BRPI0610874A2 - aparelho e processo para revestimento de um substrato - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a um aparelho para revestimento de um substrato usando deposição física de vapor, compreendendo uma câmara de vácuo, na qual uma bobina (1) é colocada para manter uma quantidade de material condutor (10) em levitação e para aquecimento e evaporação desse material, usando uma corrente elétrica variável na bobina, e em que meios (3) são colocados na bobina para isolá-la do material levitado. De acordo com a invenção, o aparelho é caracterizado pelo fato de que os meios isolantes são parte de um recipiente (2), feito de material condutor, o recipiente tendo uma ou mais aberturas (5) para direcionar o material condutor evaporado para o substrato a ser revestido. A invenção se refere a um processo para revestimento de um substrato usando deposição física de vapor.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOE PROCESSO PARA REVESTIMENTO DE UM SUBSTRATO".
A presente invenção refere-se a um aparelho para revestimentode um substrato usando deposição física de vapor, compreendendo umacâmara de vácuo, na qual uma bobina é colocada para manter uma quanti-dade de material condutor em levitação e para aquecimento e evaporaçãodesse material, usando uma corrente elétrica variável na bobina, e em quemeios são colocados na bobina para isolá-la do material levitado. A invençãotambém se refere a um processo para revestimento de um substrato, usandodeposição física de vapor.
A levitação e a evaporação de material condutor é conhecida dopedido de patente internacional WO 03/07/1000 A1. Nele, uma tecnologia édescrita para revestimento de um substrato com uma camada do materialcondutor, que é condensada da fase vapor no substrato em uma câmara devácuo. Uma quantidade de material condutor é mantida flutuando acima deuma bobina, na qual uma corrente elétrica variável é alimentada. Devido aessa corrente, um campo eletromagnético alternado é gerado na bobina. Ocampo eletromagnético exerce uma força dirigida para cima no material con-dutor. A corrente elétrica também proporciona energia elétrica para aqueci-mento do material condutor levitado, de modo que funde e eventualmenteevapora; embora, uma parte dos materiais condutores não funda mais su-blima. Entre a bobina e o material levitado, estão presentes meios isolanteselétricos, tal como um tubo ou duto, para impedir centelhamento entre osenrolamentos da bobina e impedir a contaminação da bobina e da câmarade vácuo. O vapor produzido é liberado por uma extremidade do duto e usa-do para revestir substratos.
O aparelho descrito acima tem a deficiência de que é difícil con-trolar a camada de revestimento no substrato. Especialmente, quando o apa-relho é usado para revestir continuamente uma tira passando pela câmarade vácuo, é difícil produzir um revestimento tendo espessura e composiçãouniformes por toda a largura da tira.
Para superar essa deficiência o pedido de patente internacionalWO 02/06558 A1 proporciona uma câmara de vácuo na qual uma tira podeser transportada, e um vapor pode ser transportado para a tira por meio deum duto tendo uma ou mais restrições, de modo que o vapor é depositadosob condições de indutância. Esse documento propicia um processo paradepositar dois vapores ao mesmo tempo, mas o processo pode ser tambémusado para apenas um vapor. Desse modo, um revestimento uniforme podeser aplicado na tira, quando várias aberturas são usadas na restrição, e oduto é suficientemente largo.
No entanto, uma deficiência dos revestimentos aplicados usandoesse processo é que a adesão do revestimento ao substrato não é ótima.
Outra deficiência é que a densidade do revestimento não é ótima. Isso tornanecessário aplicar o substrato revestido a uma outra etapa de processamen-to, tal como laminação para tira.
É um objeto da invenção proporcionar um aparelho e um pro-cesso para revestimento de um substrato usando deposição física de vapor,com os quais um revestimento aperfeiçoado no substrato pode ser produzido.
É outro objeto da invenção proporcionar um aparelho e um pro-cesso para revestimento de um substrato usando deposição física de vapor,com os quais uma camada de material revestido, tendo maiores adesão edensidade, pode ser produzida no substrato.
Um ou mais desses objetos são atingidos com um aparelho pararevestimento de um substrato, usando deposição física de vapor, compreen-dendo uma câmara de vácuo, na qual uma bobina é colocada para manteruma quantidade de material condutor em levitação e para aquecimento eevaporação desse material, usando uma corrente elétrica variável na bobina,e em que meios são colocados na bobina para isolá-la do material levitado,os meios de isolamento sendo parte de um recipiente feito de material nãocondutor, o recipiente tendo uma ou mais aberturas para direcionar o mate-rial condutor evaporado para o substrato a ser revestido.
Com esse aparelho, é possível conter o material evaporado, demodo que a pressão dentro do recipiente seja mais alta do que a pressão nacâmara de vácuo fora do recipiente. Surpreendentemente, verificou-se que aalta pressão dentro do recipiente possibilita gerar um plasma no recipiente,de modo que um gás consistindo do material evaporado, que é parcialmenteionizado, contenha átomos, íons, radicais e elétrons. O plasma é gerado nasfreqüências da corrente variável, como mencionado no pedido de patenteinternacional WO 03/071000 A1, por exemplo, uma freqüência igual ou supe-rior a 50 kHz, que é muito mais baixa do que as freqüências conhecidas paragerar um plasma. Parte do plasma é direcionada pelas aberturas, o substra-to a ser revestido sendo colocado em frente dessas aberturas. Devido aofato de que os íons estão carregados, o revestimento tem uma melhor ade-são ao substrato e o revestimento é também mais denso. O recipiente temque ser feito de material não condutor, uma vez que os íons vão se trans-formar em átomos, quando entrarem em contato com uma parede eletrica-mente condutora.
De preferência, o recipiente tem a forma de um duto, que temvedações em ambas as extremidades, uma ou mais aberturas estando pre-sentes em uma vedação. Desse modo, um tipo simples de recipiente é pro-porcionado, com o qual o plasma fica contido nele e parcialmente liberadopelas aberturas, para revestir um substrato, durante uso.
De acordo com uma concretização preferida, o recipiente tem aforma de um duto com uma vedação em uma extremidade e uma protube-rância em forma de caixa na outra extremidade, a protuberância tendo váriasaberturas. Essa concretização preferida é especialmente adequada pararevestir uma tira, uma vez que protuberância em forma de caixa pode teruma superfície que tem, substancialmente, a forma do substrato a ser reves-tido, resultando em uma distância igual entre a superfície e o substrato. Issovai proporcionar um revestimento uniforme no substrato.
De preferência, a protuberância é pelo menos tão larga quanto osubstrato a ser revestido. Isso é especialmente importante, quando um ma-terial em forma de tira é revestido, de modo que um material, que tem umcomprimento de pelo menos umas poucas centenas de metros, é transpor-tado pela câmara de vácuo. A tira pode ser feita de papel, metal, plástico ououtro material. Com a presente concretização do recipiente, o material emforma de tira pode ser revestido em toda a sua largura.
De preferência, as aberturas têm a forma de um furo ou corte. Oplasma pode ser desse modo liberado de uma maneira efetiva.
De acordo com uma concretização preferida, o recipiente foi do-tado com meios de aquecimento para aquecer o revestimento. O recipientedeve ser aquecido, uma vez que o vapor e o plasma vão condensar contrauma parede fria.
De preferência, o recipiente foi dotado com elementos de aque-cimento feitos de material condutor, tal como um fio resistivo de molibdenioou tungstênio. Desse modo, elementos de aquecimento relativamente sim-ples são proporcionados para aquecimento do recipiente eletricamente nãocondutor.
De acordo com uma concretização preferida, o recipiente foiproduzido de material cerâmico, tal como nitreto de boro ou nitreto de silício.O material cerâmico é muito adequado para as condições para as quais oaparelho é submetido, tais como alta temperatura e altos choques térmicos etensões. Além do mais, o material cerâmico tem uma alta condutividade tér-mica.
De acordo com outro aspecto da invenção, um método é propor-cionado para revestimento de um substrato usando deposição física de va-por, usando uma bobina em vácuo, para manter uma quantidade de materialcondutor em levitação e para aquecimento e evaporação desse material, emque uma corrente elétrica variável está presente na bobina, e em que meiosisolantes são colocados entre a bobina e o material levitado, os meios sendoparte de um recipiente feito de material não condutor, que é aquecido, o re-cipiente tendo uma ou mais aberturas para direcionar material condutor eva-porado para o substrato a ser revestido, em que o material evaporado formaum plasma dentro do recipiente, cujo plasma é liberado pelas aberturas norecipiente, para revestir o substrato.
Esse processo proporciona um plasma no recipiente, tendo asvantagens discutidas acima.De preferência, o recipiente é aquecido a uma temperatura igualou acima da temperatura do material levitado. Desse modo, o vapor ouplasma não pode condensar nas paredes do recipiente.
De acordo uma concretização preferida, o plasma no recipientetem uma pressão entre 10 e 0,001 Pascal (101 e 10"5 mbar), particularmenteentre 10"2 e 10"4 mbar. A uma pressão acima de 10"5 mbar, de preferência,acima de 10"4 mbar, um plasma vai ser gerado no recipiente, esse plasmasendo mantido desde que a pressão não fique muito alta, portanto, acima de10"1 mbar, preferivelmente, não acima de 1 Pascal (102 mbar). Vai ficar claroque a pressão depende do tipo de material condutor a ser vaporizado, tem-peratura do material condutor levitado e do tamanho do recipiente e das a-berturas nele. Além do mais, vai ficar claro que a pressão fora do recipientena câmara de vácuo tem que ser mais baixa do que a pressão do plasma, demodo que o plasma pode ser liberado pelas aberturas no recipiente. De pre-ferência, a pressão na câmara de vácuo é 10 a 1.000 vezes mais baixa doque a pressão na câmara de vácuo, particularmente, aproximadamente 100vezes mais baixa.
De acordo com uma concretização, o substrato revestido é umatira, que é transportada continuamente em relação ao recipiente. Com o pro-cesso de acordo com a invenção, é possível proporcionar uma tira tendo umrevestimento denso, bem aderente.
De acordo com uma concretização preferida, um gradiente depotencial é mantido entre o substrato e o recipiente, de modo que os íonssão acelerados na direção do substrato. Devido ao gradiente de potencial,os íons têm uma alta energia cinética quando colidem na superfície do subs-trato. Essa alta energia cinética resulta na adesão dos íons ao substrato ouao revestimento já sobre o substrato, resultando em um revestimento muitodenso e com boa adesão no substrato, ou na religação do íon na superfíciedo substrato, por causa da energia do íon ser muito alta. Nesse caso, noentanto, parte da energia do íon é absorvida pelo revestimento no substrato,resultando em uma compactação adicional do revestimento. O potencial en-tre o substrato e o recipiente pode ser de 10 a 40 volts.A invenção vai ser elucidada com referência aos desenhos emanexo.
A Figura 1 mostra esquematicamente uma concretização do a-parelho de acordo com a invenção em seção transversal.
A Figura 2 mostra outra seção transversal A - A pelo aparelho daFigura 1.
A Figura 1 mostra uma concretização preferida do aparelho deacordo com a invenção. Em uma câmara de vácuo (não mostrada), uma bo-bina 1 é colocada. Um recipiente 2 tem uma parte em forma de duto 3, que écolocada na bobina 1, na qual um vapor é produzido. Essa parte 3 é fechadana sua extremidade inferior, e, na sua extremidade mais alta, é conectada auma parte em forma de caixa 4, que é projetada para ajustar-se a um subs-trato a ser revestido. Em uma superfície da parte 4, aberturas 5 estão presentes.
Na concretização mostrada na Figura 1, o recipiente 2 é ade-quado para revestimento de uma tira (não mostrada), que é transportada auma distância curta acima do recipiente. Por essa razão, a parte 4 do recipi-ente 2 é alongada, de modo que seja possível revestir toda a largura da tira.
A Figura 2 mostra outra seção transversal A - A pelo recipiente 2da Figura 1. Essa seção transversal mostra a parte em forma de caixa 4, naqual um tubo 6 é inserido em uma caixa 7 e bobinas ou fios elétricos 8 sãocolocados entre o tubo 6 e a caixa 7.
Durante operação do aparelho, material condutor é introduzidona parte em forma de duto 3 do recipiente 2, usando um dispositivo de ali-mentação (não mostrado). Na bobina 1, uma corrente elétrica variável é pro-duzida, gerando um campo eletromagnético alternado. Devido a esse campoeletromagnético, o material condutor é mantido levitando acima da bobina,enquanto que, ao mesmo tempo, o material condutor é aquecido. O materialcondutor, na maior parte das vezes, funde para formar uma gotícula 10 eevapora, e, em alguns casos, sublima sem fusão.
Uma vez que o recipiente 2 fechado, exceto para as várias aberturas 5, devido à evaporação da gotícula 10, a pressão dentro do recipientefica mais alta do que a pressão na câmara de vácuo circundante.
Surpreendentemente, isso possibilita gerar um plasma dentro dorecipiente e manter esse plasma dentro do recipiente, por uso de um materi-al eletricamente isolante ou não condutor, como o material para o própriorecipiente, de modo a manter o plasma. O plasma no recipiente tem umapressão entre 10"1 e 10"5 mbar, particularmente entre 10"2 e 10"4 mbar. Auma pressão acima de 10"5 mbar, de preferência, acima de 10"4 mbar, umplasma vai ser gerado no recipiente, esse plasma sendo mantido desde quea pressão não fique muito alta, portanto, acima de 10"1 mbar, preferivelmen-te, não acima de 10"2 mbar. O plasma é gerado nas freqüências da correntevariável, como mencionado no pedido de patente internacional WO03/071000 A1, por exemplo, uma freqüência igual ou superior a 50 kHz, queé muito mais baixa do que as freqüências conhecidas para gerar um plasma.
Naturalmente, a pressão na câmara de vácuo circundante tem que ser maisbaixa do que a pressão no recipiente, de modo que o plasma pode ser libe-rado pelas aberturas 5.
Além do mais, o recipiente tem que ser aquecido a uma tempe-ratura igual ou acima da temperatura do vapor/plasma, para impedir a con-densação do vapor/plasma nas paredes do recipiente. Para esse fim, bobi-nas ou fios elétricos 8 são usados dentro das paredes do recipiente. Umavez que o recipiente tem que ser termicamente resistente e resistente a cho-que térmico, e ter uma alta condutividade térmica, usualmente, um materialcerâmico é usado, tal como nitreto de boro ou nitreto de silício, mas outrosmateriais cerâmicos são também possíveis, tais como oxido de zircônio, óxi-do de ítrio, brometo de háfnio ou brometo de zircônio, uma vez que os mate-riais cerâmicos são eletricamente não condutores.
As aberturas no recipiente podem ter qualquer forma, mas são,usualmente, furos ou cortes redondos. A superfície total das aberturas de-pende do volume do recipiente e da taxa de revestimento. Também, a dis-tância entre as aberturas é variável, e vai depender da distância entre a su-perfície do recipiente, na qual os furos estão presentes, e o substrato a serrevestido. Usualmente, o plasma liberado do recipiente por um furo tem umaforma similar a uma chama.
Devido ao fato de que os íons no plasma são carregados, osíons vão aderir melhor ao substrato e formar um revestimento mais denso.
A aderência e a densidade do revestimento podem ser aperfei-coadas ainda mais por aplicação de uma diferença de potenciais entre o re-cipiente e o substrato a ser revestido. Devido à diferença de potenciais, osíons são acelerados na direção do substrato e vão desse modo colidir nasuperfície tendo uma alta velocidade. Isso resulta em um revestimento deaderência muito boa tendo uma alta densidade. Uma diferença de potenciaisadequada é de 10 a 40 volts.
Claims (13)
1. Aparelho para revestimento de um substrato usando deposi-ção física de vapor, compreendendo uma câmara de vácuo, na qual umabobina é colocada para manter uma quantidade de material condutor emlevitação e para aquecimento e evaporação desse material, usando umacorrente elétrica variável na bobina, e em que meios são colocados na bobi-na para isolá-la do material levitado, caracterizado pelo fato de que os meiosde isolamento sendo parte de um recipiente feito de material não condutor, orecipiente tendo uma ou mais aberturas para direcionar o material condutorevaporado para o substrato a ser revestido.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, no qual o recipien-te tem a forma de um duto, que tem vedações em ambas as extremidades,uma ou mais aberturas estando presentes em uma vedação.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, no qual o recipien-te tem a forma de um duto, com uma vedação em uma extremidade e umaprotuberância em forma de caixa na outra extremidade, a protuberância ten-do várias aberturas.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, no qual a protube-rância é pelo menos tão larga quanto o substrato a ser revestido.
5. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesanteriores, no qual as aberturas têm a forma de um furo ou corte.
6. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesanteriores, no qual o recipiente foi dotado com meios de aquecimento paraaquecê-lo.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, no qual o recipien-te foi dotado com meios de aquecimento, feitos de material condutor, tal co-mo fio resistivo de molibdênio ou tungstênio.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, no qual o recipien-te foi produzido de material cerâmico, tal como nitreto de boro ou nitreto desilício.
9. Processo para revestimento de um substrato usando deposi-ção física de vapor, usando uma bobina em vácuo, para manter uma quanti-dade de material condutor em levitaçao e para aquecimento e evaporaçãodesse material, em que uma corrente elétrica variável está presente na bobi-na, e em que meios isolantes são colocados entre a bobina e o material levi-tado, caracterizado pelo fato de que os meios são parte de um recipientefeito de material não condutor, que é aquecido, o recipiente tendo uma oumais aberturas para direcionar material condutor evaporado para o substratoa ser revestido, em que o material evaporado forma um plasma dentro dorecipiente, cujo plasma é liberado pelas aberturas no recipiente, para revestiro substrato.
10. Processo de acordo com a reivindicação 9, no qual o recipi-ente é aquecido a uma temperatura igual ou acima da temperatura do mate-rial levitado.
11. Processo de acordo com a reivindicação 9 ou 10, no qual oplasma no recipiente tem uma pressão entre 10 e 0,001 Pascal (10"1 e 10"5mbar), de preferência, entre 1 e 0,01 Pascal (10~2 e 10"4 mbar).
12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 9 a 11, no qual o substrato revestido é uma tira, que é continuamentetransportada em relação ao recipiente.
13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 9 a 12, no qual um gradiente de potencial é mantido entre o substrato e orecipiente, de modo que os íons são acelerados na direção do substrato.
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