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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein widerstandsbeheiztes Schiffchen,
das für
die Abscheidung von Dünnfilmen
mit Hilfe von Vakuumdampfabscheidung verwendet wird, und ein Herstellungsverfahren dafür. Konkreter
betrifft die vorliegende Erfindung ein widerstandsbeheiztes Schiffchen
und ein Herstellungsverfahren dafür, wobei das widerstandsbeheizte
Schiffchen hergestellt wird durch Formung von Graphit zu einem Schiffchen
und dessen Beschichtung mit speziellen Verbindungen, wodurch eine
stabile und kontinuierliche Verdampfung von Metallen, wie z.B. Aluminium,
ermöglicht
wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Wie
Fachleuten auf dem Gebiet wohl bekannt, ist Vakuumdampfabscheidung
ein allgemeines Verfahren zur Beschichtung von Materialien, wie z.B.
Aluminium, Silber, Gold, Kupfer und Zinn, auf Metall-, Glas- oder
Kunststoffsubstraten und ist eine der physikalischen Dampfabscheidungs
("physical vapor
deposition"; PVD)-Techniken
unter Verwendung von Vakuum. In den letzten Jahren wurden die PVD-Techniken
zunehmend eingesetzt, da sie die Umwelt im Vergleich zu den existierenden
Nassbeschichtungstechniken weniger beeinträchtigen. Die PVD-Techniken
umfassen Vakuumdampfabscheidung, Sputtern und Ionenplattierung.
Im Falle der Abscheidung von Metallen, einschließlich Aluminium, wird die Vakuumdampfabscheidung
und das Sputtern hauptsächlich
für allgemeine
Zwecke eingesetzt, wenn es jedoch speziell erwünscht ist, die Korrosionsbeständigkeit, Adhäsionskraft
und Dichte der Filme zu verbessern, wird die Ionenplattierung eingesetzt.
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Bei
der Herstellung von Dünnfilmen
mittels der Vakuumdampfabscheidung werden im Allgemeinen drei Arten
von Heizungen, wie z.B. Widerstandsheizung, Elektronenstrahlheizung
und Induktionsheizung, zum Erhitzen und Verdampfen der Materialien eingesetzt.
Die Induktionsheizung wird hauptsächlich in großmaßstäblichen
Beschichtungsvorrichtungen eingesetzt, da damit aufgrund der Verwendung
von hohen Frequenzen eine Tendenz zum Einsatz komplexer peripherer
Vorrichtungen verbunden ist. Die Elektronenstrahlheizung wird aufgrund
der Tatsache, dass sie fast alle Arten von Materialien verdampfen kann,
umfangreich in großen
Anlagen ebenso wie bei der Herstellung von experimentellen Dünnfilmen
eingesetzt. Die Elektronenstrahlheizung hat jedoch den Nachteil
kostspielig zu sein. Die Widerstandsheizung wird aufgrund ihrer
einfachen Installation und günstigen
Kostenstruktur auf verschiedenen Gebieten eingesetzt, hat jedoch
ebenfalls einen Nachteil insofern, als sie nur ein begrenztes Spektrum
von Materialien verdampfen kann.
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Von
den oben beschriebenen Heizungen wird die Widerstandsheizung durch
Formung von hitzebeständigen
Metallen oder intermetallischen Verbindungen in die Form eines Schiffchens,
Tiegels oder Filaments hergestellt und wird auch als Verdampfer
bezeichnet. Hier ist der Verdampfer der allgemeine Begriff für Objekte,
welche zum Schmelzen und Verdampfen von darin aufgenommenen Materialien
dienen, wenn sie durch direkte Leitung von elektrischem Strom durch
ihre Körper
erhitzt werden. Im Allgemeinen wird ein schiffchenförmiger Verdampfer am
häufigsten
eingesetzt und ein solcher Verdampfer wird einfach als Schiffchen
bezeichnet. Hier bezeichnet der Begriff "Schiffchen" im Folgenden ein widerstandsbeheiztes
Schiffchen als den in dem Vakuumdampfabscheidungssystem verwendeten
Ver dampfer, wobei das widerstandsbeheizte Schiffchen als Verdampfer
adaptiert ist. Das widerstandsbeheizte Schiffchen besteht aus hitzebeständigen Metallen wie
Wolfram, Molybdän
und Tantal oder amorphem Kohlenstoff oder Graphit oder einer intermetallischen Verbindung
wie TiB2·BN-Kompositmaterial und dgl.
In der Praxis werden diese Materialien zu einem Filament (oder einer
Wicklung), einem Schiffchen oder Tiegel geformt. Die Verwendung
des widerstandsbeheizten Schiffchens erlaubt eine leichte Herstellung von
Dünnfilmen
mit hoher Reinheit, wenn Metalle mit einem niedrigen Schmelzpunkt
und niedriger Reaktivität
mit den Schiffchenmaterialien verwendet werden.
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Aluminium
ist ein Metall, welches durch seine glänzende Farbe, hohe Reflektivität von sichtbarem
Licht und UV-Licht und gute Korrosionsbeständigkeit in der Atmosphäre gekennzeichnet
ist, und wird somit in großem
Umfang für
die Herstellung verschiedener Dünnfilme
eingesetzt, wie z.B. dekorative Filme für Kosmetikbehälter oder
Accessoirs, lichtreflektierende Beschichtungen für Glas oder Metalle, Halbleiterfilme,
Schutzfilme für
magnetische Materialien oder Stahlplatten, Metallfilmbildung auf
der Oberfläche
fluoreszenter Beschichtungen für
CRT (Kathodenstrahlröhre),
Filme für
Kühler,
Verpackungsmaterialien mit verbessertem Verpackungsvermögen und Marktfähigkeit
und andere Kunststoffschutzfolien. Gemäß den letzten Entwicklungen
in der Raumforschungs- und Luftfahrtindustrie wurden viele Forschungsanstrengungen
unternommen, um die Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften
verschiedener Materialien durch deren Beschichtung mit Aluminium
zu verbessern.
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Indessen
hat Aluminium die charakteristische Eigenschaft einer hohen Verdampfungstemperatur
trotz seines niedrigen Schmelzpunktes und weist insbesondere, im
Falle von geschmolzenem Aluminium, eine hohe Reaktivität mit anderen
Metallen auf. Dies macht es schwierig, das Aluminium mit Hilfe des
herkömmlichen
Schiffchens zu verdampfen, da Aluminium das Schiffchen beschädigt, indem
es durch Reaktion mit den hitzebeständigen Metallen, aus denen
die Schiffchen bestehen, Verbindungen bildet. Deshalb wurden für die Verdampfung
des Aluminiums eine Filamentverdampfungsquelle, hergestellt aus
Wolframdraht, verwendet, wenn eine Einzelverdampfung für das Verdampfungssystem
angewandt wird. Für
die Langzeit- oder kontinuierliche Verdampfung von Aluminium wurden
jedoch Schiffchen aus einer intermetallischer Verbindung, wie z.B. ein
TiB2·BN-Schiffchen
(sogenanntes BN-Schiffchen oder BN-Heizer), welche ein erhöhtes Benetzungsvermögen (oder
sogenanntes Spreitvermögen)
sowie eine niedrige Reaktivität
mit dem geschmolzenen Aluminium aufweisen, in großem Umfang
eingesetzt.
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Das
oben genannte Einzelverdampfungsverfahren unter Verwendung des Wolframfilaments
wurde verwendet seit die Vakuumdampfabscheidungstechniken zuerst
bekannt wurden und nutzt ein Verdampfungsprinzip der Aluminiumbenetzung
auf der Filamentoberfläche,
was bedeutet, dass das Aluminium auf der Oberfläche des Wolframfilaments flüssig wird
und durch die auf dem Filament durch elektrischen Strom erzeugte
Hitze verdampft wird. Obwohl dieses Verfahren eine hohe Verdampfungsrate
erzielt, hat es den Nachteil einer extrem kurzen Lebensdauer aufgrund
der Tatsache, dass das Aluminium mit der Oberfläche der Wolframfilamente reagiert und
wiederum das Filament beschädigt
wird, wenn das Aluminium sich über
die Oberfläche
des Wolframfilaments ausbreitet.
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Das
BN-Schiffchen wird hergestellt durch Mischen von sowohl Titandiborid
(TiB2)-Pulver als auch Bornitrid (BN)-Pulver
in ungefähren
Mengen von 50 Gew.-% und anschließendes Sintern der resultierenden
Mischung bei hoher Temperatur und hohem Druck. Das BN-Schiffchen
kann ferner eine wirksame Menge verschiedener anderer Materialien
einschließen,
um eine Verbesserung seiner Eigenschaften zu erzielen. Von den Bestandteilen
des BN-Schiffchens wird Titandiborid verwendet, um die elektrische
Leitfähigkeit
und das Benetzungsvermögen
des Schiffchens zu verbessern, und das Bornitrid wird als Träger oder
Koppler verwendet. Viele Patente für solche BN-Schiffchen wurden erteilt.
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Die
meisten dieser Patente hatten das Ziel der Erhöhung der Lebensdauer oder des
Benetzungsvermögens
des BN-Schiffchens. Die BN-Schiffchen weisen jedoch insofern ein
Problem auf, als sie sehr kostspielig sind, da sie durch Sintern
von relativ teuren Rohmaterialien unter der hohen Temperatur und
dem hohen Druck hergestellt werden. Ein solches BN-Schiffchen weist
ein weiteres Problem insofern auf, als es praktisch unmöglich ist,
dieses zu recyceln, und daher offenbart das US-Patent Nr. 4 847 031
zur Lösung
dieses Problems ein Recyclingmittel für die BN-Schiffchen. Das offenbarte
Recyclingmittel der BN-Schiffchen
ist jedoch von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus nicht besonders
vorteilhaft, da es ein ähnliches
Verfahren wie das ursprüngliche Herstellungsverfahren
dafür durchlaufen
muss. Ferner weist das herkömmliche
BN-Schiffchen ein weiteres Problem des Spritz-Phänomens auf, wobei geschmolzene
Aluminiumklumpen oft aus dem Schiffchen geschleudert werden und
am Substrat haften. Ein solches Spritz-Phänomen steht bekanntermaßen in Bezug
zu den Benetzungseigenschaften des Schiffchens und Bemühungen zur
Lösung
des Spritz-Phänomens
sind im Gange.
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Graphit
kann als geeignetes Material zur Herstellung des widerstandsbeheizten
Schiffchens eingestuft werden, da es nicht teuer ist und aufgrund seiner
hohen Temperaturstabilität
die Verdampfung von bestimmten Materialien mit einer niedrigen Reaktivität mit dem
Graphit erlaubt. Das widerstandsbeheizte Schiffchen aus Graphit
weist jedoch mehrere Probleme bezüglich der Verdampfung reaktiver
Materialien, wie z.B. Aluminium, auf, da das Aluminium intermetallische
Verbindungen wie Al4C3 durch
Umsetzung mit dem Graphit bildet. Deshalb wurde das Graphit nur
eingeschränkt
als Tiegel zur Verwendung bei einer Induktionsheizungsverdampfungsquelle, Elektronenstrahlquellenauskleidung
und dgl. eingesetzt. In Fällen,
in denen der Graphit in den Schiffchen zur Verdampfung von Kupfer
oder Silber eingesetzt wird, werden die Verdampfungsgüter aufgrund ihrer
niedrigen Benetzungseigenschaften verstreut, was eine Verschlechterung
der Verdampfungseffizienz (Geschwindigkeit) und folglich ein Problem
bei deren Verwendung verursacht. Ferner greift in den Fällen, in
denen das Schiffchen zur Verdampfung von Aluminium oder Eisen mit
einer hohen Reaktivität
mit dem Graphit eingesetzt wird, das Verdampfungsgut das Schiffchen
an und schließlich
wird das Schiffchen bei hoher Temperatur zerstört.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Patent mit der Bezeichnung "Verfahren zur Herstellung
eines Schiffchens zur Verwendung bei der Verdampfung von Aluminium" (koreanisches Patent
Nr. 088573) beantragt, welches das Verfahren der experimentellen
Verdampfung von Aluminium betrifft, um die obigen Probleme, wie
z.B. die Zerstörung
des Graphits, zu lösen.
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Bei
dem oben genannten Patent gibt es zwar kein Problem im Falle einer
intermittierenden Verdampfung für
experimentelle Anwendungen, wenn es jedoch erforderlich ist, Materialien,
wie z.B. Aluminium, kontinuierlich zu verdampfen, besteht ein Problem
darin, dass das Aluminium als Verdampfungsgut aus der Verdampfungsoberfläche des
Schiffchens fließt
und mit der Graphitoberfläche
des Schiffchens in einem Haltebereich, der in einer Vakuumdampfabscheidungsvorrichtung
vorgesehen ist, reagiert und dadurch das Schiffchen beschädigt und
die Abscheidung des Verdampfungsguts auf dem Haltebereich verursacht,
und dass eine große
Menge des Aluminiums nicht verdampft wird und zu einem gravierenden
Aluminiumverlust führt.
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Offenbarung
der Erfindung
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In
Anbetracht der obigen Probleme wurde daher die vorliegende Erfindung
entwickelt und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines widerstandsbeheizten Schiffchens, welches aus kostengünstigem
Graphit hergestellt ist und eine stabile und kontinuierliche Verdampfung von
Metallen, wie z.B. Aluminium, mit einem schlechten Benetzungsvermögen und
einer hohen Reaktivität
mit dem Graphit davon ermöglicht,
und ein Herstellungsverfahren dafür.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung können die obigen und andere
Aufgaben erfüllt
werden durch die Bereitstellung eines widerstandsbeheizten Schiffchens
zur Verwendung bei der Vakuumdampfabscheidung eines Metallfilms
auf dem Substrat durch Verdampfung des Verdampfungsguts mit einem
widerstandsbeheizten Schiffchen, umfassend: einen Graphitblock,
der zu einem Schiffchen geformt werden soll, und eine schützende Barriere,
die auf einer Oberfläche
des Graphits zum Schutz der Graphitschicht vor der Reaktion mit
dem Metallverdampfungsgut gebildet ist, wobei die schützende Barriere
eine Schicht einer aluminiumreichen Verbindung und eine Schicht.
einer stickstoffhaltigen Verbindung einschließt.
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Vorzugsweise
kann die schützende
Barriere weiter eine Schicht aus einer borhaltigen Verbindung einschließen, welche
in Form von klumpenförmigen kristallinen
Ablagerungen verteilt ist.
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Vorzugsweise
kann die schützende
Barriere eine Dicke im Bereich von 20 μm bis 200 μm aufweisen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein
Verfahren zur Herstellung eines widerstandsbeheizten Schiffchens
zur Verwendung bei der Vakuumdampfabscheidung, umfassend die Schritte:
a) Formen eines Graphitblocks zu einem Schiffchen mit einem auf
einer Oberfläche
davon gebildeten Verdampfungshohlraum zur Positionierung des Metallverdampfungsgutes,
wie z.B. Aluminium; b) Beschichten der Oberfläche des Graphits mit einer
stickstoffhaltigen Verbindung; c) Bilden einer schützenden
Barriere auf der Oberfläche
der Graphitoberfläche
durch Positionierung des Aluminiums innerhalb des in der Mitte des Graphitschiffchens
gebildeten Verdampfungshohlraums und Veranlassung einer Reaktion
zwischen dem Aluminium und der stickstoffhaltigen Verbindung durch
ein Wärmebehandlungsverfahren,
wobei die schützende
Barriere zum Schutz der Graphitoberfläche vor der Reaktion mit dem
geschmolzenen Verdampfungsgut dient.
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Vorzugsweise
kann der Schritt b) umfassen die Schritte von: b-1) Zugeben von
Katalysatoren zu der stickstoffhaltigen Verbindung, wobei die Katalysatoren
zur Erhöhung
der Geschwindigkeit der Reaktion zwischen dem Aluminium und der
stickstoffhaltigen Verbindung dienen; und b-2) Beschichten mit der stickstoffhaltigen
Verbindung zusammen mit den Katalysatoren.
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Vorzugsweise
kann im Schritt b) die stickstoffhaltige Verbindung ein Bornitrid
sein.
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Vorzugsweise
können
die Katalysatoren mindestens einen einschließen, der aus einer Gruppe bestehend
aus Aluminiumoxid, Titan, Vanadium, Eisen und Silizium ausgewählt ist.
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Vorzugsweise
kann im Schritt b) eine resultierende Überzugsschicht eine Dicke in
einem Bereich von 0,005 g/dm2 bis 0,4 g/dm2 aufweisen.
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Vorzugsweise
kann der Schritt b) durch Sprühen
durchgeführt
werden.
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Vorzugsweise
kann der Schritt b) durch Aufstreichen durchgeführt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in
Verbindung mit den Begleitzeichnungen klarer verstanden werden,
worin:
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1a eine
Draufsicht ist, welche ein widerstandsbeheiztes Schiffchen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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1b eine
Seitenansicht ist, welche das widerstandsbeheizte Schiffchen gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 eine
Perspektivansicht ist, welche schematisch eine Vorrichtung zur Schiffchenherstellung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine
Querschnittsansicht ist, welche schematisch eine schützende Barriere
des widerstandsbeheizten Schiffchen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt; und
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4 ein
vergrößertes Bild
ist, welches die schützende
Barriere des widerstandsbeheizten Schiffchens gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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1a und 1b sind
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht, die ein widerstandsbeheiztes Schiffchen
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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Wie
in 1a und 1b gezeigt,
umfasst das mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Schiffchen einen
Körper 1 und
einen Hohlraum 2, gebildet im Zentralbereich des Körpers 1 als
Verdampfungsbereich. Innerhalb des Verdampfungshohlraums 2 befindet
sich ein Metallverdampfungsgut, welches während des Vakuumdampfabscheidungsverfahrens
auf einem Substrat abgeschieden werden soll. Das Schiffchen 10,
umfassend den Körper 1 und
der Verdampfungshohlraum 2, wird in dem Vakuumdampfabscheidungsverfahren
in einem Zustand verwendet, in dem es von einer Schiffchenherstellungsvorrichtung
getragen wird (Bezug auf 2).
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2 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung des widerstandsbeheizten
Schiffchens gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in 2 gezeigt, ist die Schiffchenherstellungsvorrichtung,
mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet, vorzugsweise so konfiguriert,
dass eine Vielzahl der Schiffchen 10 darauf montiert ist.
Die Schiffchenherstellungsvorrichtung 20 umfasst eine Vielzahl
von Schiffchenhalterungen 24 zur Verwendung bei der Befestigung
der Vielzahl der Schiffchen 10, eine Vielzahl von wassergekühlten Blöcken 23 zur
Verwendung bei der Kühlung
der Vielzahl von Schiffchen 10 sowie zum Tragen der Vielzahl
der Schiffchenhalterungen 24 und einen Halterungsträger 21 zum
Tragen der Vielzahl der wassergekühlten Blöcke 23. Mit der wie
oben angegeben konfigurierten Schiffchenherstellungsvorrichtung 20 kann
eine Vielzahl von wider standsbeheizten Schiffchen gemäß der vorliegenden
Erfindung gleichzeitig hergestellt werden, da die Vielzahl von Schiffchen 10,
welche auf deren Oberfläche
mit einer Überzugsschicht ausgebildet
werden, auf der Schiffchenherstellungsvorrichtung 20 montiert
sind und einem Wärmebehandlungsverfahren
unterzogen werden.
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Nunmehr
wird ein Herstellungsverfahren für das
widerstandsbeheizte Schiffchen gemäß der vorliegenden Erfindung
erläutert
werden.
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Bei
der Herstellung der widerstandsbeheizten Schiffchen der vorliegenden
Erfindung wird zuerst das Schiffchen 10, welches den Körper 1 und den
Verdampfungshohlraum 2 umfasst, hergestellt durch Formen
eines Graphitblocks zu einem Schiffchen. Dann wird das Schiffchen 10 mit
einer stickstoffhaltigen Verbindung durch Sprühen beschichtet und für eine vorbestimmte
Zeit getrocknet. In diesem Fall versteht sich, dass die stickstoffhaltige
Verbindung unabhängig
von oder zusammen mit anderen Additiven das Boot 10 beschichten
kann und dessen Beschichtung sowohl durch Aufstreichen als auch Sprühen erfolgen
kann.
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Vorzugsweise
hat die resultierende Überzugsschicht,
die auf der Oberfläche
der Graphitschicht gebildet wurde, eine Dicke im Bereich von 0,005
g/dm2 und 0,4 g/dm2.
Falls die Dicke der Überzugsschicht
kleiner als 0,005 g/dm2 ist, resultiert
sie in dem Risiko eines Fehlschlags bei der Bildung einer wirksamen
schützenden
Barriere während
des wärmebehandlungsverfahrens
sowie dem Risiko einer möglichen
Reaktion zwischen dem Aluminiumverdampfungsgut und der Graphitschicht
des Schiffchens 10. Umgekehrt resultiert, falls die Dicke
der Überzugssicht
größer als
0,4 g/dm2 ist, eine solche übermäßige Dicke
in einer Verschlechterung der wirtschaftlichen Effizienz und einer übermäßig verringerten
Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund eines schlechten Wärmetransfers
durch diese.
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Die
Additive, die zusammen mit der stickstoffhaltigen Verbindung zugegeben
werden, dienen als Katalysatoren zur Erhöhung der Geschwindigkeit einer
Reaktion zwischen dem Aluminium und den stickstoffhaltigen Verbindung,
wie z.B. Bornitrid, und Beispiele davon können Aluminiumoxid, Titan,
Vanadium, Eisen, Silizium und dgl. einschließen. Neben einer solchen Funktion
der Erleichterung der Reaktion zwischen dem Aluminium und dem Bornitrid
während
des Wärmebehandlungsverfahrens
dienen die Katalysatoren, welche der stickstoffhaltigen Verbindung
zugegeben werden, ferner dazu, etwaige Verunreinigungen zu entfernen,
die möglicherweise
in der Graphitschicht des Schiffchens vorliegen.
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Anschließend wird
die Vielzahl der Schiffchen 10, die mit der Überzugsschicht
wie oben angegeben geformt wurden, auf der Schiffchenherstellungsvorrichtung 20,
gezeigt in 2, montiert und dann wird der
Verdampfungshohlraum 2 des jeweiligen Schiffchens 10 mit
Aluminium als Verdampfungsgut beladen. Nachdem das Aluminium mit
dem Bornitrid während
eines Wärmebehandlungsverfahrens reagiert,
wird an der Oberfläche
des Graphithohlraums eine schützende
Barriere gebildet, die eine aluminiumreiche Schicht und eine Schicht
einer stickstoffhaltigen Verbindung umfasst. Das heißt, wenn ein
Wärmebehandlungsverfahren
durchgeführt
wird, nachdem das Aluminium auf die Überzugsschicht von stickstoffhaltiger
Verbindung platziert wurde, bildet ein Teil des Aluminiums stabiles
Aluminiumnitrid durch Reaktion mit einem Stickstoffbestandteil der stickstoffhaltigen
Verbindung. Als Folge umfasst die schützende Barriere die aluminiumreiche
Schicht, welche Aluminium als ihren Hauptbestandteil enthält, und
die Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung, die Aluminiumnitrid
als ihren Hauptbestandteil enthält.
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Hier
enthält
die Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung, die in der schützenden
Barriere gebildet wurde, Aluminiumnitrid als Hauptbestandteil wie oben
angegeben und unterscheidet sich von der stickstoffhaltigen Verbindung,
die für
die Beschichtung der Schiffchen 10 in Anbetracht deren
Eigenschaften zugegeben wird. Falls beispielsweise das Bornitrid
als die stickstoffhaltige Verbindung eingesetzt wird, die bei der
Beschichtung zuzugeben ist, umfasst die schützende Barriere die aluminiumreiche Schicht,
eine Schicht einer borhaltigen Verbindung und die Schicht der stickstoffhaltigen
Verbindung, welche das Aluminiumnitrid als Hauptbestandteil enthält.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich, wird im Falle einer Vakuumabscheidung
unter Verwendung des widerstandsbeheizten Schiffchens gemäß der vorliegenden
Erfindung das Metallverdampfungsgut, wie z.B. das Aluminium, nachdem
es in dem Verdampfungshohlraum 2 des wie oben angegeben
hergestellten Schiffchens 10 untergebracht wurde, mittels
Widerstandsheizung verdampft, indem elektrischer Strom durch das
Schiffchen 10 geleitet wird, und auf einem Substrat während eines
Vakuumabscheidungsverfahrens abgeschieden.
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Nunmehr
wird das widerstandsbeheizte Schiffchen der vorliegenden Erfindung,
welches gemäß dem oben
angegebenen Verfahren hergestellt wurde, detailliert erläutert.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, welche schematisch die schützende Barriere
des widerstandsbeheizten Schiffchens gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Wie
in 3 gezeigt, umfasst das widerstandsbeheizte Schiffchen
gemäß der vorliegenden Erfindung
im Allgemeinen eine Graphitschicht 31 und eine schützende Barriere 30,
die auf der Oberfläche des
Graphits 31 zum Schutz der Graphitschicht 31 vor
der Reaktion mit dem Metallverdampfungsgut, wie z.B. dem Aluminium,
gebildet wurde. Die schützende
Barriere 30 umfasst eine Schicht einer aluminiumreichen
Verbindung 32 und eine Schicht einer stickstoffhaltigen
Verbindung 33. In einer in 3 gezeigten
Ausführungsform
ist die stickstoffhaltige Verbindung, welche für die Beschichtung der Graphitoberfläche 31 zuzugeben
ist, Bornitrid.
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Das
heißt,
in der in 3 gezeigten Ausführungsform
umfasst die schützende
Barriere 30 die Schicht der aluminiumreichen Verbindung 32,
die Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung 33 und eine Schicht
einer borhaltigen Verbindung 34. Spezieller wird an der
Oberfläche
der Graphitschicht 31 die Aluminiumlaugschicht 32 gebildet
und wiederum wird auf der Oberfläche
der Aluminiumlaugschicht 32 die Schicht der stickstoffhaltigen
Verbindung 33 gebildet, und die Schicht der borhaltigen
Verbindung 34 ist in der Schicht der aluminiumreichen Verbindung 32 in Form
einer Vielzahl von klumpenförmigen
kristallinen Ablagerungen verteilt. Hier enthält die Schicht der borhaltigen
Verbindung 34 Aluminiumborid als ihren Hauptbestandteil
und die Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung 33 ist
gleichmäßig über die
schützende
Barriere 30 verteilt.
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Im
Fall der Schicht der borhaltigen Verbindung 34 sinkt diese,
obwohl sie in einem Anfangsstadium des Wärmebehandlungsverfahrens sogar
in der Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung 33, die
in der obersten Region der schützenden
Barriere 30 ausgebildet ist, vorliegt, allmählich mit
dem Fortschritt des Wärmebehandlungsverfahrens
ab, wodurch sie sich zu der Schicht der aluminiumreichen Verbindung 32 herunterbe wegt,
wie in 3 gezeigt. In diesem Fall bewegt sich ein Teil
der Schicht der borhaltigen Verbindung 34 weiter herunter
bis sogar zur Graphitschicht 31. Nachdem die Schicht der
borhaltigen Verbindung 34 eine Verbindung ist, die nur gebildet
wird, wenn die zu beschichtende stickstoffhaltige Verbindung Bornitrid
ist, können
beliebige andere Verbindungen gebildet werden, falls irgendwelche
andere stickstoffhaltige Verbindungen neben dem Bornitrid beschichtet
werden. Falls z.B. die zu beschichtende stickstoffhaltige Verbindung
Titannitrid ist, wird eine titanhaltige Verbindung gebildet werden.
Obwohl diese verschiedenen Verbindungen, wie z.B. bor- und titanhaltige
Verbindungen, entsprechend den Arten der zu beschichtenden stickstoffhaltigen
Verbindungen in allen Fällen
gebildet werden, müssen
sie im Wesentlichen stabil genug sein, um nicht mit dem Metallverdampfungsgut
zu reagieren sowie nicht als Verunreinigungen innerhalb des Schiffchens
zu wirken.
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Vorzugsweise
hat die schützende
Barriere 30 des widerstandsbeheizten Schiffchens 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Dicke im Bereich von 20 μm bis zu 200 μm. Falls
die Dicke der schützenden
Barriere 30 kleiner als 20 μm ist, schützt sie die Graphitschicht 31 nicht
effektiv. Umgekehrt führt sie,
wenn die Dicke der schützenden
Barriere größer als
200 μm ist,
zu einer Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit in Bezug auf die
Bildung der schützenden
Barriere 30 und beeinträchtigt
die Verdampfung des Metallverdampfungsguts aufgrund einer Erhöhung des
Wärmeverlustes.
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Hier
wird im Folgenden das Verdampfungsprinzip des Metallverdampfungsguts
unter Verwendung des widerstandsbeheizten Schiffchens der vorliegenden
Erfindung und ein Grund, warum das Metallverdampfungsgut eine lange
Zeit ohne Reaktion mit dem Graphit verdampft werden kann, unter
der Annahme erläutert,
dass das Metallverdampfungsgut Aluminium ist.
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Nachdem
eine geeignete Aluminiummenge in den Verdampfungshohlraum 2 des
Schiffchens 10 eingebracht ist und die Kammer, welche das
Boot hält,
evakuiert ist, wird dann elektrischer Strom dem Schiffchen 10 zugeführt, um
das Schiffchen 10 allmählich
zu erhitzen. Von einem Zeitpunkt, an dem die Temperatur des Schiffchens 10 höher als
der Schmelzpunkt des Aluminiums liegt, beginnt das Aluminium zu
schmelzen und benetzt damit die Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung 33 als
schützende Barriere.
Anschließend
nimmt der zugeführte
elektrische Strom zu, so dass die Temperatur des Schiffchens 10 die
Verdampfungstemperatur des Aluminiums übersteigt, was zur Verdampfung
des geschmolzenen Aluminiums in der Schicht der stickstoffhaltigen
Verbindung 33 führt.
In diesem Fall kann das Aluminium mit einer hohen Verdampfungseffizienz
verdampft werden während
es durch den Verdampfungshohlraum 2 fließt. Der
Grund, warum das Aluminium nicht mit der Graphitschicht 31 reagiert,
obwohl es mit einer hohen Verdampfungseffizienz verdampft wird,
kann in Hinblick auf die Reaktionsenergie erklärt werden. Das bedeutet, das
Aluminium reagiert nicht mit der Graphitschicht 31, da
die für
das Aluminium erforderliche Energie, um in die Schicht der stickstoffhaltigen
Verbindung 33 absorbiert zu werden, geringer ist als die
erforderliche Energie für
eine Reaktion zwischen dem Aluminium und der Graphitschicht 31.
Dies ist leicht aufgrund der Tatsache zu verstehen, dass die Schicht
der aluminiumreichen Verbindung 32, welche das Aluminium
als Hauptbestandteil enthält,
keine Karbide wie Aluminiumkarbid bildet, selbst wenn es zwischen
den Oberflächen
der Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung 33 und der Graphitschicht 31 vorliegt.
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Nunmehr
wird eine erste Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens für
das widerstandsbeheizte Schiffchen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben
werden.
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Die
vorliegende Ausführungsform
betrifft das Herstellungsverfahren des widerstandsbeheizten Schiffchens
zur Verwendung bei der Beschichtung von Aluminium. Hier wird die
Beschichtung des Aluminiums durchgeführt durch Zufuhr von Pellets
in regelmäßigen Intervallen,
zur Verwendung bei der Beschichtung von Braunschen Röhren. Bei
dem Herstellungsverfahren wird ein Vakuumwärmebehandlungsverfahren verwendet.
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In
der vorliegenden Erfindung wurde zuerst ein Graphitblock mit einer
Dichte von 1,8 g/cm3 und einem spezifischen
Widerstand von 1100 μΩ·cm zu dem
Körper 1 von
0,6 cm Breite mal 11 cm Länge
mal 0,4 cm Dicke geformt. In diesem Fall war der auf dem Körper 1 gebildete
Verdampfungshohlraum 2 0,4 cm breit, 6 cm lang, 0,25 cm
tief. Danach wurde das Schiffchen 10 mit dem wie oben angegebenen
Verdampfungshohlraum 2 mit dem Bornitrid in einer Dicke
von 0,15 g/dm2 durch Sprühen beschichtet. In diesem
Fall wurde das Bornitrid mit Aluminiumoxid, Titan und Vanadium zugegeben.
Nach der Beschichtung wurde das Schiffchen 10 eine vorbestimmte
Zeit getrocknet.
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Die
oben genannten Aluminiumoxid, Titan und Vanadium dienen als Katalysatoren
zur Erhöhung
der Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Aluminium als Verdampfungsgut
und dem Bornitrid. Neben den oben genannten Additiven können ferner
Eisen, Silizium und dgl. dem Bornitrid zugegeben werden. Der Gehalt
dieser Additive wurde auf eine Menge von weniger als 5 Gew.-% eingestellt.
Vorzugsweise lag die Dicke einer resultierenden Bornitrid-Überzugsschicht
im Bereich von etwa 0,05 g/dm2 bis 4 g/dm2.
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Anschließend wurde
das Schiffchen 10, welches mit der Bornitrid-Überzugsschicht
gemäß dem obigen
Verfahren geformt worden war, auf der Schiffchenhalterung 24 der
Schiffchenherstellungsvorrichtung 20, wie in 2 gezeigt,
montiert und 0,3 g Aluminiumdraht wurden in den Verdampfungshohlraum 2 des
Schiffchens 10 eingeführt.
Dann wurde in einem Zustand, in dem das Schiffchen 10 einem
Vakuum von unter 10-5 Torr unter Verwendung
einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) ausgesetzt war, elektrische Energie
einer Wärmeenergiequelle
(nicht gezeigt) zugeführt,
wodurch eine Reaktion zwischen dem Aluminium und dem Bornitrid durch
ein Wärmebehandlungsverfahren
veranlasst wurde. In diesem Fall betrug die dem Schiffchen 10 während des
Wärmebehandlungsverfahrens
zugeführte
Spannung 4,5V und die Ampere variierten von 80 A bis 110 A entsprechend
der Reaktionszeit. In der bevorzugten Ausführungsform betrug die Reaktionszeit 5 Minuten
und die Reaktionstemperatur lag in einem Bereich zwischen 1300°C und 1500°C. Nachdem
das obige Verfahren ein oder mehrere Male wiederholt worden war,
wurde eine schützende
Barriere 30, die zur Verhinderung einer Reaktion zwischen
dem Aluminium und dem Graphit in der Lage war, erzielt. Bei der
Herstellung des widerstandsbeheizten Schiffchens 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie oben angegeben, war die Bildung der schützenden
Barriere unter Anwendung des Wärmebehandlungsverfahrens
unter sowohl Vakuum als auch Inertgas möglich.
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4 ist
ein vergrößertes Bild,
welches die schützende
Barriere des widerstandsbeheizten Schiffchens gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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In
der obigen Ausführungsform
enthielt die Schicht 1 der borhaltigen Verbindung 34 Aluminiumborid
als Hauptbestandteil und hatte die Form von klumpenförmigen kristallinen
Ablagerungen und die Schicht der stickstoffhaltigen Verbindung 33 war gleichmäßig über die
schützende
Barriere 30 verteilt. Mittlerweile betrug die Dicke der
schützenden
Barriere 30, welche gemäß der obigen
Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens erhalten wurde, 100 μm. Als Ergebnis der Analyse
von Verunreinigungen, welche in der schützenden Barriere 30 vorliegen,
mit Hilfe verschiedener analytischer Instrumente wurde festgestellt,
das die schützende
Barriere 30, welche durch eine ungenügende Reaktion zwischen dem Aluminium
und dem Bornitrid erhalten wurde, in ihrem Oberflächenbereich
bestimmte Verunreinigungen, wie z.B. Aluminiumoxid, Titan, und Vanadium und
dgl., die als Additive verwendet wurden, enthielt, jedoch die schützende Barriere 30,
welche durch eine vollständige
Reaktion unter geeigneten Bedingungen erhalten wurde, keine Verunreinigungen,
einschließlich
Metallkomponenten oder anderer Verunreinigungen, aufwies. Somit
sind hier, obwohl die Additive als Verunreinigungen im Falle der
ungenügenden
Reaktion wirkten, die Additive erforderlich, um die Reaktionsgeschwindigkeit
zwischen dem Aluminium und dem Bornitrid zu erhöhen.
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Ein
Versuch zur Bestätigung
der Lebensdauer des gemäß der obigen
Ausführungsform
hergestellten Schiffchens 10 wurde durchgeführt unter
Verwendung eines Vakuumabscheidungssystems mit einer Pellet-Zufuhr.
Als Folge des Versuchs wurde festgestellt, dass das Schiffchen 10 Vakuumabscheidungsvorgänge mehr
als 400 mal durchführen
konnte. In diesem Fall war das Gewicht eines einzigen Pellets 35
mg. Ferner wurde anhand eines Experiments zur Untersuchung der Reflektivität und Bestandteile
einer Aluminiumbeschichtung von 1500 A, erhalten durch Verwendung
des Schiffchens 10, das gemäß der obigen Ausführungsform
hergestellt worden war, festgestellt, dass das Schiffchen gleiche oder überlegene
Ergebnisse im Vergleich zu vorhandenen BN-Schiffchen lieferte. Auf
diese Weise wurde die Einsetzbarkeit des widerstandsbeheizten Schiff chens,
welches gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt worden war, bestätigt.
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Nunmehr
wird eine zweite Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens des widerstandsbeheizten Schiffchens gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden.
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Die
vorliegende Ausführungsform
betrifft das Schiffchen 10 zur Verwendung bei der Herstellung von
Aluminiumfilmen, welche zur Verwendung bei der Herstellung von Verpackungsmaterialien,
Bahnen und Kühlfilmen
vorgesehen sind. In diesem Fall war das Schiffchen zur Verwendung
in einer Aluminiumbeschichtungsvorrichtung bestimmt, welche für die kontinuierliche
Zufuhr von Aluminiumdrähten konfiguriert
war, und wurde mittels Durchführung
eines Wärmebehandlungsverfahrens
unter Argongas hergestellt.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wurde zuerst ein Graphitblock mit einer Dichte von 1,76 g/cm3 und einem spezifischen Widerstand von 1200 μΩ·cm zu
dem Körper 1 mit
einer Größe von 1,9
cm Breite, 15 cm Länge,
7 cm Dicke geformt. In diesem Fall war der in dem Körper 1 gebildete
Verdampfungshohlraum 2 1,5 cm breit, 10 cm lang, 0,2 cm
tief. Dann wurde das Schiffchen 10 mit dem Bornitrid in
einer Dicke von 0,1 g/dm2 durch Aufstreichen
beschichtet und dann eine vorbestimmte Zeit getrocknet.
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Das
getrocknete Schiffchen 10 wurde in einem Gefäß montiert,
welches mit einer Energiequelle versehen war. Anschließend wurden
3 g Aluminiumdraht in das Schiffchen 10 eingebracht, Argongas wurde
in das Gefäß eingespritzt,
um die in dem Gefäß vorliegende
Luft zu entfernen. In diesem Fall wurde durch die Vorkehrung, dass
das Argongas an einer Seite des Gefäßes eingespritzt und von der
anderen Seite des Gefäßes abgeführt wurde,
eine Argongasumgebung innerhalb des Gefäßes geschaffen. Nachdem das
Gefäß mit dem
Argongas gefüllt
war, wurde elektrische Energie der Energiequelle zugeführt, wodurch
eine Reaktion zwischen Aluminium und dem Bornitrid veranlasst wurde.
Während
dieser Reaktion wurde die elektrische Energie so eingestellt, dass
die Spannung 5V betrug und die Amperezahl im Bereich von 400 A bis
600 A variierte. Nach Beendigung der Reaktion wurde das Wärmebehandlungsverfahren
des Schiffchens 10 Minuten lang ohne Änderung der elektrischen Energie
durchgeführt.
Durch das oben angegebene Herstellungsverfahren wurde das widerstandsbeheizte
Schiffchen der vorliegenden Erfindung hergestellt.
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Ein
Versuch zur Bestätigung
der Lebenserwartung des Schiffchens 10, welches gemäß der obigen
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt worden war, erfolgte unter
Verwendung eines Vakuumabscheidungssystems, welches zur kontinuierlichen
Zufuhr des Aluminiumdrahts konfiguriert war. Hier betrug der Durchmesser des
zugeführten
Aluminiumdrahts 1,6 cm und die Zuführgeschwindigkeit des Drahts
wurde auf 40 cm pro Minute eingestellt. Als Ergebnis des Experiments wurde
festgestellt, dass das Schiffchen 10 nacheinander für mehr als
8 Stunden ohne Bruch verdampft werden konnte.
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Ferner
wurde durch ein kontinuierliches Verdampfungsexperiment unter Verwendung
des widerstandsbeheizten Schiffchens, welches gemäß dem Verfahren
der zweiten Ausführungsform
hergestellt worden war, festgestellt, dass das widerstandsbeheizte
Schiffchen gemäß der vorliegenden
Erfindung kein Spritz-Phänomen
aufweist, welches herkömmlicherweise
als Problem vorhandener BN-Schiffchen festgestellt wird.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich, stellt die vorliegende
Erfindung ein widerstandsbeheiztes Schiffchen bereit, welches eine
stabile und kontinuierliche Verdampfung von Metallen, wie z.B. Aluminium,
ermöglicht,
und ein Herstellungsverfahren dafür. Das widerstandsbeheizte
Schiffchen der vorliegenden Erfindung kann allgemein zur Beschichtung
von Aluminium für
CRT-Röhren
sowie für kontinuierliche
Vakuumabscheidungsverfahren unter Anwendung von "Roll-to-roll"-Beschichtungssystemen
zur Herstellung von Verpackungsmaterialien, Kühlern und leitenden Verpackungsfolien
und anderen elektronischen Komponenten eingesetzt werden. Nachdem
das widerstandsbeheizte Schiffchen gemäß der vorliegenden Erfindung
kostengünstig
ist und eine verbesserte Verdampfungsleistung im Vergleich zu den
vorhandenen BN-Schiffchen aufweist, ist es insbesondere möglich, eine
Erhöhung
der Ausbeute und eine Verbesserung der Qualität mittels der Verfahrensstabilität des Schiffchens
zu erreichen und vorteilhafte wirtschaftliche Auswirkungen, wie
z.B. eine Verbesserung der Produktivität von Endprodukten, zu erwarten.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung zur Erläuterung
offenbart wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass
verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind,
ohne über
den Umfang und Geist der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen offenbart,
hinauszugehen.
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Zusammenfassung
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Offenbart
sind hier ein widerstandsbeheiztes Schiffchen und ein Herstellungsverfahren
dafür zur Verwendung
bei der Vakuumdampfabscheidung eines Metallverdampfungsguts auf
ein Substrat mittels Widerstandsheizung. Das Schiffchen umfasst
einen zu einem Schiffchen zu formenden Graphitblock und eine schützende Barriere,
gebildet auf der Graphitoberfläche
zum Schutz der Graphitschicht vor der Reaktion mit dem Metallverdampfungsgut.
Die schützende
Barriere weist eine aluminiumreiche Schicht und eine Schicht einer
stickstoffhaltigen Verbindung auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es möglich,
eine stabile und kontinuierliche Verdampfung von Metallen, einschließlich Aluminium,
zu erreichen.