СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ТРАВЛЕНИЯ В ВАКУУМЕ ПРИ ПОМОЩИ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОЛОСЫ
METHOD AND DEVICE FOR ETCHING IN VACUUM THROUGH MAGNETRON SPUTTERING OF METAL STRIP

Настоящее изобретение касается способа и установки для травления металлической полосы, например, такой как стальная полоса, в вакууме при помощи магнетронного распыления.
Во время операции вакуумного нанесения покрытия на стальную полосу одним из ключевых факторов успешной операции является степень чистоты полосы перед нанесением покрытия, так как она определяет хорошее сцепление покрытия с покрываемой поверхностью. Для этого одним из используемых процессов является травление в вакууме при помощи магнетронного распыления, называемое также «etching». Этот способ состоит в создании плазмы между полосой и противоэлектродом в газе, позволяющем генерировать радикалы и/или ионы. В нормальных условиях работы эти ионы ускоряются в направлении поверхности обрабатываемой полосы и отрывают поверхностные атомы, очищая, таким образом, загрязненную поверхность одновременно с ее активацией.
Очищаемая полоса перемещается в вакуумной камере напротив противоэлектрода. Последний заряжают положительно по отношению к подложке, которую, в свою очередь, предпочтительно соединяют с массой. Набор магнитов, располагаемых за полосой, удерживает создаваемую плазму в ограниченном пространстве рядом с полосой. Для сверхточного позиционирования обрабатываемой металлической полосы по отношению к противоэлектроду, необходимому для осуществления магнетронного распыления, как правило, металлическую полосу располагают на опорном валке, который может приводиться во вращение вокруг своей оси.
Применение этого типа обработки поверхности в промышленном масштабе выдвигает к способу ряд дополнительных требований. В частности, необходимо адаптировать ширину протравливаемой площади к ширине стальной полосы, которая в течение времени может меняться. Такая адаптация требует ограничения действия радикалов или ионов, образуемых в плазме, ограниченной зоной, предназначенной для травления металлической полосой.
В связи с этим в известном патенте ЕР-А-0603587 описана установка, обеспечивающая равномерную эрозию подложки при помощи плазмы. Эта установка позволяет перемещать зону травления на расстояния небольшой длины, не меняя при этом ее размеров в любом направлении. Она обеспечивает более равномерную эрозию подложки, но не обеспечивает реальной адаптации к изменению ширины обрабатываемой полосы.
Известен также документ ЕР-А-0878565, в котором описано несколько установок, предназначенных для решения этой проблемы изменения ширины подложки, обрабатываемой при помощи технологии «etching» (травление). Первое устройство, показанное на фиг.4 и 5, использует магнитную цепь, состоящую из трех отдельных цепей одинаковой ширины. Центральная цепь является неподвижной, а две других могут перемещаться в боковом направлении относительно полосы, чтобы адаптировать ширину общей магнитной цепи к ширине полосы. Если полоса не установлена на валке или установлена на не проводящем валке, очень трудно обеспечить зажигание на рабочей дорожке, находящейся частично на полосе и частично на изолирующей поверхности. Действительно, кромки стремятся создать неоднородное электрическое поле (эффект острия), и прерывание рабочей дорожки на этом уровне приводит к появлению многочисленных дуг, как только возникает необходимость в повышении мощности. Таким образом, устройство работает, только если боковые магнитные цепи не находятся напротив стальной полосы или полностью находятся напротив этой полосы. Однако в последнем случае травление не является равномерным, так как рабочие площади магнитных цепей перекрывают друг друга, чтобы адаптироваться к ширине полосы.
Если полосу устанавливают на проводящем валке, устройство не может работать непрерывно и эффективно, не вызывая его эрозии, что приводит к частым заменам.
В этом документе описано второе устройство, показанное на фиг.1-3, в котором используют магнитную цепь, состоящую из постоянных магнитов в виде прямоугольной рамки 3 (северный полюс) и из постоянных магнитов в виде трех последовательных параллельных брусков 4 (южный полюс) или наоборот. Центральный брусок 4а южного полюса, как и продольные стороны 3а рамки 3, образующей северный полюс, являются неподвижными. Концевые стороны 3b рамки и бруски 4b южного полюса могут совместно перемещаться скольжением в направлении, поперечном по отношению к направлению перемещения полосы. Если полоса не установлена на валке или установлена на не проводящем валке, на уровне кромок опять возникает проблема. Дуги появляются, когда магнитная цепь слегка выходит за пределы края полосы для правильного травления этой части. Кроме того, травление оказывается неоднородным, когда рабочие площади магнитов 4 перекрывают друг друга, чтобы адаптироваться к ширине полосы.
Если же полосу устанавливают на проводящем валке, травление все равно остается неоднородным, когда рабочие площади магнитов 4 перекрывают друг друга. Кроме того, если полоса является узкой, северные полюсы 3а, не находящиеся напротив обрабатываемой поверхности, также возмущают магнитное поле.
В этом документе раскрыто также третье устройство, показанное на фиг.6, в котором используют магнитную цепь с многоэлементной структурой. Эта структура состоит из последовательности независимых магнитных цепей 2′, 2″,…, расположенных последовательными рядами 12, 12′. Если полоса не установлена на валке или установлена на не проводящем валке, установка работает, но приводит к образованию дуг на уровне магнитных цепей, пересекающих край полосы. Если же полосу устанавливают на проводящем валке, установка не позволяет адаптировать ширину травления к различным значениям ширины подложки.
Настоящее изобретение призвано устранить недостатки известных способов и предложить способ и установку для травления в вакууме поверхности движущейся на опорном валке металлической полосы путем магнетронного распыления, которые позволяют адаптировать обработку к изменению ширины полосы и обеспечивают при этом равномерную обработку всей поверхности и без повреждения опорного валка.
В этой связи первым объектом настоящего изобретения является способ травления магнетронным распылением в вакуумной камере металлической полосы, движущейся на опорном валке напротив противоэлектрода, при этом в газе вблизи указанной металлической полосы создают плазму, с тем чтобы образовались радикалы и/или ионы, действующие на эту полосу, характеризующийся тем, что выбирают, по меньшей мере, одну замкнутую магнитную цепь, ширина которой, по существу, равна ширине указанной металлической полосы, в группе из, по меньшей мере, двух замкнутых магнитных цепей разной и фиксированной ширины, затем указанную выбранную магнитную цепь перемещают для ее позиционирования напротив указанной металлической полосы и производят травление указанной движущейся металлической полосы.
Способ в соответствии с настоящим изобретением может также содержать следующие признаки, взятые отдельно или в комбинации:
- опорный валок является проводящим валком,
- замкнутая магнитная цепь или замкнутые магнитные цепи содержит(ат) ряды магнитов, расположенных бок о бок, при этом два последовательных ряда имеют противоположную полярность,
- выбранная магнитная цепь или выбранные магнитные цепи создают магнитное поле, тангенциальное к металлической полосе и имеющее напряженность, превышающую 300 гаусс,
- магнитная цепь или магнитные цепи располагают на наружной поверхности цилиндрической опоры, установленной внутри опорного валка концентрично относительно валка, при этом цилиндрическая опора является подвижной и вращается вокруг своей оси,
- магнитная цепь или магнитные цепи устанавливают на ярме из мягкой стали,
- магнитная цепь или магнитные цепи расположены упорядочение по возрастанию размера на поверхности цилиндрической опоры,
- не выбранные магнитные цепи экранируют устройством нейтрализации, не пропускающим магнитное поле магнитных цепей более 100 гаусс, указанных в направлении металлической полосы,
- устройство нейтрализации состоит из двух частей, установленных по обе стороны от указанной или указанных магнитных цепей, образуя окно травления,
- обрабатывают первый рулон металлической полосы, имеющий постоянную ширину L1, затем второй рулон постоянной ширины L2, при этом первый рулон обрабатывают при помощи замкнутой магнитной цепи шириной L1, который размещают над указанной полосой, затем указанную цепь убирают, заменяя ее второй цепью шириной L2, которой обрабатывают второй рулон металлической полосы, имеющий постоянную ширину L2,
- после этого на протравленную металлическую полосу в вакууме наносят защитное покрытие,
- металлическая полоса является стальной полосой.
Вторым объектом настоящего изобретения является установка для травления в вакууме металлической полосы магнетронным распылением, содержащая опорный валок, находящийся напротив противоэлектрода, средство приложения потенциала к указанной металлической полосы, средства создания плазмы в газе между указанной полосой и указанным противоэлектродом, группа из, по меньшей мере, двух замкнутых магнитных цепей разной и фиксированной ширины, каждая из которых выполнена с возможностью обработки металлической полосы по всей ее ширине, и средства размещения одной или более из указанных магнитных цепей напротив указанной металлической полосы.
Установка в соответствии с настоящим изобретением может также содержать следующие признаки, взятые отдельно или в комбинации:
- опорный валок является проводящим валком,
- замкнутая магнитная цепь или замкнутые магнитные цепи содержит(ат) ряды магнитов, расположенных бок о бок, при этом два последовательных ряда имеют противоположную полярность,
- магнитная цепь или магнитные цепи могут создавать магнитное поле, тангенциальное к металлической полосе и имеющее напряженность, превышающую 300 гаусс,
- магнитная цепь или магнитные цепи располагают на наружной поверхности цилиндрической опоры, установленной внутри опорного валка концентрично относительно валка, при этом цилиндрическая опора является подвижной и вращается вокруг своей оси,
- магнитная цепь или магнитные цепи устанавливают на ярме из мягкой стали,
- магнитная цепь или магнитные цепи расположены упорядоченно по возрастанию размера на поверхности цилиндрической опоры,
- установка дополнительно содержит устройство нейтрализации, не пропускающее магнитное поле магнитных цепей более 100 гаусс в направлении металлической полосы,
- устройство нейтрализации состоит из двух частей, которые можно установить по обе стороны от указанной или указанных магнитных цепей между металлической полосой и противоэлектродом.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в разрезе варианта выполнения установки в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - схематичный вид сверху части установки, показанной на фиг.1.
На фиг.1 показана установка 1 в соответствии с настоящим изобретением, содержащая вакуумную камеру 2, в которой установлен опорный валок 3, содержащий цилиндрическую поверхность и выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси. Предназначенную для травления стальную полосу 4 наматывают вокруг этого валка 3 напротив противоэлектрода 5. На противоэлектрод подают потенциал, положительный относительно стальной полосы, которую предпочтительно соединяют с массой.
Система противоэлектрода может содержать один или несколько противоэлектродов и может быть выполнена в разном виде, например в виде провода.
Внутри валка 3 устанавливают опору в виде барабана 6, внутри которого размещают определенное число магнитных цепей 7. Опорный валок 3 должен иметь достаточный диаметр, чтобы внутри него можно было выполнить подходящее число магнитных дорожек 7, адаптированное ко всем значениям ширины, предусмотренным в технологическом процессе.
Поскольку валок 3 постоянно подвергается эрозии от действия плазмы, выходящей за пределы кромок полосы 4, его рабочая оболочка считается расходной деталью. Валок 3 должен быть выполнен с возможностью его легкой шлифовки, и оболочка - с возможностью легкой замены в конце срока службы. Этот срок службы зависит от скорости распыления на поверхности. В случае необходимости можно выбрать проводящее покрытие с более низкой скоростью эрозии, чтобы увеличить срок службы оболочки.
В случае необходимости барабан 3 можно заземлить, и он предпочтительно является проводящим. Действительно, этот вариант выполнения позволяет ограничить и даже избежать появления дуг на кромках полосы во время травления, которые могут привести к неравномерности обработки между центром полосы и ее кромками.
Во время производственного процесса барабан 6 может приводиться во вращение внутри опорного валка 3. Этот барабан 6 должен иметь достаточный диаметр, чтобы в нем можно было разместить подходящее число магнитных дорожек 7 для адаптации ко всем значениям ширины, предусмотренным технологическим процессом.
Как показано на фиг.2, магнитные цепи 7 имеют разную ширину, возрастающую в направлении, поперечном к направлению перемещения стальной полосы 4.
Каждая магнитная цепь 7 содержит магниты 8, которые можно установить на деталях из мягкой стали. Эти детали могут быть выполнены в виде отдельных элементов, соединенных с барабаном, либо в виде единого кольца, выполняющего роль люльки.
Предпочтительно ярмо из мягкой стали под магнитами 8 позволяет усилить поле, индуцируемое над магнетронной сборкой, и избежать рассеяния линий поля далеко за пределы магнитов 8.
Магниты 8 расположены таким образом, что образуют, по меньшей мере, одну замкнутую магнитную дорожку, где поле, тангенциальное к полосе, превышает 300 гаусс и предпочтительно превышает 500 гаусс.
Магниты 8 одного ряда предпочтительно располагают бок о бок, чтобы избежать зубцеобразных искажений поля, которые могут снизить эффективность удержания плазмы.
Кроме того, как показано на фиг.1, весь опорный валок 3 охвачен нейтрализующими экранами 9, за исключением активной части в окне травления. Экраны 9 можно выполнить из неферромагнитного материала в виде сплошной детали или в виде полой, но закрытой детали. Толщину этих экранов 9 выбирают таким образом, чтобы выходящее из них магнитное поле было меньше 100 гаусс и предпочтительно меньше 50 гаусс, чтобы избежать зажигания плазмы за пределами зоны травления.
Далее следует описание работы устройства в соответствии с настоящим изобретением. Если требуется произвести травление металлической полосы 4, которая может быть выполнена из стали, алюминия, меди и т.д., на нее подают потенциал, например отрицательный, и помещают в вакуумную камеру 2. В этой камере 2 зажигают плазму между положительно заряженным противоэлектродом и полосой 4. Травление обеспечивается бомбардировкой полосы 4 ионами и/или радикалами.
За счет поворота барабана 6 выбирают магнитную цепь или магнитные цепи 7 необходимой ширины и помещают их напротив противоэлектрода 5. Экраны 9 нейтрализации магнитного поля устанавливают по обе стороны от магнитной цепи или магнитных цепей 7, чтобы отрегулировать окно травления по точным размерам движущейся полосы 4. Когда ширина полосы 4 меняется, достаточно повернуть барабан 6 для размещения магнитного контура 7 соответствующей ширины напротив противоэлектрода.
Таким образом, понятно, что устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением позволяют эффективно и просто обрабатывать металлическую полосу переменной ширины, обеспечивать равномерную обработку всей ее поверхности, включая кромки, избегая появления электрических дуг и повреждения опорного валка, который не подвергается травлению.
Кроме того, можно также использовать устройство в соответствии с настоящим изобретением для последовательной обработки рулонов металлических полос постоянной, но разной ширины. Так, если необходимо обработать первый рулон полосы с постоянной шириной L1, затем второй рулон полосы с постоянной шириной L2, сначала над полосой размещают первую магнитную цепь 7 шириной L1 и обрабатывают весь первый рулон, не внося изменений в установку. Затем барабан 6 поворачивают таким образом, чтобы разместить вторую магнитную цепь 7 шириной L2 напротив пути полосы 4, и обрабатывают второй рулон шириной L2, разместив предварительно экраны 9 для нейтрализации других не выбранных цепей 7. В зависимости от технологического процесса производственной линии можно предусмотреть применение барабана 6, оборудованного таким количеством магнитных цепей 7, которое соответствует значениям ширины полос в этом технологическом процессе.