DE907322C - Verfahren zur Metallbedampfung eines Dielektrikums, insbesondere zur Herstellung von Belagschichten fuer elektrische Kondensatoren - Google Patents

Description

• Verfahren zur Metallbedampfung eines Dielektrikums, insbesondere zur Herstellung von Belagschichten für elektrische Kondensatoren Um eine möglichst hohe Ausbeute an Kapazität zu erhalten, ist es notwendig, mit möglichst dünnen Dielektrika zu arbeiten, denn bei gegebener Fläche der Kondensatorbelegungen und gegebener Dielektrizitätskonstante ist die Kapazität dem Abstand der Belegungen, d. h. der Dicke des Dielektrikums, umgekehrt proportional. Je dünner das Dielektrikum aber wird, um so schwieriger wird es, ein Material von ausreichender Gleichmäßigkeit zu erhalten. Da es bisher nicht gelungen ist, Schwachstellen im Dielektrikum zu vermeiden, war man gezwungen, anstatt der bei einem Material ohne Schwachstellen erforderlichen Dicke des Dielektrikums mindestens eine Lage mehr zu wählen, wobei man annahm, daß die den einzelnen Lagen anhaftenden Schwachstellen sich nicht überdecken. Dies trifft in verstärktem Maße zu für den Fall, daß an sich nur eine einzige Lage des Dielektrikums, z. B. Papier, notwendig wäre. Mit Rücksicht auf die zahlreichen Schwachstellen konnte man bei der Herstellung üblicher Kondensatoren mit Metallfolien nie unter die Lagenzahl a gehen.
• Die Anwendung des Prinzips der Metallisierung des Dielektrikums ließ erwarten, daß die Herstellung von Einlagenkondensatoren möglich ist. Für diese Ansicht war vor allen Dingen maßgeblich, 4aß .die Belegung in so dünner Schicht aufgedampft wird, daß ein Ausheilen der Schwachstellen durch Wegbrennen der Metallschicht erfolgt. Diese Annahme wurde nicht in vollem Umfange bestätigt. Die Zahl .der Schwachstellen bei Einlagenkondensatoren ist nämlich so groß, daß infolge des nicht ganz vollkommenen Ausheilens die sich ergebende Gesamtisolation des Kondensators unzulässig niedrig wurde.
• Fig. i zeigt in vergrößertem Maßstab den Schnitt durch ein metallisiertes Dielektrikum i mit Vertiefungen a an der Oberfläche und auch durchgehenden Löchern oder Poren 3. Bei der Bedampfung in der bisher üblichen Weise werden Metallniederschläge 4 natürlich auch in die Vertiefungen und Poren eindringen, wo sie zum Teil einen massiven Kurzschluß mit dem anderen Belag herbeiführen. Wo sie aber nicht gleich bis zur anderen Seite des Dielektrikums durchdringen, verkleinern die Metallniederschläge doch den Isolationsabstand zwischen den Belägen und bewirken durch ihre meist spitze Form eine ungünstige Feldverteilung. Beide Tatsachen stellen eine Verschlechterung des Kondensators dar.
• Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde, wie bereits bekannt ist, vorgeschlagen, auf das Dielektrikum einen Überzug aufzubringen, der die Poren und Vertiefungen ausfüllt, und dann die Metallschicht auf diesen Überzug niederzuschlagen. Wie in Fig.2 veranschaulicht ist, werden durch das Aufbringen eines Überzuges 7, z. B. von Lack, auf die zu bedampfende Seite des Dielektrikums i die Poren 3, wenn sie nicht zu groß sind, geschlossen und Vertiefungen :2 zumindest verringert. Die aufgedampfte Metallschicht 4 könnte damit auch nicht mehr Kurzschlüsse herstellen bzw. infolge Ab- standsverringerung und Spitzenbildung Durchschläge veranlassen. Bisher ist es aber nicht gelungen, die Deckschicht aus Lack so gleichmäßig zu machen, daß alle Schwachstellen, wie Poren und Vertiefungen, ausgeschaltet werden. Die Lackschicht hat also im ganzen gesehen höchstens die gleiche Funktion wie eine zweite Papierschicht, deren Wirkung auf der Tatsache beruht, daß sich Schwachstellen im allgemeinen nicht decken. Dieses Verfahren ist außerdem umständlich und benötigt einen erheblichen Aufwand. So wird ein Kondensatorpapier durch Aufbringung der Lackschicht um das Drei- bis Fünffache verteuert.
• Zur Vermeidung dieses bedeutenden Aufwandes und der geschilderten Schwierigkeiten wird der Erfindung gemäß der Hauptstrom der Metalldampfatome unter einem Winkel zur Normalen der zu bedampfenden Dielektrikumfläche auf diese geleitet. Zu diesem Zweck kann die zu bedampfende Dielektrikumfläche in einem Winkel über den Verdampfungstiegel geführt werden. Um eine Bewegung der Metallatome mindestens vorwiegend geradlinig zu erzielen, kann die Bedampfung bei einem möglichst guten Vakuum vorgenommen werden. Ist dieses jedoch weniger gut, so ist es möglich, zur Abschirmung des Dielektrikums gegen eine Bedampfung in unerwünschter Richtung Blenden vorzusehen. Die Bewegungsrichtung der Metalldampfatome kann auch durch ein elektrisches Feld gesteuert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Lenkung der Metalldampfatome besteht darin, diese beim Aufsteigen aus dem Verdampfungstiegel in die Strömung eines Metalldampfträgers, beispielsweise eines Gases oder Dampfes, gelangen zu lassen. Es können ohne weiteres noch andereEinrichtungen und Anordnungen gefunden werden, um das gekennzeichnete Verfahren auszuführen. Die geschilderten und gegebenenfalls weitere Verfahren können unter Umständen auch gleichzeitig angewandt werden.
• Die grundsätzliche Wirkung des gekennzeichneten Verfahrens ist in Fig.3 veranschaulicht. Wird demgemäß der Hauptstrom der Bedampfung in Richtung des Pfeils 9 gewählt, so daß er mit der Normalen auf der Papierbahn i im Bedampfungsraum einen Winkel bildet, so können die Metallatome in die Vertiefungen 2 und Poren 3 nur zu einem geringen Teil eindringen. Bei der entsprechenden Bewegungsrichtung des Papiers von rechts nach links nimmt auch die Belagdicke mit der Eindringtiefe ab, so daß bei großen Vertiefungen gegebenenfalls dennoch vorhandeneKurzschlüsse oder Kurzschlußansatzpunkte leicht durch Wegbrennen beseitigt werden können. In Fig. 3 ist angedeutet, wie weit bei den angegebenen Verhältnissen der Metallniederschlag ungünstigenfalls in die Vertiefungen und Poren herunterreichen würde.
• An Hand der Fig. 4 bis 6 werden noch einige Verfahren beschrieben, die beispielsweise zeigen; wie bei der Bedarnpfung das gekennzeichnete Prinzip in die Praxis umgesetzt werden kann.
• In Fig. 4 wird über dem Tiegel i i das Papier i2 schräg geführt. Auf alle einzelnen Elemente der Transporteinrichtung für das Papier 12, die Vorratsrolle 13, Urnlenkrollen 14 und 15 und Auf-Wickelrolle 16 sei nicht weiter eingegangen. Zur Verhinderung der Verdampfung unter einem unerwünscht steilen Winkel mit dem Papier ist noch die Blende 17 vorgesehen. Ist das Vakuum so gut, daß die Bewegung der Metalldampfatome geradlinig oder vorwiegend geradlinig erfolgt, wie in der Fig. 4 gezeigt, so kann auf die Anbringung einer derartigen Blende verzichtet werden.
• Ist dagegen das Vakuum weniger gut, so daß infolge der Zusammenstöße zwischen Metalldampf-und Fremdgasatomen die Bewegung der ersteren zum Teil diffus erfolgt, so würde die Anordnung nach Fig. 4 immer noch befriedigend arbeiten, wenn der Tiegel nicht zu breit ist. Die dann notwendige Blende 17 verhindert jede vorherige Bedampfung, und infolge der geringen Breite des Tiegels kann selbst bei völlig diffuser Bewegung eine unerwünschte Bestäubung durch steiler auftretende Metallatome nur in geringem und daher unbedenklichem Maße auftreten, während die Metallatome, die unter einem flacheren Winkel auftreffen, als es der linearen Bewegung entspricht, ja keinen Schaden mehr anrichten können.
• Die Bewegung der Metalldampfatome in einer bevorzugten Richtung, also z. B. linear, kann zumindest angenähert gegebenenfalls durch ein elektrisches Feld erzwungen werden. Durch die gleichnamige Ladung aller sich in einer Richtung im Feld bewegenden Metallatome wird dabei gleichzeitig verhindert, daß eine sehr unerwünschte vorzeitige Kondensation der Metallatome bereits in der Gasphase eintritt. Das kann besonders in den Fällen von Bedeutung sein, in denen zur Durchführung des Erfindungsgegenstandes aus irgendwelchen Gründen der Abstand zwischen Tiegel und zu bedampfendem Material größer gewählt wird.
• Eine andere Anordnung, die in gleicher Weise für lineare und diffuse Bewegung der Metallatome geeignet ist, zeigt Fig. 5. Die vbm Tiegel i i aufsteigenden Metalldampfatome geraten in die Strömung eines Gases oder Dampfes, der aus einem unter höherem Druck als die eigentliche Bedampfungskammer stehenden Raum über die Düse 18 in den Bedampfungsraum gelangt. Die Metalldampfatome werden mitgerissen und treffen unter einem gewünschten Winkel auf die zu bedampfende Fläche. Als Abschirmung gegen unerwünschte Bedampfung senkrecht zur Dielektrikumfläche dient in ähnlicher Weise wie in Fig. q. eine Blende oder Abschirmvorrichtung 17. Als Metalldampfträger sind vor allen Dingen solche Materialien geeignet, die eine Oxydation des Metalldampfes ausschließen, verhindern oder gar reduzierend wirken, z. B. Wasserstoff, Stickstoff u. ä., ferner Edelgase, wie Argon usw. Aber auch Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Äthan, Acetylen u. dgl., sind geeignet, weil sie mit dem Metalldampf unter Bildung von hochbeständigen Metall-Metalloid-Verbindungen, wie Karbiden, in Reaktion treten.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig.6 veranschaulicht. Hier wird der Tiegel i i in einer besonderen Kammer ig untergebracht. Infolgedessen herrscht in der Kammer ig ein höherer Druck als in dem eigentlichen Bedampfungsraum. Durch die Düse 2o, die gegebenenfalls noch zusätzlich geheizt werden kann, strömt daher überhitzter Metalldampf aus, und zwar vorwiegend in der durch die Düse gegebenen Richtung.
• Die Bildung eines Metallniederschlages auf einer Unterlage, z. B. einem Dielektrikum, ist nur in manchen Fällen ohne weiteres, d. h. unmittelbar auf der Unterlage möglich. So ist nachgewiesen worden, daß die Bildung eines metallischen Zinkniederschlages nur dann einwandfrei erfolgt, wenn die Unterlage auf Temperaturen weit unter o° C unterkühlt wird. Bei höheren Temperaturen werden bei einer Bedampfung mit Zink ungleichmäßige und staubartige Niederschläge erzeugt. Derartige Niederschläge lassen weitgehend die Eigenschaften des reinen Metalls vermissen. Da sich aber andererseits Zink leicht verdampfen läßt, wurde und wird auch noch heute Zink dazu benutzt, auf Diedektrika Metallschichten als Belagschichten für elektrische Kondensatoren zu bilden. Um dabei die bei der unmittelbaren Niederschlagung solcher Stoffe, wie z. B. Zink, auftretenden geschilderten Schwierigkeiten zu umgehen, wird die Unterlage vorbedampft. Man versteht darunter die Aufbringung einer Zwischenschicht geringer- Dickenausdehnung aus einem Stoff, der sich auf der in Frage kommenden Unterlage leichter niederschlagen läßt. Auf den so aufgebrachten Spuren, den Kristallisationskeimen, eines Vorbedampfungsstoffes wird dann der Hauptstoff, in dem Beispiel das Zink, niedergeschlagen. Die Atome oder Moleküle dieses Stoffes verhalten sich beim Auftreffen auf nicht vorbedampfte Stellen der Unterlage genau so, wie oben beschrieben. Sie lassen sich also ohne genügende Unterkühlung der -Unterlage nicht oder nur als ungleichmäßiger Metallstaub ohne die gewünschten Eigenschaften eines reinen Metalls niederschlagen. Treffen sie jedoch auf ein oder mehrere Atome oder Moleküle des Vorbedampfungsstoffes, so kristallisieren sie sich dort um diese Keime und bewirken einen guten metallischen Niederschlag.
• In weiterer Entwicklung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, eine solche Vorbedampfung unter einem Winkel zur Normalen der zu bedampfenden Unterlage vorzunehmen. Dabei kann die Metallbedampfung so ausgeführt werden, daß entweder nur die Vorbedampfung unter einem Winkel erfolgt, während bei der Hauptbedampfung die Metalldampfatome beliebig, also z. B. auch senkrecht, auf ;die zu bedampfende Unterlage geleitet werden, oder daß sowohl die Vorbedampfung als auch die Hauptbedampfung schräg zu der zu bedampfenden Unterlage vorgenommen wird. Durch die schräge Vorbedampfung wird vermieden, daß sich Kristallisationskeime in den Poren und Vertiefungen niederschlagen können. Der Hauptbedampfungsstoff kann dann selbst bei Eindringen in die Poren, wenn überhaupt, dort nur ungleichmäßige, staubförmige Niederschläge bilden, die relativ hohe Widerstände aufweisen und daher keine eigentliche Kurzschlußgefahr bilden.
• Die beispielsweise angegebenen Verfahren und Einrichtungen zur Ausführung der schrägen Bedampfung können selbstverständlich auch bei der Vorbedampfung angewandt werden.
• Als Vorbedampfungsmaterialien können vorteilhaft Zinn, Kupfer, Silber oder andere solche Stoffe verwendet werden, die sich auf der in Frage kommenden Unterlage, z. B. Papier, Kunstfolie od. dgl., leichter niederschlagen lassen.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE-i. Verfahren zur Metallbedampfung eines Dielektrikums, insbesondere zur Herstellung von Belagschichten für elektrische Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrom der Metalldampfatome unter einem Winkel zur Normalen der zu bedampfenden Dielektrikumfläche auf diese geleitet wird.
2. 2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfende Dielektrikumfläche in einem Winkel über den Verdampfungstiegel geführt ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung des Dielektrikums gegen eine Metallbedampfung in unerwünschter Richtung Blenden vorgesehen sind. q.. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedampfung bei einem so guten Vakuum erfolgt, daß die Bewegung der Metallatome mindestens vorwiegend geradlinig erfolgt. 5. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i bis .4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung der Metalldampfatome durch ein elektrisches Feld gesteuert wird. 6. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, dal die Bewegungsrichtung der Metalldampfatome durch einen Metalldampfträger, z. B. ein strmendes Gas, gelenkt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalldampfträger solche Materialien gewählt werden, die eine Oxydation des Metalldampfes ausschließen, verhindern oder gar reduzierend wirken. B. Verfahren nach Anspruch 6 und ;, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalldampfträger Wasserstoff, Stickstoff u. ä. oder Edelgas, wie Argon usw., gewählt werden. g. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalldampfträger Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Äthan. Acetylen u. dgl., verwendet werden. io. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i bis g, dadurch gekennzeichnet, da!-,) der Verdampfungstiegel in einer besonderen Kammer mit einer Austrittsdüse untergebracht wird, aus der der Metalldampf in der durch die Düse gegebenen Richtung unter Druck geleitet wird. i i. Verfahren nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse zusätzlich geheizt wird. 1a. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorbedampfung unter einem Winkel zur Normalen der zu bedampfenden Unterlage vorgenommen wird. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Vorbedampfung unter einem Winkel erfolgt, während bei der Hauptbedampfung die Metalldampfatome beliebig, z. B. auch senkrecht, auf die zu bedampfende Unterlage geleitet werden. 1d.. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i bis 1a dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Vorbedämpfung als auch die Ilauptbedampfung schräg zu der zu bedampfenden Unterlage vorgenommen wird.