ES2346902T3 - Aparato y metodo para revestir un sustrato. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para revestir un substrato usando deposición física de vapor, que comprende una cámara de vacío en la que se coloca una bobina (1) para mantener una cantidad de material conductor en levitación y para calentar y evaporar ese material, usando una corriente eléctrica variable en la bobina (1), en el que se colocan medios en la bobina para aislar la bobina (1) del material levitado, y en el que los medios de aislamiento son parte de un recipiente (2) hecho de material no conductor, teniendo el recipiente (2) por lo menos una abertura (5) para guiar el material conductor evaporado hacia el substrato que se va a revestir, caracterizado porque el recipiente (2) ha sido provisto de medios (8) de calentamiento para calentar el recipiente (2).
Description
Aparato y método para revestir un sustrato.
La presente invención se refiere a un aparato
para revestir un substrato usando deposición física de vapor, que
comprende una cámara de vacío en la que se coloca una bobina para
mantener una cantidad de material conductor en levitación y para
calentar y evaporar ese material, usando una corriente eléctrica
variable en la bobina, y en el que se colocan medios en la bobina
para aislar la bobina del material levitado. La invención se refiere
también a un método para revestir un substrato usando deposición
física de vapor.
La levitación y evaporación de material
conductor es conocida del documento WO 03/071000A1. Aquí se describe
una tecnología para revestir un substrato con una capa del material
conductor que se condensa desde la fase vapor sobre el substrato en
una cámara de vacío. Una cantidad de material conductor se mantiene
flotando por encima de una bobina a la que se alimenta una
corriente eléctrica variable. Debido a esta corriente, se genera un
campo electromagnético alterno en la bobina. El campo
electromagnético ejerce una fuerza dirigida hacia arriba sobre el
material conductor. La corriente eléctrica también proporciona
energía eléctrica para calentar el material conductor levitado, de
tal modo que se funde y finalmente se evapora; sin embargo, algunos
materiales conductores no se funden sino que se subliman. Entre la
bobina y el material levitado están presentes medios de aislamiento
eléctrico, tales como un tubo o conducto para prevenir el arco entre
los enrollamientos de la bobina y para prevenir la contaminación de
la bobina y la cámara de vacío. El vapor producido se desprende a
través de un extremo del conducto y se usa para revestir
substratos.
El aparato anterior tiene el inconveniente de
que es difícil de controlar la capa de revestimiento sobre el
substrato. Especialmente cuando el aparato se usa para revestir
continuamente una banda que pasa a través de la cámara de vacío, es
difícil producir un revestimiento que tenga un grosor y composición
uniformes en toda la anchura de la banda.
Para superar este inconveniente el documento WO
02/06558 A1 proporciona una cámara de vacío en la que se puede
transportar una banda, y se puede transportar un vapor a la banda
por medio de un conducto que tiene una o más restricciones, de tal
modo que el vapor se deposita en condiciones críticas. Este
documento da un procedimiento para depositar dos vapores a la vez,
pero el procedimiento se puede usar también para un solo vapor. De
este modo se puede aplicar un revestimiento uniforme sobre la banda
cuando se usan varias aberturas en la restricción, y el conducto es
suficientemente ancho.
Sin embargo, un inconveniente de los
revestimientos aplicados usando este método es que la adhesión del
revestimiento al substrato no es óptima. Otro inconveniente es que
la densidad del revestimiento no es óptima. Esto hace necesario
aplicar al substrato revestido una etapa de procesado adicional, tal
como apisonamiento de la banda.
Es un objetivo de la invención proporcionar un
aparato y un método para revestir un substrato usando deposición
física de vapor con el que se puede producir un revestimiento
mejorado sobre el substrato.
El documento JP7252639 describe un aparato y
método para revestir un substrato por deposición física de vapor
que comprende una cámara de vacío en la que se coloca una bobina de
alta frecuencia para mantener una cantidad de material conductor
calentado y en levitación. Se coloca una conducción de cuarzo en la
bobina para aislar la bobina del material levitado.
El documento JP 08 104981 describe un aparato y
un método de deposición física de vapor por levitación en el que se
genera un plasma fuera del crisol.
Es otro objetivo de la invención proporcionar un
aparato y un método para revestir un substrato usando deposición
física de vapor con la que se puede producir sobre el substrato una
capa de material revestido que tiene una adhesión y densidad
incrementadas.
Uno o más de estos objetivos se consiguen con un
aparato para revestir un substrato usando deposición física de
vapor, que comprende una cámara de vacío en la que se coloca una
bobina para mantener una cantidad de material conductor en
levitación y para calentar y evaporar ese material, usando una
corriente eléctrica variable en la bobina, y en el que se colocan
medios en la bobina para aislar la bobina del material levitado,
siendo los medios de aislamiento parte de un recipiente hecho de
material no conductor, teniendo el recipiente medios de
calentamiento y una o más aberturas para guiar el material conductor
evaporado hacia el substrato que se va a revestir.
Con este aparato es posible contener el material
evaporado de tal modo que, la presión dentro del recipiente es más
alta que la presión en la cámara de vacío fuera del recipiente.
Sorprendentemente, se ha encontrado que la alta presión dentro del
recipiente hace posible generar un plasma en el recipiente, un gas
que consiste en el material evaporado que está parcialmente
ionizado: contiene átomos, iones, radicales y electrones. El plasma
se genera a las frecuencias de la corriente variable como se
menciona en el documento WO 03/07/1000 A1, por ejemplo, una
frecuencia de 50 kHz o más alta, que es mucho más baja que las
frecuencias conocidas para generar un plasma. Parte del plasma se
guía a través de las aberturas, en frente de las cuales se coloca
el substrato que se va a revestir. Debido al hecho de que los iones
están cargados, el revestimiento tiene una mejor adhesión al
substrato y el revestimiento es más denso también. El recipiente
tiene que estar hecho de material no conductor dado que los iones
se volverán átomos cuando entren en contacto con una pared
conductora de la electricidad.
Preferentemente, el recipiente tiene la forma de
un conducto que tiene cierres en ambos extremos, estando presentes
una o más aberturas en un cierre. De este modo se proporciona un
recipiente de tipo simple, con el que el plasma está contenido en
el recipiente y se desprende parcialmente a través de las aberturas
para revestir un substrato durante el uso.
Según una realización preferida, el recipiente
tiene la forma de un conducto con un cierre en un extremo y una
protuberancia en forma de caja en el otro extremo, teniendo la
protuberancia varias aberturas. Esta realización preferida es
especialmente apropiada para revestir una banda, dado que la
protuberancia del tipo de caja puede tener una superficie que tiene
sustancialmente la forma del substrato que se va a revestir, dando
como resultado una distancia uniforme entre la superficie y el
substrato. Esto proporcionará un revestimiento uniforme sobre el
substrato.
Preferentemente, la protuberancia es por lo
menos tan ancha como el substrato que se va a revestir. Esto es
especialmente importante cuando se reviste un material del tipo de
banda, un material que tiene una longitud de por lo menos unos
pocos cientos de metros que se transporta a través de la cámara de
vacío. La banda puede estar hecha de papel, metal, plástico u otro
material. Con la presente realización del recipiente, el material
del tipo de banda se puede revestir sobre su anchura total.
Preferentemente, las aberturas tienen la forma
de un agujero o una rendija. El plasma se puede desprender de este
modo de una manera efectiva.
Según una realización preferida, al recipiente
se le ha provisto de medios de calefacción para calentar el
recipiente. El recipiente se debe calentar, dado que el vapor y el
plasma se condensarían sobre una pared fría.
Preferentemente, al recipiente se le ha provisto
de elementos de calentamiento hechos de material conductor, tales
como hilo de resistencia de molibdeno o tungsteno. De este modo se
proporcionan medios de calentamiento relativamente simples para
calentar el recipiente no conductor de la electricidad.
Según una realización preferida, el recipiente
ha sido producido de material cerámico, tal como nitruro de boro o
nitruro de silicio. El material cerámico es muy apropiado para las
condiciones a las que está sometido el aparato, tales como una alta
temperatura y altos choques y tensiones térmicas. Además, el
material cerámico tiene una alta conductividad térmica.
Según otro aspecto de la invención, se
proporciona un método para revestir un substrato usando deposición
física de vapor, usando una bobina en vacío para mantener una
cantidad de material conductor en levitación y para calentar y
evaporar ese material, en el que está presente una corriente
eléctrica variable en la bobina, y en el que se colocan medios de
aislamiento entre la bobina y el material levitado, siendo parte los
medios de aislamiento de un recipiente hecho de material no
conductor que está calentado, teniendo el recipiente una o más
aberturas para guiar el material conductor evaporado al sustrato que
se va a revestir, en el que el material evaporado forma un plasma
dentro del recipiente, plasma que se desprende a través de las
aberturas en el recipiente para revestir el substrato.
Este método proporciona un plasma en el
recipiente, que tiene las ventajas que se discutieron
anteriormente.
Preferentemente, el recipiente se calienta hasta
una temperatura igual o superior a la temperatura del material
levitado. De este modo el vapor o plasma no se puede condesar sobre
las paredes del recipiente.
Según una realización preferida, el plasma en el
recipiente tiene una presión entre 10^{-1} y 10^{-5} mbar,
preferentemente entre 10^{-2} y 10^{-4} mbar. A una presión por
encima de 10^{-5} mbar, preferentemente por encima de 10^{-4}
mbar se generará un plasma en el recipiente, y este plasma se
mantendrá con tal de que la presión no se vuelva demasiado alta, no
por encima de 10^{-1} mbar, preferentemente no por encima de
10^{-2} mbar Estará claro que la presión depende del tipo de
material conductor que se va a vaporizar, de la temperatura del
material conductor levitado, y del tamaño del recipiente y de las
aberturas en él. Además, estará claro que la presión fuera del
recipiente en la cámara de vacío tiene que ser menor que la presión
del plasma, de modo que el plasma pueda desprenderse a través de las
aberturas en el recipiente. Preferentemente, la presión en la
cámara de vacío es de 10 a 1.000 veces más baja que la presión en el
recipiente, más preferentemente aproximadamente 100 veces más
baja.
Según una reivindicación, el substrato revestido
es una banda que se transporta continuamente con relación al
recipiente. Con el método según la invención es posible proporcionar
una banda que tiene un revestimiento denso bien adherido.
Según una reivindicación preferida, se mantiene
un gradiente de potencial entre el substrato y el recipiente, de
tal modo que los iones se aceleran hacia el substrato. Debido al
gradiente de potencial, los iones tienen una alta energía cinética
cuando inciden sobre la superficie del substrato. Esta alta energía
cinética da como resultado que el ion se adhiera al substrato o al
revestimiento ya sobre el substrato, dando como resultado un
revestimiento adherente muy denso y muy bueno sobre el substrato, o
el rebote del ion sobre la superficie del substrato porque la
energía del ion es demasiado alta. En el último caso, sin embargo,
parte de la energía del ion es absorbida por el revestimiento sobre
el substrato, dando como resultado una compactación adicional del
substrato. La diferencia de potencial entre el substrato y el
recipiente puede ser de 10 a 40 voltios.
La invención se elucidará con referencia al
dibujo adjunto.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente una
realización del aparato según la invención en corte transversal.
La Fig. 2 muestra otro corte transversal
A-A a través del aparato de la Fig. 1.
La Fig. 2 muestra una realización preferida del
aparato según la invención.
En una cámara de vacío (no mostrada) se coloca
una bobina 1. Un recipiente 2 tiene una porción 3 del tipo de
conducto que está colocada en la bobina 1, en el que se produce un
vapor. Esta porción 3 está cerrada en su extremo inferior y en su
extremo superior está conectada a una porción 4 del tipo de caja que
está diseñada para ajustarse a un substrato que se va a revestir.
En una superficie de la porción 4 están presentes aberturas 5.
En la realización mostrada en la Fig. 1 el
recipiente 2 es apropiado para revestir una banda (no mostrada) que
se transporta a corta distancia por encima del recipiente. Por este
motivo la porción 4 del recipiente 2 es alargada, para ser capaz de
revestir la anchura total de la banda.
La Fig. 2 muestra otra sección transversal
A-A a través del recipiente 2 de la Fig. 1. Esta
sección transversal muestra la porción 4 del tipo de caja, en la
que se inserta un tubo 6 en una caja 7 y se colocan bobinas o
cables 8 eléctricos entre el tubo 6 y la caja 7.
Durante el funcionamiento del aparato se
introduce material conductor en la porción 3 del tipo de conducto
del recipiente 2 usando un dispositivo de alimentación (no
mostrado). En la bobina 1 se produce una corriente eléctrica
variable que genera un campo electromagnético alterno. Debido a este
campo electromagnético, el material conductor se mantiene levitando
por encima de la bobina, mientras al mismo tiempo se calienta el
material conductor. El material conductor en la mayoría de los casos
se funde para formar una gota 10 y se evapora, y en algunos casos
se sublima sin fundir.
Dado que el recipiente 2 está cerrado excepto
por varias aberturas 5, debido a la evaporación de la gota 10 la
presión dentro del recipiente se vuelve mayor que la presión en la
cámara de vacío circundante.
Sorprendentemente, esto hace posible generar un
plasma dentro del recipiente y mantener este plasma dentro del
recipiente usando un material no conductor aislante eléctrico como
material para el recipiente mismo, para mantener el plasma. El
plasma en el recipiente tiene una presión entre 10^{-1} y
10^{-5} mbar, preferentemente entre 10^{-2} y 10^{-4} mbar. A
una presión por encima de 10^{-5} mbar, preferentemente por encima
de 10^{-4} mbar se generará un plasma en el recipiente, y este
plasma se mantendrá con tal de que la presión no se vuelva
demasiado alta, no por encima de 10^{-1} mbar, preferentemente no
por encima de 10^{-2}. El plasma se genera a las frecuencias de
la corriente variable como se menciona en el documento WO 03/071000
A1, por ejemplo, una frecuencia de 50 kHz o más alta, que es mucho
más baja que las frecuencias conocidas para generar un plasma. Por
supuesto la presión en la cámara de vacío circundante tiene que ser
más baja que la presión en el recipiente, de modo que el plasma se
puede desprender a través de las aberturas 5.
Además, el recipiente tiene que ser calentado
hasta una temperatura igual o por encima de la temperatura del
vapor/plasma, para prevenir la condensación del vapor/plasma sobre
las paredes del recipiente. Para hacer esto, se usan bobinas o
cables 8 eléctricos dentro de las paredes del recipiente. Dado que
el recipiente tiene que ser resistente al calor y resistente el
choque térmico, y tiene que tener una alta conductividad térmica,
se usa usualmente un material cerámico, tal como nitruro de boro o
nitruro de silicio, pero también son posibles otras cerámicas,
tales como óxido de circonio, óxido de ytrio, bromuro de hafnio o
bromuro de circonio, dado que las cerámicas son no conductoras.
Las aberturas en el recipiente pueden tener
cualquier forma, pero usualmente son agujeros redondos o rendijas.
La superficie total de las aberturas depende del volumen del
recipiente y de la velocidad de revestimiento. La distancia entre
las aberturas es también variable y dependerá de la distancia entre
la superficie del recipiente en la que están presentes los agujeros
y el substrato que se va a revestir. Usualmente, el plasma
desprendido del recipiente a través de un agujero tiene una forma
de llama.
Debido al hecho de que los iones en el plasma
están cargados, los iones se adherirán mejor al substrato y
formarán un revestimiento más denso.
La adherencia y la densidad del revestimiento se
pueden mejorar adicionalmente aplicando una diferencia de potencial
entre el recipiente y el substrato que se va a revestir. Debido a la
diferencia de potencial, los iones se aceleran hacia el substrato y
de este modo incidirán sobre la superficie teniendo una alta
velocidad. Esto da como resultado un revestimiento de muy buena
adherencia que tiene una alta densidad. Una diferencia de potencial
apropiada es de 10 a 40 voltios.
Claims (12)
1. Un aparato para revestir un substrato usando
deposición física de vapor, que comprende una cámara de vacío en la
que se coloca una bobina (1) para mantener una cantidad de material
conductor en levitación y para calentar y evaporar ese material,
usando una corriente eléctrica variable en la bobina (1), en el que
se colocan medios en la bobina para aislar la bobina (1) del
material levitado, y en el que los medios de aislamiento son parte
de un recipiente (2) hecho de material no conductor, teniendo el
recipiente (2) por lo menos una abertura (5) para guiar el material
conductor evaporado hacia el substrato que se va a revestir,
caracterizado porque el recipiente (2) ha sido provisto de
medios (8) de calentamiento para calentar el recipiente (2).
2. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que el recipiente (2) tiene la forma de un conducto (3), que tiene
cierres en ambos extremos, estando presentes una o mas aberturas en
un cierre.
3. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que el recipiente (2) tiene la forma de un conducto (3), con un
cierre en un extremo y una protuberancia (4) en forma de caja en el
otro extremo, teniendo la protuberancia (4) varias aberturas
(5).
4. Un aparato según la reivindicación 3, en el
que la protuberancia (4) es por lo menos tan ancha como el
substrato que se va a revestir.
5. Un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que las aberturas (5) tienen la
forma de un agujero o una rendija.
6. Un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el recipiente (2) ha sido
provisto de elementos (8) de calentamiento hechos de material
conductor tal como hilo de resistencia de molibdeno o
tungsteno.
7. Un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el recipiente (2) ha sido
producido de material cerámico, tal como nitruro de boro o nitruro
de silicio.
8. Un método para revestir un substrato usando
deposición física de vapor, usando una bobina (1) en vacío para
mantener una cantidad de material conductor en levitación y para
calentar y evaporar ese material, en el que está presente una
corriente eléctrica variable en la bobina (1), y en el que se
colocan medios de aislamiento entre la bobina y el material
levitado, caracterizado porque los medios de aislamiento son
parte de un recipiente (2) hecho de un material no conductor que
está calentado, teniendo el recipiente (2) una o más aberturas (5)
para guiar el material conductor evaporado hacia el substrato que se
va a revestir, en el que el material evaporado forma un plasma
dentro del recipiente (2), plasma que se desprende a través de las
aberturas (5) en el recipiente (2) para revestir el substrato.
9. Un método según la reivindicación 8, en el
que el recipiente (2) se calienta a una temperatura igual o
superior a la temperatura del material levitado.
10. Un método según la reivindicación 8 o 9, en
el que el plasma en el recipiente (2) tiene una presión entre
10^{-1} y 10^{-5} mbar, preferentemente entre 10^{-2} y
10^{-4} mbar.
11. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 8-10, en el que el substrato
revestido es una banda que se transporta continuamente con relación
al recipiente (2).
12. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 8-11, en el que se mantiene un
gradiente de potencial entre el substrato y el recipiente (2), de
tal modo que los iones se aceleran hacia el substrato.
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