Устройство и способ для левитации некоторого количества проводящего материала
Изобретение относится к устройству для левитации некоторого количества проводящего материала, содержащему катушку для удерживания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушке. Технический результат - создание улучшенного устройства для левитации некоторого количества проводящего материала, при этом с помощью устройства можно управлять нагревательной мощностью для нагревания материала, а также создание способа левитации некоторого количества проводящего материала, с помощью которого можно управлять испарением проводящего материала. Достигается тем, что устройство содержит две катушки, первую катушку и вторую катушку, при этом обе катушки создают во время использования переменное электромагнитное поле, переменное электромагнитное поле первой и второй катушки противодействуют друг другу, при этом первая и вторая катушки расположены так, что проводящий материал, который удерживается в левитации между первой катушкой и второй катушкой, испаряется. Изобретение также относится к способу создания левитации некоторого количества проводящего материала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к устройству для левитации некоторого количества проводящего материала, содержащему катушку для удерживания материала в состоянии левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушке. Изобретение относится также к способу левитации некоторого количества проводящего материала с использованием упомянутого устройства.
Левитация проводящего материала известна для физического осаждения из паровой фазы, технологии покрытия подложки слоем материала, который конденсируется из паровой фазы на подложку в вакуумной камере. Обычно такой материал удерживают в тигле для плавления и испарения. Однако теряется огромное количество энергии, поскольку тигель приходится охлаждать. Часто на тигель воздействует материал, подлежащий испарению. Поэтому была разработана электромагнитная левитация, как описано в WO 03/071000 А1.
При электромагнитной левитации некоторое количество проводящего материала удерживается плавающим над катушкой, в которую подается изменяющийся электрический ток. За счет изменения электрического тока в катушке создается электромагнитное поле. Электромагнитное поле вызывает появление приложенной к проводящему материалу направленной вверх силы. Эта электромагнитная сила уравновешивает силу земного притяжения, действующую на проводящий материал, для удерживания проводящего материала в левитации. Поскольку магнитная сила изменяется с расстоянием до катушки, то проводящий материал удерживается в левитации (или плавающим) над катушкой на расстоянии, которое зависит от тока в катушке и массы проводящего материала.
Электрический ток обеспечивает также электрическую энергию для нагревания проводящего материала, так что он плавится и в итоге испаряется. Испаренный материал используется для покрытия подложек, таких как полосовой материал.
Указанное выше устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что изменяющийся электрический ток обеспечивает как силу левитации, так и энергию нагревания для некоторого количества проводящего материала. Когда необходимо нагревать материал до более высокой температуры, например, потому что материал имеет более высокую температуру плавления и испарения, или же потому что требуется более высокая степень испарения, то ток необходимо увеличивать. Однако в этом случае одновременно увеличивается также сила левитации электромагнитного поля, что приводит к плаванию материала над катушкой на большем расстоянии до катушки. На этом расстоянии электромагнитное поле меньше, что приводит к тому, что энергия нагревания материала меньше, чем предусматривалось.
Целью данного изобретения является создание улучшенного устройства для левитации некоторого количества проводящего материала, при этом с помощью устройства можно управлять нагревательной мощностью для нагревания материала.
Другой целью данного изобретения является создание способа левитации некоторого количества проводящего материала, с помощью которого можно управлять испарением проводящего материала.
Одна или несколько из указанных целей достигается с помощью устройства для левитации некоторого количества проводящего материала, содержащего катушку для удерживания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушке, при этом устройство содержит две катушки, первую катушку и вторую катушку, при этом обе катушки генерируют переменное электромагнитное поле во время использования, причем переменное электромагнитное поле первой и второй катушки противодействуют друг другу, при этом первая и вторая катушка расположены так, что проводящий материал, который удерживается в левитации между первой и второй катушкой, испаряется.
Использование двух катушек обеспечивает возможность генерирования двух электромагнитных полей, так что проводящий материал удерживается в левитации в устойчивом положении между двумя катушками. За счет силы противодействия переменных магнитных полей в двух катушках проводящий материал не может перемещаться от катушек. Поскольку теперь проводящий материал удерживается на месте, то можно создавать больший ток и тем самым более высокую температуру в проводящем материале. Это приводит к достаточно высокой степени испарения проводящего материала для покрытия подложки с экономически приемлемой скоростью.
Проводящий материал часто плавится за счет нагревания перед своим испарением, но некоторые материалы сублимируют перед своим плавлением.
Катушки предпочтительно имеют по существу одну и ту же центральную ось. Когда катушки имеют одинаковую центральную ось, то проводящий материал захватывается между двумя магнитными полями наилучшим образом. Когда центральные оси катушек смещаются относительно друг друга или образуют угол, то проводящий материал проявляет склонность к утечке из пространства между катушками, когда проводящий материал плавится, и теряется для испарения.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, катушки имеют обмотки, которые являются по существу короткозамкнутыми витками. При этом магнитные поля, генерируемые катушками, по существу симметричны относительно центральной линии каждой катушки. Проводящим материал тем самым удерживается в центральной области между катушками, и, находясь в расплавленном состоянии, имеет симметричную форму, соответствующую симметрии магнитного поля.
Согласно первому предпочтительному варианту выполнения, каждая катушка имеет отдельное снабжение током. Когда катушки имеют каждая свой собственный источник тока, то величину тока можно изменять независимо для каждой катушки, и тем самым можно изменять силу левитации и мощность нагревания, так же как расстояние между катушками. Недостатком является то, что переменным полем катушек необходимо хорошо управлять.
Согласно второму предпочтительному варианту выполнения, катушки соединены и имеют один и тот же источник тока. Таким образом, нет проблем с фазами магнитных полей, поскольку используется один и тот же ток, однако более сложно формировать катушки, поскольку они соединены, и расстояние нельзя изменять после намотки катушек, и мощность нагревания и силу левитации нельзя изменять независимо друг от друга.
В этом последнем предпочтительном варианте выполнения катушки предпочтительно наматываются в противоположных направлениях. Поскольку ток проходит через обмотки в одинаковом направлении, то тем самым в катушках генерируются противодействующие магнитные поля.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, первая катушка расположена по существу над второй катушкой. Сила гравитации, действующая на проводящий материал в левитации, направлена в этом случае по существу вдоль той же линии, что и магнитные поля катушек. Таким образом, силы хорошо уравновешиваются.
Первая катушка предпочтительно имеет то же количество обмоток или меньше обмоток, чем вторая катушка. Таким образом, магнитное поле второй (нижней) катушки сильнее магнитного поля первой (верхней) катушки, противодействуя тем самым силе гравитации и удерживая проводящий материал приблизительно на полпути между первой и второй катушкой.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, первая и вторая катушки являются зеркально симметричными. При такой конфигурации катушек можно манипулировать катушками указанным ниже образом.
Согласно второму аспекту изобретения, предлагается способ создания левитации некоторого количества проводящего материала с использованием устройства, поясненного выше, в котором проводящий материал захватывают между электромагнитными полями, создаваемыми двумя катушками, с целью испарения за счет тока и частоты в катушках.
Захват проводящего материала между двумя катушками обеспечивает возможность генерирования достаточной мощности нагревания в проводящем материале, когда ток увеличивают, так что проводящий материал испаряется со скоростью, которая достаточно велика для покрытия подложки экономически выгодным образом. В известном устройстве, в котором использовалась лишь одна катушка, большинство проводящих материалов нельзя нагревать до температуры, достаточно высокой для создания экономически приемлемых скоростей испарения для покрытия подложек.
Испаренный проводящий материал предпочтительно направляется по существу вдоль направления центральной оси катушек для покрытия подложки. Используется изолирующее средство, такое как канал или труба, между катушками и проводящим материалом; таким образом, испаренный материал можно направлять к подложке, подлежащей покрытию, без конденсации на частях устройства.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, выполняют совместное манипулирование катушками для направления испаренного проводящего материала с одной или несколькими степенями свободы. Это возможно за счет того, что проводящий материал заключен теперь между катушками и не может покинуть комбинированное магнитное поле катушек. За счет манипулирования катушками, например, посредством поворота можно направлять испаренный материал в другом направлении, что делает намного проще покрытие одной или нескольких подложек, которые присутствуют в вакуумной камере.
Манипулирование катушками предпочтительно выполняют с шестью степенями свободы. Таким образом, катушки можно перемещать в трех направлениях и поворачивать вокруг двух горизонтальных осей и одной вертикальной оси.
Согласно предпочтительному варианту выполнения способа, сила электромагнитного поля такова, что проводящий материал, захваченный в электромагнитном поле, принудительно устремляется в направлении центральной оси катушек. Затем можно манипулировать катушками и направлять испаренный материал во всех направлениях для покрытия подложек в вакуумной камере.
Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором изображен разрез двух катушек, согласно изобретению, с захваченным проводящим материалом.
Показаны первая катушка 1 и вторая катушка 2, при этом каждая катушка состоит из трех обмоток 1а, 1b, 1c и 2а, 2b, 2c. Катушка 1 и катушка 2 создают каждая электромагнитное поле, при этом поле катушки 1 противодействует полю катушки 2, так что результирующее электромагнитное поле захватывает проводящий материал 3, который расположен между катушками. Электромагнитные поля показаны линиями 4 электромагнитного поля.
Как показано на чертеже, за счет противодействующих магнитных полей наиболее сильное поле имеется между двумя катушками. Это приводит к тому, что проводящий материал, показанный в данном случае в виде расплавленной капли, принудительно смещается в направлении центральной оси 5 симметричных катушек. Кроме того, это означает, что капля не может перемещаться из катушек, и таким образом, в обмотках катушек можно создавать большой ток, что приводит к большой мощности нагревания катушек. Таким образом, капля нагревается до высокой температуры и быстро испаряется. Скорость испарения (сверх)нагретого проводящего материала является высокой, и скорость покрытия подложки является экономически привлекательной.
Понятно, что можно использовать более двух катушек, и что обмотки могут быть круговыми, однако могут иметь также другую форму, предпочтительно с осевой симметрией. Обмотки могут быть, например, квадратными. Вместо трех обмоток для каждой катушки можно использовать меньше или больше обмоток, и число обмоток может быть различным для каждой катушки. Когда две катушки не соединены, то можно использовать ток разной величины в каждой катушке.
Испаренный материал течет в основном в направлении центральной оси 5 с учетом канала или трубы из непроводящего материала, расположенного между катушками и каплей (не изображен). Этот канал предотвращает образование дуги между обмотками и загрязнение вакуумной камеры. Устройство, согласно изобретению, обеспечивает возможность совместного манипулирования катушками, так что изменяется направление центральной оси. Таким образом, можно покрывать подложку не только сверху или снизу, но также и по бокам. Можно также перемещать катушки совместно в трех направлениях. За счет того, что проводящий материал захвачен между двумя катушками, материал остается между катушками и испаряется перед, во время и после манипулирования.
Понятно, что для физического осаждения из паровой фазы, согласно данному изобретению, катушки и проводящий материал удерживаются в вакууме, по меньшей мере, 10-3 мбар. Используемые изменяемый электрический ток и частота должны быть достаточно большими для нагревания и испарения используемого проводящего материала и зависят от типа проводящего материала и требуемой скорости покрытия.
1. Устройство для левитации некоторого количества проводящего материала, содержащее катушку для удерживания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушке, при этом устройство содержит две катушки, первую катушку и вторую катушку, отличающееся тем, что обе катушки расположены во время использования в вакуумной камере с разрежением, по меньшей мере, 10-3 мбар, обе катушки создают во время использования переменное электромагнитное поле, переменное электромагнитное поле первой и второй катушки противодействуют друг другу, при этом предусмотрена возможность совместного поворота и/или смещения катушек с целью изменения центральной оси катушек, и при этом труба из непроводящего материала расположена внутри катушек, так что труба присутствует между катушками и проводящим материалом во время использования, и при этом первая и вторая катушки расположены так, что проводящий материал, который удерживается в левитации между первой катушкой и второй катушкой, испаряется, и испаренный материал течет вдоль направления центральной оси катушек внутри трубы из непроводящего материала к подложке, подлежащей покрытию.
2. Устройство по п.1, в котором катушки имеют обмотки, которые являются, по существу, замкнутыми витками.
3. Устройство по любому из пп.1 или 2, в котором катушки имеют каждая отдельный источник тока.
4. Устройство по любому из п.1 или 2, в котором катушки соединены и имеют один и тот же источник тока.
5. Устройство по п.4, в котором катушки намотаны в противоположных направлениях.
6. Устройство по п.1, в котором первая катушка расположена, по существу, над второй катушкой.
7. Устройство по п.6, в котором первая катушка имеет одинаковое число обмоток или меньше обмоток, чем вторая катушка.
8. Устройство по п.1, в котором первая и вторая катушки являются зеркально симметричными.
9. Способ левитации некоторого количества проводящего материала с использованием устройства по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что проводящий материал захватывают между электромагнитными полями, генерированными с помощью двух катушек, для испарения посредством нагревания с помощью тока и частоты в катушках, при этом испаренный материал направляют, по существу, вдоль направления центральной оси катушек для покрытия подложки.
10. Способ по п.9, в котором катушками манипулируют совместно для направления испаренного проводящего материала с одной или несколькими степенями свободы.
11. Способ по п.10, в котором катушками манипулируют с шестью степенями свободы.
12. Способ по любому из пп.9-11, в котором силу электромагнитного поля в двух катушках выбирают так, что проводящий материал, захваченный между электромагнитными полями, принудительно смещается в направлении центральной оси катушек.
