Beschreibung

Laufende Beschichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren jeweils gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Zur Metallbeschichtung von bandförmigen Substraten ist die Verwendung von eine Verdampferbank bildenden Beschichtungsquellen bekannt. Die Beschichtungsquellen haben häufig eine längliche Form und werden dann als Verdampferschiffchen bezeichnet. Das verdampfende Material, vorzugsweise Aluminium, bildet eine Dampfkeule mit einer charakteristischen Intensitätsverteilung bzw. Emissionscharakteristik des verdampften Materials über den einzelnen Verdampferschiffchen. Bei typischen Vorrichtungen zur Bandbeschichtung wird das bandförmige Substrat von einer Abwickelrolle abgewickelt und einer Aufwickelrolle zugeführt und dabei in einem Bereich oberhalb der Verdampferbank bewegt, so dass die nach unten gerichtete Seite des Substrats mit in den Verdampferschiffchen verdampften Metall beschichtet wird.

Eine spezielle Vorrichtung zur laufenden Beschichtung von bandförmigen Substraten ist auf der DE 40 27 034 C1 sowie der EP 074964 B1 bekannt. Danach ist eine Vielzahl von - eine Verdampferbank bildenden, längs zur Banklaufrichtung und parallel in etwa gleichen Abständen zueinander angeordneten Verdampferschiffchen etwa gleicher Größe und Konfiguration vorgesehen. Die Verdampferschiffchen sind sämtlich aus einer elektrisch leitenden Keramik gebildet und durch direkten Stromdurchgang beheizbar. Ferner ist eine Vorrichtung für die kontinuierliche Zuführung von zu verdampfendem Draht zu den Verdampferschiffchen vorgesehen. Die einzelnen parallel zu einander oder zur Bandlaufrichtung liegenden Verdampferschiffchen der Verdampferbank sind jeweils versetzt zueinander angeordnet, wobei alle Verdampferschiffchen gemeinsam eine schmale Beschichtungszone überdecken, die sich quer zur Bandlaufrichtung erstreckt.

Es ist, unter anderem aus den Dokumenten DE 40 27 034 C1 und EP 07 49 64 B1 bekannt, dass durch die überlagerung der Dampfkeulen der Einzelquellen eine ungleichmäßige Schichtverteilung auf dem zu beschichtenden Band entsteht. Im Idealfall ist dies eine wellenförmige Verteilung mit Maxima beziehungsweise Minima über beziehungsweise zwischen den Verdampferschiffchen. Die bestenfalls erreichbare Schichtgleichmäßigkeit wird bestimmt durch die Amplitude von Maxima und Minima, wobei die Amplitude abhängig von der geometrischen Anordnung und der Emissions-Charakteristik der einzelnen

Verdampferschiffchen sowie von der Wechselwirkung der Dampfkeulen der Verdampferschiffchen untereinander ist. Zur Verbesserung der Schichtdickengleichmäßigkeit bei parallel zueinander angeordneten einzelnen Verdampferschiffchen der Verdampferbank wird in den genannten Dokumenten vorgeschlagen, die Verdampferschiffchen zueinander versetzt anzuordnen, so dass diese gemeinsam eine schmale Beschichtungszone abdecken. Dabei tritt allerdings ein Wirkungsgradverlust bei der Beschichtung auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere und bessere Möglichkeit zu schaffen, bei einer Beschichtung eines bandförmigen Substrats mittels eine Verdampferbank bildenden Verdampferschiffchen eine höhere Beschichtungsqualität zu erreichen.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verdampferbank durch eine Menge A und eine Menge B von Verdampferschiffchen gebildet wird. Während der Beschichtung ist das bandförmige Substrat in einer Laufrichtung X senkrecht zu einer Richtung Y bewegbar. Die Menge A der Verdampferschiffchen weist eine Länge LA in einem Bereich zwischen LO - δ A und LO + δ A auf, während die Verdampferschiffchen der Menge B eine Länge LB in einem Bereich zwischen LO - δ B und LO + δ B aufweisen. Die Verdampferschiffchen der Menge A und der Menge B sind innerhalb einer sich parallel zur Y Richtung erstreckenden Zone mit einer Breite in X-Richtung von höchstens 2 L0 + δ A + δ B angeordnet.

Die Verdampferschiffchen der Menge A sind jeweils in einem Winkel α in einem Bereich zwischen -1 °und -89° relativ zur Richtung X angeordnet, wobei der Winkel in Uhrzeigerrichtung orientiert ist. Die Verdampferschiffchen der Menge B sind jeweils in einem Winkel ß in einem Bereich zwischen 1° und 89° relativ zur Richtung X angeordnet, wobei der Winkel in Uhrzeigerrichtung orientiert ist Die Verdampferschiffchen der Menge A und der Menge B sind alternierend nebeneinander angeordnet und bilden anschaulich gesprochen ein Fischgrätenmuster. Die Verdampferschiffchen der Menge A sowie die der Menge B weisen demnach jeweils eine Abweichung von der Parallelität zur Laufrichtung X auf. Ferner sind die Verdampferschiffchen der Menge A jeweils relativ zu den Verdampferschiffchen der Menge B verdreht.

überraschenderweise gelingt es, mit diesen gezielten Abweichungen von einer Parallelität der Verdampferschiffchen gegenüber der Laufrichtung X sowie der gegenseitigen Orientierung eine höhere Schichtgleichmäßigkeit zu erzielen, als mit Verdampferschiffchen, die parallel zur Laufrichtung X sowie parallel zueinander angeordnet sind. Zum Verständnis dieser Ergebnisse

wurden Simulationsrechnungen durchgeführt. Bei den Simulationsrechnungen wurde davon ausgegangen, dass die Dampfkeule eines einzelnen Verdampferschiffchens eine gauss- ähnliche oder cos" Intensitätsverteilung quer zur Längsachse eines Verdampferschiffchens aufweist. Eine derartige Intensitätsverteilung wurde beispielsweise in dem Artikel von Susaki und lkarashi (AIMCAL Fall Technical Conference, Reno, 22. -25.10.2006 Vacuum Webcoating Sessions, Session 2 B, Figure 8) beschrieben.

Bei einer gaussähnlichen oder cos" Intensitätsverteilung weisen die Dampfkeulen Schenkel auf. Es ist bei einer Vielzahl von Verdampferschiffchen von einer Wechselwirkung der Dampfkeulen dahingehend auszugehen, dass die Intensitätsverteilung schmaler und schärfer wird, je mehr Wechselwirkung die Dampfkeulen untereinander haben. Bei einer Anordnung der Schiffchen parallel zur Bandlaufrichtung deuten die Schenkel der Dampfkeulen jeweils auf das Zentrum größter Intensität des nächsten Schiffchens der Teilmenge A oder B. Dies dürfte zu einer Einengung der Verteilung führen. Bei einer erfindungsgemäßen Verdrehung der Verdampferschiffchen zeigt ein Schenkel ins Freie, während der andere Schenkel zwischen den Dichtezentren der benachbarten Schiffchen hindurch zeigt. In beiden Fällen ist eine geringere Wechselwirkung der Dampfkeulen zu erwarten. Aufgrund der Simulationsrechnungen ist zu vermuten, dass die Verringerung der Schichtdickenschwankung darauf zurückzuführen ist, dass die Variation der Intensitätsverteilung der überlagerten Dampfkeulen der in der Verdampferbank angeordneten Verdampferschiffchen geringer wird, da die Intensitätsverteilung der einzelnen Schiffchen insgesamt breiter geworden ist.

Die bevorzugten Werte der Winkel α und ß sind abhängig von der geometrischen Anordnung der Verdampfungsschiffchen sowie der Dampfkeulenform, also der charakteristischen Intensitätsverteilung über den Verdampferschiffchen.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform sind die Beträge der Winkel aller Verdampferschiffchen der Menge A und/oder B jeweils gleich groß.

In Weiterbildungen der Erfindung liegt der Winkel α in einem Bereich zwischen -5 und -15 ° und/oder der Winkel ß in einem Bereich zwischen 5° und 15 °.

Ferner hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Summe der Winkel α und ß = 0° ist.

Konstruktive Vorteile ergeben sich, wenn die Verdampferschiffchen der Menge A die Länge LO aufweisen und/oder die Verdampferschiffchen der Menge B jeweils die Länge LO aufweisen.

In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung sind die Verdampferschiffchen der Menge A in einem Streifen SA und/oder die Verdampferschiffchen der Menge B in einem Streifen SB angeordnet wobei die Streifen SA und SB eine überlappzone Z aufweisen. Die Verdampferschiffchen der Menge A und/oder der Menge B werden damit geometrisch zusammengefasst, wodurch die Wahl geeigneter Werte für die Winkel α und ß erleichtert wird. Die Streifen SA und SB können jeweils konstante Breite BA und BB aufweisen. Günstigerweise können die Streifen SA und SB gleiche Breite aufweisen. Besonders günstig ist es, wenn die Streifen SA und SB jeweils parallel zur Richtung Y, also senkrecht zur Laufrichtung X angeordnet sind.

Die überlappzone Z kann kleiner oder gleich der Breite des schmälsten der Streifen SA und SB sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen sämtliche Verdampferschiffchen die Länge LO, die Winkel der Verdampferschiffchen der Menge A gleich α, die Winkel der Verdampferschiffchen der Menge B gleich ß und die Streifen SA und SB gleiche konstante Breite B auf. Ferner können die Streifen SA und SB parallel zur Y Richtung angeordnet sein. In diesem Fall liegen gleichartige geometrische Punkte der Verdampferschiffchen der Menge A jeweils auf einer Geraden parallel zur Richtung Y, während die gleichartigen geometrischen Punkte der Verdampferschiffchen der Menge B auf einer parallel zu dieser Geraden verschobenen Geraden angeordnet sind. Gleichartige geometrische Punkte sind beispielsweise Eckpunkte oder Mittelpunkte der Verdampferschiffchen. Bevorzugt ist eine überlappzone Z mit einer Breite BZ in einem Bereich zwischen 0.1 B und 0.95B, besonders bevorzugt zwischen 0.6B und 0.8B. Hiermit kann eine weitere Reduktion der Schichtdickenschwankung erreicht werden.

Vorzugsweise haben die Verdampferschiffchen der Menge A und/oder der Menge B bezogen auf gleichartige geometrische Punkte der Verdampferschiffchen gleichen Abstand voneinander. Es versteht sich, dass auch unterschiedliche Abstände vorgesehen sein können.

Erfindungsgemäß können für die Winkel α und ß optimale Werte gewählt sein, sodass der Wert einer Schichtdickenschwankung (Dmax - Dmin) : (Dmax + Dmin) minimal ist.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Auslegung einer Vorrichtung zur Beschichtung eines bandförmigen Substrats gelöst, wobei das Substrat während der Beschichtung in einer Laufrechtung X senkrecht zu einer Richtung Y bewegbar ist, mit einer Anzahl von Verdampferschiffchen, die eine Verdampferbank bilden, wobei die Anzahl der Verdampferschiffchen von einer Menge A und einer Menge B von Verdampferschiffchen

gebildet wird, die Verdampferschiffchen der Menge A eine Länge LA in einem Bereich zwischen LO - δ A und LO + δ A aufweisen, die Verdampferschiffchen der Menge B eine Länge LB in einem Bereich zwischen LO - δ B und LO + δ B aufweisen und die Anzahl der Verdampferschiffchen innerhalb eines sich parallel zur Richtung Y erstreckenden Bereichs mit einer Breite von höchstens 2 L0 + δ A + δ B in X-Richtung angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Verdampferschiffchen der Menge A und der Menge B alternierend nebeneinander und die Verdampferschiffchen der Menge A jeweils in einem Winkel α in einem Bereich zwischen -1 ° und -89° relativ zur Richtung X und die Verdampferschiffchen der Menge B jeweils in einem Winkel ß zwischen 1° und 89° relativ zur Richtung X angeordnet werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Beschichtung eines bandförmigen Substrats

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung von Verdampferschiffchen in Obenansicht

Figur 3 eine schematische Darstellung von Dampfkeulen von Verdampferschiffchen

Figur 4 Ergebnisse einer Simulationsrechnung von Schichtdickenänderungen von parallel versetzt und erfindungsgemäß angeordneten Verdampferschiffchen.

In Fig. 1 ist in schematischer Seitenansicht eine Vakuumkammer 1 mit einer Beschichtungsanlage 2 dargestellt. Die Beschichtungsanlage weist eine Abwickelrolle 3, eine Aufwickelrolle 4 sowie eine Beschichtungstrommel 5 auf. Die Ab-, Aufwickelrollen 3, 4 sind auf Ständern 6, 7 gelagert. Ein entsprechender Ständer der Beschichtungstrommel 5 ist in Figur 1 nicht dargestellt. Die Abwickelrolle 3 wird gebildet von einem aufgewickelten bandförmigen Substrat 8, beispielsweise einer Folie. Das Substrat 8 wird in Laufrichtung X zur Aufwickelrolle 4 hin abgewickelt und von der Beschichtungstrommel 5 geführt. Unterhalb der Beschichtungstrommel 5 sind Verdampferschiffchen 9, 10 dargestellt, die auf einem Tisch 11 angeordnet sind. Seitlich neben den Verdampferschiffchen 9, 10 sind Einrichtungen 12, 13 dargestellt, die Drähte eines zu verdampfenden Materials 14, 15 in den Bereich der Verdampferschiffchen 9, 10 führen. Die Verdampferschiffchen 9, 10 werden mittels einer nicht

dargestellten Heizeinrichtung aufgeheizt, so dass die Drähte in oder auf den Verdampferschiffchen 9, 10 verdampfen. Das verdampfte Material schlägt sich auf der nach unten gerichteten Seite der Folie 8 nieder.

Die Verdampferschiffchen 9, 10 weisen vorzugsweise eine rechteckförmige Gestalt auf, bestehen vorzugsweise aus temperaturfester Keramik und können auf ihrer Oberfläche eine als Kavität bezeichnete Vertiefung aufweisen. Ferner sind auch Verdampferschiffchen ohne Kavität bekannt. Die Oberfläche kann ferner zusätzlich Riffelungen oder andere Strukturen aufweisen. Als Material der zu verdampfenden Drähte kommt insbesondere Aluminium in Betracht.

In Fig. 2 sind in Obenansicht rechteckförmige Verdampferschiffchen 9, 9' und 10, 10' dargestellt, die einen Teil einer Verdampferbank bilden. Die Verdampferschiffchen 9, 9', 10, 10' sind mittels Befestigungsteilen 16, 16', 17, 17' in vorgegebenen Positionen gegenüber der Laufrichtung X sowie der senkrecht auf der Richtung X stehenden Richtung Y angeordnet. Die Verdampferschiffchen 9, 9' und 10, 10' in Figur 2 weisen sämtlich die gleiche Länge LO auf. Die Verdampferschiffchen 9 und 9' sind jeweils mit einem Winkel α beziehungsweise α' in einem Bereich zwischen -1 ° und -89° zur Richtung X angeordnet. Die Verdampferschiffchen 10 und 10' sind mit einem Winkel ß beziehungsweise ß' in einem Bereich zwischen 1 ° und 89° zur Richtung X angeordnet. Anschaulich gesprochen, bilden die Verdampferschiffchen in Figur 2 ein Fischgrätenmuster.

Während in der Darstellung der Figur 2 lediglich vier Verdampferschiffchen gezeigt sind, versteht es sich, dass die Erfindung 8 Verdampferbänke mit einer Vielzahl von Verdampferschiffchen umfasst. Ferner kann die Länge der Verdampferschiffchen unterschiedlich sein.

Erfindungsgemäß bilden die Verdampferschiffchen eine Menge A und eine Menge B , wobei die Elemente der Menge A eine Länge LA in einem Bereich zwischen LO - δ A und L0+ δ A und die Elemente der Menge ß eine Länge LB in einem Bereich zwischen LO - δ B und LO + δ B liegen. Die Schiffchen der Menge A weisen gegenüber der Y Richtung einen Winkel α in einem Bereich zwischen -1° und -89°, die Verdampferschiffchen der Menge B einen Winkel ß in einem Bereich zwischen 1 ° und 89° auf. Die Verdampferschiffchen der Menge A und B sind in einem Bereich mit einer maximalen Breite von 2 L0 + δ A + δ B angeordnet. Figur 2 entspricht der Situation mit δ A = δ B = 0.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Verdampferschiffchen in einem Fischgrätenmuster erlaubt es die Schichtdickenschwankung (Dmax - Dmin) : (Dmax + Dmin) gegenüber

bekannten Anordnungen von Verdampferschiffchen zu reduzieren, wobei Dmax die maximale und Dmin die minimale Schichtdicke eines beschichteten Substrats bezeichnet.

Figur 3 zeigt in Gegenüberstellung die Intensitätsverteilung von verdampften Material in einem Bereich oberhalb einer konventionellen Anordnung von Verdampferschiffchen, Figur 3a, und einer erfindungsgemäßen Anordnung von Verdampferschiffchen, Figur 3b. Die Verdampferschiffchen sind jeweils rechteckförmig mit einer Längsachse. Die Figur 3a entspricht parallel zueinander und zur Laufrichtung X eines Substrats angeordneten, relativ zueinander versetzten rechteckförmigen Verdampferschiffchen. Die Figur 3b entspricht einer Anordnung von Verdampferschiffchen, die um einen Winkel von -5° beziehungsweise 5° zur Laufrichtung X angeordnet sind. Für die individuellen Verdampferschiffchen wurde dabei eine gauss- oder cos ⁿ -förmige Intensitätsverteilung oder Dampfkeule mit Maxima im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Verdampferschiffchen angenommen. Zur Vereinfachung wurde in der Darstellung der Figur 3 in den überlagerungsbereichen der Dampfkeulen lediglich die zu einem Verdampferschiffchen gehörige Intensitätsverteilung dargestellt. Die in Figur 3a dargestellte Gerade zwischen den Zentren von drei Dampfkeulen illustriert, dass Bereiche mit hoher Intensität überlappen. In Figur 3b ist zu erkennen, dass im Innenbereich der Verteilung eine überlappung von Bereichen mit geringerer Intensität erfolgt und im Außenbereich überlappungsfreie Bereiche auftreten, so dass die Verteilung insgesamt breiter wird als im Fall der Figur 3a. Die Simulation zeigt, dass bereits geringe änderungen der Breite der Verteilungen erhebliche änderungen der Schichtdickenschwankung bewirken können.

Für Figur 3a und 3b entsprechende Anordnungen von Verdampferschiffchen wurden in Simulationsrechnungen die resultierenden Schichtdickenschwankungen berechnet. Figur 4 zeigt die Ergebnisse der Simulationsrechnungen, wobei die Kurve A der Anordnung der Figur 3a und die Kurve B der Anordnung der Figur 3b entspricht, jeweils mit 22 geometrisch gleichen Verdampferschiffchen, d.h. gleicher Länge und Form. Für die Intensitätsverteilung wurde eine gaussähnliche Form gewählt. Die Abszisse entspricht dabei einer Position senkrecht zur Laufrichtung X, die Ordinate gibt die Schichtdickenschwankung in Prozent an. Bei der Simulationsrechnung wurden die Parameter für die Anordnung gemäß 3a so gewählt, dass eine Schichtdickenschwankung von +/- 5 % um einen Mittelwert resultierte.

Wie in Figur 4 dargestellt ist, findet man bei einer erfindungsgemäßen Anordnung mit gleichen Parametern wie denen der konventionellen Anordnung in Figur 3a, allerdings mit um -5° beziehungsweise 5° zur Laufrichtung X verdrehten Verdampferschiffchen eine Schichtdickenschwankung von nur +/- 2,5 %. ähnliche Verbesserungen ergaben sich bei cos ^π - förmigen Intensitätsverteilungen und bei realen Beschichtungsexperimenten.