BR112016023061B1 - Processo e dispositivo para gerar um plasma excitado por uma energia de micro-ondas no campo da ressonância ciclotrônica de elétrons (rce), para realizar um tratamento de superfície ou revestimento em torno de um elemento filiforme - Google Patents

Abstract

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA GERAR UM PLASMA EXCITADO POR UMA ENERGIA DE MICRO - ONDAS NO CAMPO DA RESSONÂNCIA CICLOTRÔNICA DE ELÉTRONS ( RCE ), PARA REALIZAR UM TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE OU REVESTIMENTO EM TORNO DE UM ELEMENTO FILIFORME. De acordo com o processo: desloca - se linearmente continuamente o elemento filiforme através de dipolos magnéticos, dispostos em posição oposta um ao outro e em torno de um tubo que constitui uma câmara de tratamento, e introduz - se a energia de micro - ondas entre, pelo menos, dois dipolos magnéticos.

Description

[0001] A invenção refere-se ao sector técnico da produção de plasma por ressonância ciclotrônica de elétrons (RCE) a partir de um meio gasoso.

[0002] Mais particularmente, a invenção é relacionada ao tratamento de superfície por plasma sob vácuo de quaisquer tipos de elementos filiformes, tais como fios, tubos, fibras e de forma mais geral, de qualquer outro produto cujo comprimento é significativo em comparação com o diâmetro. O elemento filiforme sendo continuamente conduzido linearmente.

[0003] Por tratamento de superfície por plasma sob vácuo entende-se limpeza, decapagem, ativação enxerto de funções ou revestimento da superfície, por exemplo, por PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition - deposição química na fase vapor assistida por plasma) do elemento filiforme.

[0004] São conhecidas muitas soluções técnicas para produção de aplicadores de micro-ondas para o tratamento de diferentes tipos de peças. Pode-se citar como exemplo, apenas para indicação e sem fins de limitação, o ensinamento da patente EP 1075168, que se refere a um processo e um dispositivo para produzir plasmas elementares com o objetivo de criar um plasma uniforme para uma superfície de utilização. Pode-se também citar o ensinamento da patente FR 2 922 358 que diz respeito a um processo de tratamento de superfície de pelo menos uma peça por meio de fontes de plasma elementares por ressonância ciclotrônica de elétrons. As diferentes soluções resultantes destas patentes são particularmente adequadas para o tratamento de grandes superfícies ou de lotes de peças colocadas lado a lado e, geralmente, com múltiplas faces a serem tratadas.

[0005] De acordo com o estado da técnica precedente, utilizando um aplicador de micro-ondas com peça de extremidade magnética, verifica-se que o plasma é gerado no final de cada ímã criando uma zona densa de plasma. Sabe-se também que, a fim de gerar um plasma de micro-ondas à baixa pressão, o efeito de ressonância ciclotrônica de elétrons é utilizado. A probabilidade de choques de alta velocidade é aumentada consideravelmente o que cria um plasma denso na zona de RCE. Assim, para uma frequência de 2,45 GHz, a zona de RCE se encontra no nível as linhas do campo magnético em 875 Gauss (G). Esta zona em 875 Gauss (G) se encontra em torno do ímã.

[0006] Esta tecnologia do aplicador de plasma não é adequada para o tratamento contínuo de um fio (ou outro elemento filiforme) requerendo vários aplicadores colocados radialmente e repetidos várias vezes ao longo do eixo de deslocamento do fio a ser tratado para se obter uma velocidade de deslocamento.

[0007] De fato, estando o volume de plasma localizado pontualmente na extremidade dos aplicadores, é necessário utilizar vários aplicadores em torno de todo o fio (ou outro elemento filiforme) para garantir uma deposição uniforme com simetria radial. Essa configuração exige uma câmara de deposição de grande porte que consome grandes quantidades de gás e energia. A multiplicação dos aplicadores e a falta de compactidade tornam este sistema caro de se construir.

[0008] Assim, parece que a justaposição de fontes convencionais RCE não permite a obtenção de uma configuração de plasma favorável para a deposição sobre um elemento filiforme.

[0009] Para o tratamento de fios sob vácuo, de acordo com o estado da técnica, foram propostos tratamentos de tipo PVD (physical vapor deposition - deposição física em fase vapor) como é evidente, por exemplo, a partir dos ensinamentos dos documentos WO 2005/095078, WO 2006/002673, FR 2667616 e EP 1231292, EP 1277874.

[0010] É também conhecida a patente US 6,638,569 de acordo com a qual uma câmara de vácuo convencional é utilizada e o fio é submetido a vários movimentos de vai e volta na referida câmara a fim de expor o máximo da superfície do fio ao plasma. Esta solução é pouca eficaz, já que a superfície do fio é insignificante em relação ao tamanho da câmara, e resulta em relativa complexidade a implementação de sistemas de recuperação que funcionem sob vácuo.

[0011] A partir deste estado da técnica, o objetivo visado é ser capaz de realizar um tratamento de superfície por plasma sob vácuo, tal como anteriormente descrito, em qualquer tipo de elemento filiforme. De acordo com os ensinamentos da patente US 5,595,793, um revestimento é depositado por PECVD, por exemplo, um revestimento de carbono, em uma fibra por meio de um micro-ondas de plasma de superfície para gerar o plasma. No entanto, esta solução é muito limitada na aplicação dado que apenas pode operar em dielétricos e somente para realizar deposições de isolamento elétrico. Em outras palavras, fibras condutoras não podem ser revestidas. Além disso, a frequência do gerador deve ser adaptada para a constante dielétrica de cada material que constitui a fibra. Assim, o processo não é facilmente transferível ao se passar de um material para outro. Finalmente, o processo é difícil de controlar porque, à medida que a deposição é executada, a constante dielétrica do material muda. Esta mudança tem um efeito retroativo no acoplamento da onda de superfície com o plasma.

[0012] Por conseguinte, é evidente a partir desta análise do estado da técnica que a geração de plasma utilizando os aplicadores não é adequada para o tratamento contínuo de elementos filiformes, o volume da câmara sendo superdimensionado em relação ao tamanho do elemento, o gás precursor e a energia necessária sendo significativos enquanto que o plasma não é gerado perto do fio a ser revestido. Também é evidente que as técnicas de plasma de micro-ondas alternativas baseadas em ondas de superfície são limitadas em suas aplicações e difíceis de implementar.

[0013] A invenção tem como objetivo remediar estes inconvenientes de uma maneira segura, eficaz e racional.

[0014] O problema que a invenção se propõe a solucionar é permitir a geração de um plasma linear confinado ao redor de qualquer tipo de elemento filiforme como definido, a fim de minimizar o volume da câmara e, por conseguinte, o investimento no consumo de gás precursor e de energia necessária com o objetivo de gerar plasma com simetria radial, a fim de garantir a homogeneidade do tratamento sobre a peça, em particular por PECVD.

[0015] A fim de solucionar tal problema, foi concebido e desenvolvido um processo para realizar um tratamento de superfície ou um revestimento sob vácuo usando um plasma excitado por uma energia de micro-ondas no campo da ressonância ciclotrônica de elétrons (RCE) em torno de um elemento filiforme segundo o qual, - desloca-se linearmente continuamente o elemento filiforme através de dipolos magnéticos, dispostos em posição oposta um ao outro e em torno de um tubo que constitui uma câmara de tratamento, - introduz-se a energia de micro-ondas entre pelo menos dois dipolos magnéticos.

[0016] A invenção também se refere a um dispositivo para gerar um tratamento sob vácuo por plasma sobre um elemento filiforme continuamente conduzido linearmente e que compreende meios de produção de uma energia de micro-ondas no campo da ressonância ciclotrônica caracterizado pelo fato de que ele compreende pelo menos um módulo composto por dois dipolos magnéticos dispostos opostos um ao outro e montados de preferência em torno de um tubo que constitui uma câmara de tratamento e através da qual o elemento filiforme a ser tratado é deslocado linearmente, um aplicador de micro-ondas sendo montado entre os dois dipolos.

[0017] Resulta a partir destas características que o tamanho do dispositivo (reator) é reduzido, reduzindo consequentemente os investimentos, permitindo uma diminuição do consumo de gás. Observa-se também que o plasma mais denso se encontra sobre o fio e não mais na proximidade dele quanto como se verifica nas soluções relevantes do estado da técnica, permitindo assim um aumento da velocidade de deposição. Estas características permitem também obter uma deposição homogênea sobre o fio tendo em vista a simetria radial das linhas do campo magnético. Deve-se observar também, no que se refere a um tratamento de plasma, a fim de realizar uma deposição química, que se obtém uma melhor utilização do monômero e uma incrustação mais lenta das paredes do reator.

[0018] De acordo com outras características: - os dipolos magnéticos são ímãs anulares; estes ímãs anulares podem ser ímãs permanentes, sejam bobinas eletromagnéticas ou quaisquer outros meios que permitam criar um campo magnético - o aplicador de micro-ondas é disposto perpendicularmente ao eixo central do tubo, o tubo constitui um T, cujo ramo mediano recebe o aplicador de micro-ondas enquanto que os outros dois ramos recebem os ímãs em ambos os lados do referido ramo mediano.

[0019] O dimensionamento dos ímãs anulares deve ser tal que o campo magnético no centro do sistema entre dois ímãs deve ser igual ao campo magnético na ressonância ciclotrônica de elétrons.

[0020] Por exemplo, se os ímãs anulares são bobinas de raio R, compreendendo n espiras percorridas por uma corrente de a distância D que separa estas duas bobinas deve ser tal que:

em que m é a massa de elétrons, E sua carga e a a pulsação da onda micro-onda.

[0021] A equação de Biot e Savart pode ser reconhecida no termo do lado direito desta equação.

[0022] Em uma concretização, o dispositivo inclui vários módulos montados em série em alinhamento linear e ligados entre si por um anel de vedação. Cada anel atua seja como uma zona de bombeamento por estar ligado a um coletor de bombeamento de gás, seja como uma zona de injeção de gás por estar ligado a dispositivos de fornecimento de gás.

[0023] Deve-se observar que o elemento filiforme pode ser eletricamente polarizado, a fim de permitir o bombardeamento pelos íons do plasma. Quando o elemento filiforme está polarizado, pode-se realizar uma implantação iônica de um gás sobre o referido elemento.

[0024] A invenção é definida a seguir em maiores detalhes com a ajuda das figuras anexas nas quais: - a figura 1 mostra um diagrama do princípio de um reator de acordo com o estado da técnica anterior para gerar uma deposição sobre um fio a ser revestido; - a figura 2 é uma vista correspondente à figura 1, mostrando o princípio do dispositivo de acordo com a invenção; - a figura 3 é uma vista em perspectiva de um módulo básico do dispositivo de acordo com a invenção; - a figura 4 é uma vista em perspectiva que mostra a montagem de vários módulos do dispositivo para aumentar a velocidade de tratamento, - a figura 5 é uma curva das análises FTIR mostrando de modo bem clássico que a deposição é tão mais próxima do SiO2 quanto mais elevada é a razão O2/HMDSO.

[0025] Tal como indicado, a invenção encontra uma aplicação particularmente vantajosa para gerar um plasma tendo em vista o tratamento de superfície de qualquer tipo de elemento filiforme, incluindo um condutor, do tipo fios, fibras, tubos, luvas etc. e de maneira mais geral qualquer elemento (F) que apresente um comprimento significativo em relação seu diâmetro. O objetivo buscado de acordo com a invenção é tratar continuamente o elemento (F) em “passagem”, em outras palavras, pela condução linear do fio.

[0026] De acordo com a invenção, o dispositivo ou reator compreende, pelo menos, um módulo composto por dois dipolos magnéticos (1) e (2), em posição oposta e, de preferência, montados em torno de um tubo (3), constituindo uma câmara de tratamento. Cada dipolo magnético (1) e (2) é, por exemplo, constituído por um ímã anelar disposto concentricamente em relação ao tubo (3). Esta montagem facilita, em particular, o arrefecimento dos ímãs. De fato, ao contrário dos aplicadores RCE descritos no estado da técnica, os ímãs não estão sob vácuo. O elemento (F) é acoplado coaxialmente com o tubo (3) e continuamente linearmente deslocado por quaisquer meios conhecidos e adequados. Um aplicador de micro-ondas (4), de qualquer tipo conhecido e apropriado, é montado entre os dois ímãs (1) e (2). O aplicador de micro-ondas (4) está disposto perpendicularmente ao eixo central do tubo (3). De preferência, as polaridades frente a frente são opostas de modo a que as linhas de campo sejam paralelas em relação ao elemento F. Faz-se referência à figura 2 que mostra que o plasma ao nível da zona RCE se encontra sobre o fio. Observa- se também uma simetria radial das linhas de campo magnético (C) que permite realizar uma deposição homogênea sobre o elemento (F).

[0027] Em uma concretização, o tubo (3) constitui um T, cujo ramo mediano (3a) recebe o aplicador de micro-ondas (4), em particular, sua guia coaxial (4a). Os outros dois ramos (3b) e (3c) do T recebem os ímãs (1) e (2) em ambos os lados do ramo mediano (3a).

[0028] A partir desta concepção básica do dispositivo, é possível a montagem em série e em alinhamento linear de vários módulos como se mostra na figura (4). Nesta configuração, a ligação entre os módulos é garantida por um anel de vedação (5), que também atua como uma zona de bombeamento estando ligado a um conector (6) de bombeamento de gás. Nesta configuração, os gases geradores de plasma e eventualmente reativos são, de preferência, injetados em oposição aos aplicadores de micro-ondas (injeção não mostrada na figura). Uma configuração alternativa à representada consiste no fato de os anéis de vedação, alternativamente, atuarem como zona de bombeamento de gás e como zona de injeção de gás.

[0029] O bombeamento é distribuído entre o centro do reator e extremidades direita e esquerda deste último. O elemento filiforme (F) é linearmente introduzido dentro da câmara de tratamento que resulta do tubo feito por um alinhamento linear e a montagem em série dos diferentes ramos (3b), (3c) dos tubos e dos anéis (5). Para aumentar a velocidade de deslocamento do elemento filiforme (F), basta multiplicar o número de módulos.

[0030] Deve-se observar que é possível injetar, em cada módulo, um precursor adaptado e laminar os circuitos de bombeamento para ajustar as pressões de trabalho de cada módulo.

[0031] Foram realizados testes com ímãs em samário cobalto (Sm2Co17), sem por isso excluir de qualquer outro material para gerar um campo magnético de 875 G, como neodímio ferro boro.

[0032] Estes testes foram realizados de acordo com duas configurações.

Primeira configuração:

[0033] Os ímãs têm as seguintes dimensões: - diâmetro interno 20 mm, - diâmetro externo 28 mm, - espessura 20 mm, polarização em função da espessura, - distância entre os ímãs 31,5 mm - polaridades opostas entre os ímãs.

Segunda configuração:

[0034] Os ímãs têm as seguintes dimensões: - diâmetro interno 33,8 mm - diâmetro externo 50 mm, - espessura 25 mm, polarização em função da espessura, - distância entre os ímãs 46 mm - características do tubo servindo como câmara de tratamento: DN25, ou seja, 33,7 mm de diâmetro externo - polaridades opostas entre os ímãs.

[0035] Nestas duas configurações:

[0036] - As micro-ondas são injetadas no meio do espaço entre os dois ímãs. A profundidade de penetração do injetor de micro-ondas deve ser otimizada para facilitar a partida e o funcionamento do plasma.

[0037] - Os ímãs estão à pressão atmosférica. Os ímãs são arrefecidos por contato com um invólucro exterior em que circula um fluido, por exemplo, água. As zonas de bombeamento de gás e zonas de injeção de gás foram alternadas.

[0038] - Os ímãs são mantidas no sistema por três parafusos de pressão para evitar que sejam atraídos.

[0039] As vantagens são bem evidentes a partir da descrição, em especial, destaca-se e recorda-se o seguinte: - a geração de um plasma linear confinado ao redor do elemento a ser tratado, a fim de minimizar o volume da câmara e, como consequência, minimizar os investimentos e consumo de gás precursor e de energia, a geração de um plasma com simetria radial, a fim de garantir a homogeneidade da deposição sobre o elemento a ser tratado, a possibilidade de tratar todos os tipos de elementos filiformes, incluindo condutores do tipo fios, tubos, fibras e de forma mais geral todos os produtos cujo comprimento é significativo em comparação com o diâmetro.

[0040] A título de exemplo, são descritos abaixo testes de deposição SiOx por PECVD ECR em um reator de acordo com a segunda configuração.

[0041] Primeiro processo de PECVD - Vazão de TMS (tetrametilsilano): 5 sccm [“standard cubic centimeters per minute”; cm3/min em condições padrão] - Vazão de O2 (oxigênio): 18 sccm - Pressão: 1,3’10-2 mbar - Potência de injeção das micro-ondas: 100 W

[0042] Com esta razão O2/TMS de 3,6 a velocidade de deposição constatada entre os dois ímãs no meio da câmara é de 250 nm/min.

[0043] A velocidade de deposição é medida em uma placa de silício colocada no centro do reator.

[0044] Segundo processo de PECVD - Pressão: 1’10-2 mbar - Potência de injeção das micro-ondas: 50 W Utilização de uma mistura de O2/HMDSO

Claims (12)

1. Processo para gerar um plasma excitado por uma energia de micro-ondas no campo da ressonância ciclotrônica de elétrons (RCE), para realizar um tratamento de superfície ou revestimento em torno de um elemento filiforme (F), caracterizado por: - dispor pelo menos dois ímãs anulares (1, 2), cada um constituindo um dipolo magnético, à pressão atmosférica, opostos um ao outro e em torno de um tubo (3) constituindo uma câmara de tratamento, - deslocar linear e continuamente o elemento filiforme (F) através dos pelo menos dois ímãs anulares (1, 2) e através do tubo (3) formando a câmara de tratamento, - introduzir a energia de micro-ondas entre os pelo menos dois ímãs anulares (1, 2) por meio de um aplicador de micro-ondas (4) montado entre os pelo menos dois ímãs anulares (1, 2), - gerar um plasma linear confinado em torno do elemento filiforme (F) na câmara de tratamento.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tratamento de superfície é uma limpeza, uma decapagem, uma funcionalização ou um enxerto.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento é obtido por PECVD (deposição química na fase vapor assistida por plasma).

4. Dispositivo para gerar um plasma em torno de um elemento filiforme (F) continuamente conduzido linearmente e que compreende meios de produção de uma energia de micro-ondas no campo da ressonância ciclotrônica (RCE), e um aplicador de microondas (4), caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende ainda um tubo (3) constituindo uma câmara de tratamento, pelo menos um módulo composto por dois ímãs anulares (1, 2), cada um constituindo um dipolo magnético, dispostos à pressão atmosférica, dispostos opostos um ao outro e montados em torno do tubo (3) e os dois ímãs anulares (1, 2) são configurados de modo que o elemento filiforme (F) a ser tratado é deslocado linearmente através dos dois ímãs anulares (1, 2) e através do tubo (3) constituindo a câmara de tratamento, e um aplicador de micro-ondas (4) sendo montado entre os dois ímãs anulares (1, 2) para introduzir energia de micro-ondas entre os dois ímãs anulares (1, 2), gerando, assim, quando o dispositivo está em uso, um plasma linear confinado ao redor do elemento filiforme (F) na câmara de tratamento.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os ímãs anulares são ímãs permanentes.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os ímãs anulares são bobinas eletromagnéticas.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o aplicador de micro-ondas (4) está disposto perpendicularmente a um eixo central do tubo (3).

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o tubo (3) constitui um T que possui um ramo mediano (3a) recebendo o aplicador de micro-ondas enquanto que os outros dois ramos (3b, 3c) recebem os ímãs anulares (1, 2) de cada lado do referido ramo mediano (3a).

9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 8, caracterizado por compreender vários módulos montados em série e em alinhamento linear e ligados entre si por um anel de vedação (5).

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada anel de vedação (5) é conectado a um conector de bombeamento de gás, de modo que cada anel de vedação atua como uma zona de bombeamento quando o dispositivo está em uso.

11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os anéis de vedação (5) atuam alternadamente como uma zona de bombeamento de gás e como uma zona de injeção de gás quando o dispositivo está em uso.

12. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 11, caracterizado pelo fato de que o elemento filiforme (F) é polarizado eletricamente a fim de permitir um bombardeamento pelos íons do plasma.

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