DE2204467A1

DE2204467A1 - Vorrichtung zum Aufdampfen einer Oberflächenmetallschicht oder eines Metallüberzuges auf eine langgestreckte Unterlage mit Hilfe wenigstens einer Elektronenkanone

Info

Publication number: DE2204467A1
Application number: DE19722204467
Authority: DE
Inventors: Lionel van Kortrijk Poucke (Belgien). M
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1971-02-09
Filing date: 1972-01-31
Publication date: 1972-09-14
Also published as: US3777704A; BE762681A; FR2124467B1; LU64738A1; GB1344432A; NL7201042A; FR2124467A1; NL151138B; IT948377B; JPS5019519B1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, 2204487

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. Ä.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

<983921/22>

Schu/H.

N. V. BEKAERT S. A.
B—8550 Zuevegem, Belgien
Leo Belcaertstraat 1

Vorrichtung zum Aufdampfsn einer Oberflächenmetallschicht oder eines Metallüberzuges auf eine langgestreckte Unterlage mit Hilfe uenigstens einer Elektronenkanone.

Die Erfindung betrifft eine Aufdampfvorrichtung mit einem Tiegel mit dam aufzudampfenden Metall, uobei die Vorrichtung mit einer oder mehreren Elektronenkanonen ausgestattet ist; mit einer Einrichtung, um uenigstens eine langgestreckte Unterlage, uie etua einen Reifen, einen Streifen oder einen Draht kontinuierlich durch den Tiegel und die Aufdampfv/orrichtung zu bewegen, und mit einer Einrichtung, uie etua l/akuumpumpen, zur Erzeugung des geu.ünschten Vakuums in der Aufdampfvorrichtung und dem Tiegel.

Derartige Vorrichtungen zum Aufdampfen eines Metalls, die mit Elektranenkanonen zum Aufheizen und zum Verdampfen des Metalls ausgestattet sind, sind bekannt. Dar große Vorteil

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bei der l/eruendung von Elektronenkanone!! besteht darin, daß die Wahl der aufzudampfenden Metalle praktisch unbegrenzt ist. Es ist in der Tat möglich, Metalle mit einem hohen Siedepunkt mit einer Elektronenkanone aufzudampfen. Ein weiterer Vorteil der Elektronenkanone besteht darin, daß auf der zu bedampfenden Metalloberfläche örtlich hohe Energiedichten erhalten werden können.

Ein großer Nachteil der soweit bekannten Aufdampfvorrichtungen, die mit Elektronenkanonen ausgestattet sind, besteht in ihrem niedrigen Materialwirkungsgrad. Unter dem Ausdruck "Wirkungsgrad·¹ wird hier das l/erhältnis des Gewichtes des auf der Unterlage kondensierten Metalldampfes zu dem Gewicht des auf der Unterlage kondensierten Metalldampfes und dem Gewicht des verlorengegangenen Metalls verstanden. Der wesentlichste Grund für diesen niedrigen Wirkungsgrad liegt in dem Vorhandensein eines unzureichend abgeschlossenen Tiegels. Ein anderer Nachteil, der sich aus dem Vorhandensein eines unzureichend abgeschlossenen Tiegels ergibt, besteht darin, daß es sehr schwierig ist, in dem Tiegel oder in dem Raum über dem zu verdampfenden Metall einen ausreichend hohen Dampfdruck des verdampften Metalls zu erhalten. Da in dem

—4 Raum um den Tiegel herum ein hohes Vakuum von z. B. 10 Torr vorherrscht| fließt das verdampfte Metall in diesen Raum hin ab und schlägt sich auf den Wänden dieses Vakuumraums nieder. Die Größe dieses Leckflusses ist unter anderem proportional zu der Fläche der Öffnung in dem Tiegel und der vorhandenen Druckdifferenz. Wenn nunmehr eine langgestreckte Unterlage, z. B. ein Draht, mit einer Oberflächenschicht aus einem gegebenen Metall mit einer gegebenen Dicke überzogen werden soll, so sollte diese Unterlage mit einer gegebenen Geschwindigkeit, die von der Größe des Dampfdruckes in dem Tiegel abhängt, durch diesen Tiegel bewegt werden. Es ist klar, daß die Geschwindigkeit, mit der die Unterlage durch den Tiegel geführt wird, um so niedriger sein muß, je niedriger dar Dampfdruck in dem Tiegel ist. Folglich können

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mit den bisher bekannten Vorrichtungen nur niedrige Einführgeschuindigkeiten erhalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.

Aus diesem Grunde uird eine Aufdampfvorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Elektronenkanone mit stark fokussierenden Elementen, uie etwa Magnetlinsen oder -spulen und/oder Einrichtungen, uie etua einem hohen Beschleunigungspotential, versehen ist, um einen stark fokussierten Elektronenstrahl zu erhalten, daß der Tiegel nahezu vollständig verschlossen ist und lediglich für jede Elektronenkanone eine kleine Öffnung aufweist, wobei der Abstand zwischen dieser Öffnung in dem Tiegel und den Fokussierungselementen so bestimmt ist, daß diese Öffnung in oder in der Nähe des Fokus oder Fokussierungspunktes des gebildeten Elektronenstrahls liegt, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um den ausgebildeten Elektronenstrahl in dem Tiegel mit einer geeigneten Geschwindigkeit über die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls zu bewegen.

Der große Vorteil der gemäß der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung besteht darin, daß praktisch kein verdampftes Metall weiterhin aus dem Tiegel über die Öffnungen entweichen kann, durch die der Elektronenstrahl auf das zu bedampfende Metall in dem Tiegel fällt. Auf diese Ueise wird eine beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades erhalten, und es wird möglich, in dem Tiegel einen hohen Dampfdruck aufzubauen, was zu hohen Aufdampfungsgeschwindigkeiten führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß homogene Oberflächenschichten oder Überzüge erhalten werden.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispielen erläutert werden. In ύβτ Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsfarm einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Bedampfungsvorrichtung,

Fig.· 2 einen Teil dieser Vorrichtung in einer Vorderansicht,

Fig, 3 eine Seitenansicht des in die Bedampfungsvorrichtung eingesetzten Tiegels, und

Fig. 4 und 5 Seitenansichten abgewandelter Ausführungsformen des in Fig. 3 gezeigten Tiegels mit schematisch dargestellten Elektranenkanonen.

Die Aufdampfvorrichtung besteht aus einer Kammer 1, in der ein nahezu völlig abgeschlossener Tiegel 2 mit dem aufzudampfenden Metall 3 angeordnet ist. Der Tiegel 2 besitzt eine innere Auskleidung, die aus einem feuer- bzw. hitzebeständigen Material besteht, wie etwa Graphit, feuerbeständige Backsteine, ein hitzebeständiges Metall, uie etua Uolfram, Tantal usw., das nicht durch das geschmolzene Metall angegriffen uird, Um diese innere Auskleidung herum uird gegebenenfalls ein Isoliermantel angeordnet, der aus einem geeigneten Material hergestellt ist. Der Tiegel erhält vorzugsweise eine solche Form, daß das aufzudampfende Metall in dem Tiegel um die Unterlage herum vorhanden ist. Dies ist wichtig, um etwa bei Drähten, Blättern usu. eine homogene Schicht zu erhalten. Es können gleichfalls Einrichtungen vorgesehen werden, um das zu verdampfende Metall kontinuierlich in den Tiegel 2 einzuführen.

In der Oberseite der Kammerd sind z. B, zwei Elektronenkanonen 4 und 5 vorgesehen. Diese Elektronenkanonen haben z. B. ein Leistungsvermögen von 3D kU und eine Spannung von 60 kV. De höher diese Spannung oder das Beschleunigungspotential bei einer gegebenen Type von Elektronenkanone und gegebener Leistungsfähigkeit ist, um so schmaler ist der emittierte

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Elektronenstrahl. Dia Elektronenkanonen sind mit der Kammer 1 derart verbunden, daß sie einen Teil der Kammer bilden. Die Kammer 1 kann mit Hilfe einer Trennwand 6 in zwei Räume unterteilt werden, in denen jeueils eine Elektronenkanone und ein ^Tiegel vorhanden sind. Die Vakuumpumpen 7, die mit diesen Räumen verbunden sind, dienen dazu, in diesen Räumen der Kammer 1 das
zu erzeugen.

Kammer 1 das gewünschte l/akuum, z. B. in Höhe von 10"" Torr,

Die Uände des Tiegels erhitzen sich durch Zurückstreuung der emittierten Elektronen ebenso wie durch die erzeugten heißen Metalldampfe, wodurch das hierauf auftreffende verdampfte Metall zu einer Flüssigkeit kondensiert, die zurück in den Tiegel fließt oder sonstwo wieder verdampft. Uenn eine Uiederverdampfung erreicht werden soll, so ist es gleichfalls möglich, den Tiegel mit Hilfe von bekannten Einrichtungen von außen auf die erforderliche Temperatur zu bringen.

Mit Hilfe von nicht dargestellten Einrichtungen, wie etwa Aufwickelspulen, die mit einer geeigneten Geschwindigkeit angetrieben werden,und losen Abwickelspulen, können die langgestreckten Unterlagen 8, die bedampft werden sollen, wie etwa Drähte, Steifen, usw. durch die Kammer 1 und den Tiegel 2 bewegt werden. Zu diesem Zweck sind in dem Tiegel und der Kammer geeignete Einlaßöffnungen 9, 10 und 9', 10' vorgesehen. Die Abmessungen dieser Öffnungen sind sehr klein und sie sind an die Abmessungen der zu beschichtenden Unterlagen angepaßt. Durch (nicht dargestellte) Führungselemente wird sichergestellt, daß die Unterlagen während des Durchlaufs durch den Tiegel und die Kammer praktisch keine seitlichen Bewegungen ausführen können.

Stark fokussierende Elemente, wie etwa Nagnetlinsen 11 (siehe Fig. 2), dienen dazu, den aus den Elektronenkanonen emittierten Elektronenstrahl zu fokussieren. Der Speisestrom in diesen Magnetlinsen oder -spulen kann geändert werden, um

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die Fokussierung des Strahls zu ändern» Es ist gleichfalls möglich, in dem Kopf der Elektronenkanonen eine zusätzliche Fokussierungslinse 11' vorzusehen.

Pro Elektronenkanone ist in dBm Tiegel 2 lediglich eine kleine Öffnung 12 (siehe Fig. 2) vorgesehen. Der Abstand zwischen dieser Öffnung 12 in dem Tiegel 2 und den Fokussiarungselementen 11, 11^! und dar Speisestrom in diesen Elementen 11, 11' sind so gewählt, daß diese Öffnung 12 in oder in der Nähe des Brennpunktes oder des Fokussierungspunktes des gebildeten Elektronenstrahls liegt. Der Ausdruck Brennpunkt oder Fokussierungspunkt bezeichnet hier den Punkt, an dem der gebildete Elektronenstrahl am stärksten gebündelt ist. Natürlich trifft dies nicht auf einen geometrischen Punkt zu. Es ist in der Tat möglich und sogar erwünscht, daß der Elektronenstrahl mit Hilfe von geeigneten Magnetlinsen 11 über eine bestimmte Länge zwischen der Elektronenkanone und der Oberfläche des zu bedampfenden Metalls gebündelt wird. Die Öffnung 12 kann so auf ein Minimum beschränkt werden, z.. B. auf eine runde Öffnung mit einem Durchmesser von etwa 5 mm. Die Elektronenkanonen können auch an anderen Punkten als an der Oberfläche der Kammer 1 angebracht werden (siehe Fig. 4 und 5) und der emittierte und gebildete Elektronenstrahl kann elektrostatisch oder magnetisch in geeigneter Weise auf die Öffnung 12 des Tiegels 2 hir>4bgelenkt werden.

Dieser stark fokussierte Elektronenstrahl mit hoher Leistung trifft auf das zu bedampfende Metall 3 nur in einem sehr kleinen Gberflächenbereich auf. Es ist deshalb notwendig, daß an der Vorrichtung Einrichtungen vorgesehen werden, um diesen gebildsten Elektronenstrahl in dem Tiegel 2 mit ausreichend hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls zu bewegen.

Um diesen Elektronenstrahl in dem Tiegel 2 über die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls 3 mit geeigneter Geschwindigkeit

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zu bewegen, ist die gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung mit einer Ragnetkette 13 versehen. Diese Kette 13 besteht aus einem nicht geschlossenen Kern 14 aus ferromagnetischsm Material. Ein Leiter 15 ist um einen Teil dieses Kernes 14 gewickelt und mit einer Uechselstromquelle verbunden, und diese Quelle erzeugt einen Strom, der in Bezug auf die Amplitude und die Frequenz gesteuert werden kann. Der Tiegel 2 ist zwischen den Enden oder den Polschuhen 16 dieser Magnetkette 13 (siehe Fig. 2) angeordnet. Das Material der Uände der Kammer 1 und des Tiegels 2 dürfen nicht aus einem ferromagnetischen Material bestehen, und sie dürfen während der Verwendung dieser Vorrichtung auch keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen. Dies ist wesentlich, damit die Kraftlinien, die durch die Magnetkette 13 verlaufen, sich selbst in dem Raum über dem zu bedampfenden Metall schließen können.

Wenn nunmehr ein Wechselstrom durch die Spule 15 geleitet wird, so wird zwischen den Enden oder den Polschuhen 16 des Kerns 14 oder in dem Raum über dem zu bedampfender/ietall 3 in dem Tiegel 2 ein Magnetwechselfeld B erzeugt. Die Größe des Magnetfeldes B hängt unter anderem von der Größe des Stromes in der Spule oder dem Leiter 15 ab. Der in den Tiegel eintretende Elektronenstrahl wird nunmehr diesem Magnetwechselfeld ausgesetzt. Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen verläuft die Richtung des Magnetfeldes B zwischen den Polen 16 senkrecht zu der Bewegungsrichtung ν des gebildeten Elektronenstrahls. Uenn ein geladenes Teilchen Q einer gegebenen Geschwindigkeit ν in dieses Magnet— Wechselfeld B eintritt, dessen Feldrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung ν verläuft, dann wirkt auf das Teilchen Q eine Kraft F = B · Q . v, wobei die Richtung der Kraft F senkrecht auf der Fläche steht, in der der Vektor B und die Bewegungsrichtung ν liegen. Da die Kraft F immer senkrecht zu der Bewegungsrichtung ν gerichtet ist, beschreiben die geladenen Teilchen des gebildeten Elektronenstrahls über die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls 3 eine gebogene Bahn.

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Da nunmehr ein UQchsBlfeld B verwandt wird, wird diese Bahn abwechselnd in beiden Richtungen hin und her geführt· Die Frequenz, mit der diese Bahn hin und her geführt uird, uird durch die Frequenz des Stromes in dem Leiter/|5 bestimmt, die vorzugsweise bei 50 Hz liegt.

Die große Stärke bzw. Leistung des stark fokussierten Elektronenstrahls wird auf diese Ueise gleichmäßig über die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls verteilt. Durch Einstellung der Grüße des Stromes in dem Leiter 15 kann natürlich das Feld B und folglich die Kraft F geändert werden. Die Fig. 3 zeigt klar, daß der Strahl über die gesamte Oberfläche des zu bedampfenden Metalls hin und her bewegt wird.

Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei abgeänderte Ausführungsformen. Hier ist es wesentlich, daß der Strahl, der in den Tiegel eintritt, zuerst um 90 bzw, 180 abgelenkt wird, um die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls 3 zu erreichen. Dies kann z. B. mit Hilfe von permanenten Magneten erreicht werden. Es kann auch die Kette 13 mit Einrichtungen vorgesehen werden, wie etwa einem Leiter, der um den Kern 14 gewickelt und mit einer einstellbaren Gleichstromquelle verbunden ist, so daß in dem Tiegel über dem zu bedampfenden Metall ein besonderes Magnetfeld erregt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch den Leiter 15 einen Uechselstrom zu schicken, der einem Gleichstrom überlagert ist. Es können viele bekannte elektronische Anordnungen zu diesem Zweck verwandt werden. Um zu überprüfen, ob der einfallende und sich hin und her bewagende Elektronenstrahl auf das zu bedampfende Metall in' dem Tiegel 2 auftrifft, werden in der Kammer 1 und im Tiegel 2 vorzugsweise Öffnungen vorgesehen, die verschlossen werden können.

Eine andsre Einrichtung, um die durch den Elektronenstrahl erhaltene Leistung gleichmäßig über die Oberfläche des zu bedampfenden Metalls zu verteilen besteht darin, den Elektronen-

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strahl in dem Tiegel zu defokussieren oder zu zerstreuen, indem man z. B. in dem Tiegel ein Streufeld erzeugt, obgleich dies wesentlich schwieriger durchzuführen ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Aufdämpfvorrichtung mit einem Tiegel für das aufzudampfende Metall, mit einer oder mehreren Elektronenkanonen, mit Einrichtungen, um wenigstens eine langgestreckte Unterlage, uie etua ain Band, einen Streifen oder einen Draht kontinuierlich durch den Tiegel und die Aufdampfvorrichtung zu bewegen und mit Einrichtungen, uie etua Vakuumpumpen, um in der Aufdampfvorrichtung und dem Tiegel das gewünschte Vakuum zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet , daß jede Elektronenkanone (4, 5) mit stark fokussieranden Elementen (iii wie etwa Magnetlinsen oder -spulen und/oder Einrichtungen, uie etua einem hohen BeschleunigungspatentiaJ, versehen ist, um einen stark fokussierten Elektronenstrahl zu erhalten, daß der Tiegel (2) nahezu vollständig geschlossen ist und lediglich eine kleine Öffnung (12) für jede Elektronenkanone aufweist, wobei der Abstand zwischen dieser Öffnung in dem Tiegel und den Fokussierungselementen (11) so bestimmt ist, daß diese Öffnung in oder in der Nähe des Brennpunktes oder des Fokussierungspunktes des gebildeten Elektronenstrahls liagt, und daß Einrichtungen, (13, 14, 15), vorgesehen sind, um den gebildeten Elektronenstrahl in dem Tiegel mit einer geeigneten Geschwindigkeit übar dia Oberfläche des zu bedampfenden Metalls (3) zu bewegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (2) zwischen den Enden der Polschuhe (16) einer Magnetkntta (14) angeordnet ist, die mit bekannten Einrichtungen zur Erzsugung eines in der Amplitude und der Frequenz einstellbaren Hagnetwechselfeldes in dem Tiegel übar dem zu bedampfenden Metall versehen ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Einrichtungen zur Erzeugung eines in der Amplitude einstellbaren Magnetfeldes in dem Tiegel über dem zu bedampfenden Retall vorgesehen sind.

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