirkt Die Abstützung der Heizkammer 35 an einer Kammerwand 52 erfolgt über Tragarme 53. Die absperrende Wirkung der beweglichen Wärmedämmungen 42 und 43 in geschlossenem Zustand ist aus F i g. 3 zu ersehen.

Gemäß F i g. 4 besitzt die Wärmedämmung 43 die Form einer rechteckigen Platte, auf der zwei zusätzliche Heizeinrichtungen 54 und 55 in Form zweier mäanderförmiger, parallel geschalteter Widerstandsdrähte angeordnet sind. Die Stromzuführung erfolgt über nicht gezeigte flexible Zuleitungen und die Anschlußklemmen 56 und 57. In etwa dem Umriß der Heizeinrichtungen 54 und 55 folgend sind in F i g. 4 gestrichelt die Umrißlinien 58 der Durchtrittsöffnung für den Substrathalter dargestellt.

Die Konstruktion des Rahmens 38 geht aus den F i g. 5 und 6 hervor. Der Rahmen besteht aus vier Seitenwänden 59 bis 62, die zu einem verwindungssteifen Rahmen miteinander verbunden sind. An den Innenseiten befinden sich als Blechpakete ausgebildete Wärmedämmungen 63 bis 66, welche die gesamten Innenflächen der Seitenwände überdecken. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Seitenwände 60,62 mit den Wärmedämmungen 64 und 66 sich in den öffnungen 46 und 47 befinden (F i g. 2), wenn sich der Substrathalter 15 in der in F i g. 1 gezeigten Position befindet. An den Rahmen 38 schließt sich ein Strahlungsschutz 67 an. dessen Enden 68 die Stirnseiten der Kammern 48 und 49 verschließen, wenn sich der Rahmen 38 in einer entsprechenden Position befindet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: io 15

1. Durchlauf-Heizeinrichtung für diskontinuierlichen Betrieb als Vorschalteinrichtung für Vakuumbeschichtungsanlagen, vorzugsweise für metallische Substrate, bestehend aus einer Heizkammer mit mindestens einer Heizeinrichtung und einer zwischen den Heizkammerwänden und der Heizeinrichtung parallel zur Transportrichtung der Substrate angeordneten Wärmedämmung, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkammer (35) an beiden Enden quer zur Transportrichtung angeordnete, bewegliche Wärmedämmungen (42, 43) zugeordnet sind.

2. Durchlauf-Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beweglichen Wärmedämmungen (42,43) zusätzliche Heizeinrichtungen (5^55) befestigt sind.

3. DurcMauf-Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumbeschichtungsanlage mit einem Substrathalter (15) ausgestattet ist, der mittels einer ausladenden Transportstange (23) durch die Durcblauf-Heizeinrichtung (34) hindurchführbar ist, und daß innerhalb der Transportstange ein kastenförmiger Rahmen (38) angeordnet ist, durch den die Heizkammer (35) an den Seiten und an den Enden im wesentlichen verschließbar ist, und daß an diesem Rahmen auf die Heizkammsr ausgerichtete Wärmedämmungen (63 bis 66) befestigt sind.

4. Durchlauf-Heiziiinrichi^ng nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer zur Durchlaufrichtung parali Jen Seitenwand (44, 45) eine sich über die gesamte Länge erstreckende schlitzförmige Öffnung (46, 47) vorhanden ist, daS sich außerhalb der öffnung eine unbeheizbare Kammer (48,49) befindet, und daß der Rahmen (38) mit einer Seitenwand (60, 62) in die öffnung, diese im wesentlichen verschließend, einführbar ist

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