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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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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.
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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.
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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 ).
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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 ).
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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.
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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 ).
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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).
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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 .
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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 ).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Vakuum-Verdampfer-Anlage;
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 1;
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3 ein
Verdampferschiffchen in einer ersten Seitenansicht;
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4 das
Verdampferschiffchen der 3 in einer zweiten Seitenansicht;
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5 ein
vereinzeltes Verdampferschiffchen aus der Anlage gemäß 2;
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6 zwei
benachbarte Verdampferschiffchen in der Anlage gemäß 2;
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7 eine
erfindungsgemäße Anordnung von
Verdampferschiffchen;
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8 die
Simulation eines Verdampferschiffchens durch zwei Punktquellen;
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9 eine
graphische Darstellung der Schichtdickenverteilung einer Punktquelle
auf einer beschichteten Folie;
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10 eine
graphische Darstellung der Schichtdickenverteilung einer Linienquelle.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
6 zeigt,
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.
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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.
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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 60–69 entspricht.
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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 1–2y zwischen
ihnen festgelegt. Liegen die Verdampferschiffchen 50, 52 auf
verschiedenen Geraden 54, 55, werden die Abstände x und
y festgelegt.
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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 einge setzt 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 50–53, so
dass in den Bereichen, wo sich die Verdampferkeulen zwischen den
Verdampferschiffchen 50–53 überlappen,
Zentren hoher Dampfdichten entstehen können. Diese Zentren werden
ab einer bestimmten Abdampfrate der Verdampferschiffchen 50–53 sogar größer als
die Bereiche direkt über
den Verdampferschiffchen 50–53. 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 50–53 entstehen, oder
in dem man die Dampfkeulen geometrisch so anordnet, dass Zentren
hoher Teilchendichte selbst beim Hochratenverdampfen nicht entstehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.