DE4133615C2

DE4133615C2 - Verdampfungsquelle für die Vakuum-Metallisierung

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Publication number: DE4133615C2
Application number: DE4133615A
Authority: DE
Original assignee: Custom Metallizing Services Inc
Current assignee: Custom Metallizing Services Inc
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1991-10-10
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2011-10-11
Also published as: GB2250752B; DE4133615A1; CA2052719A1; GB2250752A; US5182567A; GB9121426D0

Description

Die Erfindung liegt im Bereich der Vakuum-Metallisierung, einem seit langem bekannten Verfahren, um Metalle durch Verdampfen aus dem geschmolzenen Zustand im Vakuum auf einem Substrat abzu scheiden. Das Vakuum dient dabei hauptsächlich zur Verlängerung der mittleren freien Weglänge der Metalldampfmoleküle als auch zur Verhinderung von deren Oxidation. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Metalldampfquelle zur Verwendung bei der Vakuum-Metallisierung, die eine hohe Verdampfungsrate bei verringerter Neigung zum Spritzen aufweist und dadurch eine höhere Produktivität für ein erstklassig metallisiertes Produkt erlaubt, wobei sich auch weniger Metall unerwünschterweise in der Vakuumkammer niederschlägt, wodurch sich die Nutzungsdauer der Kammer zwischen den erforderlichen Reinigungen verlängert, was ebenfalls zu einer höheren Produktivität beiträgt.

Die Vakuum-Metallisierung ist ein Verfahren, das eine lange Geschichte hat. Es wurden zum Beispiel auf diesem Gebiet der Technik US-Patente an Erfinder vergeben, die eine große Be rühmtheit erlangt haben - Erfinder wie Thomas A. Edison und Clarence Birdseye.

Allgemein umfaßt diese Technologie mehrere Formen. Alle Formen erfordern eine Vakuumkammer, in der ein verringerter Druck im Bereich von 0,013 Pa aufrechterhalten werden kann. Die Kammer kann darin befestigte Targets oder Substrate aufwei sen, die gruppen- oder batchweise metallisiert werden, wobei die Targets nach der Beschichtung entfernt werden; oder sie kann eine aufgewickelte Bahn begrenzter Länge enthalten, die abge wickelt wird, um an einer Metalldampfquelle vorbeizulaufen. Die Bahn wird dann auf eine Aufnahmespule aufgewickelt. Dies kann als halbkontinuierlicher Prozeß bezeichnet werden, da der Prozeß unterbrochen werden muß, um die Spulen auszuwechseln. Die Me talldampfquelle kann ebenfalls eine Batch-Vorrichtung sein, bei der eine Anfangsmenge an Metall verdampft wird, ohne daß die Menge ergänzt wird (ein Ouellen-Batch-Prozeß), oder es kann eine Verdampfungsquelle mit kontinuierlicher Metallversorgung sein (ein bezüglich der Quelle kontinuierlicher Prozeß), wobei das Metall üblicherweise in der Form eines fortlaufenden Drahtes zugeführt wird.

Ein ideales Verfahren würde einen bezüglich der Quelle konti nuierlichen Prozeß mit einem bezüglich des Produkts echt kon tinuierlichen Prozeß verbinden, wobei eine fortlaufende Bahn von Substratmaterial in die Vakuumkammer hineinläuft, dort einem bezüglich der Quelle kontinuierlichen Prozeß ausgesetzt wird und die Vakuumkammer wieder als beschichtete Bahn verläßt. Diese Technologie ist jedoch derzeit nicht sehr weit verbreitet.

Die vorliegende Erfindung ist vor allem darauf gerichtet, die Gesamt-Produktivität und Effektivität eines bezüglich der Quelle kontinuierlichen und bezüglich des Produkts halbkontinuierlichen Bedampfungsvorganges bei der Verwendung der vorhandenen, kommer ziellen Ausrüstung zu erhöhen. Mit anderen Worten ist die erfin dungsgemäße Vorrichtung zur Nachrüstung bei den vorhandenen An lagen der Industrie geeignet. Die folgende Beschreibung soll jedoch andere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung nicht von vornherein als schlechter darstellen; sondern lediglich auf den Prozeß hinweisen, bei dem die Erfindung sehr wirkungsvoll ange wendet werden kann.

Ein Teil der Verbesserung der Gesamt-Produktivität eines solchen Vorganges liegt im Aufrechterhalten der Sauberkeit der Vakuum kammer, insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, daß in der Kammer unerwünschterweise abgeschiedenes Metall eine sehr große Oberfläche aufweist, an der sich jedesmal erhebliche Men gen an atmosphärischen Gasen und Dämpfen anlagern, wenn die Kammer geöffnet wird. Diese adsorbierten Gase und Dämpfe erhöhen die Pumpenleistung, die notwendig ist, das zur Durchführung des Prozesses erforderliche Vakuum zu erzeugen, wodurch sich die Abpumpzeit verlängert, die Teil der Stillstandzeit der Anlage ist. Die Gesamt-Produktivität der Anlage wird davon negativ beeinflußt. Die Verringerung der unerwünschten Metallablagerun gen ist daher ein erheblicher Vorteil.

Die Anlagen in der kommerziellen Verdampfungsbeschichtungsindu strie sind Verdampferbegrenzt. Das heißt, daß die Verdampfungs rate der derzeit benutzten Verdampfer die Produktionsrate der Anlagen begrenzt. Diese Begrenzung wird durch die "Spritzen" ("Spitting") genannte Erscheinung hervorgerufen, bei der Teile geschmolzenen Metalls aus dem Bad geschmolzenen Metalls hoch geschleudert werden und auf das Substrat auftreffen, wodurch ein nicht mehr annehmbares Produkt entsteht. Das Spritzen kann durch das Verdampfen von Metall an der Grenzfläche zwischen dem Bad geschmolzenen Metalls und dem Behälter dafür, der gleichzeitig das Heizelement darstellt, entstehen. Beim Aluminiumbeschichten scheint das Spritzen zu beginnen, wenn der Verdampfungsfluß etwa 0,059 g/cm²/min erreicht. Obwohl die vorhandenen Ausrüstungen zur Handhabung der Bahn, der Drahtzuführung und der Energieversorgung insgesamt eine um den Faktor zwei bis vier der vorhandenen Kapazität der Ausrüstung höhere Produktionsrate er möglichen würden, begrenzt das Auftreten des Spritzens die Pro duktion effektiv. Die kommerziellen Ausrüstungen arbeiten daher meist mit einer maximalen Rate von 0,031 g/cm²/min bis 0,059 g/cm²/min. Es würde daher eindeutig eine Verbesserung darstellen, wenn der Verdampferfluß angehoben werden könnte, bei dem ein Spritzen auftritt, oder wenn ander weitig die Auswirkungen des Spritzens auf die Produktqualität verringert oder beseitigt werden könnten. Es ist bekannt, daß das Einsetzen des Spritzens auch vom Betriebsdruck abhängt; ein höherer Druck unterdrückt das Spritzen. In der Praxis ist daher der Betriebsdruck eine einem Kompromiß unterworfene Größe; ein niedrigerer Druck ergibt durch die Erhöhung der Wirksamkeit der Abscheidung auf dem Target durch die Verlängerung der mittleren freien Weglänge eine sauberere Vakuumkammer. Eine durch einen höheren Vakuumkammerdruck verkürzte mittlere freie Weglänge führt sowohl zu einer erhöhten unerwünschten Ablagerung als auch zu einer erhöhten Oxidation oder zu anderen Reaktionen mit den Restgasen in der Kammer, mit dem Ergebnis einer möglicherweise verringerten Produktqualität.

Die bei der herkömmlichen kommerziellen Praxis derzeit verwende ten Verdampferschiffchen sind sowohl Behälter als auch Heizele ment. Typischerweise besteht ein Verdampferschiffchen aus einem Heizelement mit einem Hohlraum zur Aufnahme des zu verdampfenden Metalls. Das Material, aus dem das Heizelement besteht, muß ein elektrischer Leiter mit einem geeigneten Widerstand sein. Oft werden intermetallische Verbindungen von Titandiborid (TiB₂) und Bornitrid (BN) in binärer Mischung verwendet und gelegentlich ternäre Mischungen mit Aluminiumnitrid (AlN). Auch können kleine Mengen von Wolfram oder Kalziumverbindungen eingeschlossen sein (wie im US-Patent 43 73 952, 1983, Parcut, und 45 26 840, 1985, Jarabek). Das Heizelement muß gegen die korrosiven und erosiven Auswirkungen des Metalls im geschmolzenen und dampfförmigen Zu stand widerstandsfähig sein. Manchmal wird diese chemische Wi derstandsfähigkeit durch eine Beschichtung erzielt (wie im US-Patent 42 64 803, 1981, Shinko).

Die Verdampfungsquelle ist bei der herkömmlichen kommerziellen Verwendung daher ein Gegenstand mit vielen Funktionen und er fordert demnach zwingend Kompromisse zwischen den geforderten Eigenschaften. Es ist klar, daß, wenn die Funktionen der be stehenden Verdampfer durch separate Einheiten erhalten werden, die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Einheiten für die jeweils auszuführende Funktion optimiert werden können. Der sich ergebende Verdampfer kann zwar komplexer sein, da er aus mehreren Einheiten oder Stücken zusammengesetzt ist, aber wenn er bei der existierenden kommerziellen Ausrüstung nachrüst bar ist und die Produktivität der Ausrüstung erhöht, stellt er eindeutig eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar.

Aus der DE-PS 863 735 ist eine Verdampfungsquelle mit einem Behälter bekannt, der mit einer Auslaßöffnung versehen ist und dem durch die Auslaßöffnung ein kontinuierlicher Draht zugeführt wird. Dieser Draht schmilzt durch Aufheizung im Behälter und bildet ein Bad aus flüssigem Metall, das schließlich verdampft und den Behälter durch die Auslaßöffnung verläßt. Die Beheizung des Metallbades erfolgt über den Behälter oder den zugeführten Metalldraht.

Aus der US-PS 3 927 638 ist eine Verdampfungsquelle mit einem zylinderförmigen Behälter bekannt, der mit einer schlitzförmig ausgebildeten Auslaßöffnung versehen ist. Die Beheizung des Behälters bzw. des Metallbades erfolgt über eine durch den Behälter hindurchgeführte bzw. unterhalb desselben angeordnete Heizeinrichtung.

Die JP-OS 2-225 659 zeigt eine Verdampfungsquelle, mit einem geschlitzten Behälter, der mit einer außerhalb des Behälters vorgesehenen Heizeinrichtung versehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Metalldampf-Verdamp fungsquelle zu schaffen, die bei der Mehrheit der heutzutage existierenden, installierten Anlagen für die kommerzielle Be schichtung nachrüstbar ist und die eine verringerte Neigung zum Verspritzen von Metalltröpfchen hat.

Diese Aufgabe wird durch die Verdampfungsquelle mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch den verkleinerten Metalldampfauslaß der erfindungsgemäßen Verdampfungsquelle wird innerhalb der Umschließung für das ge schmolzene Metall ein erhöhter Druck aufrechterhalten, wodurch das Auftreten des Spritzen herabgesetzt ist.

Der größte Teil der möglicherweise trotzdem durch Spritzen er zeugten Metalltröpfen wird darüberhinaus physisch davon abgehal ten, das zu beschichtende Werkstück zu erreichen.

Außerdem sendet die erfindungsgemäße Verdampfungsquelle einen begrenzten, das heißt teilweise abgeblendeten Strahl von mole kularem Metall in Richtung des zu beschichtenden Werkstückes, wodurch die unerwünschte Ablagerung des Metalldampfes in der Vakuumkammer erheblich verringert wird, was wiederum die Aus fallzeiten für die Reinigung der Kammer verkürzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verdampfungs quelle sind in den Unteransprüchen beschrieben. Beispielsweise wird durch eine Abschirmung für die thermische Strahlung der Wärmeverlust verringert, wobei ein Schlitz in der Abschirmung zur Abblendung des Molekularstrahles und zum Schutz des Werk stückes vor verspritzten Metalltröpfen beiträgt, und wobei ein offener Boden die Ansammlung von geschmolzenem Metall innerhalb der Abschirmung verhindert.

Ausführungsbeispiele für die Verdampfungsquelle werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein typisches herkömmliches Verdampferschiffchen mit den typischen Einrichtungen für die physische Halterung und den elektrischen Kontakt dafür;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ver dampfungsquelle, teilweise im Schnitt; und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfungsquelle.

Gemäß Fig. 1, einer Darstellung des Standes der Technik, besteht das herkömmliche offene Verdampferschiffchen 1 typischerweise aus einem einen elektrischen Widerstand aufweisenden Stab von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, der in seiner Oberseite 3 eine längliche Ausnehmung 2 zur Aufnahme eines Bades 4 aus ge schmolzenem Metall hat, das zu verdampfen ist. Das Metall in der Ausnehmung 2 wird kontinuierlich durch einen fortlaufenden Draht 5 ergänzt, der dem Bad durch eine nicht gezeigte mechanische Einrichtung zugeführt wird. Jedes Ende des Schiffchens 1 wird in einem wassergekühlten metallischen "Ohrensesselkontakt" 10 ge halten, zu dem eine elektrische Zuleitung 12 von einer geeigne ten steuerbaren Energiequelle (nicht gezeigt) führt. Um einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Schiffchen 1 und den Kontakten 10 zu sichern, wird beim Einsetzen des Schiffchens 1 in die Kontakte 10 eine kompressible Schicht 14 aus flexiblem Graphit dazwischengelegt. Flexibles Graphit ist ein kommerziell verfügbares Produkt, das dadurch hergestellt wird, daß Vermiku largraphit in die Form einer Platte gepreßt wird, die unter dem Handelsnamen GRAFOIL (registriertes Warenzei chen) handelsüblich ist.

Das Schiffchen 1 muß in der Lage sein, für eine Anzahl von Funk tionen zu dienen; es muß gleichzeitig ein Widerstands-Heizele ment, eine hochtemperaturfeste Halterung und ein gegenüber den chemischen Angriffen des geschmolzenen Metalls am Siedepunkt widerstandfähiger Behälter sein. Typische Materialien für solche Schiffchen sind feuerfeste bzw. hochschmelzende keramische Materialien.

Obwohl der Wissenschaft dafür Lob gezollt werden sollte, daß sie für einen solchen Vielfachgebrauch geeignete Materialien gefunden hat, ergibt sich doch möglicherweise ein besseres System, wenn die verschiedenen Funktionen in den vorteilhaften Gebrauch be stimmter Materialien mit jeweils optimalen Eigenschaften aufge teilt werden. In einem solchen System wird ein optimales Heiz element in Verbindung mit einer optimalen physikalischen Umhül lung verwendet, die durch optimale Halterungen mechanisch ge halten wird. Der vorliegenden Erfindung liegt genau dieses Konzept zugrunde.

Obwohl Abschirmungen für Wärmestrahlung bereits bei Hochtempe ratur-Vakuumanwendungen verwendet worden sind, ist die erfin dungsgemäße Abschirmung von speziellem Wert. Der erfindungsge mäße Hitzeschild ergibt zusammen mit der erfindungsgemäßen Metalldampfquelle ein überlegenes System, mit dem Ergebnisse erzielt werden können, die beim Stand der Technik nicht erreicht werden.

Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Zylinder 22 mit Endstopfen 23 an jedem Ende bildet einen im wesentlichen geschlossenen Behälter 20. Der Behälter 20 muß in der Lage sein, das geschmolzene Metall und den davon ausgehenden Dampf aufzunehmen. Der Zylinder 22 besteht deshalb aus chemisch widerstandsfähigem, hochttemperaturfesten Material. Geeignete Materialien sind Aluminiumnitrid (AlN), Bornitrid (BN), Sili ziumnitrid (Si₃N₄), Titandiborid (TiB₂) oder Mischungen davon. Es ist anzumerken, daß es nicht erforderlich ist, daß der Be hälter 20 elektrisch leitend ist, auch braucht er nicht nicht leitend zu sein. Vorzugsweise besteht der Zylinder 22 aus Ti tandiborid (TiB₂), insbesondere zur Verwendung bei der Alumi niumbedampfung, da Titandiborid von geschmolzenem Aluminium gut benetzt wird. Wenn Aluminium aus dem Bad geschmolzenen Metalls verdampft wird, schlägt sich etwas davon an den Innenwänden des Behälters nieder, oder es wird etwas Aluminium an die Innenwände gespritzt, wodurch zusätzlich zu dem Bad geschmolzenen Metalls eine zweite Metalldampfquelle entsteht. Die Fläche, von der Me tall verdampft wird, wird dadurch um einen Faktor drei oder vier vergrößert, besonders bei der Ausführung mit einem zentralen Heizelement, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist.

Die Endstopfen 23 am Zylinder 22 müssen ebenfalls aus chemisch widerstandsfähigem, hochtemperaturfesten Material bestehen. Geeignete Materialien sind Bornitrid (BN) oder Aluminiumnitrid (AlN). Vorzugsweise bestehen die Endstopfen 23 aus einem elek trisch isolierenden Material mit guter thermischer Leitfähig keit; Bornitrid ist im allgemeinen das Material der Wahl.

Der Behälter 20 ist mit einer Dampfauslaßöffnung 26 versehen, die vorzugsweise aus einem länglichen Durchlaß in der Zylinder wand 28 besteht, der parallel zur Achse des Zylinders verläuft. Es sind jedoch auch Mehrfach-Ausgänge, nicht langgestreckte Aus gänge und diagonal oder quer verlaufende Ausgänge möglich. Der Dampfauslaß 26 wird auch als die Öffnung verwendet, durch die weiteres Metall mittels des fortlaufenden Drahtes 5 aus dem zu verdampfenden Metall in das Bad 30 eingeführt wird. Der Draht wird von einer Spule oder einer anderen Speichervorrichtung (nicht gezeigt) zugeführt.

Obwohl der soweit beschriebene Behälter als Dampfquelle dienen kann, wenn eine geeignete Wärmequelle vorgesehen ist, wird doch ein übermäßiger Wärmeverlust durch Strahlung auftreten, wenn der Behälter bei den Temperaturen betrieben wird, die zum Ver dampfen von Metall erforderlich sind. Die Leistungsfähigkeit einer solchen Verdampfungsquelle ist daher nicht besonders optimal.

Es ist deshalb eine Abschirmung vorgesehen, die die thermische Wirksamkeit der Verdampfungsquelle wesentlich verbessert. Obwohl bei einer Anwendung wie hier ein Mehrschichten-Hitzeschild für wünschenswert gehalten werden kann, reicht in der Praxis bereits eine Abschirmung 40 gegen Wärmeabstrahlung aus einer einzigen Lage aus, die den Behälter 20 umgibt und davon einen Abstand aufweist. Die Komplexität der Abschirmung ist daher gering, und es ist nur wenig zusätzliches Material vorhanden, das atmosphä rische Gase adsorbieren kann. Die Abpumpzeit, die die Still standzeit verlängert, wird daher im wesentlichen nicht erhöht.

Vorzugsweise besteht die Abschirmung 40 aus Siliziumkarbid. Es ist ein neues Verfahren bekannt, das derzeit noch geschützt ist, nach dem jede erforderliche Form leicht durch die Umwandlung eines kohlenstoffhaltigen Produkts von im wesentlichen jeder gewünschten Form in im wesentlichen reines Siliziumkarbid mög lich ist, ohne daß die Form bedeutende Änderungen erfährt. Andere, für die Abschirmung 40 geeignete Materialien sind Graphit, das bereits erwähnte GRAFOIL, Titandiborid (TiB₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄). Ein gutes Material ist auch Aluminium nitrid, besonders zur Verwendung bei der Aluminiumbeschichtung, da es von Aluminium gut benetzt wird, elektrisch nicht leitet und leicht zu bearbeiten ist. Die Abschirmung 40 wird mittels Blöcken aus nichtleitendem, hochschmelzenden Material gehalten, die auf den Halterungen für die Ohrensesselkontakte aufliegen. In der Zeichnung sind der besseren Übersichtlichkeit halber diesbezüglich jedoch keine Details gezeigt.

Die Abschirmung 40 weist eine Dampfdurchlaßöffnung 42 auf, die der Dampfauslaßöffnung 26 des Behälters 20 ähnlich ist und die dazu ausgerichtet ist. Der zugeführte Draht 5 verläuft durch die Dampfdurchlaßöffnung 42 genauso wie durch die Dampfauslaßöffnung 26. Die Abschirmung 40 ist am Boden offen, wie es bei 44 gezeigt ist, um Spannungen beim schnellen Aufheizen und Abkühlen abzu bauen und auch um die Ansammlung von geschmolzenem Metall zu verhindern, die sonst aufgrund von Spritzern aus Tröpfchen flüs sigen Metalls oder der Kondensation von Metalldampf an der In nenfläche 46 der Abschirmung entstehen könnte, wobei der letzte re Mechanismus die wahrscheinlichere Quelle des flüssigen Me talls ist. Es wird angenommen, daß die Kondensation von Metall dampf an der Innenfläche 46 der Abschirmung die Reflektivität der Abschirmung 40 erhöht, die effektive Abstrahlung davon ver ringert und dadurch den Wärmeverlust des Behälters 20 durch Strahlung vermindert.

Berechnungen auf der Basis der eingeführten Wärmeübergangs gleichungen ergeben, daß die Temperatur der Innenfläche 46 der Abschirmung 40 unter dem Siedepunkt des zu verdampfenden Mate rials, jedoch über dem Schmelzpunkt davon liegt; ein solcher Temperaturbereich erlaubt ein Zusammenwachsen von kondensie rendem Metall zumindest zu Tropfen, um die Oberfläche dieses zusätzlichen Metallkondensats zu verringern, oder es wird sich, wie gehofft wird, eine Schicht geschmolzenen Metalls bilden, um die Oberfläche zu minimieren und um eine wärmereflektierende Oberfläche zu bilden. Wenn sich das Metall in dieser Schicht ansammelt, verursacht die Schwerkraft schließlich ein Abtropfen vom offenen Boden 44.

Es ergeben sich weitere Vorteile daraus, daß die Abschirmung 40 am Boden offen ist; wenn die Öffnung groß genug gemacht wird, kann der Behälter 20 zusammengesetzt und genau ausgerichtet werden, bevor die Abschirmung 40 angebracht wird. Zum Halten der Abschirmung können verschiedene Vorrichtungen dienen, eine uni versell anwendbare Vorrichtung besteht jedoch aus einer elek trisch isolierenden Abstützung an der gleichen Halterung, die die mechanische Abstützung für die Kontakte 10 darstellt.

Vorzugsweise besteht die Wärmequelle zum Verdampfen des Metalls im Behälter 20 aus einem axial angebrachten Widerstands-Heiz element 50 aus einem Material, das für die chemische und ther mische Umgebung geeignet ist. Das Material der Wahl ist Graphit mit einem schützenden Überzug von pyrolytisch abgeschiedenem Bornitrid (BN, die pyrolytisch abgeschiedene Form wird oft als PyBN bezeichnet, obwohl dies nur eine Pseudo-chemische Notation ist). Der Graphitstab ist über seine ganze Länge beschichtet, mit der Ausnahme von Abschnitten an den Enden, wie bei 52 ge zeigt, an denen das bloße Graphit freiliegt, um einen elektri schen Kontakt zu bilden. Das Heizelement 50 verläuft durch Löcher 54 in den Endstopfen 23 an den Enden des Behälters 20 und ist in Adaptern aus jeweils zwei Teilen 56, 57 aufgenommen, die in den Standard-Ohrensesselkontakten 10 sowohl für die elektri sche als auch die mechanische Verbindung sitzen. Der Behälter 20 wird vorzugsweise von diesem axial angeordneten Heizelement 50 über die Endstopfen 23 mechanisch gehalten.

Nahezu die gesamte von diesem Heizelement abgegebene Wärme wird durch Strahlung von dem glühenden Heizelement 50 zu der Innen wand 27 des Behälters 20 und der Oberfläche des Bades 30 aus flüssigem Metall übertragen. Das Metall wird daher größtenteils von der Oberfläche des Bades her nach unten zu der Grenzfläche mit der Wand des Behälters hin aufgeheizt. Es wird angenommen, daß diese Temperaturverteilung, die umgekehrt ist wie bei den bekannten Verdampferschiffchen, wesentlich zu der Verringerung des Spritzens des flüssigen Metalls beiträgt, die ein Ergebnis der Verwendung des beschriebenen Verdampfers ist.

Wie in der Fig. 2 gezeigt, sind nach wie vor die Ohrensesselkon takte 10 zusammen mit den entsprechenden elektrischen Zuleitun gen 12 vorgesehen. In jedem Kontakt 10 ist ein Block 55 aus elektrisch leitfähigem, hochschmelzenden Material wie Graphit gehalten, in den das Widerstands-Heizelement 50 eingesetzt ist, das sich so zwischen den Blöcken 55 erstreckt und den elektri schen Kreis zu der Energieversorgung schließt.

Die Verbindung zwischen dem Heizelement 50 und dem Kontakt 10 wird vorzugsweise durch einen aufgeteilten Block, etwa aus Graphit, hergestellt. Dazu wird zuerst der Block 55 (zum Bei spiel durch Sägen) in zwei Teile 56, 57 geteilt und dann zu sammengehalten, um ein Loch zur Aufnahme des Heizelementes 50 mit geeigneter Größe entlang der Trennlinie zu bohren. Diese Vorgehensweise sichert einen vollen Kontakt zwischen dem zylin drischen Heizelement 50 und dem so erzeugten zylindrischen Loch im Block 55.

Der Block 55 wird dann zwischen die "Ohren" des Ohrensesselkon taktes 10 gesteckt, wobei das flexible Graphit 14 dazwischen gelegt wird, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Kontakten 10 und dem Block 55 sicherzustellen.

Die Größe der offenen Fläche des Dampfauslasses 26 relativ zur Oberfläche des Bades 30 aus geschmolzenem Metall ist zusammen mit der Temperatur im Behälter 20 ein wichtiger Faktor zur Erzeugung eines Dampfdruckes innerhalb des Behälters, der aus reichend erhöht ist, um das Wegspritzen von Metalltröpfchen aus dem Bad 30 zu unterdrücken. Während sich bei der oben beschrie benen Ausführungsform das Heizelement 50 oberhalb des Metall bades 30 befindet, wodurch das Spritzen nahezu vollständig ver hindert wird, kann das Heizelement bei einer anderen Ausfüh rungsform auch außerhalb des Behälters 20 vorgesehen werden, wobei dann die Wärme durch die Wand 28 des Behälters 20 zu dem Bad 30 aus geschmolzenem Metall gelangt. In diesem Fall kann das Spritzen verschlimmert sein, so daß bei dieser Ausführungsform die Größe der Dampfauslaßöffnung 26 wichtiger ist. Für die Alu miniumverdampfung erschien bei den vorläufigen Tests für die vorliegende Erfindung ein länglicher Schlitz mit einer Breite von 6,35 mm bis 16 mm ausreichend wirksam zur Verhinderung des Spritzens.

Bei dieser zweiten Ausführungsform, die in der Fig. 3 darge stellt ist, ist das Heizelement 60 von einer gegabelten Form; das heißt, daß sich der Heizstab 62, der sich zwischen den Ohrensesselkontakten 10 erstreckt, in seinem mittleren Teil in zwei gleiche Abschnitte 64 und 66 aufteilt, von denen jeder dafür vorgesehen ist, etwa den halben Strom zu leiten. Dieses Heizelement kann als "mittig gegabelter Stab" bezeichnet werden. Das Material für dieses Heizelement kann Graphit sein oder ein anderes Material, das geeignete elektrische und thermische Eigenschaften hat.

Im Gebrauch liegt bei dieser Ausführungsform der Behälter 20 auf dem gegabelten Abschnitt des Heizstabes 62, wobei er gleicher maßen von jedem der beiden Abschnitte 64 und 66 des Heizstabes getragen wird. Auf diese Weise wird die Wärme im wesentlichen durch Wärmeleitung von jedem der beiden Heizstababschnitte 64, 66 zum Behälter 20 übertragen und erst in zweiter Linie durch Strahlung von den beiden Heizstababschnitten. Obwohl nicht ge zeigt, ist auch diese zweite Ausführungsform mit der Abschirmung 40 für die thermische Strahlung umgeben, so daß während einer Übergangszeit, bei der die Temperatur der verschiedenen Körper in dem System dies ermöglicht, Wärme von der Abschirmung 40 für thermische Strahlung zum Behälter 20 reflektiert werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Verdampferschiffchen
2 Ausnehmung
3 Oberseite
4 Bad
5 Draht
10 Ohrensesselkontakt
12 elektrische Zuleitungen
14 kompressible Schicht
20 Behälter
22 Zylinder
23 Endstopfen
26 Auslaßöffnung
27 Innenwand
28 Behälterwand
30 Bad geschmolzenen Metalls
40 Abschirmung
42 Durchlaßöffnung
44 offener Boden
46 Innenfläche
50 Heizelement
52 Endabschnitte
54 Löcher
55 Block
56, 57 Teile
60 Heizelement
62 Heizstab
64, 66 Abschnitte

Claims

1. Verdampfungsquelle für einen bezüglich der Quelle kontinuierlichen Vakuum-Metallverdampfungsprozeß zur Erzeugung des Metalldampfes mit einem eine hochtemperaturfeste Wand aufweisenden Behälter, der mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, durch die ein im wesentlichen fortlaufender Draht zuführbar ist, um dem Behälter (20) Metall zuzuführen, das bei genügender Aufheizung schmilzt, ein Bad (30) aus flüssigem Metall im Behälter (20) bildet und schließlich verdampft und den Behälter durch die Auslaßöffnung (26) verläßt, mit einer Einrichtung (50; 60) zum Aufheizen des Behälters (20) und des Metalls auf Temperaturen, die ausreichen, das Metall in eine Flüssigkeit und dann in Dampf umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß

- der im wesentlichen geschlossene Behälter (20) zylinderförmig mit einem ersten und einem zweiten hochtemperaturfesten Endstopfen (23) ausgebildet ist, wobei der Behälter (20) so angeordnet ist, daß seine Zylinderachse im wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, und wobei die Auslaßöffnung (26) des Behälters (20) in der Zylinderwand (28) vorgesehen ist, um einen gerichteten Strahl des Metalldampfes durchzulassen,
- die Heizeinrichtung (50; 60) in den "Ohrensesselkontakten" (10) des Standes der Technik in mechanischem und elektrischem Kontakt haltbar ist, so daß die Verdampfungsquelle zur Nachrüstung vorhandener Bedampfungsanlagen geeignet ist, und die Wand (28) des Behälters (20) insbesondere das Spritzen des Metalles aus dem Bad (30) und eine unerwünschte Dampfkondensation während des Betriebes der Verdampfungsquelle verringert.

2. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Dampfauslaßöffnung (26) genügend klein ist, um den Durchgang von Metalldampf zu begrenzen und den Druck innerhalb des Behälters (20) genügend zu erhöhen, um eine Anhe bung der Temperatur zu erreichen, bei der das Herausspritzen von Metallteilchen aus dem Bad (30) aus geschmolzenem Metall be ginnt.

3. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein Widerstands-Heizelement (50) umfaßt, das sich axial durch den Behälter (20) erstreckt und durch eng passende Löcher (54) in den Endstopfen (23) verläuft, und das durch Blöcke (55) mit den Ohrensesselkontakten (10) des Standes der Technik in mechanischer und elektrischer Verbindung gehalten wird.

4. Verdampfungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstands-Heizelement (50) einen Graphitstab umfaßt.

5. Verdampfungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitstab an wesentlichen Teilen eine schützende Beschichtung aus pyrolytisch abgeschiedenem Bornitrid (BN) aufweist.

6. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung für den Behälter (20) ein mittig gega beltes Widerstands-Heizelement (60) umfaßt, auf dem der Behälter in direktem Kontakt aufliegt.

7. Verdampfungsquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstands-Heizelement (60) aus Graphit besteht.

8. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschirmung (40) für die thermische Strahlung in der Form einer gekrümmten Platte vorgesehen ist, die den Behälter (20) umgibt und davon einen Abstand hat, wobei die Abschirmung am Boden offen ist und eine Durchlaßöffnung (42) aufweist, die sich mit der Auslaßöffnung (26) des Behälters deckt, um den Metalldampfstrahl teilweise abzublenden.

9. Verdampfungsquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Abschirmung (40) für die thermische Strah lung aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Graphit, flexibles Graphit (gepreßtes Vermikulargraphit), Siliziumnitrid, Silizium karbid und Titandiborid umfaßt.

10. Verdampfungsquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Abschirmung (40) für die thermische Strah lung Siliziumkarbid ist.

11. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochtemperaturfeste Material für die Zylinderwand (22, 28) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminiumnitrid, Bor nitrid, Siliziumnitrid, Titandiborid und Mischungen daraus umfaßt.

12. Verdampfungsquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das hochtemperaturfeste Material Titandiborid ist.

13. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochtemperaturfeste Material für die Endstopfen (23) Aluminiumnitrid ist.

14. Verdampfungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochtemperaturfeste Material für die Endstopfen (23) Bornitrid ist.