PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004047938B4 23.10.2008
Titel Vorrichtung für die Verdampferbeschichtung eines bandförmigen Substrates
Anmelder Leybold Optics GmbH, 63755 Alzenau, DE
Erfinder Braun, Uwe, Dipl.-Ing., 63755 Alzenau, DE
Vertreter Reinhardt & Pohlmann Partnerschaft, 60311 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 01.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004047938
Offenlegungstag 13.04.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.10.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.10.2008
IPC-Hauptklasse B05C 9/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Substrate werden aus den verschiedensten Gründen mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung versehen. Ein Grund für die Beschichtung von Substraten besteht darin, die Oberfläche eines Körpers, der aus einem relativ weichen Material besteht, mit einem harten Belag zu versehen. Beispiele hierfür sind Kunststoff-Brillengläser, die mit einer SiO2-Schicht, oder Werkzeuge, die mit einer Nitrid-Schicht versehen werden. Andere Beschichtungen dienen dazu, bestimmte Lichtwellenlängen durchzulassen oder zu reflektieren. Solche Beschichtungen kommen bei Architekturglas zur Anwendung. Beschichtungen können auch dazu dienen, Kunststoffbehälter gasundurchlässig zu machen. Des weiteren werden oft Kunststofffolien mit einer metallischen Beschichtung versehen, um sie beispielsweise als gasdichtes Verpackungsmaterial verwenden zu können.

Die Beschichtung der Substrate kann durch Sputtern, Verdampfen oder andere Beschichtungsmethoden erfolgen. Das Verdampfen kann mittels Elektronenstrahlen durchgeführt werden, die auf das zu verdampfende Material treffen. Es ist aber auch möglich, Material in einem Tiegel oder auf einer erhitzten Oberfläche zu verdampfen. Bei der erhitzten Oberfläche kann es sich um ein induktiv oder durch Stromfluss erhitztes so genanntes Verdampferschiffchen handeln.

Um eine Legierungsbildung zwischen dem zu verdampfenden Material und einer aufgeheizten Verdampferoberfläche zu verhindern, ist es bekannt, den Schmelzpunkt des Verdampfers oberhalb des Verdampfungspunkts des zu verdampfenden Materials zu legen (GB 360 826).

Es ist auch eine Vorrichtung zur laufenden Bedampfung endloser Gebilde, wie Bändern, Fäden und dergleichen mittels vorzugsweise hoch siedender Metalle bekannt, wobei die Metalle in einem als Behälter ausgebildeten, durch einen Heizstrom durchflossenen Verdampfer aus Kohle, Graphit oder einem Halbleiter erwärmt werden (DE 765 487 C).

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung der gleichen Gattung ist der Verdampferquerschnitt zwischen verschiedenen Verdampfer-Kammern geschwächt (DE 970 246 C). Mit einer Ausführungsform dieser Vorrichtung (vgl. 6) wird erreicht, dass ein Band, das über die Kammern geführt wird, keine Streifen größerer oder geringerer Schichtstärke ausbildet. Hierzu werden zwei Reihen von Verdampfer-Kammern parallel zueinander vorgesehen, wobei die Kammern, von der Seite gesehen, einander angrenzend oder überlappend angeordnet sind. Die Verdampferkammern sind dabei Ausnehmungen in dem Verdampfer und werden nicht einzeln mit Strom beaufschlagt. Vielmehr liegt der gesamte Verdampfer an Spannung.

Außerdem ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bedampfung von bandförmigen Substraten bekamt, bei welcher als Verdampfer eine Vielzahl von Verdampferschiffchen vorgesehen sind, die senkrecht zur Bandlaufrichtung angeordnet sind und die kontinuierlich bewegt und mit Quellenmaterial ergänzt werden (FR 2 052 433).

Des weiteren ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bedampfung von bandförmigen Substraten bekannt, bei der eine Vielzahl von Verdampferschiffchen mit gleichem Abstand zueinander und in Bandlaufrichtung angeordnet sind und die durch direkten Stromdurchgang beheizbar sind (JP 01 219 157 A. In: Patents Abstracts of Japan, C-660, 29.11.1989, Vol. 13/No.536).

Es ist auch eine Vorrichtung zur. laufenden Beschichtung von bandförmigen Substraten mit einer Vielzahl von Verdampferschiffchen bekannt, wobei die einzelnen Verdampferschiffchen jeweils zueinander versetzt angeordnet sind und alle Verdampferschiffchen gemeinsam eine schmale Beschichtungszone überdecken, die sich quer zur Bandlaufrichtung erstreckt (DE 40 27 034 C1 = EP 0 474 964 A2 = US 5 242 500 A.

Ferner ist eine Vorrichtung zum Beschichten einer sich bewegenden und flexiblen Folie bekannt, die ein Gehäuse sowie Mittel zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial in dem Gehäuse umfasst (GB 2 373 744 A). Die Mittel zum Verdampfen umfassen hierbei wenigstens ein Verdampferschiffchen sowie eine Vorrichtung zum Zuführen von zwei länglichen Elementen aus Beschichtungsmaterial auf das Verdampferschiffchen (GB 2 373 744 A).

Schließlich ist auch noch eine Vakuum-Verdampfungsvorrichtung zum Metallisieren von streifenförmigen Substraten bekannt, die mehrere Verdampferquellen aufweist, welche erhitzt und mit einem zu verdampfenden Metall versorgt werden (WO 03/004 720 A1). Diese Vorrichtung weist Mittel auf, welche das Substrat über die Verdampferquelle bewegen sowie Mittel, welche den Verdampferquellen einen Metalldraht zuführen. Jede der Verdampferquellen weist hierbei zwei Vertiefungen auf, die zueinander in der Richtung ausgerichtet sind, in welche sich das Substrat bewegt, und jede der beiden Vertiefungen wird mit einem zugeordneten Metalldraht versorgt.

Ferner ist aus der DE 44 04 550 C2 eine Anordnung zur Regelung der Verdampferrate von Tiegeln, die durch Stromdurchfluss erhitzt werden und aus denen Metal verdampft wird bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gegenseitige Wechselwirkung von verschiedenen Verdampferquellen zu verkleinern und damit die Gleichmäßigkeit der Bandbeschichtung zu verbessern. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass der gesamte Verdampferblock verkleinert werden kann, weil mehr Verdampferschiffchen auf dieselbe Bandlauflänge passen. Dies gilt in hohem Maß dann, wenn die Stromzufuhr von der Unterseite der Verdampferschiffchen erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer Vakuum-Verdampfer-Anlage;

2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1;

3 ein Verdampferschiffchen in einer ersten Seitenansicht;

4 das Verdampferschiffchen der 3 in einer zweiten Seitenansicht;

5 ein vereinzeltes Verdampferschiffchen aus der Anlage gemäß 2;

6 zwei benachbarte Verdampferschiffchen in der Anlage gemäß 2;

7 eine erfindungsgemäße Anordnung von Verdampferschiffchen;

8 die Simulation eines Verdampferschiffchens durch zwei Punktquellen;

9 eine graphische Darstellung der Schichtdickenverteilung einer Punktquelle auf einer beschichteten Folie;

10 eine graphische Darstellung der Schichtdickenverteilung einer Linienquelle.

Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vakuumkammer 1, in der sich eine Beschichtungsanlage 2 befindet. Diese Beschichtungsanlage 2 weist ein Abwickel-Rolle 3, eine Aufwickel-Rolle 4 sowie eine Beschichtungstrommel 5 auf. Die Ab- und Aufwickelrollen 3, 4 sind in Ständern 6, 7 gelagert. Der entsprechende Ständer der Beschichtungs-Trommel 5 ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Abwickel-Rolle 3 besteht aus einer aufgewickelten Folie 8, die zur Aufwickel-Rolle 4 hin abgewickelt wird, wobei sie sich an die Unterseite der Beschichtungs-Trommel 5 angeschmiegt. Unterhalb der Beschichtungstrommel 5 erkennt man zwei Verdampferschiffchen 9, 10, die auf einem Tisch 11 angeordnet sind. Seitlich neben den Verdampferschiffchen 9, 10 befinden sich Drahtspender 12, 13, die z. B. Aluminiumdrähte 14, 15 kontinuierlich auf die Oberfläche der Verdampferschiffchen 9, 10 schieben. Da die Verdampferschiffchen 9, 10 beispielsweise durch einen durch sie fließenden Strom aufgeheizt werden, verdampfen die Enden der Aluminiumdrähte 14, 15 und das verdampfte Metall schlägt sich auf der nach unten gerichteten Seite der Folie 8 nieder. Die Verdampferschiffchen 9, 10 können auf Ihrer Oberseite mit einer Vertiefung versehen sein. Es gibt jedoch auch Keramik-Verdampferschiffchen mit einer ebenen Oberfläche.

Die 2 zeigt eine perspektivische Ausschnittvergrößerung aus der 1. Man erkennt hierbei, dass mehrere Verdampferschiffchen 9, 10, 16 bis 23 versetzt zueinander und mit ihrer Längsachse in Richtung der Bewegung der Folie 8 angeordnet sind. Diese versetzte Anordnung der Verdampferschiffchen 9, 10, 16 bis 23 ist aus der DE 40 27 034 C1 bekannt. Man erkennt auch, dass pro Verdampferschiffchen 9, 10, 16, bis 23 jeweils ein Aluminiumdraht 14, 15, 24 bis 31 vorgesehen ist, der durch die nicht näher dargestellten Drahtspender 12, 13 (1) nachgeschoben wird.

In der 3 ist das Verdampferschiffchen 10 in Alleinstellung und in einer Seitenansicht dargestellt, wobei die längere Seite 32 mit der Seitenlänge 1 zu sehen ist. Die kürzeren Seiten 33, 34 sind an eine Gleich- oder Wechselstrom-Spannungsquelle 35 angeschlossen. Aufgrund des durch das Verdampferschiffchen 10 fließenden Gleich- oder Wechselstroms erwärmt sich das Verdampferschiffchen 10 derart, dass die Spitze 36 des Aluminiumdrahts schmilzt. Das geschmolzene Aluminium verteilt sich über die ganze Oberfläche 37 des mit einer ebenen Oberfläche versehenen Verdampferschiffchens 10 und verdampft von dieser Oberfläche 37. Die sich hierdurch bildende Verdampferkeule oder -wolke 38 spreizt sich nach außen und schlägt sich auf der Folie 8 nieder. Sie würde sich mit zunehmendem Abstand zum Verdampferschiffchen weiter spreizen, wenn sie nicht durch die Folie 8 daran gehindert würde. Diese Folie 8 befindet sich in einem Abstand a von der Oberfläche es Verdampferschiffchens 10. Die Dichte der Teilchen, welche die Verdampferkeule oder -wolke 38 bilden, nimmt zu den Randzonen hin ab.

In der 4 ist das gleiche Verdampferschiffchen 10 wie in der 3 dargestellt, jedoch mit einer Draufsicht auf die kleinere Seite 34 mit der Breite b. Die Folie 8 bewegt sich hierbei in die Zeichenebene hinein oder aus dieser heraus. Auch hier nimmt die Teilchendichte nach den Randzonen hin ab.

Die 5 zeigt das gleiche Verdampferschiffchen 10 noch einmal in einer Ansicht von oben, d. h. in einer Ansicht von der Folie 8 auf das Verdampferschiffchen 10, wobei die Folienbewegung durch einen Pfeil 39 angedeutet ist. Man erkennt hierbei, dass die Verdampfungswolke 38 in der Höhe der Folie 8 eine etwa elliptische Form annimmt. Ordnet man mehrere Verdampferschiffchen in der Weise an, wie es die 1 der DE 40 27 034 C1 zeigt, d. h. parallel zueinander und nicht versetzt, dann überlappen sich die benachbarten Verdampfungswolken oder -keulen 38, wodurch sich eine ungleichmäßige Beschichtung auf dem Substrat 8 ergibt.

Werden die Verdampferschiffchen 9, 10 dagegen in der Weise angeordnet, wie es die DE 40 27 034 C1 (2) lehrt, so ergeben sich Verdampfungswolken 38, wie sie die 6zeigt, d. h. die Verdampfungswolken können hierbei ebenfalls einen Überlappungsbereich 42 besitzen. Dieser Schnitt- oder Überlappungsbereich 42 erzeugt Streifen auf der Folie 8, weil die Folie 8 in diesem Bereich etwa mit der doppelten Menge von Verdampfungsmaterial beaufschlagt wird. Allerdings ist die Teilchendichte in den Randbereichen – wie bereits erwähnt – geringer als in den Zentralbereichen, so dass eine Verdoppelung der Menge des Verdampfermaterials nicht auftreten muss.

In der 7 ist eine erfindungsmäßige Anordnung von vier Verdampferschiffchen 50 bis 53 dargestellt, wobei zwei dieser Verdampferschiffchen – die Verdampferschiffchen 50 und 51 – auf einer ersten Geraden 54 liegen, die senkrecht zur Laufrichtung der Folie 8 verläuft. In einem Abstand x von der Geraden 54 und in Laufrichtung der Folie 8 verläuft eine zweite Gerade 55 parallel zur Geraden 54, auf der die beiden anderen Verdampferschiffchen 52, 53 angeordnet sind.

Die Ränder 56, 57, 58, 59 der Verdampferkeulen 60 bis 63 in Höhe der Folie 8 überschneiden sich hierbei im statischen Zustand, d. h. bei nicht bewegter Folie 8 nicht. Die Verdampferschiffchen 50, 52 auf der ersten Geraden 54 weisen mit den Verdampferschiffchen 52, 53 auf der zweiten Geraden 55 in horizontaler Richtung einen Überlappungsbereich y auf. Dieser Überlappungsbereich y ist so gewählt, dass im dynamischen Betrieb die durch die Randbereiche der Verdampferkeulen 60, 61 erzeugte geringere Beschichtung der Folie 8 durch die Randbereiche der nachfolgenden Verdampferkeulen 62, 63 so ausgeglichen wird, dass die Beschichtung der Beschichtung im zentralen Bereich der Verdampferkeulen 6069 entspricht.

Wie ein Vergleich der 2 und 7 zeigt, kann bei querliegenden Verdampferschiffchen der Abstand x klein gehalten werden. Die Werte für x, y und a werden so eingestellt, dass auf der Folie 8 eine gleichmäßige Verteilung der aufgedampften Teilchen entsteht. Diese Werte können durch Versuche ermittelt werden. Sind nur zwei Verdampferschiffchen 50, 51 auf einer Gerade 54 vorgesehen, wird der Abstand 12y zwischen ihnen festgelegt. Liegen die Verdampferschiffchen 50, 52 auf verschiedenen Geraden 54, 55, werden die Abstände x und y festgelegt.

In der 8 ist ein Verdampferschiffchen 50 durch gestrichelte Linien angedeutet. Um die Schichtdickenverteilung des von diesem Verdampferschiffchen 50 abgegebenen Material auf einer Folie berechnen zu können, wird das Verdampferschiffchen 50 durch zwei Punktquellen 70, 71 ersetzen, die symmetrisch zu einer gedachten Mittellinie 72 angeordnet sind. Die Abstände der Punktquellen 70, 71 zur Mittellinie 72 sind mit c bezeichnet, wobei in einer Modellrechnung als praktischer Wert für c ein Abstand von 25 mm eingesetzt werden kann. Nimmt man beispielsweise für den Abstand a von den Punktquellen 70, 71 zu dem Band 8 einen Wert von 180 mm an, so ergibt sich eine Schichtdickenverteilung, wie sie in der 9 dargestellt ist. Physikalisch ist diese Schichtdickenverteilung dadurch bedingt, dass sich bei einer Hochratenverdampfung die aufsteigende Dampfwolke bzw. Dampfkeule verbreitern, da hierbei sehr viele Atome die Oberfläche des Verdampfers 50 verlassen und dadurch die freie Weglänge der Atome sinkt. Als Folge hiervon kollidieren die Atome miteinander und verändern ihre Bewegungsrichtung in Räume, in denen eine freie Weglänge noch vorhanden ist, was in einer Verbreiterung der Dampfwolke bzw. Dampfkeule resultiert. Dieser Effekt tritt nicht nur bei einem Verdampferschiffchen 50 auf, sondern bei allen Verdampferschiffchen 5053, so dass in den Bereichen, wo sich die Verdampferkeulen zwischen den Verdampferschiffchen 5053 überlappen, Zentren hoher Dampfdichten entstehen können. Diese Zentren werden ab einer bestimmten Abdampfrate der Verdampferschiffchen 5053 sogar größer als die Bereiche direkt über den Verdampferschiffchen 5053. Auf dem Substrat 8 entstehen dann ungleichmäßige Beschichtungen. Man kann eine solche Überlappung der Dampfkeulen verhindern, wenn man die Abdampfrate so gering hält, dass die Dampfdichte benachbarter Dampfkeulen nie so groß wird, dass Zonen mit hohen Dampfdichten zwischen den Verdampferschiffchen 5053 entstehen, oder in dem man die Dampfkeulen geometrisch so anordnet, dass Zentren hoher Teilchendichte selbst beim Hochratenverdampfen nicht entstehen.

Als Verdampferschiffchen können solche mit glatter Oberfläche verwendet werden, die auf ihrer ganzen Oberfläche verdampfen. Es können aber auch Verdampferschiffchen mit Mulden zum Einsatz kommen. Entscheidend ist letztlich nicht die Geometrie der Verdampferschiffchen, sondern die Geometrie der Verdampferkeulen, d. h. die Geometrie der aktiven Verdampferzone auf dem Verdampferschiffchen.

Die 9 zeigt die Schichtdickenverteilung über einer Punktquelle bei 1 = d = 0. Im dargestellten Beispiel ist 1 = 200 mm, während d = 140 mm ist. Die Verteilung der Teilchendichte auf einen Substrat im Abstand von 180 mm von dem Verdampferschiffchen 50 ist mittels konzentrischer Ringe angedeutet.

Im äußeren Ring 75 beträgt die Schichtdicke 75% bei 80% des Sollwerts. Der nächste nach innen gerichtete Ring 76 weist eine Schichtdicke auf, die 80% bei 85% des Sollwerts beträgt, während der weitere nach innen gerichtete Ring 77 eine Schichtdicke von 85% bei 90% des Sollwerts aufweist.

Der nächste Ring 78 bezeichnet eine Schichtdicke von 90 § bei 95% des Sollwerts, während der inneren Kreis 79 auf eine Schichtdicke vo 95% bei 100% hinweist.

In der 10 ist die Schichtdickenverteilung über einer Linienquelle bei d = 0 gezeigt. Die Verteilung ist hierbei anders als bei einer Punktquelle, weil sich die auf der Linie gedachten Punktquellen gegenseitig beeinflussen. So entsteht ein Maximum bei d = 1 = 0. Mit von 1 = d = 0 wachsendem d ist der Abfall steil, weil keine benachbarten Schiffchen mehr zur Verfügung stehen. Bei d = 0 ist der Abfall mit wachsendem 1 nicht so stark, weil bei 1 = 10 mm noch weitere Punkt-Verdampferquellen vorhanden sind.

Der Bereich 80 hat eine Verteilung von 50%–55%, während der Bereich 81 eine Verteilung von 55%–60% besitzt. Die Bereiche 82 bis 90 weisen Verteilungen von 60%–65% bzw. 65%–70% bzw. 70%–75% bzw. 75%–80% bzw. 80%–85% bzw. 85%–90% bzw. 95%–100% auf.


Anspruch[de]
Vorrichtung für die Verdampferbeschichtung eines bandförmigen Substrates, das sich senkrecht zur Längsrichtung von wenigstens zwei Verdampferquellen bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem bandförmigen Substrat (8) und den Verdampferquellen (50, 51, 52, 53) und der Abstand zwischen den Verdampferquellen (50, 51, 52, 53) neben- oder hintereinander so gewählt ist, dass sich auf dem Substrat (8) eine gleichmäßige Verteilung von verdampftem Material ergibt. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Reihen von Verdampferquellen (50, 51; 52, 53) vorgesehen sind, die in Laufrichtung des bandförmigen Substrates (8) einen vorgebbaren Abstand x voneinander haben. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Reihe angeordneten Verdampferquellen (50, 51; 52, 53) senkrecht zur Laufrichtung des bandförmigen Substrates (8) einen vorgebbaren Abstand voneinander haben. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in einer ersten Reihe angeordneten Verdampferquellen (50, 51) mit den in einer zweiten Reihe angeordneten Verdampferquellen (52, 53) senkrecht zur Laufrichtung des bandförmigen Substrates gesehen in einem vorgebbaren Bereich (y) überlappen. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferquellen (5053) im Wesentlichen rechteckige Verdampferoberflächen besitzen, wobei die Längsachsen der Verdampferquellen (5053) senkrecht zur Laufrichtung des bandförmigen Substrates (8) ausgerichtet sind, wobei die auf einer ersten vorderen Linie (54) liegenden Verdampferquellen (50, 51) gegenüber den auf einer hierzu parallelen zweiten hinteren Linie (55) liegenden Verdampferquellen (52, 53) senkrecht zur Laufrichtung des bandförmigen Substrates (8) gesehen zueinander versetzt angeordnet sind, wobei der Versatz so gewählt ist, dass die auf der zweiten Linie (55) liegenden Verdampferquellen (52, 53) diejenigen Bereiche des Substrates (8) beschichten, die von den auf der ersten Linie (54) liegenden Verdampferquellen (50, 51) nicht beschichtet werden. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verdampferkeulen (5659) der angeordneten Verdampferquellen (5053) in der Ebene des bandförmigen Substrates (8) nicht überlappen. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verdampferkeulen (5659) der angeordneten Verdampferquellen (5053) in der Ebene des bandförmigen Substrates (8) überlappen. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferquellen (5053) Verdampferschiffchen sind. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferquellen (5053) Tiegel sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com