WO2005106066A2 - Verdampfungseinrichtung und verfahren zum verdampfen von beschichtungsmaterial - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial, die als Teil einer Beschichtungseinrichtung in einer Vakuumkammer enthalten ist, wobei das Beschichtungsmaterial (5) zum Verdampfen in einem befüllbaren Tiegel (6) angeordnet ist. Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung, eine Verdampfungseinrichtung bzw. ein Verfahren zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial zur kontinuierlichen thermischen Vakuumbeschichtung bereitzustellen, wodurch die Standzeiten verkürzt und die Reinigungs- und Wartungsintervalle verlängert werden, wird dadurch erreicht, dass die Verdampfungseinrichtung eine Verdampfungskammer (2) aufweist die über ein Vakuumventil (9) mit einer evakuierbaren Ladekammer (8) verbunden ist, wobei in der Verdampfungskammer ein Verdampfer angeordnet ist, der den mit Beschichtungsmaterial befüllbaren Tiegel enthält und der dampfaustrittsseitig, also der der Vakuumkammer zugewandten Seite, über ein erstes Dampfsperr-Ventil (4) mit der Verdampfungskammer verbunden ist.
Description
Verdampfungseinrichtung und Verfahren zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial
Die Erfindung betrifft eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial, die als Teil einer Beschich- tungseinrichtung in einer Vakuumkammer enthalten ist, wobei das Beschichtungsmaterial zum Verdampfen in einem befüllbaren Tiegel angeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial, wobei dieses für ein thermisches Vakuum- beschichtungsverfahren zur Beschichtung eines Substrats in einer Vakuumkammer dient.
Es sind verschiedene Beschichtungsanlagen und Beschichtungsverfahren zur thermischen Dampfbeschichtung im Vakuum bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 0 735 157 ein Verfahren zum Verdampfen von Magnesium (Mg) . Verfahrensgemäß wird eine Mg- Quelle in einem Gefäß mit einer engen Öffnung und mit einer außerhalb der Öffnung angeordneten Reflektorplatte bereitgestellt. Das Gefäß wird auf eine Temperatur von 670 °C bis 770 °C erwärmt, wobei die Mg-Quelle geschmolzen und das Mg dabei verdampft wird. Beim Ausströmen werden Cluster und Spritzer an der Reflektorplatte bei 500 °C oder höher zerstört, und der Mg-Dampf wird durch einen auf wenigstens 500 °C erwärmten Kanal von dem Auslass des Gefäßes zu einem am Kanalausgang positionierten Substratblatt geleitet.
Es wird allgemein unterschieden in Anlagen nach einem statischen oder einem kontinuierlichen Verfahren. Während beim statischen Verfahren die Substratzufuhr diskontinuierlich erfolgt und der regelmäßige Substratwechsel die regelmäßige Bevorratung
mit neuem Beschichtungsmaterial für einen folgenden Beschich- tungsprozess ermöglicht, wird beim kontinuierlichen Verfahren ein Substrat fortwährend durch die Beschichtungseinrichtung hindurch transportiert. Derartige, kontinuierlich beschichtende Anlagen dienen allgemein der Beschichtung von bandförmigen StahlSubstraten mit einer Bandbreite im Zentimeter- bis Meterbereich. Um den kontinuierlichen Prozess nicht zu unterbrechen und zur wirtschaftlichen Nutzung einer solchen Anlage besteht hierbei die Notwendigkeit der Bevorratung der Beschichtungsein- richtung mit Beschichtungsmaterial in einer Menge, die ausreichend ist, um zumindest eine Substrateinheit, beispielsweise eine Rolle ohne Unterbrechung zu beschichten.
Die Verdampfungseinrichtungen sind in der Regel in die Bedamp- fungseinrichtung integriert und arbeiten im Ein-Kammer-Prinzip. Dazu ist eine Verdampfungseinrichtung direkt mit der Bedamp- fungskamer in einer Vakuumkammer verbunden. Ist der Vorrat an Beschichtungsmaterial in der Verdampfungseinrichtung verbraucht, wird die gesamte Vakuumkammer belüftet und geöffnet. Nach Beschickung der Verdampfungseinrichtung wird die Vakuum- kammer geschlossen, evakuiert und erhitzt und das Beschichtungsmaterial verdampft. Durch das Öffnen der gesamten Vakuumkammer ist, insbesondere durch längere Zeiten bis zur Einstellung der Prozessbedingungen der Anteil der Standzeiten relativ hoch.
Nachteilig ist ebenfalls, dass sich bei einem solchen Verfahrensablauf restliches gasförmiges Beschichtungsmaterial bei jedem Belüften und Abkühlen an den Wänden der gesamten Vakuumkammer abscheidet und somit erhebliche Kosten zur Reinigung und Wartung anfallen. Die erforderlichen Wartezeiten erhöhen zudem den Anteil der Standzeiten.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdampfungseinrichtung und ein Verfahren zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial zur thermischen Vakuumbeschichtung bereitzustellen, wodurch die Standzeiten verringert und die Reini-
gungs- und Wartungsintervalle verlängert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verdampfungseinrichtung eine Verdampfungskammer aufweist, die über ein Vakuumventil mit einer evakuierbaren Ladekammer verbunden ist, wobei in der Verdampfungskammer ein Verdampfer angeordnet ist, der den mit Beschichtungsmaterial befüllbaren Tiegel aufnimmt und der dampfaustrittsseitig, also jener der Beschichtungsanlage zugewandten Seite, über ein erstes Dampfsperr-Ventil mit der Bedampfungskammer verbunden ist.
Indem mit der Verdampfungskammer eine evakuierbare Ladekammer verbunden werden kann, ist ein Belüften der Verdampfungskammer zur Bestückung mit neuem Beschichtungsmaterial nicht erforderlich, so dass eine Kontaminierung der Verdampfungseinrichtung aus der Umgebung zuverlässig verhindert und bereits durch diese Maßnahme der Wartungsaufwand verringert werden kann. Erfindungsgemäß werden zur Bestückung die Vakuumbedingungen der Verdampfungskammer auf die evakuierte und gegebenenfalls mit neuem Beschichtungsmaterial versehene Ladekammer durch Öffnen des Vakuumventils ausgedehnt.
Die Beschickung der Verdampfungskammer über eine Ladungskammer in einem solchen Bereich, welcher nicht am Dampftransport zwischen Verdampfungs- und Bedampfungseinrichtung beteiligt ist, ermöglicht erst die Anordnung eines vakuumdicht schließen Ventils, da in diesem Bereich nur Luft und Prozessgase und kein dampfförmiges Beschichtungsmaterial abzusperren sind. Dieser wesentliche Umstand ist wegen der erfindungsgemäßen Anordnung des Verdampfers innerhalb der Verdampfungskammer und wegen der aus dem dynamischen System der Dampferzeugung und Dampfabschei- dung resultierenden Dampftransportrichtung gewährleistet, da das dampfförmige Beschichtungsmaterial nahezu vollständig im
Verdampfer verbleibt und nicht in die Verdampfungskammer austritt. Zu diesem Zweck bildet der Verdampfer in der Verdampfungskammer gemäß Anspruch 1 ein, den Tiegel mit dem Beschichtungsmaterial umgebendes Teilvolumen der Verdampfungskammer .
Dieser Vorteil wird durch eine bevorzugte Ausführung verstärkt, in welcher der Verdampfer beschickungsseitig, also auf seiner der Ladekammer zugewandten Seite, mit einem zweiten DampfSperrventil versehen ist. Bei dieser Lösung wird gewährleistet, dass der Verdampfer im verschlossenen Zustand betrieben und so von der Verdampfungskammer räumlich dampfdicht getrennt ist, so dass kein verdampftes Beschichtungsmaterial in die Verdampfungskammer gelangen kann.
In jedem Fall gestattet die erfindungsgemäße Anordnung eines Verdampfers eine wesentliche Reduzierung der Ablagerungen von Beschichtungsmaterial an der Außenwandung der Verdampfungskammer. Das mit der Neubestückung verbundene Abkühlen der Verdampfungseinrichtung führt zwar unweigerlich zu Materialablagerungen, diese erfolgen aber vorwiegend an der Wandung des Verdamp- fers, wo sie während des folgenden Aufheizens des Verdampfers wieder verdampft werden, wobei auch hier der alternative be- schickungsseitige Abschluss des Verdampfers mit einem zweiten Dampfsperr-Ventil einen noch besseren Abschluss ermöglicht.
Dazu wird das zweite Dampfsperr-Ventil für die Bestückung mit neuem Beschichtungsmaterial erst nach der Abkühlung des Verdampfer geöffnet, so dass sich auch Kondensat nur im Verdampfer bildet, und vor dem Erhitzen wieder geschlossen, so dass kein verdampftes Material in die umgebende Verdampfungskammer austritt.
Als Vorteil ist des Weiteren realisierbar, dass der Verdampfer röhrenförmig ausgebildet ist. Dabei ist die LängenerStreckung des röhrenförmigen Verdampfers groß gegenüber dem Durchmesser. Es ist weiterhin der Innendurchmesser des Verdampfers an den Außenmaßen eines darin einführbaren Tiegels angepasst, d.h. dass der Verdampfer den Tiegel eng umgibt. Damit ist der Verdampfer möglichst klein und kann somit effizient geheizt werden
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite
Dampfsperr-Ventil des Verdampfers als Verschlussplatte ausgeführt ist. Diese Verschlussplatte verschließt den Verdampfer an der Öffnung durch die der Tiegel einfahrbar ist, vorzugsweise in der Position, wenn der Verdampfer den Tiegel gerade voll- ständig aufgenommen hat.
Diese Lösung zielt darauf ab, dass der Verdampfer genau zwei, räumlich getrennte Öffnungen aufweist, wobei eine Öffnung dampfaustrittsseitig und eine zweite Öffnung gegenüberliegend, als beschickungsseitig und somit auf der kalten Seite, angeord- net ist. An der dampfaustrittsseitigen Öffnung ist das erste und an der beschickungsseitigen Öffnungen, das zweite Dampfsperr-Ventil angeordnet, dessen Funktion zur günstigeren Beschickung von einer Verschlussplatte erfüllt wird. Im eingeführten Zustand des Tiegels in den Verdampfer erstreckt sich der Tiegel im Wesentlichen von seinem einen Ende bis zum anderen. Die ladekammerseitig an dem Tiegel angeordnete Verschlussplatte entspricht dann im Wesentlichen der Grundfläche des beispielsweise hohlzylindrisch bzw. hohlprismatisch ausgestalteten Verdampferkörpers .
In weiteren günstigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ladekammer entweder in zur Längsachse oder in zur Querachse beider Kammern paralleler Richtung an die beschickungsseitige Seite der Verdampfungskammer angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein geradliniges Verfahren des Tiegels mit kürzestem Ver- fahrweg realisiert werden.
Zweckmäßig ist es auch, dass um den Verdampfer eine Heizeinrichtung angeordnet ist. Somit wird eine gleichmäßige Wärmezufuhr in den Innenraum des Verdampfers bereitgestellt. Die Heizeinrichtung ist möglichst eng in Tiegelnähe bzw. Beschichtungs- materialnähe angeordnet, sodass Warmestrahlungsverluste minimiert werden. Darüber hinaus ist die Heizeinrichtung beispielsweise wegen der guten Regelbarkeit vorzugsweise elektrisch betreibbar.
Weitere, günstige Varianten der Erfindung werden dadurch angegeben, dass der Verdampfer mit einer Verdampfer- und/oder einer Tiegeltransportvorrichtung ausgestattet ist und dass darüber hinaus entweder der Verdampfer mit dem Tiegel mittels der Ver- dampfertransportvorrichtung oder der Tiegel selbst mittels einer Tiegeltransportvorrichtung in Anordnungsrichtung der Ladekammer bidirektional beweglich und bezüglich der eingenommenen Ruhelage in der Verdampfungs- und der Ladekammer bzw. der Tiegel in dem Verdampfer variabel positioniert ist. Auf diese Wei- se ist je nach Größe des Tiegels oder des Verdampfers und nach räumlichen Gegebenheiten entweder nur der Tiegel oder der Verdampfer mit dem Tiegel zwischen der Verdampfungskammer und der Ladekammer genau zu bewegen und zu positionieren. Das Entfernen des gesamten Verdampfers aus der Verdampfungskammer ist, unab- hängig von dem Vorhandensein einer Tiegeltransportvorrichtung, beispielsweise zu Wartungszwecken oder zum vollständigen Auswechseln des Verdampfers günstig.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Tiegel mittels der Tiegeltransportvorrichtung quer zur An- Ordnungsrichtung der Ladekammer bidirektional beweglich und bezüglich der eingenommenen Ruhelage in Verdampfer bzw. Ladekammer variabel positionierbar ist, wodurch beispielsweise eine Korrektur oder ein Wechsel der Position eines oder beispielsweise weiterer Tiegel in der jeweiligen Kammer erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus einer Ausführungsform, bei der an dem Tiegel oder der Tiegeltransportvorrichtung die Verschlussplatte angeordnet ist und die beschickungsseitige Öffnung des Verdampfers durch die Verschlussplatte verschließbar ist, da auf diese Weise gleichzeitig mit der Positionierung des Tiegels der Verdampfer ladekammerseitig dampfdicht verschlossen wird.
Ausgestaltungen der zusätzlichen Ausführungsform werden derart vorgenommen, dass die Verdampfer- bzw. Tiegeltransportvorrichtung Gleitrollen und/oder Gleitschienen zum beweglichen Positi-
onieren des Verdampfers und/oder Tiegels in der Ladekammer oder dass der Verdampfer und/oder die Ladekammer Gleitrollen und/oder Gleitschienen zum Positionieren der Tiegeltransportvorrichtung aufweist. Mittels dieser Gleitrollen und/oder Gleitschienen erfolgt ein lineares Verfahren der jeweiligen Transportvorrichtung innerhalb des Transportbereiches des Tiegels, welcher sich von der Ladekammer in den Verdampfer, erstreckt. Jede dieser derartig ausgebildeten Transportvorrichtungen gewährt einen im Wesentlichen ruckfreien und genauen Transport des Tiegels.
Eine ergänzende Ausgestaltung der zusätzlichen Ausführungsform wird dadurch ausgeführt, dass an der Tiegeltransportvorrichtung eine Verfahreinheit angeordnet ist. Die Verfahreinheit ist derart ausgebildet, dass das zwischen der Ladekammer und dem Ver- dampfer angeordnete Ventil in seiner vakuumdicht verschließenden Funktion unbeeinträchtig ist. Dafür ist die Verfahrvorrichtung mit Vakuumschmierstoffen geschmiert, sodass ein Ausgasen der Schmierstoffe im Vakuumbetrieb vermieden wird. Zudem ist die Verfahreineinheit thermisch entsprechend den Verdampfungs- temperaturen belastbar.
Zweckmäßig erweist es sich ebenso, dass die Verdampfungskammer eine Kühlvorrichtung aufweist. Die Verdampfungskammer ist außenseitig mit der Kühlvorrichtung versehen. Die Kühlvorrichtung ist um die Verdampfungskammer angeordnet. Zur Kühlung wird die Kühlvorrichtung mit Kühlwasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit durchströmt. Somit ist die in der Vakuumkammer befindliche Wärme schnell ableitbar und der Abkühlprozess zum Zweck des Beschickung mit neuem Beschichtungssubstrat zu beschleunigen und definiert zu steuern.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen stellen die Ausführung der
Ladekammer mit einer vakuumdicht verschließbaren Öffnung und/oder wenigstens einer Belüftungseinrichtung dar. Zum Beschicken des Tiegels mit festem oder flüssigem Beschichtungsmaterial kann auf diese Weise die evakuierte Ladekammer mittels
eines vorgesehaltenen Ventils Luft dosiert eingelassen werden, so dass ein Druckausgleich zu beiden Seiten des die Öffnung dichtend verschließenden Verschlusses besteht. Nach dem Ausgleich kann eine schnelle Beschickung durch die vakuumdicht verschließbare Öffnung erfolgen, ohne zeitaufwendige Demontage- und Montagearbeiten an der Ladekammer.
Sofern weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen in der Verdampfungseinrichtung zumindest ein weiterer Verdampfer und optional diesem eine weitere Ladekammer zugeordnet wird, ist die erfin- dungsgemäße Verdampfungseinrichtung allein für eine Beschickung in einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess geeignet, da wie eingangs beschrieben die Verdampfungseinrichtung zur Bestückung nicht belüftet werden muss und nur der Innenraum des optional mit dem zweiten Dampfsperr-Ventil geschlossenen Verdampfers mit der Bedampfungseinrichtung verbunden ist. Inwieweit jeder Verdampfer durch eine eigene Ladekammer beschickt wird, hängt im Wesentlichen von Platzverhältnissen und dem verwendeten Transportsystem für Tiegel oder Verdampfer ab.
Des Weiteren gestatten mehrere Verdampfer bei gleichzeitigem Betrieb eine hohe Verdampfungsrate und somit die Beschichtung größerer Substrate oder bei größeren Transportgeschwindigkeiten.
Die verfahrensseitige Lösung der erfinderischen Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 20 erreicht.
Diese Lösung zielt darauf ab, das zur Erreichung der für das jeweilige Beschichtungsmaterial erforderlichen Verdampfungsrate und gleichzeitiger Vermeidung von Kondensatbildung im Inneren des Verdampfungskammer es zweckmäßig ist, dass das Beschich- tungsmaterial in dem separaten Verdampfer erhitzt wird und die eigentliche Beschickung mit neuem Beschichtungsmaterial, welche das Öffnen der Anlage erfordert, in einem weiteren separaten Volumen, dem der Ladekammer erfolgt, welches vakuumdicht von
der Verdampfungskammer abtrennbar ist. Auf diese Weise ist die Beschickung möglich, ohne den Teil der Verdampfungseinrichtung, in welchem das Beschichtungsmaterial verdampft wird und welche wegen des dampfförmigen Beschichtungsmaterials nicht vakuum- dicht zur Bedampfungseinrichtung getrennt werden kann, den atmosphärischen Bedingungen auszusetzen.
Neben den oben beschriebenen Vorteilen der Anordnung eines Verdampfers hinsichtlich der räumlichen Begrenzung der Kondensatbildung und der Möglichkeit der Reverda pfung dieses Kondensats verkürzt die räumlich von der Verdampfung getrennte Beschickung den eigentlichen Beschickungsprozess und beeinflusst wegen des minimalen Eingriffs in die Verdampfungseinrichtung positiv die Wiederherstellung und Einhaltung gleichmäßiger Prozessbedingungen. Besonders dienlich ist es hierfür auch, wenn eine allsei- tig gleichmäßige Erhitzung des Beschichtungsmaterials dadurch gewährleistet ist, dass entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens das Beschichtungsmaterial in Verdampfer, als einem gesonderten Raum, allseitig erhitzt wird.
Mit der besonders günstigen Ausgestaltung des Verfahrens nach den Merkmalen des Anspruchs 22, werden diese Vorteile besonders ausgenutzt und insbesondere mittels des zweiten Dampfsperr- Ventils die Bildung des unvermeidlichen Kondensats räumlich auf den Verdampfer begrenzt.
Ein Variante der verfahrensseitigen Lösung der erfinderischen Aufgabenstellung wird dadurch angegeben, dass der in dem Verdampfer ablaufende Verdampfungsprozess mit seiner zugehörigen Beschickung über die Ladekammer auf gleich ablaufende Verdampfungsprozesse in weiteren Verdampfern mit zugehörigen Beschickungen in weiteren Ladekammern aufgeteilt wird. Mit dieser Ausgestaltung ist eine kontinuierliche Beschickung mit neuem
Beschichtungsmaterial und eine besonders gleichmäßige Einleitung von Dampf in die Bedampfungseinrichtung gewährleistet, da Unterbrechungen oder Schwankungen mittels der übrigen Verdampfer auszugleichen sind.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die aufgeteilten Verdampfungsprozesse sequenziell und/oder gleichzeitig und/oder zeitlich überlappend ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausführung wird vorteilhaft die Verdampfungs- kammer zum Beschicken des Tiegels mit dem Beschichtungsmaterial gekühlt. Die vor der Ausdehnung der Umweltbedingungen auf die Ladekammer erforderliche Abkühlung der Verdampfungskammer erfolgt in dieser Ausgestaltung nach dem Abschalten der Heizeinrichtung durch Wärmeaustausch mit der aktiv gekühlten Innenwand der Verdampfungskammer, beispielsweise durch eine umlaufende Flüssigkeitskühlung. Damit wird die Abkühlung wesentlich beschleunigt und kann über das Kühlverfahren und/oder das Kühlmittel gezielt gesteuert werden.
Spezielle Ausführungen werden vorteilhaft realisiert, indem zum Beschicken des Tiegels mit dem Beschichtungsmaterial ein Gas in die Verdampfungskammer und /oder in den Verdampfer eingeleitet wird und/oder indem zum Öffnen der Ladekammer in diese ein Gas dosiert eingeleitet wird. Wenn zum Öffnen der Ladekammer in diese ein Gas dosiert injiziert wird, wird auch der Druckaus- gleich zwischen der Ladekammer und der Umgebung beschleunigt und regelbar gestaltet. Die Dosierung erfolgt dafür in Abhängigkeit von der Temperatur des sich bei der Injektion ausdehnenden und infolge der Entspannung abkühlenden Gases. Als injiziertes Gas kommt beispielsweise Luft in Betracht.
Günstig ist es darüber hinaus, wenn die Steuerung des Vakuums und der Temperatur und der Öffnung und Schließung der Ventile und der Tiegeltransporteinrichtung und der jeweiligen Gaseinleitung durch eine Steuervorrichtung erfolgt, wie es in einer weiteren verfahrensseitigen Ausgestaltung vorgesehen ist. Damit sind gezielt die äußerlichen Bedingungen zum Betrieb bei der für das jeweilige Beschichtungsmaterial erforderlichen Verdampfungsrate einzustellen. In der Steuervorrichtung laufen sensorisch erfasste Messwerte zusammen. Mittels der Steuervorrichtung werden automatisiert oder manuell die jeweiligen Be-
dingungen vorgewählt und realisiert.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen horizontalen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verdampfungseinrichtung 1 im Verdampfungszustand und
Figur 2 einen horizontalen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verdampfungseinrichtung 1 im Beschi- ckungszustand.
Zum Gegenstand:
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine erfindungsgemäße Verdampf ngsein- richtung 1 mit einer Verdampfungskammer 2 , einem in dieser Ver- dampfungskammer 2 angeordneten Verdampfer 3, einem dampfaus- trittsseitig angeordneten, ersten Dampfsperr-Ventil 4, einem mit dem Beschichtungsmaterial 5 befüllbaren Tiegel 6 und einer Tiegeltransportvorrichtung 7 sowie eine Ladekammer 8 und ein zwischen die Ladekammer 8 und der Verdampfungskammer 2 geschal- tetes Vakuumventil 9.
Die jeweils länglich quaderförmig ausgebildete Ladekammer 8 und die Verdampfungskammer 2 sind evakuierbar, wobei die Ladekammer 8 oberseitig eine nicht dargestellte, vakuumdicht verschließbare Öffnung zum Beschicken des Tiegels 6 in die Ladekammer 8 aufweist (Fig. 2). Ferner ist die Verdampfungskammer 2 außenseitig von einer Kühlvorrichtung 10 umgeben, die mit Wasser als Kühlflüssigkeit durchströmt ist.
Der Verdampfer 3 ist als röhrenförmiger länglicher Kanal ausgebildet, welcher an beiden Enden einen Flansch aufweist. Daher hat der Verdampfer 3 zwei gegenüberliegende Öffnungen, wobei an die der Bedampfungskammer zugewandten, dampfaustrittsseitigen Öffnung das erste Dampfsperr-Ventil 4 geschaltet ist und die
zweite gegenüberliegende Öffnung zur Einführung des Tiegels 6 dient. Um den Verdampferkörper 3 herum ist eine geeignete Heizvorrichtung 11 angebracht. Der mit dem Beschichtungsmaterial 5, beispielsweise festem Magnesium, befüllte Tiegel 6 ruht auf einer Tiegeltransportvorrichtung 7. Diese weist dampfaus- trittsseitig einen Vorsprung auf, auf dem der Tiegel 6 ruht. Ladekammerseitig ist die als Schlitten ausgebildete Verfahreinheit 12 angeordnet. Zwischen der Tiegelauflage und der Verfahreinheit 12 ist eine Verschlussplatte 13 angebracht, die in ih- rem Durchmesser der ladekammerseitigen Öffnung des Verdampfers 3 entspricht. Auf dem Boden des Verdampfers 3 ist über die Länge eine zentrale Schiene 14 angeordnet, worauf sich der Vorsprung der Tiegeltransportvorrichtung 7 über daran unterseitig angeordnete Lagerrollen abstützt. In der Ladekammer 8 ist eben- falls eine solche zentrale Schiene 14 angebracht, die den Ver- fahrweg des Vorsprungs fortsetzt. Dabei ist die Funktion des zwischen der Ladekammer 8 und der Verdampfungskammer 2 angeordneten Vakuumventils 9 durch die Schienenfortsetzung unbeein- flusst. Die Verfahreinheit 12 ist auf zwei in der Ladekammer 8 angeordneten Schienen 15 mit mehreren Rollen gelagert. Die Durchführung von Bewegungen erfolgt über einen Spindelantrieb mit einer längs durch die Ladekammer verlaufenden Spindel 16.
Wie Figur 1 zeigt, ist die ladekammerseitige Öffnung des Ver- dampfers 3 durch die Verschlussplatte 13 im in den Verdampfer 3 eingeführten Zustand des Tiegels 6 verschlossen. Der Verschluss ist dampfdicht, sodass im Wesentlichen kein verdampftes Beschichtungsmaterial 5 aus dem Verdampferkörper 3 in die Verdampfungskammer 2 und die Ladekammer 8 dringen kann.
Zum Verfahren:
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Verdampfungseinrichtung 1 im
Verdampfungszustand. Dazu wird der Tiegel 6 auf der Tiegel- transportvorrichtung 7 ruhend von der in Figur 2 dargestellten
Beschickungsstellung nach dem Schließen der Beschickungsöff-
nung, dem Evakuieren der Ladekammer 8 auf den gleichen Druck wie in der Verdampfungskammer 2 von größer/gleich 10"3 mbar und Öffnen des Vakuumventils 9 in den Verdampfer 3 eingeführt. Dabei wird die ladekammerseitige Öffnung des Verdampfers 3 durch die Verschlussplatte 13 der Tiegeltransportvorrichtung 7 dampfdicht verschlossen.
In der in Figur 1 gezeigten Verdampfungsposition wird nun die um den Verdampfer 3 angeordnete Heizvorrichtung 11 aktiviert und das Beschichtungsmaterial 5, beispielsweise festes Magnesium auf etwa 600 °C, erhitzt. Dabei verdampft das feste Magnesium zu gasförmigem Magnesium. Das erste Dampfsperr-Ventil 4 wird geöffnet und das gasförmige Beschichtungsmaterial 5 tritt aus und wird zur Beschichtung abgeführt. Es stellt sich in dem Ver- dampfer 3 ein Prozessdruck von etwa 10"1 mbar ein. Dazu wird der Verdampfer 3 unter den Prozessbedingungen derart aufgeheizt, dass die gewünschte Verdampfungsrate im mit dem Beschichtungsmaterial 5 befüllten Tiegel 6 erzielt wird und gleichzeitig eine Kondensatbildung im Inneren des Verdampfers 3 vermieden wird. Die Steuerung des Vakuums und der Temperatur und der Öffnung und Schließung des ersten Dampfsperr-Ventils 4 erfolgt durch eine Computer unterstütze Steuervorrichtung.
Zum Beschicken wird der Verdampfer 3 derart abgekühlt, dass eine minimale Verdampfungsrate erzielt wird, welche nach dem Schließen des ersten Dampfsperr-Ventils 4 ein Öffnen des Verdampfers 3 zur Umgebung in der Verdampfungskammer 2 ermöglicht, ohne dass gasförmiges Beschichtungsmaterial 5 in die Umgebung außerhalb des Verdampfers 3 gelangt. Die Abkühlung erfolgt zu- nächst durch Deaktivieren der Heizvorrichtung 11 und durch Kühlung der Verdampfungskammer 2 durch die umlaufende Wasserkühlung der Kühlvorrichtung 10. Der Wärmeausgleich erfolgt im Wesentlichen über Wärmestrahlung wird über die Materie in der Verdampfungskammer 2 transportiert und von dem Kühlwasser abge- leitet.
Anschließend wird der Tiegel 6 von der Tiegeltransportvorrichtung 7 in die Beschickungsposition gebracht (Figur 2) und das Vakuumventil 9 geschlossen. Zum Öffnen der Beschickungsöffnung wird leicht dosiert Luft zum Druckausgleich in die Ladekammer eingebracht und beim erreichten Druckausgleich die Beschickungsöffnung geöffnet.
Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial
Bezugszeichenliste
1 Verdampfungseinrichtung 2 Verdampfungskammer 3 Verdampfer 4 erstes Dampfsperr-Ventil 5 Beschichtungsmaterial 6 Tiegel 7 Transportvorrichtung 8 Ladekammer 9 Vakuumventil 10 Kühlvorrichtung 11 Heizvorrichtung 12 Verfahreinheit 13 Verschlussplatte (zweites Dampfsperr- -Ventil) 14 Zentrale Schiene 15 Schienen 16 Spindel
Claims
Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial
Patentansprüche 1. Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial, die als Teil einer Beschichtungseinrich- tung in einer Vakuumkammer enthalten ist, wobei das Beschichtungsmaterial zum Verdampfen in einem befüllbaren Tiegel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinrichtung (1) eine Verdampfungskammer (2) aufweist, die über ein Vakuumventil (9) mit einer evakuierbaren Ladekammer (8) verbunden ist, wobei in der Verdampfungskammer (2) ein Verdampfer (3) angeordnet ist, der den mit Beschichtungsmaterial (5) befüllbaren Tiegel (6) aufnimmt und der dampfaustrittsseitig, also auf der der Bedampfungskammer zugewandten Seite, über ein erstes Dampfsperr-Ventil (4) mit der Bedampfungskammer verbunden ist.
2. Verdampfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Verdampfer (3) beschickungssei- tig, also auf seiner der Ladekammer (8) zugewandten Seite, mit einem zweiten Dampfsperr-Ventil (13) versehen ist.
3. Verdampfungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass das zweite Dampfsperr-Ventil (13) des Verdampfers (3) als Verschlussplatte (13) ausgeführt ist.
4. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Ladekammer ( 8 ) in paralleler Richtung der Längsachse beider Kammern an die beschickungsseitige Seite der Verdampf ungskammer ( 2 ) angeordnet ist .
5. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladekammer (8) in paralleler Richtung der Querachse beider Kammern an die beschickungsseitige Seite der Verdampfungskammer (2) angeordnet ist
6. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass um den Verdampfer (3) eine Heizeinrichtung (11) angeordnet ist.
7. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3) mit einer Verdampfer- und/oder einer Tiegeltransportvorrichtung (7) ausgestattet ist.
8. Verdampfungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3) mit dem Tiegel (6) mittels der Verdampfertransportvorrichtung (7) in Anordnungsrichtung der Ladekammer (8) bidirektional beweglich und bezüglich der eingenommenen Ruhelage in der Verdampfungskammer (2) bzw. Ladekammer (8) variabel positioniert ist.
9. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (6) mittels einer Tiegeltransportvorrichtung (7) in Anordnungsrichtung der Ladekammer (8) bidirektional beweglich und bezüglich der eingenommenen Ruhelage in der Verdampfer (3) bzw. Ladekammer (8) variabel positionierbar ist.
10. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (6) mittels der Tiegeltransportvorrichtung (7) quer zur Anordnungs- richtung der Ladekammer (8) bidirektional beweglich und bezüglich der eingenommenen Ruhelage in der Verdampfer (3) bzw. Ladekammer (8) variabel positionierbar ist.
11. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Tiegel (6) oder der Tiegeltransportvorrichtung (7) die Verschlussplatte (13) angeordnet ist und die beschickungsseitige Öffnung des Verdampfers (3) durch die Verschlussplatte (13) verschließbar ist.
12. Verdampfungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegeltransportvorrichtung (7) und/oder die Verdampfertransportvorrichtung (7) Gleitrollen und/oder Gleitschienen (14) zum beweglichen Positionieren des Tiegels (5) und/oder Verdampfers (3) in der Ladekammer (8) aufweist.
13. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3) und/oder Ladekammer (8) Gleitrollen und/oder Gleitschienen (14) zum Positionieren der Tiegeltransportvor- richtung (7) aufweist.
14. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tiegeltrans- portvorrichtung (7) eine Verfahreinheit (12) angeordnet ist.
15. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskammer (2) eine Kühlvorrichtung (10) aufweist.
16. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladekammer (8) zur Beschickung des Tiegels (6) eine vakuumdicht verschließbare Öffnung aufweist.
17. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladekammer (8) wenigstens eine Belüftungseinrichtung aufweist.
18. Verdampfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampfungseinrichtung (1) zumindest ein weiterer Verdampfer (3) angeordnet ist.
19. Verdampfungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem weiteren Verdampfer (3) eine weitere Ladekammer (8) zugeordnet ist.
20. Verfahren zum Verdampfen von Beschichtungsmaterial in einer Verdampfungseinrichtung, bei dem in einer evakuierten Verdampfungskammer der Verdampfungseinrichtung das in einem Tiegel (6) vorliegende Beschichtungsmate- rial erhitzt und verdampft wird und nach Beendigung des Verdampfungsprozesses die Verdampfungskammer abgekühlt wird, um die Beschickung mit neuem Beschichtungsmaterial vorzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (5) indirekt erhitzt wird über die Erhitzung eines in der Verdampfungskammer (2) angeordneten, ein evakuiertes Teilvolumen der Verdampfungskammer (2) bildenden und den Tiegel (6) mit dem Beschich¬ tungsmaterial (5) umfassenden Verdampfers (3), dass nach Beendigung des Verdampfungsprozesses der Verdamp- fer (3) wieder abgekühlt wird, dass die Beschickung der Verdampfungskammer (2) mit neuem Beschichtungsmaterial (5) über eine evakuierte Ladekammer (8) erfolgt, welche durch Öffnen und Schließen eines vakuumdichten Ventils (9) mit der Verdampfungskammer (2) verbunden und wieder vakuumdicht getrennt wird und dass die Beschickung des Tiegels in der getrennten und belüfteten Ladekammer (8) erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (5) , das in dem beweglichen Tiegel (6) in einem gesonderten Raum innerhalb der Verdampfungskammer (2) , einem Verdampfer (3) vorliegt, allseitig erhitzt und verdampft wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungsprozess so ausgeführt wird, dass das vorliegende Beschichtungsmaterial (5) erhitzt wird und der dabei erzeugte Dampf des Beschichtungsmaterials (5) aus dem Verdampfer (3) bis zur erschöpften Verdamp- fung über ein erstes Dampfsperr-Ventil (4) abgeführt wird, dass danach durch das dampfdichte erste Dampfsperr-Ventil (4) das Abführen dieses Dampfes unterbunden wird, dass nachfolgend eine Erhitzung des Verdampfers (3) unterbrochen und die Verdampfungskammer (2) abgekühlt wird, dass anschließend der Innenraum einer evakuierten Ladekammer (8) an die Verdampfungskammer (2) über ein verbindendes Vakuumventil (9) durch dessen vorgenommene Öffnung räumlich angeschlossen und das Vakuum ausgeglichen wird, sodass nach Öffnen eines dem Vakuumventil (9) gegenüber liegenden zweiten Dampfsperr-Ventils (13) des Verdampfers (3) der Tiegel (6) in der Ladekammer (8) aufgenommen wird und die Ladekammer (8) nach Schließung des vakuumdicht verschließbaren Vakuumventils (9) und Belüftung der Lade- kammer (8) mit Beschichtungsmaterial (5) beschickt wird, dass nach Evakuieren des Innenraums der Ladekammer (8) der Innenraum der Ladekammer (8) durch eine erneute Öffnung des Vakuumventils (9) an den Verdampfer (3) angeschlossen wird und der Tiegel (6) mit dem Be- schichtungsmaterials (5) in dem Verdampfer (3 ) positioniert und nach Verschluss des zweiten Dampfsperr- Ventils (13) des Verdampfers (3) die Erhitzung des neuen Beschichtungsmaterials (5) im Verdampfer (3) erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (6) gemeinsam mit dem Verdampfer (3) in die Ladekammer (8) überführt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (6) oder der Verdampfer (3) mit einer Transportvorrichtung zwischen Verdampfungskammer (2) und Ladekammer (8) verfahren wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Verdampfer (3) ablau- fende Verdampfungsprozess mit seiner zugehörigen Beschickung über die Ladekammer (8) auf gleich ablaufende Verdampfungsprozesse in weiteren Verdampfern (3) mit zugehörigen Beschickungen in weiteren Ladekammern (8) aufgeteilt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeteilten Verdampfungsprozesse sequenziell und/oder gleichzeitig und/oder zeitlich überlappend ausgeführt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschicken des Tiegels (6) mit dem Beschichtungsmaterial (5) die Verdampfungskammer (2) gekühlt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschicken des Tiegels (6) mit dem Beschichtungsmaterial (5) ein Gas in die Verdampfungskammer (2) und /oder in den Verdampfer (3) eingeleitet wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen der Ladekammer (8) in diese ein Gas dosiert eingeleitet wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Vakuums und der Temperatur, der Öffnung und Schließung der Ventile und der Tiegeltransporteinrichtung (7) und der jeweiligen Gaseinleitung durch eine Steuervorrichtung erfolgt.
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