ES2346902T3 - Aparato y metodo para revestir un sustrato. - Google Patents

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.