DE10320554A1

DE10320554A1 - Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken

Info

Publication number: DE10320554A1
Application number: DE2003120554
Authority: DE
Inventors: Jürgen Lemke; Josef Hoffmann; Jürgen HOTZ; Pavel Seserko; Wolfgang Rieth; Helmut Eberhardt; Jürgen Schneider
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken mit Thermobarriere-Schichten ist in einer Transferkammer (3) eine Halterung (9) für die Werkstücke (11, ...) längsverschiebbar und rotierbar gelagert, die drei sich von der Antriebswelle (13) radial nach außen zu erstreckende Arme aufweist, die jeweils einen Winkel von 120 DEG C zwischen sich einschließen und mit drei Nebenkammern (6, 7, 8) korrespondieren, die an der Stirnwand (5) der Transferkammer (9) angeordnet sind und von denen die eine als Ladekammer (6) ausgebildet ist und mit einer nach außen zu öffnenden Ladekammertür (12) und einer Schleuse (14) zum Verschließen des Durchlasses von der Ladekammer (6) zur Transferkammer (3) versehen ist. Je nach Stellung der Halterung (9) befinden sich die an den freien Enden der Arme von Substrataufnahmen gehaltenen Werkstücke (11, ...) in den Nebenkammern (6, 7, 8), wo sie aufgeheizt, beschichtet oder aber von den Substrathaltern (10, ...) entfernt bzw. auf diese aufgesteckt werden oder aber die Werkstücke befinden sich für eine Weiterpositionierung in der Transferkammer (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken, vorzugsweise mit Thermobarriere-Schichten, mit einer evakuierbaren Transferkammer, mit einer in dieser längsverschiebbar und rotierbar angeordneten Halterung für die Werkstücke und mit Nebenkammern zum Laden, Heizen und Beschichten der Werkstücke.

Bekannt ist ein Verfahren für den Betrieb eines Hochleistungs-Elektronenstrahls ( DE-OS 197 45 771 ), der für das Verdampfen von Materialien in einem Tiegel verwendet wird, wobei Ablenkeinheiten für den Elektronenstrahl vorgesehen sind und der Elektronenstrahl mit im wesentlichen konstanter Intensität auf das zu verdampfende Material gerichtet wird und mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit über verschiedene Punkte der Oberfläche des zu verdampfenden Materials führbar ist.

Bekannt ist weiterhin eine Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage zum Aufbringen von Thermobarriere-Schichten, bestehend aus Ladekammer, Heizerkammer, Bedampfungskammer mit Elektronen strahlverdampfern und Verdampfertiegeln, Substrattransporteinrichtung, zugehöriger Evakuierungseinrichtung, sowie den erforderlichen peripheren Baugruppen ( DE-OS 195 26 600 ), wobei die Einrichtung zur Substrataufnahme direkt an einem durch Strahlungsschutzbleche gegen Wärmestrahlung abgeschirmten Wagen befestigt ist, der mittels eines gekühlten Rollensystems innerhalb Ladekammer, Heizerkammer und Zwischenkammer verfahren werden kann, wobei die besagte Zwischenkammer zwischen Heizerkammer und Bedampfungskammer angeordnet und so gestaltet ist, daß sich der Wagen während der Beschichtung der Substrate in dieser Kammer befinden kann, wobei sich in den Domen von Lade- und Zwischenkammer Antriebe befinden, die in den jeweiligen Arbeitspositionen mit den Antrieben für die Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate im Wagen gekoppelt werden, wobei zwischen Heizerkammer und Zwischenkammer ein vorzugsweise wassergekühltes Ventil so angeordnet ist, daß es geschlossen werden kann, während sich der Wagen in der Zwischenkammer befindet, wobei in der Zwischenkammer Kühlbacken angeordnet sind, die von einer oder mehreren Seiten an den Wagen gedrückt werden.

Darüber hinaus ist eine Verdampferanordnung für die Beschichtung von in einem Flächenbereich angeordneten oder durch einen Flächenbereich hindurch geführten Substraten bekannt ( DE-OS 36 39 683 ), bestehend aus einem rechteckigen Verdampfertiegel mit einem Tiegelrand und einer längsten Tiegelachse, sowie mit einer Mehrzahl von Elektronenkanonen, die je ein X-Y-Ablenksystem aufweisen und auf einer Seite der Tiegelachse vom Tiegel getrennt derart angeordnet sind, daß ihre Strahlachsen parallel zueinander verlaufen und auf eine, durch die Tiegelachse gehende senkrechte Ebene ausgerichtet sind, wobei die Elektronenstrahlen durch eine weitere Ablenkeinheit auf die Oberfläche des Tiegelinhalts ablenkbar sind, wobei auf der den Elektronenkanonen gegenüberliegenden Seite des Tiegels eine abwechselnde Reihenanordnung von Linearspulen und dazwischen sowie an deren Enden befindlichen Polplatten angeordnet sind, wobei jeweils zwei an den Enden einer Linearspule liegende Polplatten eine solche Lage zu einer jeweils gegenüberliegenden Elektronenkanone haben, daß die Strahlachse sich im wesentlichen in einer zwischen den besagten Polplatten liegenden senkrechten Symmetrieebene befindet.

Schließlich ist eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung zum allseitigen Beschichten von Substraten durch Rotation der Substrate in einem Partikelstrom bekannt ( DE-OS 197 30 993 ), bestehend aus einer Vakuumkammer mit einer Materialquelle, aus einem Substrathalter mit einer Halterung für die Substrate gegenüber der Materialquelle und aus einem dem Substrathalter zugeordneten Antrieb für die Erzeugung einer Rotations- und Verschiebebewegung der Substrate, wobei der Substrathalter aus einem in drei sich winklig zueinander erstreckende Schenkel aufgeteilten Hohlprofilzuschnitt gebildet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken, insbesondere von Turbinenschaufeln, mit Thermobarriere-Schichten zu schaffen, bei der drei unterschiedliche Prozesse parallel in einer Anlage gefahren werden können. Die Anlage soll eine geringe Bauhöhe aufweisen, einfach installierbar sein und einen vergleichsweise niedrigen Herstellpreis haben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine evakuierbare Transferkammer gelöst, mit einer in dieser längsverschiebbar und rotierbar angeordneten Halterung für die Werkstücke und mit an einem Wandteil der Transferkammer auf einem Kreisbogen gleichmäßig verteilt angeordneten Nebenkammern zum Laden, Heizen und Beschichten der Werkstücke, wobei die Nebenkammern jeweils einen Durchlaß zum Innenraum der Transferkammer aufweisen und wobei zumindest eine der Nebenkammern eine verschließbare Öffnung zur Verbindung des Nebenkammerinnenraums mit der Umgebung der Vorrichtung sowie eine Schleuse zum Verschließen des Durchlasses aufweist und wobei zumindest in einer weiteren Nebenkammer ein Heizaggregat und in einer dritten Nebenkammer ein Beschichtungsaggregat, vorzugsweise ein Verdampfertiegel und eine Elektronenstrahlkanone angeordnet sind, und wobei die Halterung sich parallel ihrer Rotationsachse oder Antriebswelle erstreckende Substrataufnahmen aufweist, die mittels der Halterung soweit in Richtung der Rotationsachse der Halterung verschiebbar sind, daß die Substrataufnahmen zusammen mit den von ihnen gehaltenen Substraten zum einen in eine rückwärtige Position verschiebbar sind in der die Halterung zusammen mit ihren Substrataufnahmen und den Substraten in der Transferkammer frei rotierbar ist und zum anderen in eine Position verschiebbar sind, in der die Substrate durch die Durchlässe hindurch bis in die Nebenkammern ragen.

Weitere Merkmale und Einzelheiten sind in den Patentansprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist rein schematisch in den anhängenden Zeichnungen dargestellt und zwar zeigen:
1 eine stark vereinfachte perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit geöffneter Transferkammer,
2 die Vorrichtung gemäß 1 von der Bedienseite aus gesehen,
3 die Frontansicht der Vorrichtung nach 1 und
4 die Seitenansicht der Vorrichtung nach 1 teilweise im Schnitt.
Wie 1 zeigt, besteht die Vorrichtung im Wesentlichen aus einer topfförmigen Transferkammer 3 mit einem diese nach hinten zu verschließenden und in Pfeilrichtung A – B verfahrbaren Deckel 4 und einem Bodenteil 5, wobei am Bodenteil 5 der Transferkammer 3 eine Ladekammer 6, eine Heizkammer 7 und eine Beschichtungskammer 8 mit einer Elektronenstrahlkanone 16 angeordnet sind.
Im verfahrbaren Deckel 4 der Transferkammer 3 ist eine dreiarmige Halterung 9 drehbar und in Pfeilrichtung verschiebbar gelagert, wobei die freien Enden der Halterung 9 jeweils mit Substrataufnahmen 10, 10', 10'' versehen sind die jeweils der Halterung von mehreren Substraten 11,... dienen.
Zum Beladen der Vorrichtung wird die Ladekammertür 12 geöffnet. Die Substrate 11,... werden auf die Substrataufnahme 10 gesteckt, die (bei geschlossener Transferkammer 3 und vorgeschobener dreiarmigen Halterung 9) bis in die Ladekammer 6 hineintritt. Die mit Planetengetrieben ausgestattete dreiarmige Halterung 9 weist drei Substrataufnahmen 10,... auf, von denen jede mit mehreren Substraten 11,... bestückt werden kann. Nach dem Aufstecken der Substrate 11,... auf die erste Substrataufnahme 10,... und dem Schließen der Ladekammer 6 wird der Evakuierungsprozeß gestartet. Nach dem Evakuieren der Ladekammer 6 und der Transferkammer 3 transportiert die dreiarmige Halterung 9 die Substrate in die Transferkammer 3 und taktet diese um 120° weiter bis in die Heizkammer 7, wozu die Antriebswelle 13 mit der dreiarmigen Halterung 9 zuerst in Pfeilrichtung A (1), d. h. zurück bewegt und anschließend gedreht und wieder vorwärts, d. h. in Pfeilrichtung B bewegt wird. Zeitgleich wird die Ladekammer 6 die mit einer Vakuumschleuse 14 ausgestattet ist geflutet und neue Substrate 11,... können auf die folgende Substrataufnahme 10,... aufgesteckt werden. Die Ladekammer 6 wird erneut evakuiert.
Der Widerstandsheizer 15 beginnt die in der Heizkammer 7 befindlichen Substrate 11,... auf eine im Rezept definierte Temperatur aufzuheizen. Nach abgeschlossenem Heizvorgang transportiert die dreiarmige Halterung 9 die aufgeheizten Substrate von der Heizkammer 7 in die Beschichtungskammer 8 in eine Position oberhalb des Verdampfertiegels 17. Die Substrate, die sich vorher in der Ladekammer 6 befunden haben, werden durch dieses Takten weiter in die Heizkammer 7 transportiert. Zum Schutz der zu beschichtenden Teile bzw. Substrate 11,... werden diese durch ein Hitzeschild vom heißen Heizer 15 abgeschirmt. Erst wenn die verbleibende Beschichtungszeit der Heizzeit entspricht, wird das Hitzeschild zurück gefahren und der Heizprozeß kann starten. Zeitgleich wird wieder die Ladekammer geflutet und neue Substrate in die Aufnahme gesteckt. Die Ladekammer 6 wird erneut evakuiert. In der Beschichtungskammer 8 wird die Elektronenstrahlkanone 16 auf Leistung gefahren. Ein fein focusierter Elektronenstrahl 18 wird mit programmierten Muster über das im Tiegel 17 zu verdampfende Material geführt, welches in vertikaler Richtung von einer Hubvorrichtung 19 nachgeführt wird. Der Prozeß kann durch ein Walzenstroboskop beobachtet werden. Nach dem Ende der Beschichtung werden die beschichteten Substrate mittels der dreiarmigen Halterung 9 in die Ladekammer 6 transferiert. Danach wird diese Kammer 6 geflutet und die fertig beschichteten Substrate können entnommen werden.
Die dreiarmige Halterung 9 ist drehfest auf der Antriebswelle 13 gelagert, die ihrerseits von einem Antriebsrohr 19 umschlossen ist (4), wobei das Antriebsrohr 19 an seinem kammerseitigen Ende drehfest mit Kettenrädern 20, 21 verbunden ist, die ihrerseits über Ketten 22, 23 die an den freien Enden der drei Arme der Halterung 9 achsparallel gelagerten Substrataufnahmen 10, 10',... antreiben. Das Antriebsrohr 19 ist ebenso wie auch die koaxial zu ihr gelagerte Antriebswelle 13 mit einem Motor 24 über Riementriebe 25, 26 gekoppelt, so daß sowohl die drei Substrataufnahmen 10,..., als auch die dreiarmige Halterung 9 in Drehung versetzt werden können. Darüber hinaus sind sowohl die Antriebswelle 13 mit der dreiarmigen Halterung 9, als auch das Antriebsrohr 19 mitsamt dem Motor 24, den Ketten 22, 23 und den Antriebsriemen 25, 26 in achsialer Richtung (in Pfeilrichtung A – B) auf der Schiene 27 verschiebbar, so daß die Substrataufnahmen 10,... in die einzelnen Kammern 6, 7, 8 hineinfahrbar und auch aus diesen herausfahrbar sind und zwar mittels eines Verstellmotors 28.

3: Transferkammer
4: Deckel
5: Bodenteil
6: Ladekammer,
: Nebenkammer
7: Heizkammer,
: Nebenkammer
8: Beschichtungskammer,
: Nebenkammer
9: dreiarmige Halterung
10,...: Substrataufnahme
11,...: Substrat, Werkstück
12: Ladekammertür,
: verschließbare Öffnung
13: Antriebswelle
14: Vakuumschleuse
15: Widerstandsheizer
16: Elektronenstrahlkanone
17: Verdampfertiegel
18: Elektronenstrahl
19: Antriebsrad
20: Zahnrad, Kettenrad
21: Zahnrad, Kettenrad
22: Kette
23: Kette
24: Motor
25: Antriebsriemen
26: Antriebsriemen
27: Schiene
28: Verstellmotor

Claims

Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken, vorzugsweise mit Thermobarriere-Schichten (TBC), mit einer evakuierbaren Transferkammer (3), mit einer in dieser längsverschiebbar und rotierbar angeordneten Halterung (9) für die Werkstücke (11,...) und mit an einem Wandteil (5) der Transferkammer (3) auf einem Kreisbogen gleichmäßig verteilt angeordneten Nebenkammern (6, 7, 8) zum Laden, Heizen und Beschichten der Werkstücke (11,...), wobei die Nebenkammern (6, 7, 8) jeweils einen Durchlaß zum Innenraum der Transferkammer (3) aufweisen und wobei zumindest eine der Nebenkammern eine verschließbare Öffnung (12) zur Verbindung des Nebenkammerinnenraums mit der Umgebung der Vorrichtung sowie eine Schleuse (14) zum Verschließen des Durchlasses aufweist, und wobei zumindest in einer weiteren Nebenkammer (7) ein Heizaggregat (15) und in einer dritten Nebenkammer (8) ein Beschichtungsaggregat (16), vorzugsweise ein Verdampfertiegel (17) und eine Elektronenstrahlkanone (16) angeordnet sind, und wobei die Halterung (9) sich parallel ihrer Rotationsachse oder Antriebswelle (13) erstreckende Substrataufnahmen (10,...) aufweist, die mittels der Halterung (9) soweit in Richtung der Rotationsachse der Halterung (A, B) verschiebbar sind, daß die Substrataufnahmen (10,...) zusammen mit den von ihnen gehaltenen Werkstücken (11,...) zum einen in eine rückwärtige Position verschiebbar sind in der die Halterung (9) zusammen mit ihren Substrataufnahmen (10,...) und den Werkstücken (11,...) in der Transferkammer (3) frei rotierbar ist und zum anderen in eine Position verschiebbar sind, in der die Werkstücke (11,...) durch die Durchlässe hindurch in die Nebenkammern (6, 7, 8) eintauchen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transferkammer (3) eine hohlzylindrische Konfiguration aufweist und die Nebenkammern (6, 7, 8) auf dem kreisscheibenförmigen die Grundfläche bildenden Bodenteil (5) in gleichen Abständen auf einem Kreisbogen verteilt angeordnet sind und die Antriebswelle (13) für die Halterung (9) der Substrataufnahmen (10,...) parallel der Rotationsachse der Transferkammer ausgerichtet und im kreisscheibenförmigen Deckel (4) gelagert ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die achsparallel zueinander ausgerichteten Substrataufnahmen (10,...) in der drehfest auf der Antriebswelle (13) gehaltenen Halterung (9) drehbar und im gleichen Abstand zur Rotationsachse gelagert sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (9) aus drei sich von der Antriebswelle (13) aus radial nach außen zu erstreckenden Armen gebildet ist, die jeweils einen Winkel von 120° miteinander einschießen, wobei jede am freien Ende eines Armes angeordnete Substrataufnahme (10,...) den gleichen Abstand zur Rotationsachse aufweist und mit einer der am Bodenteil (5) der Transferkammer (3) angeordneten Nebenkammern (6, 7, 8) korrespondiert.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Antriebswelle (13) ein Antriebsrohr (19) vorgesehen ist, das unabhängig von der Antriebswelle (13) von einem Motor (24) angetrieben ist und zusammen mit der Antriebswelle (13) im Deckel (4) der Transferkammer (3) in Längsrichtung verschiebbar gelagert ist, wobei an seinem transferkammerseitigen Ende Kettenräder (20, 21) drehfest auf dem Antriebsrohr (19) angeordnet sind die über Endlosketten (22, 23,...) mit Kettenrädern der Substrataufnahmen (10,...) zusammenwirken.