RU2688353C1 - Apparatus for movement and rotation of substrate holder - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: device consists of support flange 1, in which there are concentric slots 4 for device turning relative to axis of vacuum chamber and installation of posts 6, by means of which substrate holder 7 is fixed. Substrate holder 7 is made in the form of a plate with lugs 9 in the form of half-discs. Along external radius of half-discs there are holes 10 for fastening posts 6. In substrate holder 7 plate bearing assembly 13 is installed. In bearing assembly 13 shaft 19 is installed, rotation of which is transmitted through flexible transmission (movable element) 20 from rotation drive 21. Bush 22 is secured to shaft 19 by means of quick-detachable retainers 23. Second substrate holder 24 with coated part 25 is attached to bush 22.EFFECT: invention relates to devices for application of coatings in vacuum and enables to change location of coated part relative to source of sprayed or evaporated material with preservation of axial rotation of part – substrate.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме, а более конкретно к устройствам для закрепления и вращения подложек (подложкодержателям). Устройство предназначено для изменения расположения покрываемой детали относительно источника распыляемого или испаряемого материала с сохранением осевого вращения детали - подложки.The invention relates to a device for coating in vacuum, and more specifically to a device for fixing and rotating the substrate (substrate holder). The device is designed to change the location of the part to be coated relative to the source of the material being sprayed or vaporized while maintaining the axial rotation of the part - the substrate.

Широко известны устройства для закрепления и вращения подложек, когда деталь - подложка располагается в верхней, нижней или боковой части вакуумной камеры напротив источника наносимого материала (например, Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко и др. - М.: Машиностроение, 1991, стр. 98 - 104). Такие системы нанесения покрытия вполне достаточны для обеспечения равномерности толщины покрытия деталей простой геометрической формы. Но в случае деталей сложной геометрической формы, например, полусфера или сегмент шара, из-за разного расстояния от источника распыляемого материала до поверхности детали толщина покрытия на одной поверхности может отличаться в несколько раз. Для исправления этой ситуации можно использовать дополнительные источники наносимого материала, что ведет к существенному увеличению стоимости установок для нанесения покрытий, а в некоторых случаях применение дополнительных источников невозможно из-за конструктивных особенностей вакуумных камер или ведет к замене одной из самых дорогостоящих частей установок - вакуумной камеры.Devices for fixing and rotating substrates are widely known when the component — the substrate is located at the top, bottom or side of the vacuum chamber opposite the source of the applied material (for example, Operator's Manual for Coating Apparatus in Vacuum) / AI Kostrzhitsky, VF Karpov , MP Kabanchenko and others - M .: Mashinostroenie, 1991, p. 98 - 104). Such coating systems are quite sufficient to ensure uniformity of the coating thickness of parts with a simple geometric shape. But in the case of parts of complex geometric shape, for example, a hemisphere or a ball segment, due to different distances from the source of the material being sprayed to the surface of the part, the thickness of the coating on one surface may differ several times. To correct this situation, you can use additional sources of the applied material, which leads to a significant increase in the cost of coating systems, and in some cases the use of additional sources is impossible due to the design features of the vacuum chambers or leads to the replacement of one of the most expensive parts of the installations - the vacuum chamber. .

Известен подложкодержатель (п. РФ №1644553, МПК С23С 14/50, опубл. 15.10.1994 г.), содержащий многоярусный цилиндрический корпус, на ярусах которого размещаются обрабатываемые изделия, и привод вращения, кинематически соединенный с корпусом. Корпус выполнен в виде жесткой одно- или многозаходной ленточной спирали с гнездами, при этом шаг спирали равен Н≥h, где Н - шаг спирали мм; h - высота обрабатываемой детали, мм, а расстояние между гнездами равно L≥l, где L - расстояние между гнездами, мм; l - наибольший размер обрабатываемой детали, мм.The known substrate holder (Clause of the Russian Federation No. 1644553, IPC С23С 14/50, publ. 10/15/1994), containing a multi-tiered cylindrical body, on which tiers are processed products, and a rotational drive, kinematically connected to the body. The body is made in the form of a rigid single or multiple belt helix with sockets, with the helix pitch equal to H≥h, where H is the mm spiral pitch; h is the height of the workpiece, mm, and the distance between the sockets is L≥l, where L is the distance between the sockets, mm; l - the largest size of the workpiece, mm.

Благодаря тому, что детали расположены под углом и положение их по отношению к ионному потоку в процессе обработки непрерывно меняется, обеспечивается равномерная объемная конденсация покрытия разных поверхностей обрабатываемых деталей.Due to the fact that the parts are angled and their position with respect to the ion flow in the process is constantly changing, provides uniform volumetric condensation of the coating of different surfaces of the workpiece.

Данное устройство может быть использовано для нанесения различных покрытий и тонких пленок. Это устройство позволяет повысить равномерность покрытия по толщине для деталей простой геометрической формы, но для деталей сложной геометрической формы типа полусфера такое расположение деталей неэффективно и может создать обратный эффект - увеличение неравномерности покрытия за счет постоянного изменения расположения поверхностей детали - подложки относительно источника распыляемого материала. Кроме того, для крупногабаритных деталей применение данного изобретения невозможно.This device can be used for applying various coatings and thin films. This device allows you to increase the uniformity of the coating thickness for parts of a simple geometric shape, but for details of complex geometric shapes such as hemispheres, such an arrangement of parts is inefficient and can create the opposite effect - increasing the unevenness of the coating due to the constant change in the arrangement of the surfaces of the part - the substrate relative to the source of the sprayed material. In addition, for large parts the application of this invention is impossible.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является устройство перемещения подложкодержателя (п. РФ №2115764, МПК С23С 14/50, опубл. 20.07.1998 г.), содержащее неподвижную опору (основание), соединенную с подложкодержателем, и установленный в неподвижной опоре привод вращения (ввод вращения), соединенный подвижным элементом (дополнительным упругим сильфоном) со вторым подложкодержателем. Подложкодержатель установлен на упругом элементе - сильфоне, связанном с неподвижным основанием, с возможностью вращения относительно горизонтальных осей координат. Между подложкодержателем и неподвижным основанием шарнирно закреплены в вертикальном направлении две тяги - приводы, шарниры на неподвижном основании - цилиндрические, а на подложкодержателе - сферические, причем шарниры на неподвижном основании и подложкодержателе расположены под углом 90° относительно оси сильфона. Второй подложкодержатель установлен на первом с возможностью осевого вращения.The closest analogue of the claimed invention, selected as a prototype, is the device for moving the substrate holder (p. RF №2115764, IPC С23С 14/50, publ. 07.07.1998), containing a fixed support (base) connected to the substrate holder and installed in a fixed support, a rotation drive (rotation input) connected by a movable element (additional elastic bellows) with the second substrate holder. The substrate holder is mounted on an elastic element - a bellows associated with a fixed base, with the possibility of rotation relative to horizontal axes of coordinates. Between the substrate holder and the fixed base, two thrusts are fixed in the vertical direction - actuators, the hinges on the fixed base are cylindrical, and on the substrate holder are spherical, with the hinges on the fixed base and substrate holder located at an angle of 90 ° relative to the axis of the bellows. The second substrate holder is mounted on the first one with the possibility of axial rotation.

Данное устройство обеспечивает возможность снижения неравномерности толщины пленки за счет варьирования положения подложкодержателя относительно источника распыляемого материала. Причем относительно одной оси движение непрерывно-вращательное, относительно других двух осей возвратно-вращательное.This device provides the possibility of reducing the unevenness of the film thickness by varying the position of the substrate holder relative to the source of the material being sprayed. Moreover, with respect to one axis, the movement is continuous-rotational, relative to the other two axes, reciprocating-rotational.

Это устройство обеспечивает повышение равномерности толщины наносимого покрытия, но для деталей сложной геометрической формы, типа полусфера, возвратно-вращательное движение относительно двух взаимно-перпендикулярных осей может только увеличить неравномерность покрытия. Кроме того, применение данного устройства требует конструктивных изменений вакуумной камеры или вообще ее замену, что ведет к неизбежным экономическим затратам.This device provides an increase in the uniformity of the thickness of the applied coating, but for parts of a complex geometric shape, such as a hemisphere, a reciprocating rotational motion relative to two mutually perpendicular axes can only increase the unevenness of the coating. In addition, the use of this device requires constructive changes in the vacuum chamber or in general its replacement, which leads to inevitable economic costs.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение равномерности толщины покрытия на деталях - подложках сложной геометрической формы (например, полусферы или сегменты шара) при сохранении неизменной конструкции вакуумной камеры.The problem to which the invention is directed is to increase the uniformity of the coating thickness on the parts — substrates of complex geometric shape (for example, hemispheres or ball segments) while maintaining the same vacuum chamber design.

Технический результат, полученный при использовании предлагаемого технического решения, - возможность изменения расположения детали - подложки относительно источника распыляемого материала при сохранении постоянного вращательного движения детали относительно собственной оси.The technical result obtained when using the proposed technical solution is the ability to change the location of the part - the substrate relative to the source of the sprayed material while maintaining a constant rotational movement of the part relative to its own axis.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве перемещения и вращения подложкодержателя, содержащем неподвижную опору, соединенную с подложкодержателем, и установленный в неподвижной опоре привод вращения, соединенный подвижным элементом со вторым подложкодержателем, на котором размещается обрабатываемая деталь, особенность заключается в том, что в неподвижной опоре выполнены концентрические отверстия, в которых установлены параллельные стойки, соединяющие неподвижную опору с подложкодержателем, который выполнен в виде пластины, с двух противоположных сторон которой установлены проушины в виде полудисков, по внешнему радиусу полудисков расположены отверстия для закрепления стоек, в пластине выполнены ряды параллельных отверстий, в которые крепится подшипниковый узел, соединенный подвижным элементом с приводом вращения, в подшипниковом узле установлен вал, соединенный с подвижным элементом и вторым подложкодержателем.This technical result is achieved by the fact that in the device for displacing and rotating the substrate holder, comprising a fixed support connected to the substrate holder, and a rotational drive mounted in the fixed support, connected by a movable element to the second substrate holder on which the workpiece is placed, the fixed support is made of concentric holes, in which parallel stands are installed, connecting the fixed support with the substrate holder, which is made n in the form of a plate, with two opposite sides of which there are installed half-disk lugs, along the outer radius of the half-disks there are holes for fixing the posts, rows of parallel holes are made in the plate, into which the bearing assembly connected by a moving element with a rotational drive is mounted, in the bearing assembly is installed a shaft connected to the movable element and the second substrate holder.

Создание устройства перемещения и вращения подложкодержателя указанным способом позволяет осуществлять оптимальное расположение подложки относительно источника распыляемого материала при сохранении вращения подложки относительно собственной оси. Этого добились за счет следующего: для перемещения подложкодержателя относительно вертикальной оси (вокруг вертикальной оси) используются концентрические пазы в неподвижной опоре для закрепления стоек; для вертикального перемещения подложкодержателя (вверх, вниз) изменяется длина стоек; для изменения угла наклона подложкодержателя относительно горизонта закрепляют стойки в различных отверстиях проушин; для горизонтального перемещения подложкодержателя (вправо, влево) используются отверстия в пластине, которые позволяют закреплять подшипниковый узел в различных положениях; при этом, подшипниковый узел совместно с валом и подвижным элементом обеспечивают вращение второго подложкодержателя (на котором устанавливается обрабатываемая деталь) относительно собственной оси в любом из положений подложкодержателя. Совокупность перечисленных факторов позволяет изменять положение подложкодержателя относительно всех осей координат а, следовательно, и расположение детали-подложки относительно источника распыляемого материала при сохранении постоянного вращательного движения детали относительно собственной оси. Таким образом решили поставленную задачу - повысили равномерность толщины покрытия на деталях сложной геометрической формы, при этом сохранили неизменной конструкцию вакуумной камеры.Creating a device for moving and rotating the substrate holder in this way allows for optimal positioning of the substrate relative to the source of the material being sprayed while maintaining rotation of the substrate relative to its own axis. This was achieved due to the following: to move the substrate holder relative to the vertical axis (around the vertical axis), concentric grooves in a fixed support are used to fix the posts; for vertical movement of the substrate holder (up, down) the length of the racks is changed; to change the angle of inclination of the substrate holder relative to the horizon, they fix the racks in the various holes of the lugs; for horizontal movement of the substrate holder (right, left), holes in the plate are used that allow the bearing assembly to be fixed in different positions; at the same time, the bearing unit together with the shaft and the movable element provide rotation of the second substrate holder (on which the workpiece is mounted) relative to its own axis in any of the positions of the substrate holder. The combination of these factors allows you to change the position of the substrate holder relative to all axes of coordinates and, therefore, the location of the substrate part relative to the source of the sprayed material while maintaining a constant rotational movement of the part relative to its own axis. Thus, we solved the task - increased the uniformity of the coating thickness on parts of complex geometric shape, while maintaining the design of the vacuum chamber unchanged.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».When analyzing the level of technology is not detected analogues, characterized by signs that are identical to all the essential features of this invention. And also not revealed the fact of fame of the influence of the signs included in the formula, on the technical result of the proposed technical solution. Therefore, the claimed invention meets the conditions of "novelty" and "inventive step".

На фиг. 1 главный вид устройства перемещения и вращения подложкодержателя в разрезе.FIG. 1 main view of the device for moving and rotating the substrate holder in section.

На фиг. 2 изображено заявляемое устройство.FIG. 2 depicts the claimed device.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема заявляемого устройства.FIG. 3 is a schematic diagram of the claimed device.

На фиг. 4 представлено заявляемое устройство в разрезе.FIG. 4 shows the claimed device in section.

Устройство перемещения и вращения подложкодержателя состоит из опорного фланца 1 (неподвижной опоры), который крепится к потолку вакуумной камеры посредством втулок 2 и гаек 3 (фиг. 1, 2). Во фланце имеются концентрические пазы 4, предназначенные для установки пластин 5, в которые устанавливаются стойки 6, посредством которых закрепляется подложкодержатель 7 через втулки 8. Подложкодержатель 7 выполнен в виде пластины, с двух противоположных сторон которой установлены проушины 9 в виде полудисков. По внешнему радиусу полудисков расположены отверстия 10 для закрепления стоек 6 фиксирующими болтами 11. Фиксирующие болты 11 предназначены для фиксации подложкодержателя 7 в определенном положении. Фиксируя подложкодержатель 7 за различные отверстия 10, можно изменять угол его наклона относительно потолка или дна вакуумной камеры (фиг. 3, траектория в). Таким образом, изменяется угол наклона вращения детали относительно горизонта. Концентрические пазы 4 позволяют разворачивать устройство относительно оси вакуумной камеры (траектория а). Изменение длины стоек 6 позволяет изменять расположение поворотного устройства относительно потолка вакуумной камеры (траектория б). В пластине подложкодержателя 7 выполнен паз 12 для установки подшипникового узла 13, который крепится к пластине подложкодержателя 7 болтами 14 в отверстия 15, которые выполнены параллельными рядами. Устанавливая подшипниковый узел 13 в различные отверстия 15, можно изменять положение оси вращения покрываемой детали относительно подложкодержателя (траектория г). Подшипниковый узел 13 состоит из корпуса 16, в который устанавливаются подшипники 17 и фиксируются крышкой 18 (фиг. 4). В подшипниковый узел 13 устанавливается вал 19, вращение которому передается через гибкую передачу (подвижный элемент) 20 от привода вращения 21. На вал 19 крепится втулка 22 с помощью быстросъемных фиксаторов 23. К втулке 22 крепится второй подложкодержатель 24 с покрываемой деталью 25. Таким образом, второй подложкодержатель 24 соединен с приводом вращения 21 подвижным элементом.The device for moving and rotating the substrate holder consists of a support flange 1 (fixed support), which is attached to the ceiling of the vacuum chamber by means of bushings 2 and nuts 3 (Fig. 1, 2). In the flange there are concentric grooves 4 for mounting the plates 5 into which the stands 6 are mounted, by means of which the substrate holder 7 is fixed through the sleeves 8. The substrate holder 7 is made in the form of a plate, with two opposite sides of the eyes 9 installed in the form of half discs. Along the outer radius of the half-disks there are holes 10 for fixing the pillars 6 with the fixing bolts 11. The fixing bolts 11 are intended for fixing the substrate holder 7 in a certain position. Fixing the substrate holder 7 for the various openings 10, it is possible to change its angle of inclination relative to the ceiling or bottom of the vacuum chamber (Fig. 3, the trajectory in). Thus, the angle of inclination of rotation of the part relative to the horizon changes. Concentric grooves 4 allow you to deploy the device relative to the axis of the vacuum chamber (trajectory a). Changing the length of the racks 6 allows you to change the location of the rotator relative to the ceiling of the vacuum chamber (trajectory b). In the plate of the substrate holder 7 there is a groove 12 for mounting the bearing unit 13, which is attached to the plate of the substrate holder 7 by bolts 14 into holes 15, which are made in parallel rows. Installing the bearing unit 13 in different holes 15, you can change the position of the axis of rotation of the coated parts relative to the substrate holder (path g). The bearing assembly 13 consists of a housing 16 into which bearings 17 are mounted and fixed by a cover 18 (FIG. 4). A shaft 19 is installed in the bearing unit 13, the rotation of which is transmitted through a flexible gear (movable element) 20 from a rotational drive 21. A sleeve 22 is attached to the shaft 19 using quick-release clamps 23. A second substrate holder 24 is fixed to the sleeve 22 with the part to be covered 25. Thus The second substrate holder 24 is connected to a rotational drive 21 by a movable element.

Изменяя положение стоек 6 в концентрических пазах 4, изменяя длину стоек 6, изменяя угол наклона кронштейна 7 (за счет фиксации в отверстиях 10) и перемещая подшипниковый узел 13 в пазе 12 подложкодержателя 7, добиваются оптимального расположения покрываемой детали относительно источника 26 испаряемого материала при сохранении вращения детали относительно своей оси. При этом добиваются увеличение равномерности покрытия по толщине за счет оптимального расположения детали относительно источника распыляемого материала с сохранением вращения детали относительно своей оси.Changing the position of the pillars 6 in concentric grooves 4, changing the length of the pillars 6, changing the angle of inclination of the bracket 7 (by fixing in the holes 10) and moving the bearing unit 13 in the groove 12 of the substrate holder 7, achieve the optimum location of the part to be coated relative to the source 26 of evaporated material while maintaining rotation of the part relative to its axis. At the same time, an increase in the uniformity of the coating in thickness is achieved due to the optimal location of the part relative to the source of the material being sprayed while maintaining the rotation of the part relative to its axis.

Пример. При нанесении покрытий электроннолучевым методом подложка, полусферическая деталь диаметром 300 мм и высотой 150 мм, размещалась на вращателе, имеющем вертикальную ось вращения. При этом, толщина покрытия на наружной поверхности полусферы составляла от 8 мкм у торца детали до 140 мкм в средней части полусферы. После применения данного устройства толщина покрытия по всей поверхности стала в диапазоне от 100 мкм до 140 мкм.Example. When coating by the electron-beam method, a substrate, a hemispherical part with a diameter of 300 mm and a height of 150 mm, was placed on a rotator with a vertical axis of rotation. At the same time, the thickness of the coating on the outer surface of the hemisphere ranged from 8 μm at the end of the part to 140 μm in the middle part of the hemisphere. After applying this device, the coating thickness over the entire surface became in the range from 100 μm to 140 μm.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:Thus, the data presented indicate that the following cumulative conditions are fulfilled when using the claimed invention:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в различных отраслях промышленности для нанесения металлических покрытий вакууме, в частности, на изделия типа тел вращения сложной геометрии, например, полусфер или сегментов шара;- means embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in various industries for applying metal vacuum coatings, in particular, on products of the type of rotation bodies of complex geometry, for example, hemispheres or ball segments;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.- for the claimed device in the form in which it is characterized in the claims, confirmed the possibility of its implementation.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (1)

Устройство для перемещения и вращения подложкодержателей, содержащее неподвижную опору, соединенную с подложкодержателем, и установленный в неподвижной опоре привод вращения, соединенный подвижным элементом со вторым подложкодержателем, на котором размещается обрабатываемая деталь, отличающееся тем, что в неподвижной опоре выполнены концентрические отверстия, в которых установлены параллельные стойки, посредством которых неподвижная опора соединена с подложкодержателем, выполненным в виде пластины, с двух противоположных сторон которой установлены проушины в виде полудисков, при этом по внешнему радиусу полудисков расположены отверстия для закрепления стоек, а в пластине выполнены ряды параллельных отверстий, в которых закреплен подшипниковый узел, соединенный подвижным элементом с приводом вращения, причем в подшипниковом узле установлен вал, соединенный с подвижным элементом и вторым подложкодержателем.A device for moving and rotating substrate holders, comprising a fixed support connected to the substrate holder, and a rotational drive mounted in the fixed support connected by a movable element to the second substrate holder on which the workpiece is placed, characterized in that the fixed support has concentric holes in which parallel racks, whereby the fixed support is connected to the substrate holder, made in the form of a plate, on two opposite sides to The lugs are installed in the form of half disks, with the outer radius of the half disks forming holes for fixing the pillars, and in the plate there are rows of parallel holes in which the bearing unit is attached, which is connected to the rotating element by a moving element, and a shaft is connected to the moving part element and the second substrate holder.

Images