DE2812271C2

DE2812271C2 - Vorrichtung mit mehreren Schleusenkammern zum chargenweisen Beschichten von Substraten

Info

Publication number: DE2812271C2
Application number: DE2812271A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. Aichert; Walter Dr.-Phys. 6450 Hanau Dietrich; Alfred Dr.-Ing. Hauff; Friedrich 6456 Langenselbold Stark; Herbert Dr.-Phys. 6454 Bruchköbel Stephan
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1978-03-21
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE2812271A1; US4184448A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim chargenweisen Betrieb von diskontinuierlich arbeitenden Vakuumanlagen vergeht für das Ein- und Ausschleusen der Chargen stets eine gewisse Zeit, während welcher die zur Beschichtung dienende Vakuumkammer nicht benutzt werden kann. Dies ist so lange von untergeordneter Bedeutung, wie der Beschichtungsvorgang mehrfach länger dauert als der Chargiervorgang. Mit zunehmend leistungsfähiger werdenden Beschichtungseinrichtungen, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfern, kann die Zeit des Beschichtungsvorganges erheblich verkürzt werden, so daß die Dauer des Chargiervorganges zunehmend störender ins Gewicht fällt Dieser Nachteil wird noch vergrößert, wenn dem Beschichtungsvorgang noch eine zeitraubende Vorbehandlung vorausgeht, wie beispielsweise eine Glimmbehandlung zu Reinigungszwecken

ίο oder ein Aufheizen der Substrate, sofern diese Vorgänge nicht in der Vakuumkammer selbst durchgeführt werden.

Durch die US-PS 35 68 632 ist eine Beschichtungsvorrichtung bekannt, bei der drei Kammern in fester

is räumlicher Zuordnung in Reihe angeordnet sind. Dabei iit die Beschichtungskammer zwischen zwei Schleusenkammern angeordnet, d.h. auf gegenüberliegenden Seiten der Beschichtungskammer befindet sich jeweils nur eine Schleusenkammer. Für den Fall, daß der Aufheizvorgang in der ersten Schleusenkammer und/ oder der Abkühlvorgang in der letzten Schleusenkammer länger dauert als der Besehiehtungsvorgang, wird die Leistungsfähigkeit der gesamten Anlage durch die Aufheiz- bzw. Abkühlvorgänge in den Schleusenkammern stark eingeschränkt

Durch die DE-OS 14 46 199 ist eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt bei der auf gegenüberliegenden Seiten der Beschichtungskammer jeweils mindestens zwei parallele Schleusenkammern angeordnet sind. Die Schleusenkammern befinden sich in fester räumlicher Zuordnung zur Beschichtungskammer und sind auf der der Beschichtungskammer zugekehrten Seite mit je einem Schleusenventil ausgestattet Ferner besitzt die Vorrichtung Substrathalter, die in die Vakuumkammer einführbar sind. Obwohl damit die Gesamtkapazität der Schleusenkammern verdoppelt wird, entstehen Probleme hinsichtlich des Beschichtungsvorganges in der Vakuumkammer. Bei abwechselndem Betrieb der Schleusenkammern gelangen die Substrathalter in die Vakuumkammer in zwei unterschiedlichen Positionen, deren Abstand dem Horizontalabstand der Längsachsen der Schleusenkammern entspricht. Bei einer starren Führung des Substrathalters beispielsweise mittels Schienen (US-PS 35 68 632) oder mittels einer Tragstange müßte in der Vakuumkammer jeweils die doppelte Anzahl von Dampfquellen angeordnet werden, um alle Substrate gleichmäßig beschichten zu können. Alternativ müßten in der Vakuumkammer Einrichtungen für den zusätzlichen

so Quertransport der Substrathalter oder der Dampfquellen vorgesehen werden. Beides ist umständlich und unter Vakuumbedingungen schlecht durchführbar, insbesondere dann, wenn den Substraten beim Bedampfen auch noch eine bestimmte räumliche Bewegung aufgezwungen werden muß. Außerdem sind bei der bekannten Vorrichtung nicht sämtlichen Schleusenkammern eigene Substrathalter zugeordnet, vielmehr werden unabhängige Substrathalter von links nach rechts durch die Vorrichtung hindurchgeschleust, d. h.

von den Einlaßkammern zu den Auslaßkammern. Damit ist die Kapazität der bekannten Vorrichtung weitgehend begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, deren Wirtschaftlichkeit erheblich vergrößert wird und bei der ein nahezu unterbrechungsfreier chargenweiser Betrieb möglich ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der

eingangs beschriebenen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Hiermit sind folgende Vorteile verbunden; Durch die Anordnung jeweils mindestens zweier Schleusenkammern auf einsm gemeinsamen Fahrgestell wird erreicht, daß die erforderliche Querbewegung, durch die die Substrathalter senkrecht über den (einzigen) Verdampfertiegel gebracht werden können, auf einen Bereich außerhalb des Vakuums verlagert wird. Dennoch können sämtliche Schleusenkammern durch deren Verfahrbarkeit mittels der Fahrgestelle nacheinander mit der Vakuumkammer verbunden werden.

Durch die Zuordnung eines Substrathalters zu jeder Schleusenkammer wird erreicht, daß alle Schleusenkammern hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertig sind: alle Schleusenkammern sind gleichzeitig Einlaßkammern und Auslaßkammern. Durch die Ausstattung jeder Schleusenkammer mit einem eigenen Substrathalter wird die Kapazität der gesamten Vorrichtung erhöhL Außerdem können den Substraten mittels der Tragstange Bewegungen aufgezwungen werden, die '.«ispielsweise bei komplizierter Oberflächengeometrie der Substrate (Turbinenschaufeln) die Gleichmäßigkeit der Beschichtung verbessern helfen.

Durch die Zuordnung von Schleusenventilen sowohl zur Vakuumkammer (Beschichtungskammer) als auch zu den Schleusenkammern wird erreicht, daß die Schleusenkammern von der Vakuumkammer getrennt und mit ihr wieder verbunden werden können, ohne daß das Vakuum in einer der Kammern aufgehoben werden müßte.

Im Gegensatz zum Durchstoßbetrieb bei den Vorrichtungen gemäß dem eingangs beschriebenen Stand der Technik handelt es sich beim Anmeldungsgegenstand um eine gleichrangige und technisch gleichwertige Beschickung der Vakuumkammer von beiden Seiten, auf denen die Fahrgestelle mit den Schleusenkammern und den Substrathaltern angeordnet sind. Dies führt zu qjner effektiven Steigerung der Produktivität der gesamten Vorrichtung, die noch beliebig gesteigert werden kann, nämlich dann, wenn auf beiden Seiten der Vakuumkammer mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier parallele Schleusenkammern auf dem gleichen Fahrgestell angeordnet sind. Dieser Vorteil ist insbesondere unter dem einleitend aufgezeigten Gesichtspunkt zu sehen, daß die Leistungsfähigkeit der Beschickungseinrichtung in der Vakuumkammer sehr viel größer ist als beispielsweise die Leistungsfähigkeit der üblicherweise in den Schleusenkammern vorhandenen Zusatzeinrichtungen zum Reinigen, Aufheizen und Abkühlen tesnperaturempfir.dlicher Substrate.

Durch die angegebenen konstruktiven Maßnahmen ist es möglich, bei einer Chargier- und Vorbehandlungsdauer von beispielsweise 16 Minuten eine Beschichtungsvorrichtung fortlaufend zu beschicken, in der der Beschichtungsvorgang beispielsweise vier Minuten dauert. In diesem Falle ist es ausreichend, auf jeder Seite der Vakuumkammer zwei Schleusenkammern anzuordnen, die abwechselnd mit der Vakuumkammer kuppelbar sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit besonderem Vorteil einsetzbar beim Aufdampfen von korrosions- und oxydationsfesten Oberflächenschichten auf Gasturbinenschaufeln. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der Firrnendruckschrift der CHROMAL-LOY AMERICAN CORPORATION, New York, USA »High Temperature Resistant Coatings for Super-Alloy«, von Richard P. Seelig und Dr. Richard J, Stueber beschrieben. Um eine ausreichende Haftfestigkeit der Oberflächenschicht durch intermetallische Diffusion zu erzielen, ist es erforderlich, die Turbinenschaufeln während des Bedampfungsvorgangs auf einer Temperatur von ca. 100O⁰C zu halten. Um die Vakuumkammer, die für den eigentlichen Beschichtungsvorgang dient, nicht durch die Zeitspanne für die Aufheizung der Turbinenschaufeln zu belasten, wird eine Vorheizung

ίο der Turbinenschaufeln außerhalb der Vakuumkammer für die Beschichtung durchgeführt. Dies ist deswegen von Vorteil, weil die Turbinenschaufeln eine relativ große Wärmeträgheit besitzen und nicht zu kurzzeitig aufgeheizt werden sollen, damit keine unzulässig hohen Wärmespannungen auftreten. Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist einer jeden Schleusenkammer eine Vorbehandlungskammer zugeordnet, die als Heizkammer ausgebildet ist Aufgrund der Mehrfachanordnung dieser Vorbehandlungskammern und der Schleusenkammern ist es möglich, den Aufheizvnrgang innerhalb einer relativ langen Zeitspanne durchzuführen und die Turbinenschaufeln praktisch mit der erforderlichen Temperatur in die Vakuumkammer für den Beschichtungsvorgang einzuführen. Es ist also möglich, stets eine ausreichend große Zahl von vorgeheizten Substraten bereit zu halten, mit deren Beschichtung nach dem Einführen in die Vakuumkammer sofort begonnen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und dessen Wirkungsweise sei nachfolgend anhand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine vollständige Vorrichtung mit zwei Schleusenkammern auf jeder Seite der Vakuumkammer,

Fig.2 einen vergrößerten Teilausschnitl aus dem Gegenstand von F i g. 1 und

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch die Vakuumkammer mit Beschickungseinrichtung.

⁴<> In den Figuren ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, die mit einer Beschickungseinrichtung mit Elektronenstrahlbeheizung versehen ist. Von der Beschickungseinrichtung sind in Fig.2 lediglich die beiden Elektronenstrahlkanonen 11 und 12 sichtbar. Die Vakuumkammer 10 ist auf einem Traggerü&t 13 stationär angeordnet und besitzt an beiden Seiten Schleusenventile 14 und 15 herkömmlicher Bauart Derartige Schleusenventile können beispielsweise als Vakuumschieber ausgebildet sein.

Auf der linken Seite der Vakuumkammer 10 sind zwei Schleusenkammern 16 und 17 angeordnet. Auf der anderen Seite befinden sich in spiegelsymmetrischer Lage zwei weitere Schleusenkammern 18 und 19, wobei die Längsachsen sämtlicher Schleusenkammern senkrecht zu einer Symmetrieebene 5 ausgerichtet sind, die durch die Vakuumkammer 10 verläuft. Die Schleusenkammern sind in ihren oberen Wänden mit Chargieröffnungen 20, 21, 22 und 23 versehen, die durch entsprechende Deckel verschließbar sind. Die oberen Wände der Schleusenkammern und mit ihnen die Chargieröffnungen liegen im Bereich einer Arbeitsbüh ne 24, so daß die Chargieröffnungen beque'n von oben beschickt werden können. In den Schleusenkammern 16 bis 19 befinden sich Substrathalter 47 (F i g. 3), die mit je einem Amn.'b verbürgen sind, der einen entsprechend langen Arbeitshub der Substrate von den Chargieröffnungen bis in die Vakuumkammer 10 zuläßt. Diese Antriebe sind in besonderen Antriebskammern 26

angeordnet, die sich an den äußeren Enden der Schleusenkammern befinden. Zwischen den Schleusenkammern und der Vakuumkammer IO befinden sich Vorbehandlungskammern 27, 28, 29 und 30, die mit den Schleusenkammern fest verbunden sind. An den der Vakuumkammer 10 zugekehrten Enden der Vorbehandlungskammern sind diese mit Schleusenventilen 31, 32, 33 und 34 versehen. Die .Schleusenventile 3t und 32 sind mit dem Schleusenventil 14 der Vakuumkammer 10 kuppelbar, während die Schleusenventile 33 und 34 mit dem Schleusenventil 15 der Vakuumkammer 10 kuppelbar sind.

Die Schleusenkammern 16 und 17 sind auf einem gemeinsamen Fahrgestell angeordnet, welches auf Schienen verfahrbar ist, die parallel zur Symmetrieachse S verlaufen. In analoger Weise sind auch die Schleusenkammern 18 und 19 auf einem gemeinsamen Fahrgestell angeordnet, welches gleichfalls parallel zur ■symmplripphpnp .<> vprfahrhar ίς| Dip Fahrgpstplle. von denen in F i g. I lediglich die oberen Rahmenteile sichtbar sind, sind mit 35 und 36 bezeichnet. Diese Fahrgestelle sind am unteren Ende mit Laufrädern 37 versehen, die auf Schienenpaaren 38 bzw. 39 abrollen. Für das Verfahren der Fahrgestelle 35 und 36 dient je ein Getriebemotor 40 und 41.

Gemäß F i g. 2 befinden sich zwischen den Schleusenkammern 16 bis 19 und den Vorbehandlungskammern 27 bis 30 weitere Schleusenventile 42 bis 45, die es ermöglichen, die Vorbehandlungskammern 27 bis 30 auch dann unter Vakuum zu halten, wenn die betreffenden Chargieröffnungen 20 bis 23 geöffnet sind. Für den Fall, daß die Vorbehandlungskammern als Heizkammern ausgeführt sind, kann durch diese Maßnahme nicht nur die Temperatur besser gehalten werden, sondern die Einbauten der Heizkammern werden auch gegenüber dem oxidativen Einfluß der b'mgebungsluft geschützt.

In den Fig. 1 und 2 befindet sich jeweils das linke F ahrgestell 35 mit den Schleusenkammern 16 und 17 in der hinteren Position, während sich das Fahrgestell 36 mit den Schleusenkammern 18 und 19 in der vorderen Position befindet. Durch ein Verfahren der Fahrgestelle um den Mittenabstand der Schleusenkammern läßt sich auf der linken Seite der Vakuumkammer 10 die gleiche Position des Fahrgestells 35 einstellen, wie auf der rechten Seite, lediglich in spiegelsymmetrischer Anordnung, und umgekehrt.

Das Zusammenwirken einer jeden Schleusenkammer mit Vorbehandlungskammer sei anhand von Fig. 3 näher erläutert, die einen Schnitt durch die Vakuumkammer 10 zeigt, vobei die Schnittebene so gelegt ist. daß die senkrechten Achsen der beiden Elektronen-Strahlkanonen 11 und 12 in der Schnittebene liegen. Die Schleusenkammer 17 mit der Vorbehandlungskammer 28 steht mit der Vakuumkammer 10 dadurch in Verbindung, daß die Schleusenventile 14 und 32 miteinander vakuumdicht gekuppelt sind. Die beiden Schleusenventile sind geöffnet, desgleichen das Schleusenventil 43.

In die Vakuumkammer 10 ragt durch sämtliche Schieusenventile hindurch eine Tragstange 46, an deren Ende ein Substrathalter 47 mit mehreren Substraten 48 angeordnet ist. Die Tragstange 46 ist in Richtung des Pfeils 46a beweglich und steht mit einem nicht gezeigten Antrieb in Verbindung, der sich in der Arbeitskammer 26 (Fi g. 1) befindet, jede der Schleusenkammern 16 bis 19 besitzt einen identischen Aufbau und gleiche Einrichtungen.

Unterhalb des .Substrathalters 47 ist in der Vakuumkammer 10 eine Beschickungseinrichtung 49 angeordnet, die im vorliegenden Falle aus einem Verdampfertiegel 50 mit Kühlkanälen 51 besteht. In dem Verdampfertiegel befindet sich ein schmelzflüssiges Bad 52 aus dem zu verdampfenden Material. Das Bad 52 besitzt einen Badspiegel 53, der von zwei Elektronenstrahlen 54 und 55 beaufschlagt wird, die in den Elektronenstrahlkanonen 11 und 12 erzeugt werden. Hierbei wird der Badspiegel mit Hilfe von A"-Ablenksystemen 56 und V-Ablenksystemen 57 nach einem bestimmten Flächenmuster ?!igerastert, das jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Eine Steueranordnung 58 versorgt die Elektronenstrahlkanonen 11 und 12 mit den erforderlichen Ablenkspannungen für die einzelnen Ablenksysteme. Unter dem Ein.'iuß der Elektronenstrahlen geht von dem Badspiegel 53 eine Dampfwolke aus, die teilweise auf den Substraten 48 kondensiert und dort Oberflächenschichten erzeugt. Zum Zwecke der Einhaltung eines definierten Temperaturniveaus im Bereich der Substrate ist die gesamte Anordnung von einem Wärmereflektor 59 umgeben.

Sobald die Beschichtung der Substrate 48 die geforderten Eigenschaften hat, wird die Tragstange 46 in einer Richtung, die dem Pfeil 46a entgegengesetzt ist, so weit zurückgezogen, daß sich die Substrate 48 in der Schleusenkammer 17 befinden. Die Schleusenventile 14, 32 und 43 werden hierauf geschlossen. Nachfolgend werden die Schleusenkammer 17 mit der Vorbehandlungskammer 28 in horizontaler Richtung verfahren, bis eine weitere Schleusenkammer mit der Vakuumkammer 10 fluchtet. Hierauf kann sich das Spiel wiederholen. Die auf der anderen Seite der Vakuumkammer befindlichen Schleusenkammern, die mit dem Schleusenventil 15 zusammenwirken, sind der Einfachheit halber fortlassen worden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum chargenweisen Beschichten von Substraten unter Vakuum mit einer Vakuumkammer, in der eine Beschichtungsemrichtung angeordnet ist und der auf gegenüberliegenden Seiten jeweils mindestens zwei parallele Schleusenkammern zugeordnet sind, die an der der Vakuumkammer zugekehrten Seite mit je einem Schleusenventil ausgestattet sind, sowie mit Substrathaltern, die in die Vakuumkammer einführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die auf gegenüberliegenden Seiten der Vakuumkammer (10) befindlichen Schleusenkammern (16, 17, 18, 19) gemeinsam auf je einem Fahrgestell (35, 36) angeordnet sind, daß jede Schleusenkammer mit einem Substrathalter ausgestattet ist, daß die Vakuumkammer an den den Schleusenkammern zugekehrten Seiten gleichfalls mit Schleusenventilen (14,15) versehen ist, und daß die Schleusenkammern sowohl üb^· die jeweiligen Schleusenventile (31,32, 33, 34) der Schleusenkammern ais auch über die Schleusenventile (14, 15) der Vakuumkammer wahlweise mit der Vakuumkammer kuppelbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Vakuumkammer (10) zwei Schleusenkammern (16/17 bzw. 18/19) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer jeden Schleusenkammer (16,17,18,19) und der Vakuumkammer (10) eine Vorbehandlii43Skammer (27,28, 29,30) angeordnet ist, die mit der Schleusenkammf^r verfahrbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der oberen Wände der Schleusenkammern (16,17,18, Iy) eine Arbeitsbühne (24) angeordnet ist, und daß in den oberen V/änden Chargieröffnungen (20,21,22,23) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schleusenkammern (16, 17, 18, 19) und den Vorbehandlungskammern (27, 28, 29, 30) je ein weiteres Schleusenventil (42,43,44,45) angeordnet ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungseinrichtung (49) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, daß die Substrate in einer im wesentlichen rechteckigen Anordnung am Substrathalter (47) befestigbar sind, und daß die Substrathalter aus sämtlichen Schleusenkammern (16,17,18,19) in die gleiche Position oberhalb der Beschickungseinrichtung einführbar sind, in der die Längsachsen der Beschichtungseinrichtung und der Substratanordnung in einer senkrechten Ebene liegen.