DE102021126205A1

DE102021126205A1 - Düsenabschnitt zur Anordnung an einen Verdampfungsabschnitt, Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials und Bandbeschichtunganlage

Info

Publication number: DE102021126205A1
Application number: DE102021126205.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Strack; Christian Schwerdt; Janine-Christina Schauer-Paß
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung ist auf einen Düsenabschnitt (1) zur Anordnung an einen Verdampfungsabschnitt einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials gerichtet. Der Düsenabschnitt weist einen inneren Hohlraum auf, der zwischen Düseneingang (5) und Düsenausgang (6) verläuft. Der innere Hohlraum des Düsenabschnitts ist derart ausgeformt, dass eine von der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums begrenzte Querschnittsfläche des inneren Hohlraums in kontinuierlich stetiger Weise verläuft. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials und eine Bandbeschichtungsanlage (14), aufweisend insbesondere eine Vakuumkammer (16), die zur Durchführung des zu beschichtenden Bands (15) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Düsenabschnitt zur Anordnung an einen Verdampfungsabschnitt einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials. Schließlich betrifft die Erfindung eine Bandbeschichtungsanlage.
Für die Beschichtung von flächigen Produkten, beispielsweise metallischen Bändern wie insbesondere Stahlband, sind Verfahren basierend auf dem Prinzip der sogenannten Gasphasenabscheidung bekannt. Diese beruhen auf dem Prinzip, die Fläche, beispielsweise ein Stahlband oder eine Glasscheibe, mittels Abscheidung aus in Gasphase vorliegendem Material zu beschichten. Hierzu wird zunächst das Material als Ausgangsmaterial bereitgestellt. Bestandteile aus dem Ausgangsmaterial werden in eine Gasphase gebracht. Die in Gasphase vorliegenden Bestandteile des Materials, insbesondere Atome und/oder Ionen, setzen sich auf der zu beschichtenden Fläche ab und bilden dadurch eine Beschichtung.
Bekannte Verfahren der Gasphasenabscheidung sind die sogenannte chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD), die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) und das sogenannte Lichtbogenverdampfen (Arc Evaporation). Die genannten Verfahren unterscheiden sich insbesondere in den Mechanismen, mit denen die Gasphase herbeigeführt wird.
Ein Vorteil der Gasphasenabscheidung ist, dass mit guter Wirtschaftlichkeit Beschichtungen hergestellt werden können, deren Eigenschaften in hohem Maße und in weiten Eigenschaftsfenstern gezielt beeinflusst werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Gasphasenabscheidung zur Herstellung von Beschichtungen vieler unterschiedlicher Materialien eignet. Die Gasphasenabscheidung eignet sich beispielsweise im Gegensatz zu manchen anderen Verfahren für die Herstellung von Beschichtungen mit einem hochschmelzenden Material oder von Beschichtungen mit in metastabiler Phase oder in metastabilen Phasen vorliegendem Material.
Eine in jüngerer Vergangenheit entwickelte Variante der physikalischen Gasphasenabscheidung ist dem Fachmann unter dem Namen Jet Vapor Deposition, abgekürzt: JVD, bekannt. Die Jet Vapor Deposition beruht auf dem Prinzip, das Ausgangsmaterial, beispielsweise in einem Tiegel, zu verdampfen und das sodann in Gasphase vorliegende Material mit vergleichsweise hohem Druck gezielt in Richtung der zu beschichtenden Fläche zu führen. Die zu beschichtende Fläche befindet sich üblicherweise in einer Atmosphäre, die gegenüber der im Tiegel vorherrschenden Atmosphäre einen Unterdruck aufweist. Die zu beschichtende Fläche befindet sich üblicherweise in einem Vakuum mit bevorzugt weniger als 100 mbar Druck, beispielsweise zwischen 30 mbar und 100 mbar, was in der großtechnischen Umsetzung ein guter Kompromiss zwischen guten Eigenschaften der Beschichtung sowie Aufwand ist, insbesondere dem apparativem Aufwand bei der Herbeiführung und Aufrechterhaltung des Vakuums.
Das Verfahren der JVD entfaltet seine Vorteile insbesondere bei der großflächigen Beschichtung von großen Flächen, insbesondere auch von metallischem Band wie insbesondere Stahlband. Ein Vorteil der JVD ist, dass aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks, mit welchem das in Gasphase vorliegende Material zu der zu bedampfenden Fläche gerichtet wird, eine Beschichtung bei hohen Bandgeschwindigkeiten und folglich bei guter Wirtschaftlichkeit möglich ist.
Aus der WO 2016/042079 A1 geht eine Vorrichtung hervor, mit der ein Ausgangsmaterial in die Gasphase gebracht werden kann und sodann auf eine zu bedampfende Fläche gerichtet werden kann. Das zur Ausbildung der jeweiligen Beschichtung eingesetzte Material liegt draht- oder bandförmig vor. Das Ausgangsmaterial wird in den Einflussbereich eines elektrischen Lichtbogens gebracht, wobei vorzugsweise zwei Drähte oder zwei Bänder des Ausgangsmaterials vorliegen, von denen eines als Kathode und eines als Anode mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle geschaltet wird und mit der Gleichspannungsquelle eine zur Bildung eines Lichtbogens ausreichende Spannung eingestellt wird. Das mittels der Energie des Lichtbogens geschmolzene und/oder verdampfte Material strömt mittels eines Gasstromes eines Gases oder Gasgemisches in das Innere einer auf eine Temperatur, die mindestens der Verdampfungstemperatur des mindestens einen zur Beschichtung eingesetzten Materials oder des Materials mit der jeweils höchsten Verdampfungstemperatur entspricht, erhitzten Kammer, den sogenannten Tiegel, durch einen Einlass ein. Dabei verdampft/verdampfen das/die Material/ien in dem Tiegel vollständig und tritt/treten durch eine an dem Tiegel vorhandene Öffnung aus. Das/die verdampfte Material/ien trifft/treffen auf die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils, des bandförmigen Materials oder Werkstücks zur Ausbildung der jeweiligen Beschichtung auf.
Sowohl die oben beschriebene JVD als auch das in der WO 2016/042079 A1 beschriebene Verfahren sind zwei Vertreter für eine Gasphasenabscheidung, bei der das Ausgangsmaterial in einem Verdampfungsabschnitt, im Falle der WO 2016/042079 A1 mit einem Verdampfungsabschnitt bestehend aus einem Tiegel zum Bedampfen und eine vorgelagerten Lichtbogenverdampfer, in seine Gasphase gebracht wird und sodann mit einem Düsenabschnitt zu der zu beschichtenden Fläche hin gerichtet wird. Die Bewegung der die Gasphase bildenden Teilchen wird zumindest im Wesentlichen, bevorzugt vollständig, herbeigeführt durch den Druckunterschied zwischen Verdampfungsabschnitt und dem Raum, beispielsweise einer Vakuumkammer, in dem die zu beschichtende Fläche sich befindet oder durch welche diese hindurchgeführt wird. Optional kann die Bewegung der Teilchen durch ein entsprechend geführtes Trägergas unterstützt werden.
Bei Vorrichtungen für die Gasphasenabscheidung eines Materials, insbesondere bei den Vorrichtungen der vorgenannten Art, ist für eine gute Einstellbarkeit der Eigenschaften der Beschichtung wie beispielsweise ihrer Schichtdickenverteilung, die Umsetzung der Zuführung der in der Gasphase befindlichen Bestandteile des Materials, also der Atome und/oder Ionen des Materials, zu der Oberfläche hin von entscheidender Bedeutung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zuführung von in Gasphase vorliegendem Material zu einer zu beschichtenden Oberfläche zu erlauben.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Düsenabschnitt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie mit einer Bandbeschichtungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Erfindungsgemäß wird ein Düsenabschnitt bereitgestellt. Dieser Düsenabschnitt ist vorgesehen und geeignet, an einen Verdampfungsabschnitt einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials angeordnet zu werden. Bevorzugt handelt es sich um eine Wechseldüse, welche je nach gewünschter Führung der in Gasphase vorliegenden Bestandteile des Materials ausgewählt und an eine entsprechende Anschlusseinrichtung des Verdampfungsabschnitts, beispielsweise einen Bajonettverschluss des Verdampfungsabschnitts, temporär angeordnet und nach Gebrauch wieder entfernt werden kann. Es kann aber auch eine dauerhafte Anordnung, beispielsweise mittels Anlötens oder Anschweißens oder Verschraubens, vorgesehen sein.
Im Rahmen der gesamten Beschreibung werden die Begriffe der Gasphase und des Verdampfens verwendet, da sie im Bereich der JVD-Technologie üblich sind. Der Begriff der Gasphase umfasst dabei, dass ein geringer Gewichtsanteil, beispielsweise bis zu 30 Gewichtsprozent, bevorzugt nicht mehr als 10 Gewichtsprozent, des in Gasphase vorliegenden Materials nicht in Gasphase im physikalischen Sinne, sondern stattdessen als Dampf, als Aerosol und/oder als Cluster vorliegen kann. Der Begriff des Verdampfens umfasst, dass je nach verwendetem Material und nach verwendeter Technologie der Übergang der Teilchen in die Gasphase zumindest teilweise auch mittels anderer Mechanismen erfolgt, beispielsweise durch Sublimation. Der Begriff des Verdampfens umfasst somit zusätzlich zu einem Verdampfen im streng physikalischen Sinne, also einen Übergang „flüssig -> Gasphase“, auch weitere Mechanismen, wie insbesondere die Sublimation.
Der Düsenabschnitt weist einen inneren Hohlraum auf, der von einem Düseneingang zu einem Düsenausgang führt. Der Düseneingang weist eine erste Öffnungsform auf und der Düsenausgang weist eine zweite Öffnungsform auf. Insbesondere unterscheiden die erste Öffnungsform und die zweite Öffnungsform sich, das heißt: der Zweck des Düsenabschnitts ist, eine Verteilung des in Gasphase vorliegenden Materials von einer Verteilung am Düseneingang hin zu einer Verteilung am Düsenausgang gezielt zu verändern, nämlich von einer ersten Öffnungsform hin zu einer zu der ersten Öffnungsform unterschiedlichen zweiten Öffnungsform. Der Begriff der Öffnungsform umfasst die Form und den Flächeninhalt der Fläche, die von der den Eingang begrenzenden Eingangskante beziehungsweise von der den Ausgang begrenzenden Ausgangskante begrenzt wird.
Der Düsenabschnitt ist ausgebildet und geeignet, das in Gasphase vorliegende Material, das aus einer Austrittsöffnung des Verdampfungsabschnitts durch den Düseneingang in den inneren Hohlraum eintritt, von dem Düseneingang her zu dem Düsenausgang hin zu führen.
Die Eignung zum Führen des in Gasphase vorliegenden Materials zwischen Düseneingang und Düsenausgang ist zum einen dahingehend zu verstehen, dass der Düsenabschnitt aus Materialien bestehen muss, welcher den jeweils vorherrschenden Verdampfungsbedingungen standhält, das heißt, welcher sowohl den Umgebungsbedingungen in der Beschichtungsanlage als auch den Rahmenbedingungen des Verdampfungsvorgangs standhält. Letzteres bedeutet insbesondere, dass der Düsenabschnitt teilweise oder vollständig aus einem oder mehreren Materialien besteht, die der Temperatur des durch den Düsenabschnitts strömenden Materials für eine ausreichende Zeit widersteht. Zusätzlich ist, je nach verdampftem Material, auch die chemische Beständigkeit der mit dem Material in Kontakt kommenden Oberflächen des Düsenabschnitts sicherzustellen, beispielsweise durch die Auswahl des Materials, aus dem der Düsenabschnitt besteht und/oder durch Beschichtung der mit dem Material in Kontakt kommenden Oberflächen, insbesondere der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums. Es kann sich bei dem Düsenabschnitt beispielsweise um ein keramisches Bauteil handeln oder alternativ um ein metallisches Bauteil, etwa ein stählernes Bauteil. Auch eine Ausführung des Düsenabschnitts aus Graphit ist möglich. Um die innere Mantelfläche des inneren Hohlraums in seiner Temperaturbeständigkeit und/oder seiner chemischen Beständigkeit zu verbessern, ist die innere Mantelfläche optional teilweise oder vollständig mit einer keramischen Beschichtung versehen, was insbesondere dann seine Vorteile entfaltet, wenn der Düsenabschnitt ein metallisches, beispielsweise stählernes, oder ein aus Graphit gefertigtes Bauteil ist.
Zum anderen ist die Eignung des Düsenabschnitts zum Führen des in Gasphase vorliegenden Materials dahingehend zu verstehen, dass der Hohlraum vom Düseneingang hin zum Düsenausgang führt; der Düsenabschnitt dient also dazu eine Führung des in Gasphase vorliegenden Materials in Richtung des Düsenausgangs herbeizuführen, um hierdurch ein zielgerichtetes Ausströmen des Materials zu bewirken um dieses sodann beispielsweise einer vor dem Düsenausgang befindlichen Oberfläche zuzuführen.
Das Führen des in Gasphase vorliegenden Materials in der gewünschten Weise konnte von den Entwicklern in besonders vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass der innere Hohlraum des Düsenabschnitts derart ausgeformt ist, dass ausgehend von dem Düseneingang hin zum Düsenausgang eine von der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums begrenzte Querschnittsfläche des inneren Hohlraums in kontinuierlich stetiger Weise verläuft, bevorzugt sich in kontinuierlich stetiger Weise verändert.
Mit einem kontinuierlich stetigen Verlauf der von der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums begrenzten Querschnittsfläche kann insbesondere verstanden werden, dass die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums als Funktion des Abstands von dem Düseneingang hin zum Düsenausgang kontinuierlich stetig verläuft.
Eine kontinuierlich stetige Veränderung der von der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums begrenzten Querschnittsfläche kann insbesondere dahingehend verstanden werden, dass wenigstens eine Führungslinie existiert, die vom Düseneingang zum Düsenausgang führt, wobei entlang der Führungslinie sich die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums kontinuierlich stetig verändert.
Die beschriebenen Eigenschaften sind dahingehend zu verstehen, dass zumindest eine Linie, bevorzugt gerade Linie, als Führungslinie gewählt werden kann, die vom Düseneingang zum Düsenausgang läuft derart, dass die entlang der Führungslinie betrachtete sich verändernde Querschnittsfläche in kontinnuierlich stetiger Weise verläuft oder sich in kontinuierlich stetiger Weise verändert. Der Begriff der Querschnittsfläche bezeichnet dabei diejenige ebene Fläche, die an einem Punkt die Führungslinie schneidet und zu dieser senkrecht steht und zudem von der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums begrenzt wird.
Bevorzugt ist, dass die Führungslinie eine gerade Linie ist, welche senkrecht zur Ebene liegt, welche die Begrenzungslinie des Düseneingangs aufweist, das heißt eine zum Düseneingang senkrechte Linie. Bevorzugt sind Düseneingang und Düsenausgang parallel zueinander orientiert, so dass die den Düseneingang begrenzende Linie und die den Düsenausgang begrenzende Linie jeweils in einer Ebene liegen, wobei die beiden Ebenen parallel zueinander orientiert sind. In diesem Fall verläuft die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums in Funktion des Abstands von dem Düseneingang in kontinuierlich stetiger Weise.
Eine bevorzugte Variante des kontinuierlich stetigen Verlaufs der Querschnittsfläche ist dahingehend zu verstehen, dass die Querschnittsfläche in Funktion der Position auf der Führungslinie oder in Funktion des Abstands von dem Düseneingang keine Knickstellen aufweist. Mit anderen Worten heißt dies, dass die erste Ableitung der Funktion, welche den Querschnittsflächeninhalt in Abhängigkeit von der Position auf der Führungslinie oder in Abhängigkeit von dem Abstand von dem Düseneingang keine Sprünge aufweist, das heißt: eine stetige Funktion im mathematischen Sinne ist.
Mit einer kontinuierlich stetigen Veränderung der von der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums begrenzten Querschnittsfläche kann insbesondere verstanden werden, dass die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums als Funktion des Abstands von dem Düseneingang hin zum Düsenausgang sich kontinuierlich stetig verändert. Eine kontinuierliche Veränderung ist als Spezialfall eines kontinuierlich stetigen Verlaufs anzusehen, der umfasst, dass bei steigenden Abstand von dem Düseneingang hin zum Düsenausgang eine Änderung der Querschnittsfläche vorliegt und kein Abschnitt existiert, in dem die Querschnittsfläche konstant bleibt. Mathematisch ausgedrückt ist bei einer kontinuierlich sich verändernden Querschnittsfläche die zweite Ableitung der Querschnittsfläche in Abhängigkeit von dem Abstand immer ungleich Null. Eine kontinuierlich sich verändernde Querschnittsfläche ist also eine kontinuierlich verlaufende Querschnittsfläche, die zusätzlich in keinem Abschnitt ihres Verlaufs konstant bleibt.
Durch einen gemäß solcher Funktion herbeigeführten Verlauf der Querschnittsfläche vom Düseneingang zum Düsenausgang hin wird bewirkt, dass zwischen Düseneingang und Düsenausgang ein durchgängiger Hohlraum vorhanden ist, welcher eine besonders gute und gleichmäßige Schichtdickenverteilung der Schicht herbeiführt, die mit dem in Gasphase aus dem Düsenausgang ausströmenden Ausgangsmaterial gebildet wird.
Die gleichmäßige Strömung wird erreicht, indem von einer ersten Öffnungsform des Düseneingangs zu einer zweiten Öffnungsform des Düsenausgangs eine kontinuierlich stetige Querschnittsänderung erfolgt, ohne dass abrupte Formänderungen vorgesehen werden, die einen nachteiligen Einfluss auf den Materialstrom hätten, beispielsweise durch Herbeiführung von Verwirbelungen.
Bevorzugt ist die innere Mantelfläche mit einer Schutzbeschichtung beschichtet, um die Haltbarkeit des Düsenabschnitts zu erhöhen. Bevorzugt handelt es sich bei der Schutzbeschichtung um eine keramische Schutzbeschichtung, beispielsweise eine Bornitrid enthaltende oder aus Bornitrid bestehende keramische Schutzbeschichtung. Bornitrid aufweisende Beschichtungen weisen den Vorteil auf, neben einer hohen mechanischen Widerstandsfähigkeit, beispielsweise Härte, über eine hohe chemische Beständigkeit zu verfügen, wodurch die Lebensdauer des Düsenabschnitts verlängert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass alternativ oder zusätzlich die innere Mantelfläche teilweise oder vollständig mit einem Schutzbelag plattiert ist. Der Schutzbelag ist bevorzugt ein keramischer Schutzbelag, der beispielsweise Bornitrid oder Graphit enthalten kann oder aus Bornitrid oder aus Graphit bestehen kann.
Zusammengefasst kann also vorgesehen sein, dass der Düsenabschnitt vollständig aus einem oder mehreren Materialien besteht mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunkts des in Gasphase vorliegenden Materials, bevorzugt wenigstens teilweise, besonders bevorzugt vollständig, aus Graphit, und/oder die innere Mantelfläche teilweise oder vollständig mit einem Schutzbelag plattiert ist, bevorzugt mit einem keramischen Schutzbelag, besonders bevorzugt enthaltend Bornitrid oder bestehend aus Bornitrid oder enthaltend Graphit oder bestehend aus Graphit, und/oder die innere Mantelfläche teilweise oder vollständig mit einer Schutzbeschichtung beschichtet ist, bevorzugt mit einer keramischen Schutzbeschichtung, besonders bevorzugt enthaltend Bornitrid oder bestehend aus Bornitrid oder enthaltend Graphit oder bestehend aus Graphit.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Düsenabschnitts ist dadurch charakterisiert, dass der Düseneingang quadratisch ist, also seine Randlinie eine quadratische Fläche umschreibt. Eine andere bevorzugte Weiterbildung des Düsenabschnitts ist dadurch charakterisiert, dass der Düseneingang rund ist, also seine Randlinie einen Kreis umschreibt; die erste Öffnungsform ist also kreisförmig. Alternativ oder zusätzlich weist der Düsenausgang in dieser Weiterbildung einen Längsschlitz auf, das bedeutet insbesondere einen Längsschlitz mit rechteckiger Fläche, welche mit einer Seite eine deutlich längere Erstreckung aufweist als in der anderen Seite, beispielsweise wenigstens die vier-, bevorzugt wenigstens die zehnfache Längserstreckung, wobei die Längserstreckung der längeren Seite besonders bevorzugt zwischen dem 18- und dem 2000-fachen der Erstreckung der kürzeren Seite beträgt. Die zweite Öffnungsform ist also Längsschlitz-förmig, wodurch erreicht wird, dass auf einem Band eine Beschichtung aufgebracht wird, welche in senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bands weisende Richtung sehr gute Gleichmäßigkeit der Dicke der Beschichtung auf dem Band aufweist.
Bevorzugt weisen die von dem Düseneingang begrenzte Fläche und die von dem Düsenausgang begrenzte Fläche den im Wesentlichen gleichen Flächeninhalt, beispielsweise einen um maximal 5 Prozent abweichenden Flächeninhalt, auf.
Eine Weiterbildung des Düsenabschnitts ist dadurch charakterisiert, dass ausgangsseitig eine Anschlussstruktur vorhanden ist, an welcher ein weiterer Führungsabschnitt angeordnet werden kann. Beispielsweise kann neben dem Düsenausgang oder den Düsenausgang umgreifend ein Anschlussstutzen oder mehrere Anschlussstutzen angeordnet sein, eventuell auch ausgeformt als ein Teil eines Bajonettverschlusses, so dass nach dem Düsenabschnitt, also zwischen Düsenausgang und Bandoberfläche, bedarfsweise eine weitere das in Gasphase vorliegende Material leitende Struktur, die eine zur Anschlussstruktur komplementäre Anschlussstruktur aufweist, angeordnet werden kann.
Optional kann in einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass im inneren Hohlraum ein Leitelement angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Befestigungsstruktur, beispielsweise ein Haken oder eine Öse, innerhalb des Hohlraums ausgebildet sein, die zur Anordnung eines Leitelements vorgesehen und ausgeführt ist. Ein Leitelement kann beispielsweise als Lamelle ausgebildet sein, die zur gezielten Führung und/oder Verwirbelung von dem in Gasphase vorliegenden Material dient.
Bevorzugt ist der Düsenabschnitt zumindest teilweise, bevorzugt vollständig mittels CNC-Fräsens und/oder mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Düsenabschnitt aus wenigstens zwei Teilen zusammengesetzt ist, bevorzugt gefügt ist. Beispielsweise kann der Düsenabschnitt nach der Herstellung der wenigstens zwei Teile durch Ineinanderstecken dieser wenigstens zwei Teile und/oder durch Verschweißen und/oder durch Verschrauben dieser zwei Teile gebildet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Düsenabschnitt mittels Sinterns von zwei oder mehr sinterbaren Teilen zusammengesetzt ist, was insbesondere bei metallischen Materialien mit hohem Schmelzpunkt seine Vorteile entfaltet.
In einer Ausführungsform umfasst der Begriff des in kontinuierlich stetiger Weise erfolgenden Verlaufs der Querschnittsfläche zumindest, dass die Ausformung des inneren Hohlraums derart gewählt ist, dass jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche eine vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthalten, knickstellenfrei verläuft, bevorzugt: Der innere Hohlraum ist kantenfrei.
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt alternativ, besonders bevorzugt: zusätzlich, die Veränderung der Querschnittsfläche in Funktion der Position auf der Führungslinie oder in Funktion des Abstands von dem Düseneingang knickstellenfrei.
Besonders bevorzugt ist die Querschnittsfläche in Funktion der Position auf der Führungslinie oder in Funktion des Abstands von dem Düseneingang eine konkave Funktion oder eine konvexe Funktion oder eine lineare Funktion.
Auch eine Kombination der vorgenannten ist möglich, das heißt: eine abschnittsweise Folge von Funktionsabschnitten, die jeder für sich die genannten Eigenschaften erfüllen.
Insbesondere kann gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass der innere Hohlraum derart ausgeformt ist, dass jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche eine vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthalten, entweder als konkave Funktion oder als konvexe Funktion oder als lineare Funktion im mathematischen Sinne bezüglich einer Linie beschrieben werden kann, welche die Führungslinie enthält oder zu dieser parallel ist wobei bevorzugt die Führungslinie geradlinig ist und die Gerade, welche die Führungslinie enthält, als x-Achse angesehen wird. Mit anderen Worten ist der Düsenabschnitt bevorzugt derart ausgeformt, dass bei einer vollständigen Rotation einer die Führungslinie enthaltenden Ebene ausschließlich Schnitte der Ebene mit der inneren Mantelfläche gebildet werden, welche entweder als konkave Funktion oder als konvexe Funktion oder als Linie beschrieben werden kann, wenn die wie oben beschrieben gebildete x-Achse und eine senkrecht zur x-Achse vorliegende y-Achse als kartesisches Koordinatensystem angesehen werden können, das in einer Ebene mit der Schnittlinie liegt. Ganz besonders bevorzugt ist, dass bei einer vollständigen Rotation einer die Führungslinie enthaltenden Ebene ausschließlich Schnitte der Ebene mit der inneren Mantelfläche gebildet werden, welche entweder alle als konkave Funktion oder alle als konvexe Funktion oder alle als gerade Linie beschrieben werden können.
Mit der obigen Beschreibung wie auch der eingangs aufgeführten Erläuterung der erfindungsgemäß vorzunehmenden Maßnahmen wird deutlich, dass bei gegebenen Formen von Düseneingang und Düsenausgang stets eine Vielzahl von möglichen Ausführungen möglich ist. Erfindungswesentlich und in den beschriebenen Weiterbildungen weiter ausgeführt ist, dass die Ausformung des Hohlraums aus Sicht des durch den Düsenabschnitt strömenden Materials ohne abrupte Formänderungen erfolgt, sondern dass eine möglichst gleichmäßige Führung gewährleistet wird. Dem Fachmann ist stets möglich, eine geeignete Lösung hierfür innerhalb des oben abgegrenzten Rahmens zu finden, beispielsweise durch die speziellen Ausführungen, wie insbesondere der knickstellenfreien Schnittlinien und/oder der knickstellenfreien Querschnittsflächenänderung. Dass eine denkbare Lösung stets existiert, ergibt sich aus der in der Mathematik bekannten Minimalfläche, wobei eine als Minimalfläche ausgebildeter Innenmantel, der durch Düseneingang und Düsenausgang gebildet wird, ein Beispiel aus den dem Fachmann zur Verfügung stehenden Ausführungen der Begrenzung des inneren Hohlraums ist. Die konkrete Form des Innenmantels ist nicht erfindungswesentlich, wichtig ist für das Ziel der Erfindung eine Vermeidung von unnötigen Verwirbelungen, welche beispielsweise durch die oben erläuterte knickstellenfreie Formgebung gewährleistet wird.
Besonders bevorzugt liegt der Düseneingang in einer ersten Ebene und der Düsenausgang in einer zweiten Ebene, wobei die erste Ebene zu der zweiten Ebene parallel orientiert ist und wobei eine Gerade, welche die erste Ebene und die zweite Ebene in ihrem jeweiligen geometrischen Schwerpunkt schneidet, sowohl zu der ersten Ebene und zu der zweiten Ebene senkrecht orientiert ist. Bei einer derartigen Ausführung von Düseneingang und Düsenausgang ist besonders bevorzugt, wenn der innere Hohlraum derart spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, dass die die vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie die Spiegelachse jedes Schnittlinienpaares ist, das sich durch den Schnitt der inneren Mantelfläche mit der Ebenenschar aller Ebenen bildet, welche die Führungslinie aufweisen.
In einer Ausführungsform ist der Düsenabschnitt bevorzugt derart ausgebildet, dass der Düseneingang und der Düsenausgang parallel zueinander positioniert sind.
Weiter ist in einer Ausführungsform der innere Hohlraum, der Düseneingang und der Düsenausgang sind derart ausgeformt, dass eine Führungslinie existiert, die sowohl den Düseneingang als auch den Düsenausgang senkrecht schneidet, wobei alle Ebenen, welche die Führungslinie enthalten, mit der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums auf folgende Weise Schnittlinien bilden:

Jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche die vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthalten, kann
- - entweder als konkave Funktion, oder
- - als konvexe Funktion, oder
- - als lineare Funktion, oder
- - als abschnittsweise Kombination aus einer oder mehreren linearen Funktionen mit einer oder mehreren konkaven Funktionen, oder
- - als abschnittsweise Kombination aus einer oder mehreren linearen Funktionen mit einer oder mehreren konvexen Funktionen bezüglich der Führungslinie beschrieben werden, wenn eine die Führungslinie enthaltende Gerade als x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems angesehen wird. Mit anderen Worten ist der innere Hohlraum gemeinsam mit den diesen begrenzenden Öffnungen, das heißt: dem Düseneingang und dem Düsenausgang, derart ausgeformt, dass die Ebenen, welche die Führungslinie enthalten, die innere Mantelfläche auf eine der oberen Weisen schneiden. Bevorzugt sind alle Paare aus zwei Schnittlinien zu der Führungslinie achsensymmetrisch.
Besonders bevorzugt gilt für jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche die vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthalten, dass sie
- - entweder eine konkave Funktion ist, oder
- - sie eine konvexe Funktion ist, oder
- - sie eine lineare Funktion ist, oder
- - sie genau einen linearen Abschnitt und genau einen konvexen Abschnitt aufweist, oder
- - sie genau einen linearen Abschnitt und genau einen konkaven Abschnitt aufweist bei Betrachtung der Schnittlinie in der oben beschriebenen Weise relativ zu der Führungslinie.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in welcher der Düseneingang kreisrund ist und der Düsenausgang rechteckig oder im Wesentlichen rechteckig. Im Wesentlichen rechteckig bedeutet dabei, dass der Düsenausgang rechteckig ist, allerdings die Ecken abgerundet sind. Der rechteckige oder im Wesentlichen rechteckige Düsenausgang weist eine erste Kantenlänge auf, die kleiner ist als der Durchmesser des Düseneingangs, und eine zweite Kantenlänge auf, die größer ist als der Durchmesser des Düseneingangs.
Die Ebene, welche die vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthält und die parallel zu der ersten Kantenlänge orientiert ist, bildet mit der inneren Mantelfläche zwei Schnittlinien, nachfolgend als Verkleinerungsschnittlinien bezeichnet, die entlang ihrer Gesamterstreckung zwischen Düseneingang und Düsenausgang geradlinig sind und dabei in Richtung des Düsenausgangs aufeinander zulaufend orientiert sind. Die Ebene, welche die vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthält und die parallel zu der zweiten Kantenlänge orientiert ist, bildet mit der inneren Mantelfläche zwei Schnittlinien, die nachfolgend als Vergrößerungsschnittlinien bezeichnet werden, und die entlang ihrer Gesamterstreckung zwischen Düseneingang und Düsenausgang geradlinig sind und dabei in Richtung des Düsenausgangs voneinander weglaufend orientiert sind. Das bedeutet, dass die zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen, die parallel beziehungsweise senkrecht zu den Öffnungskanten des rechteckig ausgebildeten Düsenausgangs orientiert sind, mit der inneren Mantelfläche gerade Schnittlinien bilden. Diese Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass sie eine innere Mantelfläche mit besonders gleichmäßigem Verlauf zwischen Düseneingang und Düsenausgang herbeiführt, mit der gute Strömungseigenschaften des verdampften Materials beobachtet wurden.
In einer speziellen bevorzugten Ausführungsform ist die Ausformung des inneren Hohlraums derart, dass die innere Mantelfläche die Minimalfläche im mathematischen Sinn ist, welche von Düseneingang und Düsenausgang begrenzt ist und welche die Verkleinerungsschnittlinien und die Vergrößerungsschnittlinien im oben definierten Sinn enthält oder die innere Mantelfläche maximal um 10 Prozent ihres Flächeninhalts von dieser Minimalfläche abweicht. Mit der Ausformung eines inneren Hohlraums mit einer inneren Mantelfläche, die eine derartige Minimalfläche ist oder dieser nahe ist, konnten besonders gute Strömungseigenschaften beobachtet werden.
Bevorzugt ist das Verhältnis aus zweiter Kantenlänge zu erster Kantenlänge wenigstens 10, bevorzugt wenigstens 20, besonders bevorzugt wenigstens 50, sodass der rechteckige Düsenausgang schlitzförmig ausgebildet ist. Besonders bevorzugt sind alternativ oder zusätzlich der Flächeninhalt des Düseneingangs und der Flächeninhalt des Düsenausgangs gleich mit dem Vorteil einer besonders gleichmäßigen Strömung.
Düseneingang und Düsenausgang sind bevorzugt derart zueinander orientiert sind, dass die Führungslinie den geometrischen Mittelpunkt von beiden senkrecht schneidet. In dieser Ausführung hat der Düsenabschnitt ein besonders hohes Maß an geometrisches Symmetrie mit vorteilhaften Folgen für das Strömungsverhalten.
In einer Ausführungsform ist der Düsenabschnitt als eine an einen Verdampfungsabschnitt einer Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials ankoppelbare Düse ausgebildet, das heißt die gesamte Düse ist mit dem Düsenabschnitt identisch.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials, die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Düsenabschnitts oder seiner Weiterbildung hergestellt ist.
Die Vorrichtung weist einen Verdampfungsabschnitt auf, in welchem ein Ausgangsmaterial verdampft wird, das dem Verdampfungsabschnitt zugeführt wird oder zugeführt ist. Das Verdampfen erfolgt in die Gasphase hinein. Für das Verdampfen kann beispielsweise ein thermisches Verdampfen und/oder ein PVD-Verdampfen vorgesehen sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verdampfungsabschnitt jedoch um einen Lichtbogenverdampfer mit nachgeschaltetem thermischen Verdampfungsunterabschnitt, beispielsweise in derjenigen Konstellation, die in der eingangs genannten WO 2016/042079 A1 als erfindungsgemäß ausgeführter Lichtbogenverdampfer beschrieben ist und der an einen als Verdampfungstiegel ausgebildeten Verdampfungsunterabschnitt angekoppelt ist und mit diesem zusammen den Verdampfungsabschnitt bildet. Der beispielhaft erwähnte Lichtbogenverdampfer sieht vor, dass das Ausgangsmaterial über eine Zuführvorrichtung zuführbar ist und als Kathode und/oder Anode schaltbar ist, wobei an der Vorrichtung eine Elektrizitätsquelle anordenbar ist zum Ausbilden eines Lichtbogens zwischen Anode und Kathode. Dies erfolgt derart, dass das Ausgangsmaterial schmilzt und/oder verdampft zum anschließenden Führen durch den Verdampfungsunterabschnitt hindurch zur Austrittsöffnung hin, bevorzugt mittels eines Gasstromes eines Gases oder Gasgemisches.
Besonders bevorzugt ist, dass die Zuführvorrichtung einen ersten Zuführeinlass und einen zweiten Zuführeinlass umfasst, wobei ein erstes Ausgangsmaterial in die erste Zuführvorrichtung und das zweite Ausgangsmaterial in die zweite Zuführvorrichtung eingeführt wird und das erste Ausgangsmaterial als Kathode geschaltet ist und das zweite Ausgangsmaterial als Anode geschaltet ist. Bevorzugt sind das erste Ausgangsmaterial und das zweite Ausgangsmaterial gleich. Bevorzugt ist das erste Ausgangsmaterial an eine Elektrizitätsquelle angeordnet und als Anode geschaltet und das zweite Ausgangsmaterial mit einer Elektrizitätsquelle als Kathode geschaltet. Die Spannung zwischen Anode und Kathode wird ausreichend hoch eingestellt, um das Schmelzen und/oder Verdampfen des Ausgangsmaterials herbeizuführen. An dem Verdampfungsort wird ein Gasstrom vorbeigeführt aus einem Gas oder Gasgemisch, welcher das Ausgangsmaterial nach dem Verdampfen oder Schmelzen wegführt.
An den Verdampfungsabschnitt heran ist der Düsenabschnitt angeordnet. Dieser schließt mit seinem Düseneingang an die Austrittsöffnung des Verdampfungsabschnitts an, so dass der Düsenabschnitt das in Gasphase vorliegende Material, insbesondere in der beschriebenen speziellen Ausführungsform, das aus der Austrittsöffnung des Verdampfungsabschnitts durch den Düseneingang des Düsenabschnitts in den inneren Hohlraum eintritt, von dem Düseneingang her zum Düsenausgang hin führt. In einer besonders bevorzugten speziellen Ausführungsform sind die Austrittsöffnung und der Düseneingang mit derselben Form und demselben Flächeninhalt ausgebildet.
Zwischen Ausgangsmaterial und Austrittsöffnung ist bevorzugt eine erwärmbare Kammer, der sogenannte Tiegel, beispielsweise der oben erwähnte Verdampfungsunterabschnitt, angeordnet, die derart ausgeführt ist, dass das Ausgangsmaterial in sie hinein und durch sie zur Austrittsöffnung hinströmt, wobei die Kammer auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials oder der höchsten Verdampfungstemperatur der Bestandteile des Ausgangsmaterials erwärmbar ist zum vollständigen Verdampfen des Ausgangsmaterials in die Gasphase hin.
Das mittels des Lichtbogens zu verdampfende draht- oder bandförmige Material oder die zu verdampfenden Materialien (beispielsweise Eisen, Zn, Al, Mg oder Legierungen mit oder aus mehreren der vorgenannten) kann beziehungsweise können in Form von Drähten mit einem Durchmesser oder einer Breite eines Bandes im Bereich weniger Millimeter vorliegen. Ein draht- oder bandförmiges Material kann mit der Anode, der andere mit der Kathode einer elektrischen Gleichstromquelle verbunden sein, die in der Lage ist, bei einer elektrischen Spannung zwischen 10 Volt und 80 Volt elektrische Ströme zwischen 20 Ampere und 200 Ampere zu liefern. Die jeweils gewählten elektrischen Spannungen und Ströme hängen von den zu verdampfenden Materialien ab. Für Fe können beispielsweise U = 30 Volt und I = 80 Ampere gewählt werden. Die Kontaktierung weist vorteilhafterweise gut leitendes Material auf, beispielsweise Kupfer, und ist bevorzugt als durchbohrtes Stabmaterial ausgeführt, wobei die Bohrung zur Einführung des drahtförmigen Ausgangsmaterial vorgesehen ist.
Die elektrische Spannung kann beispielsweise in der beschriebenen Weise angelegt werden, wodurch das Zünden eines Lichtbogens zwischen den Enden der draht- oder bandförmigen Materialien herbeigeführt wird, wenn ein erstes Ende als Anode und ein zweites Ende als Kathode betrieben wird.
Die Kammer ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet.
Der Düsenabschnitt besteht bevorzugt vollständig aus einem oder mehreren Materialien, die einen Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunkts des Ausgangsmaterials aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Düsenabschnitt teilweise oder vollständig aus Graphit besteht.
Besonders bevorzugt weisen die Ausgangsöffnung und der Düseneingang aneinander angepasste Öffnungen auf, insbesondere Öffnungen, die eine gleiche Öffnungsfläche aufweisen.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung betrifft eine Bandbeschichtungsanlage. Die Bandbeschichtungsanlage umfasst eine Vakuumkammer, die zur Durchführung des zu beschichtenden Bands ausgebildet ist, das bedeutet, das zu beschichtende Band fährt in die Vakuumkammer hinein und aus dieser wieder heraus, wobei entweder die zuvor beschriebene Vorrichtung zum Gasphasenabscheiden eines Materials innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist und der Düsenausgang auf die zu beschichtende Oberfläche des zu beschichtenden Bands gerichtet ist oder alternativ ein Abschnitt der zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Gasphasenabscheiden außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, jedoch zumindest ein Abschnitt des Düsenabschnitts durch eine Durchführung in die Vakuumkammer eingeführt ist derart, dass der Düsenausgang auf die zu beschichtende Oberfläche des zu beschichtenden Bands gerichtet ist. Bevorzugt erstreckt sich der Düsenausgang entlang der gesamten Breite des zu beschichtenden Bands. Dies dient dem kontinuierlichen Beschichten des an diesem Ausgang vorbeigeführten Bands mit Kondensat des in Gasphase aus dem Düsenausgang austretenden Materials.
In einer speziellen Ausführung der Bandbeschichtungsanlage kann vorgesehen sein, dass die Bandbeschichtungsanlage wenigstens zwei Vorrichtungen zur Gasphasenabscheidung aufweist, nämlich eine erste Vorrichtung und eine zweite Vorrichtung, wobei der erste Düsenausgang der ersten Vorrichtung auf die erste Oberfläche des Bands gerichtet ist und der zweite Düsenausgang der zweiten Vorrichtung auf die zweite Oberfläche des Bands, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt, gerichtet ist. Es ist somit also auf jede der beiden Oberflächen des Bands der Düsenausgang jeweils einer der beiden Vorrichtungen gerichtet, so dass ein beidseitiges Beschichten des Bands ermöglicht ist.
Als Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Bandbeschichtungsanlage eine Anzahl von wenigstens zwei Vorrichtungen der eingangs genannten Art aufweist, deren jeweiliger Düsenausgang auf die erste Oberfläche des Bands gerichtet ist und zudem eine Anzahl von wenigstens zwei weiteren Vorrichtungen aufweist, deren jeweiliger Düsenausgang auf die zweite Oberfläche des Bands gerichtet ist, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Es ist somit also auf jede der beiden Oberflächen des Bands der Düsenausgang jeweils eine Anzahl mehrerer Vorrichtungen gerichtet, so dass ein beidseitiges Beschichten des Bands mit ermöglicht ist, wobei auf jeder Seite wenigstens zwei Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in Bandtransportrichtung gesehen auf jeder Seite des Bands eine Anzahl von wenigstens zwei hintereinander angeordneten Vorrichtungen zur Gasphasenabscheidung angeordnet ist, wobei die wenigstens zwei hintereinander angeordneten Vorrichtungen zur Gasphasenabscheidung unterschiedlicher Materialien auf der Bandoberfläche eingerichtet sind.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
Es zeigen:

1: perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Düsenabschnitts;
2a-2d: Schnitt A-A (2a), seitliche Aufsicht ( 2b) und Schnitt C-C (2c) des Düsenabschnitts der 1 sowie Querschnittsfläche der beispielhaften Ausführungsform in Abhängigkeit von dem Abstand zum Düseneintritt;
3a und 3b: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bandbeschichtungsanlage in Seitenansicht (3a) und in Draufsicht von unten (3b).
4a-4e: Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Düsenabschnitts.

1 ist eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, als Düse ausgebildeten, Düsenabschnitts 1 zu entnehmen. An der Position 8 befindet sich der Düseneingang 5, der an eine Austrittsöffnung des Verdampfungsabschnitts angeordnet ist, wobei von dem Verdampfungsabschnitt nur ein Abschnitt zu sehen ist, der als Andockstutzen 2a ausgebildet ist. Der Düsenabschnitt 1 weist einen inneren Hohlraum 4 auf, der von dem Düseneingang 5 zu einem Düsenausgang 6 führt. Der Düseneingang 5 weist eine kreisförmige Öffnungsform auf, das heißt: er wird von einer kreisförmigen Grenzkante begrenzt. Düsenausgang 6 weist mehrere im Wesentlichen rechteckige Grenzkanten auf, er hat demnach eine Längsschlitz-artige Öffnungsform. Der Düseneingang und der Düsenausgang sind parallel zueinander orientiert, das heißt: die Flächen, in welchen die Ränder der Öffnungen liegen, sind parallel zueinander orientiert. In der gezeigten Ausführungsform weist der innere Hohlraum 4 dahingehend Symmetrien auf, dass eine Gerade 9, welche sowohl den geometrischen Schwerpunkt des Düseneingangs 5 als auch den geometrischen Schwerpunkt des Düsenausgangs 6 enthält, sowohl zu der Ebene, die den Düseneingang 5 enthält, als auch zu der Ebene, die den Düsenausgang 6 enthält, senkrecht orientiert ist. Aus der Austrittsöffnung 10 ausströmendes, durch den Düseneingang 5 in den inneren Hohlraum 4 des Düsenabschnitts 1 eintretendes in Gasphase vorliegendes Material wird durch den inneren Hohlraum 4 des Düsenabschnitts 1 geführt und tritt aus dem Düsenausgang 6 aus. Dadurch, dass der Düsenausgang 6 eine längliche Öffnungsform aufweist, kann eine Beschichtung eines breiten Metallbands ermöglicht werden. Hierfür kann der Düsenabschnitt derart an die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung eines Materials angeordnet werden, dass ein zu beschichtendes Metallband in zur Längserstreckung des Düsenausgangs senkrechter Richtung geführt wird, diese Richtung ist mit dem Pfeil 11 gezeigt. Um eine turbulenzfreie Führung des in Gasphase vorliegenden Materials und einen möglichst gleichmäßigen Austritt des Materials aus dem Düsenausgang 6 zu erlauben, ist der innere Hohlraum 4 des Düsenabschnitts 1 in erfindungsgemäßer Weise ausgeformt, wie nachfolgend erläutert.
Der innere Hohlraum 4 ist derart ausgebildet, dass die beide oben genannten geometrischen Schwerpunkte aufweisende Gerade 9 als Führungslinie senkrecht zu der Ebene orientiert ist, welche die Begrenzungslinie des Düseneingangs aufweist. Bei Betrachtung dieser Achse als x-Achse verändert sich die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums, das heißt: der Flächeninhalt einer ebenen Fläche, welche von der x-Achse senkrecht durchstoßen wird und die von der inneren Mantelfläche des Hohlraum 4 begrenzt ist, in Funktion des Abstands von dem Düseneingang 5 in kontinuierlich stetiger Weise. Das bedeutet, dass die erste Ableitung dieser Funktion, also der Funktion „Flächeninhalt in Abhängigkeit vom Abstand zu dem Düseneingang“, entlang der gesamten Längserstreckung des Düsenabschnitts 1 eine stetige und knickstellenfreie Funktion ist.
Der Düsenabschnitt 1 ist derart geformt, dass beide Schnittlinien einer beliebig gewählten Ebene, welche die Führungslinie 9 enthält, mit der inneren Mantelfläche 7 entweder als konkave Funktion oder als konvexe Funktion oder als lineare Funktion beschrieben werden kann, wenn die Führungslinie 9 als x-Achse betrachtet wird mit einer zu dieser senkrechten y-Achse. Da dies für beliebig gewählte Ebenen gilt, gilt also für die Ebenenschar aller Ebenen, welche die vom Düseneingang zum Düsenausgang weisende Führungslinie enthalten, dass die jeweils gebildeten beiden Schnitte mit der inneren Mantelfläche entweder als konkave Funktion oder als konvexe Funktion oder als lineare Funktion bezüglich der x-Achse beschrieben werden kann.
Der in 2a gezeigte Schnitt A-A (gemäß 1) zeigt die Begrenzungskante des kreisförmigen Düseneingangs 5, außerdem den (in der Darstellung hinter der Papierebene befindlichen und deswegen gestrichelt ausgeführten) in Schlitzform ausgebildeten Düsenausgang sowie, ebenfalls gestrichelt, die Schnittlinie entlang Schnitt B-B (gemäß 1), mit welcher illustriert ist, wie der Übergang des Düseneingangs hin zu dem Düsenausgang ausgeführt ist. Der Übergang ist nämlich derart ausgeführt, dass mit zunehmender Entfernung von dem Düseneingang in jede senkrecht zur Führungslinie 9 weisende Richtung kontinuierlich eine Annäherung an die Gestalt des Düsenausgangs 6 erfolgt mit dem Resultat, dass bei Betrachtung ausgehend vom Düseneingang 5 in zum Düsenausgang 6 weisende Richtung eine kontinuierlich stetige Veränderung der Querschnittsfläche stattfindet.
Der Schnitt C-C, dargestellt in 2c, repräsentiert anhand eines Beispiels, dass die Schnittlinien 13a und 13b der inneren Mantelfläche 7 des inneren Hohlraums mit einer Ebene, welche die vom Düseneingang 5 zum Düsenausgang 6 weisende Führungslinie enthält, entweder als konkave Funktion oder als konvexe Funktion oder als lineare Funktion bezüglich der die Führungslinie aufweisenden Gerade beschrieben werden kann, wobei im vorliegenden Fall die Schnittlinien 13a und 13 b ganz leicht, mit bloßem Auge kaum erkennbar, nach außen gewölbt sind und somit als konkave Funktion bezüglich der Führungslinie 9 beschrieben werden kann.
Der Aufsicht der 2b ist insbesondere zu entnehmen, wie durch die Bereitstellung zweier unterschiedlich geformter Öffnungen, nämlich Düseneingang 5 und Düsenausgang 6, eine Veränderung der Erstreckung der Öffnung in einer Öffnungsebene herbeigeführt werden kann. Im dargestellten Beispiel dient dies dem Ziel, ein Beschichten eines schnelllaufenden Metallbands in seiner gesamten Breite zu ermöglichen.
2d zeigt die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums mit wachsendem Abstand von dem Düseneingang, wobei die x-Achse die Strecke zwischen Düseneingang und Düsenausgang in linearer Skala repräsentiert und die y-Achse das Vielfache der Querschnittsfläche, ebenfalls in linearer Skala, wiedergibt. In 2d ist ersichtlich, dass die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums mit wachsendem Abstand von dem Düseneingang zunächst um etwas mehr als 150 Prozent der Fläche des Düseneingangs zunimmt und hiernach wieder auf 100 Prozent absinkt, das heißt: Es liegt ein bevorzugter Spezialfall vor, gemäß welchem die von dem Düseneingang begrenzte Fläche und die von dem Düsenausgang begrenzte Fläche denselben Flächeninhalt aufweisen. Es ist ersichtlich, dass die in 2d gezeigte Funktion eine abschnittsweise Folge von einem konvexen Funktionsabschnitt, einem konkaven Funktionsabschnitt und einem konvexen Funktionsabschnitt ist, also einer Kombination „konvex, konkav, konvex“, wobei die Funktion außerdem ohne Knickstellen verläuft. Der in den 2a bis 2c gezeigte Düsenabschnitt zeichnet sich infolge der Ausformung seines inneren Hohlraums durch eine sehr gut verwirbelungsfreie Führung des in Gasphase vorliegenden Materials aus.
Der prinzipielle Aufbau einer Bandbeschichtungsanlage 14 ist 3a und 3b zu entnehmen. Wie in der seitlichen Ansicht der 3a dargestellt, weist die Bandbeschichtungsanlage 14 eine Vakuumkammer 16 auf, die zur Durchführung des zu beschichtenden Bands 15 ausgebildet ist. In die Vakuumkammer hinein ist eine Vorrichtung 3 hindurchgeführt, die insbesondere einen Düsenabschnitt 1 und einen diesem vorgelagerten Verdampfungsabschnitt 2 aufweist. Der Verdampfungsabschnitt 2 kann beispielsweise aus einer Hintereinanderschaltung eines Tiegels 2a und eines Lichtbogenverdampfers 2b zusammengesetzt sein. In dem Verdampfungsabschnitt 2 in Gasphase gebrachtes Material gelangt durch den Düseneingang 5 in den Düsenabschnitt 1, wird sodann durch den Düsenabschnitt 1 hindurch geleitet und gelangt hiernach aus dem Düsenausgang 6, der auf die zu beschichtende Oberfläche des zu beschichtenden Bands 15 gerichtet ist, in die Vakuumkammer und bildet dadurch eine kontinuierliche Beschichtung des an dem Düsenausgang vorbeigeführten Bands mit Kondensat des in Gasphase aus dem Düsenausgang austretenden Materials. 3b ist eine Darstellung einer Aufsicht der in 3a gezeigten Bandbeschichtungsanlage von unten, also in die Sichtrichtung entlang der Pfeile P1 und P2. In der Perspektive der 3b, in der aus Gründen der Klarheit auf die Darstellung des Verdampfungsabschnitts 2 verzichtet wurde, ist insbesondere gut die Ausführung des Düsenabschnitts 1 zu erkennen. Der Düsenabschnitt weist einen Düseneingang 5 mit einer ersten Öffnungsform auf, in diesem Fall kreisförmig, und einen Düsenausgang 6 mit einer zweiten Öffnungsform auf, in diesem Fall als Längsschlitz ausgebildet mit einer Längserstreckung senkrecht zur Bandtransportrichtung sowie gleichzeitig in einer zur Bandebene parallelen Ebene liegend.
4a-e sind Abbildungen einer zweiten Ausführungsform eines als Düse 1 ausgebildeten Düsenabschnitts 1 zu entnehmen. Der Düsenabschnitt 1 weist einen kreisrunden Düseneingang 5 und einen schlitzartigen Düsenausgang 6 auf. Düseneingang 5 und Düsenausgang 6 sind parallel zueinander orientiert und ihre geometrischen Mittelpunkte sind so zueinander orientiert, dass die Führungslinie 9 sowohl Düseneingang 5 als auch Düsenausgang 6 senkrecht schneidet. Alle Ebenen, welche die Führungslinie enthalten, bilden mit der inneren Mantelfläche des inneren Hohlraums 4 Schnittlinien, die entweder als konkave Funktion, als konvexe Funktion, als lineare Funktion oder als abschnittsweise Kombination aus einer oder mehreren linearen Funktionen mit einer oder mehreren konkaven Funktionen, oder als abschnittsweise Kombination aus einer oder mehreren linearen Funktionen mit einer oder mehreren konvexen Funktionen bezüglich der Führungslinie beschrieben werden kann, wenn eine die Führungslinie enthaltende Gerade als x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems angesehen wird. Eine erste Schnittebene D-D ist in 4a gekennzeichnet, es handelt sich um die Ebene, welche die Führungslinie enthält, die geometrischen Mittelpunkte von Düseneingang 5 und Düsenausgang 6 enthält und die senkrecht zu der zweiten Kantenlänge, der Längserstreckung des Düsenausgangs, orientiert ist.
4b ist eine andere Ansicht der in 4a gezeigten Düse 1; es ist insbesondere ersichtlich, dass der Düsenausgang eine rechteckige Form aufweist mit einer langen Kante K2 und einer kurzen Kante.
In der gezeigten speziellen Ausführungsform ist die innere Mantelfläche 7 so gewählt, dass diejenige Ebene, welche die Führungslinie 9 enthält und welche parallel zu der ersten Kantenlänge K1 und senkrecht zu der zweiten Kantenlänge K2 orientiert ist, mit der inneren Mantelfläche zwei geradlinige Schnittlinien bildet, die bei Betrachtung in von Düseneingang 5 zu Düsenausgang 6 weisender Richtung aufeinander zulaufen, wie mit der Darstellung des Schnitts D-D in 4c gut ersichtlich ist. Die auf dieser Ebene senkrechte Ebene, in 4b durch den Schnitt E-E repräsentiert, bildet mit der inneren Mantelfläche zwei Schnittlinien, die bei Betrachtung in von Düseneingang 5 zu Düsenausgang 6 weisender Richtung geradlinig voneinander weglaufend sind, wie mit der Darstellung des Schnitts E-E in 4d gut ersichtlich ist. Die Ebene, welche die Führungslinie enthält und 45 Grad zu jeder der beiden zuvor beschriebenen Ebenen orientiert ist, schneidet die innere Mantelfläche konkav und nähert sich asymptotisch einem linearen Verlauf; dies ist mit der Darstellung des in 4b gezeigten Schnitts F-F in 4e gut erkennbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/042079 A1 [0007, 0008, 0051]

Claims

Düsenabschnitt (1) zur Anordnung an einen Verdampfungsabschnitt (2) einer Vorrichtung (3) zur Gasphasenabscheidung eines Materials, wobei der Düsenabschnitt (1) einen inneren Hohlraum (4) aufweist, der von einem Düseneingang (5) mit einer ersten Öffnungsform zu einem Düsenausgang (6) mit einer zweiten Öffnungsform führt, bevorzugt die von dem Düseneingang begrenzte Fläche und die von dem Düsenausgang begrenzte Fläche denselben Flächeninhalt aufweisend, wobei der Düsenabschnitt (1) ausgebildet ist, das in Gasphase vorliegende Material, das aus einer Austrittsöffnung des Verdampfungsabschnitts (2) durch den Düseneingang (5) in den inneren Hohlraum (4) eintritt, von dem Düseneingang (5) her zu dem Düsenausgang (6) hin zu führen, wobei der innere Hohlraum (4) des Düsenabschnitts derart ausgeformt ist, dass ausgehend von dem Düseneingang (5) hin zum Düsenausgang (6) eine von der inneren Mantelfläche (7) des inneren Hohlraums (4) begrenzte Querschnittsfläche des inneren Hohlraums in kontinuierlich stetiger Weise verläuft.
Düsenabschnitt (1) nach Anspruch 1, wobei der Düsenabschnitt (1) vollständig aus einem oder mehreren Materialien besteht mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunkts des in Gasphase vorliegenden Materials, bevorzugt wenigstens teilweise, besonders bevorzugt vollständig, aus Graphit, und/oder die innere Mantelfläche (7) teilweise oder vollständig mit einem Schutzbelag plattiert ist, bevorzugt mit einem keramischen Schutzbelag, besonders bevorzugt enthaltend Bornitrid oder bestehend aus Bornitrid oder enthaltend Graphit oder bestehend aus Graphit, und/oder die innere Mantelfläche (7) teilweise oder vollständig mit einer Schutzbeschichtung beschichtet ist, bevorzugt mit einer keramischen Schutzbeschichtung, besonders bevorzugt enthaltend Bornitrid oder bestehend aus Bornitrid oder enthaltend Graphit oder bestehend aus Graphit.
Düsenabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düseneingang (5) quadratisch oder rund ist und/oder der Düsenausgang (6) einen Längsschlitz aufweist, bevorzugt ein Längsschlitz ist.
Düsenabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düsenabschnitt (1) zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, mittels CNC-Fräsens und/oder mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist, und/oder wobei der Düsenabschnitt (1) aus wenigstens zwei Teilen zusammengesetzt ist, bevorzugt gefügt ist.
Düsenabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der in kontinuierlich stetiger Weise erfolgende Verlauf der Querschnittsfläche aus einer Ausformung des inneren Hohlraums folgt, bei welcher jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche (7) mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche eine vom Düseneingang (5) zum Düsenausgang (6) weisende Führungslinie (9) enthalten, knickstellenfrei verläuft.
Düsenabschnitt (1) nach Anspruch 5, wobei jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche (7) mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche die vom Düseneingang (5) zum Düsenausgang (6) weisende Führungslinie (9) enthalten, entweder als konkave Funktion oder als konvexe Funktion oder als lineare Funktion oder als Kombination der vorgenannten bezüglich einer die Führungslinie aufweisenden Gerade beschrieben werden kann, wobei bevorzugt die Führungslinie (9) geradlinig ist und die Gerade, welche die Führungslinie enthält, als x-Achse angesehen wird.
Düsenabschnitt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bevorzugt der Düseneingang (5) und der Düsenausgang (6) parallel zueinander positioniert sind, und eine von dem Düseneingang (5) zu dem Düsenausgang (6) verlaufende senkrechte geradlinige Führungslinie (9) existiert, wobei jede Schnittlinie der inneren Mantelfläche (7) mit der Ebenenschar aller Ebenen, welche die vom Düseneingang (5) zum Düsenausgang (6) weisende Führungslinie (9) enthalten, - entweder als konkave Funktion, oder - als konvexe Funktion, oder - als lineare Funktion, oder - als abschnittsweise Kombination aus einer oder mehreren linearen Funktionen mit einer oder mehreren konkaven Funktionen, oder - als abschnittsweise Kombination aus einer oder mehreren linearen Funktionen mit einer oder mehreren konvexen Funktionen bezüglich der Führungslinie (9) beschrieben werden kann, wenn diese als x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems angesehen wird.
Düsenabschnitt (1) nach Anspruch 7, wobei der Düseneingang (5) kreisrund ist und der Düsenausgang (6) im Wesentlichen rechteckig oder rechteckig mit einer ersten Kantenlänge, die kleiner ist als der Durchmesser des Düseneingangs, und mit einer zweiten Kantenlänge, die größer ist als der Durchmesser des Düseneingangs, wobei die Ebene, welche die vom Düseneingang (5) zum Düsenausgang (6) weisende Führungslinie (9) enthält und die parallel zu der ersten Kantenlänge ist, mit der inneren Mantelfläche (7) zwei Verkleinerungsschnittlinien bildet, die entlang ihrer Gesamterstreckung zwischen Düseneingang (5) und Düsenausgang (6) geradlinig sind, und wobei die Ebene, welche die vom Düseneingang (5) zum Düsenausgang (6) weisende Führungslinie (9) enthält und die parallel zu der zweiten Kantenlänge ist, mit der inneren Mantelfläche (7) zwei Vergrößerungsschnittlinien bildet, die entlang ihrer Gesamterstreckung zwischen Düseneingang (5) und Düsenausgang (6) geradlinig sind.
Düsenabschnitt (1) nach Anspruch 8, wobei die Ausformung des inneren Hohlraums derart ist, dass die innere Mantelfläche die Minimalfläche ist, die von Düseneingang (5) und Düsenausgang (6) begrenzt ist und welche die Verkleinerungsschnittlinien und die Vergrößerungsschnittlinien enthält oder die innere Mantelfläche maximal um 10 Prozent ihres Flächeninhalts von dieser Minimalfläche abweicht.
Düsenabschnitt (1) nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, wobei das Verhältnis aus zweiter Kantenlänge zu erster Kantenlänge wenigstens 10, bevorzugt wenigstens 20, besonders bevorzugt wenigstens 50, beträgt, und/oder wobei der Flächeninhalt des Düseneingangs und der Flächeninhalt des Düsenausgangs gleich sind, und/oder wobei Düseneingang (5) und Düsenausgang (6) derart zueinander orientiert sind, dass die Führungslinie (9) den geometrischen Mittelpunkt von beiden senkrecht schneidet.
Düsenabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der in kontinuierlich stetiger Weise erfolgende Verlauf der Querschnittsfläche aus einer Ausformung des inneren Hohlraums folgt, bei welcher die Veränderung der Querschnittsfläche in Funktion der Position auf der Führungslinie oder in Funktion des Abstands von dem Düseneingang knickstellenfrei ist, und/oder wobei die Querschnittsfläche in Funktion der Position auf der Führungslinie oder in Funktion des Abstands von dem Düseneingang eine konkave Funktion oder eine konvexe Funktion oder eine lineare Funktion oder eine Kombination der vorgenannten ist.
Vorrichtung (1, 2, 3) zur Gasphasenabscheidung eines Materials, wobei die Vorrichtung folgende Bestandteile aufweist: - einen Verdampfungsabschnitt (2) zum Verdampfen eines dem Verdampfungsabschnitt (2) zugeführten Ausgangsmaterials in ein in Gasphase vorliegendes Material, wobei der Verdampfungsabschnitt (2) eine Austrittsöffnung zum Austreten des Ausgangsmaterials aus dem Verdampfungsabschnitt (2) aufweist, - einen Düsenabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit seinem Düseneingang (5) an die Austrittsöffnung anschließt, sodass der Düsenabschnitt das in Gasphase vorliegende Material, das aus der Austrittsöffnung des Verdampfungsabschnitts durch den Düseneingang (5) in den inneren Hohlraum (4) eintritt, von dem Düseneingang (5) her in zum Düsenausgang (6) hin weisende Richtung führt.
Vorrichtung (1, 2, 3) nach Anspruch 12, wobei in dem Verdampfungsabschnitt (2) das Ausgangsmaterial über eine Zuführvorrichtung zuführbar ist und als Kathode und/oder Anode schaltbar ist, wobei an der Vorrichtung eine Elektrizitätsquelle anordenbar ist zum Ausbilden eines Lichtbogens zwischen Anode und Kathode derart, dass das Ausgangsmaterial schmilzt und/oder verdampft zum anschließenden Führen zur Austrittsöffnung hin, bevorzugt mittels eines Gasstromes eines Gases oder Gasgemischs.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei zwischen Ausgangsmaterial und Austrittsöffnung ein erwärmbarer Tiegel angeordnet ist, der derart ausgeformt ist, dass das Ausgangsmaterial in ihn hinein- und durch ihn zur Austrittsöffnung hin strömt, wobei der Tiegel auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials oder der höchsten Verdampfungstemperatur der Bestandteile des Ausgangsmaterials erwärmbar ist zum vollständigen Verdampfen des Ausgangsmaterials in die Gasphase hin.
Vorrichtung (1, 2, 3) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Düsenabschnitt (1) vollständig aus einem oder mehreren Materialien besteht mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunkts des Ausgangsmaterials, bevorzugt wenigstens teilweise, besonders bevorzugt vollständig, aus Graphit.
Bandbeschichtungsanlage (14) zur Beschichtung eines Bands, bevorzugt eines metallischen Bands, wobei die Bandbeschichtungsanlage aufweist: eine Vakuumkammer (16), die zur Durchführung des zu beschichtenden Bands (15) ausgebildet ist, wobei an oder in der Vakuumkammer (16) eine Vorrichtung (1, 2, 3) nach einem der Ansprüche 12 bis 16 angeordnet ist, wobei der Düsenausgang (6) innerhalb der Vakuumkammer (16) auf die zu beschichtende Oberfläche des zu beschichtenden Bands (15) gerichtet ist zur kontinuierlichen Beschichtung des an dem Düsenausgang (6) vorbeigeführten Bands mit Kondensat des in Gasphase aus dem Düsenausgang (6) austretenden Materials, wobei die Bandbeschichtungsanlage (14) bevorzugt wenigstens eine weitere, also eine zweite, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 aufweist, wobei auf jede der beiden Oberflächen des Bands der Düsenausgang von jeweils einer der wenigstens zwei Vorrichtungen gerichtet ist zum beidseitigen Beschichten des Bands.