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"Verfahren und Vorrichtung zum Vakuumauf-
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dampfen dünner Schichten, insbesondere bei der Herstellung von Bildschirmen
von Katodenstrahlröhren" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen
dünner Schichten aus Verdampfern auf Substrate mit im Vergleich zum Verdampferquerschnitt
wesentlich größerer zu bedampfender Fläche unter Einhaltung einer vorgegebenen Schichtdickenverteilung,
insbesondere bei der Herstellung von Bildschirmen von Katodenstrahlröhren.
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Verdampfern, bei denen sich das Verdampfungsgut in Behältern wie Tiegel
Näpfen und Schiffchen befindet, wohnt eine gewisse Richtwirkung inne, d.h. der Dampf
tritt aus dem Uffnungsquerschnitt des Verdampfers, nachfolgend kurz als Verdampferquerschnitt
bezeichnet, in Form einer sogenannten Dampfkeule aus, innerhalb welcher die Dampfdichte
zusätzlich inhomogen ist. Entspricht das Substrat in seinen Abmessungen dem Querschnitt
der Dampfkeule, so gibt es bereits inhomogene Schichten. Ist das Substrat größer
als der Querschnitt der Dampfkeule, so wird überhaupt nur ein Teil des Substrats
bedampft. Zu den Verdampfern, die diese Eigenschaft haben, gehören Elektronenstrahlverdampfer,
thermische Verdampfer und induktiv beheizte Verdampfer.
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Auf derartige Verdampfer bezieht sich der Erfindungsgegenstand.
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Ein teilweiser Ausgleich der punktförmigen Wirkung einzelner Verdampfer
ist durch die Mehrfachanordnung von Verdampfern in einem sogenannten Verdampferfeld
möglich. Ein weiterer Ausgleich der punktförmigen Wirkung von Verdampfern ist dadurch
möglich, daß man großflächige Substrate oder eine Vielzahl kleinerer Substrate relativ
zum Dampfstrom bewegt.
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So ist es beispielsweise bekannt, Folien Uber einer Reihenanordnung
von Verdampfern umzuwickeln. Es ist weiterhin bekannt, Substrate auf Haltern zu
montieren, die im Dampfstrom rotierende Bewegungen ausführen, wobei diese Bewegungen
auch zusammengesetzte Bewegungen nach Art von Evolventenbewegungen,
Taumelbewegungen
um mehrere Achsen, aetn können. Auf die angegebene Weise können beispielsweise Massengüter
mit grober Gletchmätkeit Llberiocen werden.
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Die Bewegung der Substrate gegenüber stillstehenden Verdampfern führt
aber dann zu einem erheblichen vorrichtungsseitigen Aufwand, wenn es sich um große
und[oder schwere Substrate handelt. Sie führt schon gar nicht zum Erfolg, wenn es
sich im Gegensatz zu den bekannten Ver-Verfahren darum handelt, auf einem bestimmten
Oberflächenbereich des Substrats keine homogenen, sondern gezielt inhomogene Schichtdicken
bzw. Schichtdickenverteilungen zu erzeugen.
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Ein besonders-markanter Fall ist die Herstellung von Bildschirmen
von Katodenstrahlröhren, insbesondere von Fernseh-Bildschirmen. Diese sind in Vakuumanlagen
relativ schwierig zu handhaben, da sie Diagonalmasse von ca. 63 cm bei einem Gewicht
von ca. 20 kg haben. Entscheidend ist aber in diesem Falle ein ganz anderes Problem.
Bildschirme besitzen auf der Innenseite, ausgehend vom Glaskörper eine Lumineszenzschicht,
dann eine Lackschicht und schließlich eine Aluminiumschicht. Die Aluminiumschicht
wird für die Abfuhr der Elektronen benötigt und muß daher mit einem Anschlußkontakt
versehen sein. Sie muß außerdem für den Elektronenstrahl durchlässig sein, damit
dieser die Lumineszenzschichtinregen kann. Die Entwicklung geht nun
immer
mehr in Richtung möglichst wenig gewölbter Bildschirme und möglichst kurzer Bildröhren,
die eine immer größere Strahlablenkung erforderlich machen. Dies führt dazu, daß
der Elektronenstrahl an unterschiedlichen Stellen des Bildschirms unter verschiedenen
Winkeln auftrifft und auch einen unterschiedlichen Fokussierungszustand bzw.
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ein unterschiedliches Intensitätsprofil aufweist. Diese nur schwer
oder nicht zu beeinflussenden Parameter bedingen eine Aluminiumschicht, die in der
Mitte des Bildschirms die größte Dicke aufweist und nach dem Rande des Bildschirms
zu abnimmt. Beispielsweise soll ein Bildschirm üblicher Abmessungen für Tischgeräte
eine Aluminiumschicht aufweisen, deren Dicke auf einem der üblichen Meßgeräte 50
bis 60 Skalenteilen entspricht, während sie am Rande des Bildschirms 20 bis 30 Skalenteilen
entspricht. In einem solchen Falle hat das für den Betrachter sichtbare Fernsehbild
an allen Punkten des Bildschirms die gleiche Helligkeit.
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Bei der Herstellung von Aluminiumschichten mit einer derartigen Verteilung
wurde bisher so verfahren, daß für die Verdampfung nicht Verdampfer der oben beschriebenen
Gattung verwendet wurden, sondern sogenannte Drahtwendel aus hochschmelzendem Metall
(z.B. Wolfram) von denen zwei oder vier nach einem bestimmten Muster verteilt unterhalb
des Bildschirms angeordnet und quantitativ mit stückigem Aluminium beschickt wurden.
Durch direkten Stromdurchgang heizen sich die Drahtwendel auf und schmolzen und
verdampften das Aluminium, welches sich in etwa auf einer Kugelfläche allseitig
ausbreitete.
Die räumliche Anordnung der Drahtwendel wurde dabei so getroffen, daß sich die Dampfströme
in der Mitte des Bildschirms überlappten, so daß dort eine größere Schichtdicke
erzeugt wurde. Die geforderte Schichtdickenverteilung ließ sich auf diese Weise
aber nicht im wünschenswerten Masse erreichen. Außerdem haben derartige Drahtwendel
eine sehr begrenzte Lebensdauer von maximal etwa 20 Aufdampfvorgängen, so daß sie
für eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Durchlaufanlage nur mit ungenügendem
Erfolg verwendet werden können. Die Beschickung der Drahtwendel von Hand macht die
ständige Anwesenheit einer Bedienungsperson sowie die Belüftung der Aufdampfanlage
erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumaufdampfverfahren
der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem, ausgehend von einem Verdampfer
auf einer Fläche, die wesentlich größer'ist als der Verdampferquerschnitt, Schichten
mit einer vorgegebenen Schichtdickenverteilung erzeugt werden können. Der Erfindung
liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches bzw. quasi-kontinuierliches
Aufdampfverfahren für die Herstellung von Bildschirmen anzugeben, welches weitgehend
automatisiert werden kann.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen
Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß der Raumwinkel der Verdampfernormalen N"
gegenüber der Substratfläche während des Aufdampfens durch Bewegung des Verdampfers
nach
Maßgabe der geforderten Schichtdickenverteilung geändert wird.
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Die Verdampfernormale "N" ist diejenige gedachte Linie, die senkrecht
zum Uffnungsquerschnitt bzw, zum Boden des Verdampfers verläuft, was in der Regel
das Gleiche ist. Die Verdampfernormale "N" ist daher auch die Symmetrieachse der
sogenannten Dampfkeule. An der Durchdringungsstelle der Verdampfernormalen durch
die Oberfläche des Substrats liegt in der Regel der Ort mit der maximalen Kondensationsrate
an Dampf bzw. letztendlich der niedergeschlagenen Schicht.
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Durch Veränderung des Raumwinkels dieser Verdampfernormalen kann die
Oberfläche des ortsfesten Substrats nach einem vorgegebenen Muster, beispielsweise
durch ein eingegebenes Programm, mit dem Dampfstrahl abgetastet werden, so daß sich
die gewünschte Schichtdickenverteilung ergibt. Maßgeblich ist hierbei die Wanderung
des Punktes an der Durchdringungsstelle der Verdampfernormalen durch die Substratoberfläche.
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In Verbindung mit der räumlichen Ausbreitung der Dampfkeule läßt sich
durch die Bewegung der Verdampfernormalen eine Flächenbeschichtung mit der angestrebten
Schichtdickenverteilung erreichen.
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Die Bewegung der Verdampfernormalen gegenüber der Substratfläche geschieht
dabei auf besonders einfache Weise dadurch, daß der Verdampfer um mindestens eine,
in der Symmetrieachse "S" des Substrats bzw. der Substrate liegende Drehachse geschwenkt
wird. Je näher die Drehachse am Verdampfer bzw.
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am Verdampferhohlraum liegt, um so geringere Auswirkungen hat die
Bewegung des Verdampfers auf das Verdampfungsgut, dessen flüssiger Zustand natürlich
zu berücksichtigen ist, sowie auf die StromanschlUsse des Verdampfers.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, bestehend aus einer Vakuumkammer, einem Substrathalter
mit senkrechter Symmetrieachse und einem unterhalb des Substrathalters in dessen
Symmetrieachse angeordneten Verdampfer. Eine derartige Vorrichtung ist gemäß der
weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer an einem Gelenk mit
horizontaler Gelenkachse befestigt und mit einem Antrieb für die Erzeugung einer
Schwenkbewegung um die Gelenkachse verbunden ist.
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Sofern die Dimension der zu bedampfenden Fläche bzw. des Substrats
in zwei Dimensionen gegenüber dem Verdampferquerschnitt beträchtlich größer ist,
ist es weiterhin vorteilhaft, daß der Verdampfer in einem kardanischen Gelenk befestigt
ist, das mit mindestens einem Antrieb zur Ausführung einer zusammengesetzten Bewegung
des Verdampfers um die Achsen des kardanischen Gelenks in Verbindung steht. Durch
eine solche Maßnahme läßt sich die gesamte Fläche des Substrats weitgehend mit dem
Dampfstrahl bestreichen.
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Schließlich ist es auch vorteilhaft, dem Verdampfer eine automatische
Beschickungsvorrichtung zuzuordnen, die gleichfalls an dem Gelenk befestigt ist.
Der Verdampfer kann somit
kontinuierlich über einen längeren Zeitraum
betrieben werden, wobei es lediglich erforderlich ist, zwischen der Beschichtung
der einzelnen Substrate eine Blende in den Dampfstrom einzuschwenken. Eine solche,
an sich bekannte, Betriebsweise hat gegenüber der portionsweisen Verdampfung mit
Drahtwendeln den Vorteil einer erheblich größeren Wirtschaftlìchkeit.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend
anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vakuum-Aufdampfanlage
für die Bedampfung von Bildschirmen mit einem Verdampfer, der an einem kardanischen
Gelenk befestigt ist und Figur 2 eine Draufsicht auf die zu bedampfende Seite des
Bildschirms mit dem Betsniel einer Wanderunoslinie der Verdampfernormalen N In Figur
1 ist eine Vakuumkammer 10 mit einer Chargierschleuse 11 und einer Dechargierschleuse
12 jeweils herkömmlicher Bauart versehen. Durch die Schleusen 10 und 11 sowie. durch
die Vakuumkammer 10 führen Transportschienen 13, von denen nur die hintere sichtbar
ist. Die Vakuumkammer 10 ist an ihrer Unterseite über einen Saugstutzen 14 mit
einem
nicht dargestellten Vakuumpumpsatz verbunden.
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Auf den Transportschienen 13 ist ein Substrathalter 15 verfahrbar,
der im vorliegenden Fall als Fahrgestell ausgebildet und mit Transportrollen 16
versehen ist. An dem Substrathalter 15 hängt über HaltebUgel 17 ein Substrat 18,
das im vorliegenden Fall ein Bildschirm einer Fernsehröhre ist. Das Substrat weist
mit seiner konkaven Seite nach unten, und auch die Symmetrieachse des Substrathalters
15 ist senkrecht nach unten gerichtet.
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Unterhalb des Substrathalters 15 ist ein Verdampfer 19 angeordnet,
der aus einem Verdampferschiffchen 20 aus einem elektrisch leitfähigen Cermet besteht,
welches in Kontaktklemmen 21 und 22 eingespannt ist. Die beiden Kontaktklemmen stehen
über elektrische Leitungen 23 und 24 mit einer nicht dargestellten Stromquelle in
Verbindung, wobei es sich versteht, daß ein Teil der elektrischen Leitungen aus
den nachstehend noch näher erläuterten Gründen flexibel ausgebildet ist. Der Verdampfer
19 ist auf einer Plattform 25 befestigt, die ihrerseits auf einem Gelenk 26 mit
einer horizontalen Gelenkachse 27 ruht, durch die die Symmetrieachse von Substrathalter
15 und Substrat 18 hindurchgeht.
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Die Gelenkachse 27 ist in einem Rahmen 28 gelagert, der seinerseits
über eine Achse 29, die senkrecht zur Achse 27 verläuft in zwei ortsfesten Lagern
30 gelagert istt Die Gelenkachsen 27 und 29 bilden zusammen mit dem Rahmen 28
ein
sogenanntes kardanisches Gelenk, durch das die Plattform 25 und mit ihr der Verdampfer
19 in unterschiedliche räumliche Lagen gebracht werden können. Zu diesem Zweck befindet
sich an der Plattform 25, über die Gelenkachse 27 hinaus verlängert, ein Hebel 31,
der über eine Schubstange 32 mit einem Antrieb 33 in Verbindung steht. Auf diese
Weise kann die Plattform 25 mittels des Antriebs 33 um die zur Zeichenebene senkrecht
stehende Gelenkachse 27 geschwenkt werden, wobei sie Bewegungen in Richtung des
Pfeils 34 ausführt.
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Der Rahmen 28 ist über einen weiteren Hebel 35 mit einer Schubstange
eines weiteren Antriebs 36 verbunden, wobei die Bewegungsrichtung des Antriebs 36
senkrecht zu derjenigen des Antriebs 33 verläuft. Auf diese Weise kann der Rahmen
28 und mit ihm die Gelenkachse 27 sowie die Plattform 25 um die Gelenkachse 29 geschwenkt
werden. Bei entsprechender Betätigung der beiden Antriebe 33 und 36 läßt sich somit
eine überlagerte Bewegung der Plattform 25 erzeugen, der der Verdampfer 19 folgen
muß. Es versteht sich, daß zwischen den Hebeln 31 und 35 und den zugehörigen Schubstangen
noch weitere Obertragungsglieder vorhanden sind, welche die erforderlichen Freiheitsgrade
gewährleisten, der Einfachheit halber aber nicht dargestellt sind.
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Die Antriebe 33 und 36 stehen über elektrische Leitungen 37 und 38
mit einem Steuergerät 39 in Verbindung. Die Leitung 37 überträgt das Signal für
die X-Koordinaten, und die
Leitung 38 überträgt das Signal für
die t-Koordinatent Dem Steuergerät 39 ist über'eine Leitung 40 ein Programmgeber
41 vorgeschaltet, der es erlaubt, den Verdampfer nach einem genau vorgegebenen zeitlichen
und räumlichen Programm zu steuern. Die Bewegung des Rahmens 28 erfolgt in Richtung
des Pfeils 42.
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Der Verdampfer 19 besitzt sinngemäß eine Verdampfernormale "N", die
senkrecht zur oberen Begrenzungsfläche 43 verläuft und in der gezeichneten Mittelstellung
des Verdampfers 19 mit der Symmetrieachse von Substrathalter 15 und Substrat 18
zusammenfällt. Die Verdampfernormale N geht auch durch die Gelenkachsen 27 und 28
hindurch.
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Während des Betriebes geht vom Verdampfer 19 ein Dampfstrom 44 aus,
der auch als Dampfkeule bezeichnet wird und symmetrisch zur Verdampfernormalen "N"
verläuft. Das Verdampferschiffchen 20 wird während des Betriebes durch eine automatische
Beschickungsvorrichtung 45 beschickt, die aus einer Vorratsrolle 46 mit Aluminiumdraht
46a und zwei Transportrollen 48 besteht. Die gesamte Anordnung ist mittels eines
Gehäuses 47 an der Plattform 25 befestigt.
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In den Dampfstrom 44 ragt - bei Unterbrechung des Aufdampfvorgangs
- eine Blende 48, die über einen Blendenantrieb 49 gesteuert wird. Der Blendenantrieb
49 erhält seine Steuerimpulseüber ein Steuergerät 50, dem das Ausgangssignal eines
Schichtdickenmeßgeräts 51 über eine Leitung 52 aufgeschaltet
ist.
Die Anzeige erfolgt mittels eines Zeigers 53 in Skalenteilen, was fUr die Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit des Vorganges im Produktionsbetrieb durchaus ausreichend
ist.
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Vor Beginn des Aufdampfens wird der Verdampfer 19 und damit die Verdampfernormale
"N" mittels des Antriebs 33 und/ oder des Antriebs 36 in eine der möglichen Endstellungen
gebracht. Nunmehr wird der Aufdampfvorgang begonnen, wobei mindestens einer der
Antriebe eine im wesentlichen gleichförmige Winkelgeschwindigkeit der Verdampfernormalen
"N" herbeiflihrt. Der Dampfstrom 44 überstreicht auf diese Weise die untere Fläche
des Substrats 18 und überzieht diese mit einer Aluminiumschicht der vorgegebenen
Schichtdickenverteilung. Sollten sich hierbei Abweichungen hinsichtlich der gewünschten
Schichtdickenverteilung ergeben, so genügt es, den zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf
mindestens eines der beiden Antriebe 33 oder 36 entsprechend zu verändern, was beispielsweise
durch eine Anderung des in den Programmgeber 41 eingegebenen Programms möglich ist.
Bei länglichen bzw. rechteckigen Substraten, wie bei Fernsehbildschirmen, reicht
es unter Umständen sogar aus, den Rahmen 28 in einer horizontalen Ebene festzustellen
und eine Bewegung der Plattform 25 um die Gelenkachse 27 lediglich mittels des Antriebs
33 herbeizuführen. Hierbei wird vorausgesetzt, daß sich die längste Symmetrieachse
des Substrats 18 in der Zeichenebene gemäß Figur 1 befindet. In
diesem
Falle wird bereits be einer gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit der Verdampfernormalen
"N" eine Schichtdickenverteilung erreicht, die ausgehend vom rechten Rand des Substrats
18 mit einer Schichtdicke von ca. 20 Skalenteilen über eine Schichtdicke von ca.
50 Skalenteilen in der Mitte des Substrats bis wiederum zu 20 Skalenteilen am linken
Ende des Substrats verläuft. Dieser Effekt wird begünstigt durch die sich notwendigerweise
einstellende Dampfdichteverteilung im Dampfstrom 44 in Verbindung mit den unterschiedlichen
Abständen vom Mittelpunkt des Verdampferschiffchens 20 zu den Substratenden bzw.
iur Substratmitte.
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In Figur 2 ist eine Draufsicht von unten auf das Substrat 18 in Richtung
des Pfeils 54 (Figur 1) dargestellt. Das Substrat ist ein Bildschirm 55 einer Fernseh-Bildröhre
mit einer umlaufenden Zarge 56, die später mit dem übrigen Teil der Bildröhre verbunden
wird. Die Zarge 56 ist auf ihrer Innenseite gleichfalls mit einer leitfähigen Schicht
(aus Aluminium) zu bedampfen, da an einer Stelle des Zargenumfangs die Kontaktìerungsstelle
für eine nicht dargestellte Leitung zur Ableitung der Ladungsträger angeordnet ist.
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Auf dem Bildschirm 55 ist durch gestrichelte Kreise A angedeutet,
an welcher Stelle unterhalb des Substrats 18
vter aus Drahtwendeln
bestehende Verdampfer klassscher Bauart angeordnet werden müssen, wenn eine einigermaßen
brauchbare Schichtdtckenverteilung erreicht werden soll. Falls mit nur zwei wendelförmigen
Verdampfern gearbeitet wird, sind diese zweckmäßig an Stellen unterhalb des Bildschirms
zu positionieren, die durch die gestrichelten Kreise B angedeutet sind.
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Gemäß den weiter oben gemachten Ausführungen beginnt der Aufdampfvorgang
durch offenen der Blende 48 in einer Endc stellung des Verdampfers. Hierbei liegt
die Durchdringungsstelle der Verdampfernormalen "N'" im Punkt C (siehe auch Figur
1). Durch Schwenken der Plattform 25 um die Gelenkachse 27 wird der Durchdringungspunkt
der Verdampfernormalen geradlinig auf der längsten Symmetrieachse X-X des Substrats
18 zum Punkt D bewegt. Die Bewegung ist in Figur 2 durch eine Doppellinie 57 angedeutet.
Bereits hierbei ergibt sich eine recht gute Schichtdickenverteilung, wobei auch
die Zarge 56 mit einer ausreichend dicken Schicht überzogen wird.
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Soll die Schichtdickenverteilung in Richtung der kürzeren Symmetrieachse
Y.-y zusätzlich beeinflußt werden, so läßt man mittels des Antriebes 36 die Plattform
25 eine überlagerte Bewegung um die Achse 29 ausführen, die beispielsweise eine
elliptische Bewegung sein kann. Hierbei bewegt sich der Durchdringungspunkt der
Verdampfernormalen N auf der gestrichelten Linie E.
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Beispel: In einer Durchlaufanlage für quasi8*kontinuierlichen Betrieb
gemäß der Figur, bet der der Substrathalter 15 während des Aufdampfvorganges arretiert
wurde, wurden als Substrate Fernsehbildschirme mit der üblichen Wölbung und einer
Diagonalen von 63 cm mit einer Schicht aus Aluminium bedampft. Unter Verwendung
eines herkömmlichen Schichtdickenmeßgeräts mit Anzeige in Skalenteilen sollte die
Schichtdicke, ausgehend vom Rand des Bildschirms bei 20 Skalenteilen über 50 Skalenteile
in der Mitte des Bildschirms- bis zu wiederum 20 Skalenteilen am gegenUberliegenden
Ende des Bildschirms verlaufen, wobei stetige Obergänge einzuhalten waren. Im Abstand
von 30 cm unter dem Substrat 18 befand sich ein Verdampfer aus einem elektrisch
leitfähigen Cermet, der durch direkten Stromdurchgang beheizt wurde und einen Dampfaustrittsquerschnitt
von 60 mm x 10 mm besaß. Dieser Verdampfer war auf einer kardanisch aufgehängten
Plattform 25 befestigt, die im vorliegenden Falle nur um die Gelenkachse 27 geschwenkt
wurde, während die Achse 29 sich in ihrer Mittelstellung befand. Der Schwenkwinkel
betrug 40 Winkel grade, d.h. 20 Winkelgrade nach jeder Seite, ausgehend von der
Senkrechten. Während eines Verdampfungszyklus, der 60 Sekunden dauert, wurde der
Verdampfer mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit so bewegt., daß die Verdampfernormale
N während 60 Sekunden den Weg vom Punkt C bis zum Punkt D auf der Doppellinie 57
zurück
legt. Zur Beendigung des Aufdampfvorganges wurde die Blende 48 wieder in den Dampfstrom
44 geschwenkt. Es zeigte sich, daß bereits be einer geradlinigen Schwenkbewegung
der Verdampfernormalen N eine voll zufriedenstellende Schichtdickenverteilung erreicht
werden konnte.
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Eine Vielzahl derartiger Bildschirme wurden im praktischen Einsatz
in Fernsehgeräten untersucht und zeigten für den Betrachter ein gleichförmig helles
Bild.
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L e e r s e i t e