DE3717712A1

DE3717712A1 - Vorrichtung zur halterung von werkstuecken

Info

Publication number: DE3717712A1
Application number: DE19873717712
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Pivit; Ralf Dipl Ing Nachtsheim
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1988-12-15
Also published as: CH675845A5; US4891009A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken für den Transport zwischen einer Auf nahme- oder Abgabestation und einer Beschichtungs station im Innenraum einer Beschichtungskammer und zur Temperierung der Werkstücke während des Beschichtungs vorgangs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zu schaffen, die Werkstücke, beispielsweise Lager schalen für Hubkolbenmotoren, derart aufnimmt, daß diese sich in einer genau definierten Lage und Form zum Werkstückträger ausrichten, wobei die Vorrichtung gleichzeitig dafür Sorge tragen soll, daß sich die Werkstücke während eines Beschichtungsvorgangs, bei spielsweise einer Besputterung, in einer evakuierten Beschichtungskammer nicht übermäßig aufheizen. Die Werkstückträger sollen dabei frei beweglich bleiben, weshalb diese ohne Kühlmittelleitungen oder sonstige Druckmittel-Verbindungen ausgebildet sein sollen. Schließlich soll die Vorrichtung das problemlose Ein- und Ausschleusen der Werkstücke in die Beschichtungs kammer ermöglichen und auch sicher stellen, daß während einer Störung an der Beschichtungseinrichtung, bei spielsweise bei einem Stromausfall die Werkstücke sicher in ihren Halterungen am Werkstückträger ver bleiben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen als Hohl- oder Druckkörper ausgebildeten, zumindest teil weise mit einem Wärmeübertragungsmedium gefüllten Werkstückträger gelöst, der an einer der Beschichtungs quelle zugekehrten Fläche ein oder mehrere nach außen zu offene als Ausnehmungen, Vertiefungen oder Nuten ausgebildete Werkstückaufnahmen aufweist, wobei an der selben Fläche bewegliche Halteorgane vorgesehen sind, die die Werkstücke in der Werkstückaufnahme arretieren und wobei zumindest eine Partie einen Wärmeübertra gungskopf bildet, der während des Beschichtungsvorgangs mit einem Kühlkörper oder einer Kühlplatte zusammen wirkt, die über eine oder mehrere Druckmittelleitungen an eine Kühlmittelquelle oder an einen Kühlmittelkreis lauf angeschlossen ist.

Vorzugsweise weist der Werkstückträger eine im wesent lichen parallelepidede Form auf, wobei die in der Beschichtungskammer der Beschichtungsquelle zugekehrte Seitenfläche mit einer etwa ein Oval bildenden Werk stückaufnahme versehen ist, in die Werkstücke einlegbar sind, die der Beschichtungsquelle zugekehrte Stütz flächen aufweisen, an die Spannbacken anlegbar sind, die ihrerseits am Werkstückträger gehalten und geführt sind.

Mit Vorteil sind in die die Werkstückaufnahme bildende Ausnehmung oder Nut eine oder mehrere Kontaktschalen eingelegt, die aus einem die Wärme besonders gut leitendem und in engen Grenzen elastisch verformbaren Werkstoff gebildet sind.

Parallel der Seitenwandungen der Werkstückaufnahme sind an der Außenfläche des Werkstückträgers Pratzleisten fest angeordnet, wobei jeweils zwei einander gegenüber liegend angeordnete Pratzleisten einen Abstand zwischen sich einschließen, der geringer bemessen ist, als die ganze Breite eines nicht in die Werkstückaufnahme eingelegten Werkstücks.

Um einen möglichst raschen Wärmeübergang vom Werkstück auf den Werkstückträger zu ermöglichen ist die Kontakt schale aus miteinander verwebten, verflochtenen oder verwirkten Metalldrähten oder Metallstreifen gebildet.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Kontaktschale eine Vielzahl von nach außen zu abstehen de Lamellen auf, die sich nach Art eines Teppichflors eng an die Kontaktfläche des Werkstücks anlegen und damit einen raschen Wärmeübergang bewirken.

Zweckmäßigerweise sind die Spannbacken am Werkstück träger um Bolzen schwenkbar gelagert, die ihrerseits an Zuggliedern angelekt sind, die von einem Spannbügel angetrieben sind, der pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch bewegbar oder von Federn angetrieben ist.

Mit Vorteil mündet im Bereich der Werkstückaufnahme eine Bohrung ein, die durch den Werkstückträger hin durchgeführt ist, wobei in der Bohrung eine Auswerfer stange gelagert ist, die mit dem Spannbügel in Wirkver bindung steht und das Werkstück nach erfolgter Be schichtung aus der Werkstückaufnahme herausschiebt.

Um den Transport der Werkstücke zwischen den einzelnen Stationen einer Beschichtungsvorrichtung zu ermög lichen, weist der Werkstückträger Haltearme auf, mit denen er an einem Transportschlitten oder ein Trans portband gehalten ist. An Stelle eines Transportbandes kann selbstverständlich auch eine Kette vorgesehen sein, die über Rollen oder Gleitbahnen geführt und von geeigneten Elektromotoren oder Hydromotoren angetrieben ist, wobei die einzelnen Werkzeugträger mit Hilfe der Haltearme an dieser angelenkt oder in diese eingehängt sind.

Erfindungsgemäß ist der Kühlkörper oder die Kühlplatte als mit einem Kühlmittel gefüllter Hohlkörper ausge bildet, der über eine Schlauch- oder Rohrleitung mit einem Wärmetauscher verbunden ist, wobei in die Lei tungen Absperrorgane und/oder Regelventile eingeschal tet sind, die über einen Temperaturfühler mit Stell motor steuerbar sind.

Vorzugsweise sind die Kühlkörper jedem Werkstückträger paarweise zugeordnet, wobei jeweils einer der Kühl körper an einem der Beschichtungsquelle zugewandten Abschnitt auf der Frontseite des Werkstückträgers und der andere Kühlkörper an der diesem Abschnitt gegen überliegenden Rückseite des Werkstückträgers anliegt.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög lichkeiten zu; eine davon ist in den anliegenden Zeichnungen näher dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 Ein Werkstückträger ohne die zugehörigen Kühlkörper in perspektivischer Ansicht, wobei die zugehörigen Spannbacken und der Spann bügel der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht näher dargestellt sind,

Fig. 2 den Schnitt quer durch einen Werkstückträger, wobei zusätzlich noch für ein automatisches Zuführen der Werkstücke erforderliche Anpreß stempel angedeutet sind,

Fig. 3 drei an ein Transportband angehängte Werk stückträger in perspektivischer Ansicht und stark vereinfacht dargestellt,

Fig. 4 das Schema eines Kühlkreislaufes für vier Werkstückträger, wobei die einzelnen Aggre gate als bloße Symbole dargestellt sind und

Fig. 5 den Schnitt quer durch eine Werkstückaufnahme mit Pratzleisten, Kontaktschale und Spann backen.

Der Werkstückträger 1 besteht im wesentlichen aus einem Hohlkörper, der als Druckbehälter ausgeführt und teil weise mit einem Wärmeübertragungsmedium 10 gefüllt ist, aus einer Werkstückaufnahme 2, 3 die gleichzeitig den Wärmekontakt zwischen Werkstück 4, 5 und Hohlkörper 1 schafft, aus Spannbacken 6 bis 9, die die Werkstücke 4, 5 in genau definierter Lage halten, aus Auswerferstan gen 11, 12 und einem oberen Abschnitt des Werkstückträ gers, der einen Wärmeübertragungskopf 13 bildet. Die Werktücke 4, 5 werden in einer vor der Beschich tungsanlage angeordneten Beladestation (nicht darge stellt), nach Öffnen der Spannbacken 6 bis 9 des Werkstückträgers, in die Werkstückaufnahme 2, 3 einge ordnet, wobei sowohl eine manuelle wie auch eine automatische Handhabung möglich ist. Mit Hilfe eines Anpresstempels 14, 15 der Beladestation werden Werk stücke 4, 5 mit einer bemessenen Kraft an die Substrat aufnahme 2, 3 angedrückt und dann durch Anlegen der Spannbacken 6 bis 9 gesichert. Die Betätigung eines Spannbügels 16 erfolgt über Federn 17, 18 oder mittels einer pneumatischen Vorrichtung oder mit Hilfe einer Kombination aus beidem. Es wird hierdurch erreicht, daß die, in diesem Anwendungsfall halbschalenförmigen Werkstücke 4, 5 einen definierten Radius annehmen, durch die, zwischen den Spannbacken 6 bis 9 vorgesehene Pratzleisten 17 bis 20 definiert abgedeckt werden und somit genau begrenzt beschichtet werden können. Die Kontaktierung zwischen Werkstück 4, 5 und Wärmeabführ system wird durch eine, dem Anwendungsfall angepaßte Metallschale 21, 22 erreicht. Diese Metallschalen 21, 22 sind so ausgebildet, daß sich durch federndes Anlegen eine große Anzahl von Lamellen, Drähte oder Streifen integral eine möglichst große Wärmeübergangs fläche am Werkstück 4, 5 ergibt. Hierdurch werden exakt bearbeitete und streng tolerierte Flächen in der Werk stückaufnahme 2, 3, sowie hohe Anpreßkräfte, zur Er reichung des Formschlusses überflüssig. Der gute Wärmeübergang von der Metallschale 21, 22 zum Träger-/ Wärmeabführsystem wird dadurch gewährleistet, daß die Metallschale mit dem Hohlkörper durch Lötung verbunden wird. Nach dem Beladen und Arretieren werden die Werkstückträger 1 senkrecht gestellt mit dem Wärmeüber tragungskopf 13 nach oben und in ein angepaßtes Trans portsystem eingehängt. Der Hohlkörper 1 ist in diesem speziellen Anwendungsfall mit einer definierten Menge destilliertem, entgastem Wasser gefüllt. Die unter Vakuum eingefüllte Wassermenge gewährleistet unter Betriebsbedingungen einen Kühlmittelstand im Hohlkörper 1, der zu jedem Zeitpunkt des Beschichtungsvorgangs eine Werkstückkühlung sicherstellt. Für Anwendungs fälle, die zur Beschichtung andere Temperaturverhält nisse erfordern, sind andere Wärmeübertragungsmedien wie Öle, Alkohole oder flüssige Metalle, Salz etc. verwendbar.

Nach Einbringen des Hohlkörpers 1 bzw. des beladenen Werkstückträgers in die Sputterkammer werden, jeder Arbeitsposition zugeordnet, an den Wärmeübertragungs kopf 13 des Hohlkörpers 1 wasserdurchströmte Kühlplat ten 23, 24 angelegt. (Fig. 3). Über dieses mit Vakuum durchführungen 27 bis 35 nach außen geführte Kühlsystem (Fig. 4) läßt sich, unter Berücksichtigung der Zeitkon stanten des Systems, eine genau definierte Temperatur an den Werkstücken 4, 5 einstellen.

Die am Werkstück 4, 5 anfallende Wärme wird über die Metallschalen 21, 22 an die Hohlkörperwandung abgelei tet. Von dort wird die Wärme an das Wärmeübertragungs medium 10 weitergeleitet. Entsprechend dem Sättigungs gleichgewicht verdampft eine bestimmte Menge des Kühlmittelinventars, steigt in freier Konvektion nach oben und wird dort am Wärmeübertragungskopf 13, der Wärmesenke, niedergeschlagen und tropft zurück in die Kühlmittelvorlage. Der Rückkühlkreislauf des Carriers besteht (gemäß Fig. 4) im wesentlichen aus einer kontinuierlich fördernden Pumpe 25, einer Rückkühlung bzw. einem Wärmetauscher 26, Vakuumdurchführungen 27 bis 35, flexiblen Schläuchen 36 bis 44, mediumdurch strömten Kupferplatten 23, 24 und 45 bis 50, Vorrich tungen zum Andrücken der Kühlplatten, einem Drei-Wege Regelventil 51 mit Meßgerät 52 und Regler für die Vorlauftemperatur, sowie einzelnen untergeordneten Regelkreisen mit Drosselventil und Temperaturabgriff für jede Kühlplatte 23, 24 bzw. 45 bis 50. Die Regelung der Substrattemperatur erfolgt indirekt über Tempera tur- und Mengeneinstellung im Rückkühlkreis 53. Der zur Regelung am Substrat 4, 5 erforderliche Temperatur-Ist- Wert wird, da der Temperaturgradient über den Carrier im stationären Zustand vernachlässigbar ist, im Bereich des Wärmeübertragungskopfs 13 am Hohlkörper 1 abgegrif fen. Da der Carrier während des Beschichtungsvorgangs unter Hochspannung steht, ist es erforderlich, daß die Temperatur berührungslos oder mit speziellen, elek trisch nicht leitenden berührenden Meßinstrumenten 54 bis 57 abgegriffen wird. Über diesen Ist-Wert wird mit Hilfe eines Regelventils die Wassermenge in den Kühl platten und damit die Temperatur am kalten Ende des Carriers geregelt. Dadurch stellt sich über den Car rier, da der Wärmeeintrag aus dem Prozeß als konstant anzusehen ist, ein definiertes Temperaturniveau ein. Ein weiterer Regelkreis, mit Temperaturabgriff im Vorlauf und Drei-Wege-By-Pass-Ventil, sorgt für ein geeignetes Vorlauftemperaturniveau.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung findet Anwen dung bei der Herstellung von aufgesputterten Ver schleißschichten auf Lagerschalen im In-Line-Prinzip. Weitere Anwendungen sind bei allen auf automatisches Handling ausgerichteten Beschichtungsanlagen nach dem In-Line-Prinzip denkbar. Zur Herstellung von Lagerschalen mit hohen Standzeiten ist ein Beschichtungstyp verwendbar, der, bestehend aus einer Haftschicht und der eigentlichen Verschleiß schicht, die Lebensdauer solcher Lager ganz wesentlich erhöht. Der Schichtaufbau erfolgt durchlaufend in nachfolgenden Schritten in einer Vakuumkammer:

- Plasmaätzen
- Sputtern der Haftschicht
- Sputtern der Verschleißschicht Die dabei aufgewendeten Energien werden fast ausschließ lich in Wärme umgesetzt und heizen das Werkstück bzw.

das Substrat und das Strukturmaterial auf. Durchgeführ te Versuche zeigten aber, daß die Qualität und damit gleichzeitig auch die Standzeit der Lagerschalen stark vor den beim Sputtern der Schichten eingestellten Temperatur abhängig ist. Aus dieser Abhängigkeit heraus ergibt sich die Forderung, die Werkstücke während der Bearbeitungsvorgänge in der Temperatur konstant auf einem Niveau zu halten. Als ein günstiges Temperatur niveau für den vorliegenden Schichttyp zeigt sich der Bereich zwischen 160 und 180 Grad C. Um eine Anpas sungsfähigkeit des Konzepts an andere Schichttypen zu erreichen, ist darüberhinausgehend die Möglichkeit vorgesehen, andere Temperaturniveaus einzuregeln. Zu diesem Zweck ist in Erweiterung eines Return-System- Konzeptes für eine In-Line Sputterkammer eine Werkzeug aufnahme entwickelt, die neben ihrer Trägerfunktion noch über das beschriebene Wärmeabfuhrsystem/Temperier system verfügt.

Auflistung der Einzelteile 1 Hohlkörper, Werkstückträger
2 Substrataufnahme, Werkstückaufnahme
3 Substrataufnahme, Werkstückaufnahme
4 Substrat, Werkstück
5 Substrat, Werkstück
6 Spannbacke
7 Spannbacke
8 Spannbacke
9 Spannbacke
10 Wärmeübertragungsmedium
11 Auswerferstange
12 Auswerferstange
13 Wärmeübertragungskopf, Abschnitt
14 Anpreßstempel
15 Anpreßstempel
16 Spannbügel
17 Pratzleiste
18 Pratzleiste
19 Pratzleiste
20 Pratzleiste
21 Metallschale, Kontaktschale
22 Metallschale, Kontaktschale
23 Kühlplatte, Kühlkörper
24 Kühlplatte, Kühlkörper
25 Pumpe
26 Rückkühlung, Wärmetauscher
27 Vakuumdurchführung
28 Vakuumdurchführung
29 Vakuumdurchführung
30 Vakuumdurchführung
31 Vakuumdurchführung
32 Vakuumdurchführung
33 Vakuumdurchführung
34 Vakuumdurchführung
35 Vakuumdurchführung
36 flexibler Schlauch
37 flexibler Schlauch
38 flexibler Schlauch
39 flexibler Schlauch
40 flexibler Schlauch
41 flexibler Schlauch
42 flexibler Schlauch
43 flexibler Schlauch
44 flexibler Schlauch
45 Kühlplatte
46 Kühlplatte
47 Kühlplatte
48 Kühlplatte
49 Kühlplatte
50 Kühlplatte
51 Regelventil
52 Meßgerät
53 Rückkühlkreis
54 Meßgerät, Temperaturfühler
55 Meßgerät, Temperaturfühler
56 Meßgerät, Temperaturfühler
57 Meßgerät, Temperaturfühler
58 Stützfläche
59 Stützfläche
60 Stützfläche
61 Stützfläche
62 Bolzen
63 Bolzen
64 Bolzen
65 Bolzen
66 Zugglied
67 Zugglied
68 Zugglied
69 Zugglied
70 Feder
71 Feder
72 Pneumatikzylinder
73 Pneumatikzylinder
74 Bohrung
75 Bohrung
76 Haltearm
77 Haltearm
78 Transportband
79 Regelventil
80 Regelventil
81 Regelventil
82 Regelventil
83 Regelventil
84 Regelventil
85 Regelventil
86 Regelventil
87 Stellmotor
88 Stellmotor
89 Stellmotor
90 Stellmotor
91 Stellmotor
92 Stellmotor
93 Stellmotor
94 Stellmotor

Claims

1. Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken (4, 5) oder Substraten für den Transport zwischen einer Aufnahme oder Abgabestation und einer Beschichtungsstation im Innenraum einer Vakuum-Beschichtungskammer und zur Temperierung der Werkstücke während des Beschichtungs vorgangs, gekennzeichnet durch einen als Hohl- oder Druckkörper ausgebildeten, zumindest teilweise mit einem Wärmeübertragungsmedium (10) gefüllten Werkstück träger (1), der an einer der Beschichtungsquelle zu gekehrten Fläche ein oder mehrere nach außen zu offene als Ausnehmungen, Vertiefungen oder Nuten ausgebildete Werkstückaufnahmen (2, 3) aufweist, wobei an der selben Fläche bewegliche Halteorgane (6 bis 9) vorgesehen sind, die die Werkstücke in der Werkstückaufnahme (2, 3) arretieren und wobei zumindest eine Partie einen Wärmeübertragungskopf (13) bildet, der während des Beschichtungsvorgangs mit einem Kühlkörper oder einer Kühlplatte (23, 24) zusammenwirkt, die über eine oder mehrere Druckmittelleitungen (36 bis 44) an eine Kühl mittelquelle oder einen Kühlmittelkreislauf (25, 26; 51, 52, 53) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückträger (1) eine im wesentlichen parallelepipede Form aufweist, wobei die in der Be schichtungskammer der Beschichtungsquelle zugekehrte Seitenfläche mit einer etwa ein Oval bildenden Werk stückaufnahme (2, 3) oder endlosen Nut versehen ist, in die Werkstücke (4, 5) einlegbar sind, die der Beschich tungsquelle zugekehrte Stützflächen (58 bis 61) aufwei sen, an die Spannbacken (6 bis 9) anlegbar sind, die ihrerseits am Werkstückträger (1) gehalten und geführt sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß in die die Werkstückaufnahme (2, 3) bildende Ausnehmung oder Nuten eine oder mehrere Kontaktschalen (21, 22) eingelegt sind, die aus einem die Wärme besonders gut leitendem und in engen Grenzen elastisch verformbaren Werkstoff gebildet sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß parallel der Seitenwandungen der Werkstückaufnahme (2, 3) an der Außenfläche des Werk stückträgers (1) Pratzleisten (17 bis 20) fest ange ordnet sind, wobei jeweils zwei einander gegenüber liegend angeordnete Pratzleisten (17, 18 bzw. 19, 20) eine Abstand (A) zwischen sich einschließen, der geringer bemessen ist, als die ganze Breite (B) eines nicht in die Werkstückaufnahme (2, 3) eingelegten Werk stücks.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschale (21, 22) aus miteinander verweb ten, verflochtenen oder verwirkten Metalldrähten oder Metallstreifen gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschale (21, 22) eine Vielzahl von nach außen zu abstehenden Lamellen aufweist, die sich nach Art eines Teppichflors eng an die Kontaktfläche des Werkstücks anlegen und damit einen raschen Wärmeüber gang bewirken.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (6 bis 9) am Werkstückträger (1) um Bolzen (62 bis 65) schwenkbar gelagert sind, die ihrerseits an Zuggliedern (67 bis 69) angelekt sind, die von einem Spannbügel (16) angetrieben sind, der pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch bewegbar oder von Federn (70, 71) ange trieben ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Be reich der Werkstückaufnahme (2, 3) eine Bohrung (74, 75) einmündet, die durch den Werkstückträger (1) hin durchgeführt ist, wobei in der Bohrung (74 bzw. 75) eine Auswerferstange (11, 12) gelagert ist, die mit dem Spannbügel (16) im Wirkverbindung steht und das Werk stück (4, 5) nach erfolgter Beschichtung aus der Werk stückaufnahme (2, 3) herausschiebt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstück träger (1) Haltearme (76, 77) aufweist, mit denen er an einem Transportschlitten oder Transportband (78) ge halten ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper oder die Kühlplatte (23) als ein mit einem Kühlmittel gefüllter Hohlkörper ausgebildet und über eine Schlauch- oder Rohrleitung (36 bis 44, 53) mit einem Wärmetauscher (26) verbunden ist, wobei in die Leitun gen Absperrorgane (51) und/oder Regelventile (79 bis 86) eingeschaltet sind, die über einen Temperaturfühler (54 bis 57) mit Stellmotor (87 bis 94) steuerbar sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (23, 24 bzw. 45 bis 50) jedem Werkstückträger (1) paarweise zugeordnet sind, wobei jeweils einer der Kühlkörper (23, 45, 47, 49) an einem der Beschich tungsquelle zugewandten Abschnitt (13) auf der Front seite des Werkstückträgers (1) und der andere Kühlkör per (24, 46, 48, 50) an der diesem Abschnitt (13) gegenüberliegenden Rückseite des Werkstückträgers (1) anliegt.