DE10208319B4

DE10208319B4 - Substrate holder for vacuum coating systems

Info

Publication number: DE10208319B4
Application number: DE2002108319
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dipl.-Ing. Heinrich (FH); Karl-Heinz Dipl.-Ing. Helling (FH); Hans-Jochen Dipl.-Ing. Student; Bernd-Dieter Dipl.-Phys. Wenzel
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: DE10208319A1

Abstract

Substrathalter für Vakuumbeschichtungsanlagen, der über einem Target positionierbar ist und einen um eine Schwenkachse schwenkbaren und in einer Längsrichtung erstreckten Halterahmen aufweist, welcher mit rotierenden Befestigungsachsen versehen ist, die in der Längsrichtung hintereinander gereiht angeordnet und mit denen die Substrate verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (5) mittels eines Antriebes um die Schwenkachse (8) 360° drehbar ist.substrate holder for vacuum coating systems, the over a target can be positioned and a pivotable about a pivot axis and in a longitudinal direction extended holding frame, which with rotating attachment axes is provided in the longitudinal direction arranged one behind the other and with which the substrates connectable are, characterized in that the holding frame (5) by means of a Drive about the pivot axis (8) is 360 ° rotatable.

Description

Die Erfindung betrifft einen Substrathalter für Vakuumbeschichtungsanlagen, der über einem Target positionierbar ist und einen um eine Schwenkachse schwenkbaren und in einer Längsrichtung erstreckten Halterahmen aufweist, welcher mit rotierenden Befestigungsachsen versehen ist, die in der Längsrichtung hintereinander gereiht angeordnet und mit denen die Substrate verbindbar sind.The Invention relates to a substrate holder for vacuum coating equipment, the over a target can be positioned and a pivotable about a pivot axis and in a longitudinal direction extended holding frame, which with rotating attachment axes is provided in the longitudinal direction arranged one behind the other and with which the substrates connectable are.

Mit derartigen Substrathaltern werden Substrate mit spezieller Formgebung, wie z.B. Schaufeln für Gasturbinen mit wärmeisolierenden Dämmschichten, in Vakuumkammern allseitig beschichtet. Im Allgemeinen wird die Vakuumbeschichtung als eine spezielle Form der Materialveredelung bei Bauteilen angewendet, die mit thermisch oder chemisch aggressiven, fluiden und gasförmigen Medien in Berührung kommen, wobei es z.B. darum geht, die Einsatzbreite oder die Lebensdauer der Bauteile zu erhöhen.With Such substrate holders are substrates with special shape, such as. Shovels for Gas turbines with heat insulating insulation layers, coated in vacuum chambers on all sides. In general, the Vacuum coating as a special form of material refinement applied to components that are thermally or chemically aggressive, fluid and gaseous Media in touch come, e.g. it's about the breadth of use or the lifetime to increase the components.

Wie in dem US-Patent 4,192,253 beschrieben, ist ein bekannter Substrathalter mit zwei um eine gemeinsame Schwenkachse mit einem Winkel von jeweils ca. 90° schwenkbaren Halterahmen versehen. Auf denen sind die Substrate auf rotierenden Befestigungsachsen aufgesteckt, die kammartig in Längsrichtung des Halterahmens aufgereiht sind. Durch die spiegelseitige Anordnung der Halterahmen liegen sich die aufgesteckten Substrate verschränkt gegenüber. Diese Positionierung der Substrate zielt auf eine effektive Ausnutzung des eng begrenzten Beschichtungsraumes. Etwa die Hälfte der Oberfläche über dem Target wird mit Sub straten abgedeckt. Die freie Drehbewegung der Substrate um die eigene Achse parallel zur Oberfläche des Targets und das Schwenken unter einem Anstellwinkel zum Target ermöglicht eine allseitige und homogene Beschichtung.As in U.S. Patent 4,192,253 is a known substrate holder with two around a common pivot axis at an angle of each 90 ° swiveling Holding frame provided. On which are the substrates on rotating attachment axes attached, the comb-like in the longitudinal direction of the holding frame are lined up. Through the mirror-side arrangement the support frame are the plugged substrates opposite each other. These Positioning of the substrates aims at an effective utilization of the limited coating space. About half of the Surface above the Target is covered by sub straten. The free rotation of the Substrates around its own axis parallel to the surface of the Targets and pivoting at an angle to the target allows a all-round and homogeneous coating.

Eine effektive Ausnutzung des Beschichtungsraumes wird mit Substraten etwa gleicher Länge erreicht. Andernfalls, bei zum Beispiel geringeren Längenabmessungen, werden deutlich weniger als 50% der Oberfläche über dem Target mit den Substraten abgedeckt, was zu geringerer Effizienz der Anlage führt.A Effective utilization of the coating space becomes with substrates about the same length reached. Otherwise, for example, with smaller length dimensions, be significantly less than 50% of the surface area above the target with the substrates covered, which leads to lower efficiency of the plant.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzflexibilität der Anlagen bezüglich der zu beschichtenden Substrate zu erhöhen und die Ausnutzung des Beschichtungsraumes unter Sicherstellung eines homogenen Beschichtungsgrades der Substrate weiter zu verbessern.Of the Invention is based on the object, the versatility of the systems in terms of to increase the substrates to be coated and the exploitation of the Coating space while ensuring a homogeneous degree of coating the substrates continue to improve.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird dadurch gelöst, dass der Halterahmen des eingangs beschriebenen Substrathalters um die Schwenkachse 360° drehbar ist. Somit ist die Beschichtung von zwei auf dem Halterahmen in unterschiedlichen Entfernungen zum Target befestigter Substrate durch Drehung des Halterahmens um 180° in ausgleichender Intensität möglich. Durch eine weitere 180°-Drehung wird die Ausgangsposition wieder erreicht. Die 360°-Dreh-funktion ermöglicht auch jegliche Schwenkposition des Halterahmens und somit jeden Anstellwinkel des Substrates zum Target.The The object underlying the invention is achieved in that the holding frame of the substrate holder described above to the Swivel axis 360 ° rotatable is. Thus, the coating of two on the support frame in different distances to the target attached substrates by rotation of the holding frame by 180 ° in balancing intensity possible. By another 180 ° turn the starting position is reached again. The 360 ° rotation function allows also any pivoting position of the holding frame and thus each angle of the substrate to the target.

In einer schlüssigen Fortführung der Erfindung weist der Halterahmen in der Längsrichtung im parallelen Abstand zur ersten Reihung der Befestigungsachsen eine zweite Reihung mit zueinander versetzten Befestigungsachsen auf. Die Ausbildung einer versetzten zweiten Reihung der Befestigungsachsen auf dem Halterahmen erzeugt eine höhere Packungsdichte der Substrate, wobei die unterschiedliche Abstandspositionierung der ersten und zweiten Reihung vom Target durch die 180°-Drehung des Rahmens aufgehoben wird. Damit wird vermieden, dass sich eine unterschiedliche Schichtdicke auf den Substraten der ersten und zweiten Reihung bildet.In a conclusive continuation the invention, the holding frame in the longitudinal direction in the parallel distance to the first sequence of attachment axes a second sequence with mutually offset mounting axes. The education of a offset the second row of attachment axes on the support frame produces a higher packing density the substrates, with the different distance positioning the first and second order of the target by the 180 ° rotation of the Frame is canceled. This avoids that a different Layer thickness forms on the substrates of the first and second series.

Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Erstreckung des Halterahmens radial zur Längsrichtung verstellbar ist.A favorable Embodiment of the invention is the fact that the extension the holding frame radially to the longitudinal direction is adjustable.

Diese Veränderlichkeit des Halterahmens, verwirklicht durch eine Längenverstellung der im Wesentlichen radialen Schenkel des Halterahmens, erhöht die Variabilität Halterahmens in der Aufnahme von Substraten unterschiedlicher Längenabmessung.These variability the holding frame, realized by a length adjustment of the substantially radial leg of the support frame, increases the variability support frame in the recording of substrates of different length dimensions.

Auf eine ökonomische Ausnutzung des Beschichtungsraumes zielend, ist mit dieser Verstellbarkeit des Halterahmens die Position der Substrate mit einer unterschiedlichen Längen-Abmessung, optimal über der Breitenerstreckung des Targets justierbar.On an economic one Targeting utilization of the coating space is with this adjustability of the holding frame the position of the substrates with a different Length dimension, optimal over the Width extension of the target adjustable.

Die Erfindung lässt sich dadurch weiter ausbauen, dass der Abstand der Schwenkachse des Halterahmens zum Target verstellbar ist. So kann z.B. beim Rotieren des Halterahmens, was mit einem größeren Abstand zum Target im Vergleich zum optimalen Abstand des Substrates beim Beschichtungsvorganges verbunden sein kann, der Halterahmen von dem Target entfernt werden, um nach der Wendung wieder näher an das Target herangeführt zu werden. Damit ist die jeweilige optimale Abstandslage des Substrates von dem Target im Beschichtungsfeld, auch für unterschiedliche Prozessbedingungen, einstellbar.The Invention leaves thereby further expand that the distance of the pivot axis of the holding frame is adjustable to the target. Thus, e.g. when rotating of the holding frame, which is at a greater distance to the target in the Comparison to the optimal distance of the substrate during the coating process may be connected, the holding frame are removed from the target, after the turn closer again brought to the target to become. This is the respective optimum spacing of the substrate adjustable by the target in the coating field, even for different process conditions.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Substrathalter linear in Längsrichtung fahrbar, wodurch die im Halterahmen befestigten Substrate optimal über der Längserstreckung des Targets justiert werden können.In Another embodiment of the invention is the substrate holder linearly movable in the longitudinal direction, whereby the substrates mounted in the holding frame optimally over the longitudinal extension of the target can be adjusted.

Der Substrathalter kann aber auch mit zwei Halterahmen ausgeführt werden, wobei diese dann zueinander in bestimmter Beziehung stehen. Diese Ausführung kommt besonders zu tragen bei der Beschichtung von vielen, im Verhältnis zur Oberfläche des Targets, kleineren Substraten. Auch ein abwechselnder Beschich tungsvorgang von verschiedenen Substraten auf gesonderten Halterahmen während eines Beschichtungsprozesses ist hiermit möglich.Of the Substrate holder can also be performed with two holding frame, these are then in a certain relationship to each other. This design comes especially to wear in the coating of many, in relation to Surface of the Targets, smaller substrates. Also an alternating Beschich processing operation of various substrates on separate support frame during a Coating process is possible hereby.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Halterahmen in der Längsrichtung zueinander versetzt um eine gemeinsame Schwenkachse schwenkbar und in festgestellter Winkelposition zueinander um 360° drehbar. Mit dieser Anordnung verschränken sich die Halterahmen und die daran befestigten Substrate bei bestimmten Winkelstellungen der Halterahmen zueinander, was eine optimale Verteilung der Substrate im Beschichtungsfeld ergibt.In special embodiment of the invention are two holding frame in the longitudinal direction offset from each other about a common pivot axis and pivotally in fixed angular position to each other by 360 ° rotatable. Interlock with this arrangement the support frame and attached substrates at certain Angular positions of the holding frame to each other, what an optimal distribution the substrates in the coating field results.

Die spezielle Ausgestaltung der Erfindung des Substrathalters mit zwei Halterahmen, welche radial zur Längsrichtung ausgerichtete und zueinander versetzt gegenüberstehende Befestigungsachsen aufweisen, ist im Ausführungsbeispiel näher erläutert.The special embodiment of the invention of the substrate holder with two Holding frame, which is radial to the longitudinal direction aligned and mutually offset opposite attachment axes have, is in the embodiment explained in more detail.

Die Erfindung hat den Vorteil in einer Vakuumsbeschichtungsanlage für unterschiedliche Substrate eine für ein homogenes Beschichtungsergebnis verbesserte Ausrichtung und eine höhere Packungsdichte während eines Beschichtungsprozess verwirklichen zu können.The Invention has the advantage in a vacuum coating plant for different Substrates one for a homogeneous coating result improved alignment and a higher one Packing density during to realize a coating process.

Das erhöht die Einsatzflexibilität der Anlagen bezüglich der zu beschichtenden Substrate mit verschiedenen Abmessungen und erhöht die Effektivität des Beschichtungsprozesses.The elevated the versatility of the facilities the substrates to be coated with different dimensions and elevated the effectiveness of the Coating process.

Die Anwendung der Erfindung ist insbesondere in der industriellen Beschichtung von Turbinenschaufeln in großen Losen und in verschiedenen Längen für z.B. Luft-, Gas-, Dampf- und Wasserturbinen sowie für Kreiselpumpen, Ventilatoren und Mengenmessern in der Energie- und Versorgungstechnik gegeben. Die Erfindung ist aber auch für die Beschichtung anderer Substrate, wie zum Beispiel kleinere Bauteile aus der Glasindustrie, Chemischen Industrie oder der Fahrzeugtechnikgeeignet.The Application of the invention is in particular in the industrial coating of turbine blades in big Lots and in different lengths for e.g. Air, gas, steam and water turbines and centrifugal pumps, fans and flow meters in the energy and supply technology given. But the invention is also for the coating of other substrates, such as smaller components from the glass industry, chemical industry or vehicle technology suitable.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den Zeichnungsfiguren des Ausführungsbeispieles ist ein Substrathalter mit zwei Halterrahmen, welche jeweils in zwei Reihungen gegenüberliegende Substrate halten, dargestellt. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe Invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing figures of the embodiment is a substrate holder with two holder frames, each in two rows opposite Hold substrates, shown. The accompanying drawings show in

1 eine Ansicht in Längserstreckung eines erfindungsgemäßen Substrathalters in einer Gegenüberstellung der Halterahmen mit Schnittdarstellungen A-A und B-B, 1 a view in the longitudinal extension of a substrate holder according to the invention in a comparison of the holding frame with sectional views AA and BB,

2 eine Ansicht der Stirnseite des Substrathalters in einer Gegenüberstellung der Halterahmen 2 a view of the end face of the substrate holder in a juxtaposition of the holding frame

3 eine weitere Ansicht der Stirnseite des Substrathalters in einer Schwenkstellung der Halterahmen 3 a further view of the end face of the substrate holder in a pivotal position of the holding frame

In 1 ist ein Substrathalter 1 mit Blick auf die Längserstreckung und den dazugehörigen Schnittansichten von rechts (Schnitt B-B) und von links (Schnitt A-A) schematisch dargestellt. Der Substrathalter 1 befindet sich in einer Vakuumkammer in einem Abstand über einem Target 2, und positioniert die gehaltenen Substrate 3 genau dort, wo sich das Beschichtungsfeld 4, erzeugt durch das Target 2, ausbildet. Der Substrathalter 1 wird in Längsrichtung fahrbar über dem Target 2 justiert. Die Vakuumkammer, das Target 2 und das Beschichtungsfeld 4 sind in 1 nicht dargestellt.In 1 is a substrate holder 1 with a view to the longitudinal extent and the corresponding sectional views from the right (section BB) and from the left (section AA) shown schematically. The substrate holder 1 is located in a vacuum chamber at a distance above a target 2 , and positions the held substrates 3 right where the coating field is 4 generated by the target 2 , trains. The substrate holder 1 becomes movable longitudinally over the target 2 adjusted. The vacuum chamber, the target 2 and the coating field 4 are in 1 not shown.

Der Substrathalter 1 hat zwei sich gegenüberstehende Halterahmen 5, die jeweils aus zwei Schenkeln 6 und einer Längstraverse 7 bestehen und mit einer gemeinsamen Schwenkachse 8 verbunden sind. Auf jedem der beiden Halterahmen 5 sind die Substrate 3 auf den Befestigungsachsen 9, 10 gegenüberliegend gehalten. Durch eine eigene Rotation der Befestigungsachsen 9, 10 werden die Substrate 3 in eine Rotationsbewegung um ihre zentrale Achse versetzt.The substrate holder 1 has two opposing support frame 5 , each consisting of two thighs 6 and a longitudinal beam 7 exist and with a common pivot axis 8th are connected. On each of the two support frames 5 are the substrates 3 on the mounting axles 9 . 10 held opposite. Through its own rotation of the attachment axes 9 . 10 become the substrates 3 offset in a rotational movement about its central axis.

In den zugehörigen Schnittansichten werden die beiden parallelen Reihungen der Befestigungsachsen 9, 10 deutlich, wobei die Befestigungsachsen 9, 10 bewusst versetzt zueinander positioniert sind. Mit den beschriebenen Haltefunktionen können die Substrate 3 allseitig und verdeckungsfrei durch das Beschichtungsfeld 4 beschichtet werden.In the associated sectional views, the two parallel rows of attachment axes 9 . 10 clearly, with the attachment axes 9 . 10 are deliberately offset from each other. With the described holding functions, the substrates 3 all-round and cover-free through the coating field 4 be coated.

In 2 ist der Substrathalter 1 aus der Seitenansicht mit Blick auf die Stirnseite schematisch dargestellt. Der Substrathalter 1 mit einer Gegenüberstellung der Halterahmen 5 befindet sich in einem Abstand über dem Target 2. Die Vakuumkammer ist hier nicht dargestellt.In 2 is the substrate holder 1 from the side view with a view of the front side shown schematically. The substrate holder 1 with a comparison of the holding frame 5 is located at a distance above the target 2 , The vacuum chamber is not shown here.

Die Ansicht verdeutlicht die mögliche Drehbewegung der Halterahmen 5 von 360° um die gemeinsame Schwenkachse 8. Durch die Drehung der Halterahmen 5 in festgestellter Position zueinander wird ein Wenden der Halterahmen 5 realisiert, was die Beschichtung der Substrate 3 beider Reihungen, welche einen unterschiedlichen Abstand zum Target 2 haben, dennoch in gleicher Intensität ermöglicht.The view illustrates the possible rotation of the support frame 5 of 360 ° around the common pivot axis 8th , By the rotation of the holding frame 5 in a fixed position to each other is turning the support frame 5 realized what the coating of the substrates 3 both rows, which a different distance to the target 2 have allowed, yet with the same intensity.

In 3 ist bei gleicher Ansicht wie in 2 der Substrathalter 1 in einer Stellung des zueinander Schwenkens der zwei Halterahmen 5 dar. Dabei verschränken sich die Substrate 3 bis zu einem Winkel von ca. 90° zueinander. Das stufenlose Schwenken realisiert einen beliebigen Anstellwinkel der Substrate 3 beider Halterahmen 5 zum Target 2 von 0° bis ca. 45°, wodurch die Substrate 3 zusätzlich eine stirnseitige Beschichtung erfahren können.In 3 is the same view as in 2 the substrate holder 1 in a position of mutually pivoting the two holding frame 5 dar. Here, the substrates are interlocked 3 up to an angle of about 90 ° to each other. Stepless pivoting realizes any angle of attack of the substrates 3 both support frame 5 to the target 2 from 0 ° to about 45 °, reducing the substrates 3 additionally can experience a frontal coating.

Die Abfolge des zueinander Schwenkens und gemeinsamen Rotierens der Halterahmen 5 wird nach einem Schichtdickenwachstumsprogramm ausgeführt. Eine geeignete Steuerung übernimmt entsprechend der programmierten Ablauffunktionen die individuelle Steuerung der Bewegungen von Befestigungsachsen 9, 10, Halterahmen 5 und Substrathalter 1. So können in verschiedenster Weise, gemäß der technologischer Notwendigkeit, die Bewegungsabläufe von Befestigungsachsen 9, 10, Halterahmen 5 und Substrathalter 1 miteinander kombiniert werden.The sequence of mutually pivoting and common rotation of the holding frame 5 is performed after a layer thickness growth program. A suitable controller takes over the individual control of the movements of mounting axes in accordance with the programmed sequence functions 9 . 10 , Holding frame 5 and substrate holder 1 , Thus, in many ways, according to the technological necessity, the movements of mounting axes 9 . 10 , Holding frame 5 and substrate holder 1 be combined with each other.

11: Substrathaltersubstrate holder
22: Targettarget
33: Substratsubstratum
44: Beschichtungsfeldcoating field
55: Halterahmenholding frame
66: Schenkelleg
77: LängstraverseMain beam
88th: Schwenkachse der Halterahmenswivel axis the support frame
99: Befestigungsachsen der ersten Reihungfixing axes the first order
1010: Befestigungsachsen der zweiten Reihungfixing axes the second order

Claims

Substrate holder for vacuum coating equipment, which is positionable over a target and having a pivotable about a pivot axis and extending in a longitudinal direction holding frame, which is provided with rotating attachment axes arranged in a row in the longitudinal direction and with which the substrates are connectable, characterized in that the support frame ( 5 ) by means of a drive about the pivot axis ( 8th ) Is rotatable 360 °.

Substrate holder according to claim 1, characterized in that the holding frame ( 5 ) in the longitudinal direction at a parallel distance to the first sequence of attachment axes ( 9 ) a second sequence with mutually offset mounting axes ( 10 ) having.

Substrate holder according to claim 1 or 2, characterized in that the holding frame ( 5 ) to the pivot axis ( 8th ) substantially radially extending legs ( 6 ) and one between the thighs ( 6 ) and parallel to the pivot axis ( 8th ) longitudinal beam ( 7 ), and that the longitudinal beam ( 7 ) in their radial distance to the pivot axis ( 8th ) is adjustable.

Substrate holder according to one of claims 1 to 3, characterized in that the distance of the pivot axis ( 8th ) of the holding frame ( 5 ) to the target ( 2 ) is adjustable.

Substrate holder according to one of claims 1 to 4, characterized in that the substrate holder ( 1 ) is linearly movable in the longitudinal direction.

Substrate holder according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate holder ( 1 ) two holding frames ( 5 ) having.

Substrate holder according to claim 6, characterized in that the holding frame ( 5 ) offset in the longitudinal direction to each other about a common pivot axis ( 8th ) are pivotable and rotatable in fixed angular position to each other by 360 °.

Substrate holder according to claim 6 or 7, characterized in that the two holding frames ( 5 ) radially to the longitudinal direction directed towards each other and offset from each other mounting axes ( 9 . 10 ) exhibit.