ES2235178T3 - Procedimiento y aparato para revestir un substrato. - Google Patents
Procedimiento y aparato para revestir un substrato.Info
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Abstract
PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA FORMACION DE UN REVESTIMIENTO SOBRE UN SUSTRATO (1) QUE SE DESPLAZA A TRAVES DE UN RECINTO (2), CONSISTIENDO ESTE PROCEDIMIENTO EN FORMAR EL REVESTIMIENTO POR UNA EVAPORACION SEGUIDA DE UNA CONDENSACION Y POR UNA PULVERIZACION CATODICA SIMULTANEA DE ESTE ELEMENTO A PARTIR DE UNA DIANA (4) SOBRE EL SUSTRATO (1) Y EN AJUSTAR LA RELACION DE LAS CANTIDADES DEL ELEMENTO QUE SE EVAPORAN Y PULVERIZAN SIMULTANEAMENTE ACTUANDO SOBRE EL APORTE DE ENERGIA A LA DIANA (4).
Description
Procedimiento y aparato para revestir un
substrato.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de formación de un revestimiento a base de un
elemento, en particular de un metal, sobre un substrato dentro de un
recinto que comprende un blanco que presenta una capa superficial
orientada hacia el substrato y que contiene el elemento,
comprendiendo este procedimiento:
- -
- un mantenimiento del blanco a un potencial negativo con respecto al substrato, una creación de un plasma entre dicha capa superficial y el substrato, dentro de un campo magnético, y una puesta del blanco a una temperatura suficiente para permitir que dicho elemento tenga una tensión de vapor dentro del recinto que dé lugar a un paso a un estado de vapor,
- -
- un paso a un estado de vapor de una primera cantidad de dicho elemento de la capa superficial para formar un vapor y una condensación de este vapor sobre el substrato,
- -
- simultáneamente al paso a un estado de vapor y a la condensación, una pulverización catódica de la capa superficial del blanco para depositar sobre el substrato una segunda cantidad del citado elemento,
- -
- una regulación de la densidad de potencia disipada en el blanco, y
- -
- una transferencia térmica entre el blanco y un sistema de enfriamiento.
(véanse por ejemplo los documentos
US-A-3.799.862 y R.C. Krutenat y
W.R. Gesick, Vapor Deposition by Liquid Phase Sputtering. The
Journal of Vacuum Science and Technology, vol. 7, nº 6, 1970, 540 a
544).
La presente invención propone más particularmente
un procedimiento para la formación de un revestimiento sobre un
substrato por condensación de un elemento sobre este substrato que
se desplaza a través de un recinto donde tiene lugar la evaporación
de dicho elemento.
Los procedimientos conocidos hasta el presente
del tipo citado presentan en particular el inconveniente de que, en
ciertos casos, sobre todo tratándose de espesores de revestimiento
relativamente importantes, se pueden plantear problemas de
adherencia.
Además, la homogeneidad del revestimiento tanto
desde el punto de vista de la composición como desde el punto de
vista del espesor no siempre es constante.
Uno de los objetos esenciales de la presente
invención es el de evitar estos inconvenientes y asegurar así una
muy buena adherencia del revestimiento al propio substrato para
espesores relativamente importantes, al tiempo que se aseguran
velocidades de depósito y, por consiguiente, un rendimiento,
elevados.
Para resolver este problema, se prevé, según la
invención, un procedimiento tal como queda descrito al principio,
procedimiento que comprende además,
- -
- un desplazamiento continuo del substrato a través del recinto, con formación continua de dicho revestimiento sobre este substrato en movimiento,
- -
- un control de una relación entre dicha primera cantidad y dicha segunda cantidad de dicho elemento durante la formación del revestimiento sobre el substrato, haciendo variar la conductibilidad térmica entre el blanco y el sistema de enfriamiento y la disipación de densidad de potencia en el blanco.
Se indican otras formas de realización del
procedimiento según la invención en las reivindicaciones
adjuntas.
Se desprenderán otros detalles y particularidades
de la invención de la descripción que damos a continuación, a titulo
de ejemplo no limitativo de una forma de realización particular de
la invención, con referencia a la figura única adjunta que
representa esquemáticamente un corte vertical y longitudinal de un
dispositivo específico para la realización del procedimiento de la
invención.
Se refiere la invención, de manera general, a un
procedimiento, de preferencia continuo, para la formación de un
revestimiento sobre cualquier tipo de substrato, que consiste en la
combinación de la técnica de la evaporación y condensación al vacío,
conocida ya en sí misma, y la técnica de pulverización catódica,
llamada también "sputtering", igualmente ya conocida en sí
misma.
Según la invención, se ha comprobado, en efecto,
que aplicando simultáneamente estas dos técnicas conocidas, tiene
lugar cierto efecto sinérgico mutuo que tiene como resultado evitar
los inconvenientes que presenta cada una de estas técnicas
utilizadas separadamente.
Por el procedimiento según la invención, es
posible realizar sobre un substrato o soporte depósitos a muy alta
velocidad, de modo que se puede realizar ventajosamente en continuo.
Además, se obtienen revestimientos de una perfecta homogeneidad y
una mejor adherencia si se compara con la utilización de la técnica
de evaporación al vacío sola. La parte de una o de otra de las
técnicas en la formación del revestimiento citado es función de la
densidad de potencia mantenida en el blanco y de la transferencia
térmica entre el blanco y el sistema de enfriamiento que fijan la
temperatura del blanco, así como del tipo de elemento que se trata
de evaporar y de pulverizar.
Así pues, según la invención y como aparece
ilustrado por la figura, se desplaza el substrato 1 que se trata de
cubrir por un revestimiento de preferencia metálico 2 a través de un
recinto puesto al vacío 3, en el cual tiene lugar la evaporación y
la pulverización catódica del elemento de que está constituido el
revestimiento 2.
Aunque no se limita la invención a la formación
de un revestimiento metálico, para mayor facilidad de la exposición,
únicamente se hará aquí mención a un metal como elemento, del que
esté constituido el revestimiento.
En la forma de realización específica mostrada en
la figura citada, el substrato 1 está formado por una lámina
metálica, en particular por una chapa de acero que atravesará el
recinto 3 de manera continua.
Este recinto 3 comprende un blanco 4 que presenta
una capa superficial 5 orientada hacia el substrato 1 y que contiene
el metal destinado a formar el revestimiento 2, en estado líquido.
Este blanco 4 está, en la práctica, formado de preferencia por, un
crisol que contiene el citado metal en estado líquido. Este crisol 4
está realizado con una materia que puede resistir temperaturas
elevadas del orden de 1000ºC a 1300ºC y que, a estas temperaturas
elevadas no es atacada por el elemento que contiene. Puede estar
constituido por una materia no conductora de la electricidad, tal
como alúmina, nitruro de boro, etc., o una materia conductora de la
electricidad, tal como carbono, molibdeno, tungsteno, etc. La
elección de esta materia depende esencialmente de sus propiedades de
resistencia frente al metal que se trate de evaporar y de
pulverizar.
En el caso de que el crisol 4 esté realizado con
una materia no conductora, una aplicación de corriente 6 debe
permitir alimentar en potencia el metal que se trate de evaporar.
Si, por el contrario, el crisol está hecho con una materia
conductora de la electricidad, puede estar sustentado mecánicamente
por una aplicación de corriente. Sin embargo, incluso en el caso de
un crisol realizado con una materia conductora, puede ser preferible
utilizar una aplicación de corriente 6 directamente en contacto con
el metal que se trate de evaporar y pulverizar, con el fin de
asegurar un buen contacto eléctrico, independientemente de las
dilataciones térmicas. Las paredes laterales de un crisol hecho con
una materia conductora quedan ventajosamente aisladas eléctricamente
por una pantalla 7, que permite evitar la formación de una descarga
(plasma) sobre los lados del crisol, y así la pulverización catódica
en estas paredes laterales. La relación de las cantidades, que son
simultáneamente evaporadas y pulverizadas, es regulada actuando
sobre la temperatura del blanco y haciendo variar la potencia
disipada en el blanco y la conductibilidad térmica entre el blanco y
el sistema de enfriamiento. Este control térmico permite que el
elemento, en particular el metal, contenido en el crisol 4 alcance
temperaturas suficientes a fin de que la tensión de vapor dentro del
recinto 3 dé lugar eventualmente a un proceso de evaporación al
vacío. Además, el crisol 4 queda dispuesto por encima de un circuito
magnético 8, permitiendo así una descarga magnetrón. Este circuito 8
se alimenta de preferencia con corriente continua.
El circuito 8 se enfría por una circulación de
agua para mantenerlo a una temperatura de 15ºC a 60ºC, de
preferencia del orden de 20ºC a 40ºC.
Por otra parte, el control térmico del crisol 4
se realiza por medios conocidos en sí mismos, tales como una
regulación de la transferencia térmica por elementos de aislamiento
de conductibilidad térmica constante o variable 9 dispuestos por
debajo del crisol 4, permitiendo mantener la temperatura del crisol
4 entre 200ºC y 1500ºC, según sea la naturaleza del metal contenido
en el mismo, por ejemplo del orden de 1200ºC en el caso del estaño.
La temperatura determina la tensión de vapor y por tanto el tiempo
de evaporación del metal.
Según una variante de la invención, el citado
control térmico puede comprender un fluido regulador conductor del
tipo descrito en el documento EP-A-0
685 571.
Para permitir la pulverización catódica, el metal
líquido 5 que se trata de evaporar y de pulverizar, contenido en el
crisol 4 se mantiene a un potencial negativo con respecto al
substrato 1 y se crea un plasma 10 a proximidad del nivel de este
metal líquido 5 gracias a la presencia del circuito magnético 8.
Se introduce un gas inerte, tal como argón, en el
recinto 3 por unos inyectores 11, dirigidos de preferencia
oblicuamente, hacia el plasma 10 y hacia el metal líquido 5
contenido en el crisol 4.
De este modo, se ioniza este gas y los iones así
formados bombardean la superficie del metal líquido 5, expulsando
partículas de este metal hacia el substrato.
El documento
EP-A-0 685 571, describe un
procedimiento de pulverización catódica que es aplicable dentro del
marco de la presente invención mediante una regulación apropiada de
la temperatura del crisol en el sentido arriba descrito, para
obtener la tensión de vapor requerida del metal citado por encima
del crisol 4.
La regulación de la velocidad de depósito de este
metal sobre el substrato se obtiene, según la invención, por el
efecto conjugado de la regulación de la densidad de potencia y de la
transferencia térmica.
Según una forma de realización particular del
procedimiento conforme a la invención, se mantiene la descarga o el
plasma en el vapor formado del metal por encima del crisol. Se ha
comprobado que, en este caso, el flujo de gas inerte proyectado en
el plasma por los inyectores 11 puede reducirse mucho o incluso
suprimirse.
Se ha comprobado que puede obtenerse una descarga
estable si la presión total del gas, incluido el vapor de metal así
como el gas inerte, dentro del recinto, está comprendida entre 0,002
y 0,5 Torr.
El procedimiento según la invención es
esencialmente aplicable con estaño, aluminio, cinc, cromo y níquel
como metal para evaporar y pulverizar simultáneamente.
El crisol 4 puede estar, por ejemplo, formado con
grafito, alúmina o molibdeno.
Damos a continuación algunos datos numéricos de
pruebas efectuadas por medio de un dispositivo del tipo del que
aparece en la figura adjunta, en el cual el metal era estaño.
El substrato estaba formado por una chapa de
acero de 0,25 mm, estando una de las caras cubierta por un
revestimiento de estaño.
En estas pruebas, la regulación térmica tuvo
lugar esencialmente por medio de una lámina de mica reguladora que
presentaba una conductividad térmica de 0,35 Wm^{-1}K^{-1} y un
espesor de 3 mm.
Se han obtenido los siguientes resultados:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En la prueba nº 3, la tensión de vapor P_{sn}
era de 5,10^{-3} Torr, lo cual permitió cortar el flujo de argón,
utilizado como gas inerte para ionizar.
En el caso de ser perfecto el contacto
térmico:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Los resultados de las pruebas nº 1 a 3 indican
cuál es la influencia de la densidad de potencia.
La comparación de los resultados de las pruebas
nº 3 y 4 muestra que la pulverización pura (contacto térmico
perfecto) requiere cinco veces más potencia que la pulverización más
la evaporación (3 mm de mica) para una velocidad de depósito
equivalente del orden de 4 \mum/min.
Si, en la prueba nº 3, se enfrió la chapa, el
aumento de la temperatura era de 1 K, mientras que tratándose de una
chapa no enfriada, este aumento fue de 69 K.
En la prueba nº 4, el aumento de la temperatura
para una chapa enfriada era de 0,15 K y tratándose de una chapa no
enfriada de 14 K.
Quede bien entendido que no se limita la
invención a la forma de realización descrita del procedimiento para
la formación de un revestimiento sobre un substrato y del
dispositivo representado en la figura adjunta, sino que pueden
considerarse muchas variantes sin salir del marco de la presente
invención, en particular por lo que respecta a la naturaleza del
substrato que se trate de cubrir, al elemento de que esté formado el
revestimiento a los medios de regulación térmica, etc.
Así pues, en el caso de que el elemento citado
esté formado por cinc, éste puede estar presente en estado sólido y
calentarse a una temperatura del orden de 450 a 500ºC, para obtener
una sublimación suficientemente importante del cinc. El cinc puede,
por ejemplo, presentarse bajo la forma de gránulos dentro del
crisol.
Por consiguiente, dentro del marco de la presente
invención, por el término "evaporación" debe comprenderse el
paso al estado de vapor tanto a partir de un elemento en estado
líquido como en el estado sólido, al blanco.
Claims (8)
1. Procedimiento de formación de un revestimiento
a base de un elemento, en particular de un metal, sobre un
substrato, dentro de un recinto que comprende un blanco que presenta
una capa superficial orientada hacia el substrato y que contiene el
elemento, comprendiendo este procedimiento:
- -
- un mantenimiento del blanco a un potencial negativo con relación al substrato, una creación de un plasma entre dicha capa superficial y el substrato, dentro de un campo magnético, y una puesta del blanco a una temperatura suficiente para permitir que dicho elemento presente una tensión de vapor dentro del recinto que dé lugar a un paso a un estado de vapor,
- -
- un paso a un estado de vapor de una primera cantidad de dicho elemento de la capa superficial para formar un vapor y una condensación de este vapor sobre el substrato,
- -
- simultáneamente al paso a un estado de vapor y a la condensación, una pulverización catódica de la capa superficial del blanco para depositar sobre el substrato una segunda cantidad del citado elemento,
- -
- una revelación de densidad de potencia disipada en el blanco, y
- -
- una transferencia térmica entre el blanco y un sistema de enfriamiento,
caracterizado porque
comprende
además
- -
- un desplazamiento continuo del substrato a través del recinto, con formación continua de dicho revestimiento sobre este substrato en movimiento, y
- -
- una regulación de una relación entre dicha primera cantidad y dicha segunda cantidad del citado elemento durante la formación del revestimiento sobre el substrato, haciendo variar la conductibilidad térmica entre el blanco y el sistema de enfriamiento y la disipación de densidad de potencia en el blanco.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende para la creación del plasma,
una introducción de un flujo de gas inerte en el recinto y el
mantenimiento del plasma en un gas formado por el gas inerte y dicho
vapor del elemento.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se crea un plasma en el vapor formado
por evaporación del elemento a partir del blanco.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el blanco es un
crisol dispuesto por encima de un circuito magnético que es
enfriado, permite una descarga magnetrón y está de preferencia
alimentado con corriente continua.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se mantiene una
presión de gas entre el blanco y el substrato superior a 0,002 Torr
y como máximo 0,5 Torr.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se aplica la
pulverización catódica citada sensiblemente en ausencia de un gas
inerte ionizado, tal como argón.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende además
un mantenimiento del plasma a proximidad de la citada capa
superficial del blanco utilizándose un circuito magnético.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el elemento está
escogido dentro del grupo formado por el estaño, el aluminio, el
cinc, el cromo y el níquel.
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