MXPA03003661A - Montaje de plasma a presion atmosferica. - Google Patents

Abstract

Un montaje de plasma atmosferico tiene un par de electrodos planos separados, paralelos, cada uno unidos a una placa dielectrica. Dos placas separadoras separan las placas dielectricas para formar una region de plasma. Los postes de rocio tienen boquillas que son utilizada para rociar agua de enfriamiento sobre las placas dielectricas (31) y los electrodos (36). Idealmente, las placas dielectricas (31) y los electrodos (36) estan arreglados verticalmente.

Description

MONTAJE DE PLASMA A PRESIÓN ATMOSFÉRICA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un montaje de plasma a presión atmosférica del tipo que comprende un par de electrodos separados, paralelos, con al menos una placa dieléctrica entre ellos y un electrodo adyacente, la separación entre la placa dieléctrica y la otra placa dieléctrica o los electrodos forma una región de plasma para un gas precursor. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Cuando es suministrada materia continuamente con energía, su temperatura se incrementa, y típicamente se transforma de un sólido a un líquido y, a continuación, a un estado gaseoso. El suministro continuo de energía hace que el sistema experimente un cambio de estado aún mayor en el cual los átomos o moléculas neutras del gas son desintegrados por colisiones energéticas para producir electrones cargados negativamente, iones cargados positiva o negativamente, y otras especies. La mezcla de partículas cargadas que exhiben un comportamiento colectivo es llamada "plasma", el cuarto estado de la materia. Debido a su carga eléctrica, los plasmas son altamente influenciados por campos electromagnéticos externos los cuales los hacen fácilmente controlables. Además, su alto contenido de energía les permite lograr procesos que son imposibles o difíciles a través de otros estados de la materia, como el procesamiento de líquidos o gases. El término "plasma" cubre una enorme gama de sistemas cuya densidad y temperatura varían en muchos órdenes de magnitud. Algunos plasmas son muy calientes y todas sus especies microscópicas (iones, electrones, etc.) están en equilibrio térmico aproximado, la entrada de energía en el sistema es ampliamente distribuida a través de colisiones a nivel atómico/molecular. Otros plasmas, sin embargo, particularmente aquéllos de baja presión [por ejemplo 100 Pa) donde las colisiones son relativamente poco frecuentes, tienen sus especies constituyentes a temperaturas muy diferentes y son llamados plasmas en "equilibrio no térmico". En esos plasmas no térmicos los electrones libres están muy calientes con temperaturas de muchos miles de K, mientras que las especies neutras e iónicas permanecen frías. Debido a que los electrones libres tienen una masa casi despreciable, el contenido de calor total del sistema es bajo y el plasma opera cerca de la temperatura ambiente, permitiendo de este modo el procesamiento de materiales sensibles a la temperatura, como plásticos o polímeros, sin imponer una carga térmica dañina sobre la muestra. Sin embargo, los electrones calientes crean, a través de altas colisiones de energía, una fuente rica de radicales y especies excitadas con una alta energía química potencial capaz de profundizar la reactividad química y física. Es esta combinación de operación a baja temperatura más la alta reactividad la que hace la tecnología de los plasmas no térmicos importante y una herramienta muy poderosa para la manufactura y procesamiento de materiales, capaz de lograr procesos los cuales, si son alcanzables del todo sin plasma, requerirían temperaturas muy altas o compuestos químicos nocivos y agresivos. Para aplicaciones industriales de la tecnología del plasma, un método conveniente es acoplar energía electromagnética en un volumen de gas de proceso el cual puede ser mezclas de gases y vapores en la cual las piezas de trabajo/muestras a ser tratadas son sumergidas o pasadas a través. El gas se ioniza en plasma generando los radicales químicos, radiación UV, e iones los cuales reaccionan con la superficie de las muestras. Mediante la selección correcta de la composición del gas de proceso, la frecuencia de energía de accionamiento, el modo de acoplamiento de energía, la presión y otros parámetros de control, el proceso en plasma puede ser adaptado a la aplicación especifica requerida por el fabricante. Debido al enorme intervalo de plasmas químicos y térmicos, ellos son adecuados para muchas aplicaciones tecnológicas las cuales están continuamente ampliándos . Los plasmas en equilibrio no térmico son particularmente efectivos para la activación superficial, limpieza superficial, grabado de materiales y recubrimiento de superficies . La activación superficial de materiales poliméricos es una tecnología de plasma industrial ampliamente utilizada donde son pioneros en la industria automotriz. De este modo, por ejemplo, las poliolefinas, como el polietileno y el polipropileno, que son favorecidas por su reciclabilidad, tienen una superficie no polar y en consecuencia una pobre disposición al recubrimiento o encementado. Sin embargo, el tratamiento con plasma de oxígeno da como resultado la formación de grupos polares superficiales que dan alta humectabilidad y en consecuencia una cobertura y adhesión excelentes de pantallas de metal, adhesivos u otros recubrimientos. De este modo, por ejemplo, el diseño de superficies de plasma es esencial para la manufactura de tableros de protección, tableros de instrumentos, parachoques, etc. y para el montaje de componentes en la industria juguetera, etc. Están disponibles muchas otras aplicaciones en la impresión, pintura, encementado, laminación y recubrimiento general de componentes de todas las geometrías en materiales poliméricos, plásticos, cerámicos/inorgánicos, metálicos y otros. La creciente penetrabilidad y fuerza de la legislación ambiental en el mundo está creando una presión sustancial sobre la industria para reducir o eliminar el uso de solventes y otros compuestos químicos húmedos en la manufactura, particularmente para la limpieza de componentes /superficies . En particular, las operaciones de desengrasado basadas en CFC han sido reemplazadas en gran medida por la tecnología de limpieza con plasma que opera con oxígeno, aire y otros gases no tóxicos. La combinación de prelimpieza basada con agua con plasma permite que componentes uniformemente muy sucios sean limpiados y las calidades superficiales obtenidas son típicamente superiores a aquellas resultantes en los métodos tradicionales. Cualquier contaminación superficial orgánica es depurada rápidamente por el plasma a temperatura ambiente y convertida a C02 gaseoso y agua, los cuales pueden ser eliminados de manera segura.

Los plasmas también pueden llevar a cabo el grabado de un material voluminoso, es decir remoción de material indeseable. De este modo, por ejemplo, un plasma basado en oxígeno grabara polímeros, un proceso utilizado en la producción de tableros de circuitos, etc. Diferentes materiales como metales, cerámicas y compuestos inorgánicos son grabados mediante la selección cuidadosa del gas precursor y atención a la química del plasma. Estructuras por debajo de dimensiones críticas del orden de nanómetros están siendo ahora producidas por la tecnología de grabado con plasma. Una tecnología de plasma que está emergiendo rápidamente en la industria actual es la del recubrimiento/deposición de películas delgadas con plasma. Típicamente, se logra un alto nivel de polimerización mediante la aplicación de plasma a gases y vapores monoméricos . De este modo, puede formarse una película de tejido de punto denso, apretado y conectado tridimensionalmente, que es térmicamente estable, químicamente muy resistente y mecánicamente robusta. Esas películas son depositadas de manera conformacional aún sobre las superficies más intrincadas y a una temperatura que asegura una baja carga térmica sobre el sustrato. Los plasmas son por lo tanto ideales para el recubrimiento de materiales delicados y sensibles al calor, así como materiales robustos. Los recubrimientos con plasma están libres de mícroporos aún en capas delgadas. Las propiedades ópticas, por ejemplo, color del recubrimiento pueden con frecuencia ser adaptadas y los recubrimientos de plasma de adhieren bien a materiales no polares uniformes, por ejemplo polietileno, asi como acero (por ejemplo, películas anticorrosión sobre reflectores de metal), cerámicas, semiconductores, textiles, etc. En todos esos procesos, la ingeniería de plasma produce un efecto superficial adaptado a la aplicación o producto deseado sin afectar el volumen del material de ninguna manera. El procesamiento con plasma de este modo ofrece al fabricante una herramienta versátil y poderosa que permite la elección de un material para propósitos técnicos y comerciales a granel, dando a la vez la libertad de diseñar independientemente su superficie para satisfacer un conjunto de necesidades totalmente diferente. La tecnología del plasma confiere de este modo una funcionalidad, desempeño, tiempo de vida y calidad de producto mucho mejores y da a la compañía fabricante un valor agregado significativo a su capacidad de producción .

Esos procesos proporcionan una fuerte motivación para que la industria adopte el procesamiento basado en plasma, y este movimiento ha sido lidereado desde 1960 por la comunidad microelectrónica, al cual ha desarrollado el plasma de descarga incandescente a baja presión en una tecnología ultra superior y una herramienta de diseño de lato costo de capital para el procesamiento de semiconductores, metales y dieléctricos. El mismo plasma del tipo de descarga incandescente de baja presión ha penetrado cada vez más otros sectores industriales desde 1980 ofreciendo, a un costo más moderado, procesos como la activación superficial de polímeros para incrementar la fuerza de adhesión/unión, desengrasado/limpieza de alta calidad y deposición de recubrimientos de alto desempeño. De este modo, ha existido una adopción sustancial de la tecnología del plasma . Sin embargo, la adopción de la tecnología del plasma ha sido limitada por una restricción mayor en la mayoría de los sistemas de plasma industriales, a saber, su necesidad de operar a baja presión. La operación a vacío parcial significa un perímetro cerrado, un sistema de reactor sellado que proporcione únicamente fuera de línea, el procesamiento de lotes de piezas de trabajo discretas. El rendimiento es bajo o moderado y la necesidad de vacio se suma a los costos de capitales de operación . Los plasmas a presión atmosférica, sin embargo, ofrecen a la industria sistemas a puerta o perímetro abierto que proporcionan el ingreso y salida libre de la región del plasma a piezas de trabajo/redes y, en consecuencia, el procesamiento continuo en línea, de redes de área grande o pequeña o piezas de trabajo discretas colocadas en un transportador. El rendimiento es alto, reforzado por el alto flujo de especies obtenido de la operación a alta presión. Muchos sectores industriales, como el de los textiles, embalaje, papel, médico, automotriz, aeroespacial , etc., dependen casi totalmente del procesamiento continuo, en línea, de modo que los plasmas de configuración de puerta/perímetro abierto a presión atmosférica ofrecen una capacidad de procesamiento industrial novedosa. Los sistemas de tratamiento de columna y llama (también un plasma) han proporcionado a la industria una forma limitada de capacidad de procesamiento a presión atmosférica durante 30 años. Sin embargo, a pesar de su alta manufacturabilidad, esos sistemas no han podido penetrar el mercado o ser adoptados por la industria, de manera nada similar, en el mismo grado que el tipo de plasma de procesamiento únicamente por lotes, de menor presión. La razón es que los sistemas de corona/llama tienen limitaciones significativas. Ellos operan al aire ambiental ofreciendo un solo proceso de activación superficial y tienen un efecto despreciable sobre muchos material y un efecto débil sobre la mayoría. El tratamiento con frecuencia no es uniforme y el proceso de corona no es compatible con redes gruesas o piezas de trabajo en 3D, mientras que el proceso de llama es incompatible con sustratos sensibles al calor. Se ha vuelto claro que la tecnología del plasma a presión atmosférica debe moverse mucho más profundamente hacia el espectro del plasma a presión atmosférica para desarrollar sistemas avanzados que satisfagan las necesidades de la industria. Varias de las deficiencias de proceso mas serias de la tecnología de manufactura con plasma a presión atmosférica sin equilibrio actual, es decir, el tratamiento de Corona, surgen de la geometría del equipo utilizado para generar el tipo de plasma de Corona y el volumen relativamente pequeño resultante del plasma generado. El tipo de plasma de Corona es generado aplicando un voltaje alto entre dos electrodos opuestos generalmente asimétricos separados por un espacio que contiene el gas de proceso precursor del cual se forma el plasma. La clave para la generación de Corona es la presencia de singularidades puntuales, lineales u otras en la distribución del campo eléctrico entre los electrodos que crean gradientes de potencial eléctrico locales muy altos y la singularidad que conduce a localizar la ruptura o degradación del gas precursor y la formación de plasma. Esas singularidades son logradas por geometrías de electrodo localizadas agudamente como punto contra plano, punto contra punto, alambre/varilla contra plano, alambre/varilla contra alambre/varilla y, la configuración del equipo de tratamiento de Corona industrial típica, alambre/varilla contra rodillo paralelo. El plasma toma la forma de un arreglo de flujos de plasma discretos que generalmente siguen las líneas del campo eléctrico de fuerza entre los electrodos en la región del gradiente de potencial eléctrico más alto. El volumen de plasma generado es gobernado por la distribución del campo eléctrico. Si el campo eléctrico no es uniforme, entonces, por definición, cuando la fuerza del campo eléctrico se incrementa, solo parte de la región del campo se aproximará y logrará el gradiente de voltaje de ruptura necesario para tener impacto sobre un plasma. El resto de la región del campo permanecerá debajo del umbral de ruptura, de modo que no se generará plasma. El volumen de plasma generado es, de este modo, restringido por el grado de ausencia de uniformidad del campo elé lrico. En el caso del tratamiento de Corona convencional, el gradiente de potencial eléctrico, es decir, el campo eléctrico, es muy alto cerca del electrodo creando la singularidad del campo eléctrico, pero cae rápidamente (de manera inversa al cuadrado o una potencia mayor) con la distancia de ese electrodo, por ejemplo, del punto al alambre/varilla. La formación de plasma está, por lo tanto, limitada a la región del gradiente de voltaje que alcanza el punto en el cual el gas precursor se degrada y transforma en plasma. Las regiones del campo eléctrico por debajo de la degradación del gas no pueden generar un plasma sostenido. Intentar incrementar el volumen del plasma elevando los gradientes de voltaje no cambia la distribución del campo eléctrico y, de este modo, la distribución y volumen del plasma no serán afectados de manera amplia, apareciendo energía adicional como corriente en los flujos de plasma.

La geometría del electrodo y el modo de generación de plasma en el tratamiento de Corona convencional da como resultado de este modo una limitación fundamental en el volumen de plasma que puede ser generado por un solo conjunto de electrodos. Si el proceso industrial implica el tratamiento de piezas de trabajo excesivas, como redes o artículos en movimiento sobre un transportador, aunque, en principio, no existe límite en el grado de generación de plasma en la dirección x o a lo ancho de la pieza de traba o/plasma, el grado de plasma de Corona en la dirección y, o a lo largo de la pieza de trabajo/plasma es altamente limitado, típicamente unas cuantas decenas de milímetros en sistemas de Corona industriales. Esta limitación tiene las siguientes desventajas: 1. El tiempo de residencia en el plasma de la pieza de trabajo que se mueve a una velocidad de desplazamiento lineal constante (m/s) es relativamente corto y puede únicamente incrementarse reduciendo la velocidad de la línea. El tiempo de residencia en el plasma afecta al grado de activación superficial o limpieza y el espesor de cualquier recubrimiento de plasma depositado. 2. La energía por unidad de área (J/m2) acoplada por el plasma en la pieza de trabajo relativamente baja y únicamente puede ser incrementada reduciendo la velocidad lineal y/o incrementando la densidad de energía del plasma ( /m2) . La energía acoplada en todos los procesos de activación, limpieza o recubrimiento . 3. Una breve exposición de la pieza de trabajo a flujos discretos de Corona no permite que el plasma tenga acceso a toda el área superficial, y de este modo, da un tratamiento no uniforme que conduce a un desempeño del producto pobre. Esas desventajas motivan un sistema para la generación de plasmas fríos, en equilibrio no térmico, a presión atmosférica, sobre un área extendida, en particular extendida a la dirección a lo largo de la pieza de trabajo/plasma. De este modo, en lugar de un área de plasma de Corona de, digamos, 10m de ancho x 0.02m de longitud, el nuevo sistema deberá ser capaz de un área de plasma de 10m de ancho por x 20m de largo, un incremento de al menos tres órdenes de magnitud de la longitud de la trayectoria del plasma. Las ventajas del área son mostradas por lo siguiente: Sea: I = longitud de la trayectoria del plasma (m) t = tiempo de resistencia de cualquier elemento de la pieza de trabajo en el plasma (s) v = velocidad de desplazamiento lineal (m/s) P = densidad de energía del plasma (W/m2) E = eneryla /área unitaria acoplada a la pieza de trabajo (J/m2) Entonces: t= I/v de modo que, a v, ttt I fijos Y: E = Pt = Pl/v de modo que, a v y P, Ex I fijos De este modo, por ejemplo si se incrementa de 0.02 m a 20 m, tanto E como t se incrementan a 103. De manera alternativa, si E y t se mantienen constantes, la velocidad lineal v puede incrementarse en 103 para lograr el mismo tratamiento. Se han logrado avances significativos en la deposición de plasma a presión atmosférica. Se ha efectuado un considerable trabajo sobre la estabilización de descargas incandescentes a presión atmosférica, descritas con apariencia de descargas incandescentes estables en el aire, argón, oxígeno y nitrógeno a presión atmosférica utilizando una fuente de 50 Hz por Satiko Okazaki, Masuhiro Kogoma, Makoto Uehara y Yoshihisa Kimura, J. Phys. D: Appl. Phys . 26 (1993) 889-892.

Además, en la especificación de la Patente Estadounidense No. 5414324 (Roth et al) se describe la generación de un plasma de descarga incandescente en estado estacionario a presión atmosférica entre un par de electrodos de chapa de metal separados hasta 5 cm y energizados con R.F. con un potencial rms de 1 a 5 kV de 1 a 100 kHz. Esta especificación de patentes describe el uso de electrodos de chapa de metal hallados eléctricamente. Esta especificación de patente describe los problemas de las placas o chapas de electrodos y la necesidad de desalentar la ruptura eléctrica en el borde de los electrodos. Además describe el uso de electrodos los cuales en este caso son chapas de cobre y un sistema de enfriamiento de agua el cual es suministrado a través de conductos de flujo de fluido unidos a los electrodos y en tanto el agua no entre en contacto directo con alguna superficie del electrodo. La especificación de la Patente Estadounidense No. 5185132, (Horiike et al), se describe un método de reacción en plasma atmosférico en el cual se utilizan electrodos de chapa en una configuración vertical. Sin embargo, ellos son utilizados únicamente en la configuración vertical para preparar el plasma y a continuación el plasma es dirigido hacia afuera de entre las placas o chapas sobre una superficie horizontal debajo de electrodos arreglados verticalmente.

Sumario do la Invención De acuerdo a la invención se proporciona un montaje de plasma a presiona atmosférica del tipo que comprende un par de electrodos planos separados, paralelos, con al menos una placa dieléctrica entre ellos y el electrodo adyacente, en la separación entre la placa o chapa dieléctrica y la otra placa o chapa dieléctrica o electrodo que forma una región de plasma para un gas precursor se caracteriza porque cuando un electrodo está adyacente a una placa o chapa dieléctrica, se proporciona un sistema de distribución de liquido de enfriamiento para dirigir liquido conducente de enfriamiento sobre el exterior del electrodo para cubrir una cara plana del electrodo. Esto supera uno de los problemas principales de esos montajes de plasma a presión atmosférica asegurando un área extendida particularmente en la dirección de la pieza de trabajo/plasma. Además, el tiempo restante el plasma o la pieza de trabajo se mueve a una velocidad constante que puede incrementarse regularmente incrementando el proceso objetivo cuando este sea activación de la limpieza o recubrimiento. Este tiene todas las ventajas concomitantes al tiempo de residencia prolongada en la región de plasma. Idealmente el liquido de enfriamiento cubre la cara del electrodo lejana de la placa dieléctrica. El liquido conducente de enfriamiento es agua y puede contener compuestos que controles la conductividad como sales de metal o aditivos orgánicos solubles. Idealmente el electrodo es un electrodo de metal en contacto con la placa dieléctrica. En una modalidad existen un par de electrodos de metal, cada uno en contacto con una placa o chapa dieléctrica. El agua de acuerdo con la presente invención actúa también como un agente de enfriamiento extremadamente eficiente para ayudar también a proporcionar un electrodo eficiente. Idealmente, la placa o chapa dieléctrica se extiende más allá del perímetro del electrodo y el liquido de enfriamiento también es dirigido a través de la placa o chapa dieléctrica para poner al menos aquella porción del dieléctrico que delimita la periferia del electrodo. Preferiblemente toda la placa dieléctrica es cubierta con líquido de enfriamiento. El electrodo puede estar en forma de una malla de metal. Los electrodos pueden ser arreglados de manera sustancialmente vertical. Idealmente se montan espacios aislados entre los electrodos. De manera sorprendente, además de enfriar el agua también actúa para apaciguar eléctricamente cualesquier limites, singularidades o ausencia de uniformidades en los electrodos de metal como lo son los bordes, esquinas o extremos de malla donde se utilizan electrodos de malla de alambre. Efectivamente el agua actúa como un electrodo de conductividad limitada. Además, teniendo un arreglo vertical, el peso de áreas grandes de sistemas eléctricos se coloca ahora de modo que no exista la misma fricción o distorsión, o deformación, que existiría en otras circunstancias. En otra modalidad de la invención el electrodo forma parte de un montaje de electrodo que comprende: una caja hermética al agua que tiene un lado formado por una placa o chapa dieléctrica que tiene unida a esta sobre el interior de la caja el electrodo plano; una entrada de líquido; y una salida de líquido. Dos de esos se hacen juntos para formar un montaje. Este arreglo similar a una caja permite la modularidad y es una forma particularmente eficiente para proporcionar el montaje de electrodo. En otra modalidad de la invención el electrodo forma parte de un montaje de electrodo que comprende: una caja hermética al agua que tiene dos lados paralelos, cada uno formado de un extremo de placa o chapa dieléctrica, teniendo cada uno unido a este sobre el interior de la caja uno de los pares de electrodos planos ; una entrada de liquido; y una salida de líquido. Con esta última modalidad esta caja puede ser utilizada en conjunto con otras cajas de acuerdo a la invención. Idealmente las cajas están una encima de la otra para proporcionar la región de plasma extendida. Esto permite una considerable flexibilidad y puede permitir un arreglo de modo que pueda existir una longitud de trayectoria de plasma muy larga con huellas de fábrica muy pequeñas. En una modalidad de la invención el sistema de distribución de líquido comprende un enfriador y una bomba de recirculación. En otra modalidad el sistema de circulación de líquido de enfriamiento comprende un tubo de rocío que incorpora boquillas de rocío. Además, la invención proporciona un método para tratar un sustrato utilizando un montaje y se apreciará que la invención proporciona por lo tanto un sustrato manufacturado con el montaje o el método de la invención.

Descripción da los Dibujos La invención será comprendida de manera más clara partir de la siguiente descripción de unas modalidades de la misma dadas a manera de ejemplo únicamente con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 es una vista frontal de un sistema de plasma a presión atmosférica de acuerdo a la invención, La Figura 2 es una vista en perspectiva del despiece parcial de una porción del sistema ilustrado en la Figura 1, La Figura 3 es una vista en perspectiva de un despiece y montaje de plasma que forma parte del sistema, La Figura 4 es una vista en corte vertical típica a través del montaje de plasma, La Figura 5 es una vista del despiece de otra construcción del montaje de plasma, La Figura 6 es una vista del despiece similar a la Figura 3 de una porción del montaje de plasma de la Figura 5, La Figura 7 es una vista en corte similar a la Figura 4 del montaje de plasma de la Figura 5, y Las Figuras 8, 9 y 10 son elevaciones esquemáticas de varios arreglos de montajes de plasma que forman parte de un sistema de plasma atmosférico de acuerdo a la invención. Refiriéndose a los dibujos y las Figuras 1 a 4 de los mismos, en ellos se proporciona un sistema de plasma atmosférico, indicado de manera general por la referencia numérico 1, que comprende un montaje de plasma a presiona atmosférica 2 alimentados por cables 3 por una fuente de energía 4 y también alimentado por una fuente de montaje de enfriamiento que alimenta un sistema de distribución de líquido de enfriamiento montado dentro del montaje de plasma 2 y descrito con mayor detalle más adelante. El montaje de enfriamiento comprende una bomba de agua 5, un enfriador en forma de un intercambiador de calor 6 y tubos de distribución de agua principales 7. Uno de los tubos de distribución de agua principal 7 alimenta a un múltiple de entrada 8 el cual a su vez alimenta, a través de mangueras de agua de alimentación 9 y entradas de líquido 14, al montaje de plasma 2. Las mangueras de agua de retorno 10 se conectan a través de las salidas de liquide 15, a un múltiple de salida de retorno adicional 11, el cual a su vez está conectado a otros de los tubos de distribución de agua 7 los cuales alimentan la bomba 5. Los tubos de liberación de presión 13 están montados en un montaje de plasma 2. Refiriéndose en particular a las Figuras 2 a 4, el montaje de plasma 2 comprende un par de cajas herméticas en agua indicadas de manera general por el número de referencia 20 unidas por separadores aislados verticales en forma de placas separadoras 21, las cuales forman entre las cajas herméticas al agua 20 una parte superior abierta 22 y una parte superior abierta 23. Entre las cajas herméticas al agua 20 y las placas separadoras 21, existe una región de plasma definida 25. Cada caja hermética al agua 20 comprende una placa posterior 30 y la placa frontal separada 31 montadas sobre un armazón de contención de agua 32 que tiene una barra cruzada 32 en la cual se proporcionan orificios de drenado 34. La placa posterior 30 y la placa frontal 31 están conectadas al armazón de contención de agua 32 por medio de juntas 35. Dos conjuntos de electrodos de alambre están montados en las cajas 20 sobre la placa frontal 31. La placa posterior 30, la placa frontal 31 y el armazón de contención de agua 32 son manufacturados de un material dieléctrico adecuado.

Un par de postes de rocío 40 formados a partir de los tubos de un material de aislamiento, como un material de plástico, contienen una pluralidad de boquillas 41 montadas dentro de la caja 20 y están conectados a las mangueras de agua de alimentación 9. En operación, una pieza de trabajo puede ser conducida a través de la región de plasma en la dirección de la flecha A, pero obviamente puede ser conducida hacia abajo en la dirección opuesta y también puede ser conducida hacia atrás y hacia adelante de la región de plasma 25. El gas de proceso puede ser inyectado en la región de plasma 25 y puede proporcionarse la energía adecuada a los electrodos 36 en la región de plasma 25. El agua es distribuida desde el múltiple de entrada 8 a través de las mangueras de agua de alimentación 9 hacia los postes de rocío 40 donde el agua es distribuida en un roció hacia afuera de las boquillas 41 sobre los electrodos de alambre 36 y también a través de la cara interior expuesta de la placa frontal 31. Refiriéndose a las Figuras 5 a 7 inclusive, en ellas se ilustra una construcción alternativa del montaje de plasma, en este caso que comprende dos cajas idénticas a las cajas 20 hasta ahora descritas y una tercera caja 26 de construcción sustancialmente similar a la de las cajas 20, en la cual las partes similares a aquéllas descritas con referencia a la de la modalidad anterior, son identificadas por los mismos números de referencia. La única diferencia entre la caja 26 y la caja 20 es que contiene efectivamente dos placas frontales 31 y contiene electrodos 36 sobre cada placa frontal 31, puesto que las placas 31 actúan como placas frontales con respecto a las cajas 20 sobre cualquier lado de la caja 20. En esta modalidad, las boquillas 41 de los postes de rocío 40 dirigen agua sobre ambas placas 31. La Figura 8 muestra un arreglo de tres cajas 26 emparedadas entre dos cajas exteriores 20 con la trayectoria de la red entre ellas mostradas por lineas interrumpidas. La Figura 9 muestra un arreglo con varias cajas apiladas una sobre otra mientras que la Figura 10 muestra un arreglo con un transportador para transportar artículos entre las cajas 20 las cuales están ahora arregladas horizontalmente . Aunque en las modalidades descritas, el electrodo ha sido montado sobre el exterior de una placa dieléctrica, se contempló que en ciertas circunstancias, este puede ser, de manera alternativa, encapsulado dentro de la placa dieléctrica.

Esencialmente, la presente invención depende del movimiento lejos de los campos eléctricos no uniformes como un mecanismo de generación de plasma a campos eléctricos uniformes. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Con la presente invención, el volumen de plasma generado es gobernado por la distribución del campo eléctrico cuando el campo eléctrico es uniforme y entonces por definición cuando la fuerza del campo eléctrico se incrementa, toda la región del campo se aproximará ampliamente y logrará el gradiente de voltaje de ruptura precursor necesario para generar un plasma. Idealmente, ninguna parte de la región del campo se encontrará por debajo del umbral de ruptura, de modo que el plasma será generado a través del campo. El volumen de plasma generado es de este modo restringido únicamente por la extensión física de los electrodos. La presente invención supera el problema de la geometría de electrodo de placa o chapa paralelo en combinación con la necesidad de material dieléctricos. La presente invención supera el problema de administración térmica. La separación interelectrodo típica para sistemas de placas paralelas es del orden de 10 mm. Las áreas objetivo pueden extenderse hasta 20 m x 20 m o aún en un área más grande y en las densidades de energía de plasma objetivo pueden ser del orden de 10 kW/rn3 o mayores. De este modo, la energía generada en esos sistemas generará calor, el cual estará más allá de la capacidad que puede disipar el sistema sin ninguna forma de enfriamiento forzado. Esto a su vez es exacerbado por la pobre conductividad térmica de la mayoría de los materiales dieléctricos en contacto directo con el plasma y las trayectorias térmicas relativamente largas implicadas en la geometría. La presente invención supera este problema. El agua es la preferida pero no el único líquido de enfriamiento que podría ser utilizado. En una modalidad de la invención, el agua contiene compuestos que controlan la conductividad como sales de metal, incluyendo haluros, sulfatos, carbonatos de metal, sales de ácidos orgánicos y sales de bases orgánicas . En otra modalidad de la invención, los compuestos que controlan la conductividad controlan glicoles y alcoholes los cuales no afectan el producto recubíerto resultante. Además, la orientación vertical de los electrodos y a su vez las placas dieléctricas de importancia particular, puesto que con áreas muy grandes, existe un considerable peso del material dieléctrico el cual a su vez requiere un posicionamiento altamente exacto en relación a una hoja opuesta. La falta de uniformidad en la separación interelectrodo ha mostrado afectar significativamente la uniformidad del plasma y la calidad del proceso, por lo que montar los electrodos verticalmente supera una considerable cantidad de esos problemas. De acuerdo con la presente invención, pueden ser utilizados materiales dieléctricos adecuados como el policarbonato, polietileno, vidrio, etc y los electrodos de metal pueden ser de varios tipos y pueden ser unidos al material dieléctrico ya sea por un adhesivo o por medio de alguna aplicación de calor y fusión del metal del electrodo al material dieléctricos. De manera similar, el electrodo puede ser encapsulado dentro del material dieléctrico. En una modalidad de la invención, el material dieléctrico utilizado fue polietileno y el espacio utilizado entre las cajas fue tipicamente de 50 a 120 mm. La forma de uso del gas del proceso en el arreglo puede ser idealmente la que se describe y reclama en nuestra Publicación de Patente PCT correspondiente NO. WO 01/59809. Se ha encontrado que a frecuencias de excitación de plasma por RF de baja frecuencia y aún con diferencias de potencial a través del espacio interelectrodo de decenas de kilovoltios, puede ser utilizada agua corriente común para el enfriamiento siempre que se utilicen mangueras flexibles aislantes que aseguren una longitud de trayectoria del agua entre los postes de rocío de los electrodos de polaridad eléctrica opuesta de aproximadamente 21 m o más. Si la longitud de la trayectoria del agua es demasiado corta, se vuelve difícil o imposible generar un plasma debido a la pérdida de energía de cortos entre electrodos a través del agua de enfriamiento. Se ha encontrado de manera sorprendente que además del enfriamiento, el agua de acuerdo con la presente invención, también actúa pasivando eléctricamente cualesquier limites, singularidades o ausencia de uniformidades en los electrodos de metal como lo son bordes, esquinas o extremos de malla donde son utilizados electrodos de malla de alambre. Se apreciará que esa, sin pasivación, puede descargar una Corona u otro plasma, produciendo pérdidas de energía y calentamiento local, conduciendo potencialmente a una ruptura. Esencialmente, el agua en sí actúa como un electrodo de conductividad limitada para uniformar diferencias de potencial de salida y amortiguar descargas eléctricas indeseables de salida dentro de la caja del electrodo. Típicamente, el plasma generado en el espacio interelectrodo se extenderá aproximadamente 5 era más allá del borde del electrodo de metal debido a la conductividad del agua. Con la presente invención se ha encontrado que existen considerables ventajas. El arreglo particular permite que la longitud de trayectoria del plasma a través de la cual las piezas de trabajo pasan pueda ser fácilmente extendida a cualquier tamaño y a órdenes de magnitud considerablemente mayores que los del tratamiento de Corona industrial convencional. El tiempo de residencia en el plasma de la pieza de trabajo que se mueve a una velocidad de desplazamiento lineal constante, puede incrementarse fácilmente mejorando el proceso objetivo, ya sea la activación, limpieza o recubrimiento. De manera alternativa, para un tiempo de residencia constante, la velocidad lineal puede incrementarse. También es posible hacer variar y cambiar la densidad de energía del plasma según se requiera. Además, existen ventajas mayores en el tiempo de residencia más prolongado en la región de plasma que permiten que el plasma tenga acceso a todas las partes de la superficie de una pieza de trabajo, mejorando la uniformidad del tratamiento. Esto es particularmente importante con piezas de trabajo formadas intrincadamente . En la presente invención se ha encontrado que es posible mantener temperaturas de electrodo bajas aún con densidades de energía de plasma altas, asegurando tiempos de vida de equipo prolongadas, y la eliminación de cargas térmicas excesivas sobre la pieza de trabajo. Una de las grandes ventajas del arreglo de electrodos vertical, es que no existe la misma flexión y distorsión o deformación que existiria en otras circunstancias con sistemas arreglados horizontalmente . También debe apreciarse que el arreglo vertical permite longitudes de trayectoria de plasma largas con huellas de fábrica pequeñas. En una modalidad de la invención, se construyó un arreglo de tres electrodos de dos lados y dos electrodos de un solo lado para crear un conjunto de cuatro trayectorias de plasma lado a lado de la con iguración general mostrada en la Figura 8. Existieron esencialmente ocho conjuntos de electrodos de metal opuestos, donde cada electrodo de metal midió 2100 mm de ancho por 400 mm de largo para dar una longitud de trayectoria de plasma total de 3.2 metros y una capacidad de procesamiento a lo ancho de la red de 2.1 metros.

Utilizando rodillos por encima y por debajo de los montajes de plasma, las redes fueron dirigidas a través de toda la región del plasma. Las Figuras 9 y 10 muestran arreglos alternativos. Se utilizaron gases de proceso precursores como el Helio, Oxigeno, Argón, Nitrógeno, Halocarburos , tetracloruro de silicio, siloxanos, etc. Se aplicó energía de frecuencia de radio utilizando un suministro de energía a los electrodos vía transformadores de acoplamiento a aproximadamente 40 kHz y aproximadamente 30 k de energía de RF. El sistema fue operado por más de 1000 horas sin falla. En la especificación, los términos "comprende, comprendido y que comprende" o cualquier variación de los mismos y los términos "incluye, incluido y que incluye" o cualquier variación de los mismos son considerados totalmente intercambiables y a todos se les dará la interpretación más amplia posible. La invención no se limita a las modalidades aquí descritas anteriormente, sino que puede variar tanto en construcción como en detalles.

Claims (22)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención. Habiéndoae descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones . REIVINDICACIONES

1. Un montaje de plasma a presión atmosférica del tipo que comprende un par de electrodos planos separados, paralelos, con al menos una placa dieléctrica entre ellos, y un electrodo adyacente, la separación entre la placa dieléctrica y la otra placa dieléctrica o electrodo forma una región de plasma para un gas precursor, caracterizado porque cuando un electrodo está adyacente a una placa dieléctrica, se proporciona un sistema de distribución de liquido de enfriamiento para dirigir un líquido conducente de enfriamiento sobre el exterior del electrodo para cubrir una cara plana del electrodo .

2. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido de enfriamiento cubre la cara del electrodo lejano de la placa dieléctrica.

3. El montaje de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el líquido conducente de enfriamiento ea agua.

4. El montaje de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el agua contiene compuestos que controlan la conductividad.

5. El montaje de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque los compuestos que controlan la conductividad son salea de metal.

6. El montaje de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque los compuestos que controlan la conductividad son aditivos orgánicos solubles.

7. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el electrodo es un electrodo de metal en contacto con la placa dieléctrica.

8. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque existe un par de electrodos de metal, cada uno en contacto con una placa dieléctrica.

9. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la placa dieléctrica se extiende más allá del perímetro del electrodo y el líquido de enfriamiento también es dirigido a través de la placa dieléctrica para cubrir al menos aquélla porción del límite dieléctrico de la periferia del electrodo.

10. El montaje de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque toda la placa dieléctrica es cubierta con líquido de enfriamiento.

11. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el electrodo está en forma de una malla de metal.

12. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los electrodos están arreglados sustancialmente verticales para la recepción de una pieza de trabajo entre ellos.

13. El montaje de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque los separadores aislados están montados entre los electrodos.

14. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el electrodo forma parte de un montaje de electrodo que comprende : una ca a hermética al agua que tiene un lado formado por una placa dieléctrica que tiene unida a ésta sobre el interior de la caja el electrodo plano; una entrada de líquido; y una salida de líquido.

15. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el electrodo forma parte de un montaje de electrodo que comprende : una caja hermética al agua que tiene dos lados paralelos, cada uno formado por una placa dieléctrica, y cada uno teniendo unido a ésta sobre el interior de la caja uno de un par de electrodos planos; una entrada de líquido; y una salida de líquido.

16. Un montaje, caracterizado porque comprende dos cajas, de conformidad con la reivindicación 14.

17. Un montaje, caracterizado porque comprende dos cajas, de conformidad con la reivindicación 14 y una o más cajas de conformidad con la reivindicación 15 montadas entre ellas.

18. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque las cajas están una sobre otra para proporcionar una región de plasma extendida.

19. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de distribución de líquido comprende un enfriador y una bomba de circulación.

20. El montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de distribución de líquido de enfriamiento comprende un tubo de rocío que incorpora boquillas de rocío .

21. Un método para tratar un sustrato que utiliza un montaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

22. Un sustrato, caracterizado porque se trata de conformidad con el método de la reivindicación 21.