DE2241634B2 - Verfahren zum fortlaufenden Aufbringen metallischer Überzüge auf ebene Werkstücke mittels Kathodenzerstäubung - Google Patents
Verfahren zum fortlaufenden Aufbringen metallischer Überzüge auf ebene Werkstücke mittels KathodenzerstäubungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fortlaufen
den Aufbringen metallischer Überzüge auf ebem Werkstücke mittels Kathodenzerstäubung, bei dem zui
Aufnahme der unbeschichteten Werkstücke eine Ma gazinkammer vorgesehen ist, deren Atmosphäre sich
an die steuerbare Zerstäubungsatmosphäre einei Sprühkammer anpassen läßt, und bei dem eine Trans
portvorrichtung die Werkstücke von der atmosphä
risch angepaßten Magazinkammer in die Sprühkam mer befördert, in welcher die Werkstücke während
einer vorwählbaren Zeitdauer mit ihrer zu beschichtenden Seite einer Zerstäubungsquelle gegenüberliegen
und bei dem die Transportvorrichtung nach erfolgter Beschichtung sämtlicher Werkstücke diese in die Ma
gazinkammer zurückbefördert, aus der die Werkstücke nach dem Wiederherstellen der Umgebungsalmosphäre
ohne Störung der Sprühkammeratmosphäre zu entnehmen sind
Ein solches Verfahren ist bereits bekannt (DT-QS 2 100 725). Dort werden die zu beschichtenden Werkstücke
aufeinandergestapelt und mittels eines Stößels aus der Magazinkampier in die Sprühkammer geschoben
und durch Drehung einer Auflageplatte an eine bestimmte Stelle der Sprühkammer bewegt. Dann wer
den die übereinandergestapelten Werkstücke einzeln mittels einer Greifmechanik vom Stapel abgenommen
und unter die Stirnseite einer Zerstäubungsquelle ge schwenkt. Nach erfolgter^ Beschichten werden die
Werkstücke durch erneute Schwenkung der Greifmechanik an einer Speichers·;die in der Sprühkammer abgesetzt.
Dieser Schwenkvorgang wiederholt sich so oft wie Werkstücke übereinandergcstapelt sind, da bei jedem
Schwenkvorgang immer nur ein einziges Werkstück beschichtet wird. Demzufolge nimmt der Stapel
der unbeschichteten Werkstücke in dem Maße ab, wie der Stapel der beschichteten Werkstücke an der
Speicherstclle zunimmt. Wenn alle Werkstücke beschichtet
sind, so wird die Auflageplatte weitergedreht bis der Stapel beschichteter Werkstücke wieder mittels
des Stößels in die Magazinkammer abgesenkt werden kann.
Diese bekannte Vorgehensweisc ist vergleichsweise zeitraubend, da die Werkstücke einzeln hintereinander
beschichtet werden. Darüber hinaus erfolgt die Beschichtung insbesondere dann ungleichmäßig, wenn die
wirksame Stirnfläche der Kathode in ihrem eine gleichmäßige Zerstäubung ergebenden zentralen Bereich
nicht in aufwendiger Weise der Größe der zu beschichtenden Werkstückfläche angepaßt ist, wobei die
Schichtdicke von einer dem Zerstäubungszentrum gegenüberliegenden Mittelzone des Werkstückes aus zu
den vom Zerstäubungszentrum weiter entfernt liegenden Kandzonen hin abfällt.
Bei der Herstellung vieler elektronischer oder elektrischer
Teile, wie etwa von integrierten Schaltkreisen, Widerständen mit einem dünnen Film aus Tantalnitrid,
Kondensatoren mit Tantaloxyd u. dgl., besteht die Notwendigkeit, metalliscihe Filme auf als Träger für die
Filmschicht dienende Werkstücke abzulagern. Dabei können Werkstoffe wie Gold, Tantal oder Tantalnitrid
auf Werkstücke bzw. Schichtträger aus Keramik oder
Glas mittels Kathodenzerstäubung aufgetragen und sodann geätzt oder sonstwie in Schaltkreise und/oder deren
Komponenten umgewandelt werden. For die Zerstäubung kann eine Kathode aus Tantal oder einem
Grundmetall mit einem Tantalüberzug verwendet und in einer inerten Atmosphäre, etwa aus Argon, unter
Hochspannung gesetzt werden, wobei das Argon ionisiert wird und in die freie Tantaloberfläche einfällt und
dabei Atome oder Atomgruppen auslöst, die auf dem zu beschichtenden Werkstück abgelagert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden,
daß ohne wesentlichen apparativen Zusatzaufwand der Ausstoß an ausreichend gleichmäßig beschichteten
Werkstücken erheblich vergrößert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die ebenen Werkstücke in der Sprühkammer ringförmig um die zylindrisch geformte Zerstäubungsquelle
im jeweils gleichen Abstand zu ihr angeordnet sind, wobei die zu beschichtenden und der
Zerstäubungsquelle zugewandten Seiten der Werkstükke die Quelle nach Art eines Vielecks umhüllen, und
daß die in die Sprühkammer eingebrachten Werkstükke gleichmäßig beschichtet werden.
Dadurch kann eine Vielzahl von Werkstücken unter erheblicher Zeitersparnis und damit unter Vergrößerung
des Ausstoßes beschichtet werden. Da die Beschichtung nicht von der Stirnseite, sondern vielmehr
vom Mantel der als zylinderförmige Kathode ausgebildeten Zerstäubungsquelle aus erfolgt, tritt auch bei
einer Kathode vergleichsweise kleinen Durchmessers in Richtung der Kathodenachse keine merkliche
Schwankung der Überzugsdicke an den Werkstücken auf. je größer die Anzahl der ringförmig um die Zer- 3;
stäubungskathode angeordneten Werkstücke ebener Oberfläche ist, d. h. je mehr das von den Werkstücken
gebildete Vieleck der Kreisform angenähert ist, um so gleichmäßiger wird auch die Schichtdicke auf den
Werks.ücken in Umfangsrichtung der Zerstäubungsquelle. Insgesamt kann die Beschichtung daher beim
beschriebenen Verfahren ohne apparativen Zusatzaufwand gleichmäßiger erfolgen, und zwar in vorteilhafter
Weise um so gleichmäßiger, je mehr Werkstücke das Vieleck in der Sprühkammer bilden und gleichmäßig
beschichtet werden.
Eine vorteilhafte Möglichkeit, die Gleichmäßigkeit der Beschichtung je nach Bedarf noch weiter zu erhöhen,
ergibt sich, wenn die als Träger der Schicht dienenden WcrksiÜLR.c schrittweise durch cüic Vielzahl
von Haltestellunger, um die zylindrisch geformte Zerstäubüngsquelle
gedreht werden, wodurch jedes Werkstück einmal eine Kreisbahn durchläuft, wenn weiterhin
nach jeder Weiterdrehung der Werkstücke eine Kathodenzerstäubung erfolgt, und wenn während jeder Zerstäubung
innerhalb des gesamten Zerstäubungszyklus der mittlere Oberflächenbereich einer bestimmten Anzahl
von Werkstücken von dem Metallniederschlag abgeschirmt wird.
Dadurch, daß beim beschriebenen Verfahren die zylindrische Mantelfläche der Quelle und nicht deren
Stirnfläche zur Erzeugung des zerstäubten Metalls ausgenutzt wird, wird im Falle sonst gleicher Abmessungen
der Zenviäubungsquelle vorteilhafterweise die aktive
Oberfläche der Quelle um ein Mehrfaches vergrö-Bert und damit die Lebensdauer der Quelle erheblich
verlängert. Der hiermit einhergehenden erhöhten Wärmeentwicklung ν ird hier vorteilhaft dadurch Rechnung
getragen, daß >.ur Kühlung der Quelle im Inneren der
Quelle ein Kühlflössigkeitsstrom erzeugt wird, und daß
zur Kühlung der Werkstücke ein weiterer KQhlflßssigkeitsstrom
an der Außenseite des Gehäuses der Sprühkammer erzeugt wird.
Vorteilhaft wird durch eine Anzahl von Auslassen in der Wandung der zylindrischen Quelle ein Gassirom
erzeugt, der gegen Schirmplatten gerichtet ist, welche das Gas über die Zylinderfläche der Quelle verteilen, so
daß das resultierende Plasma eine im wesentlichen einheitliche
Zusammensetzung aufweist Während des Sprühvorganges liegen die Werkstücke zwischen
einem Paar von Schirmplatten. Diese können aus demselben Material wie die Kathode und ebenfalls der Kathodenspannung
ausgesetzt sein, so daß die Schirmplatten als Teile der Kathode wirken, also der Werkstoff
der Schirmplatten zur Zerstäubung der Metallteilchen auf die zu beschichtenden Werkstücke herangezogen
wird. Im Hinblick darauf, daß die Schirmplatten mit den Rändern der Werkstücke fluchten und diesen Rändern
näher liegen ais der Rest der zylindrischen Quelle, wird auch durch diese Maßnahme die stärkere Besprühung
der zentralen Bereiche der vVerkstücke insoweit kompensiert,
als dadurch die Ranazonen der Werkstücke im wesentlichen dieselbe Sprühmenge erhalten wie deren
mittlere Bereiche. Die Schirmplatten verhindern cußerdem, daß Ionen in die Gasauslässe eindringen und
sich dort Metalldämpfe ablagern.
Insbesondere bei Erzeugung eines Überzuges aus Tantalnitrid für eine nachfolgende Fertigung von
Widerstandselementen wird für das aus den Auslässen ausströmende Gas eine Mischung aus Stickstoff und
Argon verwendet. Die zylindrische Quelle besteht aus Tantal. In diesem Falle ist es erforderlich, die Wärme in
den Werkstücken zu halten, um Widerstandselemente mit einem geringen Temperaturkoeffizienten für den
Widerstand zu erhalten. Diesem Erfordernis wird hier in einfacher Weise dadurch Rechnung getragen, daß
die bei der Ablagerung des Metalls auf den Werkstükken entstehende Wärme mittels einet reflektierenden
Oberfläche des Gehäuses der Sprühkammer auf die Werkstücke zurückgestrahlt wird.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 in perspektivischer Ansicht einen rahmenförmigen
Halter zur Aufnahme eines Paares von zu beschichtenden Werkstücken bzw. Schichtträgern,
F i g. 2 schematisch vereinfacht in Draufsicht eine zur
Anwendung des beschriebenen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung: sie läßt die Bewegung der
Werkstücke bzw. Schichtträger von einer Lade-Entladestellung zu einer Entgasungsstellung, zu einer Beschichtungssteilung
und dann zurück zur ursprünglichen Stellung erkennen,
F i g. 3 in Vergrößerung einen Schnitt gemäß Linie Hl-Hl aus Fig.2 zur Veranschaulichung der Einrichtungen
zur Aufnahme einer Charge der Schichtträger und der Einrichtungen zur Übergabe der Schichtträger
in die Sprühkammer,
F i g. 4 ein Schnitt durch die Sprühkammer zur Veranschaulichung der Kanäle und Schirmplatten zur Einführung
und Verteilung der Gase in die Sprühkammer und eines Kühlsystems zur Steuerung der Atmosphäre
in der Sprühkammer,
F i g. 5 einen Schnitt gemäß der Linie V-V aus F i g. zur Veranschaulichung der Schirmplatten zur Verteilung
der Gase und zur lokalen Abschirmung der Sprühstrahlen, um ein gleichförmiges Plasma und eine gleich-
förmige Beschichlung der Schichtträger zu erhalten.
Fi g. 6 einen Teilschnitt durch die Kathode zur Verdeutlichung
weiterer Einzelheiten der Kanäle. Auslässe und Schirmplatten für die Gase,
F i g. 7 teilweise im Schnitt eine Ansicht eines Bolzens
zur Verteilung der Gase, der alternativ zu den Schirmplatten nach F i g. 6 verwendbar ist und
F i g. 8 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufs der Arbeitstakte der einzelnen Teilmechanismen.
Halter für die Schichtträger und Grundaufbau
In Fig. 1 ist ein Halter 20 für ein Paar ebener Schichtträger 21 dargestellt, welche aus Glas oder sonstigem
keramikähnlichem Material hergestellt sein können. Der tablettartige Halter 20 wird durch seitliche
Rahmenglieder 22 mit einer Nut zur Erfassung der Seitenkanten des Schichtträgers gebildet. An der Ober-
und Unterseite sind Querglieder 23 und 24 an den aufrecht stehenden Rahmengliedern 22 befestigt. Das untere
Querglied 24 trägt ein Paar von Rädern 26 und 27. welche eine Bewegung des Halters 20 während des
Sprühvorgangs ermöglichen oder erleichtern. Zur Ebene der Räder 26,27 versetzt ist eine Führungsplatte 28
vorgesehen.
Vor dem Besprühen der Schichtträger 21 sind diese zusammen mit den Haltern 20 in radialer Anordnung in
einem Magazin 30 gelagert und werden zur Entgasung dieser Elemente in einem Ofen vorbehandelt. Wie
F i g. 2 zeigt, werden die Halter 20, während sie im Magazin 30 angeordnet und immer noch warm sind, in
eine Magazinkammer 31 eingesetzt. Die Magazinkammer 31 ist eine von dreien, welche alle von einem Joch
32 unterstuzt werden. Dabei sind die Magazinkammern im Inneren eines Gehäuses 33 angeordnet, welches
ein ähnliches Vakuum enthält wie die Sprühkammer 34. Während des Einsetzens des Magazins 30 in die
Magazinkammer 31 in der Stellung 31/4 ist diese gegenüber dem Gehäuse 33 abgedichtet und offen, um
den Ladevorgang zu ermöglichen. Im Anschluß an das Beladen mit Schichtträgern 21 wird die Magazinkammer
31 so weit evakuiert, daß ihre Druckbeöingungen denen innerhalb des Gehäuses 33 entsprechen. Das
Joch wird um 120° weitergetaktel. um die Magazinkammer 3t in die Entgasungsstellung 313 zu bringen,
in dieser Stellung wird die Magazinkammer 31 eine gewisse Zeitspanne tang gehalten, während der EntgasungsprozeB
läuft, um jegiiche Gasrückstände in den Haltern 20 oder den Schichtträgern 21 zu entfernen.
Anschließend wird die Magazinkammer 31 in eine Übergabe-Position 31C weiterbewegt, wo das Magazin
30 schrittweise gedreht wird, um jeden Halter 20 in eine Stellung zu bringen, in der er zur Sprühkammer 34
befördert werden kann. Nach jeder Beförderung eines Halters 20 in die Sprühkammer 34 wird ein Halter 20
mit völlig besprühten Schichlträgem an dem freien Platz in das Magazin 30 eingesetzt. Die Halter 20 werden
in einer Kreisbahn um eine zylindrische Kathode herumgeführt, die in der Sprühkammer angeordnet
ist. Die Weilerbe ~gung der Schichtträger 21 wird von einem Drehhalter 36 vorgenommen, welcher
in aufeinanderfolgenden Takten weitergedreht wird und dabei jeden Halter 20 für die Schichtträger 21 von
der Ladeposilion aus um die Kathode herum und zurück zur ursprünglichen Position transportiert, wo die
Halter 20 wieder in das Magazin 30 zurückgegeben werden. Die Magazinkammer 31 wird anschließend in
die anfängliche Ladestellung 314 zurückgeführt, wo Luft in die Magazinkammer 31 gelangt und das Magazin
30 der Halter 20 für die Schichtträger 21 entnommen wird. Danach wird ein neues Magazin 30 mit aufgeheizten
Haltern 20 und neuen zu beschichtenden Schichtträgern 21 eingesetzt.
Beschickungs- und Transporteinrichtungen
ίο An Hand der F i g. 3 werden nachfolgend die Verfahrensschritte
und die Einrichtungen zur Beladung einer Magazinkammer 31 mit einem Magazin 30 für Schichtträger
21, die Weiterbeförderung der Magazinkammern 31 durch die Entgasungsstcllung 310 und zur
Stellung 31Cfiir die Übergabe der Schichtträger 21 in
die Sprühkammer 34 näher erläutert. Jede Magazinkammer 31 weist eine bottich- oder trommelartige
Kammer 41 aus rostfreiem Stahl auf. mit einem zentrisch angeordneten Tragzapfen 42, der am Boden der
Kammer 41 befestigt ist. Im Inneren des Tragzapfens
42 ist eine mit einem Flansch versehene Welle 43 vorgesehen,
an der ein abnehmbares Magazin 30 gelagert ist. Das Magazin 30 weist eine Vielzahl von sich radial
erstreckenden U-förmigen Rahmen 44 auf mit nach oben — parallel zur Achse der Kammer 41 — verlaufender'
Nuten zur Aufnahme der Halter 20. Die Welle
43 unterstützt das Magazin 30 mit einer Schulter 45.
Durch die radiale Anordnung der Rahmen 44 liegen
Durch die radiale Anordnung der Rahmen 44 liegen
die Halter 20 für die Schichtträger 21 annähernd so.
daß die Vorderseite des einen Halters der Rückseite des anderen Halters gegenüberliegt. Diese Anordnung
gewährleistet zusammen mit den reflektierenden inneren Oberflächen der Kammer 41 aus rostfreiem Stahl
die Erhaltung der durch die Vorerwärmung den Schichtträgern 21 mitgeteilten Hitze und sichert so die
weitere Entgasung der Halter 20 und der Schichtträger 21. F.ine Verschlußstange 46 ist glcitbar innerhalb der
Welle 43 angeordnet. Am unteren Ende der Welle 43 ist ein Antriebsflansch 47 befestigt, der eine Vielzahl
am Umfang mit Abstand voneinander angeordneter Ausnehmungen 48 aufweist, die der Aufnahme von
Treibzapfen 49 dienen, die aus der Oberfläche einer Nabe 50 einer Nutenwelle 51 ausragen, welche ihrerseits
durch eine im Takt solenoidgesteucrte Antriebseinheit 52 in Drehung versetzt wird. Die Verschlußstange
46 weist einen Querzapfen 53 auf, der sich durch längliche Schlitze im Schaft 43 hindurch erstreckt und
in einem sich gegenüberliegenden Paar einer Gruppe von HaHeschlhzen 54 gelagert ist, die um die obere
Außenfläche des Tragzapfens 42 angeordnet sind. Das obere Ende der Verschlußstange 46 wird von einer
Druckfeder 55 erfaßt und nach unten gedrückt. Der obere Bereich der Verschlußstange 46 weist eine konische
Schulter 59 auf, welche mit drei radial und übei den Umfang verteilt angeordneten federbelasteter
Verschlußbolzen 56 (von denen nur einer sichtbar ist
zur Lagesicherung des Magazins 30 gegenüber dei Welle 43 zusammenarbeitet
In der Übergabestellung 31C für die Sprühkammei
34 wird ein Luftdruckzylinder 57 betätigt, der die Nu tenwelle 51 und deren Nabe 50 anhebt und so di<
Treibzapfen 49 in die Ausnehmungen 48 einfuhr) Wenn die Nabe 50 angehoben ist, so berührt ein mittij
angeordneter Schubzapfen 58 die Verschlußstange 4( und drückt sie nach oben, um den Querzapfen 53 au
den Haltcschlitzen 54 zu heben und so die Drehbarkei der Welle 43 herzustellen. Die konische Schulter de
Verschlußstange 46 drückt auf die federbelastete
Schließbolzen 56 und zwingt die Schließbolzen 56 damit
in formschlüssigen Kingriff mit dem Magazin 30. Die Nutenwelle 51 wird zusätzlich gedreht, wobei sich
die Nabe MK die geflanschte Welle 43 und das Magazin
10 mitdrehen und die Rahmen 44 weitcrschalten in Stellungen, in denen die Halter 20 in die Sprühkammer
34 gefördert werden können. Wenn die taktweise Vv2iterschaltung der Rahmen 44 vollendet ist, wird die
Nabe 50 zurückgezogen und der Querzapfen 53 durch die Druckfeder 55 erneut nach unten in seine Blockierlage
in einem Paar der Halleschlii/c 54 gedruckt, wodurch
die Welle 43 und die Magazinrahmen 44 an einer weiteren Bewegung gehindert sind, während die Magaz.inkammer
31 in die Entladcsteliung 3M weiterbewegt wird.
Der Boden der Magazinkammer 31 ist des weiteren mit einer Reihe von über den Umfang im Abstand angeordneten
öffnungen 61 versehen, welche laktweise
in eine Lage geschaltet werden, in der eine Schubstange
62 im Takt durch die Ausnehmungen 62 geschoben ao
werden kann, um jeden Halter 20 in die Sprühkammer 34 zu befördern.
Es soll nun das Beladen oder Beschicken einer Magazinkammer 31 mit einem Magazin von Schichtträgern
21 erläutert werden, was in der Ladestellung 3M gc- »5
schicht. Die Magazinkammer 31 weist in ihrem mittleren Bereich ein äußeres Gürtclband 66 auf. Das Gürtclband
66 ruht auf den Rändern eines Armes 67 des Joches 32. Wenn eine Magazinkammer 31 in der Ladestellung
ist. so wird eine mit einer Aushöhlung versehene, schlüsseiförmige Platte 68 von einem Luftdruckzylinder
69 vorgeschoben und gelangt mit der Unterseite der Magazinkammer 31 in Berührung. Die Platte 68 ist
mit einem im Querschnitt O-förmigen Dichtring 71 bestückt,
der an der Unterseite der Magazinkammer 31 anliegt und die öffnungen 61 gegen das Vakuum im
Gehäuse 33 abdichtet. Durch das Vorschieben bzw. Hochschieben der Platte 68 bewegt sich die Magazinkammer
31 nach oben, so daß ihr oberer Flanschbereich einen im Querschnitt O-förmigen Dichtring 72 in
einer Nut an einer entgegenragenden vorspringenden Mündungspartie eines Eintrittszylinders 73 berührt,
welcher sich durch eine Öffnung im Gehäuse 33 erstreckt. Das obere Ende des Eintrittszylinders 73 ist
durch einen schweren Metalldecke! 74 abgedichtet. Wenn die Magazinkammer 31 in ihrer angehobenen
Stellung ist, wird Luft oder trockenes Gas durch eine Öffnung 76 eingelassen, um den Druck innerhalb der
Magazinkammer 31 dem der Umgebungsatmosphäre anzugleichen. Der Metalldeckel 74 wird sonach abgehoben
und ein fertig mit Haltern 20 bestücktes Magazin 30 in die Magazinkammer 31 eingesetzt. Nach der
Beendigung des Ladevorganges wird der Metalldeckel 74 wieder in die Dichtstellung gebracht. Sodann wird
die Verbindung der öffnung 76 mit der Umgebung unterbrochen
und zur Herstellung eines Vakuums Luft durch die öffnung 76 abgesaugt. Dieses Vakuum kann
zunächst durch eine mechanische Pumpe erzeugt und anschließend mit Hilfe einer Diffusionspumpe seinem
endgültigen Wert angenähert werden. Wenn das Vakuum in der Magazinkammer 31 wiederhergestellt ist.
wird die Platte 68 abgesenkt, worauf die Magazinkammer 31 wieder von dem Arm 67 des Joches 32 unterstützt
wird.
Das Joch 32 ist an einer drehbaren Welle 77 befesiigt.
die mit geeigneten Abdichtungen und Lagern im unteren Bereich des Gehäuses 33 angeordnet ist. Die
Welle 77 wird durch ein Kegelradgetriebe 78 getrieben.
welches seinerseits durch eine geeignete solenoidgesteuert taktweise schaltbare Antriebseinheit in Drehbewegung
versetzt wird, um die Welle 77 und das Joch 32 im Takt weiterzuschalten. Die nicht näher dargestellte
solenoidgestcuerte Antriebseinheit wird im Anschluß an jede abgeschlossene Beladung der Magazinkammer
31 mit einem Magazin 30 von beschichteten Schichtträgern 21 betätigt und schaltet das Joch 32 in eine um
120" gedrehte Stellung weiter. Während jeder Drehung
der Welle 77 wird eine mit unbeschichteten Schichtträgern 21 beladene Magazinkammer 31 zur Entgasungssteiiung
31B (vergleiche F i g. 2) befördert. Insoweit, als
das Vakuum oder der Unterdruck in dem Gehäuse 33 ständig aufrechterhalten wird, liegt die Temperatur innerhalb
des Gehäuses 33 höher als in der Umgebungsatmosphäre, so daß die vorerhitzten Schichtträger 21
vor ihrer Weiterbeförderung in die Sprühkammer 34 noch weiter entgast werden.
Beschickungseinrichtungen für die Sprühkammer
Wie an Hand der Fig.3 erläutert werden kann, schaltet das |och 32 jede Magazinkammer 31 in die
Stellung 31C, von wo aus die Schichtträger 21 in die
Sprühkammer 34 hineinbefördert werden. Nach der Weiterschaltung der Magazinkammer 31 in diese Stellung
wird der Luftdruckzylinder 57 betätigt, um die Tmibzapfen 49 in die Ausnehmungen 48 des Antriebsflanschcs
47 einzuführen. Die solenoidgesteuert schaltende Antriebseinheit 52 wird sodann betätigt und
dreht einen Antriebsriemen 78, der laktweise ein Zahnrad 79 auf der Nutenwelle 51 bewegt, das seinerseits
die Nutenwelle 51. die Nabe 50, die geflanschte Welle 43 und das Magazin 30 absatzweise in Drehung versetzt
und jeden Halter gegen einen Schlitz 146 im Gehäuse 33 ausrichtet. Wenn jeder Haller 20 mit dem
Schlitz 146 fluchtet, wird die Schubstange 62 mit ihrer oberen Rolle 80 hochgeschoben, so daß die Rolle 80 die
Führungsplatte 28 des Halters 20 berührt. Die Bewegung der Schubstange 62 wird durch eint übliche Kugeimutter-Schraubenanordnung
81 bewerkstelligt, die ihrerseits durch eine solenoidgesteuerte Antriebseinheit 82 gesteuert wird. Der Halter 20 bewegt sich sodann,
von Führungselementen 83 ausgerichtet, durch den Schlitz 146 im Gehäuse 33 und zwischen einem
Paar seitlicher schienenförmiger Stützen 84 nach oben, bis das obere Querglied 23 des Halters 20 von einem
Paar einer Gruppe von Federklammern 65 erfaßt wird, die von einem oberen Rahmenteil 86 des Drehhalters
36 nach unten ragen. Der Drehhalter 36 weist fern- » einen unteren Rahmenteil 89 (vergleiche Fig.4) auf,
der an einer Nabe 91 einer Antriebswelle 92 befestigt ist. Die Antriebswelle 92 wird von einer solenoidgesteuerten
Antriebseinheit 93 taktweise weitergeschaltet. Der untere Rahmenteil 99 ist gegen den übrigen
Drehhalter 36 durch zwischengeschaltete Isoliersäulen 95 elektrisch isoliert, wobei der Hauptteil des Drchhal
ters 36 sich auf den Isoliersäulen 95 abstützt.
Wenn die Schubstange 62 einen Halter 20 in die Sprühkammer 34 befördert, so unterstützt die Rolle 8(
den Haller 20 im Bereich der Führungsplatte 28. Di« Fcderklammem 85 sind zwar an sich s'.ark genug, un
den Halter 20 festzuhalten, zur Sicherung der stabilei
Lage der Halter 20 während des Wcitcrschaltens durcl
die Sprühkammer 34 bewegt sich der mit Rädern 26.2 versehene Halter 20 auf einer Schiene 101 (vergleich
F i g. 3 und 4). Beim Wciterschalten des Drehhaltcrs 3
läuft das Rad 26 auf die Schiene 101, während die Für
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rungsplatte 28 auf der Rolle 80 anliegt. Nachdem auch
das Rad 27 auf die Schiene 101 aufgelaufen ist. wird ein mit beschichteten Schichtträgern 21 versehener Halter
20 auf die Rolle 80 aufgesetzt.
Sprühkammer
Die konstruktiven Einzelheiten der Sprühkammer 34 gehen insbesondere aus den Fig.4 und 5 hervor. Die
Sprühkammer 34 weist einen äußeren Hohlzylinder 102 auf. der zwischen einer Kopfplatte 103 und einer Bodenplatte
104, die abgedichtet auf der Oberseite des Gehäuses 33 angeordnet ist. gehalten ist. Der Hohlzylinder
102 ist aus Aluminium hergestellt und an seiner Innenseite eloxiert, um die Wärtneabsorplion zu begünstigen.
Um die Außenoberfläche des Hohlzylinders 102 herum ist ein Rohr oder ein drahtförmiger Stab 106 in
Spiralwindungen gelegt. Über die Spiralwindungen ist eine trommeiförmige Manschette 107 gesetzt, so daß
ein spiralförmiger Kanal zwischen den Windungen, der Außenfläche des Hohlzylinders 102 und der Innenfläche
der trommeiförmigen Manschette 107 gebildet ist. Durch diesen spiralförmigen Kanal wird Wasser gefördert,
um die Wärmeableitung weiter zu verbessern. Im Hohlzylinder 102 ist ein weiterer, an der Kopfplatte
103 befestigter innerer Zylinder 108 koaxial angeordnet, der ebenfalls aus Aluminium besteht. Der innere
Zylinder 108 weist einen umlaufenden Kanal 109 und Verbindungskanäle 111 und 112 auf. die sich vom Kanal
109 in Längsrichtung weg erstrecken. Der Kanal 109 ist durch eine Zuleitung 113 mit einem Speicher für inertes
Gas oder für eine Mischung von inertem mit reaktivem Gas verbunden, wie etwa einer Mischung aus Argon
und Stickstoff. Das Gas wird durch die Kanäle 109.111.
112 verteilt und durch eine Reihe von Auslassen 114
ausgestoßen. Die Auslässe 114 fluchten mit Durchlässen 116 in einer zylindrischen Kathode 117. die aus
Tantal oder einem anderen Metali besteht, welches auf die Schichtträger 21 aufgesprüht werden soll. Wie sich
aus den F i g. 5 und 6 ergibt, sind die Durchtritte 116
gegen eine Reihe von streifenförmigen Schirmplatten 118 ausgerichtet, welche sich in Längsrichtung der Kathode
117 erstrecken und aus demselben Material wie die Kathode bestehen können. Die Schirmplatten 118
sind dabei mit der Kathode 117 leitend verbunden, so
daß sie als Bestandteile der Kathode wirken. Das aus den Auslässen 114 und den Durchlässen 116 tretende
Gas trifft auf die Schirmplatten 118 und wird zu den anschließenden Oberflächenbereichen der Kathode 117
abgelenkt.
Zur Steuerung der Hitze ist die Innenseite des inneren
Zylinders 108 mit Wasser gekühlt. Das Wasser wird durch ein Rohr 121 zugeführt, tritt in ein Sackloch 122
ein und steigt sodann nach Gben, wo es von einer Rohranordnung 123 abgeführt wird.
Der Zylinder 108 ist mit Dichtringen 131 und 132 O-förmigen Querschnittes bestückt, um den Durchtritt
von Wasser in die Sprühzone auszuschließen. Der äußere Hohlzylinder 102 ist ebenfalls mit Dichtringen 133
und 134 O-förmigen Querschnittes versehen, um gegen die Umgebungsatmosphäre abzuschließen Die Wirkungsweise
des Dichtringes 131 soll als typisch näher erläutert werden: Die Kopfplatte 103 ^eist einen Einschnitt
auf, in den der obere Abschnitt des inneren Zylinders 108 mit einer abgesetzten Kante eingreift. Der
Ausschnitt in der Kante des Zylinders 108 nimmt den Dichtring 131 auf, der andererseits die Kopfplatte 103
abstützt, deren Gewicht somit den Dichtring 103 auf Druck belastet. Das Wasser im Inneren des Zylinders
108 muß die Berühmngslinien 131a und 131 b oder die
Linien 131c und 131c/ passieren, bevor es zur Sprühzone
gelangt. In anderen Worten, gewährleistet die Pressung
der O-Ringe sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung zwei Berührungslinien, die vom abzudichtenden
Medium passiert werden müssen, bevor das abzudichtende Medium durch die Dichtung dringt.
Wie insbesondere aus. F i g. 5 hervorgeht, liegt jeder
»ο Halter 20 für die Schichtträger 21. zwischen benachbarten
schienenförmigen Stützen 84 des Drehhalters 36 gelagert, während des Sprühvorganges im radialen
Raum zwischen zwei benachbarten Schirmplatten 118 Infolge der ebenen Ausbildung der Schichtträger 21
«5 liegt der mittlere Bereich jedes Schichtträgers 21 näher
an der zylindrischen Oberfläche der Kathode 117 und würde somit eine stärkere Beschichtung erhalten. Zum
Ausgleich dieser geometrischen Inhomogenität und zur Gewährleistung einer gleichförmigen Beschichtung mit
Sprühmaterial ist ein Paar von Schirmplatten 136. 137 vorgesehen, die in der Spriihzone zur teilweisen Abschirmung
des Spriihmaterials angeordnet sind und das Sprühmaterial während der Zeit, in der jeder Schichtträger
21 in der Sprühkammer 34 ist. an zwei Stellen
as abfangen. Die Schirmplatte 136 ist als Winkeleisen mit
senkrecht aufeinanderstchenden Schenkeln ausgebt! det. um ein Verwerfen durch die beim Sprühvorgang
entstehende Hitze zu verhindern. Die Absehirinwirkung
durch die Schirmplatte 136 ist derart, daß die seitliehen
Randbereiche jedes Sihichtträgers 21 voll den Sprühstrahlen ausgesetzt sind. Dabei ist zu beachten.
daß die streifenförmiges) Schirmplatten 118 in Richtung auf dieselben Randbereiche hin vorstehen, so daß dadurch,
daß die Schirmplatten 118 als Teil der Kathode 117 wirken, diese Randbereiche einer verstärkten Besprühung
ausgesetzt sind. Die Wirkung dieser Maßnahmen insgesamt führt dazu, daß das Sprühmaterial die
die Sprühkammer 34 verlassenden Schichtträger 21 in einer gleichförmigen Schicht bedeckt.
Wenn der Drehhalter 36 in einer Kreisbewegung die koaxial angeordnete Kathode 117 umrundet und ein
mit einer filmartigen Schicht versehener Schichtträger 21 in fluchtende Stellung zum Schlitz 146 gebracht ist.
so wird eine obere Schubstange 141 von einem Mecha-
.nismus 142 aus betätigt, der im Aufbau demjenigen zur
Betätigung der Schubstange 62 entspricht, so daß der betreffende Halter 20 aus dem Eingriff der Federklammern
85 heraus nach unten gegen die immer noch in ihrer oberen Stellung befindliche Schubstange 62 ge-
drückt wird. Die Schubstangen 141 und 62 bewegen sich nun gemeinsam nach unten, um den Halter 20 zurück
in das Magazin 30 zu befördern. Wenn das Magazin 30 vollständig mit beschichteten Schichtträgern 21
angefüllt ist. dann wird erneut der solenoidgesteuerte
Schaltmechanismus für das Joch 32 in Betrieb gesetzt
und befördert die Magazinkammer 31 zurück in ihre ursprüngliche Lage 31A. Nachdem Luft in die Magazinkammer
31 eingelassen worden ist. wird der Deckel 74 abgehoben und das Magazin 30 mit den fertig beschich-
teten Schichtträgern 21 in den Haltern 20 entfernt, wonach die Magazinkammer 31 mit einem neuen Magazin
30 mit unbeschichteten Schichtträgern 21 bestückt wird.
Der Betrieb der verschiedenen solenoidgesteuerten Antriebseinheiten und ihrer Luftdruckzylinder kann
hinsichtlich der einzuhaltenden Arbeitstakte durch ein
nockengesteuertes Kontrolle^ment in derjenigen Folge gesteuert werden, die in dem Zeitdiasrarhm der
F i g. 8 veranschaulicht ist. Alternativ können die einzelnen
Arbeitsphasen im Betrieb der verschiedenen
Mechanismen der Vorrichtung jedoch auch durch eine Reihe von Endschaltern und einen elektrischen Steuer
kreis gesteuert werden. Die spezielle Ausbildung der Mittel zur Steuerung der Arbeitstakte kann auch auf
andere Weise erfolgen, sofern damit die verschiedenen Arbeitsschritte in der beschriebenen Reihenfolge
steuerbar sind.
In F i g. 7 ist eine alternative Anordnung zur Benetzung
der Kathode 117 mit inertem Gas dargestellt. Die Schirmplatten 118 sind hierbei durch eine Reihe von
Beizen 151 ersetzt, die in den Durchlässen 116 der Kathode
117 sitzen. Die Bolzen 151 weisen jeweils ein Sackloch 152 und ein Paar von Schlitzen 153 auf, wobei «5
das Sackloch 152 den aus dem hiermit fluchtenden Auslaß 114 austretenden Gasstrom ausgesetzt ist. Es sei
darauf hingewiesen, daß das Ende des Bolzens 151 im Bereich seines Sitzes dem vergleichsweise kühlen inneren
Zylinder 108 frei zuliegt. Die vorstehenden Bolzen ao
151 wirken als Teil der Kathode 117 und liegen den Randbereichen der Schichtträger 21 in den Zeiträumen
zwischen den Schalttakten des Drehhalters 36 näher, so daß eine gleichförmigere Ablagerung der Metallschicht
auf dem Schichtträger 21 gewährleistet wird. »5
Zeitliche Lage der Arbeitstakte
In der Ladestellung 31 Λ, bei entferntem Deckel 74.
wird ein vorerhitztes Magazin 30 (vergleiche F i g. 2 und 3) mit immer noch warmen Haltern 20 und Schichtträgern
21 in die Magazinkammer 31 eingeführt. Nach der Füllung der Maga/.inkammer 31 wird der Deckel 74
wieder aufgesetzt und die Luft durch die Öffnung 76 abgesaugt, so daß der erwünschte Unterdruck entsteht.
Die schlüsseiförmige Platte 68 wird nach Art einer Hebebühne abgesenkt und setzt die Magazinkammer 31
wieder auf dem Joch 32 ab. Das Joch 32 wird sodann zur Entgasungsstellung 31B weitergcschaltct und dort
gehalten, während eine der anderen Magazinkammern 31 entladen und wieder erneut geladen und die andere
Magazinkammer 31 in Transportverbindung mit der Sprühkammer 34 steht. Beim nächsten Schaltschritt des
Joches 32 wird das entgaste Magazin 30 mit den Schichtträgern 21 in die Ladestellung zur Sprühkammer
34 gebracht. Die Kupplung im Bereich der Nabe 50 und des rlansches 47 wird durch Betätigung des
Druckluftzylinders 57 hergestellt, so daß das Magazin 30 anschließend weitergeschaltet werden kann. Die
Schubstange 62 wird betätigt und befördert den ersten ausgerichteten Halter 20 durch die fluchtenden Schlitze
146 und 147 an der Oberseite des Gehäuses 33 und in der Bodenplatte 104 der Sprühkammer 34 in den Drehhalter
36. Diese fluchtenden Schlitze 146 und 147 tangieren die anschließende kreisförmige Bewegungsbahn
der Halter 20 in der Sprühkammer 34. Der Drehhalter 36 wird sodann weitergeschaltet und der aufgenommene
Halter 20 so weiterbewegt, daß die Räder 26 und 27 auf die Schiene 101 auflaufen. Die Halter 20 werden
dabei durch die Federklammern 85 gehalten, wobei die in der Schiene 101 laufenden Räder 26 und 27 eine stabile
Lage der Schichtträger 21 während des Sprühvorganges gewährleisten. Über die Leiter 15Γ wird eine
Hochspannung angelegt, wohingegen der innere Zylinder 108 und der Drehhaltcr 36 geerdet sind.
Der Drchhulter 36 wird nunmehr weitergeschall-st
und bewegt die Halter 20 auf einer kreisförmigen Bahn um die koaxial gelegene Kathode 117 herum. Die streifenförmigen
Schirmplattcn 118 der Kat'ede 117 wirken
mit den Schirmplatten 136 und 137 zusammen, um sicherzustellen, daß die Ränder der Schichtträger 21
Sprfihmaierial in derselben Menge erhalten wie die mittleren Bereiche der Schichtträger.
Durch die Bewegung des Drehhaltcrs 36 wird ein Halter 20 mit beschichteten Schichtträgern ii über die
fluchtenden Schlitze 146 und 147 gebracht, so daß die Führungsplatte 28 auf der Rolle 80 der immer noch in
der oberen Lage befindlichen Schubstange 62 aufsitzt. Die Schubstangen 141 und 62 bewegen sich nun gemeinsam
und lassen den Halter 20 in das Magazin 30 hinab. Das Magazin 30 wird sodann durch den Antrieb
über die eingerastete Kupplung — die Treibzapfen 49
der Nabe 50 greifen in die Ausnehmungen 48 im Treibflansch 47 ein — um eine Stellung weitergeschaltct.
Dieser Arbeitstakt hält an. bis das Magazin 30 voll mit einer filmarligen Schicht versehenen Schichtträgern 21
beladen ist. Sodann wird das |och 32 weitergeschaltet und befördert die Magazinkammer 31 unter den Dekkel
74, wonach das Entladen und erneute Laden der Magazinkammer 31 mit den Magazinen 30 stattfinden
kann.
Wenn die Vorrichtung zur Beschichtung mit Beta-Tantal benutzt wird, so wird als inertes Gas Argon in
die Sprühkammer eingeführt. Wenn der Film aus Beta Tantal für die Herstellung eines Oxyd-Dielektrikums
eines Kondensators verwendet werden soll, dann muß ein vergleichsweise dicker Film von beispielsweise
5000Ä in längerer Zeit aufgebracht werden. Dies kann bei der beschriebenen Vorrichtung sehr einfach dadurch
erreicht werden, daß der Zeitabstand der Schalttakte
der verschiedenen Aggregate der Vorrichtung vergrößert wird. Wenn mit de>
Vorrichtung ein Film von Tantalnitrid für die nachfolgende Fertigung von Widerstandselementen hergestellt werden soll, so wird
für das in die Sprühkammer 34 einzuführende Gas eine Mischung aus Argon und Stickstoff benutzt. In diesem
Fall ist es erforderlich, die Wärme in den Schichtträgern 21 zu halten, um Widerstände mit eir.-.ιπ geringen
Temperaturkoeffizienten für den Widerstand zu erhalten. Diese Erwärmung kann dadurch erreicht werden
daß ein dünnes reflektierendes Blatt aus rostfreien" Stahl hinter jeden in einem Träger 20 gelagerter
Schichtträger 21 angeordnet wird.
Die einzelnen Einheiten der Vorrichtung können bei spielsweise auch so angeordnet werden, daß das Jocl
32 die Magazinkammer 31 von oben auf die Sprühkam mer 34 aufsetzt, anstatt von unten am Boden de
Sprühkammer 34 ansetzt. In diesem Falle wird der Be förderungsmechanismus umgekehrt und werden dem
zufolge die Halter 20 nach unten statt nach oben ge schoben, um den Drehhalter 36 zu beladen.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum fortlaufenden Aufbringen metallischer Überzöge auf ebene Werkstöcke mittels
Kathodenzerstäubung, bei dem zur Aufnahme der gnbeschichteten Werkstücke eine Magazinkammer
vorgesehen ist, deren Atmosphäre sich 3n die steuerbare Zerstäubungsatmosphäre einer Sprühkammer
anpassen läßt, und bei dem eine Transportvorrichtung die Werkstücke von der atmosphärisch
angepaßten Magazinkammer in die Sprühkammer befördert, in welcher die Werkstücke während einer
vorwählbaren Zeitdauer mit ihrer zu beschichtenden Seite einer Zerstäubungsquelle gegenüber liegen,
und bei dem die Transportvorrichtung nach erfolgter Beschichtung sämtlicher Werkstücke diese
in die Magazinkammer zurückbefördert aus der die Werkstücke nach dem Wiederherstellen der Umgebungsa-mosphäre
ohne Störung der Spriihkamrneratmosphäre zu entnehmen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die ebenen Werkstücke (Schichtträger 21) in der Sprühkammer (34) ringförmig
um die zylindrisch geformte Zerstäubungsquelle (Kathode 117) im jeweils gleichen Abstand zu ihr
angeordnet sind, wobei die zu beschichtenden und der Zerstäubungsquelle zugewandten Seiten der
Werkstücke (21) die Quelle (117) nach Art eines Vielecks umhüllen, und daß die in die Sprühkammer
(34) eiiijebrachten Werkstücke (21) gleichzeitig beschichtet
werden.
2. Verfahren r.ach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkstücke (21) schrittweise durch eine Vielzahl von haltestellungen um die zylindrisch
geformte Zerstäubungsquelle (117) gedreht werden, wodurch jedes Werkstück einmal
eine Kreisbahn durchläuft, daß nach jeder Weiterdrehung der Werkstücke eine Kathodenzerstäubung
erfolgt, und daß während jeder Zerstäubung innerhalb des gesamten Zerstäubungszyklus der
mittlere Oberflächenbereich einer bestimmsen Anzahl von Werkstücken von dem Metallniederschlag
abgeschirmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der Quelle (117)
im Inneren der Quelle ein Kühlflüssigkeitsstrom erzeugt wird, und daß zur Kühlung der Werkstücke
(21) ein weiterer Kühlflüssigkeitsstrom an der AuUenseite des Gehäuses der Sprühkammer (34) erzeugt
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasstrom durch
eine Anzahl von Auslässen (114) in der Wandung der zylindrischen Quelle (117) erzeugt wird, und daß
das aus den Auslässen (114) strömende Gas gegen Schirmplatten (118) gerichtet ist. welche das Gas
über die Zylinderfläche der Quelle (117) verteilen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff der Schirmplatten (118) zur Zerstäubung der Metallteilchen auf die Werkstücke
(21) herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das aus den Auslässen (114)
ausströmende Gas eine Mischung aus Stickstoff und Argon verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch geformte
Zerstäubungsquelle (117) aus Tantal besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurcl·
gekennzeichnet, daß die Innenwände der Spröh
kammer (34) als wärmereflektierende Oberflächer
ausgeführt sind.
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