DE102015112135A1 - Verdampferkörper mit Titanhydridbeschichtung, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung - Google Patents

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Abstract

Ein Verdampferkörper (2) für eine PVD-Beschichtungsanlage umfasst einen Grundkörper (4) und eine Verdampferfläche (6), auf die eine Titandihydridschicht aufgebracht ist. Die Titanhydridschicht umfasst ein organisches Trägermittel und Titanhydrid als einzigen anorganischen Feststoff. Die Dicke der Schicht ist kleiner oder gleich 10 Mikrometer.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen Verdampferkörper für eine PVD-Beschichtungsanlage mit einem Grundkörper, der eine Verdampferfläche aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verdampferkörpers für eine PVD-Beschichtungsanlage sowie die Verwendung des Verdampferkörpers zur Metallisierung von Substraten mit Aluminium.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Verdampferkörper für PVD-Beschichtungsanlagen und Verfahren zu deren Herstellung sind beispielsweise aus der DE 10 2005 030 862 B4 bekannt, auf die verwiesen wird.
  • Die Verdampferkörper können in Vakuum-Metallisierungsanlagen eingesetzt werden, bei denen ein Metall mittels der PVD-Technik (physical vapor deposition) auf einem Substrat abgeschieden werden. Die Metallisierungsanlagen dienen insbesondere zum Beschichten von flexiblen Substraten mit Metallen, insbesondere mit Aluminium. Als Substrate können Folien, insbesondere Kunststofffolien, eingesetzt werden. Das Beschichtungsmaterial wird kontinuierlich dem erhitzten Verdampferkörper zugeführt und verdampft im Vakuum auf einer Verdampferfläche des Verdampferkörpers.
  • Der Verdampferkörper ist bevorzugt ein Keramikkörper, der als Hauptkomponenten Titandiborid und Bornitrid enthält und der durch eine geeignete Mischung dieser Materialien auf einen spezifischen elektrischen Widerstand von beispielsweise 600 bis 6000 µΩ cm eingestellt werden kann. Der Verdampferkörper enthält die Komponenten Titandiborid und Bornitrid typischerweise in etwa gleichen Anteilen von jeweils etwa 50 Gew.-%, plus/minus etwa 5 Gew.-%. Das Beheizen des Verdampferkörpers erfolgt üblicherweise durch Anlegen eines Heizstroms.
  • Für ein kontinuierliches Beschichten mit möglichst hoher Prozessgeschwindigkeit ist die Einstellung der Verdampfungsparameter von entscheidender Bedeutung. Besonders wichtig ist, dass die Verdampferfläche des Verdampferkörpers möglichst homogen und vollständig mit dem zu verdampfenden Material, insbesondere Aluminium, benetzt wird.
  • Zur Verbesserung der Benetzung der Verdampferfläche sind aus dem Stand der Technik bereits unterschiedliche Maßnahmen bekannt.
  • Die DE 10 2005 030 862 B4 offenbart die Verwendung eines Erstbenetzungshilfsmaterials, welches vor dem erstmaligen Einsatz des Verdampferkörpers in einer Beschichtungsanlage auf die Verdampferfläche aufgebracht wird. Das Erstbenetzungshilfsmaterial kann als Paste oder als Suspension aufgebracht oder auch aufgestrichen werden. Es enthält pulverförmiges Aluminium sowie weitere pulverförmige Benetzungsmittel. Beim Aufheizen verbindet sich das Aluminium mit dem Bornitrid des Verdampferkörpers zu Aluminiumnitrid, welches ein im Vergleich zu Bornitrid verbessertes Benetzungsverhalten für Aluminium zeigt. Durch das Aufbringen des Erstbenetzungshilfsmaterial wird daher durch Umsetzen des Aluminiums mit dem Bornitrid eine Benetzungsschicht ausgebildet. Die weiteren pulverförmigen Benetzungsmittel sind beispielsweise Titan, Titandiborid, Zirconium, Zirconiumdiborid, Molybdän oder auch Metalllegierungen. Diese weiteren pulverförmigen Benetzungsmittel begünstigen eine möglichst großflächige Verteilung des beim Erwärmen des Verdampferkörpers aufschmelzenden Aluminiums. Neben der Erzeugung einer Benetzungsschicht aus Aluminiumnitrid wird daher auch der besondere Vorteil erzielt, dass gleich zu Beginn des Verdampfungsvorganges durch die Integration des Aluminiums in das Erstbenetzungshilfsmittels die Verdampferfläche homogen mit dem dann flüssigen Aluminium benetzt ist.
  • Die US 2009/0217876 A1 offenbart ein Beschichtungssystem zur Verlängerung der Lebensdauer eines keramischen Verdampferschiffchens. Das Beschichtungssystem umfasst eine Keramikschicht auf der Oberfläche des Verdampferschiffchens. Gegebenenfalls wird eine hitzebeständige Metallschicht als eine Zwischenschicht zwischen der Oberfläche des Verdampferschiffchens und der Keramikschicht aufgebracht. Das Keramikmaterial der Keramikschicht ist aus Metallboriden, Metallnitriden, Metallcarbiden, Metalloxiden und Kombinationen davon ausgewählt, wobei die Metallkomponente des keramischen Materials aus Zirkonium, Aluminium, Titan, Silicium, Tantal, Vanadium und Kombinationen davon ausgewählt ist. Die Schichtdicke der Keramikschicht liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 5 Mikrometern.
  • Die WO 2006/117119 A1 beschreibt ein Verdampferschiffchen aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Trägermaterial für die Bedampfung von Substraten mit Metallen, wobei auf der Oberfläche des Verdampferschiffchens, von der die Verdampfung der Metalle erfolgt, eine der folgenden Beschichtungen vorgesehen ist: a) eine Beschichtung mindestens eines Borids eines Übergangsmetalls der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems, b) eine Beschichtung aus einer Mischung des zu verdampfenden Metalls und mindestens einem Übergangsmetall der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden, c) eine erste Beschichtung aus mindestens einem Übergangsmetall der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden und eine darauf aufgebrachte Beschichtung aus dem zu verdampfenden Metall. Die Verdampferschiffchen sollen eine gute Erstbenetzung für die zu verdampfenden Metalle zeigen, so dass die Verdampfung spritzerarm und gleichmäßig durchgeführt werden kann.
  • Die US 6,645,572 B2 und die DE 2004 009 335 A1 betreffen Metall-Verdampferschiffchen aus einem keramischen Material zur Einsparung elektrischer Energie beim Verdampfen, umfassend eine elektrisch leitende Komponente und eine elektrisch nicht leitende Komponente, wobei die elektrisch leitende Komponente des keramischen Materials an der Kontaktfläche des Verdampferschiffchens angereichert ist.
  • Die US 4,810,531 offenbart ein Verfahren zur Gasphasenabscheidung von Zinn, bei dem ein Verdampferkörper aus Bornitrid mit einer Verdampferschicht bereitgestellt wird, auf die eine Titanhydrid enthaltende Dispersion aufgebracht wird. Das Titandihydrid wird dabei in einem chlorierten organischen Lösungsmittel, bevorzugt Tetrachlorkohlenstoff, dispergiert. Beim Aufheizen des Verdampferkörpers verdampft das Lösungsmittel und es verbleibt eine Titanhydridschicht als Benetzungsschicht, die das Benetzungsverhalten für Zinn als das zu verdampfende Material verbessern soll. Die Dicke der Titanhydridschicht beträgt etwa 0,1 mm.
  • Die US 2,756,166 zeigt eine weitere PVD-Beschichtungsanlage, bei der beschichtete Carbonstäbe als Verdampferkörper eingesetzt werden. Die Carbonstäbe werden mit einer Titanhydrid enthaltenden Suspension versehen, wobei sich das Titanhydrid beim Aufheizen in metallisches Titan und Wasserstoffgas zersetzt. Das metallische Titan reagiert dann wiederum mit Kohlenstoff der eingesetzten Carbonstäbe zu Titankarbid, um so eine Benetzungsschicht auszubilden.
  • Die DE 10 2013 218 322 A1 beschreibt einen Verdampferkörper für eine PVD-Beschichtungsanlage, der einen Grundkörper mit einer Verdampferfläche umfasst, auf die eine Aluminium-Titan-Benetzungsschicht aufgebracht ist. Im Auslieferungszustand ist auf den Grundköper eine Schicht aufgebracht, die zwei Reaktanten, insbesondere Aluminium und Titandihydrid, enthält. Bei einer Erwärmung des Grundkörpers auf etwa 1500 °C bilden die beiden Reaktanten die Benetzungsschicht aus. Die Schicht mit den beiden Reaktanten wird aus einer Suspension auf den Verdampferkörper aufgebracht, deren Dicke etwa 0,1 bis 0,2 mm beträgt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Verdampferkörper mit gleichzeitig hervorragendem Benetzungsverhalten für Aluminium bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Verdampferkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist der Verdampferkörper an die Verwendung in einer PVD-Beschichtungsanlage angepasst und umfasst einen Grundkörper mit einer Verdampferfläche auf dem Grundkörper, auf die im Betrieb das zu verdampfende Metall, insbesondere Aluminium, aufgebracht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf die Verdampferfläche eine Titanhydridschicht aufgebracht ist, die ein organisches Trägermittel und Titanhydrid als einzigen anorganischen Feststoff enthält. Die Dicke der Titanhydridschicht beträgt erfindungsgemäß höchstens 10 µm.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Verdampferkörpers für eine PVD-Beschichtungsanlage mit einem Grundkörper und einer Verdampferfläche auf dem Grundkörper, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Suspension von Titanhydrid und einem organischen Trägermittel in einem organischen Lösungsmittel; und Auftragen der Suspension auf die Verdampferfläche unter Bildung einer Titanhydridschicht, in der Titanhydrid als einziger anorganischer Feststoff vorliegt, wobei die Titanhydridschicht in einer Dicke von höchstens 10 µm gebildet wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des Verdampferkörpers zur Metallisierung eines Substrats mit Aluminium durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD).
  • Überraschenderweise bildet ein Verdampferkörper mit einer derart dünnen Titanhydridschicht beim Erhitzen in Gegenwart von Aluminium eine Benetzungsschicht aus, die das gleiche hervorragende Benetzungsverhalten zeigt und gleiche Standzeiten ermöglicht, wie die um ein Vielfaches dickeren Schichten des Stands der Technik. Somit kann der Materialverbrauch bei der Herstellung der Verdampferkörper deutlich reduziert werden. Außerdem ist vorteilhaft, dass auf mehrkomponentige Beschichtungen verzichtet werden kann. Die Suspensionen zur Beschichtung des Verdampferkörpers können somit einfacher hergestellt werden und sind leichter zu handhaben.
  • Der Grundkörper ist bevorzugt ein heißgepresster keramischer Grundkörper aus den Hauptkomponenten Titandiborid und Bornitrid. Die Komponenten Titandiborid und Bornitrid liegen bevorzugt in Anteilen von jeweils etwa 40 bis 60 Gewichtsprozent vor, bevorzugt in Anteilen von etwa 45 bis 55 Gewichtsprozent. Bevorzugt weist der Grundkörper einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 600 bis 6000 µΩ cm auf.
  • Die Verdampferfläche ist bevorzugt eine Kavität zur Aufnahme von geschmolzenem Metall, die in eine Oberfläche des Grundkörpers eingebracht ist.
  • Auf die Verdampferfläche ist erfindungsgemäß eine Titanhydridschicht aufgebracht. Mit Titanhydrid wird in dieser Beschreibung „Titandihydrid“ in stöchiometrischer und unterstöchiometrischer Zusammensetzung bezeichnet.
  • Die Titanhydridschicht bildet beim Erwärmen des Grundkörpers in Gegenwart von Aluminium während der Erstinbetriebnahme des Verdampferkörpers eine dauerhafte Benetzungsschicht aus. Die Erfinder gehen davon aus, dass das Titanhydrid mit dem während der Erstinbetriebnahme auf die Verdampferfläche aufgebrachten Aluminium unter Bildung von Titanaluminid TiAl3 und anderen TixAly-Phasen umgesetzt wird. Außerdem kann das Titanhydrid beim Erwärmen des Grundkörpers auf eine Temperatur von oberhalb etwa 1000 °C auch mit dem Bornitrid des Grundkörpers unter Bildung einer Zwischenschicht aus Titandiborid und Titannitrid reagieren. Die Zwischenschicht kann die Haftung der Benetzungsschicht auf der Verdampferfläche begünstigen.
  • Erfindungsgemäß ist daher ausreichend, dass die auf die Verdampferfläche aufgebrachte Titanhydridschicht das Titanhydrid als einzigen anorganischen Feststoff enthält. Das zur Ausbildung der Benetzungsschicht verwendete Aluminium muss nicht schon bei der Herstellung des Verdampferkörpers auf die Verdampferfläche aufgetragen werden. Vielmehr kann die Ausbildung der Benetzungsschicht während der Erstinbetriebnahme erfolgen, bei der das Aluminium ohnehin der Verdampferfläche zugeführt und der Verdampferkörper auf eine Temperatur von oberhalb etwa 1000 °C erwärmt wird.
  • Die Bildung der Benetzungsschicht kann bevorzugt bei Inbetriebnahme durch den Benutzer der PVD-Beschichtungsanlage erfolgen.
  • Alle weiteren Komponenten der Titanhydridschicht sind organische Komponenten. Erfindungsgemäß umfasst die Titanhydridschicht ein organisches Trägermittel. Das organische Trägermittel umfasst bevorzugt ein Kunstharz, besonders bevorzugt ein physikalisch trocknendes Kunstharz Besonders bevorzugt ist das organische Trägermaterial ein Kunstharz auf der Grundlage von Chlorkautschuk, Polyvinylchlorid (PVC), Vinylpolymerisaten, Styrol-Butadien-Copolymerisaten und Silikonen oder Mischungen davon. Weiter bevorzugt ist das organische Trägermittel ein PVC-Kunstharz.
  • Das Titanhydrid in der Titanhydridschicht ist bevorzugt in einer Matrix aus dem organischen Trägermittel dispergiert. Besonders bevorzugt liegt das Titanhydrid als ein Pulver vor, wobei die Pulverpartikel des Titanhydrids bevorzugt eine Korngröße von < 0,04 mm aufweisen können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Titanhydridschicht von etwa 2 bis 8 µm, besonders bevorzugt von etwa 4 bis etwa 6 µm, ganz besonders bevorzugt etwa 5 µm.
  • Zur Herstellung des Verdampferkörpers wird eine Suspension von Titanhydrid und dem organischen Trägermittel bereitgestellt und auf die Verdampferfläche des Verdampferkörpers unter Bildung der Titanhydridschicht aufgetragen. Bevorzugt wird das Titanhydrid in einem Lack suspendiert, in dem das organische Trägermittel als Bindemittel vorliegt. Besonders bevorzugt ist das organische Trägermittel ein Kunstharz, und der Lack ist ein physikalisch trocknender Lack.
  • Zum Auftragen der Titanhydridschicht stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung. Beispielsweise kann die Titanhydrid-Suspension durch Rollen, Sprühen oder Drucken auf die Verdampferoberfläche aufgebracht werden.
  • Bevorzugt erfolgt das Auftragen der Suspension aus Titanhydrid und dem organischen Trägermittel mittels eines Druckverfahrens, besonders bevorzugt durch Tampondruck. Im Tampon-Druckverfahren ist eine homogene Beschichtung der Verdampferfläche möglich.
  • Der Anteil des Titanhydrids in der Suspension liegt bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension. Besonders bevorzugt liegt der Titanhydridanteil in der Suspension in einem Bereich von etwa 8 bis 12 Gew.%, und ganz besonders bevorzugt bei etwa 10 Gew.-%.
  • Das Auftragsgewicht der Suspension beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 5 mg/cm2, bevorzugt zwischen 1 und 3 mg/cm2, weiter bevorzugt zwischen etwa 2,1 und 2,5 mg/cm2, und weiter bevorzugt etwa 2,3 mg/cm2.
  • Mit diesen Parametern ist eine ausreichend homogene Ausbildung der Titanhydridschicht gewährleistet und gleichzeitig ist die Ausbildung einer ausreichend homogenen Benetzungsschicht sichergestellt.
  • Als Lösungsmittel kann die Suspension ein oder mehrere organische Lösungsmittel enthalten. Bevorzugt sind die Lösungsmittel aus der Gruppe der aliphatischen Ketone, Ester und Ether, der Mineralöle und aromatischen Kohlenwasserstoffe ausgewählt. Die Lösungsmittel erleichtern die Dispersion des vorzugsweise pulverförmigen Titanhydrids in dem organischen Trägermittel.
  • Nach dem Auftragen der Suspension auf die Verdampferfläche verdampfen die Lösungsmittel vorzugsweise bei Umgebungstemperatur. Das organische Trägermittel bleibt als Polymerfilm zusammen mit dem darin dispergierten Titanhydrid auf der Verdampferfläche unter Bildung der Titanhydridschicht zurück.
  • Das organische Trägermittel gewährleistet somit ein gutes Anhaften der Titanhydridschicht auf der Verdampferoberfläche. Die Titanhydridschicht hat erfindungsgemäß eine Dicke von höchstens 10 µm, bevorzugt von 2 bis 8 µm und besonders bevorzugt von etwa 5 µm. Das Titanhydrid ist der einzige anorganische Feststoff in der Titanhydridschicht.
  • Beim Erhitzen des mit der Titanhydridschicht beschichteten Verdampferkörpers auf eine Temperatur oberhalb von 1000 °C verdampft bzw. zersetzt sich das organische Trägermittel, und es verbleibt Titanhydrid, das teilweise mit Bornitrid aus dem Grundkörper unter Bildung einer Zwischenschicht aus Titandiborid und Titannitrid reagieren kann.
  • In Gegenwart von Aluminium kann das Titanhydrid weiter unter Bildung einer Benetzungsschicht umgesetzt werden, die Titanaluminid-Phasen TixAly, bevorzugt TiAl3 enthält.
  • Die Benetzungsschicht wird bevorzugt bei der Erstinbetriebnahme, also beim erstmaligen Einsatz des Verdampferkörpers in einer Metallisierungsanlage erzeugt. Der Verdampferkörper mit der Titanhydridschicht wird herstellerseitig bereitgestellt und an den Kunden ausgeliefert. Beim Betrieb in der Metallisierungsanlage wird der Verdampferkörper typischerweise auf eine Temperatur oberhalb von 1000 °C, bevorzugt auf 1400 bis 1700°C, erhitzt. Bevor der Verdampferkörper seine Endtemperatur erreicht hat, ist bereits das organische Trägermittel verdampft oder zersetzt und das Titanhydrid hat bereits teilweise mit dem Bornitrid des Grundkörpers unter Bildung der Zwischenschicht reagiert. Die Umsetzung der Titanhydridschicht mit dem zur Verdampfung zugeführten Aluminium führt dann zur Ausbildung der Benetzungsschicht. Der Verdampferkörper kann daher kontinuierlich ohne zwischenzeitige Abkühlung erwärmt werden. Die Benetzungsschicht ist trotz der geringen Dicke der Titanhydridschicht hinreichend stabil und weist die geforderte Standzeit über mehrere Anwendungszyklen des Verdampferkörpers in der Metallisierungsanlage auf.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 die schematischen Darstellung eines Verdampferkörpers einer PVD-Beschichtungsanlage im Querschnitt; und
  • 2 die schematische Darstellung einer Teilansicht des Verdampferkörpers im Querschnitt.
  • BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Der in 1 dargestellte Verdampferkörper 2 weist einen Grundkörper 4 auf, welcher als heißgepresster keramischer Körper mit den Hauptkomponenten Bornitrid und Titandiborid als elektrisch leitfähige Komponente ausgebildet ist. Der Grundkörper 4 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 600 bis 600 µΩ cm auf. Der Anteil der beiden Komponenten liegt dabei jeweils bei etwa 50 Gew.-%.
  • Der Verdampferkörper 2 hat typischerweise eine Länge von etwa 130 mm, eine Breite von etwa 30 mm und eine Höhe von etwa 10 mm. An seiner Oberseite weist der Verdampferkörper 2 eine Verdampferfläche 6 auf, die im Ausführungsbeispiel durch eine in die Oberfläche eingebrachte Kavität 8 ausgebildet ist. Die Kavität 8 wird dabei von einem umlaufenden Rand 10 begrenzt.
  • Der Boden der Kavität 8 ist mit einer Benetzungsschicht 12 versehen, welche als eine Titan-Aluminiumschicht ausgebildet ist. An einer Grenzfläche zwischen der Benetzungsschicht 12 und dem Grundkörper 4 kann eine Zwischenschicht 14 aus Titandiborid und Titannitrid gebildet sein.
  • Im Betrieb in einer PVD-Beschichtungsanlage wird Aluminium beispielsweise als Stab oder Draht der Verdampferfläche 6 zugeführt und schmilzt dort auf, sodass dann das schmelzflüssige Aluminium sich großflächig über die Verdampferfläche 6 verteilt und diese benetzt. Durch die Benetzungsschicht 12 wird hierbei ein gutes Benetzungsverhalten erzielt. Der Verdampferkörper 2 wird durch einen elektrischen Strom, der durch den Verdampferkörper 2 hindurch geleitet wird, typischerweise auf 1400 bis 1700°C erhitzt. Das aufgeschmolzene Aluminium verdampft unter Vakuum und beschichtet ein hier nicht näher dargestelltes Substrat.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Verdampferkörpers 2 im Ausgangszustand, vor Auslieferung an den Kunden.
  • Auf die Verdampferfläche 6 ist eine Titanhydridschicht 16 aufgebracht. Die Titanhydridschicht 16 umfasst eine Matrix aus einem organischen Trägermittel 18 und ein in dem Trägermittel 18 dispergiertes Pulver aus Titanhydrid 20. Das Titanhydrid 20 ist der einzige anorganische Feststoff in der Titanhydridschicht 16. Die Titanhydridschicht 16 hat eine Dicke von kleiner oder gleich 10 µm, bevorzugt von 2 bis 8 µm.
  • Die Pulverpartikel des Titanhydrids 20 können eine Korngröße von vorzugsweise kleiner 0,04 mm aufweisen. Mit Pulvern dieser Korngröße kann eine homogene Verteilung in der Trägermittelmatrix erreicht werden.
  • Das organische Trägermittel 18 umfasst bevorzugt ein Kunstharz, besonders bevorzugt ein physikalisch trocknendes Kunstharz. Besonders bevorzugt ist das organische Trägermittel ein Kunstharz auf der Grundlage von Chlorkautschuk, Polyvinylchlorid (PVC), Vinylpolymerisaten, Styrol-Butadien-Copolymerisaten und Silikonen oder Mischungen davon. Weiter bevorzugt ist das organische Trägermittel ein PVC-Kunstharz.
  • Zur Herstellung des beschichteten Verdampferkörpers werden das Titanhydrid 20 und das organische Trägermittel 18 in einem organischen Lösungsmittel suspendiert. Das Lösungsmittel ist bevorzugt aus der Gruppe der aliphatischen Ketone, Ester und Ether, der Mineralöle und aromatischen Kohlenwasserstoffe sowie deren Mischungen ausgewählt. Die Lösungsmittel erleichtern die Dispersion des pulverförmigen Titanhydrids 20 in dem organischen Trägermittel 18. Besonders bevorzugt wird das Titanhydrid in einem Lack suspendiert, der das organische Trägermittel als Bindemittel enthält.
  • Der Anteil des Titanhydrids in der Suspension aus Lösungsmittel, organischem Trägermittel und Titanhydrid beträgt vorzugsweise von 5 bis 15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension, weiter bevorzugt bei 8 bis 12 Gewichtsprozent, und besonders bevorzugt bei etwa 10 Gewichtsprozent.
  • Das Auftragen der Suspension aus organischem Trägermittel, Titanhydrid und organischem Lösungsmittel auf die Verdampferfläche 6 erfolgt vorzugsweise in einem Druckverfahren, insbesondere dem sogenannten Tampon-Druckverfahren. Hierbei wird die Suspension mit Hilfe eines saugfähigen, beispielsweise schwammartigen Druckkörpers zunächst aufgenommen und anschließend wird der Druckkörper im Bereich der Verdampferfläche 6 gegen den Grundkörper 4 gepresst, so dass sich die dünne, höchstens 10 Mikrometer starke Titanhydridschicht 16 ausbildet. Die Suspension ist dabei im Ausgangszustand von niedrigviskoser, nahezu wässriger Konsistenz.
  • Das Auftragsgewicht der Suspension beträgt vorzugsweise etwa 1 bis 5 mg/cm2, weiter bevorzugt zwischen etwa 1 und 3 mg/cm2, und besonders bevorzugt von etwa 2,1 bis etwa 2,5 mg/cm2.
  • Zur Anwendung in einer PVD-Beschichtungsanlage wird der Verdampferkörper 2 bei seiner ersten Benutzung in der Beschichtungslage durch Widerstandsbeheizen auf eine Temperatur von oberhalb 1000 °C erhitzt, bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 1400 bis 1700 °C. Wie in der 1 dargestellt, bildet sich beim Erhitzen des Verdampferkörpers 2 mit einem Grundkörper 4 aus TiB2/BN an der Grenzfläche zur Titanhydridschicht eine Zwischenschicht 14 aus TiB2/TiN. Das organische Trägermittel wird durch das Erhitzen zersetzt und/oder verdampft.
  • In Gegenwart von Aluminium erfolgt eine Umsetzung des Aluminiums mit dem Titanhydrid unter Bildung der Benetzungsschicht 12 auf der Verdampferfläche 6 bzw. der Zwischenschicht 14. Das Aluminium kann bereits vor dem Erhitzen des Verdampferkörpers auf die Verdampferfläche aufgebracht oder dem erhitzten Verdampferkörper zugeführt werden.
  • Die Benetzungsschicht 12 ist eine Titan-Aluminium-Legierungsschicht, die zumindest eine oder mehrere TixAly-Phasen enthält. Insbesondere kann eine TiAl3-Phase ausgebildet werden.
  • Diese Benetzungsschicht 12 fördert die Erstbenetzung der Verdampferfläche 6 mit Aluminium. Bei weiterer Zufuhr von Aluminium bleibt die Fähigkeit zur Benetzung der Verdampferfläche stabil. Das Aluminiumschmelze folgt der bereits vorhandenen Benetzungschicht 12 und breitet sich homogen über die gesamte Verdampferfläche 6 aus. Es erfolgt lediglich ein allmählicher Verschleiß über die Lebensdauer des Verdampferkörpers 2, die typischerweise mehrere Betriebsstunden umfasst.
  • Trotz der geringen Schichtdicke zeigt die Benetzungsschicht 12 ein besonders gutes Erstbenetzungsverhalten für Aluminium, so dass eine homogene Verteilung des geschmolzenen Aluminiums auf der Verdampferfläche erreicht wird und damit eine hohe Verdampfungs- und Beschichtungsrate erzielt werden kann. Gleichzeitig sorgt die homogene Benetzung und Verteilung des Aluminiums auf der Verdampferfläche 6 für eine gleichmäßige Belastung des Grundkörpers 4, da die Ausbildung sogenannter Hotspots vermieden werden. Derartige Hotspots entstehen insbesondere durch fehlende Kühlung einzelner Stellen der Verdampferfläche infolge mangelhafter Benetzung und können zu einem vorzeitigen Verschleiß führen. Schließlich ist auch die Herstellung des beschichteten Verdampferkörpers einfacher und kostengünstiger, da keine komplex zusammengesetzten Materialmischungen eingesetzt werden müssen.
  • Der erfindungsgemäße Verdampferkörper kann daher bevorzugt zur Metallisierung von Substraten wie flexiblen Kunststofffolien und anderen Körpern aus Kunststoff mit Aluminium durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD) verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (12)

  1. Verdampferkörper (2) für eine PVD-Beschichtungsanlage, der einen Grundkörper (4) und eine Verdampferfläche (6) auf dem Grundkörper umfasst und eine auf die Verdampferfläche (6) aufgebrachte Titanhydridschicht (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanhydridschicht ein organisches Trägermittel und Titanhydrid als einzigen anorganischen Feststoff enthält, und dass die Dicke der Titanhydridschicht (16) höchstens 10 µm beträgt.
  2. Verdampferkörper (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanhydridschicht (16) eine Dispersion von Titanhydrid in einem organischen Trägermittel umfasst.
  3. Verdampferkörper (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Trägermittel ein Kunstharz umfasst.
  4. Verdampferkörper (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Titanhydridschicht (16) in einem Bereich von 2 bis 8 µm, vorzugsweise 4 bis 6 µm, liegt.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Verdampferkörpers (2) für eine PVD-Beschichtungsanlage mit einem Grundkörper und einer Verdampferfläche auf dem Grundkörper, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Suspension von Titanhydrid und einem organischen Trägermittel in einem organischen Lösungsmittel; und Auftragen der Suspension auf die Verdampferfläche (6) unter Bildung einer Titanhydridschicht (16), in der Titanhydrid als einziger anorganischer Feststoff vorliegt; wobei die Titanhydridschicht in einer Dicke von höchstens 10 µm gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Suspension durch ein Druckverfahren aufgebracht wird, bevorzugt durch ein Tampon-Druckverfahren.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension das Titanhydrid in einem Anteil von etwa 5 bis 15 Gew.-% enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mit einem Auftragsgewicht von 1 bis 5 mg pro cm2, bevorzugt von 1 bis 3 mg/cm2, und besonders bevorzugt von 2,1 bis 2,5 mg, auf die Verdampferfläche (6) aufgetragen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der Verdampferkörper (2) auf eine Temperatur oberhalb von 1000 °C erwärmt und die Titanhydridschicht mit Aluminium in Kontakt gebracht wird, wobei das Titanhydrid mit dem Aluminium umgesetzt wird und eine Benetzungsschicht (12) bildet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) auf eine Temperatur im Bereich von 1400 bis 1700 °C erwärmt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension einen Lack umfasst.
  12. Verwendung eines Verdampferkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 bei der Metallisierung von Substraten mit Aluminium durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD).
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