Устройство и способ для нанесения покрытия на подложку
Изобретение относится к устройству и способу для нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещена катушка (1) для удержания некоторого количества проводящего материала (10) в состоянии левитации и для нагревания и испарения этого материала при использовании переменного электрического тока в катушке. В катушке (1) размещены средства (3) для изоляции катушки от левитированного материала (10). Средства (3) для изоляции являются частью контейнера (2), выполненного из непроводящего материала. Этот контейнер (2) имеет одно или более отверстий (5) для направления испаренного проводящего материала к покрываемой подложке. Изобретение позволяет получать покрытие, имеющее повышенные сцепление и плотность. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройству для нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы, содержащему вакуумную камеру, в которой размещена катушка для удержания некоторого количества проводящего материала в состоянии левитации и для нагрева и испарения этого материала при использовании переменного электрического тока в катушке, причем в катушке размещены средства для изоляции катушки от левитированного материала. Изобретение также относится к способу нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы.
Левитация и испарение проводящего материала известны из WO 03/071000 А1. В этом документе описана технология покрытия подложки слоем проводящего материала, который конденсируется из паровой фазы на подложку в вакуумной камере. Некоторое количество проводящего материала удерживается в состоянии парения над катушкой, в которую подается переменный электрический ток. Благодаря этому току в катушке создается переменное электромагнитное поле. Электромагнитное поле создает направленную вверх силу, действующую на проводящий материал. Электрический ток также обеспечивает электрическую энергию для нагревания левитированного проводящего материала, в результате чего он плавится и в конечном итоге испаряется, хотя некоторые проводящие материалы не плавятся, а сублимируют. Между катушкой и левитированным материалом имеются электроизолирующие средства, такие как труба или короб, для предотвращения дугообразования между обмотками катушки и для предотвращения загрязнения катушки и вакуумной камеры. Образующийся пар выпускается через конец трубы и используется для нанесения покрытия на подложки.
Недостатком этого устройства является то, что сложно управлять слоем покрытия на подложке. Особенно сложно получить покрытие, имеющее равномерную толщину и однородный состав по ширине полосы, когда устройство используется для непрерывного нанесения покрытия на полосу, проходящую через вакуумную камеру.
Для преодоления этого недостатка в WO 02/065558 А1 предложена вакуумная камера, в которой может транспортироваться полоса и пар может транспортироваться к полосе с помощью трубы, имеющей один или более дросселей, так чтобы пар осаждался в условиях запирания потока. В этом документе предложен процесс осаждения двух паров одновременно, но этот процесс может также использоваться лишь для одного пара. Таким образом на полосу может быть нанесено равномерное покрытие в том случае, когда в дросселе используется несколько отверстий, а труба является достаточно широкой.
Однако недостаток нанесенных этим способом покрытий состоит в том, что сцепление покрытия с подложкой не является оптимальным. Другой недостаток состоит в том, что не является оптимальной плотность такого покрытия. Поэтому необходимо подвергать подложку с покрытием дополнительной стадии обработки, такой как прокатка в случае полосы.
Задачей изобретения является создание устройства и способа для нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы, с помощью которых на подложке может быть получено улучшенное покрытие.
Еще одной задачей изобретения является создание устройства и способа для нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы, с помощью которых на подложке может быть получен слой материала покрытия, имеющий повышенные сцепление и плотность.
Одну или более из этих задач позволяет решить устройство для нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы, содержащее вакуумную камеру, в которой размещена катушка для удержания некоторого количества проводящего материала в состоянии левитации и для нагревания и испарения этого материала при использовании переменного электрического тока в катушке, при этом в катушке размещены средства для изоляции катушки от левитированного материала, при этом изолирующие средства являются частью контейнера, выполненного из непроводящего материала, причем контейнер имеет одно или более отверстий для направления испаренного проводящего материала к покрываемой подложке.
С помощью этого устройства можно удерживать испаренный материал таким образом, что давление внутри контейнера выше, чем давление в вакуумной камере снаружи контейнера. Неожиданно было обнаружено, что высокое давление внутри контейнера позволяет генерировать в этом контейнере плазму, поэтому газ, состоящий из испаренного материала, частично ионизирован: он содержит атомы, ионы, радикалы и электроны. Эта плазма генерируется при частотах переменного тока, указанных в WO 03/071000 A1, например, на частоте 50 кГц или выше, что намного ниже, чем известные частоты для генерирования плазмы. Часть этой плазмы направляется через отверстия, перед которыми размещена покрываемая подложка. Благодаря тому что ионы заряжены, покрытие имеет лучшее сцепление с подложкой, и, кроме того, это покрытие имеет более высокую плотность. Контейнер должен быть выполнен из непроводящего материала, так как ионы будут становиться атомами, когда они контактируют с электропроводной стенкой.
Предпочтительно, контейнер имеет форму трубы, которая имеет заглушки на обоих концах, при этом в заглушке имеется одно или более отверстий. Таким образом, предусматривается контейнер простого типа, причем плазма содержится в этом контейнере и частично выпускается через отверстия для нанесения покрытия на подложку во время использования.
Согласно предпочтительному варианту реализации контейнер имеет форму трубы с заглушкой на одном конце и коробчатым выступом на другом конце, причем этот выступ имеет несколько отверстий. Этот предпочтительный вариант реализации особенно подходит для нанесения покрытия на полосу, так как коробчатый выступ может иметь поверхность, которая по существу соответствует форме покрываемой подложки, приводя в результате к равному расстоянию между этой поверхностью и подложкой. Это обеспечит равномерное покрытие на подложке.
Предпочтительно, выступ является по меньшей мере таким же по ширине, как и покрываемая подложка. Это особенно важно при нанесении покрытия на полосовой материал, то есть материал, имеющий длину по меньшей мере несколько сотен метров, который транспортируют через вакуумную камеру. Полоса может быть выполнена из бумаги, металла, пластика или другого материала. При данном варианте реализации контейнера можно наносить покрытие на полосовой материал по всей его ширине.
Предпочтительно, отверстия имеют форму дырки или щели. Это позволяет выпускать плазму эффективным образом.
Согласно одному предпочтительному варианту реализации контейнер снабжен нагревательными средствами для нагрева контейнера. Контейнер необходимо нагревать, поскольку в противном случае пар и плазма будут конденсироваться на холодной стенке.
Предпочтительно, контейнер снабжен нагревательными элементами, выполненными из проводящего материала, такого как проволока высокого сопротивления из молибдена или вольфрама. Таким образом, для нагрева неэлектропроводного контейнера предусмотрены относительно простые нагревательные элементы.
Согласно предпочтительному варианту реализации контейнер изготовлен из керамического материала, такого как нитрид бора или нитрид кремния. Керамический материал очень хорошо подходит для условий, воздействию которых подвергается данное устройство, а именно высокая температура, сильные тепловые удары и напряжения. Кроме того, керамический материал имеет высокую теплопроводность.
Согласно другому аспекту изобретения предложен способ нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы при использовании катушки в вакууме для удержания некоторого количества проводящего материала в состоянии левитации и для нагревания и испарения этого материала, причем в катушке присутствует переменный электрический ток, и между катушкой и левитированным материалом размещены изолирующие средства, являющиеся частью контейнера, выполненного из непроводящего материала, который нагревают, причем контейнер имеет одно или более отверстий для направления испаренного проводящего материала к покрываемой подложке, при этом испаренный материал образует плазму внутри контейнера, и эту плазму выпускают через отверстия в контейнере для нанесения покрытия на подложку.
Этот способ обеспечивает в контейнере плазму, имеющую описанные выше преимущества.
Предпочтительно, контейнер нагревают до температуры, равной или превышающей температуру левитированного материала. Таким образом, пар или плазма не могут конденсироваться на стенках контейнера.
Согласно предпочтительному варианту реализации плазма в контейнере имеет давление между 10-1 и 10-5 мбар, предпочтительно - между 10-2 и 10-4 мбар. При давлении выше 10-5 мбар, предпочтительно - выше 10-4 мбар, в контейнере будет генерироваться плазма, и эта плазма будет сохраняться до тех пор, пока давление не станет слишком высоким, то есть не выше 10-1 мбар, предпочтительно - не выше 10-2 мбар. Понятно, что давление зависит от типа испаряемого проводящего материала, температуры левитированного проводящего материала, а также размера контейнера и отверстий в нем. Более того, понятно, что давление снаружи контейнера в вакуумной камере должно быть ниже, чем давление плазмы, чтобы можно было выпускать плазму через отверстия в контейнере. Предпочтительно, давление в вакуумной камере в 10-1000 раз ниже, чем давление в вакуумной камере, более предпочтительно - приблизительно в 100 раз ниже.
Согласно одному варианту реализации покрываемой подложкой является полоса, которую непрерывно транспортируют относительно контейнера. С помощью способа согласно изобретению можно получать полосу, имеющую плотное, хорошо сцепленное покрытие.
Согласно предпочтительному варианту реализации между подложкой и контейнером поддерживают градиент потенциала, в результате чего ионы ускоряются к подложке. Благодаря градиенту потенциала ионы имеют высокую кинетическую энергию, когда они ударяют по поверхности подложки. Эта высокая кинетическая энергия приводит либо к сцеплению ионов с подложкой или с покрытием, которое уже есть на подложке, давая тем самым очень плотное и хорошо сцепленное покрытие на подложке, либо к отскоку иона от поверхности подложки из-за того, что энергия иона слишком высока. Однако в последнем случае часть энергии иона поглощается покрытием на подложке, что приводит к дополнительному уплотнению покрытия. Потенциал между подложкой и контейнером может составлять 10-40 вольт.
Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 схематически изображает вариант реализации устройства согласно изобретению в сечении.
Фиг.2 изображает устройство, показанное на фиг.1, в сечении по линии А-А.
На фиг.1 показан предпочтительный вариант реализации устройства согласно изобретению. В вакуумной камере (не показана) размещена катушка 1. Контейнер 2 имеет трубчатую часть 3, которая размещена в катушке 1, в которой создается пар. Эта часть 3 закрыта на своем нижнем конце, а к ее верхнему концу присоединена коробчатая часть 4, которая сконструирована соответствующей покрываемой подложке. На поверхности этой части 4 имеются отверстия 5.
В варианте реализации, показанном на фиг.1, контейнер 2 предназначен для нанесения покрытия на полосу (не показана), которую транспортируют на коротком расстоянии над контейнером. По этой причине часть 4 контейнера 2 является удлиненной, чтобы можно было наносить покрытие на всю ширину полосы.
На фиг.2 показан контейнер 2 по фиг.1 в сечении по линии А-А. Это сечение демонстрирует коробчатую часть 4, где в короб 7 вставлена труба 6, и между этими трубой 6 и коробом 7 размещены электрические катушки или провода 8.
Во время работы устройства в трубчатую часть 3 контейнера 2 вводят проводящий материал с использованием подающего устройства (не показано). В катушке 1 создают переменный электрический ток, образующий переменное электромагнитное поле. Благодаря этому электромагнитному полю проводящий материал удерживается в состоянии левитации над катушкой, и в то же время проводящий материал нагревается. В большинстве случаев проводящий материал плавится, образуя каплю 10, и испаряется, а в некоторых случаях он сублимирует без плавления.
Так как контейнер 2 закрыт, за исключением нескольких отверстий 5, за счет испарения капли 10 давление внутри контейнера становится выше, чем давление в окружающей его вакуумной камере.
Неожиданным образом, это позволяет генерировать плазму внутри контейнера и поддерживать эту плазму внутри контейнера за счет использования электроизоляционного или непроводящего материала в качестве материала для самого контейнера с тем, чтобы сохранить плазму. Плазма в контейнере имеет давление между 10-1 и 10-5 мбар, предпочтительно - между 10-2 и 10-4 мбар. При давлении выше 10-5, предпочтительно - выше 10-4 мбар, в контейнере будет генерироваться плазма, и эта плазма будет сохраняться до тех пор, пока давление не станет слишком высоким, т.е. не выше 10-1 мбар, предпочтительно - не выше 10-2 мбар. Плазма генерируется при частотах переменного тока, указанных в WO 03/071000 А1, например, при частоте 50 кГц или выше, что намного ниже, чем известные частоты для генерирования плазмы. Конечно, давление в окружающей вакуумной камере должно быть ниже, чем давление в контейнере, чтобы можно было выпускать плазму через отверстия 5.
Кроме того, чтобы предотвратить конденсацию пара/плазмы на стенках контейнера, контейнер необходимо нагревать до температуры, равной или превышающей температуру пара/плазмы. Для этого используются электрические катушки или провода 8 внутри стенок контейнера. Так как контейнер должен быть термостойким и устойчивым к тепловым ударам, а также иметь высокую теплопроводность, обычно используется керамический материал, такой как нитрид бора или нитрид кремния, но можно также использовать и другие керамические материалы, такие как оксид циркония, оксид иттрия, бромид гафния или бромид циркония, так как керамические материалы являются электрически непроводящими.
Отверстия в контейнере могут иметь любую форму, но обычно они представляют собой круглые дырки или щели. Общая поверхность отверстий зависит от объема контейнера и скорости нанесения покрытия. Расстояние между отверстиями также может варьироваться и будет зависеть от расстояния между поверхностью контейнера, в котором имеются эти дырки, и покрываемой подложкой. Обычно плазма, выпускаемая из контейнера через дырку, имеет форму факела.
Ввиду того, что ионы в плазме заряжены, они будут лучше сцепляться с подложкой и образовывать более плотное покрытие.
Можно дополнительно повысить сцепление и плотность покрытия, прикладывая разность потенциалов между контейнером и покрываемой подложкой. Из-за разности потенциалов ионы ускоряются к подложке и, таким образом, ударяют по ее поверхности, имея высокую скорость. В результате этого образуется очень хорошо сцепленное покрытие с высокой плотностью. Подходящая разность потенциалов составляет 10-40 вольт.
1. Устройство для нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы, содержащее вакуумную камеру, в которой размещена катушка для удержания некоторого количества проводящего материала в состоянии левитации и для нагревания и испарения этого материала при использовании переменного электрического тока в катушке, причем в катушке размещены средства для изоляции катушки от левитированного материала, отличающееся тем, что средства для изоляции катушки выполнены в виде части контейнера, выполненного из непроводящего материала, причем контейнер имеет одно или более отверстий для направления испаренного проводящего материала к покрываемой подложке.
2. Устройство по п.1, в котором контейнер имеет форму трубы, которая имеет заглушки на обоих концах, причем в заглушке имеется одно или более отверстий.
3. Устройство по п.1, в котором контейнер имеет форму трубы с заглушкой на одном конце и коробчатым выступом на другом конце, причем этот выступ имеет несколько отверстий.
4. Устройство по п.3, в котором выступ является по меньшей мере таким же по ширине, как и покрываемая подложка.
5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором отверстия имеют форму дырки или щели.
6. Устройство по любому из пп.1-4, в котором контейнер снабжен нагревательными средствами для нагрева контейнера.
7. Устройство по п.6, в котором контейнер снабжен нагревательными элементами, выполненными из проводящего материала, такого как проволока высокого сопротивления из молибдена или вольфрама.
8. Устройство по любому из пп.1-4, в котором контейнер изготовлен из керамического материала, такого как нитрид бора или нитрид кремния.
9. Способ нанесения покрытия на подложку с использованием физического осаждения из паровой фазы, включающий использование размещенной в вакуумной камере катушки для удержания некоторого количества проводящего материала в состоянии левитации и для нагрева и испарения этого материала за счет переменного электрического тока в катушке, причем между катушкой и левитированным материалом размещают средства для изоляции катушки от левитированного материала, отличающийся тем, что средства для изоляции являются частью контейнера, выполненного из непроводящего материала, который нагревают, причем контейнер имеет одно или более отверстий для направления испаренного проводящего материала к покрываемой подложке, при этом испаренный материал образует плазму внутри контейнера, и эту плазму выпускают через отверстия в контейнере для нанесения покрытия на подложку.
10. Способ по п.9, в котором контейнер нагревают до температуры, равной или превышающей температуру левитированного материала.
11. Способ по любому из пп.9 или 10, в котором плазма в контейнере имеет давление между 10-1 и 10-5 мбар, предпочтительно между 10-2 и 10-4 мбар.
12. Способ по любому из пп.9 или 10, в котором покрываемая подложка представляет собой полосу, которую непрерывно транспортируют относительно контейнера.
13. Способ по п.11, в котором покрываемая подложка представляет собой полосу, которую непрерывно транспортируют относительно контейнера.
14. Способ по любому из пп.9 или 10, в котором между подложкой и контейнером поддерживают градиент потенциала, в результате чего ионы ускоряются к подложке.
15. Способ по п.11, в котором между подложкой и контейнером поддерживают градиент потенциала, в результате чего ионы ускоряются к подложке.
16. Способ по п.12, в котором между подложкой и контейнером поддерживают градиент потенциала, в результате чего ионы ускоряются к подложке.
17. Способ по п.13, в котором между подложкой и контейнером поддерживают градиент потенциала, в результате чего ионы ускоряются к подложке.
