DE1040874B

DE1040874B - Unmittelbar widerstandsbeheizter Verdampfungstiegel

Info

Publication number: DE1040874B
Application number: DEH13180A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Reichelt; Dr Heinz Schmeken
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1952-07-10
Filing date: 1952-07-10
Publication date: 1958-10-09

Description

Bei dem Überziehen von Gegenständen aus Metall, Glas oder organischen Stoffen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, zur optischen Vergütung oder zur Herstellung von reflektierenden Metallschichten, Lichtteilerschichten u. dgl. durch Aufdampfen von Metallen oder nichtmetallischen, anorganischen Stoffen bestehen besondere Schwierigkeiten hinsichtlieh einer sauberen Verdampfung, um eine fehlerfreie Beschichtung zu erreichen. Da die meisten aufzudampfenden Stoffe, z. B. Aluminium oder Oxyde, sehr hohe Schmelz- und Siedepunkte habe«, war man gezwungen, Verdampfungsbehälter anzuwenden, die temperaturbeständiger sind als das Verdampfungsgut. Vor allem die Metalle Wolfram und Molybdän schienen diesen Forderungen besonders gerecht werden zu können. Sie besitzen jedoch den Nachteil, daß sie mit den meisten für die Aufdampfung angewandten Metallen, so insbesondere mit Aluminium, Legierungen bilden und sehr schnell die mechanische Festigkeit und die gute Leitfähigkeit verlieren.

Durch Verwendung von Kohlesehiffchen versuchte man diesem Mangel zu begegnen. Kohle bleibt zwar auch bei sehr hohen Temperaturen fest, aber es tritt immer noch eine Karbidbildung auf, die unsaubere Verhältnisse beim Aufdampfen verursacht. Darüber hinaus besitzt Kohle den Nachteil einer sehr geringen Benetzbarkeit durch metallische Schmelzen. Durch Zuführung geringerer Mengen hochsehmelzender Metalle, wie Wolfram, Molybdän und Tantal, zum Verdampfungsgut konnte man wohl eine Verringerung der Oberflächenspannung und damit eine größere Benetzung erreichen, die Karbidbildung aber nicht verhindern.

Es ist ferner ein Vorschlag bekanntgeworden, nach welchem das zu verdampfende Metall auf einem drahtförmigen Träger aus hochschmelzendem Metall, wie Wolfram, angebracht ist, welcher schraubenförmige Rillen längs einer Mantellinie besitzt. Durch die Kapillarwirkung dieser Rillen soll eine gleichmäßige Verteilung des Verdampfungsmetalles auf dem Heizleiter erreicht werden. Die unerwünschte Legierungsbildung wird aber auch hier nicht verhindert.

Neuerdings sind auch schon Verdampfer aus Siliziumkarbid vorgeschlagen worden. Zwar tritt mit Siliziumkarbid kaum eine Legierungsbildung auf, es besitzt jedoch den- Mangel, daß es- hei den- für die Verdampfung vieler Stoffe- notwendigen Temperaturen thermisch zerfällt. Außerdem besitzt es einen hohen spezifischen Widerstand, so- daß zur Erreichung eines genügenden Dampfdruckes hohe Spannungen angewandt werden müssen.

Weiterhin sind Heizleiter bekanntgeworden^ die- aus keramisehert Rohstoffen, Silizium oder Siliziumlegierungen und leicht schmelzbaren, horathaltigen Stoffen Unmittelbar widerstandsbeheizter
Verdampfungstiegel

Anmelder:

W. C, Heraeus

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Hanau/M., Heraeusstr. 12-14

Dr, Walter Reichelt, Hanau/M.,

und Dr. Heinz Schmeken, Hanau/M.,

sind als Erfinder genannt worden

als Bindemittel hergestellt wurden, und auch solche Heizleiter, die einen keramischen Überzug zum Schütze des leitenden Metalls besitzen. Auch wurden schon unmittelbar widerstandsbeheizte Verdampfertiegel aus Metalloxyden benutzt, die einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes besitzen.

Solche Verdampfer sind in verschiedener Form bekannt, es werden stab- oder schiffchenartige oder stabförmig muldenartige Verdampfer benutzt.

Demgegenüber ist nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen der durch direkten elektrischen Stromdurchgang widerstandsbeheizten Verdampfungstiegel zur Herstellung dünner Schichten aus hochsiedenden Metallen oder anorganischen Verbindungen mittels Aufdampfen im Vakuum, daß sie aus einem metallkeramischen Sinterwerkstoff bestehen. Metallkeramische Sinterwerkstoffe werden durch Mischen von Pulvern einer metallisch leitenden Komponente mit pulverisierten keramischen Stoffen, wie Metalloxyden, anschließender Formgebung durch Pressen und schließlich durch Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes wenigstens einer Komponente—also durch S intern — hergestellt.

Die neuen metallkeramischen Heizleiter zum Verdampfen hochsehmelzender Stoffe besitzen außerordentlich günstige Eigenschaf ten. Sie zeichnen sich insbesondere durch ihre Beständigkeit sowohl gegenüber Metallschmelzen als auch gegenüber nichtmetallischen, insbesondere oxydischen Schmelzen aus. Die beispielsweise besorrders beim Verdampfen von Aluminium so störende Legierungsbildung mit dem Werkstoff des Verdampfungsschiffchens,, z. B. Wolfram oder Molyb^ dän, tritt nämlich hier nicht ein, denn der Sinterkör-

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per besteht aus den sich durchdringenden Netzen beider Stoffkomponenten. Man kann sich etwa vorstellen, daß die metallische Komponente in feinen Kanälen der keramischen Gerüste sitzt oder umgekehrt. Diese feine Struktur verhindert ein Fortschreiten einer eventuell oberflächlich eintretenden Legierungsbildung in das Innere des Sinterwerkstoffes. Umgekehrt verhindert das metallische Gerüst das Herauslösen der keramischen Komponenten durch oxydische oder Schlackenschmelzen.

Von wesentlicher Bedeutung ist das metallische, eindeutig zusammenhängende Gerüst des metallkeramischen Sinterkörpers für gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Es hat sich sogar überraschend herausgestellt, daß bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Stoffe die elektrische wie eventuell auch die thermische Leitfähigkeit sogar noch größer als bei der reinen metallischen Komponente werden kann. Dies gestattet also die Anwendung niederer Spannungen für die Zuführung der Heizleistung und ermöglicht einen schnellen Wärmeübergang zum Verdampfungsgut. Die metallkeramischen Sinterwerkstoffe sind also aufs Beste für Heizleiter zur Verdampfung hochschmelzender Stoffe geeignet.

Einer der entscheidenden offensichtlichen Vorzüge ist schließlich auch noch, daß die metallkeramischen Verbundstoffe sowohl durch metallische als auch oxydische Schmelzen oder andere dielektrische Schmelzen sehr gut benetzt werden, ohne daß Legierungsbildung bzw. Lösung eintritt, da die an der Oberfläche liegenden vernetzten Teile des metallischen Gerüstes eine sehr gute Kapillarwirkung für die Metallschmelzen ausüben, so daß diese an ihnen entlang kriechen können.

Nicht zuletzt aber ist die ideale Formgebungsmöglichkeit bei metallkeramischen Verbundkörpern ein großer Vorteil, wenn man etwa die Sprödigkeit der herkömmlichen Heizleiter aus Wolfram oder Molybdän gegenüberstellt. Mit entsprechenden Matrizen — notfalls unter Verwendung organischer Plastifizierungsmittel — können die Pulvergemische unmittelbar zu den gewünschten Heizleiterformen gepreßt werden. Beim anschließenden Sintern bleibt diese Form bis auf eine gewisse Schrumpfung vollkommen erhalten, welche aber vorher durch größere Dimensionierung berücksichtigt werden kann. Ferner zeichnen sich auch noch die Heizleiter aus metallkeramischen Sinterwerkstoffen durch eine hohe mechanische Festigkeit aus. Diese ist abhängig von der Sintertemperatur, so daß bei besonderen Anforderungen bezüglich mechanischer Festigkeit durch Sintern bei entsprechenden Temperaturen entsprochen werden kann. Jedenfalls wirkt sich die verschiedene Wärmeausdehnung der Komponenten in keiner Weise nachteilig auf die Festigkeit aus.

Bevorzugt verwendet man Aluminiumoxyd als keramische Komponente in den metallkeramischen Heizleitern gemäß der Erfindung. Al₂O₃ kann nämlich bei den meisten metallischen Komponenten benutzt werden und zeichnet sich durch seinen hohen Schmelzpunkt aus. Als metallische Komponenten wurden bisher mit gutem Erfolg insbesondere Wolfram, Molybdän, Chrom oder Legierungen, beispielsweise von Molybdän mit Silizium angewandt. Die damit gefertigten Sinterwerkstoffe zeigen einen sehr geringen Dampfdruck, so daß aus den geformten Verdampfern die meisten Metalle, wie besonders Aluminium oder Eisen, Nickel, Kobalt usw. oder auch sehr hochschmelzende Stoffe in sehr reiner Form zur Verdampfung gelangen und beim Kondensieren auf den jeweiligen Unterlagen Schichten hoher Güte bilden.

Es wurde weiter gefunden, daß auch andere Metalllegierungen, insbesondere hochschmelzende, zunderbeständige Metallkarbide, die metallische Komponente des Sinterwerkstoffes für die erfindungsgemäßen Heizleiter bilden können. Besonders seinen diesbezüglich wegen ihrer vorzüglichen Eigenschaften Molybdänkarbid (Mo₂C) oder ein Gemisch von Molybdän-

karbid mit Titankarbid (TiC), dann Wolframkarbid, Zirkonkarbid und schließlich auch Tantalkarbid hervorgehoben. Durch eine hohe Sintertemperatur erhält man eine ausgezeichnete Festigkeit der Heizleiter. Vorzugsweise sintert man bei einer Temperatur von

1800° C. Man kann die beiden Komponenten in verschiedenen Mengenverhältnissen mischen und sintern. Vorzugsweise beträgt der metallische Gehalt des Sinterkörpers zwischen 40 bis 90 Gewichtsprozent, insbesondere 50 bis 80 Gewichtsprozent. Unterhalb von 40%· Metall wird die Leitfähigkeit sehr klein, so daß sich für den vorliegenden Zweck derart zusammengesetzte Körper weniger eignen. Mit Molybdänkarbid erhält man beispielsweise die höchste Leitfähigkeit bei 80% Molybdänkarbid; diese ist sogar höher als bei reinem Molybdänkarbid.

Wenn auch Aluminiumoxyd bevorzugt die keramische Komponente bildet, so steht an sich nichts im Wege, andere Oxyde an seiner Stelle zu verwenden, wie Zirkonoxyd (ZrO₂), Berylliumoxyd (BeO), Thoriumoxyd (ThO₂) oder Magnesiumoxyd (MgO). Man erhält dann ähnliche günstige Heizleitereigenschaften. Zum Teil ist dann beim Sintern allerdings die Anwendung eines Schutzgases, beispielsweise von Wasserstoff, erforderlich.

Die durch Bildung aus metallkeramischen Sinterstoffen erlangten vorzüglichen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Heizleiter werden ergänzt durch eine geeignete Formgebung. In den Abbildungen sind einige günstige Ausführungsformen der als Verdampfer ausgebildeten Heizleiter angegeben. Bei einer bevorzugten Form nach Abb. 1 besitzt der stabförmige Verdampfer 1, beispielsweise aus einem Sinterprodukt von Aluminiumoxyd mit Molybdänkarbid, zwei Anschlußbacken 3 für den elektrischen Strom und eine Mulde 2 zur Aufnahme des Verdampfungsgutes, z. B. Aluminiumpulver. Durch Verengung des Leiterquerschnittes in der Mulde erfolgt dort, wie erwünscht, eine höhere Wärmeentwicklung und größere Wärmeabgabe an das Verdampfungsgut. Es kann noch er- wähnt werden, daß zur Vermeidung einer einseitigen Schrumpfung zwei gegenüberliegende Flächen mit Mulden versehen werden können.

Bei einer anderen erprobten Form (Abb. 2) besteht der Heizleiter aus metallkeramischem Stoff 1 aus zwei Hälften, die mit geringem Abstand ihrer Stirnflächen in die Stromschlußbacken 3 eingespannt sind. Der verbleibende Zwischenraum ist mit der zu verdampfenden Substanz, z.B. Aluminium4, ausgefüllt, wodurch der Stromkontakt gebildet und das Verdampfungsgut zum Schmelzen gebracht wird. Es bildet sich an der unteren Seite des Heizleiters ein hängender Tropfen 5, der wegen der guten Benetzbarkeit durch Adhäsionskräfte und durch Oberflächenspannung gehalten wird. Die Abdampfung erfolgt vor allem von diesem Tropfen. Durch geeignete Vorrichtungen kann das Verdampfungsgut kontinuierlich zugeführt werden. Die Verengung des Heizleiterquerschnittes kann ferner auch durch eine konisch nach oben sich erweiternde durchgehende Bohrung im Heizleiter 1 gebildet werden (Abb. 3). Diese Bohrung dient zur Aufnahme

des Verdampfungsgutes 4; der bei Stromdurchgang geschmolzene Anteil des Stoffes bildet wieder einen gut benetzenden, hängenden Tropfen an der unteren Öffnung der Bohrung, von dem aus die Abdämpfung erfolgt. Die durchgehende Bohrung kann auch in der Mitte verengt und nach oben und unten konisch, sanduhrförmig erweitert sein (Abb. 4).

Wegen der sauberen Verdampfung auch hochschmelzender Stoffe erhält man bei Verwendung der erfindungsgemäßen Heizleiter aus metallkeramischen Stoffen sehr reine Überzugsschichten, z. B. hochglänzende, spiegelnde Aluminiumschichten. Die große praktische Bedeutung der Erfindung steht damit fest.

Es kann noch bemerkt werden, daß die an sich schon gute Benetzbarkeit der Heizleiter durch die Schmelzen der meisten für eine Verdampf ung in Frage kommenden Metalle, vor allem von Aluminium, noch durch Zusatz kleiner Mengen bestimmter Metalle, mit niedrigem Dampfdruck zu den Schmelzen weiter verbessert werden kann. Als Zusatzmetalle bewährten sich vor allem Zirkonium und Kobalt. Sie besitzen die Fähigkeit, die Oxydhaut auf den Schmelzen zu reduzieren und' den durch sie bedingten Anteil der Oberflächenspannung unschädlich zu machen. Dadurch wird aber auch das schädliche »Spratzen« der siedenden Metallschmelze verhindert. Der Dampfdruck dieser Zusatzmetalle ist verhältnismäßig gering, so daß keine, durch ihre Mitbedampfung bedingten, unerwünschten Nebeneffekte auftreten.

Die Heizleiter nach der Erfindung bewähren sich nicht nur beim Verdampfen von Aluminium, sondern in gleicher Weise auch bei vielen anderen, zur Aufdampfung anwendbaren Stoffen, so vor allem auch bei Eisen, Kobalt, Nickel oder Platin und Palladium.

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Claims

PatentansPBücHE:

1. Durch unmittlbaren Stromdurchgang widerstandsbeheizter Verdampfungstiegel zum Vakuumaufdampfen dünner Schichten aus hochsiedenden Metallen oder anorganischen Verbindungen, der durch Sintern von Metalloxyden hergestellt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines stromleitenden metallkeramischen Werkstoffes, der durch Sintern eines Gemisches aus hochschmelzenden Metallen oder deren Karbiden mit Metalloxyden gewonnen wird.

2. Verdampfungstiegel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung aus Aluminiumoxyd als keramische Komponente und aus hochschmelzend'en Metallen oder Legierungen der Metalle der Nebenreihe der V. und VI. Gruppe der Periodischen Systeme als metallische Komponente.

3. Verdampfungstiegel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung aus Aluminiumoxyd als keramische Komponente und aus zunderbeständigen, hochschmelzenden Karbiden von Metallen der IV. bis VI. Gruppe der Periodischen Systeme als metallische Komponente.

4. Verdampfungstiegel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch mindestens teilweisen Ersatz des als keramische Komponente benutzten Aluminiumoxyds durch andere hochschmelzende und beständige Oxyde, wie Magnesiumoxyd, Zirkonoxyd, Berylliumoxyd, Spinelle oder Mischungen solcher Oxyde.

5. Verdampfungstiegel nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er Stabform besitzt mit konisch oder sanduhrförmig sich erweiternden, durchgehenden Bohrungen zur Aufnahme des Verdampfungsgutes.

6. Verdampfungstiegel nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei stabförmigen Teilen besteht, die mit ihren Stirnflächen in geringem Abstand einander gegenüber an den Stromanschlußelektroden angebracht sind und der elektrische Kontakt durch das Verdampfungsgut, beispielsweise Aluminiumstückchen, gebildet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsches Patent Nr. 765 487.

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