Brevet FR2554969A1 — publié le 19850517

L'invention concerne un évaporateur à faisceau d'électrons comprenant un générateur de faisceau d'élec- trons, un premier dispositif de déviation magnétique com- prenant des plaques polaires parallèles de forme allon- gée servant à assurer la déviation linéaire du faisceau le long d'une première coordonnée et un deuxième disposi- tif de déviation magnétique prévu pour la déviation du faisceau le long d'une deuxième coordonnée qui est per- pendiculaire à la première coordonnée, ainsi qu'un creu- set d'évaporateur de forme allongée destiné à recevoir la matière à évaporer. Les faisceaux d'électrons peuvent être déviés pratiquement sans inertie, de sorte qu'on peut déplacer le point d'impact ou la tache focale du faisceau d'élec- trons de façon définie sur une surface plane ou courbe. On parle également de la possibilité de déplacer le fais- ceau d'électrons dans un système de coordonnées X-Y. Le tube cathodique d'un appareil de télévision constitue l'un des exemples les plus marquants d'une telle dévia- tion du faisceau d'électrons. Toutefois, il est également connu d'utiliser des faisceaux d'électrons déviés pour des opérations de production techniques. C'est ainsi que, par exemple, on connait, par la demande de brevet de la R.F.A. publiée sous le n 20 47 138 un évaporateur à faisceau d'élec- trons qui correspond dans une large mesure à l'évapora- teur du genre décrit mais présente un creuset d'évapora- teur de forme ronde circulaire. Toutefois, il est égale- ment connu par le même document que, sous l'effet de la déviation du faisceau,, l'état de focalisation et, de ce fait, la densité de puissance peuvent varier d'une façon indésirable dans la zone d'impact du faisceau d'élec- trons. La solution connue a pour objectif de compenser cet effet par le seul temps d'arrêt mais non pas par une correction de la figure de balayage. Etant donné que les variations de l'état de focalisation sur la zone d'im- 2554I969 pact du faisceau s'accroissent avec l'accroissement de la distance du centre du creuset, la solution connue ne peut pas être appliquée avec succès pour les creusets d'évaporateurs de forme allongée, c'est-à-dire pour les creusets dans lesquels la longueur est au moins trois plus grande que la largeur. On connaît, par la demande de brevet de la R.F.A. publiée sous le n 28 12 285 un évaporateur à faisceau d'électrons du genre décrit au début, dans le- quel, par la coopération de deux dispositifs de dévia- tion magnétique, on peut guider les faisceaux d'élec- trons selon une figure de balayage déterminée sur la sur- face d'un creuset d'évaporateur de forme allongée. Pour pouvoir chauffer toute la longueur du creuset de l'évapo- rateur, on doit alors prévoir deux générateurs de fais- ceau d'électrons qui chauffent chacun la moitié du creu- set de l'évaporateur. Dans ce cas, les substrats se trou- vent constamment au-dessus du creuset de l'évaporateur, en même temps qu'ils sont entraînés en rotation conti- nuellement. La fréquence de balayage de la surface du bain contenu dans le creuset de l'évaporateur ne joue ici qu'un rôle relativement secondaire puisqu'avec un temps de séjour suffisamment long des substrats dans le courant de vapeur, et avec un grand nombre de rotations des substrats, on peut obtenir une uniformité satisfai- sante du dépôt. Toutefois, dans le cas du revêtement de bandes ou feuilles en matière plastique qui, actuellement, sont revêtues sur une largeur atteignant juqu'à 1 000 mm en un seul passage, il se pose un autre problème. Pour ba- layer toute la longueur du creuset avec un seul faisceau d'électrons, il est nécessaire d'adopter un grand angle de déviation. Pour éviter les fluctuations de l'épais- seur de la couche dans la direction longitudinale de la bande en défilement, on fixe une fréquence de déviation minimum du faisceau d'électrons-- pour une vitesse de 3 2554969 bande prédéterminée. Toutefois, avec les évaporateurs à faisceau d'électrons déjà connus, on ne.peut pas obtenir une répartition suffisamment uniforme de l'épaisseur de la couche dans la direction transversale à la direction du défilement de la bande parce que l'état.de focalisa- tion du faisceau d'électrons varie de façon' excessive en présence d'un grand angle de déviation. Par ailleurs, la figure de balayage selon laquelle le faisceau d'élec- trons est guidé sur la surface du produit à évaporer (surface libre du bain), subit des distorsions notables qui ont également une influence préjudiciable sur l'uni- formité de la répartition de l'épaisseur de couche dans la direction transversale à la direction de défilement de la bande. L'invention se donne donc pour but de créer un évaporateur à faisceau d'électrons du genre décrit au dé- but dans lequel l'état de focalisation reste conservé mê- me en présence de grands. angles de déviation et dans le- quel la figure de balayage puisse être corrigée dans une mesure qui permette d'obtenir la répartition d'énergie nécessaire pour assurer un dégagement de vapeur uniforme sur toute la longueur du creuset. Dans le cas de l'évaporateur à faisceau d'élec- trons décrit au début, la solution du problème posé est obtenue selon l'invention par le fait que: a) le deuxième dispositif de déviation magnéti- que comprend deux noyaux de bobines parallèles, non mé- talliques, qui s'étendent parallèlement aux plaques po- laires du premier dispositif de déviation et sont. dispo- sés au-dessous de celui-ci; b) sur chaque noyau de bobine, sont montées une première bobine possédant un nombre constant de spires par unité de longueur du noyau de bobine et c) une deuxième bobine possédant un nombre de spires par unité de longueur du noyau qui croit vers les deux extrémités du noyau de--bobine. 4 2554969 Il est alors particulièrement avantageux de réa- liser les deuxièmes bobines sous la forme de bobines co- niques de manière que le nombre des spires par unité de longueur du noyau croisse linéairement du milieu du noyau vers ses deux extrémités. Le deuxième dispositif de déviation magnétique selon l'invention est un dispositif correcteur grâce au- quel l'état de focalisation et la figure de balayage du faisceau d. 'électrons peuvent être influencés de la façon suivante: 1. On peut faire tourner le balayage linéaire du faisceau d'électrons autour du centre du mouvement de balayage dans le plan du creuset. On peut de cette façon disposer le balayage parallèlement à l'axe longitudinal du creuset. 2. Le balayage du faisceau d'électrons peut être déformé et linéarisé dans le cas d'une distorsion en coussinet ou en tonneau. 3. Le faisceau d'électrons peut être déplacé en translation perpendiculairement au balayage et il est mê- me possible de superposer au balayage une oscillation transversale périodique qui peut être qualifiée de "modu- lation". Au moyen de la modulation, on peut réduire la densité d'énergie du faisceau d'électrons, qui pourrait devenir trop grande sous l'effet de ce qu'on appelle une autofocalisation. Les trop fortes quantités d'énergie conduisent à des projections indésirables pendant l'opé- ration d'évaporation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les bobines du deuxième dispositif de déviation sont mon- tées dans des boîtiers fermés à double paroi qui s'éten- dent de part et d'autre du trajet du faisceau. Selon une autre caractéristique de l'invention, les bottiers sont de configuration cylindrique et leurs axes s'étendent parallèlement aux plaques polaires du premier dispositif de déviation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les noyaux de bobines sont fixés dans des positions ex- centriques dans les bottiers. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation de l'in- vention et de ses diverses possibilités d'utilisation, en regard des dessins annexés sur lesquels, la figure 1 est une vue avant de la partie infé- rieure du générateur de faisceau d'électrons avec le pre- mier et le deuxième dispositifs de déviation magnétique, prise dans le sens "X" de la figure 2; la figure 2 est une vue de côté de l'objet de la figure 1, avec le creuset d'évaporateur représenté en supplément; la figure 3 est une vue de dessus et une vue en. coupe horizontale partielle du premier dispositif de dé- viation magnétique prévu pour la déviation linéaire du faisceau, avec la trajectoire de déviation indiquée en traits interrompus; la figure 4 est une coupe verticale de l'une des deux plaques polaires parallèles de la figure 3; la figure 5 est une coupe verticale d'une moi- tié du deuxième dispositif de déviation magnétique muni d'une bobine linéaire et de deux bobines coniques; la figure 6 est une vue de dessus de l'objet de la figure 5; les figures 7 à 14 représentent diverses figu- res de balayage possibles du faisceau d'électrons sur la surface libre du bain dans un creuset d'évaporateur de forme allongée. Sur la figure 1, on a représenté la partie infé- rieure d'un générateur de faisceau d'électrons 1 de type traditionnel tel que celui qui est décrit, par exemple, dans le brevet de la R.F.A. 12 48 175. A l'extrémité inférieure d'un tube 2 de guidage du faisceau, se trouve une ouverture 3 de sortie du fais- ceau. L'axe géométrique de l'ensemble et, de ce fait, le trajet du faisceau, sont indiqués par la-ligne en traits mixtes 4. Des deux côtés de l'ouverture de sortie du faisceau 3, se trouvent, dans des dispositions symétri- ques par rapport. à un plan, deux pièces polaires 5 qui ne font pas partie du dispositif de déviation selon l'in- vention mais sont montées en supplément. Ces pièces ser- vent uniquement à dévier le faisceau d'électrons d'un an- gle d'environ 25 , par exemple pour permettre de décaler le générateur de faisceau d'électrons 1 vers un côté au- dessus du creuset 6 de l'évaporateur (figure 2). Cette disposition sert à éviter une pénétration de vapeur éven- tuelle dans le tube de guidage du faisceau 2. Il s'agit ici d'une déviation permanente du faisceau qui est fixée à l'avance et qui n'a aucune relation avec la déviation dynamique du faisceau (le balayage) qu'il s'agit de com- mander dans le cas considéré. Au-dessous de l'ouverture de sortie du faisceau 3, est agencé un premier dispositif de déviation magnéti- que 7 comprenant deux plaques polaires parallèles et al- longées 8 dont seule la plaque extrême avant est visible sur la figure 1. Les deux plaques polaires s'étendent pa- rallèlement au plan du dessin de la figure 1 et à des distances symétriques du faisceau d'électrons déjà dévié par les pièces polaires 5. L'angle de déviation dont le faisceau d'électrons peut être dévié au moyen du pre- mier dispositif de déviation 7 est indiqué par les li- gnes interrompues 9. Encore au-dessous du premier dispositif de dé- viation 7, se trouve le deuxième dispositif de déviation magnétique 10, qui comprend deux noyaux de bobines 11 non visibles sur la figure 1, lesquels s'étendent paral- lèlement aux plaque polaires 8 et sont disposés symétri- quement par rapport à un plan médian qui est également le plan de symétrie situé entre les deux plaques polai- res 8. Sur la figure 1, on ne voit que le boîtier avant 12 du deuxième dispositif de déviation magnétique 10. Pour les. autres détails, on se reportera aux figures 5 et 6. Sur la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure. 1 sont désignés par les mêmes signes de ré- férence. On peut y reconnattre que les deux plaques po- laires 8 s'étendent parallèlement entre elles et perpen- diculairement au plan du dessin et sont disposées symé- triquement de part et d'autre d'un trajet de faisceau central qui est indiqué ici par la ligne en traits mix- tes gras 13. On peut également reconnaître que les bot- tiers 12 du deuxième dispositif de déviation magnétique s'étendent également perpendiculairement au plan du dessin, plus précisément, que leurs axes longitudinaux et, par conséquent, les axes longitudinaux des noyaux des bobines s'étendent parallèlement à un plan de symé- trie qui est également le plan de symétrie des plaques polaires 8. La ligne 13 se trouve également dans ce plan de symétrie. A l'extrémité du trajet du faisceau, se trouve le creuset d'évaporateur 6 de forme allongée dont le grand axe s'étend également perpendiculairement au plan du dessin. Le plan de symétrie E-E de l'évaporateur est indiqué par une ligne en traits mixtes maigres. La construction du premier dispositif de dévia- tion magnétique est exposée avec plus de précision en re- gard des figures 3 et 4. - Les plaques polaires 8 possèdent chacune une en- veloppe 14 à double paroi à travers laquelle on peut fai- re circuler un liquide de refroidissement (de l'eau) au moyen de deux raccords 16. La surface externe de chaque enveloppe correspond à un parallélépipède aplati; les deux enveloppes 14 sont reliées à un bottier 15. Dans les enveloppes 14 ainsi que dans le bottier 15 se trou- vent trois plaques -en ferrite 17 ou 18 respectivement, qui sont assemblées en un "U". La plaque 18 forme la cu- lasse des plaques polaires, sur laquelle est montée une bobine magnétique 19 en deux parties. Si la bobine magnétique 19 est alimentée en cou- rant alternatif, on obtient entre les plaques polaires 8 un champ magnétique alternatif d'une fréquence correspon- dante. Sous cet effet, le faisceau d'électrons subit une déviation parallèlement aux plaques polaires. Le trajet du faisceau est indiqué par la ligne tiretée 20 qui, dans le cas idéal, se trouve dans le plan de symétrie en- tre les plaques polaires. La position centrale du fais- ceau d'électrons est indiquée par un cercle 21. L'amenée du courant d'aimantation s'effectue par une connexion à broches multiples 22 qui, toutefois, est d'une 'constitu- tion traditionnelle et ne sera donc pas décrite avec plus de précision. Les deux enveloppes à double paroi 14 sont composée d'une matière amagnétique (acier au chrome nickel) pour laisser les lignes de force des champs ma- gnétiques les traverser sans obstacle. Sur les figures 5 et 6, on a représenté une moi- tié du deuxième dispositif de déviation 10. Les éléments de ce deuxième dispositif de déviation, qui seront dé- crits avec plus de précision dans la suite, sont logés dans le bottier cylindrique creux 12 mentionné plus haut qui est également d'une constitution à double paroi pour permettre d'y faire circuler un liquide de refroidisse- ment. Les raccords 23 ne sont pas représentés sur la fi- gure 6. L'enveloppe à double paroi du bottier 12 est fer- mée de façon permanente à son extrémité libre par une plaque 24 tandis qu'une bride annulaire 25 montée à son autre extrémité est assemblée par des vis à un couvercle amovible 26. Entre la plaque 24 et le couvercle 26 s'é- tend le noyau de bobine 11, fixé par une liaison par sa- reté de forme et sur lequel est montée une première bobi- ne 27 possédant un nombre constant de spires par unité de longueur du noyau de bobine 11. CettiEbobine est indi- quée par des croix en diagonale pour la clarté du des- sin. La bobine correspondante peut être qualifiée de bo- bine linéaire ou de bobine cylindrique. Les boîtiers 12 sont fermés hermétiquement sur le côté intérieur et le côté extérieur, c'est-à-dire que tout passage de gaz, eau ou vapeur d'eau ou d'autres liquides est évité. Sur cette première bobine 27 est montée une deuxième bobine 28 qui présente un nombre croissant de spires par unité de longueur du noyau de la bobine de- puis le milieu de la première bobine vers les extrémités des deux côtés du noyau de bobine 11. Dans le cas le plus simple, la deuxième bobine 28 est composée de deux demi-bobines qui sont constituées par des bobines coni- ques, c'est-à-dire que la surface enveloppe des spires extrêmes extérieures de cette bobine est une surface co- nique dans chacune des deux demi-bobines. Le noyau de bobine 11 est composé d'une matière isolante présentant la forme d'une barre ou d'un tube et qui comprend des insertions de tissu ou de papier. On peut se procurer une matière de ce genre dans le commer- ce sous la désignation de "Pertinax". Il est important que la combinaison de bobines ne possède pas de noyau ferreux, afin d'obtenir une fréquence limite aussi éle- vée que possible. L'ensemble de bobines selon l'inven- tion produit sur toute sa longueur dans la région de pas- sage du faisceau d'électrons et selon l'alimentation avec des courants excitateurs donnés, un champ magnéti- que dispersé exactement déterminé parallèle à l'axe du cylindre, et dont les possibilités de variation et les effets seront exposés avec plus de détail dans la suite. Aussi: bien les extrémités de la première bobine 27 que les extrémités intérieures et extérieures des deux demi- bobines de la deuxième bobine 24 aboutissent à une con- nexion à broches multiples 29 qui, toutefois, fait par- tie de l'état de la technique et n'est donc pas décrite - plus complètement. Il convient de remarquer que l'axe longitudinal du noyau de bobine 11 est disposé excentriquement à l'axe A-A du bottier 12. Lors du montage des deux moi- tiés du deuxième dispositif de déviation 10 qui coopé- rent entre elles, on procède de telle manière que les deux noyaux de bobines 11 situés de part et d'autre du trajet des faisceaux soient placés face-à-face et aussi près que possible l'un de l'autre. La distance d'écarte- ment des génératrices des bottiers 12 qui sont les plus proches est déterminée par le mouvement et le diamètre du faisceau. Sur les figures 7 à 14, on a représenté par une vue de dessus le creuset d'évaporateur 6 de forme allon- gée dans lequel se trouve le produit à évaporer, qui est en général à l'état fondu, et qu'il s'agit de chauffer et d'évaporer au moyen du faisceau d'électrons. Sur la figure 7, on a indiqué par la double flè- che qui y est tracée une figure de balayage telle que celle qu'on cherche à obtenir dans le cas des canons à électrons. Pour obtenir une telle figure de balayage, on alimente la bobine magnétique 19 (figures 3/4) avec une tension alternative d'une fréquence appropriée. Le point d'impact (la tache focale) du faisceau d'électrons sur le produit à évaporer se déplace ici le long d'une ligne droite, dans le plan de symétrie de l'évaporateur, qui s'étend perpendiculairement au plan du dessin. La figure 8 montre, au moyen de la double flè- che centrale continue, la même figure de balayage que sur la figure 1. Si les deux premières bobines 27 (bobi- nes linéaires) sont alimentées par une tension continue, on peut obtenir, selon le sens du courant, une transla- tion parallèle de la figure de balayage selon l'une des doubles flèches tiretées. L'amplitude de la translation parallèle dépend ici de l'intensité du courant excita- teur. La figure 9 montre ce qui se produit avec la figure de balayage selon la figure 7 lorsque les premiè- res bobines 27 (bobines linéaires) sont alimentées par une tension alternative dont la fréquence est plus gran- * de que la fréquence de déviation pour le mouvement du faisceau dans la direction longitudinale du creuset 6 de l'évaporateur. La figure de balayage correspond mainte- nant à la ligne sinusoïdale tiretée. Un tel mode de dé- viation peut également être qualifié de "modulation". La figure 10 montre ce qui se produit avec la figure de balayage initiale selon la figure 7 lorsque les moitiés des deux bobines 28 qui sont disposées par paires l'une à côté de l'autre sont parcourues par un courant continu en sens inverse des autres moitiés juxta- posées de la deuxième bobine 28 qui sont disposées l'une à côté de l'autre par paires. La figure de balayage ini- tialement linéaire reste linéaire mais elle est tournée d'un certain angle autour du centre M du creuset 6 de l'évaporateur. Une telle disposition peut être rationnel- le, par exemple, lorsque la figure de balayage s'étend initialement dans une direction non parallèle à un bord longitudinal du creuset 6 de l'évaporateur mais doit être ramenée dans une direction parallèle en vue d'obte- nir une évaporation optimale. Sur la figure 11, on a représenté ce qui se pro- duit avec la figure de balayage rectiligne initiale se- lon la figure 7 lorsque les moitiés des deuxièmes bobi- nes qui sont l'une à côté de l'autre par paires et les autres moitiés de ces bobines qui sont également dispo- sées l'une à côté de l'autre par paires sont parcourues dans le même sens par un courant continu. Avec une telle disposition, la figure de balayage est coudée au milieu M du creuset 6 de l'évaporateur dans la direction longi- tudinale. On peut adopter une telle disposition, par exemple, lorsque la figure de balayage ne présente pas une allure linéaire telle que celle représentée sur la figure 7 mais est déformée. Avec une commutation et une alimentation appropriées.des deux bobines 28, on peut ob- tenir une correction correspondante. Les conditions peuvent encore être influencées par un mode de bobinage correspondant des deuxièmes bobi- nes 28. La figure 12 montre un cas dans lequel la figure de balayage initial possède une allure incurvée (double flèche continue). Grâce à une alimentation correspondan- te!des deuxièmes bobines analogues. à celles utilisées sur la figure 11, en combinaison avec une répartition correspondante de la densité de bobinage par unité de longueur des noyaux des bobines, on peut obtenir une li- néarisation de la figure de balayage, comme ceci est re- présenté sur la figure 12 par la ligne interrompue. De - cette façon, on peut réaliser une correction totale. Les possibilités d'action sur la figure de ba- layage qui ont été décrites plus haut peuvent être appli- quées aussi bien isolément qu'en combinaison, c'est-à- dire que, par la superposition des différentes figures de balayage, on peut produire sur la surface du produit à évaporer pratiquement n'importe quelle figure de ba- layage. En combinaison avec une excitation de la bobine magnétique 19 au moyen d'un microprocesseur, on peut éga- lement produire une juxtaposition de zones d'impact punc- tiformes du faisceau d'électrons selon la figure 13 et déterminer jusqu'à 32 ou même 64 points d'impact diffé- rents sur la surface du produit à évaporer. Avec une su- perposition appropriée de champs magnétiques engendrés par les premières bobines 27 et les deuxièmes. bobines 28, on peut procèder à nouveau à différentes influences ou corrections en ce qui concerne la position des points élémentaires. Les positions aussi bien que les temps d'arrêt du faisceau d'électrons dans les différentes po- sitions peuvent être programmés de façon pratiquement ar- bitraire. De cette façon, on peut également programmer une répartition d'énergie définie avec laquelle on agit sur l'uniformité de l'épaisseur des couches. La figure 14 illustre une possibilité de ce. gen- re. Ici, les bobines magnétiques 19 du premier disposi- tif de déviation 17 et la première bobine 27 du deuxième dispositif de déviation 10 peuvent être excitées de fa- çon synchrone. De cette façon, il est possible de fixer la position du point d'impact du faisceau d'électrons dans deux dimensions. On peut obtenir de cette façon n'importe quelle configuration de position possible et on peut réaliser sans difficulté une correction ponctuel- le d'une position de faisceau initialement déformée com- me celle indiquée sur la figure 14. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non li- mitatif sans sortir du cadre de l'invention. R EV E N D IC AT I 0 N S 1 - Evaporateur à faisceau d'électrons compre- nant un générateur de faisceau d'électrons (1), un pre- mier dispositif de déviation magnétique (7) comprenant des plaques polaires parallèles de forme allongée (8), servant à assurer la déviation linéaire du faisceau le long d'une première coordonnée et un deuxième dispositif de déviation magnétique (10), prévu pour la déviation du faisceau le long d'une deuxième coordonnée qui est per- pendiculaire à la première coordonnée, ainsi qu'un creu- set d'évaporateur de forme allongée destiné à recevoir la matière à évaporer, caractérisé en ce que: a) le deuxième dispositif de déviation magnétique (10) com- prend deux noyaux de bobines parallèles non métalliques (11) qui s'étendent parallèlement aux plaques polaires (8) du premier dispositif de déviation (7) et sont dispo- sées au-dessous de celui-ci; b) sur chaque noyau de bo- bine (11) sont montées une première bobine (27) possé- dant un nombre constant de spires par unité de longueur du noyau de bobine et c) une deuxième bobine (28) possé- dant un nombre de spires par unité de longueur du noyau de bobine qui croit vers les deux extrémités du noyau de bobine (11). 2 - Evaporateur à faisceau d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deuxièmes bo- bines (28) sont constituées par des bobines coniques. 3 - Evaporateur à faisceau d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines (27, 28) du deuxième dispositif de déviation (10) sont mon- tées dans des boîtiers fermés à double paroi (12) qui s'étendent de part et d'autre du trajet du faisceau. 4 - Evaporateur à faisceau d'électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bottiers (12) sont de configuration cylindrique et en ce que leurs axes (A-A) s'étendent parallèlement aux plaques polaires (8) du premier dispositif de déviation (7). - Evaporateur à faisceau d'électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que les noyaux de bo- bines (11) sont fixés excentriquement dans les boîtiers (12).