Установка для вакуумного осаждения и способ нанесения покрытия на подложку
Изобретение относится к технологии непрерывного осаждения покрытий, сформированных из металла или металлических сплавов. Способ непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку покрытий, сформированных, по меньшей мере, из одного металла внутри установки для вакуумного осаждения, содержащей вакуумную камеру, содержит этап, на котором в указанной вакуумной камере металлический пар 5 выбрасывается через по меньшей мере два паровых эжектора 3, 3' в направлении к обеим сторонам перемещающейся подложки, и слой по меньшей мере одного металла формируется с каждой стороны посредством конденсации выбрасываемых паров, причем по меньшей мере два паровых эжектора 3, 3', обращенных друг к другу, расположены по обе стороны от подложки и позиционируются соответственно под углом α и α', находясь между эжектором пара и осью А, перпендикулярной направлению перемещения подложки, ось которой находится в плоскости подложки, α и α' удовлетворяют следующим уравнениям:
(D1+D2)+Le sin α + We cos α = Ws и
(D1+D2)+Le sin α' + We cos α' = Ws,
углы α и α' по абсолютной величине выше 0° и D1 и D2 - меньшее расстояние между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, D1 и D2 превышают 0 мм, то есть края эжектора не выходят за края подложки, а упомянутые эжекторы пара имеют прямоугольную или трапециевидную форму и содержат прорезь, а также определяются длиной Le прорези и шириной We прорези, причем упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения. Также предлагается металлическая подложка, полученная данным способом, покрытая по меньшей мере одним металлом с обеих сторон, при этом покрытие равномерно осаждено, его толщина составляет 0,1-20 мкм, а максимальная толщина покрытия превышает среднюю толщину максимум на 15%. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к способу непрерывного осаждения на подложку покрытий, сформированных из металла или металлических сплавов. Настоящее изобретение также относится к установке для вакуумного осаждения, используемой в этом способе.
Известны различные процессы для нанесения металлических покрытий, в некоторых случаях состоящих из сплавов, на подложку, такую как стальная полоса. Среди них можно упомянуть нанесение покрытия способом горячего погружения, гальваническое осаждение, а также различные процессы вакуумного осаждения, такие как вакуумное напыление и магнетронное распыление.
Из документа WO97/47782 известен способ непрерывного нанесения покрытия на стальную подложку, в котором струя паров металла, перемещающаяся со скоростью более 500 м/с, входит в контакт с подложкой. Способ осаждения называется струйным осаждением из паровой фазы.
Документ EP 2048261 раскрывает парогенератор для осаждения покрытия на металлическую подложку, содержащий вакуумную камеру в виде корпуса, снабженного блоком, обеспечивающим состояние разрежения по отношению к внешней окружающей среде, и блоком, позволяющим вход и выход подложки. Корпус содержит головку для осаждения из паровой фазы и эжектор для создания струи пара металла со скоростью звука в направлении, перпендикулярном поверхности подложки. Эжектор герметично соединен с тиглем подводящей трубкой. Тигель, содержащий смесь металлов в жидкой форме, расположен вне вакуумной камеры и снабжается посредством откачки или барометрического воздействия расплава, полученного из плавильной печи, находящейся при атмосферном давлении. Блок установлен для регулирования потока, давления и/или скорости пара металла в эжекторе. Блок регулирования содержит пропорциональный клапан типа «бабочка», и/или устройство для снижения давления, расположенное в трубе. Эжектор содержит продольную щель в качестве звуковой манжеты для выхода пара, проходящую по всей ширине подложки, и спеченный фильтрующий материал или корпус потери давления для стандартизации и корректировки скорости пара, выходящего из эжектора.
В документе EP 2048261, предпочтительно, генератор содержит средство для регулировки длины продольной щели эжектора в зависимости от ширины подложки. В частности, раскрыта простая система для регулировки прорези паровой струи по ширине полосы посредством вращения эжектора вокруг своей оси. Таким образом, края паровой струи и края подложки находятся в одинаковых ортогональных проекциях, то есть расстояния между краями паровой струи и краями подложки равны 0 мм. Генератор может содержать два эжектора, расположенные по обе стороны от металлической подложки.
Тем не менее, при использовании такого генератора существует риск того, что во время процесса осаждения пары металла не равномерно осаждаются на металлической подложке. Действительно, было замечено, что пары также имеют тенденцию накапливаться в некоторых областях металлической подложки, например, на краях подложки.
Поэтому цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечивать способ нанесения покрытий на перемещающуюся подложку, в котором пары металла равномерно осаждаются на обеих сторонах металлической подложки.
Это достигается посредством обеспечения способа осаждения покрытий на перемещающуюся подложку согласно пункту 1 формулы изобретения. Способ также может содержать любой признак пунктов 2-13 формулы изобретения.
Изобретение также относится к подложке с покрытием согласно пп. 14-16 формулы изобретения.
Изобретение также относится к вакуумной установке по пп. 17 или 18.
Чтобы проиллюстрировать изобретение, будут описаны различные варианты осуществления изобретения и испытания неограничивающих примеров, в частности, со ссылкой на следующие фигуры:
На фиг. 1 иллюстрируется вид сверху подложки, покрываемой с помощью двух эжекторов пара внутри установки для вакуумного осаждения согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 иллюстрируется вид сверху подложки, покрываемой с помощью двух эжекторов пара внутри установки для вакуумного напыления согласно предшествующему уровню техники.
На фиг. 3 иллюстрируется вид сбоку подложки, покрываемой с помощью двух эжекторов пара внутри установки для вакуумного осаждения согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 иллюстрируется пример парового эжектора, выбрасывающего пары металла, согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 иллюстрируется вид сбоку подложки, покрываемой с помощью двух эжекторов пара внутри установки для вакуумного напыления согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из последующего подробного описания изобретения.
Изобретение относится к способу непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла внутри установки для вакуумного осаждения, при этом способ содержит:
- этап, на котором в указанной вакуумной камере металлический пар выбрасывается через, по меньшей мере, два паровых эжектора, по направлению к обеим сторонам перемещающейся подложки, и слой, по меньшей мере, одного металла формируется с каждой стороны посредством конденсации выбрасываемых паров, по меньшей мере, два паровых эжектора, обращенные друг к другу, расположены по обе стороны от подложки и позиционируются соответственно под углом α и α' между паровым эжектором и осью A, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, α и α 'удовлетворяют следующему уравнению:
(D1 + D2) + Le sin α + We cos α = Ws и
(D1 + D2) + Le sin α’ + We cos α’ = Ws
α и α’ α по абсолютной величине выше 0° и
D1 и D2 - это меньшее расстояние между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, D1 и D2 превышают 0 мм и
- упомянутые эжекторы пара имеют продолговатую форму и содержат прорезь, а также определяются длиной Le прорези и шириной We прорези, причем упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.
Не желая ограничиваться какой-либо теорией, предполагается, что с помощью способа согласно настоящему изобретению возможно получить покрытие, имеющее равномерную толщину. Действительно, изобретатели обнаружили, что по меньшей мере два эжектора пара должны быть позиционированы соответственно под определенным углом α и α’, чтобы пары металла выбрасывались почти без каких-либо потерь. Когда α и α’ удовлетворяют уравнению, траектория выбрасываемого металлического пара хорошо контролируется для осаждения на всей поверхности обеих сторон металлической подложки. Таким образом значительно повышается выход осаждаемого металла из паров. Кроме того, пары металла равномерно осаждаются на обеих сторонах перемещающейся подложки, что приводит к покрытию постоянной толщины.
Как показано на фиг. 1, установка 1, в соответствии с изобретением, в первую очередь содержит вакуумную камеру 2 и средство для перемещения подложки через камеру. Эта вакуумная камера 2 представляет собой герметично закрываемую коробку, в которой предпочтительно поддерживается давление от 10-8 до 10-3 бар. Она имеет входную шлюзовую камеру и выходную шлюзовую камеру (они не показаны), между которыми подложка S, такая как, например, стальная полоса, может проходить по заданной траектории P в направлении перемещения.
По меньшей мере, два паровых эжектора 3, 3’ выбрасывают металлические пары со скоростью звука с обеих сторон перемещающейся подложки. Оба эжектора пара позиционируются соответственно под углом α и α’ между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а оба угла α и α’ удовлетворяют следующим уравнениям:
(D1 + D2) + Le sin α + We cos α = Ws и
(D1 + D2) + Le sin α’ + We cos α’ = Ws.
Эжекторы пара могут иметь различные формы, например, прямоугольную или трапециевидную форму. Возможны различные значения расстояний D1 и D2, как показано на фиг. 1. Предпочтительно, D1 и D2 представляют наименьшее расстояние между краями эжектора и краями подложки вдоль оси A.
Согласно настоящему изобретению, D1 и D2 превышают 0 мм, то есть края эжектора не выходят за края подложки. Не желая быть связанным с какой-либо теорией, предполагается, что в том случае, если D1 и D2 равны или меньше 0 мм, существует риск того, что траектория металлического пара, выбрасываемого через паровые эжекторы, не будет контролироваться, что приведет к осаждению неравномерного покрытия. Когда D1 и D2 ниже нуля, это означает, что края эжектора пара выходят за края подложки, как иллюстрируется на фиг. 2.
Предпочтительно, D1 и D2 независимы друг от друга и превышают 1 мм, предпочтительно от 5 до 100 мм и более предпочтительно от 30 до 70 мм.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения значение D1 идентично D2.
Предпочтительно длина прорези Le эжектора составляет 5 - 50 мм.
Предпочтительно, ширина Ws подложки составляет максимум 2200 мм. Преимущественно*, Ws составляет минимум 200 мм. Например, Ws составляет от 1000 до 1500 мм.
Предпочтительно, We составляет максимум 2400 мм. Преимущественно, We составляет минимум 400 мм.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения Ws меньше или равно We.
Предпочтительно, угол α’ является таким, что α - α’ < 10°, более предпочтительно α - α ’< 5° и предпочтительно α - α’ < 3° в абсолютном выражении. Например, α - α’ равно 0°.
Предпочтительно угол α составляет от 5º до 80°, предпочтительно от 20º до 60° в абсолютном выражении и, например, от 35º до 55° в абсолютном выражении.
Вакуумная камера может содержать три или несколько эжекторов пара, позиционируемых с обеих сторон перемещающейся подложки. Например, вакуумная камера может содержать два эжектора пара, позиционируемых с каждой стороны металлической подложки.
Как проиллюстрировано на фиг. 3, подложку S можно заставить перемещаться с помощью любых подходящих средств, в зависимости от природы и формы указанной подложки. В частности, можно использовать вращающийся опорный ролик 4, на который может опираться стальная полоса.
Как показано на фиг. 4, два эжектора 3, 3’ пара, в соответствии с настоящим изобретением, выбрасывают струю 5 металлического пара со скоростью звука на перемещающуюся подложку (не показана). По меньшей мере, два паровых эжектора имеют удлиненную форму и содержат прорезь, определяемую длиной Le прорези и шириной We прорези.
Как проиллюстрировано на фиг. 5, вакуумная камера 2 может дополнительно содержать центральный кожух 6. Это коробка, окружающая траекторию P подложки на заданной длине в направлении перемещения, обычно длиной от 2 до 8 м в случае одного эжектора на каждую сторону. Его стенки отграничивают полость. Он содержит два отверстия, то есть вход 7 для подложки и выход 8 для подложки, расположенные на двух противоположных сторонах центрального корпуса. Предпочтительно, центральный кожух представляет собой параллелепипед, ширина которого немного превышает ширину покрываемых подложек.
Предпочтительно, внутренние стенки центрального кожуха подходят для нагрева до температуры, превышающей температуру конденсации паров металла или металлического сплава. Нагревание может осуществляться любыми подходящими средствами, такими как, например, индукционный нагреватель, нагревательные резисторы, электронный пучок. Нагревательные средства подходят для нагрева внутренних стенок центрального кожуха до температуры, достаточно высокой, чтобы избежать конденсации на них паров металла или металлических сплавов. Предпочтительно, стенки центрального кожуха подходят для нагревания выше температур конденсации металлических элементов, образующих осаждаемое покрытие, обычно выше 500° C, например, между 500° C и 700° C, чтобы избежать конденсации. паров цинка или паров цинко-магниевого сплава. Благодаря этим средствам нагрева внутренние стенки центрального кожуха не забиваются, и нет необходимости часто останавливать установку для очистки. Кроме того, предотвращается конденсация паров металлов или металлических сплавов на внутренних стенках.
В частности, с помощью способа согласно настоящему изобретению можно получить металлическую подложку, покрытую по меньшей мере одним металлом с обеих сторон подложки, имеющую среднюю толщину, причем покрытие осаждается равномерно, в результате чего максимальная толщина покрытия может превышать среднюю толщину максимум на 15%.
В настоящем изобретении по меньшей мере один металл предпочтительно выбирают из следующих металлов: цинк, хром, никель, титан, марганец, магний, кремний, алюминий, или из их смесей. Предпочтительно, металл представляет собой цинк, по необязательному выбору с магнием.
Предпочтительно, металлическая подложка представляет собой стальную подложку. Фактически, не желая быть связанными какой-либо теорией, предполагается, что плоскостность дополнительно улучшается при использовании стальной подложки.
Толщина покрытия предпочтительно составляет от 0,1 до 20 мкм. С одной стороны, ниже 0,1 мкм существует риск того, что защита подложки от коррозии будет недостаточной. С другой стороны, нет необходимости превышать 20 мкм, чтобы получить уровень коррозионной стойкости, который требуется, в частности, в автомобильной или строительной области. Обычно толщина может быть ограничена 10 мкм для применений в автомобильной отрасли.
И наконец, изобретение относится к установке вакуумного осаждения для способа согласно настоящему изобретению непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, причем установка содержит вакуумную камеру, через которую подложка может проходить вдоль заданной траектории, при этом вакуумная камера дополнительно содержит:
- по меньшей мере, два паровых эжектора, обращенных друг к другу, расположенных по обе стороны от подложки и позиционируемых соответственно под углом α и α', находясь между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а углы α и α' удовлетворяют следующему уравнению:
(D1 + D2) + Le sin α + We cos α = Ws и
(D1 + D2) + Le sin α’ + We cos α’ = Ws
Углы α и α’ по абсолютной величине выше 0° и
D1 и D2 - это меньшее расстояние между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, D1 и D2 превышают 0 мм, и
упомянутые эжекторы пара имеют продолговатую форму и содержат прорезь, а также определяются длиной Le прорези и шириной We прорези, причем упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере два эжектора пара установлены с возможностью вращения вокруг подающей трубы, связанной с источником пара, в результате чего регулируются углы α и α’.
Примеры
Были проведены испытания установки вакуумного осаждения для оценки эффективности способа, содержащего два паровых эжектора, выбрасывающих пары цинка.
Пары цинка осаждались на обеих сторонах стальной подложки, имеющей ширину Ws 1300 мм, в вакуумной камере, содержащей два эжектора пара, имеющих Le = 24 мм и We = 1750 мм. Для испытаний D1 и D2 были идентичными и были зафиксированы таким образом, чтобы находиться в диапазоне от -10 мм до +20 мм. Значение -10 мм означает, что края струи пара выступают на 10 мм за края подложки. Углы α и α’ рассчитывали для каждого испытания с помощью уравнения согласно настоящему изобретению. Давление вакуума составляло 10-1 мБар. Желаемая толщина цинкового покрытия составляла 8 мкм, что соответствует 100%. Толщина металла измерялась способом рентгенофлуоресцентной спектрометрии.
Результаты представлены в следующей таблице 1:
| Испытания | D1 = D2 (мм) | D1 и D2 > 0 мм | б и б’ (градусы) | б удовлетворяет уравнению | максимальная толщина с обеих сторон (%) | ||
| 45 мм от краев подложки | 30 мм от краев подложки | 15 мм от краев подложки | |||||
| 1 | -6 | Нет | 42.2 | Да | 130 | 126 | 123 |
| 2* | +27 | Да | 45.4 | Да | 110 | 103 | 106 |
| 3* | +40 | Да | 46.6 | Да | 102 | 98 | 102 |
*: согласно настоящему изобретению
Покрытие испытаний 2 и 3 было равномерным по сравнению с испытанием 1.
1. Способ непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку (S) покрытий, сформированных, по меньшей мере, из одного металла внутри установки (1) для вакуумного осаждения, содержащей вакуумную камеру (2), содержащий:
- этап, на котором в указанной вакуумной камере металлический пар выбрасывается через по меньшей мере два паровых эжектора (3, 3') в направлении к обеим сторонам перемещающейся подложки, и слой по меньшей мере одного металла формируется с каждой стороны посредством конденсации выбрасываемых паров, причем по меньшей мере два паровых эжектора, обращенных друг к другу, расположены по обе стороны от подложки и позиционируются соответственно под углом α и α', находясь между эжектором пара и осью (А), перпендикулярной направлению перемещения подложки, ось которой находится в плоскости подложки, α и α' удовлетворяют следующим уравнениям:
(D1+D2)+Le sin α + We cos α = Ws и
(D1+D2)+Le sin α' + We cos α' = Ws,
углы α и α' по абсолютной величине выше 0° и
D1 и D2 - меньшее расстояние между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, D1 и D2 превышают 0 мм, то есть края эжектора не выходят за края подложки, а упомянутые эжекторы пара имеют прямоугольную или трапециевидную форму и содержат прорезь, а также определяются длиной Le прорези и шириной We прорези, причем упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.
2. Способ по п. 1, в котором расстояния между эжектором и краями D1 и D2 подложки превышают 1 мм.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором ширина Ws подложки составляет максимум 2200 мм.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором Ws составляет минимум 200 мм.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором угол α' является таким, что α - α'<10° в абсолютном выражении.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором угол α составляет от 5° до 80° в абсолютном выражении.
7. Способ по п. 6, в котором угол α составляет от 20° до 60° в абсолютном выражении.
8. Способ по п. 7, в котором угол α составляет от 35° до 55° в абсолютном выражении.
9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором длина Le прорези эжектора составляет от 5 до 50 мм.
10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором значение D1 идентично значению D2.
11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором вакуумная камера дополнительно содержит центральный кожух (6), окружающий подложку, причем указанный центральный кожух содержит вход (7) для подложки и выход (8) для подложки, расположенные на двух противоположных сторонах центрального кожуха.
12. Способ по п. 11, в котором внутренние стенки центрального кожуха (6) предназначены для нагрева до температуры, превышающей температуру конденсации паров металла или металлического сплава.
13. Металлическая подложка, полученная способом по любому из пп. 1-12, покрытая по меньшей мере одним металлом с обеих сторон, при этом покрытие равномерно осаждено, его толщина составляет 0,1-20 мкм, а максимальная толщина покрытия превышает среднюю толщину максимум на 15%.
14. Металлическая подложка по п. 13, в которой металл выбран из цинка, хрома, никеля, титана, марганца, магния, кремния и алюминия или их смеси.
15. Металлическая подложка по любому из пп. 13 или 14, в которой металлическая подложка представляет собой стальную подложку.
16. Установка вакуумного осаждения способом по любому из пп. 1-12 для непрерывного нанесения на перемещающуюся подложку (S) покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, при этом установка (1) содержит вакуумную камеру (2), через которую подложка (3) может проходить по заданной траектории, при этом вакуумная камера дополнительно содержит:
- по меньшей мере два эжектора пара, обращенных друг к другу, расположенных по обе стороны от подложки и позиционируемых соответственно под углом α и α', находясь между эжектором пара и осью (А), перпендикулярной направлению перемещения подложки, ось находится в плоскости подложки, α и α' удовлетворяют следующему уравнению:
(D1+D2)+Le sin α + We cos α = Ws и
(D1+D2)+Le sin α' + We cos α' = Ws,
α и α' больше 0° и D1 и D2 - меньшее расстояние между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, D1 и D2 превышают 0 мм, то есть края эжектора не выходят за края подложки, и упомянутые эжекторы пара имеют прямоугольную или трапециевидную форму и содержат прорезь, а также определяются длиной Le прорези и шириной We прорези, причем упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.
17. Установка по п. 16, отличающаяся тем, что по меньшей мере два эжектора установлены с возможностью вращения вокруг подающей трубы, связанной с источником пара, в результате чего углы α и α' являются регулируемыми.
