DE4401718C1

DE4401718C1 - Method and appts. for treatment of workpieces in a vacuum atmosphere

Info

Publication number: DE4401718C1
Application number: DE19944401718
Authority: DE
Inventors: Hans-Harald Dr Ing Halling; Helmut Kleinz
Original assignee: Anke & Co KG GmbH
Current assignee: Anke & Co KG GmbH
Priority date: 1994-01-21
Filing date: 1994-01-21
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2014-01-22

Abstract

The method concerns treatment (in particular, PVD coating) of workpiece surfaces, and involves use of a vacuum chamber (I) which is provided with a buffer chamber (10) having a volume at least comparable with that of the vacuum chamber. The buffer chamber - which is continuously evacuated by means of a vacuum pump (2) - is connected to the vacuum chamber (after closure of the latter) for pressure equalisation. The vacuum chamber has at least one open side which is placed against the workpiece (3) in such a way that closed and sealed chamber volume is formed and subsequently evacuated by the pump (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken in einer Va kuumatmosphäre, insbesondere zur PVD-Beschichtung von Werkstück-Oberflächen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for machining workpieces in a Va vacuum atmosphere, especially for PVD coating of workpiece surfaces, with the features of the preamble of claim 1 and a device for Implementation of such a procedure.

Die Bearbeitung von Werkstücken in einer Vakuumatmosphäre kann unter ganz un terschiedlichen Randbedingungen erfolgen. Das vorliegende Verfahren befaßt sich konkret mit der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase, der sogenannten PVD-Beschichtung (physical vapor deposition) von Werkstück-Oberflächen, ist aber auch auf andere Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken anwendbar, die eine Vakuumatmosphäre erfordern. Vakuumatmosphäre als Definition ist natürlich immer hinsichtlich des konkret realisierbaren Restdruckes von dem speziellen Bearbei tungsverfahren abhängig, im Bereich der PVD-Beschichtung handelt es sich um den Bereich des Feinvakuums (unter 10 mbar) bzw. des Hochvakuums (beispielsweise etwa 0,01 mbar). Der Begriff der "Vakuumatmosphäre" in dieser Anmeldung ist also entsprechend zu verstehen.The processing of workpieces in a vacuum atmosphere can be quite un different boundary conditions. The present procedure deals with specifically with the physical separation from the gas phase, the so-called PVD coating (physical vapor deposition) of workpiece surfaces, however also applicable to other methods of machining workpieces, the one Require vacuum atmosphere. Vacuum atmosphere as a definition is of course always with regard to the actually realizable residual pressure from the special machining depending on the processing method used, in the area of PVD coating Range of fine vacuum (below 10 mbar) or high vacuum (for example about 0.01 mbar). The term "vacuum atmosphere" in this application is therefore to understand accordingly.

Um beim Verfahren der PVD-Beschichtung zu bleiben, ist zunächst darauf hinzuwei sen, daß nach diesem Beschichtungsverfahren im Vakuum durch physikalische Ver fahren Dampf erzeugt wird, der sich dann auf der zu beschichtenden Werkstück- Oberfläche, des sogenannten Substrats, niederschlägt. Nach Art der Dampfquelle und der Befestigung des Substrats unterscheidet man das Aufdampfen, das Sputtern und das Ionenplatieren, wobei für die Zukunft sicherlich weitere PVD-Beschichtungsver fahren entwickelt werden. Ausführlichere Informationen zu den Verfahren der PVD- Beschichtung finden sich im "Lexikon Werkstofftechnik" VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991, Seiten 5 ff. Wesentlich ist, daß man mit einer Vakuumkammer für das Werk stück arbeitet, die nach dem Beschicken zum Bearbeiten des Werkstückes evakuiert wird.In order to stick to the process of PVD coating, it should first be pointed out sen that after this coating process in vacuum by physical Ver drive steam is generated, which is then on the workpiece to be coated Surface, the so-called substrate. By type of steam source and the attachment of the substrate is differentiated by vapor deposition, sputtering and ion plating, with further PVD coating processes for the future driving to be developed. More detailed information on the procedures of PVD Coating can be found in the "Lexikon Werkstofftechnik" VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991, pages 5 ff. It is essential that one with a vacuum chamber for the plant piece works, which evacuates after loading to process the workpiece becomes.

Frühere Vorrichtungen der in Rede stehenden Art hatten Chargenzeiten von mehre ren Stunden, von denen der überwiegende Teil häufig bis 75% nur für das Erreichen eines ausreichenden Vakuums in der Vakuumkammer benötigt wurde. Earlier devices of the type in question had batch times of several hours, the vast majority of which are often up to 75% just for reaching sufficient vacuum was needed in the vacuum chamber.

Bei einer hinsichtlich der Chargenzeit erheblich verbesserten Vorrichtung (DE-B-1 446 262) läßt sich der Druck in der Vakuumkammer nach deren Schließen schlagar tig herabsetzen, in dem parallel zur Vakuumkammer eine Pufferkammer eingesetzt ist, die während des Beschickens oder anderweitigen Offenstehens der Vakuumkammer auf Vakuum gehalten wird. Natürlich muß die Evakuierungspumpe nach dem Druck ausgleich zwischen den Kammern weiter den Druck in der Vakuumkammer herabset zen, bis die für die Bearbeitung erforderliche Vakuumatmosphäre erreicht wird, ein Großteil der bislang nötigen Pumpzeit wird aber eingespart, nämlich in den Zeitraum parallel zum Beschicken oder anderweitigen Offenstehen der Vakuumkammer verla gert. Theoretisch kann man dabei mit zwei Evakuierungspumpen (bzw. Pumpensy stemen) arbeiten, nämlich sowohl der Vakuumkammer als auch der Pufferkammer eine eigene Evakuierungspumpe zuordnen, dort wird aber mit nur einer Evakuierungs pumpe bzw. einem entsprechenden Pumpensystem sowie einem Umschaltventil gear beitet.In the case of a device which is considerably improved with regard to the batch time (DE-B-1 446 262) the pressure in the vacuum chamber can be hit after closing tig lower by inserting a buffer chamber parallel to the vacuum chamber, those during loading or otherwise opening of the vacuum chamber is kept at vacuum. Of course, the evacuation pump needs to be pressurized equalization between the chambers further reduces the pressure in the vacuum chamber until the vacuum atmosphere required for processing is reached Much of the pumping time previously required is saved, namely in the period leave parallel to loading or otherwise open the vacuum chamber device. In theory, you can use two evacuation pumps (or Pumpensy stemen) work, namely both the vacuum chamber and the buffer chamber Assign your own evacuation pump, but there is only one evacuation pump or a corresponding pump system and a changeover valve gear works.

Bei der bekannten Vorrichtung mit Vakuumkammer und Pufferkammer sind Vakuum kammer und Pufferkammer etwa gleich groß, weil man Werkstücke unterschiedlicher Größe in der Vakuumkammer beschichten möchte. Damit sind die Chargenzeiten in bestimmter Größe vorgegeben.In the known device with vacuum chamber and buffer chamber are vacuum chamber and buffer chamber are approximately the same size because workpieces are different Want to coat size in the vacuum chamber. So the batch times are in predetermined size.

Soll von einer Werkstück-Oberfläche nur ein relativ geringer Abschnitt beschichtet werden, so kann man zwar den Materialverbrauch an Beschichtungsmittel dadurch minimieren, daß man das Substrat als Einsatzteil des Gesamt-Werkstückes realisiert und nur das Einsatzteil in der Vakuumatmosphäre beschichtet, an der Chargenzeit der vorgegebenen Vorrichtung ändert das aber nichts. Außerdem ist es häufig vom Werk stück her nicht möglich, ein separiertes Einsatzteil vorzusehen.If only a relatively small section of a workpiece surface is to be coated , you can reduce the material consumption of coating agents minimize that you realize the substrate as an insert part of the entire workpiece and only coated the insert in the vacuum atmosphere at the batch time of the given device does not change anything. It is also often from the factory piece not possible to provide a separate insert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte, zuvor erläuterte Verfahren hinsichtlich der Chargenzeit weiter zu verbessern für den Anwendungsfall, daß nur ein Abschnitt einer Werkstück-Oberfläche beschichtet werden muß. Gegenstand der Erfindung ist auch eine entsprechende Vorrichtung. The invention is based on the object, the known, previously explained method to further improve the batch time for the use case that only a portion of a workpiece surface needs to be coated. Subject of The invention is also a corresponding device.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Ober begriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von An spruch 1 gelöst. Anspruch 2 beschreibt eine entsprechende Vorrichtung.The task outlined above is for a method with the features of the waiter concept of claim 1 by the features of the characterizing part of An spell 1 solved. Claim 2 describes a corresponding device.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß man zur Bearbeitung großer Werkstücke, die nur in relativ kleinen Bereichen, z. B. an einem Lagersitz, be arbeitet, insbesondere PVD-beschichtet werden müssen, mit einer Vakuumkammer kleinen Kammervolumens arbeitet, die an das Werkstück abdichtend angesetzt wird. Man muß dann nur dieses begrenzte Kammervolumen evakuieren, was für diesen Fall die Chargenzeit erheblich verkürzt, von Energieeinsparnis etc. gänzlich abgesehen. Dieses Verfahren kann man natürlich auch nur bei Werkstücken entsprechender Formgebung einsetzen, es stellt aber eine vorteilhafte, eine Chargenzeit realisierende Möglichkeit dann dar, wenn beispielsweise Einsatzteile nicht separiert werden kön nen.With the method according to the invention it is provided that one for processing large workpieces that are only used in relatively small areas, e.g. B. at a camp seat, be works, especially PVD-coated, with a vacuum chamber small chamber volume works, which is sealingly attached to the workpiece. You only have to evacuate this limited chamber volume, which is the case the batch time is significantly reduced, aside from energy savings etc. Of course, this method can only be used with corresponding workpieces Use shaping, but it provides an advantageous batch time This is possible if, for example, insert parts cannot be separated nen.

Natürlich ist es so, daß die Druckherabsetzung beim Verbinden der Pufferkammer mit der Vakuumkammer desto größer ist, je größer das Kammervolumen der Pufferkammer ist. Im hier angegebenen Verfahren, bei dem die Vakuumkammer regelmäßig ein be sonders geringes Kammervolumen haben kann, läßt sich hier ein beachtliches Ver hältnis der Kammervolumina realisieren, so daß schon nach dem Druckausgleich zwi schen den Kammern ein sehr gutes Vakuum zur Verfügung steht.Of course it is the case that the pressure drop when connecting the buffer chamber with The larger the chamber volume of the buffer chamber, the larger the vacuum chamber is. In the procedure given here, in which the vacuum chamber is regularly a be can have a particularly small chamber volume, a considerable Ver Realize ratio of the chamber volumes, so that even after pressure equalization between a very good vacuum is available between the chambers.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung darf auf die Ansprüche 2 und 3 verwiesen werden. Im übrigen wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er läutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.With regard to the device according to the invention, claims 2 and 3 may be used to get expelled. Otherwise, the invention with reference to the drawing he purifies. In the drawing, the single figure shows a schematic representation of a Embodiment of the invention.

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Be arbeitung von Werkstücken in einer Vakuumatmosphäre, hier nämlich zur PVD-Be schichtung nach dem Verfahren des Aufdampfens. Man erkennt zunächst die Vaku umkammer 1, häufig auch als Vakuumrezipient bezeichnet, die an eine Evakuierungs pumpe 2 angeschlossen ist. Bei der Evakuierungspumpe 2 kann es sich auch um ein Pumpsystem handeln, was insbesondere dann stets der Fall sein wird, wenn man im Hochvakuum arbeitet, da man dann unterschiedliche Typen von Pumpen für die un terschiedlichen Vakuumbereiche einsetzen muß.The single figure shows an apparatus for performing a method for machining workpieces in a vacuum atmosphere, namely here for PVD coating after the method of vapor deposition. One can first see the vacuum umkammer 1 , often referred to as a vacuum recipient, which is connected to an evacuation pump 2 . The evacuation pump 2 can also be a pump system, which will always be the case in particular when working in a high vacuum, since different types of pumps must then be used for the different vacuum areas.

Im einzelnen erkennt man das Werkstück 3, dessen Oberfläche hier PVD-beschichtet werden soll. Im Kammervolumen der Vakuumkammer 1 soll ein Druck geringer als 10 mbar herrschen, dazu ist die Evakuierungspumpe 2 über eine Flanschverbindung 4 und ein Rohrleitungssystem 5 sowie eine Ventilanordnung 6 mit der Vakuumkammer 1 verbunden. In der Vakuumkammer 1 erkennt man eine Probe des Beschichtungsma terials 7 und einen beheizten Tiegel 8 zur Erzeugung der Energie zur Verdampfung mit dazugehörender Energieversorgung 9.The workpiece 3 can be seen in detail, the surface of which is to be PVD coated here. A pressure of less than 10 mbar should prevail in the chamber volume of the vacuum chamber 1 , for this purpose the evacuation pump 2 is connected to the vacuum chamber 1 via a flange connection 4 and a pipe system 5 and a valve arrangement 6 . In the vacuum chamber 1 one can see a sample of the coating material 7 and a heated crucible 8 for generating the energy for evaporation with the associated energy supply 9 .

Links von der Vakuumkammer 1 befindet sich eine ein erheblich größeres Kammervo lumen als die Vakuumkammer 1 aufweisende Pufferkammer 10, die mit der Vakuum kammer 1 über eine Druckausgleichsverbindung 11 mit einem Ventil 12 verbunden ist.Is to the left of the vacuum chamber 1, a considerably larger volume than the Kammervo vacuum chamber 1 having the buffer chamber 10 which is connected to the vacuum chamber 1 via a pressure equalization line 11 having a valve 12th

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Evakuierungspumpe 2, wie jedenfalls für den Zeitraum der Öffnung der Vakuumkammer 1 erforderlich, an die Pufferkammer 10 angeschlossen. Wäre das stets der Fall, so müßte die Vakuumkammer 1 nach Herstel lung des Druckausgleichs zwischen den Kammern 1, 10 stets über die Pufferkammer 10 weiter evakuiert und auf das gewünschte Vakuum gebracht werden. Damit wäre dann zwar anschließend gleichzeitig auch die Pufferkammer 10 auf dem gewünschten niedrigen Druck, die Chargenzeit wäre aber unnötig hoch. Deshalb ist das darge stellte Ausführungsbeispiel mit der weiter oben schon erwähnten Ventilanordnung 6 versehen, über die die Evakuierungspumpe 2 sowohl mit der Pufferkammer 10 als auch mit der Vakuumkammer 1 verbindbar ist. Dann kann realisiert werden, daß man unmittelbar nach dem Erreichen des Druckausgleichs zwischen den Kammern 1, 10 die Verbindung der beiden Kammern wieder aufhebt und die Evakuierungspumpe 2 auf die Vakuumkammer 1 zurückschaltet, so daß während dieser Phase nur das Kam mervolumen der Vakuumkammer 1 evakuiert zu werden braucht, was natürlich we sentlich schneller geht. Erst vor dem erneuten Öffnen der Vakuumkammer 1 nach Durchführung der Bearbeitung des Werkstückes 3 wird die Evakuierungspumpe 2 mittels der Ventilanordnung 6 wieder auf die Pufferkammer 10 zurückgeschaltet und setzt dort die Evakuierung während des Beschickens der Vakuumkammer 1 mit einer neuen Charge fort. In the exemplary embodiment shown, the evacuation pump 2 is connected to the buffer chamber 10 , as is necessary in any case for the period in which the vacuum chamber 1 is opened. If the always the case, should the vacuum chamber 1 by herstel development of pressure equalization between the chambers 1, 10 are always further evacuated through the buffer chamber 10 and brought to the desired vacuum. Then the buffer chamber 10 would then also be at the desired low pressure at the same time, but the batch time would be unnecessarily long. Therefore, the Darge presented embodiment is provided with the valve arrangement 6 already mentioned above, via which the evacuation pump 2 can be connected both to the buffer chamber 10 and to the vacuum chamber 1 . Then it can be realized that one cancels immediately after reaching the pressure equalization between the chambers 1, 10 connecting the two chambers again, the evacuation pump 2 switches back to the vacuum chamber 1, so that during this phase only the Kam chamber volume of the vacuum chamber 1 evacuated to what is of course much faster. Only before the vacuum chamber 1 is reopened after the machining of the workpiece 3 has been carried out is the evacuation pump 2 switched back to the buffer chamber 10 by means of the valve arrangement 6 and there continues the evacuation while loading the vacuum chamber 1 with a new batch.

Das besondere an dem Ausführungsbeispiel besteht nun darin, daß die Vakuumkam mer 1 zumindest an einer Seite offen und mit der offenen Seite abdichtend an ein Werkstück so angesetzt ist, daß ein abgeschlossenes Kammervolumen entsteht, das nur einen interessierenden Oberflächenabschnitt des Werkstückes 3 abdeckt. Man erkennt hier an der offenen Seite der Vakuumkammer 1 eine umlaufende Dichtung 13, die nur prinzipiell die Tatsache der Abdichtung an dieser Fläche darstellen soll. Weiter erkennt man, daß das Kammervolumen dieser Vakuumkammer 1 sehr gering ist, näm lich gerade nur auf den interessierenden Oberflächenabschnitt des Werkstückes 3 und die physikalischen Voraussetzungen hier des PVD-Verfahrens Rücksicht zu nehmen braucht. Die Chargenzeit wird schon wegen des geringen Kammervolumens der Vakuumkammer 1 hier sehr niedrig liegen. Ganz besonders interessant ist das mit der dargestellten Vorrichtung mit der Pufferkammer 10.The special thing about the embodiment now is that the vacuum chamber 1 is open at least on one side and with the open side sealingly attached to a workpiece in such a way that a closed chamber volume is created which only covers a surface section of the workpiece 3 of interest. One can see here on the open side of the vacuum chamber 1 a circumferential seal 13 , which is only supposed to represent in principle the fact of the sealing on this surface. It can also be seen that the chamber volume of this vacuum chamber 1 is very small, namely only needs to take account of the surface section of the workpiece 3 of interest and the physical requirements here of the PVD method. The batch time will be very low here because of the small chamber volume of the vacuum chamber 1 . This is particularly interesting with the device shown with the buffer chamber 10 .

Das Verfahren für die dargestellte Vorrichtung ist im allgemeinen Teil der Beschrei bung ausführlich beschrieben worden, darauf darf verwiesen werden.The procedure for the device shown is generally part of the description exercise has been described in detail, may be referred to.

Claims

1. Process for machining workpieces in a vacuum atmosphere, in particular for PVD coating of workpiece surfaces, with a vacuum chamber for the workpiece, which is evacuated after loading for machining the workpiece, the vacuum chamber being an at least one with the chamber volume men the buffer chamber having comparable chamber volume is assigned, continuously in the buffer chamber, i.e. even during loading or other opening of the vacuum chamber by continuous evacuation by means of an evacuation pump, a vacuum atmosphere is maintained and after closing the vacuum chamber it is connected to the buffer chamber and an immediate pressure compensation is brought about between the chambers, characterized in that the vacuum chamber is open at least on one side and is sealingly attached to a workpiece with the open side, so that a closed chamber volume is created which is only of interest enden surface section of the workpiece and that only this limited chamber volume is evacuated after attachment.

2. Device for machining workpieces in a vacuum atmosphere, in particular for PVD coating of workpiece surfaces, and for carrying out a method according to claim 1, with a vacuum chamber ( 1 ) which can be opened and re-sealed and loaded with a workpiece an evacuation pump ( 2 ) which can be connected to it, in addition to the vacuum chamber ( 1 ) a buffer chamber ( 10 ) having at least a chamber volume comparable to the chamber volume of the vacuum chamber ( 1 ) and provided with the vacuum chamber ( 1 ) via a pressure compensation connection ( 11 ) is connected with a valve, characterized in that the vacuum chamber ( 1 ) is open at least on one side and can be sealingly attached to a workpiece ( 3 ) with the open side, so that a closed chamber volume of the vacuum chamber ( 1 ) is formed, which only covers a surface section of the workpiece ( 3 ) of interest and that nac h when the open side of the vacuum chamber ( 1 ) is attached to the workpiece ( 3 ), the vacuum chamber ( 1 ) thus closed is evacuated.

3. Device according to the preceding claim, characterized in that the evacuation pump ( 2 ) is constructed in several stages, that is, it leads out as a pump system.