Verfahren und Einrichtung zum Bedampfen grosser bewegter Flächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bedampfen grosser bewegter Flächen, wie Bänder oder Platten aus Papier, Kunststoff, Glas oder metallische Werkstoffe im Vakuum.
Das Verdampfen von Materialien erfolgt bisher in der Art, dass das zu verdampfende Material mittels Elektronenstrahlen direkt oder durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung indirekt erhitzt wird. Der Verdampferkörper oder Verdampfungstiegel wird im letzteren Fall durch Stromdurchgang geheizt. Bei produktiven Anlagen kommt es darauf an, dass über lange Zeit stabile Bedampfungsbedingungen aufrecht erhalten werden. Dazu ist es erforderlich, dass eine störungsfreie Verdampfungsgutzufuhr gesichert ist und die Verdampferkörper hohe Standzeiten besitzen.
Bei Verwendung von Elektronenstrahlen zum Erhitzen des Materials finden wassergekühlte Kupfertiegel Anwendung. In den meisten Fällen werden jedoch für die Verdampferkörper Sondermaterialien verwendet, wie beispielsweise Oxyde, Boride und Metall-Keramik-Verbindungen. bei denen eine Änderung der Zusammensetzung nach der Verdampfungsfläche hin verwirklicht wird.
Für die Zufuhr des Verdampfungsgutes gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei Verwendung eines wassergekühlten Tiegels kann beispielsweise das Verdampfungsgut in Stangenform durch den Tiegel ohne Boden von unten zugeführt werden. Sehr verbreitet ist auch unabhängig von der Art der Heizung des Verdampfungskörpers die Zuführung des Verdampfungsgutes in Drahtform. Eine weitere Möglichkeit der Verdampfungsgutzufuhr besteht darin, dass es als Granulat eingesetzt und mittels eines Vibrationsförderers zugeführt wird.
An die meisten Anlagen wird die Forderung gestellt, möglichst homogene Schichten aufzudampfen. Um breite bewegte Flächen zu bedampfen, werden häufig eine Reihe gleichartiger Verdampfungseinrichtungen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bedampfungsgutes in gleichen Abständen nebeneinander angeordnet. Dabei ist für jeden Verdampfer eine getrennte Verdampfungsgutzufuhr erforderlich. Der Vorschub des Verdampfungsgutes, z.B. der Drähte, erfolgt der Einfachheit halber mit gleicher Geschwindigkeit durch einen zentralen Antrieb.
Der Draht wird dabei auf die Mitte der beheizten Verdampferkörper geführt. Bei den hohen Temperaturen des Verdampferkörpers, die grösser als die Schmelztemperaturen des jeweiligen Verdampfungsgutes sein müssen, und nicht zu grossem Drahtvorschub, bildet sich bei geeigneter Formgebung des Verdampferkörpers auf diesem ein Sumpf schmelzflüssigen Materials aus. Mit steigender Temperatur des Verdampferkörpers wird bei konstanter Verdampfungsgutzufuhr der Sumpf kleiner.
Bei genügend hohen Temperaturen tritt praktisch eine sofortige Verdampfung der momentan zugeführten Drahtmenge auf. Diese letztgenannte Verdampfungsart nennt man Flash-Verdampfung.
Die bekannten Verdampfungseinrichtungen haben alle den Nachteil, dass die Standzeit der Verdampferkörper sehr gering ist. Ausserdem ist die Anordnung von mehreren Einzelverdampfereinrichtungen beim Bedampfen breiter Bänder nachteilig, da die geforderte gleichmässige Schichtdicke, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bandes nicht den Anforderungen entspricht. Ferner ist die Bedampfungsrate für viele Zwecke noch zu gering.
Bei einem punktförmigen Verdampfer und einer ebenen Fläche. die über dem Verdampfer geführt wird, ist die Schichtdicke auf dieser Fläche proportional cos wobei mp der Winkel zwischen der Flächennormale und der Verbindungslinie Aufpunkt-Dampfquelle ist. Auch bei Verwendung eines linienhaften Verdampferkörpers mit konstanter Dampfdichte in Richtung dieser Linie wird, wenn beispielsweise die Länge des Verdampferkörpers etwa gleich der Breite der zu bedampfenden Fläche ist, auf dieser Fläche eine unterschiedliche Schichtdicke über die Flächenbreite erzeugt, und zwar derart, dass die Schichtdicke nach den Rändern hin abfällt. Der gleiche nachteilige Effekt tritt auch auf, wenn eine Reihe punktförmiger Verdampfer mit gleichem Abstand und gleicher Ergiebigkeit unter der zu bedampfenden Fläche und senkrecht zu deren Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
Ein weiterer Mangel besteht bei den Verdampferkörpern, die mittels Strom durchgang erhitzt werden, indem der mittlere Teil durch das fortwährende Auftreten des Verdampfungsdrahtes auf ein und dieselbe Stelle nach relativ kurzer Zeit zerstört wird.
Die Erfindung hat den Zweck, die Mängel am Stand der Technik zu vermeiden und die Gebrauchsdauer der Verdampferkörper zu verlängern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, die Bedampfungsrate zu erhöhen und mit geringem apparativen Aufwand eine sehr gleichmässige Schichtdicke und homogene Schicht über grossen Breiten des Bedampfungsgutes zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe mit einer bekannten Verdampfungseinrichtung, bestehend aus einem oder mehreren durch Stromdurchgang, induktive Erwärmung od. Elektronenbombardement erhitzten Verdamp ferkörper, über welche das Bedampfungsgut geführt wird, und einer zu jedem Verdampferkörper zugeordneten Verdampfungsgut-Vorschubeinrichtung, dadurch gelöst, dass das drahtförmige Verdampfungsgut programmiert mit gleicher oder variabler Geschwindigkeit auf der Verdampferfläche senkrecht, oder senkrecht und parallel zur Bewegungsrichtung des Bedampfungsgutes bewegt wird.
Es versteht sich, dass die Bewegungsgeschwindigkeit und der Auftreffort des Verdampfungsgutes auf dem Verdampfer zweckmässig so gewählt werden, dass eine gleichmässige Schichtdicke und eine homogene Schicht erzielt wird, wobei die Verdampfungsrate durch die zeitliche und örtliche Anpassung des Verdampfungsgutes dieser Forderung angepasst ist. Es ist auch möglich, die Vorschubgeschwindigkeit des Verdampfungsgutes dieser Bewegung anzupassen, um das Ergebnis weiter zu verbessern. Dabei kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Verdampfungsgutes auf dem Verdampfer konstant bleiben.
Bei mehreren getrennten Verdampferkörpern ist es zweckmässig, wie bekannt den Drahtvorschub mit einem Antrieb zentral vorzunehmen und alle Vorschubgeschwindigkeiten gleich zu lassen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, die Menge des verdampfenden Drahtes abzustufen. indem der Durchmesser des Drahtes oder der Durchmesser der Antriebsrollen für den Draht unterschiedlich ausgelegt wird, wobei die Verdampferkörper unterschiedlich erhitzt werden.
Eine weitere zweckmässige Ausgestaltung besteht darin, dass mehrere Reihen von Verdampfern hintereinander angeordnet sind, und die einzelnen Reihen mit jeweils im Material unterschiedlichem Draht beschickt werden. Dadurch wird eine Schicht unterschiedlicher Matenalkomponenten aufgedampft. Der Verdampferkörper hat in bekannter Weise eine rechteckige Verdampfungsfläche und ist so angeordnet, dass dessen Längsausdehnung senkrecht zur Bewegungsrichtung ist. Seine Länge ist fast gleich der Breite des Bedampfungsgutes.
Es sind bei grösseren Breiten auch mehrere Verdampferkörper in einer Reihe nebeneinander und auch mehrere Reihen hintereinander angeordnet.
Es ist auch vorteilhaft bei durch Stromdurchgang beheizten Verdampferkörpern den Querschnitt des Verdampferkörpers auf seiner Länge unterschiedlich auszuführen, um die Temperatur der Verdampferfläche dem örtlichen undloder zeitlichen Programm der Drahtzufuhr anzupassen.
Weiterhin ist es zweckmässig, bei Verwendung mehrerer Verdampfer alle Drahtvorschubeinrichtungen auf einem gemeinsamen Träger anzubringen und diesen nach einem Programm zu bewegen.
Um den Abfall der Schichtdicke nach den Rändern des Bedampfungsgutes zu vermeiden, wird bei breiten Bändern, wo mehrere Verdampfer in einer Reihe senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, der Abstand der Verdampfer an den Rändern kleiner gewählt als in der Mitte. Die Abstände der Verdampfer voneinander in Abhängigkeit vom Abstand des Verdampfers zur Bedampfungsfläche und in Abhängigkeit von der Bandbreite, werden optimiert, um mit wenig Verdampfereinrichtungen eine gleichmässige und homogene Schicht auf dem Bedampfungsgut zu erhalten.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mehrere Drähte um einen Verdampferkörper zugeführt werden. Somit können die Bedampfungsraten erhöht werden oder auch durch besondere Massnahmen bei der Zuführung von Drähten unterschiedlichen Materials Schichten mit mehreren Materialkomponenten aufbedampft werden.
Die technisch-ökonomischen Auswirkungen der Erfindung bestehen darin, dass eine gleichmässige Schichtdicke über jede Breite des Bedampfungsgutes erreicht wird und die Gebrauchsdauer der Verdampferkörper verlängert ist.
An vier Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Verdampfereinrichtung im Schnitt mit einem Verdampferkörper zur örtlich und zeitlich programmierten Zuführung des Verdampfungsdrahtes,
Fig. 2 den möglichen Verlauf der Geschwindigkeit des Drahtvorschubes auf dem Verdampferkörper,
Fig. 3 Draufsicht auf einen Verdampfer mit einem Verdampferkörper, dem mehrere Drähte zugeführt werden,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Verdampfer einer Verdampfereinrichtung für breite Bänder,
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Verdampfer einer Verdampfereinrichtung für grosse Schichtdicken und breite Bänder.
Aus Fig. 1 ist das Prinzip der Verdampfereinrichtung zu erkennen. In der Drahtvorschubeinrichtung 1 ist die Vorratsrolle 2 für den Draht 3, der das Verdampfergut ist, angeordnet. Zwei angetriebene Rollen 4 wickeln den Draht 3 ab und führen diesen durch das Führungsrohr 5 auf die Verdampfungsfläche 6 des Verdampferkörpers 7, der durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird und den Draht 3 zum Verdampfen bringt. Das darüber in Richtung y laufende Bedampfungsgut 8 wird bedampft. Die Drahtvorschubeinrichtung 1 ist auf einem Träger 9 befestigt. Um den Draht 3 erfindungsgemäss auf der Verdampfungsfläche 6 zu bewegen, wird die Drahtvorschubeinrichtung 1 mit dem Träger 9 senkrecht und gegebenenfalls auch parallel zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 8 nach einem vorgegebenen Programm in bekannter Weise hin und her bewegt.
Neben dieser örtlichen Programmierung kann zusätzlich die Geschwindigkeit v dieser Bewegung noch variiert werden, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Im Diagramm wird zum Beispiel gezeigt, wie sich die Geschwindigkeit v in der Bewegungsrichtung x, das ist längs zum Verdampferkörper 7, also quer zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 2, nach den Rändern zu verringert, um mehr Draht 3 zu verdampfen und damit den Schichtdickenabfall nach dem Rand zu verhindern. Der Draht 3 beschreibt durch seinenVerlauf auf der Verdampfungsfläche 6 eine Schleife 10. Der Verdampferkörper 7 ist in seiner Längsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 2 angeordnet. Die gesamte Anordnung befindet sich in einer Vakuumkammer, die nicht mitgezeichnet ist.
Der Verdampferkürper 7 wird durch direkten Strom durchgang geheizt und ist beiderseitig zwischen wassergekühlten Klemmvorrichtungen 11 gehalten. Eine Blende 12 gibt jeweils die Fläche frei, die bedampft werden soll.
Bei zunehmender Breite des Bedampfungsgutes 8 macht es sich erforderlich, den Verdampferkörper 7 zu verlängern. Die Bewegung des zugeführten Drahtes 3 über die gesamte Länge der Verdampfungsfläche 6 muss der Durchlaufgeschwindigkeit des Bedampfungsgutes 8 angepasst sein. Bei grossen Geschwindigkeiten ergeben sich dann Schwierigkeiten bei der Erzeugung einer homogenen Schichtdicke senkrecht zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 8. Diese Schwierigkeiten werden dadurch beseitigt, dass, wie Fig. 3 zeigt, mehrere Drähte 3 einem Verdampferkörper 7 zugeführt werden.
Dazu sind in einer Drahtvorschubeinrichtung 1 je drei Vorratsrollen 2 für den Draht 3 und die Rollen 4 zum Abziehen des Drahtes 3 von den Vorratsrollen 2 und zum Zuführen desselben zur Verdampfungsfläche 6 angeordnet. Somit ist es möglich, mit einem Verdampferkörper 7, der mindestens die gleiche Länge wie die Breite des Bedampfungsgutes 8 besitzt, auszukommen. Der Verdampferkörper 7 wird thermisch gleichmässig belastet und besitzt dadurch eine längere Gebrauchsdauer.
Durch entsprechend erhöhte Zufuhr von Verdampfungsgut an den Rändern des Bedampfungsgutes 8 wird eine gleichmässige Schicht über die gesamte Breite des Bedampfungsgutes 8 erreicht. Die Drahtvorschubeinrichtung 1 wird nach dem erfindungsgemässen Programm bewegt.
Die Anordnung nach Fig. 4 dient der Bedampfung von Bändern grosser Breite. Die Drahtvorschubeinrichtungen 1 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 8 (nicht mitgezeichnet) in einer Reihe auf dem gemeinsamen Träger 9 angeordnet, da der Verdampferkörper 7 nicht unbegrenzt lang hergestellt werden kann. Damit auf der gesamten Breite des Bedampfungsgutes 8 gleiche Schichtdicke erzielt wird, muss der Abstand al der äusseren Verdampfer zueinander kleiner sein als der Abstand a2 der mittleren. Der Abstand a, zu a2 wird bestimmt durch den Abstand des Verdampferkörper 7 von der zu bedampfenden Fläche und der Länge der Verdampfungsfläche 6. Es gilt, die Werte zu optimieren. Die Geschwindigkeiten des Vorschubs sind alle gleich, so dass ein Antrieb für alle Rollen 4 verwendet werden kann.
Der Träger 9, und somit sämtliche Drahtvorschubeinrichtungen 1, werden nach dem Programm seitlich und/oder örtlich in den Richtungen y und x bewegt. Eine Kompensation des Schichtdickenabfalls am Rand des Bedampfungsgutes 8 ist auch darin möglich, dass die Verdampferkörper 7, die am Rand angeordnet sind, durch ihren veränderten Querschnitt stärker erhitzt werden, und dabei diesen mehr Draht 3 zur Verdampfung zugeführt wird. Die erhöhte Zuführung von Draht 3 erfolgt bei zentralem Antrieb und gleicher Drehzahl der Rollen 4 dadurch, dass entweder die Drähte 3 der äusseren Verdampfer grösseren Durchmesser haben oder die Rollen 4 zum Zuführen des Drahtes 3, bei gleichem Durchmesser aller Drähte 3, im Durchmesser grösser sind, wodurch die Vorschubgeschwindigkeit erhöht wird.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung für breite Bänder und grössere Verdampfungsrate. Da die Verdampfungsrate durch die maximale Betriebstemperatur der Verdampferkörper 7 begrenzt ist, sind zwei Reihen Verdampfer hintereinander angeordnet, die sämtlich auf einem gemeinsamen Träger 9 angebracht sind, der nach dem örtlichen und/oder seitlichen Programm bewegt wird.
Ausserdem bietet die Anordnung von mehreren Verdampferreihen den Vorteil, dass die einzelnen Verdampferkörper 7 nicht mit maximaler Betriebstemperatur belastet werden, wodurch die Standzeit derselben erhöht wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, in jeder Reihe ein anderes Material auszuführen und somit Schichten aus mehreren Material komponenten au fzu dampfen.
PAIENTANSPRUCH I
Verfahren zum Bedampfen grosser bewegter Flächen im Vakuum durch Zuführung von Draht als Verdampfungsgut auf einen durch Stromdurchgang, induktive Erwärmung oder Elektronenbombardement erhitzten Verdampferkörper, worauf dieser Draht verdampft und der Dampf auf dem darüber durchlaufenden Bedampfungsgut niederschlägt, dadurch gekennzeichnet, dass das drahtförmige Verdampfungsgut programmiert mit gleicher oder variabler Geschwindigkeit auf der Verdampferfläche senkrecht, oder senkrecht und parallel zur Bewegungsrichtung des Bedampfungsgutes bewegt wird.