DEPOSITO EN FASE DE VAPOR.

Procedimiento para la aplicación de un recubrimiento de, como mínimo,

dos elementos o compuestos a un sustrato, en el que, como mínimo, un primer y un segundo vapores se depositan en dicho sustrato, siendo dichos vapores estrangulados antes del depósito, con velocidad sónica de flujo en las restricciones de flujo, en el que

- bien, como mínimo, uno de los vapores se estrangula antes de la mezcla y los vapores mezclados son estrangulados después de la mezcla, o bien

- cada vapor se estrangula antes de la mezcla, y en el que el área superficial de cada restricción y las presiones críticas de todos los flujos de vapor en estas restricciones se seleccionan para controlar los caudales másicos y las proporciones de los vapores

Depósito en fase de vapor.

La presente invención se refiere a un procedimiento de aplicación de un recubrimiento de, como mínimo, dos elementos a un sustrato con un método de depósito por vapor.

Es conocido en la técnica el depósito de un elemento, tal como un metal, sobre un sustrato para proporcionar un recubrimiento a partir de un vapor del elemento. Frecuentemente, el elemento a depositar es cinc y se deposita regularmente sobre fleje de acero.

Un aparato convencional utilizado para este fin se compone típicamente de un recipiente de evaporación en el que el elemento se vaporiza ante la superficie del sustrato. A veces un canal conduce el vapor del metal a la superficie del sustrato, que discurre frente a la abertura del canal. La evaporación se efectúa típicamente con la ayuda de vacío. El sustrato está relativamente frío en comparación con el vapor, de modo que el vapor se deposita o "des-sublima" sobre éste para formar el recubrimiento objetivo. La transición de fase gaseosa a fase sólida se designa como des-sublimación, mientras que la transición inversa se denota también como sublimación.

En los casos en los que el recubrimiento va a estar formado por un sólo elemento, tal como cinc, el procedimiento descrito anteriormente funciona satisfactoriamente. Sin embargo, en los casos en los que un recubrimiento va a estar formado por dos o más elementos, surgen problemas.

En general, para el depósito de dos elementos, se utiliza un recipiente de evaporación que contiene los dos elementos, o se utilizan dos recipientes, conteniendo cada uno un elemento. En el caso de depósito de más de dos elementos, se utiliza un recipiente o una combinación de recipientes y configuraciones similares. Típicamente, la curva de presión de saturación de vapor de cada uno de los elementos que se utilizan para componer el recubrimiento es muy diferente de la de los otros. Especialmente en el caso en el que se utiliza un recipiente que contiene dos o más elementos, esto genera dificultad para controlar la proporción de vapor y habitualmente se produce una pérdida desproporcionada de un elemento. En el caso en el que se utilizan dos recipientes, se conducen los vapores que se producen en estos recipientes, mediante canales separados, cuando están presentes, hacia el sustrato. Antes de que los vapores alcancen la superficie del sustrato, éstos deben tener una composición predefinida a un caudal predefinido y deben mezclarse bien. Esto es lo que provoca los problemas.

En general, resulta difícil la combinación de dos o más gases o vapores, en flujos y proporciones fijos, que es necesaria para lograr una calidad constante (espesor y composición) del recubrimiento. Debido a las interacciones de los gases, éstos pueden fluir en direcciones no deseadas. Típicamente, la presión de vapor y la temperatura de cada uno de los elementos que se utilizan para componer el recubrimiento son muy diferentes de las de los demás. Como resultado, los vapores y, lo que es más importante, las fuentes de vapor en las cámaras de evaporación se contaminan con los vapores de los demás elementos implicados en el procedimiento de depósito. Además, el vapor que tiene la menor presión de vapor puede impedir depósito conjunto.

Según la presente invención, se ha descubierto que estos problemas asociados con un procedimiento para el depósito por vapor de un recubrimiento, como mínimo, de dos elementos pueden superarse empleando condiciones de estrangulamiento ("choking conditions"). Por consiguiente, la presente invención se refiere a un procedimiento tal como se define en la reivindicación 1.

Cuando se transportan los vapores de los diferentes elementos que se utilizan para realizar el recubrimiento desde de la cámara de evaporación hasta el sustrato en condiciones de estrangulamiento verdaderas, las posibilidades de contaminación de un vapor o una fuente de vapor con otro vapor, si no se eliminan por completo, se reducen significativamente. Además, la utilización de condiciones de estrangulamiento permite un buen control del procedimiento, en particular del flujo de los vapores, y por tanto la uniformidad de la composición y el espesor del recubrimiento.

Cabe señalar que el presente procedimiento puede llevarse a cabo en un modo por lotes, de una manera continua o semicontinua. Los beneficios de la presente invención, sin embargo, son más evidentes en un procedimiento continuo o semicontinuo.

En este momento, se explicará el fenómeno general de estrangulamiento con referencia a la figura 1. Para la derivación de las fórmulas y antecedentes, se hace referencia a los libros de texto estándar.

Se supondrá que un vapor fluye desde un origen a un recipiente (1) a través de una conducción de vapor (2), (3) y a través de una restricción (4) a la ubicación (5). Una restricción es la ubicación con la menor área de sección transversal de flujo que el flujo se encuentra en su camino. Esta área de sección transversal de flujo menor puede adoptar muchas formas alternativas, por ejemplo, una placa perforada con una o más perforaciones, hendiduras, etc. La presión en el recipiente (1) se indica como P1. La presión en el sentido descendente de la restricción (4) es la contrapresión Pb (5). Se supondrá que inicialmente la contrapresión (5) equivale a la presión en el recipiente (1). En ese caso la diferencia de presión sobre la conducción de vapor es cero y, en consecuencia, el flujo es cero. Ahora, si se hace disminuir la contrapresión (5) constantemente, aumenta el caudal y la velocidad en la restricción se hace cada vez mayor. Sin embargo, al llegar a una cierta contrapresión, la velocidad en la restricción (4) se convierte en sónica y el caudal alcanza un máximo. Sónica significa que el número Mach "M", que se define como la velocidad de vapor local dividida por la velocidad local del sonido, llega a la unidad. A continuación, el flujo se estrangula.

La reducción posterior de la contrapresión (5) ya no aumenta el caudal en ningún caso. Las propiedades de un vapor que está fluyendo a Mach 1 se denominan propiedades críticas y se identifican por medio de un asterisco (*). Por lo tanto, una condición para el estrangulamiento es que la contrapresión (5) sea menor o igual que la presión crítica P_b < P* en la restricción (4). El caudal en condiciones de estrangulamiento puede expresarse en términos de condiciones de estancamiento en la restricción (4), dadas por la siguiente expresión conocida (1).

en la que

dot{m}= caudal másico [Kg/s]

C = factor de corrección [-], C approx 0,85 para placas de perforaciones finas

A* = área de la superficie de restricción [m²]

T₀ = temperatura de estancamiento [K]

? = c_?/c_v la relación de los calores específicos a presión constante y volumen constante [-]

M_w = peso molecular [Kg/mol]

R = constante universal de los gases [J/Kg•mol•K]

p* = presión de crítica en la restricción [Pa]

p₀ = presión de estancamiento [Pa]

La expresión (1) se aplica además para una mezcla de gases, siempre que se incluyan las propiedades de la mezcla adecuadas.

En cualquier punto del dispositivo, el flujo de gas tiene una determinada temperatura, presión, entalpía, etc. Si la velocidad en este punto se hiciera instantáneamente cero (adiabáticamente sin fricción o desaceleración isentrópica), esas propiedades adoptarían nuevos valores, conocidas como sus condiciones de estancamiento e indicadas en las ecuaciones por un cero como índice. Las propiedades críticas del flujo en cierta ubicación pueden estar relacionadas con sus propiedades de estancamiento. Para la presión esta relación viene dada por:

Para controlar el procedimiento de depósito es útil relacionar las propiedades de estancamiento y críticas en la restricción (4) y, de este modo, el flujo másico definido por la ecuación 1, con las propiedades en sentido ascendente de la restricción, por ejemplo con las propiedades en el recipiente de evaporación (1). Si el flujo es adiabático sin fricción (isentrópico) en todo el recipiente y la conducción de vapor hasta la restricción, las propiedades de estancamiento son constantes en todas partes, lo que simplifica considerablemente...

1. Procedimiento para la aplicación de un recubrimiento de, como mínimo, dos elementos o compuestos a un sustrato, en el que, como mínimo, un primer y un segundo vapores se depositan en dicho sustrato, siendo dichos vapores estrangulados antes del depósito, con velocidad sónica de flujo en las restricciones de flujo, en el que

- bien, como mínimo, uno de los vapores se estrangula antes de la mezcla y los vapores mezclados son estrangulados después de la mezcla, o bien

- cada vapor se estrangula antes de la mezcla, y en el que el área superficial de cada restricción y las presiones críticas de todos los flujos de vapor en estas restricciones se seleccionan para controlar los caudales másicos y las proporciones de los vapores.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el sustrato es un sustrato metálico.

3. Procedimiento, según la reivindicación 2, en el que el sustrato es una chapa o fleje de acero.

4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer y segundo vapores son vapores metálicos.

5. Procedimiento, según la reivindicación 4, en el que el primer vapor es vapor de cinc y el segundo vapor es vapor de magnesio.

6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las condiciones de estrangulamiento se mantienen mediante el control de las presiones críticas de los vapores para que sean sustancialmente iguales entre sí.