UNIDAD DE PULVERIZACIÓN CATÓDICA DE BLANCOS CIRCULARES.
Unidad de pulverización catódica de blancos circulares.
Unidad de pulverización circular catódica que puede ser utilizada en cualquier cámara de alto vacío y que comprende:
- una cabeza (6) refrigerada de soporte del blanco (24)
- un cuerpo (18) situado detrás de la cabeza, que contiene un circuito de líquido refrigerante con dos líneas, una de entrada y otra de salida, para la refrigeración de la cabeza (6), con un único pasamuros (1) de refrigeración de líquido y paso de corriente eléctrica,
- un canal de entrada (19) de gas noble a la cabeza (6)
- una carcasa exterior o ánodo (21), y
- un tubo de conexión (13) ensamblado por un extremo a la carcasa exterior por medios de unión, y por el otro extremo a una caja de conexiones, exterior a la unidad, que contiene los conectores de las líneas de agua, gas y corriente eléctrica.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200900929.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: COLINO GARCÍA,José Miguel.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C23C14/35 QUIMICA; METALURGIA. › C23 REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO QUIMICO DE LA SUPERFICIE; TRATAMIENTO DE DIFUSION DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL; MEDIOS PARA IMPEDIR LA CORROSION DE MATERIALES METALICOS, LAS INCRUSTACIONES, EN GENERAL. › C23C REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO DE MATERIALES METALICOS POR DIFUSION EN LA SUPERFICIE, POR CONVERSION QUIMICA O SUSTITUCION; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL (fabricación de productos revestidos de metal por extrusión B21C 23/22; revestimiento metálico por unión de objetos con capas preexistentes, ver las clases apropiadas, p. ej. B21D 39/00, B23K; metalización del vidrio C03C; metalización de piedras artificiales, cerámicas o piedras naturales C04B 41/00; esmaltado o vidriado de metales C23D; tratamiento de superficies metálicas o revestimiento de metales mediante electrolisis o electroforesis C25D; crecimiento de monocristales C30B; mediante metalización de textiles D06M 11/83; decoración de textiles por metalización localizada D06Q 1/04). › C23C 14/00 Revestimiento por evaporación en vacío, pulverización catódica o implantación de iones del material que constituye el revestimiento. › por aplicación de un campo magnético, p. ej. pulverización por medio de un magnetrón.
- H01J37/34 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01J TUBOS DE DESCARGA ELECTRICA O LAMPARAS DE DESCARGA ELECTRICA (espinterómetros H01T; lámparas de arco, con electrodos consumibles H05B; aceleradores de partículas H05H). › H01J 37/00 Tubos de descarga provistos de medios o de un material para ser expuestos a la descarga, p. ej. con el propósito de sufrir un examen o tratamiento (H01J 33/00, H01J 40/00, H01J 41/00, H01J 47/00, H01J 49/00 tienen prioridad). › que funcionan por pulverización catódica (H01J 37/36 tiene prioridad).
Fragmento de la descripción:
Unidad de pulverización catódica de blancos circulares.
La invención se refiere a una unidad de pulverización circular catódica altamente compacta para la obtención de capas finas de materiales inorgánicos para el estudio de propiedades físicas, químicas, mecánicas, de fricción, etc... para su aplicación en Maquinarias y equipos mecánicos como recubrimientos de alta dureza en herramientas de corte y mecanizado, en Industrias manufactureras diversas como la producción de recubrimientos decorativos o capas finas con funcionalidad óptica, en transporte y comunicaciones como la producción de recubrimientos en microelectrónica, apantallamiento magnético, reflectores en automoción o de aplicación en la construcción como para recubrimientos de control solar en el panel de vidrio arquitectónico, por ejemplo.
Antecedentes
El método más versátil y empleado en la industria e investigación desde los años sesenta para producir recubrimientos finos de materiales inorgánicos es la pulverización catódica. Éste es un proceso que requiere alto vacío en la cámara de producción y se realiza a partir de un plasma de gas noble (argón) creado sobre un blanco puro del material deseado, que resulta gradualmente erosionado mientras que se pulveriza en átomos. Desde la unidad de pulverización catódica estos átomos se emiten y se recogen en un sustrato u objeto cualquiera formándose una capa fina sobre él. Comúnmente, la unidad confina el plasma mediante imanes permanentes, y a este tipo se le denomina "magnetrón".
Hay diversos tipos de unidades o fuentes de pulverización en función de la geometría del blanco a pulverizar: circulares (blanco en forma de disco), rectangulares y cilíndricas. La más empleada para recubrir objetos planos es la circular, y el diámetro de los blancos está típicamente entre 1.5 y 3 pulgadas. Dentro de cada geometría, hay variantes específicas de ciertas aplicaciones. Otra clasificación posible sería en función de la polarización eléctrica (DC continua, RF radiofrecuencia, MF media frecuencia o Pulsada unipolar y bipolar), si bien muchas fuentes pueden emplearse en varios modos eléctricos con sólo cambiar la fuente de pulverización. Varias compañías extranjeras fabrican fuentes de pulverización catódica tipo magnetrón para blancos circulares, así como para blancos lineales de gran tamaño.
La gran variedad de aplicaciones y tipos de fuentes se refleja en las numerosas patentes a nivel mundial de las cuales, las referidas a fuentes circulares de pulverización, tienen como novedad la adaptación a media frecuencia y radiofrecuencia (específico de recubrimientos muy dieléctricos) o diversas configuraciones de los imanes permanentes (por ejemplo de interés en blancos magnéticos), combinaciones de varias fuentes magnetrón o con otro tipo de evaporadores, métodos para incrementar la superficie erosionada del blanco de alta pureza, métodos de alteración del plasma (optimizando así las propiedades físicas de las capas formadas), etcétera, sin embargo cada tipo de fuente divulgada hasta la fecha requiere una cámara de vacío a medida, de hecho algunas patentes incluyen la cámara de proceso como invención.
Descripción
La presente invención se refiere a una unidad o fuente de pulverización circular catódica que, gracias a su carácter compacto, puede ser utilizada en cualquier cámara de alto vacío, pudiendo ser usada también como fuente de agregados atómicos y que comprende:
- una cabeza refrigerada de soporte del blanco con una cavidad de refrigeración, un cátodo metálico, un soporte de cátodo y de una pluralidad de imanes,
- un cuerpo situado detrás de la cabeza, que contiene un circuito de líquido refrigerante con dos líneas, una de entrada y otra de salida, para la refrigeración de la cabeza, con un único pasamuros de refrigeración y de corriente eléctrica,
- un canal de entrada de gas noble a la cabeza,
- un ánodo o carcasa exterior, puesto a tierra, separado de la cabeza y a una distancia sobre el blanco típicamente de 1 mm.
- un tubo de O.D. 19 mm ensamblado por un extremo al cuerpo por medios de unión, y por el otro extremo a una caja de conexiones exterior, fuera de la cámara de vacío, que contiene los conectores de las líneas de agua, gas y potencia eléctrica y por cuyo interior atraviesan:
La fuente de pulverización circular catódica en alto vacío de la invención, tiene un tamaño más reducido que las ofertadas en el mercado, y pulveriza blancos circulares de diámetro 25 mm (=1'') y grosor 1-3 mm de casi cualquier material inorgánico deseado, lo que supone un ahorro al tratarse de material de alta pureza, consiguiendo ritmos de depósito competitivos (1.5 Å/s/10 W a 8 cm de distancia con blanco de cobre). Por sus dimensiones reducidas, se puede montar en bridas de vacío pequeñas tipo DN 40 (70 mm o 2-3/4 O.D.) y mayores, y entra en tubos de diámetro interior mayor de 35 mm. Esto implica que puede emplearse en el equipamiento de alto vacío de la mayoría de los laboratorios de investigación o líneas de producción, sin necesidad de cámaras a medida, en los que se requiera obtener recubrimientos finos sobre objetos que no sean de gran tamaño.
Se trata de una fuente muy compacta cuya novedad reside en que el cuerpo integra:
- un cable de potencia eléctrica,
- un circuito de agua con dos líneas, una entrada y otra de salida, y
- una canalización del gas noble;
así se evita la necesidad de introducir el gas por otra brida de la cámara de vacío. Está hecha de materiales compatibles con el ultra-alto vacío, pudiéndose entonces usar también en procesos de vacío muy limpios y la distancia cátodo-ánodo es regulable para poder operar a distintas presiones en el rango de 10-4 - 10-1 mbar.
El carácter compacto de la fuente se consigue por las siguientes características novedosas:
- En el circuito de agua se emplea una tubería de 3 mm de diámetro por dentro de un tubo de 6 mm de diámetro, de un único pasamuros, para disponer de canal de entrada y de salida del refrigerante en caudales aceptables (L/min), con lo que se evita la necesidad de dos pasamuros de líquido y corriente eléctrica que obligaría a un mayor diámetro del aparato.
- Los tubos de entrada y salida del circuito de agua a la caja de conexiones externa por medio de una pluralidad de racores de compresión ubicados en la caja de conexiones externa y no en el cuerpo de la fuente de pulverización. Esto es así porque dos racores comerciales para tuberías de 6 o 4 mm ocuparían mucho espacio dentro del cuerpo y con difícil acceso.
- El soporte del cátodo es de acero inoxidable ferrítico, lo que hace que en el circuito magnético se emplee una sujeción magnética para los imanes. Esto proporciona una fuerza magnética de agarre suficiente y evita el empleo de una sujeción mecánica que añadiría piezas a la fuente.
En líneas generales, la invención se refiere a una unidad de pulverización catódica compuesto de piezas de acero inoxidable, cobre y aluminio, que forman la cabeza de la unidad y están unidas entre sí con soldadura radial de arco o de aleación de plata, para garantizar la estanqueidad de alto vacío. Solo se emplean juntas planas de cobre en su interior, luego no es necesario ninguna junta tórica de plástico y, por tanto, la unidad aguanta temperaturas de 250ºC.
La unidad opera en bajas presiones de gas noble (10-2-10-3 mbar) introducido tras evacuar la cámara de alto vacío. Para ello debe polarizarse con una fuente de potencia para plasma, en continua, radiofrecuencia o pulsada. Los modelos comerciales de electrónica para unidades magnetrón sirven para operar esta invención.
Contiene canalización de entrada y salida de agua refrigerante en una cavidad en el cátodo (con las presiones habituales de el circuito de la calle se consiguen caudales suficientes de L/min) y contiene canalización de gas noble (argón) hasta la base del cátodo, con lo que se evita la necesidad de introducirlo por la brida de la cámara, y también se consigue así que la presión del gas sobre el blanco sea mayor que en el resto de la cámara.
Descripción de dibujos
A continuación se pasa a describir de...
Reivindicaciones:
1. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares caracterizada por comprender:
2. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicación 1 caracterizada porque el diámetro total de la unidad es menor o igual a 35 mm.
3. Unidad de pulverización circular catódica según reivindicaciones anteriores caracterizada porque la unidad se cierra en una cámara de alto vacío (25).
4. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicación 3 caracterizada porque la presión dentro de la cámara se eleva hasta el rango 10-2-10-3 mbar.
5. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque el circuito de líquido refrigerante del cuerpo (18) comprende una tubería de 6 mm de diámetro (3), en cuyo interior se encuentra un tubo de 3 mm de entrada de líquido refrigerante (2) a la cavidad (9) de la cabeza de la unidad.
6. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque los medios de conexión de los canales de entrada (22) y salida (23) de líquido refrigerante al circuito de líquido refrigerante del cuerpo (18), comprenden un casquillo de acero (4) que contiene una tapa (5) soldada al casquillo (4) con arco y con dos orificios, para la conexión de dos tubos flexibles uno de entrada (22) y otro de salida (23) de líquido refrigerante.
7. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicación 6 caracterizada porque tanto los canales de entrada y salida de líquido refrigerante (22, 23), como los orificios de la tapa (5) tienen un diámetro de 3 mm.
8. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque los imanes permanentes (10) de la cabeza (6) son de NdFeB.
9. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque el soporte de cátodo (8) de la cabeza es de acero ferrítico.
10. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque la carcasa externa de la cabeza o ánodo (21) comprende una base del ánodo (12) sujeta a varillas roscadas (17) unidas por el otro extremo al cuerpo (18), y este a su vez al un tubo de diámetro exterior 35 mm (20).
11. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque los medios de unión del tubo de conexión (13) a la carcasa exterior comprenden una brida del estándar DN 16 CF (15).
12. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones 2-11 caracterizada porque el tubo de conexión (13) llega al exterior de la cámara de vacío, bien a través de una brida para tubo con una junta tórica o quedando soldado a una brida de junta plana de cobre estándar DN 40 o mayor (14).
13. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque dentro del tubo de conexión (13), del cuerpo (18) y de la caja de conexiones se mantiene el aislamiento eléctrico de los tubos mediante varios separadores de teflón.
14. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque el blanco o disco a pulverizar (24) es de diámetro 25.5
15. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque el blanco (24) lo sujeta mecánicamente un casquillo (11) de acero inoxidable (AISI 316/304) y diámetro 28 mm, que rosca por su interior al soporte (8).
16. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque una válvula de fugas o una válvula de control de flujo másico dosifica un caudal de gas noble desde el exterior de la cámara de vacío (25).
17. Unidad de pulverización catódica de blancos circulares según reivindicaciones anteriores caracterizada porque las piezas que forman la cabeza (6) de la unidad están unidas entre sí con soldadura radial de arco o de aleación de plata.
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