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Title:
DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A LAYER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/120662
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a device for producing a layer of a layer material on a spherical substrate (29), comprising a source for the layer material, a substrate support (17), on which the substrate (29) lies, and a substrate holder (9), which loosely encloses the substrate (29) and restricts a movement of the substrate (29) in a horizontal plane. Also disclosed is a method for producing a layer of a layer material on a spherical substrate (29), which lies on a substrate support (17) and is loosely enclosed by a substrate holder (9), which restricts a movement of the substrate (29) in a horizontal plane. In order to make the coating of roller bearing balls easier, it is proposed to move the substrate support (17) in the horizontal plane in relation to the substrate holder (9).

Inventors:
ESSER, Stefan (Richtericher Straße 80, Aachen, 52072, DE)
Application Number:
EP2018/077381
Publication Date:
June 27, 2019
Filing Date:
October 09, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ESSER, Stefan (Richtericher Straße 80, Aachen, 52072, DE)
International Classes:
B05D1/00; C23C14/50; C23C16/458; B05C13/02
Foreign References:
JPH05311411A1993-11-22
JP3275318B22002-04-15
DE19537218A11997-04-10
JP2014018257A2014-02-03
US4705298A1987-11-10
DE102010001218A12011-07-28
Attorney, Agent or Firm:
BAUER, Dirk (BAUER WAGNER PRIESMEYER, Patent- & RechtsanwälteGrüner Weg 1, Aachen, 52070, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Herstellen einer Schicht eines Schichtmaterials auf einem sphärischen Substrat (29) mit einer Quelle für das Schichtmaterial, einer Substratstütze (17), auf der das Substrat (29) aufliegt und einer das

Substrat (29) locker umschließenden Substrataufnahme (9), die eine

Bewegung des Substrats (29) in einer horizontalen Ebene begrenzt, gekennzeichnet durch einen Antrieb (4) zum Bewegen der

Substratstütze (17) in der horizontalen Ebene relativ zu der

Substrataufnahme (9).

2. Vorrichtung nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrataufnahme (9) die Bewegung des Substrats (29) in der horizontalen Ebene auf eine Kreisfläche begrenzt.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Tragring (2) und eine unter dem Tragring (2) beweglich gelagerte Taumelscheibe (3), und mit einer Vielzahl gleichartiger Käfige (28), wobei jeder der Käfige (28) jeweils aus einer an der Taumelscheibe (3)

ausgebildeten Substratstütze (17) und einer an dem Tragring (2)

ausgebildeten Substrataufnahme (9) besteht.

4. Vorrichtung nach dem vorgenannten Anspruch, gekennzeichnet durch einen rotierbaren Exzenter (32) zum Antreiben der Bewegung der

Taumelscheibe (3) in der horizontalen Ebene.

5. Verfahren zum Herstellen einer Schicht eines Schichtmaterials auf einem sphärischen Substrat (29), das auf einer Substratstütze (17) aufliegt und von einer Substrataufnahme (9) locker umschlossen ist, die eine Bewegung des Substrats (29) in einer horizontalen Ebene begrenzt, dadurch

gekennzeichnet, dass die Substratstütze (17) in der horizontalen Ebene relativ zu der Substrataufnahme (9) bewegt wird.

6. Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratstütze (17) auf einer Kreisbahn (37) bewegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (29) auf der Substratstütze (17) auf einer linienförmigen Kontaktkante (39) abrollt.

8. Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkante (39) eine quer zu der horizontalen Ebene verlaufende Krümmung aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (29) eine Wälzlagerkugel ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in einem Gasabscheidungsverfahren hergestellt wird.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Schicht

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zum Herstellen einer Schicht eines Schichtmaterials auf einem sphärischen Substrat mit einer Quelle für das Schichtmaterial, einer Substratstütze, auf der das Substrat aufliegt und einer das Substrat locker umschließenden Substrataufnahme, die eine Bewegung des Substrats in einer horizontalen Ebene begrenzt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht eines Schichtmaterials auf einem sphärischen Substrat, das auf einer Substratstütze aufliegt und von einer

Substrataufnahme locker umschlossen ist, die eine Bewegung des Substrats in einer horizontalen Ebene begrenzt.

Um den C02-Ausstoß moderner Motoren zu verringern werden immer mehr Bauteile mit reibungsarmen Verschleißschutzschichten beschichtet. Beschichten ist nach DIN 8580 ein Fertigungsverfahren zum Aufbringen einer festhaftenden Schicht aus formlosem Stoff auf die Oberfläche eines Werkstückes. Ein zu beschichtendes Werkstück wird in der Beschichtungstechnik als„Substrat“ bezeichnet. Viele Substrate (insbesondere Massenteile wie beispielsweise Wälzlagerkugeln) sind sehr klein, stellen aber zugleich hohe Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Beschichtung: Oft wird verlangt, dass weniger als 0,3 ppm der Teile einen„Drehfehler“ aufweisen. Bei der Oberflächenbehandlung von Wälzlagerkugeln entstehen sowohl durch Halterungen als auch durch aneinander schlagende oder reibende Kugeln unerwünschte Fehlstellen.

US 4,705,298 A schlägt eine Vorrichtung und ein Verfahren der vorgenannten Art vor, wobei eine Wälzlagerkugel in einer Substrataufnahme aus vier senkrechten zylindrischen Stützen gefangen ist, die auf einer waagrechten Platte als

Substratstütze montiert sind. Ein Stapel solcher Käfige wird in einer

Beschichtungsanlage um eine vertikale Achse verschwenkt und mittels eines vertikal pendelnden Beschichtungskopfes beschichtet.

Die bekannte Vorrichtung ist aufgrund der aufwändigen Montage für die

Beschichtung von Massenkleinteilen ungeeignet. DE 10 2010 001 218 A1 offenbart eine weitere Vorrichtung und ein Verfahren der vorgenannten Art mit hülsenförmigen Substrataufnahmen, in die beispielsweise Düsennadeln oder Steuerkolben gesteckt und auf dem Boden der

Substrataufnahme als Substratstütze abgestützt werden.

Diese Vorrichtung ist zur Beschichtung von Substraten ohne ein stabförmiges Ende zum Einstecken in die Substrataufnahme - insbesondere zur Beschichtung von Wälzlagerkugeln - ungeeignet.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beschichtung von Wälzlagerkugeln zu vereinfachen.

Lösung

Ausgehend von der bekannten Vorrichtung wird nach der Erfindung

vorgeschlagen, einen Antrieb zum Bewegen der Substratstütze in der horizontalen Ebene relativ zu der Substrataufnahme vorzusehen. Durch die Relativbewegung der (vertikalen) Substratstütze zu der (seitlichen) Substrataufnahme kann die Substrataufnahme mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung fest verbunden werden und lässt sich deutlich einfacher mit den Substraten bestücken.

Vorzugsweise begrenzt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die

Substrataufnahme die Bewegung des Substrats in der horizontalen Ebene auf eine Kreisfläche. Die kreisförmige Begrenzung vermeidet Fehlstellen in der aufgetragenen Schicht durch ruckartige Bewegungen und Stöße während der Herstellung.

Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Tragring und eine unter dem Tragring beweglich gelagerte Taumelscheibe, und eine Vielzahl gleichartiger Käfige auf, wobei jeder der Käfige jeweils aus einer an der

Taumelscheibe ausgebildeten Substratstütze und einer an dem Tragring ausgebildeten Substrataufnahme besteht. Eine solche Vorrichtung erlaubt die gleichzeitige Beschichtung einer Vielzahl von Substraten. Vorzugsweise weist eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung einen rotierbaren Exzenter zum Antreiben der Bewegung der Taumelscheibe in der horizontalen Ebene auf. In einer solchen Vorrichtung wird die Taumelscheibe mit den

Substratstützen gleichförmig auf einer Kreisbahn bewegt.

Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird nach der Erfindung

vorgeschlagen, dass die Substratstütze in der horizontalen Ebene relativ zu der Substrataufnahme bewegt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird

insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt und zeichnet sich gleichermaßen durch deren vorstehend genannte Vorteile aus.

Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Substratstütze auf einer Kreisbahn bewegt. Die kreisförmige Bewegung der Substratstütze vermeidet Fehlstellen in der aufgetragenen Schicht durch Stöße während der Herstellung.

Vorzugsweise rollt in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Substrat auf der Substratstütze auf einer linienförmigen Kontaktkante ab. Die linienformige

Kontaktkante minimiert die Verdeckung des Substrats durch die Substratstütze.

Vorzugsweise weist in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren die

Kontaktkante eine quer zu der horizontalen Ebene verlaufende Krümmung auf. Beim Abrollen auf der Kontaktkante ändert sich so zusätzlich die vertikale Lage des Substrats in der Substrataufnahme.

Vorzugsweise ist in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Substrat eine Wälzlagerkugel. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für solche und ähnliche Massenkleinteile.

Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Schicht in einem Gasabscheidungsverfahren hergestellt. Zum Beschichten kleiner, hochpräziser Substrate kommen insbesondere die physikalische Gasphasenabscheidung („physical vapor deposition“/„PVD“) und die plasmaunterstützte chemische

Gasphasenabscheidung („plasma enhanced Chemical vapor deposition“/„PECVD“) zum Einsatz. Im PVD-Verfahren ist das„Target“ die Platte, die mit geladenen Teilchen beschossen wird. Dadurch wird Targetmaterial verdampft und im Vakuum, typischer Weise zwischen 10 mPa und 3000 mPa als Schicht auf den relativ kalten Substraten abgeschieden. Häufig wird die Verdampfung durch eine elektrische Entladung herbeigeführt. Hier unterscheidet man die Elektronenstrahlverdampfung (EBPVD electron beam) die Lichtbogenverdampfung (AIP arc ion plating) und die Sputterverfahren (MSIP magnetron sputter ion plating).

Häufig wird auch die Abscheidung durch eine an die Substrate angelegte

Spannung beeinflusst. Diese Spannung wird Biasspannung genannt und beeinflusst die Schichteigenschaften, insbesondere die Härte der Schicht. Die Biasspannung kann eine Gleichspannung (DC), eine Wechselspannung (AC, MF, RF) oder eine gepulste Spannung (Unipolar, Bipolar) sein.

Im PECVD Verfahren wird das Schichtmaterial gasförmig der

Beschichtungskammer zugeführt. An die Substrate wird eine RF oder gepulste Spannung angelegt, die das Gas aufspaltet und zur Abscheidung eines Teils führt. Der Druck beim PECVD liegt üblicherweise um Faktor 10 bis 100 höher als beim PVD.

Allen PVD-Verfahren gemeinsam ist, dass das Schichtmaterial sich überwiegend geradlinig von der Quelle ausbreitet bzw. teilweise von den elektrischen Feldlinien abgelenkt wird. Hierdurch entstehen in der Ausbreitung des Schichtmaterials Vorzugsrichtungen, so dass Substratflächen, die entgegen dieser

Vorzugsrichtungen orientiert sind, eine besonders hohe Abscheiderate aufweisen. Substratflächen, die den Vorzugsrichtungen abgewandt sind, werden kaum beschichtet. Um eine homogene Beschichtung der einzelnen Substrate zu erzielen, werden diese in der Beschichtungskammer um mehrere Achsen gesteuert rotiert. Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen

Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines Substrattellers einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 1b eine geschnittene Darstellung des Substrattellers,

Fig. 1c eine Explosionsdarstellung des Substrattellers und

Fig. 1d eine Draufsicht des Substrattellers,

Fig. 2a einen einzelnen Käfig des Substrattellers im Detail in einer

perspektivischen Ansicht,

Fig. 2b eine geschnittene Seitenansicht des Käfigs, und

Fig. 2c eine Draufsicht des Käfigs.

Der in den Figuren 1a bis 1d gezeigte Substratteller 1 einer nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen PVD-Vorrichtung weist einen Tragring 2 und eine Taumelscheibe 3 sowie einen Antrieb 4 für die Taumelscheibe 3 auf.

Der drehsymmetrische Tragring 2 weist eine Dicke 5 von 2 mm und einen

Durchmesser 6 von 230 mm auf, im Abstand 7 von 105 mm vom Mittelpunkt 8 befinden sich 32 Durchbrüche als Substrataufnahmen 9 mit einem

Durchmesser 10 von 15 mm. Der Tragring 2 weist eine zentrale

Durchgangsbohrung 11 mit einem Durchmesser 12 von 50 mm und zwei daran ansetzenden Taschen 13 mit einem Durchmesser 14 von 10 mm auf.

Die drehsymmetrische Taumelscheibe 3 weist eine Dicke 15 von 2 mm, einen Durchmesser 16 von 170 mm und 32 radial nach außen weisende

Substratstützen 17 sowie eine Durchgangsbohrung 18 mit einem Durchmesser 19 von 75 mm auf. Die Taumelscheibe 3 ist mit einer Stützscheibe 20 verbunden, die eine Exzenterbohrung 21 mit einem Durchmesser 22 von 39 mm und vier

Führungsbohrungen 23 mit einem Durchmesser 24 von 14 mm aufweist.

Jede Substratstütze 17 weist eine Länge 25 von 21 mm, eine Breite 26 von 5 mm auf und einen um 4 mm gekröpften und gerundeten Kopf 27 auf und bildet mit einer Substrataufnahme 9 im Tragring 2 einen Käfig 28 für ein sphärisches Substrat 29 - hier: Wälzlagerkugeln mit einem Durchmesser 30 von 12 mm.

Der Antrieb 4 weist eine kreisförmige Grundplatte 31 auf, in der ein Exzenter 32 drehbar gelagert ist und auf der vier Führungsbuchsen 33 und ein Stützbolzen 34 angebracht sind. Der Exzenter 32 weist einen Durchmesser 35 von 39 mm auf und ist gegenüber dem Mittelpunkt 8 um 3,5 mm verschoben.

Der Exzenter 32 und die Führungsbuchsen 33 des Antriebs 4 liegen in der Exzenterbohrung 21 und den Führungsbohrungen 23 der Stützscheibe 20 an und übertragen so eine Rotation des Exzenters 32 um eine Hochachse 36 des Substrattellers 1 auf die Taumelscheibe 3. Der Tragring 2 ist durch die in den Taschen 13 anliegenden Stützbolzen 34 mit der Grundplatte 31 um die

Hochachse 36 verdrehfest verbunden.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschreibt die Taumelscheibe 3 mit den Substratstützen 17 eine Kreisbahn 37 mit einem Durchmesser 38 von 7 mm in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Hochachse 36. Die Substrate 29 rollen auf einer linienförmigen Kontaktkante 39 am Kopf 27 der Substratstütze 17 ab.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Substrate 29 in den

Substrataufnahmen 9 vereinzelt. Die Substratteller 1 sind auf einem nicht dargestellten Tisch übereinander gestapelt und rotieren um eine Tellerachse. Die Vorrichtung weist einen Durchmesser von 150 cm auf und fasst 18 Tische auf einem Kammerboden zusammen. Die Tische werden von einem gemeinsamen zentralen Antrieb des Kammerbodens über ein Antriebsrad angetrieben.

In den Figuren sind

1 Substratteller

2 Tragring

3 Taumelscheibe

4 Antrieb

5 Dicke Durchmesser

Abstand

Mittelpunkt

Substrataufnahme

Durchmesser

Durchgangsbohrung

Durchmesser

Tasche

Durchmesser

Dicke

Durchmesser

Substratstütze

Durchgangsbohrung

Durchmesser

Stützscheibe

Exzenterbohrung

Durchmesser

Führungsbohrung

Durchmesser

Länge

Breite

Kopf

Käfig

Substrat

Durchmesser

Grundplatte

Exzenter

Führungsbuchse

Stützbolzen

Durchmesser

Hochachse Kreisbahn Durchmesser Kontaktkante