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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(GEBIET DER ERFINDUNG)
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schichtabscheidungssystem,
das für
verschleißfeste Beschichtungsbehandlungen
für Schneidwerkzeuge,
mechanische Teile und dergleichen verwendet wird, und ein Schichtabscheidungsverfahren,
bei welchem dieses System verwendet wird.
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(BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER
TECHNIK)
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Als
eine Technik zur Beschichtung der Oberfläche eines Werkstücks wie
zum Beispiel eines Schneidwerkzeugs oder eines mechanischen Teils
mit einem verschleißfesten
Material ist das physikalische Aufdampfverfahren (PVD-Verfahren) bekannt.
Bei dem Vakuumbogen-Abscheidungsverfahren als ein solches PVD-Verfahren
vergrößert eine
hohe Abscheidungsgeschwindigkeit notwendigerweise den Wärmeeintrag
in das Werkstück,
und es besteht eine Neigung zum Temperaturanstieg. Deshalb war eine
Technik zum Kühlen
des Werkstücks
(Substrats) erforderlich.
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Als
Werkstück-Kühleinrichtungen
dieses Typs sind zum Beispiel eine Einrichtung mit einem Kühlrohr innerhalb
einer Stufe zum Platzieren eines Werkstücks, um das Werkstück zu kühlen, (siehe
japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung
Nr. 8-262250 ) oder eine Einrichtung zum Kühlen eines
Werkstücks mittels
einer Wärmeübertragungseinrichtung über eine
Ablage zum Platzieren des Werkstücks bekannt
(siehe
japanische veröffentlichte
ungeprüfte
Patentanmeldung Nr. 2001-226771 ).
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Ferner
ist auch ein Schichtabscheidungssystem zur Ausführung der Schichtabscheidungsbehandlung eines
Substrats bekannt, das zur Behandlung in einer Vakuumkammer gehalten
ist, wobei das System innerhalb der Vakuumkammer einen ein Teil
haltenden Halter, der um eine Schwenkwelle drehbar ist, einen Substrathalter,
der durch den das Teil haltenden Halter um die Schwenkwelle gehalten
wird und um eine Drehwelle drehbar ist, ein Drehantriebsteil zum
Drehen des das Teil haltenden Halters und des Substrathalters und
ein Kühlteil
zum Kühlen
des zu behandelnden, durch den Substrathalter gehaltenen Substrats
hat (siehe
japanische veröffentlichte
ungeprüfte
Patentanmeldung Nr. 2002-124471 ).
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Jede
der vorhergehend erwähnten
herkömmlichen
Werkstück-Kühleinrichtungen ist aufgrund
des Mechanismus zum Kühlen
des Werkstücks
von einer äußeren Fläche von
diesem aus für
ein flaches Werkstück wirksam,
aber kann kein Werkstück
auf wirkungsvolle Weise kühlen,
das eine komplizierte Form wie zum Beispiel ein Schneidewerkzeug,
ein mechanisches Teil oder ein Kraftfahrzeugteil hat, oder ein Werkstück mit einem
großen
Volumen, welches eine vorgeschriebene Dicke (Höhe) zu der Kühlfläche hat.
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(ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG)
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In
Hinsicht auf die vorhergehend erwähnten Probleme sieht die vorliegende
Erfindung ein Schichtabscheidungssystem, das zur wirksamen Kühlung eines
Werkstücks
geeignet ist, das ein großes
Volumen hat, und ein Schichtabscheidungsverfahren unter Nutzung
dieses Systems vor.
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Das
Schichtabscheidungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Vakuumkammer und eine Verdampfungsquelle zur
Ausbildung einer Schicht auf einem Werkstück in der Vakuumkammer und
eine Kühleinrichtung
zum Kühlen
des Werkstücks
auf, welche innerhalb der Vakuumkammer vorgesehen ist, und ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Werkstück
einen Innenraum hat, der durch ein Öffnungsteil mit der Außenseite
in Verbindung steht, und die Kühleinrichtung
durch das Öffnungsteil
des Werkstücks
einsetzbar in den Innenraum und herausziehbar aus dem Innenraum
ist, um das Werkstück
von innen zu kühlen.
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Gemäß dem vorhergehend
genannten Aufbau kann, da das Werkstück von dem Innenraum des Werkstücks aus
gekühlt
wird, ein Werkstück
mit einem großen
Rauminhalt wie zum Beispiel ein zylindrischer Körper auf wirksame Weise gekühlt werden.
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Die
Kühleinrichtung
hat vorzugsweise einen Kühlmittelbehälter zum
Weitergeben eines Kühlmittels
in den inneren Teil von dieser.
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Der
Innenraum des Werkstücks
kann in einer zylindrischen Form ausgebildet sein, die eine lineare Achse
hat, und der Kühlmittelbehälter ist
vorzugsweise in einer zylindrischen Form ausgebildet, die in den
Innenraum einsetzbar ist.
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Der
Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Werkstücks und
der Außenfläche des
Kühlmittelbehälters ist
vorzugsweise auf 100 mm oder weniger festgelegt.
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Das
Schichtabscheidungssystem kann eine Werkstückhalteeinrichtung haben, um
das Werkstück
befestigbar und abnehmbar zu halten, und die Werkstückhalteeinrichtung
weist vorzugsweise einen Drehtisch auf, um das Werkstück rund
um eine Drehwelle zu drehen, welche die Achse des Innenraums ist.
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Die
Werkstückhalteeinrichtung
kann eine Bewegungseinrichtung haben, um das Werkstück getrennt von
dem Drehtisch zu bewegen, und der Kühlmittelbehälter ist vorzugsweise vorgesehen,
um der Bewegung des Werkstücks
folgend sich mittels der Bewegungseinrichtung zu bewegen.
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Die
Bewegungseinrichtung kann einen Schwenktisch haben, der um eine
Schwenkwelle gedreht wird, und der Drehtisch ist vorzugsweise an
dem Schwenktisch vorgesehen.
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Der
Kühlmittelbehälter ist
vorzugsweise an dem Schwenktisch vorgesehen.
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Die
Vakuumkammer kann einen unteren Teil haben, um den Schwenktisch
an dem unteren Teil mit der Schwenkwelle als eine Vertikalachslage
vorzusehen, der Drehtisch vorzugsweise an der oberen Fläche des Schwenktischs
vorgesehen ist, um am Umfang gleiche Intervalle auf einem konzentrischen
Kreis mit der Schwenkwelle als Mittelpunkt zu haben, und der Kühlmittelbehälter vorzugsweise
an dem Drehwellen-Mittelteil vorgesehen
ist.
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Das
Schichtabscheidungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zur Durchführung einer Schichtabscheidung
auf einem Werkstück,
das einen Innenraum hat, der durch ein Öffnungsteil mit der Außenseite
in Verbindung steht, unter Nutzung eines Schichtabscheidungssystems,
das eine Vakuumkammer und eine Verdampfungsquelle zur Ausbildung
der Schicht auf dem Werkstück
und eine Kühleinrichtung zum
Kühlen
des Werkstücks
aufweist, welche innerhalb der Vakuumkammer vorgesehen sind, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schicht auf der Außenfläche des Werkstücks ausgebildet
wird, während
die Kühleinrichtung
einsetzbar in das Werkstück
und herausziehbar aus dem Werkstück
eingesetzt wird, um das Werkstück
von der Innenseite des Werkstücks
zu kühlen.
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Bei
dem vorhergehend genannten Verfahren wird das Werkstück vorzugsweise
in dem Zustand gedreht und geschwenkt, in welchem die Kühleinrichtung
in das Werkstück
eingesetzt ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein Werkstück,
das ein großes
Volumen hat, auf wirksame Weise gekühlt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Schichtabscheidungssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht des Systems gemäß 1;
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3 ist
eine schematische Ansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4 ist
eine schematische Ansicht, die ein weiteres anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist
eine schematische Ansicht, die das andere Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Draufsicht des Systems gemäß 5;
und
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7(a) und (b) sind perspektivische Ansichten,
die verschiedne Formen von Werkstücken zeigen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Als
Nächstes
werden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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In 1 und 2 ist
ein Vakuumbogen-Schichtabscheidungssystem gezeigt. Dieses Schichtabscheidungssystem
hat eine Vakuumkammer 1. Innerhalb der Kammer 1 sind
eine Verdampfungsquelle 3 zur Ausbildung einer Schicht
auf einem Werkstück 2,
die befestigbar und abnehmbar in diese geladen wird, und eine Kühleinrichtung 4 zum
Kühlen
des Werkstücks 2 vorgesehen.
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Die
Vakuumkammer 1 ist ein abgedichtetes Gehäuse, das
einen unteren Teil 5, einen oberen Teil 6 und
einen Umfangswandteil 7 hat. Der Umfangswandteil 7 ist
in einer zylindrischen Form ausgebildet, die eine vertikale Achse
hat. Ein Auslassrohr 8 ist mit der Vakuumkammer 1 verbunden,
und eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) ist mit dem Auslassrohr 8 verbunden,
um den Innendruck der Vakuumkammer 1 zu reduzieren. Ein Gaszuführungsrohr 9 oder
mehr Gaszuführungsrohre 9 sind
mit der Vakuumkammer 1 verbunden, um ein Inertgas oder
Reaktionsgas (Prozessgas) in die Vakuumkammer 1 zuzuführen.
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Die
in der Vakuumkammer 1 vorgesehene Verdampfungsquelle 3 ist
ein in einer Stabform ausgebildetes Schichtabscheidungsmaterial,
welches in dem axial mittleren Teil der Vakuumkammer 1 entlang
der vertikalen Richtung angeordnet ist.
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Die
Vakuumkammer 1 hat eine Werkstückhalteeinrichtung 10 zum
Halten des Werkstücks 2.
Die Halteeinrichtung 10 hat eine Vielzahl von Drehtischen 11,
die in dem unteren Teil 5 der Kammer 1 angeordnet
sind, um am Umfang gleiche Intervalle auf einem konzentrischen Kreis
mit dem axialen Mittelpunkt der Kammer 1 zu haben. Jeder
Drehtisch 11 ist derart gebildet, dass das Werkstück 2 auf
der oberen Fläche
platziert wird. Dieser Drehtisch 11 hat eine scheibenähnliche
Form mit einer Drehwelle 12, die an dem unteren Flächenmittelpunkt
der Scheibe fixiert ist, um eine vertikale Achse zu sein, und die
Drehwelle 12 ist in dem unteren Teil 5 der Kammer 1 drehbar
gelagert.
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Die
Drehwelle 12 ist mittels einer Antriebseinrichtung 13 drehbar.
Die Antriebseinrichtung 13 ist an der Außenseite
der Vakuumkammer 1 vorgesehen und weist einen Motor auf.
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Die
Antriebseinrichtung 13 weist Motoren auf, die bei diesem
Ausführungsbeispiel
für jede
Drehwelle 12 vorgesehen sind, aber kann derart gebildet
sein, dass die Kraft durch einen Motor mittels eines Getriebeübertragungsmechanismus
oder dergleichen zu jeder Drehwelle 12 übertragen wird.
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Das
mittels der Halteeinrichtung 10 gehaltene Werkstück 2 hat
einen Innenraum 15, der durch ein Öffnungsteil 14 mit
der Außenseite
in Verbindung steht. Der Innenraum 15 des Werkstücks 2 ist
in einer zylindrischen Form ausgebildet, die eine lineare Achse
hat. Die Außenfläche der
Kühleinrichtung 4 ist
vorzugsweise in einer zylindrischen Form ausgebildet, die mit dem
zylindrischen Innenraum 15 konzentrisch ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist das Werkstück 2 aus
einem Zylinder gebildet, der an beiden Enden offen ist. Das zylindrische
Werkstück 2 ist
auf der oberen Fläche
des Drehtischs 11 fixiert, so dass seine Achse der Achse
der Drehwelle 12 gleichkommt.
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Die
in der Vakuumkammer 1 vorgesehene Kühleinrichtung 4 ist
durch das Öffnungsteil 14 des
Werkstücks 2 in
den Innenraum 15 einsetzbar und aus dem Innenraum 15 herausziehbar,
um das Werkstück 2 von innen
zu kühlen.
Die Kühleinrichtung 4 hat
einen Kühlmittelbehälter 16 zum
Weitergeben eines Kühlmittels
in den inneren Teil. Der Kühlmittelbehälter 16 ist
in einer zylindrischen Form ausgebildet, die in den zylindrischen Innenraum 15 des
Werkstücks 2 einsetzbar
ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist der Kühlmittelbehälter 16 zylindrisch
ausgebildet, so dass er durch das obere Ende des Öffnungsteils 14 des
zylindrischen Werkstücks 2 in
den Innenraum 15 einsetzbar und aus dem Innenraum 15 herausziehbar
ist. Der zylindrische Kühlmittelbehälter 16 ist,
im Gegensatz zu jedem Drehtisch 11, vertikal beweglich
an dem oberen Teil 6 der Vakuumkammer 1 oberhalb
von dieser vorgesehen. Der obere Teil 6 ist mittels eines
Abdichtelements (nicht gezeigt) zu dem Kühlmittelbehälter 16 abgedichtet.
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Ein
Kühlmittelzuführungsrohr 17 und
ein Auslassrohr 18 sind mit dem Kühlmittelbehälter 16 aus der Vakuumkammer 1 heraus
verbunden, um das Kühlmittel
in dem Kühlmittelbehälter 16 auf
effiziente Weise in Umlauf zu bringen. Als das Kühlmittel wird zum Beispiel
Kühlwasser
verwendet.
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Der
Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Werkstücks und
der Außenfläche des
Kühlmittelbehälters 16 ist
auf 100 mm oder weniger, wünschenswerterweise
30 mm oder weniger, festgelegt. Die beiden können vollständig eng anliegend aneinander
angepasst sein, aber sind wünschenswerterweise
mit einem geringfügigen
Zwischenraum angeordnet, da die thermische Kontraktion absorbiert
werden kann, und auch die Herstellbarkeit verbessert wird.
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Das
Schichtabscheidungssystem hat ferner eine Lichtbogenspannungsquelle 19 und
eine Vorspannungsquelle 20, wobei die Katode der Lichtbogenspannungsquelle 19 mit
der Verdampfungsquelle 3 verbunden ist, und die Verdampfungsquelle 3 als
ein Target (eine Katode) gebildet ist. Die Anode der Lichtbogenspannungsquelle 19 ist
mit der Vakuumkammer 1 verbunden. Das Werkstück 2 ist
mit der Katode der Vorspannungsquelle 20 verbunden.
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Die
Lichtbogenspannungsquelle 19 hat eine zusätzliche
Anode für
Funkenentladung (nicht gezeigt), um einen Lichtbogen zwischen der
zusätzlichen
Anode und dem Target 3 zu erzeugen.
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Im
Folgenden wird das Schichtabscheidungsverfahren unter Anwendung
eines Schichtabscheidungssystems beschrieben, das den vorhergehend
beschriebenen Aufbau hat.
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Die
zylindrischen Werkstücke 2 werden
in die Vakuumkammer 1 eingesetzt, auf dem Drehtisch 11 platziert,
und konzentrisch mit den Drehwellen 12 fixiert. Die Kühlmittelbehälter 16 der
Kühleinrichtung 4 werden abgesenkt
und in die Innenräume 15 der
Werkstücke 2 eingesetzt.
Die Vakuumkammer 1 wird evakuiert, und ein Prozessgas wird
in diese eingeleitet, um die Vakuumkammer 1 in einem vorgeschriebenen
Zustand mit reduziertem Druck zu halten.
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Die
Lichtbogenspannungsquelle 19 wird angetrieben, um den Lichtbogen
in der Verdampfungsquelle 3 zu erzeugen, und ein Katodenmaterial
wird von der Verdampfungsquelle 3 verdampft und ionisiert.
Dieses wird mit dem Prozessgas zur Reaktion gebracht, wodurch auf
der Oberfläche
des Werkstücks 2 eine
Schicht erzeugt wird.
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Zu
diesem Zeitpunkt wird die Vorspannungsquelle 20 an die
Werkstücke 2 angelegt.
Die Drehtische 11 werden mittels der Antriebseinrichtung 13 gedreht,
um die zylindrischen Werkstücke 2 um
ihre Achsen zu drehen, so dass die Außenflächen der Werkstücke 2 auf
gleichmäßige Weise
der Verdampfungsquelle 3 gegenüberliegen. Den Kühlmittelbehältern 16 wird
Kühlwasser
als Kühlmittel
zugeführt,
um die Werkstücke 2 von innen
zu kühlen.
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Gemäß dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel
kann durch Einsetzen des Kühlmittelbehälters 16 von
geringer Temperatur in das Innere des zylindrischen Werkstücks 2 die
Wärmeabsorption
von der inneren Oberfläche
des Werkstücks 2 ausgeführt werden,
welche in der Vergangenheit kaum zur Abstrahlung beitrug. Da ferner
der Kühlmittelbehälter 16 selbst
kaum eine Wärmezuführung von
dem Plasma oder der Heizeinrichtung empfängt, behält das Kühlmittel in ausreichender Weise
eine niedrige Temperatur, und die Fähigkeit zum Kühlen des
Werkstücks 2 wird
daher niemals verschlechtert. Das Werkstück 2 wird mittels
dieser Kühleinrichtung 4 auf
400°C oder
weniger gehalten.
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Da
der Kühlmittelbehälter 16 in
einer in die Form des Innenraums 15 des Werkstücks 2 eingepassten zylindrischen
Form ausgebildet ist, wird die Abdichtungsstruktur mit dem oberen
Teil 6 erleichtert, und die Verschlechterung des Grads
an Vakuum innerhalb der Vakuumkammer 1 kann minimiert werden.
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Da
die Dichte eines Wärmemediums
(Gas oder Ionenpartikel) in Vakuum äußerst gering ist, hängt die Wärmeübertragung
von einem Material zu einem Material beinahe von der Abstrahlung
ab, mit Ausnahme des Falls, in welchem die beiden mit einem bestimmten
Grad an Fläche
nahe aneinander gefügt
sind (leitende Wärmeübertragung).
Da es einen kleinen Vorteil bei der Vergrößerung der Fläche durch
Anpassung eines Faltenbalgtyps oder einer Rippenstruktur gibt, wie
sie bei einem Wärmeaustausch
verwendet wird, bei welchem ein Kontakt mit einem Wärmemedium
in der Atmosphäre
oder bei einem Druck über
dem Luftdruck hergestellt wird, und eine signifikante Vergrößerung der
Oberfläche
im Vakuum in nachteiliger Weise zu einer Verschlechterung im Grad
an Vakuum führt,
wird demgemäß für das zylindrische
Werkstück 2 der
zylindrische Kühlmittelbehälter 16 verwendet,
der eine einfache Form hat.
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Die
Wärmeübertragungsrate
durch Abstrahlung zwischen zwei Materialien ist proportional zu
der Fläche,
die zu der Wärmeübertragung
zwischen den beiden beiträgt.
Der Raum zwischen dem Kühlmittelbehälter 16 und
der Innenfläche
des Werkstücks 2 ist
so weit wie möglich
verengt, wodurch die Fläche
des Kühlmittelbehälters 16,
wenn von der Innenfläche
des Werkstücks 2 aus
betrachtet, mehr vergrößert wird,
und die sichtbare Fläche
der Innenfläche
des Werkstücks 2 von
hoher Temperatur wird reduziert, und die Kühlwirkung wird somit gesteigert.
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Wenn
der Abstand zwischen den beiden Null ist oder die Beiden miteinander
in Kontakt sind, kann ein Kühlen
durch leitende Wärmeübertragung
mit einer höheren
Kühlwirkung
erwartet werden. Es ist jedoch bekannt, dass eine beachtliche Kühlwirkung
durch leitende Wärmeübertragung
erzielt werden kann, wenn die beiden bei einem Druck von 0,5–10 MPa
unter Druck gesetzt werden, und es ist ein geringfügig spezieller
Fall, dass dies realisiert werden kann. Im tatsächlichen Betrieb ist in vielen
Fällen
die einfache Befestigung und Entfernung des Werkstücks 2 in
dem bzw. aus dem Kühlmittelbehälter 16 erforderlich.
Für ein
Werkstück 2,
das eine Länge
von ungefähr
500 mm hat, wäre
es zum Beispiel vom Standpunkt der zufriedenstellenden Bearbeitbarkeit
aus betrachtet besser, einen Zwischenraum von mindestens ungefähr 5 mm
vorzusehen, und dies kann noch eine ausreichende Kühlwirkung
schaffen.
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Das
Werkstück 2 kann
einfach auf dem Drehtisch 11 platziert werden, ohne auf
diesem fixiert zu sein, wobei das Herunterfallen durch den Kühlmittelbehälter 16 verhindert
wird. In diesem Fall funktioniert der Kühlmittelbehälter 16 als eine Werkstückhaltevorrichtung.
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Wenn
sich das verdampfte Material aus der Verdampfungsquelle 3 aus
einer bestimmten genau angegebenen Richtung zu dem Werkstück 2 bewegt,
wird es auf der der Verdampfungsquelle 3 zugewandten Seite
dicker abgeschieden. Durch Drehen des Werkstücks 2 kann das verdampfte
Material jedoch in einer einheitlichen Dicke über den gesamten Umfang abgeschieden
werden, während
das Werkstück 2 gekühlt wird.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist die Werkstückhalteeinrichtung 10 derart
gebildet, dass das Werkstück 2 in
eine Richtung bewegt wird, die sich von der Drehrichtung unterscheidet.
Die Werkstückhalteeinrichtung 10 hat
eine Bewegungseinrichtung 21 zur Bewegung des Werkstücks 2, getrennt
von dem Drehtisch 11. Der Kühlmittelbehälter 16 ist derart
vorgesehen, dass er sich mittels der Bewegungseinrichtung 21 der
Bewegung des Werkstücks 2 folgend
bewegt.
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Die
Werkstückhalteeinrichtung 10 hat
einen Schwenktisch als die Bewegungseinrichtung 21, und
die Drehwellen 12 der Drehtische 11 sind drehbar
auf dem Schwenktisch 21 vorgesehen. Der Schwenktisch 21 hat
eine Schwenkwelle 22, und die Schwenkwelle 22 ist
mittels des unteren Teils 5 drehbar gehalten derart, dass
sie mit der Achse der zylindrischen Vakuumkammer 1 konzentrisch
ist. Die Schwenkwelle 22 hat ein Sonnenrad 23.
Planetenräder 24 sind
mit dem Sonnenrad 23 in Eingriff gebracht, und die Planetenräder 24 sind an
den Drehwellen 12 fixiert. Die Schwenkwelle 22 wird
mittels einer Antriebseinrichtung 13 gedreht.
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Eine
Vielzahl von Verdampfungsquellen 3 sind mit am Umfang gleichen
Intervallen auf einem konzentrischen Kreis mit dem axialen Mittelpunkt
der Schwenkwelle 22 derart angeordnet, dass sie die Werkstückhalteeinrichtung 10 umgeben.
Die Verdampfungsquellen 3 sind in einer Vielzahl von Stufen
(bei diesem Ausführungsbeispiel
zwei Stufen) vertikal angeordnet.
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Die
Kühleinrichtung 4 hat
ein Kühlmittelbehälter-Halteteil 25,
das konzentrisch mit der Schwenkwelle 22 mittels des oberen
Teils 6 der Vakuumkammer 1 drehbar gehalten ist.
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Die
Kühlmittelbehälter 16 hängen an
dem Kühlmittelbehälter-Halteteil 25,
um den Drehtischen 11 in der gleichen Position gegenüber zu liegen.
Der obere Teil des Kühlmittelbehälter-Halteteils 25 steht
aus dem oberen Teil 6 der Vakuumkammer 1 heraus,
und ein Kühlmittelzufuhr-
und Auslassteil 27 ist mittels einer drehbaren Verbindungseinrichtung 26 mit
dem hervorstehenden Teil verbunden.
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Das
obere Teil 6 und das Umfangswandteil 7, oder das
Umfangswandteil 7 und das untere Teil 5 der Vakuumkammer 1 sind
derart vorgesehen, dass sie vertikal relativ beweglich sind, so
dass die Werkstücke 2 auf
den Drehtischen 11 platziert werden können, wenn beide getrennt sind,
und die Kühlmittelbehälter 16 in die
Innenräume 15 der
Werkstücke 2 eingesetzt
werden können,
wenn die beiden eng verbunden sind. Die Schwenkwelle 22 und
der Kühlmittelbehälter-Halteteil 25 sind
derart verbunden, dass sie in Eingriff und außer Eingriff zu bringen sind,
so dass jeder Kühlmittelbehälter 16 die
gleiche Drehung wie die Schwenkwelle 22 ausführt.
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Die
anderen Strukturen gleichen denen, die in 1 und 2 gezeigt
sind.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel,
das die vorhergehend genannte Struktur hat, werden die Werkstücke 2,
da diese gedreht und auch geschwenkt werden, auf einheitliche Weise
den Verdampfungsquellen 3 ausgesetzt, und es kann eine
einheitliche Schichtabscheidung erzielt werden.
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Da
auch die Kühleinrichtung 4 der
Umdrehung folgend bewegt wird, können
die Werkstücke 2 auf
wirksame Weise gekühlt
werden. Da die Zufuhr und der Auslass des Kühlmittels durch das eine Kühlmittelzufuhr- und
-auslassteil 27 ausgeführt
wird, kann das Rohrleitungssystem vereinfacht werden.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren in 4 gezeigt.
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Der
Kühlmittelbehälter 16 der
Kühleinrichtung 4 ist
mittels des oberen Teils 6 drehbar gelagert. Der Kühlmittelbehälter 16 ist
mittels einer Antriebseinrichtung 13 um seine Achse drehbar.
Das obere Endteil des Kühlmittelbehälters 16 ist
durch die drehbare Verbindungseinrichtung 26 mit dem Kühlmittelzufuhr-
und Auslassteil 27 verbunden.
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Die
Werkstückhalteeinrichtung 10 ist
aus einem Werkstückhaltewerkzeug 28,
das an dem unteren Ende des Kühlmittelbehälters 16 vorgesehen
ist, und einem Abstandhalter 29 ausgebildet, der in dem
mittleren Teil des Kühlmittelbehälters 16 vorgesehen
ist.
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Das
zylindrische Werkstück 2 ist
auf der oberen Fläche
des Werkstückhaltewerkzeugs 28 platziert
und mittels des Abstandhalters 29 auf konzentrische Weise
positioniert. Da das Werkstück 2 mittels
der Antriebseinrichtung 13 entsprechend der Drehung des
Kühlmittelbehälters 16 gedreht
wird, hat das Werkstückhaltewerkzeug 28 die
gleiche Funktion wie der Drehtisch 11.
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Die
Verdampfungsquellen 3 sind auf einer Seite des Werkstücks 2 angeordnet.
Andere Strukturen gleichen denen bei dem vorhergehend erwähnten anderen
Ausführungsbeispiel.
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Des
Weiteren ist das andere Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in 5 und 6 gezeigt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Kühleinrichtungen 4 auf
der Werkstückhalteeinrichtung 10 vorgesehen.
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Die
Schwenkwelle 22 des Schwenktischs 21 der Werkstückhalteeinrichtung 10 ist über den
unteren Teil 5 der Vakuumkammer 1 mittels einer
Vakuumdichtungsisolierung 30 drehbar gelagert. Das untere
Ende der Schwenkwelle 22 ist verriegelt und durch ein Getriebe
mit dem Motor der Antriebseinrichtung 13 verbunden.
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Die
zylindrischen Kühlmittelbehälter 16 der
Kühleinrichtungen 4 sind
derart an der oberen Fläche
des Schwenktischs 21 fixiert, dass sie am Umfang gleiche
Intervalle auf einem konzentrischen Kreis mit der Achse der Schwenkwelle 22 in
einer vertikalen Achsenstellung haben.
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Der
Drehtisch 11 ist durch den unteren Teil des Kühlmittelbehälters 16 mittels
eines Lagers einer Lagereinrichtung 31 drehbar gelagert.
Die obere Fläche
des Drehtischs 11 ist eine Befestigungsfläche für das zylindrische
Werkstück 2.
An dem unteren Teil des Drehtischs 11 ist ein kleines Zahnrad 32 ausgebildet.
Ein großes
Zahnrad 33, das eine Innenverzahnung hat, um mit dem kleinen
Zahnrad 32 in Eingriff gebracht zu werden, ist in dem unteren
Teil 5 der Kammer 1, konzentrisch mit der Achse
der Schwenkwelle 22 durch ein Isoliermaterial 34 vorgesehen.
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Das
Kühlmittelzufuhr-
und -auslassteil 27 ist mittels des drehbaren Gelenks 26 an
dem unteren Ende der Schwenkwelle 22 vorgesehen. Das aus
dem Kühlmittelzufuhr-
und -auslassteil 27 zugeführte Kühlmittel wird durch einen Kühlmittelzufuhrkanal 35,
der in der Schwenkwelle 22 und dem Schwenktisch 21 ausgebildet ist,
zu den Kühlmittelbehältern 16 zugeführt und
in Umlauf gebracht, und dann aus dem Kühlmittelzufuhr- und -auslassteil 27 durch
einen Kühlmittelauslasskanal 36 ausgelassen,
der in dem Schwenktisch 21 und der Schwenkwelle 22 ausgebildet
ist.
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Die
Vorspannungsquelle 20 ist mit der Schwenkwelle 22 verbunden,
um die Katode der Vorspannungsquelle 20 für die Werkstücke 2 auf
den Drehtischen 11 anzuwenden.
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Bei
der vorhergehend genannten Struktur ist die Verdampfungsquelle 3 vorzugsweise
an dem Schwenkwellen-Mittelteil vorgesehen. Sie kann jedoch an der
Umfangsfläche
vorgesehen sein, wie in 3 gezeigt ist. Andernfalls können die
Verdampfungsquellen 3 sowohl an dem mittleren Teil als
auch an der Umfangsfläche
vorgesehen sein.
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Gemäß der vorhergehend
beschriebenen Struktur wird, da die Kühleinrichtung 4 auch
als die Werkstückhalteeinrichtung 10 verwendet
wird, das Werkstück 2 auf
dem Drehtisch 11 platziert, wodurch die Kühleinrichtung 4 auch
gleichzeitig eingespannt werden kann, und die Einspannzeit des Werkstücks verkürzt werden
kann.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel
das Werkstück 2 von
oben eingesetzt werden kann, wird das Laden von Werkstücken erleichtert.
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Da
die Werkstückhalteeinrichtung 10 die
Kühlmittelkanäle 35 und 36 hat,
kann die Werkstückhalteeinrichtung 10 selbst
gekühlt
werden, um den unteren Teil des Werkstücks auf wirksame Weise zu kühlen.
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Bei
dem System mit der in der Mitte angeordneten stabähnlichen
Verdampfungsquelle 3 ist der Streuungszustand der Partikel,
die von der Verdampfungsquelle 3 in Stabform verdampft
werden, am Umfang nicht einheitlich, da die Struktur der Kammer
(positive Elektrode) 1 oder dergleichen nicht genau axial
symmetrisch zu der Mittelachse der Verdampfungsquelle 3 ist.
Deshalb wird bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 eine
Streuung in der Schichtdicke von mindestens mehreren Prozent zwischen
Werkstücken
(zwischen Drehwellen) beobachtet. Da jedoch bei dem in 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel
die Werkstücke 2 rund
um die Verdampfungsquelle 3 gedreht und geschwenkt werden,
kann das Problem der Streuung in der Schichtdicke zwischen den Werkstücken gelöst werden.
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Ferner
wird, da jede Einspannposition der Antriebswelle für die Werkstücke 2 und
der Zufuhr- und Auslassteil des Kühlwassers nur einmal vorhanden
ist, die Zuverlässigkeit
der Vakuumdichtung verbessert, was für eine Vakuumeinrichtung wichtig
ist. Der Zuführungsmechanismus
der Vorspannung kann ebenfalls vereinfacht werden.
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Verschiedene
Formen der in dem System gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendbaren Werkstücke 2 sind
in 7(a) und 7(b) gezeigt. 7(a) zeigt einen vertikal beschichteten
und integrierten Körper
von ringähnlichen
Kolbenringen, und 7(b) zeigt einen
zylindrischen Körper,
der axial in eine Vielzahl von Stücken geteilt ist. Derartige
Werkstücke
sind in dem System gemäß der vorliegenden
Erfindung als zylindrische Werkstücke verwendbar.
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[Beispiel]
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Es
wird ein Beispiel der Schichtabscheidung unter Nutzung des in 1 und 2 gezeigten
Systems beschrieben.
Werkstück:
Zylindrischer Körper
mit einem Außendurchmesser
von 90 mm, einer Dicke von 3 mm und einer Höhe von 600 mm
Kühlmittelbehälter: Material
SUS; Kühlmittel
27°C – Wasser
Abscheidungsbedingungen:
Lichtbogenstrom 500 A × 2;
Vorspannung 15 V; Gas(Stickstoff)druck 3 Pa
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Die
Temperaturen des Werkstücks
2,
wenn der Zwischenraum zwischen dem Werkstück
2 und dem Kühlmittelbehälter
16 verändert wird,
und wenn kein Kühlmittelbehälter
16 verwendet
wird, wurden unter den vorhergehend beschriebenen gemeinsamen Bedingungen
verglichen. Die Temperaturmessung wurde 2 Stunden nach dem Start
der elektrischen Entladung durchgeführt, wenn die Temperatur des
Werkstücks
in einen ausreichend stabilen Zustand gebracht ist. Die experimentellen
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
| Zwischenraum
zwischen Werkstück
und Kühlmittelbehälter | Werkstück-Temperatur (°C) |
| kein
Kühlmittelbehälter | 497 |
| 30
mm | 408 |
| 20
mm | 384 |
| 10
mm | 371 |
| 5
mm | 366 |
| 1
mm | 363 |
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Gemäß Tabelle
1 wird die Temperatur des Werkstücks,
die ohne Kühlmittelbehälter etwas
geringer als 500°C
war, allgemein bei einem Zwischenraum von 30 mm auf etwas mehr als
400°C und
bei einem Zwischenraum von 5 mm oder weniger zwischen dem Werkstück und dem
Kühlmittelbehälter auf
ungefähr
360°C reduziert,
was in der Praxis ausreichend ist.
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Demgemäß wird der
Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Werkstücks und
der Außenseite des
Kühlmittelbehälters vorzugsweise
auf 100 mm oder weniger, in erwünschter
Weise auf 30 mm oder weniger und 5 mm oder mehr festgelegt.
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Die
vorliegende Erfindung ist durchaus nicht auf die in den vorhergehend
genannten Ausführungsbeispielen
gezeigten Beispiele eingeschränkt,
und kann nicht nur bei dem Vakuumbogen-Abscheidungsverfahren sondern
auch bei anderen PVD-Verfahren
zum Einsatz kommen. Das Werkstück
ist in der Form nicht auf die zylindrische Form beschränkt, und
es kann jedes beliebige Werkstück
verwendet werden, das einen Innenraum hat, der das Einsetzen der
Kühleinrichtung
gestattet.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Schichtabscheidungssystem, das zum
wirksamen Kühlen
eines Werkstücks,
das ein großes
Volumen hat, imstande ist, und ein Schichtabscheidungsverfahren
unter Nutzung dieses Systems vor. Das Schichtabscheidungssystem
hat innerhalb einer Vakuumkammer 1 eine Verdampfungsquelle 3 zur
Ausbildung einer Schicht auf einem Werkstück 2 und eine Kühleinrichtung 4 zum
Kühlen
des Werkstücks 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück 2 einen Innenraum 15 hat,
der durch ein Öffnungsteil 14 mit
der Außenseite
in Verbindung steht, und die Kühleinrichtung 4 durch
das Öffnungsteil 14 des Werkstücks 2 einsetzbar
in den Innenraum 15 und herausziehbar aus dem Innenraum 15 ist,
um das Werkstück 2 von
innen zu kühlen.