DE3135374C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Herstellen von modifiziertem amorphen Glasma­ terial der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10 be­ kannten Gattung.

Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt (US-PS 41 77 473). Danach wird beispielsweise zu Halbleiterzwecken amor­ phes Glasmaterial hergestellt, wobei ein Modifikatormate­ rial mit dem Wirtsmatrixmaterial auf ein Substrat aufge­ bracht wird, das sich auf niedrigerer Temperatur als das aufgebrachte Material befindet, so daß sich die beiden aufgebrachten Materialien dort verfestigen. Das Modifika­ tormaterial modifiziert das Wirtsmatrixmaterial, indem es eingebaut wird. Beide Materialien werden insbesondere durch sog. "Kosputtering" abgeschieden.

Auch Vakuumabscheidung wird dabei angewendet.

Darüber hinaus ist es auch bekannt (Journal of Applied Phy­ sics, 1978, Seite 829; Scientific American 80, Seite 98; Science 1980, Seite 436, und Metallic Glasses in American Society for Metals 1976) eine umlaufende Scheibe aus hoch­ leitfähigem Metall unter einer Düse zu positionieren, die am Auslaß eines Reservoirs für flüssiges Metall oder eine flüssige Metallegierung angeordnet ist. Beim Auftreffen des dünnen Strahls der Metallschmelze auf die mit großer Um­ laufgeschwindigkeit bewegten Scheibe wird die Schmelze mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit zwischen etwa 10⁴ bis 10⁸ grd/s abgekühlt; sie läuft dann als metallisches, amorphes Glasband von der rotierenden Scheibe ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs ge­ nannte Verfahren auf einfache Weise dahingehend zu verbes­ sern, daß die Materialparameter des Glasmaterials noch bes­ ser auch unabhängig voneinander einstellbar sind. Die Lö­ sung dieser Aufgabe ist besonders bei solchen Halbleitern vorteilhaft, die bei großem Bandabstand in besonderer Weise aktiviert werden sollen. Insofern erweitert die Lösung die­ ser Aufgabe auch die Vorteile von Modifikationsverfahren auf solche Materialdicken, welcher größer sind als die üblicherweise im Aufdampfverfahren hergestellten amorphen Glasmaterialien.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnet und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen derselben beansprucht.

Bei der Erfindung wird ein erster Strahl bzw. Strom flüssi­ gen Matrixmaterials und ein zweiter Strahl bzw. Strom von Modifikatormaterial erzeugt (ohne daß die Anzahl dieser Strahlen auf zwei beschränkt ist). Beide Strahlen werden auf eine rotierende Substratoberfläche derart gerichtet, daß sie spätestens auf der Substratoberfläche zusammenlau­ fen. Darüber hinaus wird dafür gesorgt, daß die Strömungs­ geschwindigkeit und die Abkühlungsgeschwindigkeit beider Strahlen unabhängig voneinander steuerbar sind.

Durch die Erfindung ist nicht nur der Anteil des einen Ma­ terials in Bezug zum anderen besser steuerbar, sondern kann auch die Abkühlungsgeschwindigkeit allein durch Verändern der Relativbewegung zwischen den Strahlen und der Sub­ stratoberfläche an der Aufdrehfläche verändert werden, was zusätzliche Modifizierungseffekte ermöglicht. Die Erfindung ist daher auch großtechnisch auf einfache Weise realisier­ bar.

Bei der Erfindung können folgende Einzelschritte vor­ gesehen sein:
Bereitstellen eines Kühlsubstrats,
Ausbilden eines Wirts-Matrixmaterials auf dem Substrat,
Richten eines Stroms mindestens eines flüssigen Materials, das mindestens ein Modifikatormaterial aufweist, auf das Substrat in einer solchen Richtung, daß der Strom des mindestens einen Modifikatormaterials mit dem Wirts- Matrixmaterial zusammenläuft,
unabhängiges Regeln der Strömungs- und der Abkühlungsrate des Stroms,
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Modifikatorstrom und
Unterhalten des Substrats auf einer Kühltemperatur, die in Verbindung mit der Relativbewegung, der Strömungs- und der Abkühlungsrate des Modifikator­ materials die kombinierten Matrix- und Modifikatormaterialien bei Kontakt miteinander mit einer Abkühlrate von 10⁴ bis mindestens 10⁸ grd/s oder mehr abkühlt,
so daß ein modifiziertes amorphes Glasband gebildet wird, dessen optische und elektrische Transporteigenschaften und dessen Zahl und Art elektronischer Konfigurationen einstellbar sind, wodurch die Orbitalbeziehungen zwischen dem Wirts- Grundmaterial und dem Modifikatormaterial einstellbar sind.

Durch Einstellen der verschiedenen Eigenschaften und Kon­ figurationen des modifizierten Materials sind die elektrischen, chemischen, thermischen oder physikalischen Eigenschaften des Materials unabhängig steuerbar. Die unabhängige Steuerung der Materialeigenschaften, z. B. der dreidimensionalen Bindungs- und Lockerungs-Beziehun­ gen und -Positionen, ergibt sich in kristallinen Ma­ terialien normalerweise nicht, zumindest nicht in großer und gesteuerter Anzahl. Dies gilt insbesondere im Fall eines d-Energieband- oder Mehrfachorbitalmodifikator­ elements. Durch die d-Energieband- oder Mehrfachorbital­ modifikatorelemente können die modifizierten Materialien stabile, jedoch nicht im Gleichgewicht befindliche Orbitalkonfigurationen aufweisen, die durch die unabhän­ gig einstellbare Abkühlungsrate eingefroren sind.

Bei einem Schmelzverfahren könnte aufgrund der Beziehung und der Abkühlungsrate der Matrix und des zugegebenen Elements das Zusatzelement in die normalen Gefügebindungen der Matrix eingebaut werden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden diese Zusatzelemente zu Modifikations­ elementen, die in den eingangs genannten Patentschriften angegeben sind. Der Zeitpunkt der Einführung des Modi­ fikatorelements (bzw. der -elemente) kann unabhängig von irgendwelchen durch Kristalle gegebenen Einschrän­ kungen bestimmt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Modifikators kann geregelt werden und kann änderbar oder intermittierend sein sowie gasförmige Modifikatoren in dem Strom oder der Umgebung aufweisen. Durch unabhängiges Bestimmen der Umgebung, der Abkühlungs- und der Strömungs­ geschwindigkeiten wird ein neues Grundmaterial bzw. eine neue Grundlegierung hergestellt, die die erwünschten Eigenschaften aufweist und bei den kristallinen Materialien kein Gegenstück hat.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden das Wirts-Matrixmaterial und der Modifikator auf das Sub­ strat durch zwei Düsen gerichtet, die flüssiges Material unter einem Winkel zwischen 90° und 30° zum Substrat rich­ ten. Die eine Düse ist hinter der anderen angeordnet, so daß beide Düsen im wesentlichen in derselben Vertikal­ ebene liegen und die aus ihnen austretenden Ströme in der Vertikalebene zusammenlaufen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung können die Düsen auch derart seitlich vonein­ ander beabstandet und in Bezug aufeinander geneigt sein, daß die aus ihnen austretenden Strahlen in einer Ebene zusammenlaufen, die seitlich zur Richtung der Relativbewegung und unter einem Winkel von zwischen 30° und 90° zur Horizontalen verläuft.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wer­ den das Wirts-Matrixmaterial und das Modifikatormaterial auf das Substrat durch zwei konzentrische Düsen gerich­ tet, die so angeordnet sind, daß die aus ihnen austreten­ den Materialströme bei oder vor Kontakt derselben mit dem Substrat zusammenlaufen. Die konzentrischen Düsen sind so positioniert, daß das flüssige Material auch hier auf das Substrat unter einem Winkel zwischen 90° und 30° zu einer in Richtung der Relativbewegung verlaufenden Geraden auf dem Substrat gerichtet wird.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung nach der Erfindung mit zwei hintereinander angeordneten Düsen, die ein flüssiges Wirtsmatrixmaterial und ein flüssiges Modifizierermaterial auf eine Tangente eines umlaufenden Substrats richten;

Fig. 2 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels der Einrichtung, wobei die beiden Düsen seitlich voneinander beabstandet sind;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels der Einrichtung ähnlich Fig. 1, wobei beide Düsen geneigt zu der Tangente angeordnet sind und der Bereich der Winkel­ lagen der Düsen gezeigt ist;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels von zwei konzentrischen Düsen, die mit dem Verfahren und der Einrich­ tung nach der Erfindung einsetzbar sind;

Fig. 5 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels des umlaufenden Substrats, das als Scheibe mit einer ringförmigen Nut ausgebildet ist, in die die Ströme des Wirts- und des Modifizierer­ materials gerichtet werden;

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Aus­ führungsbeispiel des umlaufenden Substrats in Form einer Zylindertrommel mit einer nach innen weisenden zylindrischen Substratober­ fläche; und

Fig. 7 eine vertikale Ansicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels des umlaufenden Substrats in Form einer Scheibe mit einer abgefasten Oberfläche.

Fig. 1 zeigt eine Metallspinneinrichtung 10. Diese umfaßt eine Scheibe 12, die ein bewegtes, d. h. umlaufendes, Substrat mit einer Substratoberfläche 14 bildet. Die Schei­ be 12 wird von einer Antriebsmaschine, z. B. 16 in Fig. 2, angetrieben.

Die Metallspinneinrichtung 10 weist ein erstes, im wesent­ lichen zylindrisches Reservoir 18 auf, das über der Scheibe 12 angeordnet ist und eine Düse 20 aufweist, die einen unteren Auslaß aus dem Reservoir 18 bildet. Das Reservoir 18 nimmt ein metallisches oder Halbleiter-Matrixmaterial zur Bildung des flüssigen Wirtsmaterials auf.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine Wicklung 22 um das Reservoir 18 gewickelt, die die körnigen Teilchen des Matrixmaterials im Reservoir auf eine Temperatur über deren Schmelzpunkt erwärmt, so daß das Material in ein flüssiges Matrixmaterial umgewandelt wird. Am Oberende des Reser­ voirs 18 ist ferner ein Kolben 24 angeordnet, der mit einer schweren Masse versehen beaufschlagt sein kann, so daß durch Schwerkraft eine Druckkraft auf das flüssige Matrixmaterial im Reservoir 18 ausgeübt wird. Alternativ kann der Kolben 24 mit Druck von einer Druckluft- oder Hydraulikkolben-Zylinder-Einheit oder von einer elektri­ schen Bewegungsspindel beaufschlagt werden, so daß das flüssige Matrixmaterial im Reservoir 18 mit einem relativ gleichbleibenden Druck beaufschlagt wird und aus der Düse 20 in einem Strom 28 gemäß Fig. 1 austritt.

Die Düse 20 ist so angeordnet, daß der Strom 28 unter einem Winkel von ca. 90° auf eine Tangente auf der Oberfläche 14 der Substratscheibe gerichtet wird. Dieser Winkel ist über einen Bereich von 60° zwischen 30° und 90° änderbar.

Gemäß der Erfindung umfaßt die Metallspinneinrichtung 10 außerdem ein zweites Reservoir 38 mit einem Modifikator­ fluid. Das Reservoir 38 hat eine untere Austrittsdüse 40, die so angeordnet ist, daß ein Strom 42 des Modifikator­ fluids auf den Strom 28 derart gerichtet wird, daß er mit dem Strom 28 entweder auf dem Substrat konvergiert oder bevor der Strom 28 des Matrixmaterials die Sub­ stratoberfläche 14 der Scheibe 12 kontaktiert.

Ebenso wie das Reservoir 18 ist das Reservoir 38 im we­ sentlichen zylindrisch und weist eine auf ihn gewickelte Wicklung 44 zum Erwärmen des im Reservoir befindlichen körnigen Modifikatormaterials auf. Das heißt, wenn ein Strom durch die Wicklungen 22 und 44 geschickt wird, werden das Grund- und das Modifikatormaterial durch elektromagneti­ sche Energie über ihre Schmelzpunkte hinaus erwärmt, so daß flüssiges Grund- und Modifikatormaterial erzeugt werden. Selbstverständlich können anstatt der Wicklungen 22 und 44 andere Mittel zum Erwärmen des körnigen Grundmaterials und des körnigen Modifikatormaterials in den Reservoiren 18 und 38 vorgesehen sein.

Auch das Reservoir 38 weist einen Kolben 54 am Oberende auf, der mittels eines daran befestigten Gewichts und in­ folge der Schwerkraft oder mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit oder mittels einer elektromechanischen Bewegungsspindel das flüssige Modifikatormaterial im Reservoir 38 mit Druck beaufschlagt, so daß dieses unter Druck als Strom austritt, der mit dem Strom 28 des flüssigen Grundmaterials konvergiert.

Die Düse 40 ist hinter der Düse 20 und unter einem Winkel von ca. 45° zu einer Horizontaltangente der Substratober­ fläche 14 angeordnet. Dabei ist die Lage der Düse 40 ebenso zwischen 30° und 90° änderbar, und die Düse 40 kann vor oder hinter der Düse 20 angeordnet sein.

Die Scheibe 12 besteht z. B. aus einem hochleitfähigen Werkstoff wie Kupfer oder Aluminium und hat typischer­ weise einen Durchmesser zwischen 13 und 25 cm. Alternativ kann das rotierende Substrat, z. B. die Scheibe 12, aus anderen Werkstoffen bestehen oder mit anderen Werkstoffen beschichtet sein, die miteinander in Wechselwirkung treten oder dies nicht tun. Die Abkühlungsgeschwindigkeit kann durch Wärmeleitfähigkeit oder durch Kühlung gesteuert werden. Eine Beschichtung oder eine Dünnschicht auf der Substratoberfläche kann von bestimmter Art sein und kann erwünschtenfalls teilweise in das resultierende modifi­ zierte Legierungsband eingebaut werden; dabei kann es sich um einen Dotierstoff oder einen anderen Modifikator handeln.

Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens nach der Er­ findung unter Anwendung der Metallspinneinrichtung 10 läuft die Scheibe 12 mit einer Drehzahl von 1000-5000 U/min, bevorzugt von 2000-3000 U/min, um, so daß eine lineare Geschwindigkeit von 1000-2000 cm/s an der Substratflächen- Berührungslinie, wo die Ströme 28 und 42 die Substratober­ fläche 14 der Scheibe 12 kontaktieren.

Durch die druckausübenden Kolben 24 und 54 wird außerdem ein ausreichender Druck ausgeübt, so daß die Ströme 28 und 42 des flüssigen Grundmaterials und des flüssigen Modi­ fikators aus den Düsen 20 und 40 mit einer Geschwindig­ keit zwischen 200 und 300 cm/s austreten. Typischerweise hat die Austrittsöffnung jeder Düse 20 und 40 einen Durch­ messer im Bereich von 0,005-0,15 cm oder mehr. Jede Strö­ mungsgeschwindigkeit ist unabhängig regelbar.

Um eine Verunreinigung des Grund- und des Modifikator­ materials oder des daraus hergestellten Materials zumin­ dest zu minimieren, wenn nicht ganz auszuschließen, ist die Einrichtung von einem Inert- bzw. Schutzgas umgeben, z. B. Argon, Neon, Helium, Krypton oder Xenon, und das Verfahren wird unter Drücken durchgeführt, die zwischen einem Unterdruck von 4,0 bar liegt. Erwünschtenfalls können die Umgebung und/oder die Materialströme eines oder mehrere aktive Gase enthalten, die in das Legierungsband eingebaut werden, z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Siliziumtetrafluorid oder Arsin.

Wie erwähnt, sind die Ströme 28 und 42 so ausgerichtet, daß sie vor oder nach dem Kontakt mit der Substratoberfläche 14 konvergieren. Wenn die Ströme 28 und 42 in Kontakt mit der Substratoberfläche 14 treten, ist die Temperatur­ differenz zwischen der Temperatur der Scheibe 12 und den Temperaturen der Ströme 28 und 42 in Verbindung mit der linearen Geschwindigkeit der Substratoberfläche 14 an der Tangente derart, daß der gemeinsame Strom mit einer Abküh­ lungsgeschwindigkeit von zwischen 10⁴ und wenigstens 10⁸ grd/s oder mehr abgekühlt wird. Um diese Abkühlungsge­ schwindigkeit zu erreichen, wird die Temperatur der Schei­ be 12 zwischen 4,2 K und Raumtemperatur gehalten. Die Raumtemperatur ergibt häufig eine ausreichende Abkühlungs­ rate aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Sub­ stratoberfläche 14 und den Strömen 28 und 42 sowie auf­ grund der hohen linearen Geschwindigkeit am tangentialen Kontaktpunkt auf der Substratoberfläche 14. Selbstver­ ständlich ist die Abkühlungsgeschwindigkeit um so höher, je niedriger die Temperatur der Scheibe 12 ist.

Aufgrund der Abkühlung der Ströme 28 und 42 des flüssigen Matrixmaterials und des flüssigen Modifikators mit einer hohen Abkühlungsrate von 10⁴ bis mindestens 10⁸ grd/s oder mehr wird ein Band aus modifiziertem amorphem Glas­ material 60 erzeugt, das von der Scheibe 12 nach Fig. 1 abläuft. Die Breite dieses Bands kann selbstverständlich in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Austrittsöffnungen der Düsen 20 und 40 verstellt werden.

Aus Untersuchungen ergibt sich, daß jede Düsenaustritts­ öffnung eine erhebliche Länge kolinear mit der Rotations­ achse der Scheibe 12 haben kann und eine Weite zwischen 0,005 und 0,15 cm oder mehr aufweisen kann, so daß band­ artige Fluidströme gebildet werden, die vor oder nach Kontakt mit der Substratoberfläche 14 ineinander konver­ gieren können. Auf diese Weise kann mit dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung ein breiteres Band aus modifiziertem amorphem Material hergestellt werden.

Beim dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegen die Düsen 20 und 40 jedoch im wesentlichen in einer Vertikalebene, die mit der Umlaufrichtung der Scheibe 12 kolinear ist.

Das Verfahren und die Einrichtung 10 können zur Herstellung eines amorphen modifizierten Metalls oder eines amorphen modifizierten Halbleiters verwendet werden.

Wenn das Verfahren und die Einrichtung 10 zum Herstellen eines amorphen modifizierten Metalls verwendet werden, kann das flüssige Matrixmaterial im Reservoir 18 ein Metall oder eine Metallegierung sein, die durch ein Metall, einen Halbleiter oder eine Metallegierung im Reservoir 38 modifizierbar ist. Der Modifikator ist typischerweise mit einem bedeutenden Prozentsatz, z. B. 0,5-30 Atom-%, in dem resultierenden Band 60 des modifizierten amorphen Materials anwesend. Ebenso wie in den eingangs genannten Patentschriften können zur Änderung der elektrischen Leit­ fähigkeit durch Kompensation oder Dotierung auch geringere Mengen an Modifikatorelementen eingesetzt werden (vgl. auch die US-PS'en 42 17 374 und 42 26 898). Geringe Material­ mengen können mit Silizium eingesetzt werden, das in Massenform in einem reaktionsfähigen Fluor- und/oder Wasserstoffplasma erzeugt wird. Das Modifikatorelement kann eine Arsenverbindung sein, wobei nur ppm-Anteile erforderlich sind, um das Grundmaterial zu dotieren.

Durch Abkühlen des modifizierten geschmolzenen Metalls oder der geschmolzenen Metallegierung mit einer Rate von 10⁴ bis 10⁸ grd/s oder mehr wird ein modifiziertes amorphes Metallglasband 60 erhalten, das, weil es - im Gegensatz zum kristallinen Zustand - im amorphen Zustand erstarrt ist und weil es modifiziert ist, eine bedeutende Anzahl von Disassoziationspunkten für Moleküle sowie Bindungspunkten, d. h. von Atomen hoher Valenz mit vielen unausgefüllten oder nicht verbundenen Valenzpositionen, die Bindungspunkte für freie Atome eines Gases bilden, aufweist, so daß das Material für die Speicherung von Gasen einsetzbar ist und ein Material erhalten wird, das die katalytischen chemischen Eigenschaften eines Edel­ metalls simulieren kann, ohne daß es irgendein Edelmetall enthält.

Ferner kann das flüssige Matrixmaterial ein Halbleiterma­ terial sein, z. B. Silizium, Siliziumoxid, Kohlenstoff, Silizium und Stickstoff, Bor und Kohlenstoff, Bor und Stickstoff, Silizium und Stickstoff, Tellur, Selen und Germanium, oder Tellur, Selen, Germanium und Arsen, wo­ bei dieses Halbleitermaterial durch ein Halbleiter- oder Metallmaterial modifiziert ist.

Bei der Herstellung eines modifizierten Halbleiterglases ist z. B. das Matrixmaterial Siliziumoxid, wobei das Silizium-Sauerstoff-Verhältnis durch SiO_x gegeben ist, wobei x zwischen 0 und 2 einstellbar ist, und der Modi­ fikator ein Alkalimetall wie Lithium ist, das z. B. zwischen 0,5 und 30 Atom-% vorhanden ist.

Bei der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung kann der Modifikator ferner ein Halbleiter oder ein Metall, z. B. ein Übergangsmetall wie Wolfram oder ein Selten­ erdmetall und andere Elemente sein, durch die die Eigen­ schaften erhalten werden, die in den eingangs genannten Patenten angegeben sind, z. B. Mehrwertigkeit und Multiorbitalelemente.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im Gegensatz zu einem sogenannten Dünnfilmmaterial ein Glasmaterial herstellbar ist. Diesbezüglich sind modifizierte amorphe Halbleiter-Dünnfilmmaterialien und Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei die Materialien die eingangs genannten Zusammensetzungen aufweisen, in den US-PS'en 41 77 473, 41 77 474, 41 78 415 angegeben.

Derartige Dünnfilmmaterialien wurden unter Anwendung von Vakuumaufdampfverfahren, z. B. durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen oder Glimmentladung, hergestellt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß durch An­ wendung des Metallspinnverfahrens ein modifiziertes amorphes Metall oder metallisches Glas oder ein modifi­ ziertes amorphes Halbleiterglasmaterial herstellbar ist und daß mit größere Materialmengen als bisher unter Anwendung der Dünnfilm-Herstellungsverfahren herstellbar sind. Auf diese Weise können relativ große Mengen modi­ fizierter amorpher Glasmaterialien hergestellt werden, wo­ bei die optischen und elektrischen Transporteigenschaften und die chemischen Eigenschaften des Materials einstellbar sind und eine kontrollierte Anzahl und Art von elektronischen Konfigurationen erhalten werden kann. Die spezifische Reaktivität oder Nichtreaktivität kann gesteuert werden, wenn z. B. Reaktionsträgheit verlangt wird.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Metallspinneinrichtung 110. Diese umfaßt eine Scheibe 112 mit einer glatten zylindrischen Substratoberfläche 114, und die Scheibe 112 wird von einer Antriebsmaschine 16 getrieben. Ein Reservoir 118 für ein flüssiges Matrix­ material ist auf einer Seite einer Tangente zur Oberfläche 114 positioniert, und eine Austrittsdüse 120 richtet einen Strom 128 Matrixmaterial auf die Oberfläche 114, und zwar unter einem seitlichen Winkel einschließlich einer Tangente zur Oberfläche 114. Dabei ist die Austrittsdüse 120 nicht in einer Vertikalebene, die mit der Umlaufrichtung der Scheibe 112 kolinear ist, positioniert, sondern die Düse 120 liegt in einer Ebene, die unter einem Winkel von ca. 60° zu einer Rotationsebene der Scheibe 112 verläuft.

Ferner ist ein Reservoir 138 ähnlich dem Reservoir 38 von Fig. 1 zur Aufnahme eines flüssigen Modifikatormaterials vorgesehen. Das Reservoir 138 weist eine Düse 140 auf, die auf der anderen Seite der Tangente positioniert und so angeordnet ist, daß sie einen Strom 142 von flüssigem Modifikator in eine Richtung abgibt, die mit dem Strom 128 des flüssigen Matrixmaterials nach oder vor Kontakt­ gabe des Stroms von Matrixmaterial mit der Substratober­ fläche 114 konvergiert. Die Düse 140 ist ebenfalls so positioniert, daß der aus ihr austretende Materialstrom 142 in einer Ebene liegt, die unter ca. 60° zu einer Rotationsebene der Substratoberfläche 114 verläuft.

Die Düsen 120 und 140 sind also seitlich voneinander be­ abstandet und liegen nicht in einer Vertikalebene hin­ tereinander wie bei der Einrichtung 10 nach Fig. 1. Im Gegensatz dazu sind die Düsen 120 und 140 unter einem seitlichen Winkel von 30-80° zu einer Tangente und einem Winkel von 90-30° relativ zu der linearen Bewegungsrich­ tung an der Tangente und relativ zu einer diese Tangente enthaltenden Horizontalebene positioniert. Bei Betrachtung der Düsen 120 und 140 von einer Seite der Scheibe 112 liegen die Düsen also in einer Reihe und unter einem Winkel zwischen 90° und 30° zu einer Tangente der Scheibe. Wenn man die Düsen aus einer zur Rotationsachse senkrechten Richtung betrachtet, sind sie aus einer eine Tangente enthaltenden Ebene und einem von der Substratoberfläche 114 ablaufenden Band von Glasmaterial 160 geneigt.

Fig. 3 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels der Metallspinneinrichtung 210. Dabei ist eine Düse 220 aus einem Matrixmaterial enthaltenden Reservoir unter einem Winkel von 45° zu einer Tangente geneigt und ist hinter einer Düse 240 angeordnet, die von einem Reservoir für Modifikatormaterial ausgeht und unter einem Winkel von 60° positioniert ist, so daß zusammenlaufende Ströme 228 und 242 von flüssigem Matrixmaterial und flüssigem Modifikator­ material, die aus den Düsen ausgestoßen werden, mit einer umlaufenden Substratoberfläche 244 unter einem geringen spitzen Winkel zu der Tangente und zu der linearen Bewe­ gungsrichtung der Substratfläche 244 an der Tangente in Kontakt gelangen.

Auch ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Position der Düsen für das Matrix- und das Modifikatormaterial änder­ bar ist, so daß die Düsen hintereinanderliegen und jede Düse innerhalb eines 60°-Bogens von 90° bis 30° zu der Tangente positioniert ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Düsenanordnung 250, umfassend eine erste, innere Düse 252 und eine dazu konzentrische zweite, äußere ringförmige Düse 254. Eine untere Austritts­ öffnung 256 der Düse 252 ist so positioniert, daß sie sich innerhalb der äußeren Düse 254 oberhalb deren Aus­ trittsöffnung 258 öffnet. Die Düse 254 hat einen kegel­ stumpfförmigen Abschnitt 260, so daß darin befindliches flüssiges Material mit dem aus der Austrittsöffnung 256, die sich in den Kegelstumpfabschnitt 260 öffnet, austretenden flüssigen Material zusammenläuft und damit vermischt wird.

Ferner ist eine Ringschulter 262 am Unterende des Kegel­ stumpfabschnitts 260 und oberhalb der Austrittsöffnung 258 ausgebildet, so daß eine Verwirbelung und bessere Vermi­ schung der flüssigen Materialien stattfindet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das flüssige Modifikatormaterial in der Innendüse 252 und das flüssige Matrixmaterial in der ringförmigen Außendüse 254. Die Durchmesser der Düsen 252 und 254 sind jedoch so änderbar, daß der Modifikator in der Ringdüse 254 und das Matrix­ material in der Innendüse 252 vorhanden sein können.

Erwünschtenfalls kann auch zwischen der ersten und der zwei­ ten Düse 252 bzw. 254 eine dritte konzentrische Düse 264 vorgesehen sein. Diese dritte Düse 264 (und eventuell auch weitere Düsen) können zur Zugabe weiterer Materialien, z. B. eines weiteren Modifikators, einer Legierung oder eines Dotierstoffs zu dem Matrixmaterial verwendet werden.

Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Düsen 252 und 254 so angeordnet, daß die aus ihnen aus­ tretenden Materialströme beim oder vor dem Kontakt mit dem Substrat zusammenlaufen, und sind so positioniert, daß flüssiges Material auf das Substrat unter einem Winkel zwischen 90° und 30° zu einer Geraden auf dem Substrat, die in Richtung der Relativbewegung verläuft, gerichtet wird.

Aus diesem Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, daß auch bei den Einrichtungen 10, 110 oder 210 erwünschtenfalls weitere Düsen vorgesehen werden können.

Die umlaufende Substratoberfläche kann unterschiedliche Formen aufweisen; Fig. 5 zeigt eine Scheibe 312 mit einer umlaufenden Substratoberfläche 314, in der eine Ringnut 315 ausgebildet ist, in die die Matrix- und Modifikator­ materialströme gerichtet werden. Die Ringnut 315 hat halbelliptischen oder halbzylindrischen Querschnitt, so daß das von der Scheibe 314 ablaufende Glasband im wesentlichen Ellipsenquerschnitt aufweist.

Fig. 6 zeigt eine trommelförmige Scheibe 412 mit einer inneren zylindrischen substratbildenden Oberfläche 414, auf die die kombinierten Matrix- und Modifikator-Material­ ströme gerichtet werden.

Fig. 7 zeigt eine Scheibe 512 mit einer abgefasten Sub­ stratoberfläche 514, die eine gewölbte Oberfläche ist, die von einem größten Durchmesser 515 auf einer Seite der Scheibe 512 zu einem kleinsten Durchmesser 516 der Scheibe 512 auf deren anderer Seite verläuft.

Die Konfiguration der bewegten Substratoberfläche der verwendeten Scheibe oder Trommel der Metallspinneinrich­ tung 10, 110 oder 210 kann entsprechend den Fig. 5, 6 oder 7 abgewandelt sein oder andere Formen und Abmessungen aufweisen. Zum Beispiel kann eine wesentlich breitere Zylinder­ oberfläche 14 vorgesehen sein, wenn die Austrittsöffnungen der Auslaßdüsen 20 und 40 für flüssiges Matrix- und Modifikatormaterial eine wesentlich größere Länge in einer zur Rotationsachse der Scheibe 12 parallelen Richtung haben und wenn die Außendüse(n) die Innendüse umschließt, d. h. wenn koaxiale/aneinandergrenzende Düsen vorgesehen sind, so daß ein breites Band von modifiziertem amorphem Glas erhalten wird. Auch kann ein ebenes Substrat vorgesehen sein, wobei dann das Substrat und/oder die Düsen intermittierend bewegt wer­ den, um eine Relativbewegung zu erzeugen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen von modifiziertem amorphen Glas­ material, das ein Wirtsmatrixmaterial und ein Modifika­ tormaterial aufweist, bei dem das Matrixmaterial und das Modifikatormaterial auf einem Substrat verfestigt werden, das auf niedrigerer Temperatur als das aufgebrachte Ma­ trixmaterial gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Strahl (28; 128; 228) flüssigen Matrixma­ terials und ein zweiter Strahl (42; 142; 242) flüssigen Modifikatormaterials erzeugt werden, daß beide Strahlen (28, 42; 128, 142; 228, 242) derart auf eine rotierende Substratoberfläche (14; 114; 244; 314; 414; 514) gerich­ tet werden, daß beide Strahlen spätestens auf der Sub­ stratoberfläche zusammenlaufen, daß die Strömungsge­ schwindigkeit und die Abkühlungsgeschwindigkeit beider Strahlen (28, 42; 128, 142; 228, 242) unabhängig vonein­ ander gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (28, 42; 128, 142; 228, 242) mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 10⁴ grd/s auf der Substratoberfläche (14; 114; 244; 314; 414; 514) abge­ kühlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche (14; 114; 244; 314; 414; 514) mit einer Geschwindigkeit zwischen 1000 und 2000 cm/s an­ getrieben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (28, 42; 128, 142; 228, 242) durch Düsen unter Druck in Anwesenheit einer kontrollierten Gas­ atmosphäre ausgestoßen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kontrollierte Gasatmosphäre ein reaktives Gas aufweist, das mindestens teilweise in das modifizierte amorphe Glasmaterial eingebaut wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche (14; 114; 244; 314; 414; 514) und die Düsen (20; 120; 220; 252, 262, 264) intermittie­ rend in Bezug zueinander bewegt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Modifikatormaterial ein Metall verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial ein Metall verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial ein Halbleiter verwendet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Aufbringvorrich­ tung zum Aufbringen des Matrix- bzw. Modifikatormate­ rials auf die Substratoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringvorrichtung mindestens zwei Düsen (20, 40; 120, 140; 220, 240; 252, 262, 264) aufweist, zum Ausstoßen der flüssigen Strahlen (28, 42; 128, 142; 228, 242) auf die durch ein Antriebsaggregat rotierend ange­ triebene Substratoberfläche (14; 114; 244; 314; 414; 514).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (20, 40; 120, 140; 220, 240) einen Durch­ messer zwischen 50 µm und 1,5 mm aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (20, 40; 120, 140; 220, 240) unter einem Winkel zueinander gerichtet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (20, 40; 120, 140; 220, 240) unter einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Tangente auf die Sub­ stratoberfläche (14; 114; 244) gerichtet sind.