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Verfahren und Einrichtung zum Bedampfen großer bewegter Flächen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bedampfen großer bewegter
Flächen, wie Bänder oder Platten aus Papier, Kunststoff$ Glas oder metallischen
Werkstoffen im. Vakuum. Das Verdampfen von Materialien erfolgt in der Art, daß das
zu verdampfende Material mittels Elektronenstrahlen direkt oder durch Wärmestrahlung-und
Wärmeleitung indirekt erhitzt wird. Der Verdampferkörper oder Verdampfungstiegel
wird im letzteren Fall durch Stromdurchgang geheizt. Bei produktiven Anlagen kommt
es darauf an" daß über lange Zeit stabile Bedampfungsbedingungen aufrecht erhalten
werden. Dazu ist es erforderlich, daß eine störungsfreie Verdampfungsgutzufuhr gesichert
ist und die Verdampferkörper hohe Standzeiten besitzen. Bei Verwendung von Elektronenstrahlen-zum
Erhitzen des Materials finden wassergekühlte Kupfertiegel Anwendung. In den meisten
Fällen werden jedoch für die Verdampferkörper
Sondermaterialien
verwendet, wie beispielsweise Oxyde; Boride und Metall-Keramik-Verbindungen, bei
denen eine-Änderung der Zusammensetzung nach der Verdampfungsfläche hin verwirklicht
wird.
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Für die Zufuhr des Verdampfungsgutes gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Bei Verwendung eines wassergekühlten Tiegels kann beispielsweise das Verdampfungsgut
in Stangenform durch den Tiegel ohne Boden von unten zugeführt werden. Sehr verbreitet-ist
auch unabhängig von der Art der Heizung des Verdampferkörpers die Zuführung des
Verdampfungsgutes in Drahtform. Eine weitere Möglichkeit der Verdampfungsgutzufuhr
besteht darin, daß es als Granulat eingesetzt und mittels eines Vibrationsförderers
zugeführt wird.
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An die meisten Anlagen wird die Forderung gestellt, möglichst homogene
Schichten aufzudampfen. Um breite bewegte Flächen zu bedampfen, werden häufig eine
Reihe gleichartiger Verdampfungseinrichtungen senkrecht zur Bewegungsrichtung des
Bedampfungsgutea in gleichen Abständen nebeneinander angeordnet. Dabei ist für jeden
Verdampfer eine getrennte Verdampfungagutzufuhr erforderlich. Der Vorschub des Verdampfungegutes,
z. B. der Drähte, erfolgt der Einfachheit halber mit gleicher Geschwindigkeit durch
einen zentralen Antrieb. Der Draht wird dabei auf die Mitte der beheizten Verdampferkörper
geführt. Bei-den hohen Temperaturen des Verdampferkörpers, die größer als die Schmelztemperaturen
des jeweiligen Verdampfungsgutes sein müssen und nicht zu großem Drahtvorschub,
bildet sich bei geeigneter
-Formgebung des Verdampferkörpers auf
diesem ein Sumpf schmelzflüssigen Materials aus. Mit steigender Temperatur des Verdampferkörpers
wird bei konstanter Verdampfungagutzufuhr der Sumpf kleiner. Bei genügend hohen
Temperaturen tritt praktisch eine sofortige Verdampfung der momentan zugeführten
Drahtmenge auf. Diese letztgenannte Verdampfungsart nennt man Flash-Verdampfung.
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Die bekannten Verdampfungseinrichtungen haben alle den Nachteil, daß
die Standzeit der Verdampferkörper sehr gering ist. Außerdem. ist die Anordnung
von mehreren Einzelverdampfereinrichtungen beim Bedampfen breiter Bänder nachteilig,
da die geforderte gleichmäßige Schichtdicke, senkrecht zur Bewegungsrichtung des
Bandes nicht den Anforderungen entspricht. Ferner ist die Bedampfungsrate für viele
Zwecke noch zu gering. Bei einem punktförmigen Verdampfer und einer ebenen Fläche,
die über dem Verdampfer geführt wird,: ist die Schichtdicke auf dieser Fläche proportional
cos 4 , wobei der Winkel zwischen der Flächennormale und der Verbindungslinie Aufpunkt-Dampfquelle
ist. Auch bei Verwendung eines linienhaften Verdampferkörpers mit konstanter Dampfdichte
in Richtung dieser Linie wird, wenn beispielsweise die Länge des üerdampferkörpers
etwa gleich der Breite der zu bedampfenden Fläche ist! auf-dieser Fläche eine unterzchiedliche
Schichtdicke über die Flächenbreite erzeugt, und zwar derart, daß die Schichtdicke
nach den Rändern hin abfällt. Der gleiche nachteilige Effekt tritt auch auf, wenn:
eine Reihe punktförmiger Verdampfer mit gleichem
Abstand und gleicher
Ergiebigkeit unter der zu-bedampfenden Fläche und senkrecht zu. deren Bewegungsrichtung
nebeneinander angeordnet sind. Ein weiterer Mangel besteht bei den Verdampferkörpern,
die mittels Stromdurchgang erhitzt werden, indem der mittlere Teil durch das fortwährende
Auftreffen des Verdampfungsdrahtes auf ein und dieselbe Stelle nach. relativ kurzer
Zeit z-erstört wird. -Die Erfindung hat den Zweck, die Mängel am Stand der Technik
zu vermeiden. und die Gebrauchsdauer der Verdampferkörper zu verlängern.
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Der Erfindung liegt-die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige
Einrichtung zu schaffen, mit der es möglich isto die Bedampfungsrate zu erhöhen
und mit geringem apparativen Aufwand eine sehr gleichmäßige Schichtdicke und homogene
Schicht über große Breiten des Bedampfungsgutes zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer bekannten Verdampfungseinrichtung,
bestehend aus einem oder mehreren durch Stromdurchgang, induktive Erwärmung oder
Elektronenbombardement erhitzte Verdampferkörper, über welche das Bedampfungegut
geführt wird, und einer zu jedem Verdampferkörper
zugeordneten-Verdampfungsgut-Vorschub-.einrichtungdadurch
gelöst, daß die Zuführung des drahtförmigen Verdampfungagutes auf den Verdampferkörper
nach einem zeitlichen und/oder örtlichen Programm erfolgt, indem das Verdampfungsgut
auf der heißen. Verdampfungsfläche des Verdampferkörpers bewegt wird. Das Verdampfungsgut
wird a116 während des gesamten Prozesses. nicht nur auf einen bestimmten Punkt des
Verdampferkör- ' perl gebracht.
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Es ist vorteilhaft, die Drahtvorschubeinrichtunggenkrecht zur Bewegungsrichtung
des Bedampfungsgutess in Anpassurig an die zu erreichende Schichtdickenverteilung
zu bewegen und den Drahtvorschub konstant zu halten oder die Geschwindigkeit der
Bewegung der Drahtvorschubeinrichtung konstant zu lassen und den Drahtvorschub in
der Ge-schwindigkeit der Schichtdickenverteilung anzupassen, um die enge des im
Mittel pro Zeiteinheit zugeführten Verdampfungsgutes über die Breite des Bedampfungsgutes
zu variieren.
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Bei mehreren getrennten Verdampferkörpern ist es zweckmäßig, wie bekannt
den Drahtvorschub mit einem Antrieb zentral vorzunehmen und alle Vorschubgeechwindgkeiten
gleich zu lassen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, die Menge des verdampfenden
Drahtes abzustufen, indem der Durchmesser des-Drahtes oder der Durchmesser der Äntriebwollen
für den Draht unterschiedlich ausgelegt wird, wobei die Verdampferkörper unterschiedlich
erhitzt werden. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß
mehrere
Reihen von Verdampfern hintereinander angeordnet sind, und die einzelnen Reihen
mit jeweils im Material unterschiedlichen Draht beschickt werden. Dadurch wird eine
Schicht unterschiedlicher Materialkomponenten aufgedampft. Der Verdampferkörper
hat in bekannter Weise eine rechteckige Verdampfungsfläche und ist so angeordnet,
daß dessen Längsausdehnung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bedampfungsgutes
ist. Seine Länge ist fast gleich der Breite des Bedampfungsgutes. Es sind bei größeren
Breiten auch mehrere Verdampferkörper in einer Reihe nebeneinander und auch mehrere
Reihen hintereinander .angeordnet.
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Es ist auch vorteilhaft bei durch Stromdurchgang beheiz- -ten Verdampferkörpern
den Querschnitt des Verdampferkärpers auf seiner Länge unterschiedlich auszuführen,
um die Temperatur der Verdampferfläche dem örtlichen und/ oder zeitlichen Programm
der Drahtzufuhr anzupassen. Weiterhin ist es zweckmäßig, bei Verwendung mehrerer
Verdampfer alle Drahtvorschubeinrichtungen auf einem gemeinsamen Träger anzubringen
und diesen nach einem Programm. zu, bewegen.
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Um den Abfall der Schichtdicke nach den Rändern. des Bedampfungegutes
zu vermeiden, wird bei breiten Bändern, wo mehrere Verdampfer in einer Reihe senkrecht
zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, der Abstand der Verdampfer
-an
den Rändern kleiner gewählt als in der Mitte. Die Abstände der Verdampfer voneinander
in Abhängigkeit vom Abstand des Verdampfers zur Bedampfungsfläche und in Abhängigkeit
von. der Bandbreite, werden optimiert, um mit wenig Verdampfereinrichtungen eire
gleichmäßige und homogene Schicht auf dem Bedampfungsgut zu erhalten. Eine weitere
Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mehrere Drähte einem Verdampferkörper
zugeführt werden. Somit können die Bedampfungsraten erhöht werden oder auch durch
besondere Maßnahmen bei der Zuführung von Drähten unterschiedlichen Materials Schichten
mit mehreren Materialkomponenten aufgedampft-werden.
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Die technisch-ökonömischen Auswirkungen der Erfindung bestehen darin,
daß eine gleichmäßige Schichtdicke über .jede Breite des Bedampfungsgutes erreicht
wird und die Gebrauchsdauer der Verdampferkörper verlängert ist.
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An vier Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher `-'erläutert
werden. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1: eine Verdampfereinrichtung im Schnitt mit
einem Verdampferkörper zur örtlich und zeitlich programmierten Zuführung des Verdampfungsdrahtes,
Fig. 2den möglichen Verlauf der Geschwindigkeit des e Drahtvorschubes auf dem yerdampferkörper
Fig. 3s Draufsicht auf einen Verdampfer mit einem Verdampferkörper, dem mehrere
Drähte zugeführt werden,
fig. 4: eine Draufsicht auf die Verdampfer
einer Verdampfereinrichtung für breite Bänder, l'ig. 5: eine Draufsicht auf die
Verdampfer einer Verdampfereinrichtung für große Schichtdicken und breite Bänder.
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Aus Fig. 1 :ist das Prinzip der Verdampfereinrichtung zu erkennen.
In der'Drahtvorschubeinrichtung 1 ist die Vorratsrolle 2 für den Draht 3, der das
Verdampfergut ist, angeordnet. Zwei angetriebene Rollen 4 wickeln den Draht 3 ab
und führen diesen durch das Führungsrohr 5 auf die Verdampfungsfläche 6 des Verdampferkörpers
7, der durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird und den Draht 3 zum Verdampfen
bringt. Das darüber in Richtung y laufende Bedampfungsgut.ß wird bedampft. Die Drahtvorschubeinrichtung
1 ist auf einem Träger 9 befestigt. Um den Draht 3 erfindungsgemäß auf-der Verdampfungsfläche
6 zu bewegen, wird die Drahtvorschubeinrichtung 1 mit dem Träger 9 senkrecht und
gegebenenfalls auch parallel zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 8 nach
einem vorgegebenen Programm in bekannter Weise hin und her bewegt. Neben dieser
örtlichen Programmierung kann zusätzlich die Geschwindigkeit v dieser Bewegung noch-variiert
werden, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Im Diagramm wird zum Beispiel gezeigt, wie
Eich die Geschwindigkeit v in der Bewegungsrichtung x, das ist längs zum Verdampferkörper
7, also quer zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 2, nach den Rändern zu
verringert, um mehr Draht 3 zu verdampfen und damit den Schichtdickenabfall nach
dem Rand zu verhindern.
Der Draht 3 beschreibt durch seinen Verlauf
auf der Verdampfungsfläche 6 eine Schleife 1o. Der Verdampferkörper 7 ist in seiner
hängsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 2 angeordnet.
Die gesamte Anordnung befindet sich in einer Vakuumkammer, die nicht mit gezeichnet
ist. Der Verdampferkörper 7 wird durch direkten Stromdurchgang geheizt und ist beiderseitig
zwischen wassergekühlten Klemmvorrichtungen 11 gehalten. Eine Blende 12 gibt jeweils
die Fläche frei, die bedampft werden soll.
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Bei zunehmender Breite des Bedampfungsgutes 8 macht es sich erforderlich,
den Verdampferkörper 7 zu verlängern. Die Bewegung des zugeführten Drahtes 3 über
die gesamte Länge der Verdampfungsfläche 6 muß der Durchlaufgeschwindigkeit des
Bedampfungsgutes 8 angspaßt sein. Bei großen Geschwindigkeiten. ergeben sich dann
Schwierigkeiten bei der Erzeugung einer homogenen Schichtdicke senkrecht zur Bewegungsrichtung
y-des Bedampfungsgutes B. Diese Schwierigkeiten-werden dadurch beseitigt, daß, wie
Fig. 3 zeigt, mehrere Drähte 3 einem Verdampferkörper 7 zugeführt werden. Dazu sind
in einer Drahtvorschubeinrichtung 1 je drei Vorratsrollen 2 für den Draht 3 und
die Rollen 4 zum Abziehen des Drahtes 3 von den Vorratsrollen 2 und zum Zuführen
desselben zur Verdampfungefläche 6, angeordnet. Somit ist es möglich, mit einem
Verdampferkörper 7, der mindestens I die gleiche Länge wie die Breite des Bedampfungagutee
8 besitzt, auszukommen. Der Verdampferkörper 7 wird thermisch
gleichmäßig
belastet und besitzt dadurch eine längere Gebrauchsdauer. Durch entsprechend erhöhte
Zufuhr von Verdampfungsgut an den Rändern des Bedampfungsgutes 8 wird eine gleichmäßige
Schicht über die gesamte Breite Jdes Bedampfungsgutes 8 erreicht. Die Drahtvorschubeinrichtung
1 wird nach dem erfindungsgemäßen Programm bewegt Die Anordnung'nach Fig. 4 dient
der Bedampfung von Bän--dern großer Breite® Die Drahtvorschubeinrichtungen 1 sind
senkrecht zur Bewegungsrichtung y des Bedampfungsgutes 8 (nicht mit gezeichnet)
in einer Reihe auf dem gemeinsamen Träger 9 angeordnet, da der Verdampferkörper
7 nicht unbegrenzt lang hergestellt werden kann. Damit auf der gesamten Breite des
Bedampfungsgutes 8 gleiche Schichtdicke erzielt wird, muß der Abstand a1 der äußeren
Verdampfer zueinander kleiner sein als der Abstand a2 der mittleren. Der Abstand
a.8 zu a2 wird bestimmt durch den Abstand des Verdampferkörpers 7 von der zu bedampfenden
Fläche und der Länge der Verdampfungsfläche 6. Es gilt, die Werte zu optimieren.
Die Geschwindigkeiten des Vorschubes sind alle gleich:, so daß ein .Antrieb für
alle Rollen 4 verwendet werden kann. Der Träger 9, und somit sämtliche Drahtvorsähubeinrichtungen
1, werden nach dem Programm zeitlich und/oder örtlich in den Richtungen y und x
bewegt.
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Eine Kompensation des Schichtdickenabfalls am Rand des Bedampfungsgutes
8 ist auch dadurch möglich, daß die Verdampferkörper
7, die am
Rand angeordnet sind, durch ihren veränderten Querschnitt stärker erhitzt werden,
und dabei. diesen mehr Draht 3 zur Verdampfung zugeführt wird: Die erhöhte Zuführung
von Draht 3 erfolgt bei zentralen Antrieb und gleicher Drehzahl der Rollen -4 dadurch,
daß entweder die Drähte 3 der äußeren Verdampfer größeren Durchmesser haben oder
die Rollen ¢ zum Zuführen des Drahtes 3, bei gleichem Durchmesser aller Drähte 3,
im Murchmesser größer sind, wodurch die Vorschubgeschwindigkeit erhöht wird.
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Pig. 5 zeigt eine Anordnung für breite Bänder und.größere Verdampfungsrate.
-Da die Verdampfungsrate durch die maximale Betriebstemperatur der Verdampferkörper
7 begrenzt ist, sind zwei Reihen Verdampfer hintereinander angeordnet, die sämtlich
auf einem gemeinsamen Träger ß angebracht sind, der nach dem örtlichen. und/oder
zeitlichen Programm bewegt wird. Außerdem bietet die Anordnung von mehreren Verdampfer-reihen
den Vorteil, daß die einzelnen Verdampferkörper 7 nicht mit max. Betriebstemperatur
belastet werden, wodurch die Standzeit derselben erhöht wird. Weiterhin besteht
die Möglichkeit;. in jeder Reihe ein anderes Material 2uzufihren und somit Schichten
aus mehreren Ma. teralkomponenten aufzudampfen,