DE19643702A1

DE19643702A1 - Vakuumbeschichtungsvorrichtung zum allseitigen Beschichten eines Substrats durch Rotation des Substrats im Materialstrom

Info

Publication number: DE19643702A1
Application number: DE19643702A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Anderle
Original assignee: Leybold Systems GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: US5985036A; JPH10130838A; GB2318589A; GB2318589B; FR2754830A1; GB9720309D0; FR2754830B1; DE19643702B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumbeschichtungsanlage zum allseitigen Beschichten ei nes Substrats durch Rotation des Substrat s in ei nem Materialstrom, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer aus einem Substrathalter für die An ordnung des Substrats gegenüber der Materialquelle und unter im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung über deren Fläche und aus dem Substrathalter zuge ordneten Antrieben für die Erzeugung einer Schwenkbewegung des Substrats.

Als Beschichtungsverfahren kommen des vakuumauf dampfen, Kathodenzerstäubungsverfahren, Ion-Plating, die CVD-Methode (Chemical Vapor Depositi on) 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 un ter 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 ge bracht werden. Zum Zwecke eines Antriebs der Wel len werden auf den Wellenenden Zahnräder oder Rol len angebracht, die sich auf einer ortsfesten Zahnstange oder Schiene abwälzen. Auf die angege bene Weise wurden schon Widerstands schichten 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 füh ren. Derartige Vorrichtungen bzw. verfahren sind nur für relativ kleine Substrate geeignet, deren Formgebung selbst im Hinblick auf eine gleichför mige Schichtdickenverteilung keine Probleme auf wirft.

Zum Zwecke des Bedampfens von relativ komplizier ten Teilen, wie beispielsweise von Scheinwerferre flektoren für Kraftfahrzeugscheinwerfer, ist es bereits bekannt, die Substrate auf Substrathaltern anzuordnen, die drehbeweglich in einem im wesent lichen zylindrischen Käfig angeordnet sind. Im In nern 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 An triebs eine zusätzliche Drehbewegung innerhalb des Käfigs aus, die als Evolventenbewegung beschrieben werden kann. Auf die angegeben Weise wird eine recht gute Schichtdickenverteilung nach dem Zufäl ligkeitsgesetz erreicht. Für extrem unregelmäßig geformte Substrate größerer Abmessungen, die char genweise mit hochschmelzenden Metallen bzw. Metal legierungen bedampft werden sollen, wobei die Substrattemperaturen oberhalb von beispielsweise 555°C liegen sollen, ist jedoch auch eine derarti ge Vorrichtung nicht geeignet.

Geometrisch besonders kompliziert geformte Substrate, bei denen auch noch großer Wert auf ei ne gleichförmige Schichtdickenverteilung, Verteilung der Legierungselemente in der Schicht und ei ne große Haftfestigkeit durch intermetallische Diffusion gelegt wird, sind beispielsweise Turbi nenschaufeln für Gasturbinen, wie sie in der Luft fahrt verwendet werden. Die mit Oberflächenschich ten auf derartigen Turbinenschaufeln verbundenen Probleme sind in der Firmendruckschrift "High Tem perature 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 außerordent lich schwierig, derartige Schichten mit den gefor derten Eigenschaften in großtechnischem Maßstab und zu wirtschaftlich vertretbaren Preisen herzu stellen. Ein besonderes Problem sind hierbei die Übertragung einer definierten Drehbewegung von ei nem Antriebsmotor auf ein Substrat sowie die rela tiv hohen Verluste an teuerem Aufdampfmaterial, welches nicht auf dem Substrat, sondern auf den Innenflächen der Aufdampfanlage kondensiert und dort zu störenden Ablagerungen führt. Diesem Pro blem 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 Material strom (DE 28 13 180), bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer langgestreckten Materialquelle, mit einer Längsachse und einer Querachse, aus ei nem Substrathalter mit mehreren Befestigungsquelle für die flächige Anordnung mehrerer Substrate oberhalb der Materialquelle, wobei der Substrat halter zwei parallele, gabelförmig angeordnete Tragarme aufweist, deren Längsachsen spiegelsymme trisch zu einer senkrechten, durch die Längsachse der Materialquelle gehenden Symmetrieebene ange ordnet und an den aufeinander zugerichteten Innen seiten der Tragarme Kupplungen für die Substrate angeordnet sind, wobei die Rotationsachsen der Kupplungen senkrecht zur Symmetrieebene ausgerich tet sind, und den Tragarmen in ihrer Längsrichtung je eine Antriebswelle zugeordnet ist, die über Winkelgetriebe einerseits mit den Kupplungen, an dererseits 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 gleichmä ßig mit metallischen Oberflächenschichten zu ver sehen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfin dungsgemäß dadurch, daß der Substrathalter aus ei nem in drei sich winklig zueinander erstreckende Schenkel aufgeteilten Hohlprofilzuschnitt gebildet ist, wobei der erste mit dem zweiten Schenkel ei nen 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 mo torisch 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 ver bunden 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 Un teransprüchen näher beschrieben und gekennzeich net.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den an hängenden Zeichnungen rein schematisch näher dar gestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 die Vakuumbeschichtungsanlage mit einem Manipulator-Arm zur Halterung einer Turbinenschaufel in der Seitenansicht,

Fig. 2 die Anlage gemäß Fig. 1, jedoch mit einem um 90° verschwenkten Manipulator-Arm und

Fig. 3 die Anlage nach den Fig. 1 und 2, jedoch mit einem um weitere 90° ver schwenkten Manipulator-Arm.

In einer nicht näher dargestellten Vakuumkammer ist eine Beschichtungsquelle 13 ortsfest angeord net, die geeignet ist, das Substrat 3, im darge stellten Falle eine Turbinenschaufel, mit einer verschleißfesten und/oder wärmefesten Schicht zu überziehen. Damit die Beschichtung gleichmäßig er folgt, 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 ausgebil det 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 ange trieben, dessen Drehbewegungen über die mehrteili ge 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 Fig. 2 und 3 dargestellten Posi tionen einnehmen kann. Zusätzlich besteht die Mög lichkeit, den Substrathalter 6 um ein Maß a paral lel 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 vor gesehen, der über eine Stange einen schwenkbar ge lagerten Hebel 22 bewegt, dessen Kulisse das Zahn rad 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 Beschich tungsquelle 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 Fig. 2 und 3 zeigen, kann das Substrat 3 so in seiner Stellung zur Beschichtungsquelle 13 verschoben und verdreht werden, daß alle Partien der Mantel fläche des Substrats gleichmäßig be schichtbar sind.

Bezugszeichenliste

3

Substrat

4

Materialquelle

5

Antrieb

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

1. Vakuumbeschichtungsvorrichtung zum allseiti gen Beschichten eines Substrates (3) durch Rotation des Substrates (3) in einem Materi alstrom, bestehende aus einer Vakuumkammer mit einer Materialquelle (13), aus einem Substrathalter (6) mit einer Befestigungs stelle (19) für die Halterung des Substrates (3) gegenüber der Materialquelle (13) und aus einem dem Substrathalter (6) zugeordneten An trieb (10, 11, 21) für die Erzeugung einer Ro tations- 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 ge bildet ist, wobei der erste (7) mit dem zwei ten Schenkel (8) einen stumpfen Winkel (α) einschließt und der zweite und dritte Schen kel (8 und 9) zusammen ein etwa rechtwinkli ges 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) moto risch 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.

2. Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, dem Substrat (3) abgewandte Schenkel (7) des Hohlprofilzuschnitts dreh- und längsver schiebbar in einem ortsfesten Lager (20) ge halten und geführt ist und auf seiner zumin dest abschnittsweise zylindrischen Mantelflä che mit einer Verzahnung (23) versehen ist, die mit dem Ritzel (26) der Antriebswelle ei nes Motors (10) im Eingriff steht.

3. Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach den An sprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Substrat (3) zugewandte Ende der Ge lenkwelle (14, 15, 16) mit einer Spannzange (19) zur Halterung des Substrats (3) versehen ist.

4. Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach den An sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Substrat (3) abgewandte Ende der fle xiblen Welle (14, 15, 16) über ein Vielnutprofil (27) mit der Motorantriebswelle (24) drehfest verbunden ist.

5. Vakuumbeschichtungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stellmotor (11) mit einer von diesem bewegbaren, den Zahn kranz (23) am ersten Schenkel (7) des Hohl profils übergreifenden und mit diesem zusam menwirkenden Schaltklaue (22) zum verschieben des Hohlprofils in ihrer Lagerung (20).