DE970970C - Einrichtung zum Herstellen von Oberflaechenschichten durch Verdampfen oder Sublimieren des UEberzugsstoffes im Hochvakuum - Google Patents

Description

Zur Herstellung von dünnen Oberflächenschichten, wie sie insbesondere für optische Zwecke benötigt werden, bedient man sich verschiedener Verfahren. Bei dem ältesten Verfahren, das beispielsweise zur Belegung von Gläsern mit dünnen Oberflächen Verwendung findet, wird der Überzug chemisch niedergeschlagen. Ihm folgte das Verfahren der Kathodenzerstäubung, das nun in neuerer Zeit für fabrikationstechnische Zwecke durch das Aufdampfen der Überzugsstoffe im Hochvakuum in großem Umfange abgelöst wurde. Bei

der Hochvakuumverdampfung von Metallen, Metalloiden oder Verbindungen sind folgende Gesichtspunkte in der Praxis maßgebend.

In einem Hochvakuumraum, dessen Gasdruck zweckmäßig unterhalb von io~* mm Hg liegt, wird der zu verdampfende Stoff — bei der Herstellung von Spiegeln meist ein Metall — auf so hohe Temperaturen erhitzt, daß ausreichende Mengen in den Dampfraum übergehen, um durch Kondensation an kälteren Stellen in technisch brauchbaren Zeiten dünne Oberflächenschichten aus dem verdampften

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Stoff zu erhalten. Ob dabei der zu verdampfende Stoff über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird oder nur unterhalb des Schmelzpunktes, indem beispielsweise Gebilde großer Oberflächen als Verdampfungsquelle Verwendung finden, ist nicht ausschlaggebend; wesentlich ist nur, daß der Dampfdruck des Metalls oder anderen Stoffes, der verdampft werden soll, genügend groß ist.

Bei den Verfahren, bei denen das Metall oder die ίο Verbindung über den Schmelzpunkt erhitzt werden muß, benutzt man folgende Verdampfungsverfahren: Eine Wolframspirale wird mit dem zu verdampfenden Stoff gefüllt und im Hochvakuum auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher der eingefüllte Stoff, insbesondere ein Metall, zum Schmelzen kommt und dann durch die zwischen den Windungen der Spirale wirkenden Kapillarkräfte festgehalten wird und so wenigstens teilweise eine Parallelschaltung zur Wolframspirale bewirkt. Durch die in die Spirale geschickte elektrische Energie wird hierbei einerseits die Spirale erhitzt und andererseits das eingebrachte Metall durch den von ihm verursachten Kurzschluß zwischen den Windungen noch zusätzlich erwärmt. Man kann die Spirale auch so breit machen, daß keine Kapillarkräfte zwischen den Windungen wirken, sondern nur die Oberflächenspannung des geschmolzenen Stoffes ausgenutzt wird und so die einzelnen Windungen der Spirale von dem geschmolzenen Stoff benetzt werden. Ist der eingefüllte Stoff nun über die Schmelztemperatur erhitzt, dann wird er im allgemeinen auch einen so hohen Dampfdruck aufweisen, daß innerhalb brauchbarer Zeiten ein dünner Oberflächenbelag von ihm an den kälteren Stellen des Vakuumraumes, die gegenüber der Verdampfungsquelle nicht abgeschattet sind, entsteht.

Das beschriebene Verfahren wird oft mit Vorteil so abgeändert, daß der verdampfende oder absublimierende Stoff in ein Metallschiffchen gebracht wird, dessen Schmelzpunkt wesentlich über dem dieses Stoffes liegt und der keine Reaktionen mit diesem eingeht oder dessen Innenwandung wenigstens mit Materialien ausgekleidet ist, mit denen der zu verdampfende oder absublimierende Stoff nicht reagiert.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei dem zuletzt besprochenen Verfahren nur in Richtung der Öffnung des Schiffchen verdampft werden kann. Da es sich aber sehr häufig um Stoffe handelt, die oberhalb des Schmelzpunktes zu erhitzen sind, muß das Schiffchen mit der öffnung nach oben, und zwar in horizontaler Lage, angeordnet werden, d. h. aber, daß man bei Verwendung eines solchen Schiffchens einen Dampfstrahl nur in der Richtung von unten nach oben erzeugen kann. Bei dem zuerst besprochenen Verfahren unter Verwendung einer Spirale besteht andererseits immer die Gefahr, daß Teile des geschmolzenen Stoffes — beispielsweise infolge einer Erschütterung der Spirale oder einer zu großen Ausbildung der Tropfen — abtropfen und die darunterliegenden temperaturempfindlichen Gegenstände beschädigen. Um dies zu vermeiden, nutzt man im allgemeinen auch bei der Verwendung von Spiralen nur den von unten nach oben laufenden Dampfstrahl aus.

Sollten nun Gegenstände serienmäßig mit Überzügen versehen werden, beispielsweise bei der Herstellung von Oberfiächenspiegeln, dann wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit angestrebt, auch entsprechend große Vakuumanlagen, z. B. mit einem Durchmesser von 1,5 bis 2 m, anzuwenden. Wenn hierbei die zu überziehenden Gegenstände von mannigfacher Gestalt sind und teilweise auch kleine Abmessungen umfassen, dann ist es außerordentlich schwierig — in manchen Fällen sogar unmöglich —, die Gegenstände im Vakuumraum so anzuordnen, daß sie sich beim Aufdampfverfahren oberhalb der Verdampfungsquelle befinden.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Gegenstände bei der Bedampfung unterhalb der Verdampfungsquelle anzuordnen, so daß sie beispielsweise auf einen Teller ohne zusätzliche Halterungsvorrichtungen aufgelegt werden können. Dieses Ziel einer gut durchgeführten Fertigung sollte erreicht werden, ohne daß die bisher mit der Verdampfung in Richtung von oben nach unten auftretenden Nachteile, wie sie oben für die Verwendung von beheizten Drahtwendeln bzw. Spiralen beschrieben wurden, in Kauf genommen werden müßten.

Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe in überraschend einfacher Weise gelöst wird, wenn man an das Verdampfungsverfahren aus Schiffchen anknüpft. In einem im Hochvakuum befindlichen Schiffchen wird also der zu schmelzende oder abzusublimierende Stoff auf eine Temperatur erhitzt, bei der ein genügend hoher Dampfdruck entsteht, um Gegenständen, die im Bereich des dabei sich ausbildenden Atom- oder Molekülstrahles liegen, durch Kondensation mit dünnen Überzügen aus dem verdampften Stoff zu versehen. Erfindungsgemäß werden nun zum Unterschied von dem bekannten Verfahren der Verdampfung aus Schiffchen die zu überziehenden Gegenstände unterhalb des Schiffchens angeordnet. Der aus dem Schiffchen zunächst nach oben austretende Atom- oder Molekülstrahl wird durch eine oder mehrere beheizte Flächen in seiner Richtung so abgelenkt, daß er anschließend seinen Weg von oben nach unten in Richtung auf die zu überziehenden Gegenstände fortsetzt.

Des weiteren hat man bereits den Vorschlag gemacht, bei einer Verdampfung bei relativ hohen Drücken von etwa io~² mm Hg oder mehr oberhalb des Schiffchens Heizvorrichtungen anzuordnen. Hierdurch wurde der Dampfstrahl auf seinem Wege zu dem zu beschichtenden Gegenstand wieder auf seine ursprüngliche Temperatur erhitzt, nachdem er sich durch häufige Zusammenstöße seiner Atome mit den kühlen Molekülen des Gasrestes abgekühlt hatte.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die zu beschichtenden Gegenstände unterhalb der Verdampfungsschiffchen angeordnet werden können, da die Molekülstrahlen eine Ablenkung von annähernd i8o° erfahren. Dabei ist es überraschend, daß dies nicht mit einer Verschmut-

zung der zu vergütenden Oberfläche durch herabfallende Spritzer verbunden ist. Wesentlich für den Erfolg ist hierbei, daß durch die zusammenhängende Ausbildung der Umlenkflächen und des Schiffchens erstere auf so hohe Temperatur erhitzt werden, daß die aus dem Atom- oder Molekülstrahl auftreffenden Atome oder Moleküle nicht kondensieren, sondern nach unten auf die zu überziehenden Gegenstände gelenkt werden.

ίο Die Praxis hat ergeben, daß sich dieses Verfahren in der Massenfertigung sicher und ohne Betriebsstörung durchführen läßt. Auf diese Weise kann jeder Stoff, der einen genügend hohen Dampfdruck bei Temperaturen hat, bei denen der entsprechend ausgewählte Heizleiter oder Träger selbst noch nicht zum Schmelzen kommt oder verdampft, also praktisch nahezu jeder Stoff in Form eines von oben nach unten laufenden Dampfstrahls, den zu überziehenden Gegenständen zugeführt werden, ohne das eine Beschädigung der Gegenstände durch auftropfendes Schmelzgut zu befürchten wäre.

Es ist dabei auch ein Vorzug, daß infolge der besonderen Form des Verdampferschiffchens mit dem Querschnitt einer archimedischen Spirale alle von der Oberfläche der Schmelze ausgehende Dampfmoleküle so nach unten abgelenkt werden, daß sie einen ziemlich fest umrissenen, breiten Dampfstrahl bilden und auf die Oberflächen der darunterliegenden Gegenstände in weitgehend gleichmäßiger Dichteverteilung treffen. Dieser Dampfstrahl läßt sich dann besonders gut ausnutzen. Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung auch eine zusätzliche Beheizung für die Ablenkflächen überflüssig.

Zum Verständnis der Erfindung wird ein geschlossenes Verdampferschiffchen mit dem Querschnitt einer archimedischen Spirale in zwei Abbildungen veranschaulicht.

Eine besonders einfache Anordnung für die Durchführung der Erfindung stellt ein Schiffchen dar, dessen Querschnitt die Form einer archimedischen Spirale mit einer Windung aufweist. Die Anordnung ist in Abb. 1 in Ansicht und in Abb. 2 in einem Schnitt dargestellt. Das Blech, das zur Herstellung des Schiffchens und der Umlenkfläche dient, ist so geformt, daß der senkrechte Schnitt zur Längsausdehnung den erwähnten Spiralabschnitt darstellt. In dem unteren Teil dieser Spirale A befindet sich der zu verdampfende Stoff D, während der obere Teil der Spirale B als Umlenkfläche wirkt. Die Beheizung ist in dem dargestellten Beispiel durch direkten elektrischen Strom, der durch die Backen C zugeführt wird, bewirkt. Durch den in axialer Richtung durchgehenden elektrischen Strom wird das Blech auf so hohe Temperatur erhitzt, daß der in der unteren Biegung des inneren Spiralenabschnittes eingebrachte Stoff in dem Hochvakuum verdampft. Die Atom- oder Molekülstrahlen werden dann an der inneren Wandung des Bleches so umgeleitet, daß die Spiralenöffnung als Dampfdüse wirkt, aus der die Atom- oder Molekülstrahlen in Richtung nach unten austreten. In der Abb. 2 ist an Hand von Pfeilen der Weg der Atomoder Molekülstrahlen dargestellt. Man sieht, wie die von dem Schmelzgut D zunächst nach oben entweichenden Strahlen an dem Blech B nach unten umgelenkt werden, wo sie auf die zu überziehenden Gegenstände E auftreffen.

Wenn unerwünschte Reaktionen des zu verdampfenden Stoffes mit dem Material der Spirale zu befürchten sind, wird diese mit keramischen Massen ausgekleidet, deren Widerstandsfähigkeit entsprechend groß ist, oder auch mit andern metallischen Stoffen überzogen, die ebenfalls eine Reaktion mit dem zu verdampfenden Stoff verhindern.

Es ist weiterhin möglich, die Verdampfungsquellen und die Umlenkflächen so auszugestalten, daß gleichzeitig zwei oder mehr Dampfstrahldüsen entstehen. In der Abb. 3 ist ein einfaches Beispiel für die Anwendung von zwei Dampfstrahldüsen dargestellt. Der aus dem Schiffchen F verdampfende Stoff G entweicht in Form von Molekülstrahlen zunächst nach oben, um dann an den beiden dachförmig zusammengefaßten Umlenkblechen H in Form zweier getrennter Strahlenbündel nach unten geleitet zu werden.

Im folgenden soll noch an Hand eines praktischen Ausführungsbeispiels gezeigt werden, welche überraschenden Fortschritte die neue Einrichtung bei der serienmäßigen Herstellung von Oberflächenspiegeln bringt, indem eine bisher nicht gekannte Vereinfachung und Betriebssicherheit erzielt wird.

In einem Vakuumraum mit einem Durchmesser von 2 m und einer Höhe von 1,20 m wird in der Nähe der Wandung an der oberen Wölbung des Vakuumraumes das oben beschriebene spiralförmige Schiffchen so angeordnet, daß die Dampfstrahldüse nach der Mitte des Vakuumraumes zu geöffnet ist. In dem Schiffchen, das mit seinen Enden an stromzuführende Backen angeklemmt ist, die von außen wassergekühlt werden können, befindet sich Aluminium in fester Form. In ein zweites, ebenso gestaltetes Schiffchen, das beispielsweise gerade gegenüber dem Aluminiumschiffchen angeordnet und dessen Dampfstrahldüse ebenfalls nach der Mitte des Kessels zu offen ist, wird Siliziummonoxyd in stückiger Form eingegeben. In einem Abstand von 50 cm befindet sich unter diesen Schiffchen ein um die Mittelachse des Vakuumkessels drehbarer Teller, auf dem die mit dem spiegelnden Oberflächenbelag »» zu versehenden Gläser aufgelegt sind. Außerdem enthält der Vakuumraum eine ringförmige Al-Elektrode, der von außen her der negative Pol einer Hochspannungsmaschine mit 4000 Volt Spannung zugeführt ist. Die ganze Anlage wird zunächst mit einer Vorvakuumpumpe auf einen Druck von V₁₀₀ mm Hg ausgepumpt. Darauf wird die Hochspannungsmaschine eingeschaltet, und die an den negativen Pol der Maschine angelegte Elektrode beginnt Elektronen abzugeben, während der positive Pol der Maschine mit dem Kesselgehäuse verbunden ist. Ist das inzwischen erreichte Vakuum genügend gut, dann werden die auf dem Teller liegenden Gläser einem kräftigen Elektronenbombardement ausgesetzt und dabei von den auf ihnen befindlichen Wasserhäuten gründlich gereinigt. Nach

ungefähr ίο Minuten wird das Vakuum durch eine Hochvakuumpumpe bis auf io—* mm Hg verbessert. Danach wird das Aluminium enthaltende Schiffchen auf eine Temperatur vom 8oo° C erhitzt, bei der das Aluminium einen so hohen Dampfdruck besitzt, daß innerhalb einer Minute die auf den Teller, dessen Drehvorrichtung in der Zwischenzeit eingeschaltet wurde, gelegten Gläser mit einer dünnen Oberflächenschicht so überzogen sind, daß die Durchlässigkeit dieser Schicht nur noch V₁₀₀ °/o des eingestrahlten Lichtes beträgt. Die Belegungsdichte wird gemessen, indem über ein Schauglas am Oberteil des Kessels ein paralleler Lichtstrahl durch den Vakuumraum senkrecht nach unten geführt wird und dann wieder, über ein Schauglas austretend, auf eine Fotozelle trifft. Die Fotozelle ist an ein empfindliches Galvanometer geschaltet, mit dem die Lichtintensität genau gemessen werden kann. Entspricht die Belegungsdichte eben V₁₀₀ % des durch-

gehenden Lichtes, dann wird das Aufdampfen des Aluminiums beendet. Nach diesem Arbeitsgang wird das Schiffchen, in dem sich das Siliziummonoxyd befindet, auf eine Temperatur von I2oo° C erhitzt. Der Dampfdruck des Siliziummonoxydes

a5 ist dann so hoch, daß die mit Aluminium belegten Spiegel innerhalb von 3 Minuten mit einem Überzug von Siliziummonoxyd versehen werden, der einer Schichtdicke von ¹A 2 entspricht, wobei für λ der Wert von 5600 ÄE gilt. Zur Kontrolle, ob dieser Wert auch tatsächlich erreicht ist, ist in der Nähe des Schiffchens eine als Indikator dienende Metallplatte angebracht, auf der die bei dem Prozeß auftretenden Interferenzfarben nacheinander vorbeiwandern. Der Abstand der Gläser von dem Schiffchen ist so gewählt, daß beim vierten Wechsel der Interferenzfarben am Indikator nach Rot die Schichtstärke gerade die geforderte ¹U λ-Wellenlänge beträgt. Diese Anordnung muß natürlich durch Vorversuche geprüft werden. Nach einer Abkühlungsdauer von einer Viertelstunde wird der Vakuumraum geflutet, und die fertigen Spiegel können dem Raum entnommen werden.

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1. PATENTANSPRUCH:

   Einrichtung zum Herstellen von Oberflächenschichten durch Verdampfen oder Sublimieren des Überzugsstoffes im Hochvakuum aus einem Schiffchen und Kondensieren des Stoffes auf den zu überziehenden Gegenständen unter Verwendung einer beheizten Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu überziehenden Gegenstände unter dem Schiffchen angeordnet sind und der aus dem Schiffchen zunächst nach oben austretende Atom- oder Molekülstrahl durch eine oder mehrere beheizte Flächen in seiner Richtung so abgelenkt wird, daß er anschließend seinen Weg von oben nach unten in Richtung auf die zu überziehenden Gegenstände fortsetzt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 483 029.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©309-665/481 11.58