WO2012035181A1 - Dispositivo de ionización - Google Patents

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WO2012035181A1
WO2012035181A1 PCT/ES2011/000273 ES2011000273W WO2012035181A1 WO 2012035181 A1 WO2012035181 A1 WO 2012035181A1 ES 2011000273 W ES2011000273 W ES 2011000273W WO 2012035181 A1 WO2012035181 A1 WO 2012035181A1
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hollow cathode
gas
plasma
ionization
ionization device
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PCT/ES2011/000273
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Gonzalo García Fuentes
José Antonio García Lorente
Rafael Rodriguez Trías
Víctor BELLIDO-GONZÁLEZ
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Asociación De La Industria Navarra (Ain)
Gencoa Limited
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    • H01J2237/3322—Problems associated with coating
    • H01J2237/3323—Problems associated with coating uniformity

Definitions

  • This invention relates to the discharge of ionization in vacuum coating technology applied to the improvement of the ionization of mainly non-ionized particles in a low pressure setting environment.
  • the particles may be noble gases, other gases (such as N 2 , 0 2 ), vapors (from liquid or solid sources) and nebulized media.
  • This invention also relates to the use of such devices and control during non-reactive and reactive procedures, with or without control of the procedure by plasma feedback.
  • the quality of the coating in vacuum coating technology depends on many factors.
  • One of these factors is the degree of ionization of particles in the vapor phase. In many cases, a higher degree of ionization causes some improvement in the coating properties.
  • the deposition rate is one of the most important factors that would make a procedure commercially viable.
  • Another very important coating property is the density of defects since the number of defects in a coating will determine the limitation of its practical use. Normally, vacuum coating processes with a high degree of ionization do not provide high deposition rates, and when they do, the number of defects tends to be very high.
  • the above inventions are based on several differentiated ionization sources in order to provide an ionization treatment along a large area substrate.
  • the very nature of the differentiated ionization sources represents a problem when the coating source is of a continuous nature and in those cases peaks and valleys of the coating properties along the substrate area can be expected. This is the result that the coating flow and the ionic flow are not uniform.
  • the present invention improves the operation and performance of the ionization process by providing a continuous ionization plasma along the substrate area.
  • the present invention also incorporates elements to adapt to gradual differences in the coating flow influencing a gradual change in the continuous ionic flow.
  • the present invention is especially suitable for when the coating flow is provided in a substantially continuous manner along the substrate area.
  • a substantially continuous ionization plasma source is provided which can provide uniform ionization over a wide area.
  • the invention can also produce gradual changes in ionization uniformity in order to adapt to the requirements of coating flow uniformity or surface treatment requirements.
  • the invention also relates to the use of this source for the improvement of the ionization of particles that can be noble gases, other gases (such as N 2 , 0 2 ), vapors (from liquid or solid sources) and nebulized media. It can work in reactive and non-reactive environments.
  • the present invention is based on a linear hollow cathode device.
  • the magnetic field is provided by magnetic elements that can be substantially permanent electromagnets or magnets to which a magnetic field has been linearized in order to provide an equivalent hollow electron trap along the source.
  • the present invention incorporates adjustable hollow cathode electrodes that optimize the trap length and hollow cathode space based on the size of the source and the operating pressure, the injection of gas flow and the nature of the gas.
  • the present invention requires a gas injection device that controls the distribution of gas along the linear length of the source.
  • the present invention also requires a remote anode element that is at a substantially positive potential with respect to the surrounding area and allows the extension of the linear hollow cathode plasma along a substantial length.
  • the particles that are required to be ionized can cross the linear plasma between the linear hollow cathode device and the anode element.
  • the anode element will have a structure that prevents it from being covered with non-conductive material, such as oxides.
  • a gas injection device is also required in the structural parts of the anode element.
  • the interaction of plasma with the substrate can controlled in order to control the specific coating deposition requirements, for example ionic bombardment by deposited atom.
  • Another embodiment of the present invention relates to the use of two linear hollow cathode devices operating in AC mode in which the units alternate their function as anode and cathode.
  • the present invention also relates to the use of these devices in both reactive and non-reactive environments, for example, deposition of AlOx from sources of Al evaporation or sputtering of Al. Another example is the use of the source. for plasma polymerization in which a monomer or catalyst can be ionized in order to create a polymerization reaction.
  • the present invention also relates to the use of a feedback control system that can incorporate different sensors such as optical sensors that observe plasma emissions, impedance sensors that observe for example the operating voltage, or partial gas sensors that by For example, they can observe the partial pressure of a gas, usually reactive gas which in turn is related to the degree of reaction and / or consumption in the process.
  • the feedback control system will produce adequate performances such as injections of gas or energy flow, current or voltage from the power supply.
  • the present invention also relates to substrates that may or may not be polarized.
  • the present invention relates to any application of cathode bombardment with magnetron such as discontinuous, decorative, net, glass and screen coaters. Description of the figures
  • Figure 1 shows a cross section of the state of the art showing differentiated cylindrical hollow cathode cannons that produce a plasma pen.
  • Figure 2 shows another cross section of the current state of the art showing different differentiated cylindrical hollow cathodes that produce corresponding plasma pens.
  • Figure 3 shows a cross section of the present invention in which a linear hollow cathode device produces a substantially continuous plasma.
  • Figure 4 shows another cross section of the present invention.
  • Figure 5 shows another cross section of the present invention.
  • Figure 6 shows a cross section of another arrangement of the present invention in which an anode element shown in Figures 4 and 5 is replaced by another linear hollow cathode device.
  • Figure 7 shows a cross section of a typical, but not exclusive, gas distribution element.
  • Figure 8 shows a cross section of a typical magnetic field line arrangement produced by magnetic elements.
  • Figure 9 shows a front view of an example of a linear hollow cathode device.
  • Figure 10 shows a cross section of a possible embodiment of the anode element.
  • Figure 11 shows a schematic of additional elements for the operation of the present invention.
  • Figure 1 shows a cross section of the current state of the art.
  • Differentiated cylindrical hollow cathode cannons (100) produce a plasma pen (60).
  • the source (7) of coating materials produces particles that will ionize as they pass through the plasma area (60) and a coating on the substrate (11) will occur.
  • FIG. 2 shows another cross-section of the current state of the art showing cathodes (100a-100e) differentiated cylindrical gaps. These sources will produce corresponding plasma pens (60a-60e). In this case the substrate (11) will be exposed to a series of areas of high ionization and areas of low ionization in which no plasma is present.
  • Figure 3 shows a cross section of the present invention in which the linear hollow cathode device (1) produces a substantially continuous plasma (6) that extends towards an operating anode element (5) and thereby provides a Uniform plasma exposure of the substrate (11) along the length of the linear hollow cathode.
  • the operating anode element (5) will be polarized at positive voltages greater than +1 volt. Normally between +20 and +400 volts.
  • FIG 4 shows another cross section of the present invention.
  • the linear hollow cathode device (1) contains a gas distribution element (2) in which a gas distribution cavity (2a), or a plurality of them, distributes a gas along the linear length of the element (2) gas distribution.
  • a gas distribution cavity (2a) Normally, a plurality of holes (2b) will release a uniform gas distribution over the main hollow cathode electrode space (10) defined by the positions of the gas distribution element (2) and electrodes (3a-3b) of hollow cathode.
  • the effect of the hollow cathode is improved by an adequate confinement of the magnetic field that is created by magnetic elements (4a-4b).
  • Adjustments (8a-8b) in the electrodes (3a-3b) of hollow cathode which allow the horizontal displacement of the electrodes, together with adjustments in the magnetic field confinement, allow a precise and adequate adjustment of the cathode device (1) linear gap for the start and maintenance of a stable plasma (6) that extends towards the anode element (5).
  • the anode element (5) in whole or in part, contains elements that are positively polarized with respect to the potential of the linear hollow cathode device (1) and the surrounding electrical potentials.
  • any particle generating device will produce a flow of material (7) that can be released by different phenomena (for example, and not exclusively: thermal evaporation, sublimation, fogging, cathodic bombardment, cathode arc, reactive gas, monomer vapor injection ).
  • the particles as they cross the plasma zone (6), will undergo plasma ionization or excitation (generally only partially but also can be entirely).
  • the particles will reach the substrate (11) in order to produce a surface treatment that can be for example etching, deposition of coating, polymerization, functionalization, surface cleaning, wear, etc.
  • the arriving particles will be on average at a higher energy level than the original material flow (7).
  • the magnetic field can be adjusted by means of the location of magnetic elements or electromagnetic adjustments in the magnetic elements (4a-4b), where the magnetic elements can comprise any plurality of permanent magnets, ferromagnetic materials and electromagnetic coils.
  • FIG. 5 shows another cross section of the present invention.
  • the linear hollow cathode device (1) contains a gas distribution element (2) in which a gas distribution cavity (2a), or a plurality of them, distributes a gas along the linear length of the element (2) .
  • a gas distribution cavity (2a) Normally, a plurality of holes (2b) will release a uniform gas distribution over the main hollow cathode electrode space (10) that is defined by the positions of the gas distribution element (2) and the electrodes (3a-3b) of hollow cathode.
  • the effect of the hollow cathode is improved by an adequate confinement of the magnetic field that is created by magnetic elements (4a-4b).
  • Adjustments (9a-9b) in the electrodes (3a-3b) of hollow cathode which allow a vertical displacement of the electrodes, together with adjustments in the magnetic field confinement, allow a precise and adequate adjustment of the cathode device (1) linear gap for the start and maintenance of a stable plasma (6) that extends towards the anode element (5).
  • the anode element (5) in whole or in part, contains elements that are positively polarized with respect to the potential of the linear hollow cathode device (1) and the surrounding electrical potentials.
  • any particle generating device it will produce a flow of material (7) that can be released by different phenomena (for example, and not exclusively: thermal evaporation, sublimation, nebulization, cathodic bombardment, cathodic arc, reactive gas, monomer vapor injection).
  • the particles as they cross the plasma zone (6) will undergo an ionization or excitation of plasma (generally only partially but can also be entirely).
  • the particles will reach the substrate (11) in order to produce a surface treatment that can be for example etching, coating deposition, polymerization, functionalization, surface cleaning, degassing, etc.
  • the arriving particles will be on average at a higher energy level than the original material flow (7).
  • the material (7) may undergo a transformation by the nature of the plasma exposure, for example from monomer to polymer, or by plasma gas chemistry, for example from aluminum to aluminum oxide if the gas injected into the plasma contains An adequate amount of oxygen.
  • Figure 6 shows a cross section of another arrangement of the present invention in which the anode element (5) of Figures 4 and 5 is replaced by another linear hollow cathode device (Ib). Therefore, the typical arrangement of this example has two linear hollow cathode devices (lap) that can be arranged in front of each other, as shown in this figure 6, or at a certain angle different from 180 degrees. Normally, but not exclusively, this arrangement will operate an AC medium frequency (in the range of 1-1000 kHz) by means of a suitable power supply (30).
  • an AC medium frequency in the range of 1-1000 kHz
  • linear hollow cathode devices (la-lb) alternate their functionality as cathode and anode, which in turn corresponds to the formation of alternative plasmas (6a-6b) usually at a very high frequency , without affecting therefore to the uniformity of the procedure on the substrate (11).
  • the material flow (7) will be affected by the ionization and excitation procedures in the combined plasma (6a-6b).
  • Figure 7 shows a cross section of a typical, but not exclusive, gas distribution element (2), in which a gas distribution cavity (2a), or a plurality of them, distributes a gas along the linear length of the element (2). Normally a plurality of holes (2b) will release a uniform gas distribution over the main hollow cathode electrode space.
  • a typical gas distribution element will consist of several cavities (2aa, 2ab, ... 2ay, 2az) of individual gas distribution.
  • the number of cavities can be any integer "1,2,3,4, ", however a preferred option is an odd number "1,3,5,7,9, ".
  • the number of cavities will depend on the length of the linear hollow cathode device (1) and the degree of uniformity control that needs to be achieved.
  • a gas injection (or a plurality of them) is provided in each of the corresponding cavities.
  • Gas injections (20aa, ... 20ay, 20az) can be prepared from a single gas or a mixture of gases and vapors.
  • Figure 8 shows a cross section of an arrangement (15) of typical magnetic field lines produced by the magnetic elements (4a-4b) in the main hollow cathode electrode space (10) defined by the electrodes (3a- 3b) hollow cathode.
  • the anode element 5 will produce a directional electric field (16) responsible for the extension of the plasma (6) (electron path) through the distance between the linear hollow cathode device (1) and the anode element (5) .
  • Figure 9 shows a front view of an example of a linear hollow cathode device (1), with magnetic elements (4a, 4b, 4c, 4d), responsible for creating the appropriate magnetic field.
  • the electrodes (3a, 3b, 3c, 3d) are responsible for the cathode component of the hollow cathode operation.
  • the injection of gas through a series of holes (2b) along the length of the device (1) will allow the generation of a hollow cathode discharge in the space (10) once all plasma discharge conditions are met necessary.
  • Figure 10 shows a cross section of a possible embodiment of the anode element (5).
  • the anode element (5) will have a protection (5a), which protects the inner anode (5b) against particle contamination .
  • the inner anode (5b) will normally have suitable cooling means (5c).
  • an injection (5d) of gas is desirable in order to increase the cleanliness of the inner anode (5b).
  • Something of gas injection will also allow complementary protection through active cleaning of the cooling means (5c).
  • the injected gases (5d) can generate negative ions that will be attracted to the positively charged inner anode (5b) and the anode element (5) is polarized to a suitable high positive potential (usually more than +200 volts) .
  • a suitable high positive potential usually more than +200 volts
  • oxygen is an example of these gases.
  • the inner anode (5b) will be responsible for the electric field (16) that will guide the generated electrons to the linear hollow cathode device (1).
  • Figure 11 shows a schematic of additional elements for the operation of the present invention.
  • a power supply (17) will connect both the linear hollow cathode device (1) and the anode element (5).
  • He anode element (5) has a normally positive potential with respect to earth and the potential can be varied by suitable means (18).
  • the plasma (6) will extend from the electron generation area (linear hollow cathode device (1)) to the anode element (5).
  • suitable sensors for example (12a-12b), which can be of an optical nature (for example, observing the generated plasma that will excite gas particles and also source material particles 7).
  • the sensor elements can be located in some cases behind the substrate (11), such as the sensor (12a) in this example, for example in the case of a transparent plastic net, or glass that allows to look through the transparency of the material thus also keeping the sensor elements clean of deposited material.
  • the sensors can also detect a suitable partial pressure, for example an oxygen sensor, or they can be based on impedance signals such as plasma discharge voltage, signals normally generated at the power supply (17). All such suitable signals are fed to the feedback controller (13) and suitable actions are ordered and executed by actuators (14), for example changes of the gas flow in the injection into gas distribution cavities (2a). Some actions can also be implemented in the source (7) of material (for example, releasing more or less material in the steam flow) and in the power source (17), for example.

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Abstract

Dispositivo de ionización, que comprende un dispositivo (1) de cátodo hueco lineal que presenta unos electrodos (3a y 3b) de cátodo hueco, los cuales definen un espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal en el que se confina un campo magnético creado mediante unos elementos (4a-4b) magnéticos; y un elemento (2) de distribución de gas en el que está reproducida una cavidad (2a) de distribución de gas que proporciona con una adecuada alimentación una distribución de gas uniforme en el espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal, y que en un adecuado ambiente de vacio puede producir una descarga de plasma (6) sustancialmente continua que se extiende espacialmente entre la posición de los electrodos (3a y 3b) de cátodo hueco y un elemento (5) de 'ánodo, en donde el plasma (6) extendido permite una amplia interacción con partículas que viajan desde la fuente (7) de material de revestimiento ionizada para producir un revestimiento o un tratamiento de plasma en una superficie del sustrato (11).

Description

DISPOSITIVO DE IONIZACIÓN
Sector de la técnica
Esta invención se refiere a la descarga de ionización en la tecnología de revestimiento a vacío aplicada a la mejora de la ionización de partículas principalmente no ionizadas en un entorno rarificado a baja presión. Las partículas pueden ser gases nobles, otros gases (tales como N2, 02) , vapores (de fuentes líquidas o sólidas) y medios nebulizados. Esta invención también se refiere al uso de tales dispositivos y control durante procedimientos no reactivos y reactivos, con o sin control del procedimiento por retroalimentación de plasma.
Estado de la técnica
La calidad del revestimiento en la tecnología de revestimiento a vacío depende de muchos factores. Uno de esos factores es el grado de ionización de partículas en la fase de vapor. En muchos casos, un grado mayor de ionización provoca alguna mejora en las propiedades de revestimiento. En los procedimientos de fabricación la tasa de deposición es uno de los factores más importantes que harían que un procedimiento fuera comercialmente viable. Otra propiedad de revestimiento muy importante es la densidad de defectos ya que el número de defectos en un revestimiento determinará la limitación de su uso práctico. Normalmente, los procedimientos de revestimiento a vacío con alto grado de ionización no proporcionan altas tasas de deposición, y cuando lo hacen, el número de defectos tiende a ser muy alto. Una manera de proporcionar una solución al problema es la separación entre la fuente de vapor, también llamada fuente de revestimiento, y la fuente de ionización, como en las siguientes invenciones en las que usan una serie de cañones de cátodo hueco. [FRAUNHOFER GES FORSCHUNG [DE] , documento DE19943379 (Al)]; [FRAUNHOFER GES FORSCHUNG [DE], documento US7541070 (B2)]; [FRAUNHOFER GES FORSCHUNG [DE] ; FAHLTEICH JOHN [DE] ; FAHLAND MATTHIAS [DE] ; SCHOENBERGER WALDE AR [DE]; SCHILLER NICOLAS [DE], documento DE102008019665 (Al), documento
WO2009127373 (Al)].
Las invenciones anteriores se basan en varias fuentes de ionización diferenciadas con el fin de proporcionar un tratamiento de ionización a lo largo de un sustrato de área grande. La propia naturaleza de las fuentes de ionización diferenciadas representa un problema cuando la fuente de revestimiento es de naturaleza continua y en esos casos pueden esperarse picos y valles de las propiedades de revestimiento a lo largo del área de sustrato. Esto es el resultado de que el flujo de revestimiento y el flujo iónico no son uniformes.
La presente invención mejora el funcionamiento y el rendimiento del procedimiento de ionización proporcionando un plasma de ionización continuo a lo largo del área de sustrato.
La presente invención también incorpora elementos para adaptarse a diferencias graduales en el flujo de revestimiento influyendo un cambio gradual en el flujo iónico continuo. La presente invención es especialmente adecuada para cuando el flujo de revestimiento se proporciona de una manera sustancialmente continua a lo largo del área de sustrato.
Objeto de la invención Según la presente invención se proporciona una fuente de plasma de ionización sustancialmente continua que puede suministrar una ionización uniforme en un área amplia. La invención también puede producir cambios graduales en la uniformidad de ionización con el fin de adaptarse a los requisitos de uniformidad de flujo de revestimiento o a los requisitos de tratamiento de la superficie.
La invención también se refiere al uso de esta fuente para la mejora de la ionización de partículas que pueden ser gases nobles, otros gases (tales como N2, 02) , vapores (a partir de fuentes líquidas o sólidas) y medios nebulizados. Puede funcionar en entornos reactivos y no reactivos.
La presente invención se basa en un dispositivo de cátodo hueco lineal. El campo magnético se proporciona por elementos magnéticos que pueden ser electroimanes o imanes sustancialmente permanentes a los que se les ha linealizado un campo magnético con el fin de proporcionar una trampa de electrones hueca equivalente a lo largo de la fuente. La presente invención incorpora electrodos de cátodo hueco ajustables que optimizan la longitud de trampa y espacio de cátodo hueco basándose en el tamaño de la fuente y la presión de funcionamiento, la inyección de flujo de gas y la naturaleza del gas. La presente invención requiere un dispositivo de inyección de gas que controla la distribución de gas a lo largo de la longitud lineal de la fuente. La presente invención también requiere un elemento de ánodo alejado que está a un potencial sustancialmente positivo con respecto al área circundante y permite la extensión del plasma de cátodo hueco lineal a lo largo de una longitud sustancial. En la presente invención se pretende que las partículas que se requiere ionizar puedan cruzar el plasma lineal entre el dispositivo de cátodo hueco lineal y el elemento de ánodo. Normalmente para las deposiciones reactivas el elemento de ánodo tendrá una estructura que evita que se cubra con material no conductor, tal como óxidos. Normalmente, en esos casos también se requiere un dispositivo de inyección de gas en las partes estructurales del elemento de ánodo.
Además, la interacción del plasma con el sustrato puede controlarse con el fin de controlar los requisitos de deposición de revestimiento específicos, por ejemplo bombardeo iónico por átomo depositado.
Otra realización de la presente invención se refiere al uso de dos dispositivos cátodos huecos lineales que funcionan en modo de CA en los que las unidades alternan su función como ánodo y cátodo.
La presente invención también se refiere al uso de estos dispositivos en entornos tanto reactivos como no reactivos, por ejemplo, deposición de AlOx a partir de fuentes de evaporación de Al o bombardeo catódico (sputtering) de Al. Otro ejemplo es el uso de la fuente para la polimerización por plasma en la que pueden ionizarse un monómero o un catalizador con el fin de crear una reacción de polimerización.
La presente invención también se refiere al uso de un sistema de control por retroalimentación que puede incorporar diferentes sensores tales como sensores ópticos que observan las emisiones de plasma, sensores de impedancia que observan por ejemplo el voltaje de funcionamiento, o sensores de gas parcial que por ejemplo pueden observar la presión parcial de un gas, normalmente gas reactivo que a su vez está relacionada con el grado de reacción y/o consumo en el procedimiento. El sistema de control por retroalimentación producirá actuaciones adecuadas tales como inyecciones de flujo de gas o energía, corriente o voltaje de la fuente de alimentación.
La presente invención también se refiere a sustratos que pueden estar polarizados o no.
La presente invención se refiere a cualquier aplicación de bombardeo catódico con magnetrón tal como recubridoras discontinuas, decorativas, red, vidrio y pantalla. Descripción de las figuras
La invención se describirá adicionalmente sólo a modo de ejemplo con referencia a las siguientes figuras en las que:
La figura 1 muestra una sección transversal del estado de la técnica actual mostrando unos cañones de cátodo hueco cilindricos diferenciados que producen una pluma de plasma.
La figura 2 muestra otra sección transversal del estado de la técnica actual que muestra cátodos huecos cilindricos diferenciados diferentes que producen plumas de plasma correspondientes .
La figura 3 muestra una sección transversal de la presente invención en la que un dispositivo de cátodo hueco lineal produce un plasma sustancialmente continuo.
La figura 4 muestra otra sección transversal de la presente invención.
La figura 5 muestra otra sección transversal de la presente invención.
La figura 6 muestra una sección transversal de otra disposición de la presente invención en la que un elemento de ánodo representado en las figuras 4 y 5 se sustituye por otro dispositivo de cátodo hueco lineal.
La figura 7 muestra una sección transversal de un elemento de distribución de gas típico, pero no exclusivo.
La figura 8 muestra una sección transversal de una disposición de lineas de campo magnético típica producida por elementos magnéticos. La figura 9 muestra una vista frontal de un ejemplo de un dispositivo cátodo hueco lineal.
La figura 10 muestra una sección transversal de una posible realización del elemento de ánodo.
La figura 11 muestra un esquema de elementos adicionales para el funcionamiento de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 muestra una sección transversal del estado de la técnica actual. Cañones (100) de cátodo hueco cilindricos diferenciados producen una pluma (60) de plasma. La fuente (7) de materiales de revestimiento produce partículas que se ionizarán a medida que atraviesan el área del plasma (60) y se producirá un revestimiento en el sustrato (11) ·
La figura 2 muestra otra sección transversal del estado de la técnica actual que muestra cátodos (100a-100e) huecos cilindricos diferenciados diferentes. Estas fuentes producirán plumas (60a-60e) de plasma correspondientes. En este caso el sustrato (11) se expondrá a una serie de áreas de alta ionización y áreas de baja ionización en las que no hay plasma presente .
La figura 3 muestra una sección transversal de la presente invención en la que el dispositivo (1) de cátodo hueco lineal produce un plasma (6) sustancialmente continuo que se extiende hacia un elemento de ánodo (5) de funcionamiento y de esa manera proporciona una exposición al plasma uniforme del sustrato (11) a lo largo de la longitud del cátodo hueco lineal. Normalmente el elemento de ánodo (5) de funcionamiento estará polarizado a voltajes positivos superiores a +1 voltio. Normalmente entre +20 y +400 voltios.
La figura 4 muestra otra sección transversal de la presente invención. El dispositivo (1) de cátodo hueco lineal contiene un elemento (2) de distribución de gas en el que una cavidad (2a) de distribución de gas, o una pluralidad de ellas, distribuye un gas a lo largo de la longitud lineal del elemento (2) de distribución de gas. Normalmente, una pluralidad de orificios (2b) liberará una distribución de gas uniforme sobre el espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal que se define por las posiciones del elemento (2) de distribución de gas y unos electrodos (3a-3b) de cátodo hueco. El efecto del cátodo hueco se mejora mediante un confinamiento adecuado del campo magnético que se crea mediante unos elementos (4a-4b) magnéticos. Ajustes (8a-8b) en los electrodos (3a-3b) de cátodo hueco, que permiten el desplazamiento horizontal de los electrodos, junto con ajustes en el confinamiento de campo magnético, permiten un ajuste preciso y adecuado del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal para el inicio y el mantenimiento de un plasma (6) estable que se extiende hacia el elemento (5) de ánodo. El elemento (5) de ánodo, en su totalidad o en parte, contiene elementos que están polarizados positivamente con respecto al potencial del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal y los potenciales eléctricos circundantes. Normalmente, cualquier dispositivo generador de partículas producirá un flujo de material (7) que puede liberarse mediante diferentes fenómenos (por ejemplo, y no exclusivamente: evaporación térmica, sublimación, nebulización, bombardeo catódico, arco catódico, gas reactivo, inyección de vapor de monómero) . Las partículas, a medida que cruzan la zona de plasma (6), se someterán a una ionización o excitación de plasma (generalmente sólo en parte pero también puede ser en su totalidad) . Entonces las partículas llegarán al sustrato (11) con el fin de producir un tratamiento de la superficie que puede ser por ejemplo grabado, deposición de revestimiento, polimerización, funcionalización, limpieza de la superficie, desgasado, etc. Las partículas que llegan estarán de media a un nivel de energía superior al del flujo original de material (7) .
El campo magnético puede ajustarse por medio de la ubicación de elementos magnéticos o ajustes electromagnéticos en los elementos magnéticos (4a-4b) , donde los elementos magnéticos pueden comprender cualquier pluralidad de imanes permanentes, materiales ferromagnéticos y bobinas electromagnéticas .
La figura 5 muestra otra sección transversal de la presente invención. El dispositivo (1) de cátodo hueco lineal contiene un elemento (2) de distribución de gas en el que una cavidad (2a) de distribución de gas, o una pluralidad de ellas, distribuye un gas a lo largo de la longitud lineal del elemento (2) . Normalmente, una pluralidad de orificios (2b) liberará una distribución de gas uniforme sobre el espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal que se define mediante las posiciones del elemento (2) de distribución de gas y los electrodos (3a-3b) de cátodo hueco. El efecto del cátodo hueco se mejora mediante un confinamiento adecuado del campo magnético que se crea mediante elementos (4a-4b) magnéticos. Ajustes (9a-9b) en los electrodos (3a-3b) de cátodo hueco, que permiten un desplazamiento vertical de los electrodos, junto con ajustes en el confinamiento de campo magnético, permiten un ajuste preciso y adecuado del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal para el inicio y el mantenimiento de un plasma (6) estable que se extiende hacia el elemento (5) de ánodo. El elemento (5) de ánodo, en su totalidad o en parte, contiene elementos que están polarizados positivamente con respecto al potencial del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal y los potenciales eléctricos circundantes. Normalmente, cualquier dispositivo generador de partículas producirá un flujo de material (7) que puede liberarse mediante diferentes fenómenos (por ejemplo, y no exclusivamente: evaporación térmica, sublimación, nebulización, bombardeo catódico, arco catódico, gas reactivo, inyección de vapor de monómero) . Las partículas a medida que cruzan la zona de plasma (6) se someterán a una ionización o excitación de plasma (generalmente sólo en parte pero también puede ser en su totalidad) . Entonces las partículas llegarán al sustrato (11) con el fin de producir un tratamiento de la superficie que puede ser por ejemplo grabado, deposición de revestimiento, polimerización, funcionalización, limpieza de la superficie, desgaseado, etc. Las partículas que llegan estarán de media a un nivel de energía superior al del flujo original de material (7). El material (7) puede experimentar una transformación por la naturaleza de la exposición a plasma, por ejemplo de monómero a polímero, o por la química de gas de plasma, por ejemplo de aluminio a óxido de aluminio si el gas inyectado en el plasma contiene una cantidad adecuada de oxígeno.
La figura 6 muestra una sección transversal de otra disposición de la presente invención en la que el elemento de ánodo (5) de las figuras 4 y 5 se sustituye por otro dispositivo (Ib) de cátodo hueco lineal. Por tanto, la disposición típica de este ejemplo tiene dos dispositivos (la- lb) de cátodo hueco lineal que pueden disponerse uno en frente de otro, tal como se representa en esta figura 6, o a un cierto ángulo diferente de 180 grados. Normalmente, pero no exclusivamente, esta disposición funcionará una frecuencia de medio de CA (en el intervalo de 1-1000 kHz) por medio de una fuente (30) de alimentación adecuada. Cuando se funciona en modo de CA, los dispositivos (la-lb) de cátodo hueco lineal alternan su funcionalidad como cátodo y ánodo, lo que a su vez corresponde a que se forman habitualmente plasmas (6a-6b) alternativos a una frecuencia muy alta, sin afectar por tanto a la uniformidad del procedimiento sobre el sustrato (11) . El flujo de material (7) se verá afectado por los procedimientos de ionización y excitación en el plasma (6a-6b) combinado.
La figura 7 muestra una sección transversal de un elemento (2) de distribución de gas típico, pero no exclusivo, en el que una cavidad (2a) de distribución de gas, o una pluralidad de ellas, distribuye un gas a lo largo de la longitud lineal del elemento (2) . Normalmente una pluralidad de orificios (2b) liberará una distribución de gas uniforme sobre el espacio de electrodo de cátodo hueco principal. Para fines de diseño de uniformidad un elemento de distribución de gas típico estará compuesto por varias cavidades (2aa, 2ab,...2ay, 2az) de distribución de gas individuales. El número de cavidades puede ser cualquier número entero "1,2,3,4,...", sin embargo una opción preferida es un número impar "1,3,5,7,9,...". El número de cavidades dependerá de la longitud del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal y del grado de control de la uniformidad que se necesita alcanzar. En cada una de las cavidades correspondientes se proporciona una inyección de gas (o una pluralidad de ellas) . Las inyecciones (20aa, ...20ay, 20az) de gas pueden prepararse de un único gas o una mezcla de gases y vapores.
La figura 8 muestra una sección transversal de una disposición (15) de líneas de campo magnético típica producida por los elementos (4a-4b) magnéticos en el espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal que se define por los electrodos (3a-3b) de cátodo hueco. El elemento 5 de ánodo producirá un campo (16) eléctrico direccional responsable de la extensión del plasma (6) (trayectoria de electrones) a través de la distancia entre el dispositivo (1) de cátodo hueco lineal y el elemento (5) de ánodo.
La figura 9 muestra una vista frontal de un ejemplo de un dispositivo (1) cátodo hueco lineal, con elementos (4a, 4b, 4c, 4d) magnéticos, responsable de la creación del campo magnético adecuado. Los electrodos ( 3a, 3b, 3c, 3d) son responsables del componente catódico del funcionamiento de cátodo hueco. La inyección de gas a través de una serie de orificios (2b) a lo largo de la longitud del dispositivo (1) permitirá generar una descarga de cátodo hueco en el espacio (10) una vez que se cumplan todas las condiciones de descarga de plasma necesarias.
La figura 10 muestra una sección transversal de una posible realización del elemento (5) de ánodo. Normalmente, especialmente cuando el funcionamiento del elemento (5) de ánodo depende de un estado de ánodo limpio estable, el elemento (5) de ánodo tendrá una protección (5a) , que protege al ánodo (5b) interior frente a la contaminación con partículas. El ánodo (5b) interior tendrá normalmente medios de enfriamiento (5c) adecuados. En muchos casos es deseable una inyección (5d) de gas con el fin de aumentar la limpieza del ánodo (5b) interior. Algo de inyección de gas también permitirá una protección complementaria mediante limpieza activa de los medios de enfriamiento (5c) . Esto se produce generalmente cuando los gases (5d) inyectados pueden generar iones negativos que se atraerán al ánodo (5b) interior cargado positivamente y el elemento (5) de ánodo se polariza a un potencial positivo alto adecuado (normalmente más de +200 voltios). Un ejemplo de estos gases es el oxígeno. El ánodo (5b) interior será responsable del campo (16) eléctrico que guiará a los electrones generados al dispositivo (1) de cátodo hueco lineal.
La figura 11 muestra un esquema de elementos adicionales para el funcionamiento de la presente invención. Normalmente una fuente (17) de alimentación conectará tanto el dispositivo (1) de cátodo hueco lineal como el elemento (5) de ánodo. El elemento (5) de ánodo tiene un potencial normalmente positivo con respecto a tierra y el potencial puede hacerse variar mediante medios (18) adecuados. El plasma (6) se extenderá desde el área de generación de electrones (dispositivo (1) de cátodo hueco lineal) hacia el elemento (5) de ánodo. Será posible instalar un control de retroalimentación adecuado en el funcionamiento del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal por medio de sensores adecuados, por ejemplo (12a-12b) , que pueden ser de naturaleza óptica (por ejemplo que observan el plasma generado que excitará partículas de gas y también partículas de material de la fuente 7). Los elementos de sensor pueden estar situados en algunos casos detrás del sustrato (11) , tal como el sensor (12a) en este ejemplo, por ejemplo en el caso de una red de plástico transparente, o vidrio que permite mirar a través de la transparencia del material manteniendo así también los elementos de sensor limpios de material depositado. Los sensores también pueden detectar una presión parcial adecuada, por ejemplo un sensor de oxígeno, o pueden basarse en señales de impedancia tales como el voltaje de descarga de plasma, señales generadas normalmente en la fuente (17) de alimentación. Todas esas señales adecuadas se alimentan al controlador (13) de retroalimentación y se ordenan y ejecutan acciones adecuadas mediante accionadores (14) , por ejemplo cambios del flujo de gas en la inyección a cavidades (2a) de distribución de gas. Algunas acciones también pueden implementarse en la fuente (7) de material (por ejemplo, liberando más o menos material en el flujo de vapor) y en la fuente (17) de alimentación, por ejemplo .

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo de ionización, que produce un plasma (6) a través del cual se ionizan unas partículas procedentes de una fuente (7) de material de revestimiento para producir un revestimiento en un sustrato (11) , caracterizado en que el dispositivo de ionización comprende un dispositivo (1) de cátodo hueco lineal que presenta unos electrodos (3a y 3b) de cátodo hueco, los cuales definen un espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal en el que se confina un campo magnético creado mediante unos elementos (4a-4b) magnéticos; y un elemento (2) de distribución de gas en el que está reproducida una cavidad (2a) de distribución de gas que proporciona con una adecuada alimentación una distribución de gas uniforme en el espacio (10) de electrodo de cátodo hueco principal, y que en un adecuado ambiente de vacio puede producir una descarga de plasma (6) sustancialmente continua que se extiende espacialmente entre la posición de los electrodos (3a y 3b) de cátodo hueco y un elemento (5) de ánodo, en donde el plasma (6) extendido permite una amplia interacción con partículas que viajan desde la fuente (7) de material de revestimiento ionizada para producir un revestimiento o un tratamiento de plasma en la superficie del sustrato (11) .
2. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que en lugar de el elemento (5) de ánodo se dispone un dispositivo (Ib) de cátodo hueco lineal enfrentado respecto de un dispositivo (la) de cátodo hueco lineal y en relación con ellos una fuente (30) de alimentación que permite alternar el funcionamiento de dichos dispositivos (la y Ib) como ánodos y como cátodos.
3. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que la cavidad (2a) de distribución de gas está dividida en cualquier número de cavidades (2aa, 2ab, ... ) de distribución de gas individuales que mediante un control independiente del flujo de gas asignado a cada cavidad pueden proporcionar una inyección de gas deseable (20aa, ...20ay) a lo largo de la longitud del dispositivo (1) de cátodo hueco lineal cuando se inyecta en el espacio (10) de electrodo de cátodo hueco.
4. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el gas inyectado puede comprender un único gas o una mézala de gases y/o vapores.
5. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que los electrodos (3a y 3b) de cátodo hueco son ajustables mediante medios de desplazamiento vertical y mediante medios de desplazamiento horizontal .
6. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el campo magnético se ajusta por medio de colocación de elementos magnéticos, o por medio de ajustes electromagnéticos en los elementos magnéticos (4a-4b) , donde los elementos magnéticos pueden comprender cualquier pluralidad de imanes permanentes, materiales ferromagnéticos y bobinas electromagnéticas.
7. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el elemento (5) de ánodo está constituido por una protección (5a) preservadora de un ánodo (5b) interior dotado de unos medios de enfriamiento (5c) , y por una inyección (5d) de gas para una estabilidad del proceso a largo plazo permaneciendo el ánodo (5b) interior limpio de contaminantes durante el proceso.
8. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el elemento (5) de ánodo dispone de medios (18) para variar su potencial.
9. - Dispositivo de ionización, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el dispositivo (1) de cátodo hueco lineal dispone de un sistema de realimentación en donde unos sensores (12a y 12b) envían señales del proceso a un controlador (13) , el cual comanda unos accionadores (14) que producen cambios en los flujos de inyección de gas en las cavidades (2a), o cambios en la fuente (7) de material de revestimiento .
10. - Método de procesamiento, deposición, o tratamiento por plasma de un componente o sustrato mediante el empleo del dispositivo de ionización de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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