DE3933911A1

DE3933911A1 - Planetary substrate holder for vacuum coating apparatus - causes substrates to roll as planetary device rotates about two parallel axes

Info

Publication number: DE3933911A1
Application number: DE19893933911
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Fleischer; Hans Dipl Ing Luhn; Herbert Dr Ing Mehlig; Ruediger Dipl Ing Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden VEB
Current assignee: VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-10-11
Publication date: 1990-08-30
Also published as: DD287164A7

Abstract

Substrate holder for vacuum coating substrate consists of two parallel shafts (2,3) spaced from each other by a distance (e) on a radial line passing through the central axis of the planetary system. Both shafts have at least one ring each (8,9) which houses the substrates (10,11) in bores equally spaced around the ring circumference. When the two shafts rotate, the rings also move and the gravity of the substrate (11) and holder (10) causes them to rotate. ADVANTAGE - Complex geometry substrates can be homogeneously coated using low energy and friction wear

Description

Die Erfindung betrifft eine Substrathalterung mit Planetenbewegung, wobei die Substrate bzw. die Substrathalterung innerhalb eines Planeten eine Eigenrotation ausführen. Die Substrathalterung ist besonders vorteilhaft beim Einsatz für Beschichtungen von geometrisch komplizierten Substratkörpern unter Vakuum und besonders für Beschichtungen bei denen pro Charge eine hohe Einsatzmenge, d. h. eine hohe Produktivität erforderlich ist.The invention relates to a substrate holder with planetary motion, wherein the substrates or the substrate holder within a Planets self-rotate. The substrate holder is particularly advantageous when used for coatings from geometrically complex substrate bodies under vacuum and especially for coatings with a high per batch Amount used, d. H. high productivity is required.

Für Beschichtungsaufgaben allgemein und bei den aufwendigeren Beschichtungen unter Vakuum mit relativ geringen Schichtdicken sind zahlreiche Substrathalterungen bekannt, deren Aufgabe grundsätzlich darin besteht, die zu beschichtenden Substrate derart zu haltern, daß eine möglichst gleichmäßige Beschichtung realisiert werden kann.For coating tasks in general and for the more complex ones Coatings are under vacuum with relatively thin layers numerous substrate holders known, the task of which is fundamental consists in holding the substrates to be coated in such a way that the most uniform possible coating can be realized can.

Besonders hohe Anforderungen an die Substrathalterungen werden dabei bei Vakuumbeschichtungen mit und ohne Plasmaunterstützung an die Substrathalterungen gestellt, wenn die technologisch erforderlichen Schichtdicken nur bei 0,1 bis 2 µm liegen und der Substratkörper noch eine komplizierte Geometrie aufweist, wie es z. B. beim Spiralbohrer der Fall ist.This places particularly high demands on the substrate holders for vacuum coatings with and without plasma support Substrate mounts provided if the technologically necessary Layer thicknesses are only 0.1 to 2 µm and the substrate body still has a complicated geometry, as z. B. at Twist drill is the case.

Allgemein werden dazu Substrathalterungen mit einer einfachen Planetenbewegung eingesetzt. In der DE-OS 34 01 815 sind am Umfang eines sich drehenden Basisteils um eine Hilfsachse drehbare Substrathalterungen angeordnet, die mittels Bestätigungseinrichtungen bei jeder Umdrehung des Basisteils eine selektive Drehung um die Hilfsachse ausführt. In der JP 63-62 875 wird eine ähnliche Einrichtung beschrieben, bei der die Substrathalterung mit einem Reibrad verbunden ist, welches an einem Sonnen-Reibrad abrollt und dadurch die Substrathalterung ständig dreht. Nachteilig bei diesen Substrathalterungen ist, daß zur Umgehung der sonst auftretenden Schattenwirkungen durch die Substrathalterung selbst nur Dampfquellen verwendet werden können, die eine horizontale Dampfabgabe ermöglichen. In der DD-WP 2 45 680 wird eine Substrathalterung beschrieben, bei der auf mehreren übereinander angeordneten Tragringen mit je einem Rastrad die Werkstücksträger durch einen oder mehrere um die Tragringe rotierenden Mitnehmerstäbe mit Triebzapfen schrittweise um die Längsachse drehbar, sternförmig, mit zum Zentrum geneigter Längsachse angeordnet sind. Bei dieser Substrathalterung können zwar vertikal dampfende Quellen eingesetzt werden, jedoch ist durch die Dampfrichtwirkung die gleichmäßige Beschichtung komplizierter Substrate nicht möglich. In general, substrate holders with a simple Planetary movement used. In DE-OS 34 01 815 are on the scope of a rotating base part rotatable about an auxiliary axis Substrate holders arranged by means of Confirmation devices one for each revolution of the base part performs selective rotation about the auxiliary axis. In JP 63-62 875 describes a similar device in which the Substrate holder is connected to a friction wheel, which on a Sun friction wheel rolls and thus the substrate holder constantly turns. A disadvantage of these substrate holders is that for Bypassing the otherwise occurring shadow effects by the Substrate holder itself only steam sources can be used that allow horizontal steam delivery. In the DD-WP 2 45 680 describes a substrate holder in which several support rings arranged one above the other, each with a ratchet wheel Workpiece carrier through one or more around the support rings rotating drive rods with drive pins gradually around the Longitudinal axis rotatable, star-shaped, inclined towards the center Longitudinal axis are arranged. With this substrate holder you can vertically steaming sources are used, but is by the steam directivity the uniform coating more complicated Substrates not possible.

Alle diese Substrathalterungen mit einfacher Planetenbewegung haben jedoch den Nachteil, daß kompliziert geformte Substrate, wie es beispielsweise der Spiralbohrer ist, immer noch nur ungenügend gleichmäßig beschichtet werden. Es hat sich gezeigt, daß in diesen Fällen eine dritte Bewegung, die Eigenbewegung der Substrate, erforderlich ist.Have all of these substrate mounts with simple planetary motion however, the disadvantage that complicated shaped substrates like it for example, the twist drill is still insufficient be coated evenly. It has been shown that in in these cases a third movement, the own movement of the Substrates, is required.

Die JP 63-57 759 beschreibt eine sehr aufwendige Substrathalterung, mit der die Substrate mit vertikaler, drehender und taumelnder Bewegung über der unten angeordneten Dampfquelle gehaltert werden. Besonders nachteilig ist bei dieser Substrathalterung die geringe mögliche Packungsdichte.JP 63-57 759 describes a very complex substrate holder, with which the substrates with vertical, rotating and tumbling Movement can be held over the steam source located below. The disadvantage of this substrate holder is the low possible packing density.

In der DD-WP 2 28 305 wird eine Substrathalterung mit Eigendrehung der Substrate beschrieben, bei der die Substrate eine Eigendrehung um eine Achse ausführen, die rechtwinklig zur Achse des Planeten liegt. Damit kann eine gute Bewegung sperriger Substrate, wie es z. B. Sehhilfengestelle sind, realisiert werden. Auch Substrate in der Form von Armband-Uhrengehäusen können gut beschichtet werden. Für Substrate in der Form von Spiralbohrern ist die Halterung jedoch schwierig und die mögliche Packungsdichte für eine Serienfertigung unzureichend.In DD-WP 2 28 305 there is a self-rotating substrate holder of the substrates described in which the substrates self-twist run around an axis that is perpendicular to the axis of the planet lies. This allows good movement of bulky substrates like this e.g. B. are visual aids can be realized. Even substrates in The shape of the watch case can be coated well. However, the holder is suitable for substrates in the form of twist drills difficult and the possible packing density for series production insufficient.

Bekanntgeworden sind auch Substrathalterungen, bei denen innerhalb der vertikal angeordneten Planeten eine Fixierung vorhanden ist, an dem die Einzelsubstrate über einen Zwangslauf mittels Zahnrad- Segmenten eine Eigendrehung ausführen. Der Nachteil bei dieser Ausführung besteht darin, daß ein derartiger Zwangslauf bei einer hohen Zahl von Substraten enorme Antriebskräfte erfordert. Desweiteren treten Probleme bei der zwangsläufigen Mitbeschichtung dieser Zwangslaufelement auf.Also known are substrate holders, in which inside a fixation is present on the vertically arranged planet where the individual substrates are forced to run using gear Carry out a self-rotation of the segments. The disadvantage with this Execution is that such a forced operation at a high number of substrates requires enormous driving forces. Furthermore, problems arise with the inevitable co-coating this forced running element on.

Abplatzende Flitter von Beschichtungsmaterial können zu Blockierungen führen. Auch ist die Schattenwirkung dieser Substrathalterung bei hohen Packungsdichten relativ hoch.Flaking flakes of coating material can Blockages. Also the shadow effect is this Substrate holder relatively high at high packing densities.

Die Erfindung hat das Ziel, Substrate mit komplizierter Geometrie mit relativ geringem Aufwand bei hoher Stückzahl homogen zu beschichten.The aim of the invention is to produce substrates with a complicated geometry homogeneously with relatively little effort and large quantities coat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Substrathalterung mit Planetenbewegung zu schaffen, wobei die Substrate bzw. die Substrathalterung innerhalb eines Planeten eine Eigenrotation ausführen, geringe Antriebsenergie erforderlich ist, wenig Reibstellen vorhanden sind und eine hohe Packungsdichte realisiert werden kann.The invention has for its object to provide a substrate holder To create planetary movement, the substrates or the Substrate holder within a planet a self rotation run, low power is required, little Frictions are present and a high packing density is realized can be.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Planet zwei mittels Wellenkupplung verbundene parallele Wellen mit einem Abstand von einer auf einer radialen Linie zur Zentralachse im Planetensystem angeordnet sind, daß beide Achsen mindestens je einen konzentrischen Ring mit einer Vielzahl von Bohrungen mit gleicher Teilung, der beiden Wellen umschließt, aufweisen, wobei der obere Ring von beiden zur inneren Achse gehörig ist. In den auf gleicher Teilung liegenden zusammengehörenden Bohrungen des oberen und unteren Ringes ist vertikal gehaltert und frei drehbar je ein Substrat oder eine Substrataufnahme angeordnet. Diese Substrate haben entsprechend dem Abstand der beiden parallelen Wellen und der beiden Ringe zueinander eine Schrägstellung, bei der immer alle Substrate mit ihrem oberen Ende zur Zentralachse des Planetensystems hin geneigt sind.According to the invention the object is achieved in that as a planet two parallel shafts connected by a shaft coupling with one Distance from one on a radial line to the central axis in Planetary system are arranged so that both axes at least each using a concentric ring with a variety of holes have the same division, which surrounds two waves, the upper ring of both belongs to the inner axis. In the on the same pitch lying together holes of the upper and lower ring is held vertically and freely rotatable each Substrate or a substrate holder arranged. These substrates have according to the distance between the two parallel waves and the two rings to each other an inclination, in which always all Substrates with their upper end to the central axis of the planetary system are inclined.

Damit können sehr vorteilhaft neben anderen Verdampfungsquellen auch Dampfquellen mit Schmelzbad im unteren Bereich des Planetensystems eingesetzt werden. Wenn das Planetensystem gedreht wird, dreht sich erstens das gesamte Planetensystem um eine zentrale Achse, zweitens die Planeten in bekannter Weise planetenartig und die Substrate rollen ihrerseits durch die Schwerkraft an der Innenkante der Bohrung des oberen und unteren Ringes auf den parallelen Wellen ab. In der Regel wird dazu die Bohrung im unteren Ring kleiner gewählt als im oberen, damit ein einfacher Zapfen, z. B. an der Substrathalterung in die untere Bohrung eingreifen kann, die gesamte Substrathalterung aber nicht hindurchfällt. Es könnte aber auch ein kleines Sachloch sein. Wichtig ist, daß die Verhältnisse Bohrung zu eingesetztem Substratdurchmesser im oberen Ring und im unteren Ring gleich sind, sonst treten unerwünschte zusätzliche Reibungen auf. Je nach Wahl des Verhältnisses Bohrung zu eingesetztem Substratdurchmesser richtet sich die Zahl der Eigendrehungen der Substrate je Planetenumdrehung. Diese Zahl muß nicht besonders hoch sein, sie sollte aber über 1 pro Planetenumdrehung liegen. Wenn die Umdrehungszahl der Substrate weiter erhöht wird steigt der Antriebsaufwand.This can be very beneficial in addition to other evaporation sources also steam sources with melt pool in the lower area of the Planetary systems are used. When the planetary system rotated first, the entire planetary system revolves around a central one Axis, second, the planets in a known manner and planetary the substrates in turn roll under the force of gravity Inner edge of the hole of the upper and lower ring on the parallel waves. As a rule, the hole in the bottom Ring chosen smaller than in the upper one, so that a simple pin, e.g. B. engage on the substrate holder in the lower hole can, but the entire substrate holder does not fall through. It but could also be a small facthole. It is important that the Ratio of hole to inserted substrate diameter in the upper one Ring and the lower ring are the same, otherwise unwanted occur additional friction. Depending on the choice of the hole ratio the number of substrates depends on the substrate diameter used Self-rotation of the substrates per revolution of the planet. That number must not particularly high, but it should be over 1 per Planet revolution. If the number of revolutions of the substrates the drive effort increases further.

Diese erfindungsgemäße Substrathalterung realisiert die Eigendrehung der Substrate mit dem der Rollreibung eigenen geringsten Aufwand. Durch die Schrägstellung der Substrate über der Verdampferquelle kann man die Substratlage sehr gut an die Form der quelleneigenen Dampfkeule (Punktverdampfer) anpassen. Die geometrischen Ausmaße der Ringe zur Substrataufnahme können leicht minimiert werden, so daß die Schattenwirkung der Substrathalterung gegenüber den z. Zt. außen rotierenden Substrate auf ein Minimum reduziert werden kann. Das fällt dann aber nicht ins Gewicht, wenn bei Industrieanlagen eine hohe Packungsdichte auf mehreren Etagen realisiert wird und ohnehin fast ausschließlich die zur Zeit innen rotierenden Substrate beschichtet werden.This substrate holder according to the invention realizes the Self rotation of the substrates with that of the rolling friction least effort. By slanting the substrates over the evaporator source, the substrate layer can be shaped very well adapt to the source's own steam lobe (point evaporator). The Geometric dimensions of the rings for substrate reception can easily be minimized so that the shadow effect of the substrate holder compared to the z. Currently rotating substrates to a minimum can be reduced. But that doesn't matter if in industrial plants, a high packing density on several floors is realized and anyway almost exclusively those currently inside rotating substrates are coated.

Je nach Länge der zu beschichtenden Substrate können die Substrate innerhalb eines Planeten in mehreren Etagen in jeweils zwei zueinander gehörigen Ringen angeordnet sein. In diesem Fall kann es auch vorteilhaft sein, die einzelnen Planeten in ihrer horizontalen Neigung so einzurichten, daß alle Substrate gleichmäßig einer mittleren Bedampfungsrate ausgesetzt sind.Depending on the length of the substrates to be coated, the substrates can within a planet in several floors in two each related rings can be arranged. In this case it can also be advantageous to the individual planets in their horizontal Tilt so that all substrates evenly one medium vapor deposition rate.

Bei z. B. besonders dünnen Spiralbohrern unter 2 mm Durchmesser ist es auch möglich, mehrere Bohrer starr in einer Substrathalterung anzuordnen.At z. B. is particularly thin twist drills under 2 mm in diameter it is also possible to have several drills rigidly in one substrate holder to arrange.

Die erfindungsgemäße Substrathalterung kann besonders vorteilhaft für längliche Substrate eingesetzt werden. Ein hervorragendes Einsatzgebiet ist die plasmagestützte Vakuumbeschichtung von Spiralbohrern mit Hartstoffen, z. B. TiN. Die Substratdrehung sichert eine gute gleichmäßige Beschichtung der wichtigen Flächen Führungsphase und Spannut. Andererseits werden Überhitzung an der Schneidkante und Querschneide des Bohrers, wie sie leicht auftreten, wenn der Bohrer mit der Spitze zur Dampfquelle gerichtet ist, vermieden. Zweifellos kann es durch die Bohrerlage an der Schneidfläche zu etwas geringeren Beschichtungen kommen. Das ist aber nicht so bedeutungsvoll, da die Schneidkante von der Spannut her eine gute Hartstoffbeschichtung aufweist, die auch nach dem Nachschleifen immer vorhanden ist. Die Substrathalterung für die einzelnen Spiralbohrer ist nur deshalb von Bedeutung, weil der Kunde einen optisch sauberen Abschluß der Beschichtung am Bohrerschaft wünscht. Deshalb soll die Substrathalterung den Bohrerschaft zwar leicht aber bündig aufnehmen, damit sich eine gute Beschichtungskante ausbildet. Der Bohrer steht mit seiner Eigenmasse sicher in der Halterung, eine zusätzliche Verspannung ist nicht erforderlich.The substrate holder according to the invention can be particularly advantageous can be used for elongated substrates. An excellent one The field of application is the plasma-assisted vacuum coating of Twist drills with hard materials, e.g. B. TiN. The substrate rotation ensures a good, even coating of the important surfaces Leadership phase and flute. On the other hand, overheating on the Cutting edge and cross cutting edge of the drill, as they easily occur when the drill is pointed towards the steam source, avoided. Undoubtedly, the location of the drill on the Cutting surface come to somewhat smaller coatings. This is but not as significant as the cutting edge from the flute has a good hard material coating, which also after the Regrinding is always present. The substrate holder for the Individual twist drill is only important because of the customer an optically clean finish of the coating on the drill shank wishes. Therefore, the substrate holder should adhere to the drill shaft record lightly but flush so that it is a good one Forms coating edge. The drill stands with its own weight secure in the holder, there is no additional tension required.

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.The invention is intended to be based on an exemplary embodiment are described in more detail.

Die zugehörige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Planeten, wie er innerhalb eines Planetensystems eingesetzt werden kann. Die Lagerung des Planeten innerhalb des nicht dargestellten Planetensystems, mit beispielsweise 3 bis 8 Planeten, erfolgt über den unteren Zapfen 1, der zum Planetensystem nicht drehbar ist und über die Welle 2, die innerhalb des Planetensystems die Planetenbewegung des Planeten realisiert. Die Welle 2, ist eine der erfindungsgemäßen zwei parallelen Wellen. Die radial zum Planetensystem innere zweite Welle 3 wird durch die im Beispiel vier Stege 4 realisiert. Die Lagerung der Wellen 2 und 3 erfolgt im Gestell 5, welches obere und untere Lager aufweist, die die Wellen 2 und 3 auf dem Abstand e hält und einen außen zur Zentralachse fixierten Verbindungsbügel. Die Welle 2 und Welle 3 sind durch eine Wellenkupplung, bestehend aus einer Lochscheibe 6 und vier Rollen 7 miteinander verbunden.The associated figure shows a planet according to the invention as it can be used within a planetary system. The planet is supported within the planetary system, not shown, with, for example, 3 to 8 planets, via the lower pin 1 , which cannot be rotated relative to the planetary system, and via the shaft 2 , which realizes the planetary movement of the planet within the planetary system. The shaft 2 is one of the two parallel waves according to the invention. The second shaft 3 , which is radial to the planetary system, is realized by the four webs 4 in the example. The mounting of the shafts 2 and 3 takes place in the frame 5, which comprises upper and lower bearing that holds the shafts 2 and 3 at the distance e and is fixed externally to the central axis connecting bracket. The shaft 2 and shaft 3 are connected to each other by a shaft coupling consisting of a perforated disc 6 and four rollers 7 .

Auf der Welle 2 sind zentrisch im Beispiel zwei Ringe 8 montiert und und an den Stegen 4 der Welle 3 sind ringförmig die Ringe 9 angebracht. Jeweils ein Ring 8 und ein Ring 9 nehmen in zusammengehörigen Bohrungen mit gleicher Teilung eine Substrathalterung 10 mit einem Substrat 11 auf. Durch die Exzentrizität e im Zusammenwirken mit dem Abstand a der zusammengehörigen Ringe 8 und 9 wird die Schräglage der Substrate bestimmt. Über den in radialer Lage festen Verbindungsbügel des Gestells 5 und die sich drehende Welle 2 wird gesichert, daß die Welle 3 gegenüber der Welle 2 immer innen zur Zentralachse des Planetensystems gerichtet ist. Wenn sich die Wellen 2 und 3 drehen, bewegen sich auch die Ringe 8 und 9 mit den Bohrungen, an deren Wandung sich die Substrathalterung 10 abstützt. Die Schwerkraft der Substrate 11 und der Substrathalterung 10 bewirkt, daß diese an der Bohrungswand abrollen und sich dabei drehen. Die Dampfquelle ist im Beispiel ein Punktverdampfer mit Schmelzbad, der im unteren Bereich der Zentralachse des Planetensystems angeordnet ist. Die Substrate liegen somit etwa tangential zur Dampfkeule des Verdampfers. Es ist auch möglich, die Wellen 2 und 3 auf eine schräge Lage auszurichten, wobei die Planeten sich am Umfang eines sich nach oben verjüngenden Kegels bewegen würden.In the example, two rings 8 are mounted centrally on the shaft 2 and the rings 9 are attached in an annular manner to the webs 4 of the shaft 3 . In each case one ring 8 and one ring 9 receive a substrate holder 10 with a substrate 11 in associated bores with the same pitch. The oblique position of the substrates is determined by the eccentricity e in cooperation with the distance a between the rings 8 and 9 belonging together. Via the connection bracket of the frame 5 , which is fixed in the radial position, and the rotating shaft 2 , it is ensured that the shaft 3 is always directed towards the central axis of the planetary system with respect to the shaft 2 . When the shafts 2 and 3 rotate, the rings 8 and 9 also move with the bores, on the wall of which the substrate holder 10 is supported. The gravity of the substrates 11 and the substrate holder 10 causes them to roll on the wall of the bore and thereby rotate. In the example, the steam source is a point evaporator with a melt pool, which is arranged in the lower region of the central axis of the planetary system. The substrates are thus approximately tangential to the vapor lobe of the evaporator. It is also possible to align the shafts 2 and 3 to an oblique position, the planets moving on the circumference of a cone tapering upwards.

In der Zeichnung sind vereinfacht nur die in der Schnittebene befindlichen Substrataufnahmen dargestellt. In der praktischen Realisierung ist die erfindungsgemäße Substrathalterung über den gesamten Umfang der Ringe 8, 9 in gleichmäßiger Teilung mit Substraten besetzt.In the drawing, only the substrate receptacles located in the cutting plane are shown in simplified form. In practical implementation, the substrate holder according to the invention is covered with substrates over the entire circumference of the rings 8, 9 in a uniform division.

Die Eigendrehung der Substrate gewährleistet dabei eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate auf der gesamten Mantelfläche.The self-rotation of the substrates ensures one uniform coating of the substrates on the whole Lateral surface.

Claims

1. substrate holder with planetary movement, the substrates perform a self-rotation within a planet, characterized in that two parallel shafts connected by means of shaft coupling ( 2, 3 ) are arranged at a distance from each other on a radial line to the central axis in the planetary system as a planet both shafts ( 2, 3 ) each have at least one concentric ring ( 8, 9 ) with a plurality of bores with the same pitch, which surrounds both shafts, the upper ring ( 9 ), from both to the inner shaft ( 3 ) is proper.

2. Substrate holder according to claim 1, characterized in that in a bore of the upper and lower ring ( 8, 9 ), which lie in the same division, vertically held freely rotatable a substrate or a substrate holder ( 10 ) is arranged.

3. substrate holder according to claim 1, characterized in that on the parallel shafts ( 2, 3 ) several rings are arranged alternately in pairs.

4. substrate holder according to claim 1, characterized in that the shaft ends remote from the evaporator Planets are inclined to the central planet axis.