CH675845A5

CH675845A5 -

Info

Publication number: CH675845A5
Application number: CH1438/88A
Authority: CH
Inventors: Werner Pivit; Ralf Nachtsheim
Original assignee: Leybold Ag
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1988-04-19
Publication date: 1990-11-15
Also published as: DE3717712A1; US4891009A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken für den Transport zwischen einer Aufnahme- oder Abgabestation und einer Beschichtungsstation im-Innenraum einer Be-schichtungskammer und zur Temperierung der Werkstücke während des Beschichtungsvorgangs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die Werkstücke, beispielsweise Lagerschalen für Hubkolbenmotoren, derart aufnimmt, daß diese sich in einer genau definierten Lage und Form zum Werkstückträger ausrichten, wobei die Vorrichtung gleichzeitig dafür Sorge tragen soll, daß sich die Werkstücke während eines Beschichtungsvorgangs, beispielsweise einer Besputterung, in einer evakuierten Beschich-tungskammer nicht übermäßig aufheizen. Die Werkstückträger sollen dabei frei beweglich bleiben, weshalb diese ohne Kühlmittelleitungen oder sonstige Druckmittel-Verbindungen ausgebildet sein sollen. Schließlich soll die Vorrichtung das problemlose Ein- und Ausschleusen der Werkstücke in die Be-schichtungskammer ermöglichen und auch sicher stellen, daß während einer Störung an der Be-schichtungseinrichtung, beispielsweise bei einem Stromausfall die Werkstücke sicher in ihren Halterungen am Werkstücktäger verbleiben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen als Hohl- oder Druckkörper ausgebildeten, zumindest teilweise mit einem Wärmeübertragungsmedium gefüllten Werkstückträger gelöst, der an einer der Beschichtungsquelle zugekehrten Fläche ein oder mehrere nach außen zu offene als Ausnehmungen, Vertiefungen oder Nuten ausgebildete Werkstückaufnahmen aufweist, wobei an der selben Fläche bewegliche Halteorgane vorgesehen sind, die die Werkstücke in der Werkstückaufnahme arretieren und wobei zumindest eine Partie einen Wärmeübertragungskopf bildet, der während des Beschichtungsvorgangs mit einem Kühlkörper oder einer Kühlplatte zusammenwirkt, die über eine oder mehrere Druckmittelleitungen an eine Kühlmittelquelle oder an einen Kühlmitteikreislauf angeschlossen ist.

Vorzugsweise weist der Werkstückträger eine im wesentlichen parallelepidede Form auf, wobei die in der Beschichtungskammer der Beschichtungsquelle zugekehrte Seitenfläche mit einer etwa ein Oval bildenden Werkstückaufnahme versehen ist, in die Werkstücke einlegbar sind, die der Beschichtungsquelle zugekehrte Stützflächen aufweisen, an die Spannbacken anlegbar sind, die ihrerseits am Werkstückträger gehalten und geführt sind.

Mit Vorteil sind in die die Werkstückaufnahme bildende Ausnehmung oder Nut eine oder mehrere Kontaktschalen eingelegt, die aus einem die Wärme besonders gut leitendem und in engen Grenzen elastisch verformbaren Werkstoff gebildet sind.

Parallel der Seitenwandungen der Werkstückaufnahme sind an der Außenfläche des Werkstückträgers Pratzleisten fest angeordnet, wobei jeweils zwei einander gegenüberliegend angeordnete Pratzleisten einen Abstand zwischen sich einschließen, der geringer bemessen ist, als die ganze Breite eines nicht in die Werkstückaufnahme eingelegten Werkstücks.

Um einen möglichst raschen Wärmeübergang vom Werkstück auf den Werkstückträger zu ermöglichen ist die Kontaktschale aus miteinander verwebten, verflochtenen oder verwirkten Metalldrähten oder Metallstreifen gebildet.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Kontaktschale eine Vielzahl von nach außen zu abstehende Lamellen auf, die sich nach Art eines Teppichflors eng an die Kontaktfläche des Werkstücks anlegen und damit einen raschen Wärmeübergang bewirken.

Zweckmäßigerweise sind die Spannbacken am Werkstückträger um Bolzen schwenkbar gelagert, die ihrerseits an Zuggliedern angelekt sind, die von einem Spannbügel angetrieben sind, der pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch bewegbar oder von Federn angetrieben ist.

Mit Vorteil mündet im Bereich der Werkstückaufnahme eine Bohrung ein, die durch den Werkstückträger hindurchgeführt ist, wobei in der Bohrung eine Auswerferstange gelagert ist, die mit dem Spannbügel in Wirkverbindung steht und das Werkstück nach erfolgter Beschichtung aus der Werkstückaufnahme herausschiebt.

Um den Transport der Werkstücke zwischen den einzelnen Stationen einer Beschichtungsvorrich-tung zu ermöglichen, weist der Werkstückträger Haltearme auf, mit denen er an einem Transportschlitten oder ein Transportband gehalten ist. An Stelle eines Transportbandes kann selbstverständlich auch eine Kette vorgesehen sein, die über Rollen oder Gleitbahnen geführt und von geeigneten Elektromotoren oder Hydromotoren angetrieben ist, wobei die einzelnen Werkzeugträger mit Hilfe der Haltearme an dieser angelenkt oder in diese eingehängt sind.

Vorzugsweise ist der Kühlkörper oder die Kühlplatte als mit einem Kühlmittel gefüllter Hohlkörper ausgebildet, der über eine Schlauch- oder Rohrleitung mit einem Wärmetauscher verbunden ist, wobei in die Leitungen Absperrorgane und/oder Regelventile eingeschaltet sind, die über einen Temperaturfühler mit Steilmotor steuerbar sind.

Vorzugsweise sind die Kühlkörper jedem Werkstückträger paarweise zugeordnet, wobei jeweils einer der Kühlkörper an einem der Beschichtungsquelle zugewandten Abschnitt auf der Frontseite des Werkstückträgers und der andere Kühlkörper an der diesem Abschnitt gegenüberliegenden Rückseite des Werkstückträgers anliegt.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den anliegenden Zeichnungen näher dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 Ein Werkstückträger ohne die zugehörigen Kühlkörper in perspektivischer Ansicht, wobei die zugehörigen Spannbacken und der Spannbügel der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht näher dargestellt sind,

Fig. 2 den Schnitt quer durch einen Werkstückträger, wobei zusätzlich noch für ein automatisches

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Zuführen der Werkstücke erforderliche Anpreßstempel angedeutet sind,

Fig. 3 drei an ein Transportband angehängte Werkstückträger in perspektivischer Ansicht und stark vereinfacht dargestellt,

Fig. 4 das Schema eines Kühlkreislaufes für vier Werkstückträger, wobei die einzelnen Aggregate als bloße Symbole dargestellt sind und

Fig. 5 den Schnitt quer durch eine Werkstückaufnahme mit Pratzleisten, Kontaktschale und Spannbacken.

Der Werkstückträger 1 besteht im wesentlichen aus einem Hohlkörper, der als Druckbehälter ausgeführt und teilweise mit einem Wärmeübertragungsmedium 10 gefüllt ist, aus einer Werkstückaufnahme 2, 3 die gleichzeitig den Wärmekontakt zwischen Werkstück 4, 5 und Hohlkörper 1 schafft, aus Spannbacken 6 bis 9, die die Werkstücke 4, 5 in genau definierter Lage halten, aus Auswerferstangen 11, 12 und einem oberen Abschnitt des Werkstückträgers, der einen Wärmeübertragungskopf 13 bildet. Die Werkstücke 4, 5 werden in einer vor der Beschickungsanlage angeordneten Beladestation (nicht dargestellt), nach Öffnen der Spannbacken 6 bis 9 des Werkstückträgers, in die Werkstückaufnahme 2,3 eingeordnet, wobei sowohl eine manuelle wie auch eine automatische Handhabung möglich ist. Mit Hilfe eines Anpresstempels 14, 15 der Beladestation werden Werkstücke 4, 5 mit einer bemessenen Kraft an die Substrataufnahme 2, 3 angedrückt und dann durch Anlegen der Spannbacken 6 bis 9 gesichert. Die Betätigung eines Spannbügels 16 erfolgt über Federn 17, 18 oder mittels einer pneumatischen Vorrichtung oder mit Hilfe einer Kombination aus beidem. Es wird hierdurch erreicht, daß die, in diesem Anwendungsfall halbschalenförmigen Werkstücke 4, 5 einen definierten Radius annehmen, durch die, zwischen den Spannbacken 6 bis 9 vorgesehene Pratzleisten 17 bis 20 definiert abgedeckt werden und somit genau begrenzt beschichtet werden können. Die Kontak-tierung zwischen Werkstück 4, 5 und Wärmeabführsystem wird durch eine, dem Anwendungsfall angepaßte Metallschale 21, 22 erreicht. Diese Metallschalen 21, 22 sind so ausgebildet, daß sich durch federndes Anlegen eine große Anzahl von Lamellen, Drähte oder Streifen integral eine möglichst große Wärmeübergangsfläche am Werkstück 4, 5 ergibt. Hierdurch werden exakt bearbeitete und streng tolerierte Flächen in der Werkstückaufnahme 2, 3, sowie hohe Anpreßkräfte, zur Erreichung des Formschlusses überflüssig. Der gute Wärmeübergang von der Metallschale 21, 22 zum Träger-/ Wärmeabführsystem wird dadurch gewährleistet, daß die Metallschale mit dem Hohlkörper durch Lötung verbunden wird. Nach dem Beladen und Arretieren werden die Werkstückträger 1 senkrecht gestellt mit dem Wärmeübertragungskopf 13 nach oben und in ein angepaßtes Transportsystem eingehängt. Der Hohlkörper 1 ist in diesem speziellen Anwendungsfall mit einer definierten Menge destilliertem, entgastem Wasser gefüllt. Die unter Vakuum eingefüllte Wassermenge gewährleistet unter Betriebsbedingungen einen Kühlmittelstand im Hohlkörper 1,

der zu jedem Zeitpunkt des Beschichtungsvorgangs eine Werkstückkühlung sicherstellt. Für Anwendungsfälle, die zur Beschichtung andere Temperaturverhältnisse erfordern, sind andere Wärmeübertragungsmedien wie Öle, Alkohole oder flüssige Metalle, Salz etc. verwendbar.

Nach Einbringen des Hohlkörpers 1 bzw. des be-ladenen Werkstückträgers in die Sputterkammer werden, jeder Arbeitsposition zugeordnet, an den Wärmeübertragungskopf 13 des Hohlkörpers 1 wasserdurchströmte Kühlplatten 23, 24 angelegt. (Fig. 3). Über dieses mit Vakuumdurchführungen 27 bis 35 nach außen geführte Kühlsystem (Fig. 4) läßt sich, unter Berücksichtigung der Zeitkonstanten des Systems, eine genau definierte Temperatur an den Werkstücken 4, 5 einstellen.

Die am Werkstück 4, 5 anfallende Wärme wird über die Metallschalen 21, 22 an die Hohlkörperwandung abgeleitet. Von dort wird die Wärme an das Wärmeübertragungsmedium 10 weitergeleitet. Entsprechend dem Sättigungsgleichgewicht verdampft eine bestimmte Menge des Kühlmittelinventars, steigt in freier Konvektion nach oben und wird dort am Wärmeübertragungskopf 13, der Wärmesenke, niedergeschlagen und tropft zurück in die Kühlmittelvorlage. Der Rückkühlkreislauf des Carriers besteht (gemäß Fig. 4) im wesentlichen aus einer kontinuierlich fördernden Pumpe 25, einer Rückkühlung bzw. einem Wärmetauscher 26, Vakuumdurchführungen 27 bis 35, flexiblen Schläuchen 36 bis 44, mediumdurchströmten Kupferplatten 23, 24 und 45 bis 50, Vorrichtungen zum Andrücken der Kühlplatten, einem Drei-Wege-Regelventil 51 mit Meßgerät 52 und Regler für die Vorlauftemperatur, sowie einzelnen untergeordneten Regelkreisen mit Drosselventil und Temperaturabgriff für jede Kühlplatte 23, 24 bzw. 45 bis 50. Die Regelung der Substrattemperatur erfolgt indirekt über Temperatur- und Mengeneinstellung im Rückkühlkreis 53. Der zur Regelung am Substrat 4, 5 erforderliche Temperatur-lst-Wert wird, da der Temperaturgradient über den Carrier im stationären Zustand vernachlässigbar ist, im Bereich des Wärmeübertragungskopfs 13 am Hohlkörper 1 abgegriffen. Da der Carrier während des Beschichtungsvorgangs unter Hochspannung steht, ist es erforderlich, daß die Temperatur berührungslos oder mit speziellen, elektrisch nicht leitenden berührenden Meßinstrumenten 54 bis 57 abgegriffen wird. Über diesen Ist-Wert wird mit Hilfe eines Regelventils die Wassermenge in den Kühlplatten und damit die Temperatur am kalten Ende des Carriers geregelt. Dadurch stellt sich über den Carrier, da der Wärmeeintrag aus dem Prozeß als konstant anzusehen ist, ein definiertes Temperaturniveau ein. Ein weiterer Regelkreis, mit Temperaturabgriff im Vorlauf und Drei-Wege-By-Pass-Ventil, sorgt für ein geeignetes Vorlauftemperaturniveau.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung findet Anwendung bei der Herstellung von aufgesputter-ten Verschleißschichten auf Lagerschalen im In-Li-ne-Prinzip. Weitere Anwendungen sind bei allen auf automatisches Handling ausgerichteten Beschich-tungsanlagen nach dem In-Line-Prinzip denkbar.

Zur Herstellung von Lagerschalen mit hohen

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Standzeiten ist ein Beschichtungstyp verwendbar, der, bestehend aus einer Haftschicht und der eigentlichen Verschleißschicht, die Lebensdauer solcher Lager ganz wesentlich erhöht. Der Schichtaufbau erfolgt durchlaufend in nachfolgenden Schritten in einer Vakuumkammer:

- Plasmaätzen -Sputtern der Haftschicht

- Sputtern der Verschleißschicht

Die dabei aufgewendeten Energien werden fast ausschließlich in Wärme umgesetzt und heizen das Werkstück bzw. das Substrat und das Strukturmaterial auf. Durchgeführte Versuche zeigten aber, daß die Qualität und damit gleichzeitig auch die Standzeit der Lagerschalen stark vor den beim Sputtern der Schichten eingestellten Temperatur abhängig ist. Aus dieser Abhängigkeit heraus ergibt sich die Forderung, die Werkstücke während der Bearbeitungsvorgänge in der Temperatur konstant auf einem Niveau zu halten. Ais ein günstiges Temperaturniveau für den vorliegenden Schichttyp zeigt sich der Bereich zwischen 160 und 180 Grad C. Um eine Anpassungsfähigkeit des Konzepts an andere Schichttypen zu erreichen, ist darüberhinaus-gehend die Möglichkeit vorgesehen, andere Temperaturniveaus einzuregeln. Zu diesem Zweck ist in Erweiterung eines Return-System-Konzeptes für eine In-Line Sputterkammer eine Werkzeugaufnahme entwickelt, die neben ihrer Trägerfunktion noch über das beschriebene Wärmeabfuhrsystem/Tem-periersystem verfügt.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken (4, 5) oder Substraten für den Transport zwischen einer Aufnahme- oder Abgabestation und einer Be-schichtungsstation im Innenraum einer Vakuum-Be-schichtungskammer und zur Temperierung der Werkstücke während des Beschichtungsvorgangs, gekennzeichnet durch einen als Hohl- oder Druckkörper ausgebildeten, zumindest teilweise mit einem Wärmeübertragungsmedium (10) gefüllten Werkstückträger (1), der an einer der Beschichtungsquelle zugekehrten Fläche ein oder mehrere nach außen zu offene als Ausnehmungen, Vertiefungen oder Nuten ausgebildete Werkstückaufnahmen (2, 3) aufweist, wobei an der selben Fläche bewegliche Halteorgane (6 bis 9) vorgesehen sind, die die Werkstücke in der Werkstückaufnahme (2, 3) arretieren und wobei zumindest eine Partie einen Wärmeübertragungskopf (13) bildet, der während des Beschichtungsvorgangs mit einem Kühlkörper oder einer Kühlplatte (23, 24) zusammenwirkt, die über eine oder mehrere Druckmittelleitungen (36 bis 44) an eine Kühlmittelquelle oder einen Kühlmittelkreislauf (25, 26; 51, 52, 53) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückträger (1) eine im wesentlichen parallelepipede Form aufweist, wobei die in der Beschichtungskammer der Beschichtungsquelle zugekehrte Seitenfläche mit einer etwa ein Oval bildenden Werkstückaufnahme (2, 3) oder endlosen Nut versehen ist, in die Werkstücke (4, 5) einlegbar sind, die der Beschichtungsquelle zugekehrte Stützflächen (58 bis 61) aufweisen, an die Spannbacken (6 bis 9) anlegbar sind, die ihrerseits am Werkstückträger (1) gehalten und geführt sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Werkstückaufnahme (2, 3) bildende Ausnehmung oder Nuten eine oder mehrere Kontaktschalen (21, 22) eingelegt sind, die aus einem die Wärme besonders gut leitendem und in engen Grenzen elastisch verformbaren Werkstoff gebildet sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel der Seitenwandungen der Werkstückaufnahme (2, 3) an der Außenfläche des Werkstückträgers (1) Pratzleisten (17 bis 20) fest angeordnet sind, wobei jeweils zwei einander gegenüberliegend angeordnete Pratzleisten (17,18 bzw. 19,20) einen Abstand (A) zwischen sich einschließen, der geringer bemessen ist, als die ganze Breite (B) eines nicht in die Werkstückaufnahme (2,3) eingelegten Werkstücks.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschale (21, 22) aus miteinander verwebten, verflochtenen oder verwirkten Metalldrähten oder Metallstreifen gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschale (21, 22) eine Vielzahl von nach außen zu abstehenden Lamellen aufweist, die sich nach Art eines Teppichflors eng an die Kontaktfläche des Werkstücks anlegen und damit einen raschen Wärmeübergang bewirken.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (6 bis 9) am Werkstückträger (1) um Bolzen (62 bis 65) schwenkbar gelagert sind, die ihrerseits an Zuggliedern (67 bis 69) angelekt sind, die von einem Spannbügel (16) angetrieben sind, der pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch bewegbar oder von Federn (70, 71) angetrieben ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorher vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Werkstückaufnahme (2, 3) eine Bohrung (74, 75) einmündet, die durch den Werkstückträger (1) hindurchgeführt ist, wobei in der Bohrung (74 bzw. 75) eine Auswerferstange (11, 12) gelagert ist, die mit dem Spannbügei (16) im Wirkverbindung steht und das Werkstück (4, 5) nach erfolgter Be-schichtung aus der Werkstückaufnahme (2,3) herausschiebt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückträger (1) Haltearme (76, 77) aufweist, mit denen er an einem Transportschlitten oder Transportband (78) gehalten ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper oder die Kühlplatte (23) als ein mit einem Kühlmittel gefüllter Hohlkörper ausgebildet und über eine Schlauch- oder Rohrleitung (36 bis 44, 53) mit einem Wärmetauscher (26) verbunden ist, wobei in die Leitungen Absperrorgane (51) und/oder Regelventile (79 bis 86) eingeschaltet sind, die über einen Temperaturfühler (54 bis 57) mit Stellmotor (87 bis 94) steuerbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (23, 24 bzw. 45 bis 50) jedem Werkstückträger (1 ) paarweise zugeordnet sind, wobei jeweils einer der Kühlkörper (23, 45, 47, 49) an einem der Beschichtungsquelle zugewandten Abschnitt (13) auf der Frontseite des Werkstückträgers (1) und der andere Kühlkörper (24, 46, 48, 50) an der diesem Abschnitt (13) gegenüberliegenden Rückseite des Werkstückträgers (1) anliegt.

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