ES2374775A1 - Unidad de pulverización catódica de blancos circulares. - Google Patents
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Abstract
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.
Description
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.
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".
"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.
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:
- -
- el canal de entrada de gas noble a la cabeza y
- -
- dos canales de entrada y salida de líquido refrigerante que se conectan por un extremo al circuito de líquido refrigerante del cuerpo por medios de conexión.
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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 \ring{A}/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.
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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.
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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.
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
La Figura 1 es un esquema del interior del
cuerpo y cabeza de la fuente de pulverización.
Las referencias representan los siguientes
elementos:
- 1.-
- Pasamuros de líquido y corriente eléctrica.
- 2.-
- Tubo de diámetro exterior 3 mm.
- 3.-
- Tubo del pasamuros.
- 4.-
- Casquillo de distribución.
- 5.-
- Tapa con orificios.
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- 6.-
- Cabeza.
- 7.-
- Cátodo de cobre.
- 8.-
- Soporte del cátodo.
- 9.-
- Cavidad.
- 10.-
- Imanes permanentes.
- 11.-
- Casquillo de sujeción del blanco.
- 12.-
- Base del ánodo.
- 13.-
- Tubo de conexión de diámetro exterior 19 mm.
- 14.-
- Brida de vacío DN 40 o pasaje al exterior de la cámara.
- 15.-
- Brida de vacío DN 16CF.
- 16.-
- Aislante.
- 17.-
- Varilla roscada.
- 18.-
- Cuerpo de la unidad de pulverización.
- 19.-
- Tubería de gas.
- 20.-
- Tubo de diámetro exterior 35 mm.
- 21.-
- Ánodo o carcasa exterior de la cabeza.
- 22.-
- Canal de entrada de líquido.
- 23.-
- Canal de salida de líquido.
- 24.-
- Blanco.
- 25.-
- Pared de la cámara de alto vacío.
La fuente o unidad de pulverización circular
catódica de la invención comprende, tal y como se muestra en las
figuras 1 y 2, de:
a) Un cuerpo (18) que contiene un solo pasamuros
(1) de líquido y corriente eléctrica, con un aislante eléctrico
(16), para una tubería (3) de 6.3 mm de diámetro, de acero y en cuyo
interior se encuentra un tubo (2) largo de 3 mm de diámetro, de
entrada de líquido refrigerante a la cavidad (9) de la cabeza de la
unidad, de acero y doblado tal y como se muestra en la figura 2. La
tubería de 3 mm (2) de entrada de agua está soldada con arco al
cuerpo de un casquillo de acero (4) que contiene una tapa (5)
soldada al casquillo (4) con arco y con dos orificios de 3 mm, para
la conexión de dos tubos uno de entrada (22) y otro de salida (23)
de líquido refrigerante, también de de 3 mm, configurando así el
circuito de agua que refrigerará los componentes de la cabeza
(6).
b) Una cabeza (6) soldada con arco al tubo de
6.3 mm (3) del pasamuros (1), en uno de sus extremos y que comprende
en su interior:
- -
- un cátodo de cobre (7) mecanizado en este material
- -
- el soporte del cátodo (8) en material inoxidable ferrítico soldados con aleación de plata, y con la rosca mecanizada en el soporte.
- -
- imanes permanentes (10) de NdFeB que son montados manualmente en unos huecos del cátodo de cobre y quedan sujetos magnéticamente al mismo por la atracción del soporte de acero ferrítico (una fuerza estimada de 0.1 N apropiada para poner o quitar los imanes a mano).
- -
- una cavidad (9) que cierra el circuito de agua del cuerpo, para refrigerar el interior del cátodo con un caudal mayor de litro por minuto si se emplea agua del circuito de la calle.
c) Una carcasa externa o ánodo (21) de la unidad
separado de la cabeza (6) con una distancia mínima entre ambos de 1
mm sobre el blanco (24) pero regulable de 0.5-2.5 mm
según el rango de la presión de trabajo, y que lo conforman varias
piezas, que se puede montar y desmontar con tornillos:
- -
- una pieza de acero que denominamos "Base del ánodo" (12) que incluye la entrada de gas.
- -
- varillas roscadas (17) por un extremo la base del ánodo (12) y por el otro al cuerpo (18),
- -
- un tubo de diámetro exterior (O.D.) 35 mm (20) unido por un extremo al cuerpo (18).
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El tubo de diámetro exterior 35 mm (20) está
soldado a continuación a un cierre de vacío basado en una brida del
estándar DN 16 CF (15), y a un tubo largo de conexión de 19 mm de
diámetro (13). Es este tubo de conexión (13) el que 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) o pasaje al exterior de la cámara
(14).
La carcasa externa está puesto a tierra y
separado al menos 2-2,5 mm de las piezas interiores
del cátodo. Dicha separación minimiza el campo eléctrico entre el
cátodo y ánodo y así evitará la formación de plasma o arcos no
deseados. Esta separación se reduce a 1 mm en la zona adyacente al
blanco, para que aquí el campo eléctrico sea intenso cuando el
cátodo se polarice a cientos de voltios o kilovoltios. Si el gas
fluye, el campo eléctrico intenso provoca la ignición de un plasma
que se crea y automáticamente se confina sobre el blanco por efecto
del campo magnético de los imanes permanentes (10).
La unidad se cierra en una cámara de alto vacío
(25) que funciona en la baja presión de argón introducida por una
tubería (19) a la cabeza de pulverización, según la figura 2, y se
conecta a una caja de conexiones que incluye unos racores de unión
a:
- -
- los tubos flexibles de entada y salida de agua,
- -
- la válvula-dosificador de gas, y
- -
- la conexión eléctrica que aprovecha el tubo central para polarizar el cátodo.
\vskip1.000000\baselineskip
Como los tubos de agua y toda la parte interior
se polarizará en alta tensión, es necesario mantener el aislamiento
eléctrico de los tubos mediante varios separadores de teflón dentro
del tubo de 19 mm (13), del cuerpo de la fuente de pulverización
(18) y de la caja de conexiones.
El funcionamiento de la unidad en un caso
particular, es el siguiente:
- Sobre el cátodo de cobre (7) con los imanes
(10) en su lugar, el usuario coloca el blanco o disco a pulverizar
(24) de materia de alta pureza y diámetro 25.5\pm0.5 mm, y lo
sujeta mecánicamente con un casquillo (11) de acero inoxidable (AISI
316/304) y diámetro 28 mm, que rosca por su interior al soporte (8).
Esto conlleva un contacto físico suficiente entre el blanco y el
cátodo de cobre para que el calor generado en la pulverización pueda
drenarse. Se respeta una distancia mínima de 2 mm hasta el ánodo
para evitar descargas eléctricas que no tengan lugar sobre, el
blanco.
- Desde el lado exterior de la pared de la
cámara de vacío (25) una válvula de fugas o una válvula de control
de flujo másico dosifica un caudal de gas noble, típicamente menor
de 100 sccm, elevando la presión dentro de la cámara hasta el rango
10^{-2}-10^{-3} mbar. Esta atmósfera de argón u
otro gas noble es sensiblemente mayor en la zona de salida sobre el
cátodo de cobre (7), y adecuada para encender un plasma confinado
sobre el blanco (24).
- La distribución de los imanes (10) de la
cabeza crean un campo magnético de simetría axial y, por ello, el
plasma de argón se confina en un aro sobre el blanco (24),
produciéndose entonces su pulverización gradual.
- El cable de alimentación eléctrica de una
fuente de potencia comercial se conecta a la caja de conexiones y
aprovecha la tubería de 3 mm (2) en contacto con el interior del
pasamuros (1), para polarizar el cátodo. De esta forma, no hay tubos
de plástico dentro de la cabeza de la unidad que puedan deteriorarse
con el calor en una cámara UHV o por su uso prolongado.
- El circuito de agua o líquido refrigerante, se
basa en un solo pasamuros de líquido y corriente eléctrica, lo que
facilita que el diámetro total del diseño no supere los 35 mm. Como
puede verse en el esquema, la entrada de agua al cátodo es a través
de una tubería de 3 mm y la salida por el hueco entre éste y el tubo
de 6.3 mm. Como la sección de paso en la salida es algo mayor, la
cavidad refrigerada en el cátodo se mantiene llena de líquido.
Claims (17)
1. Unidad de pulverización catódica de blancos
circulares caracterizada por comprender:
- -
- una cabeza (6) refrigerada de soporte del blanco (24) que comprende una cavidad de refrigeración (9), un cátodo metálico (7), un soporte de cátodo (8) y de una pluralidad de imanes (10),
- -
- un cuerpo (18) conectado a la cabeza, que contiene en su interior 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 un ánodo (21), puesto a tierra, separado de la cabeza (6) con una distancia mínima entre ambos de 1 mm sobre el blanco (24) pero regulable de 0.5-2.5 mm según el rango de la presión de trabajo,
- -
- 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 y por cuyo interior atraviesan:
- -
- el canal de entrada de gas noble (19) a la cabeza y
- -
- los canales de entrada y salida de líquido refrigerante (22 y 23) que se conectan por un extremo al circuito de líquido refrigerante del cuerpo (18) por medios de conexión.
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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\pm0.5 mm.
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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200900929A ES2374775B1 (es) | 2009-04-03 | 2009-04-03 | Unidad de pulverización catódica de blancos circulares. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200900929A ES2374775B1 (es) | 2009-04-03 | 2009-04-03 | Unidad de pulverización catódica de blancos circulares. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2374775A1 true ES2374775A1 (es) | 2012-02-22 |
| ES2374775B1 ES2374775B1 (es) | 2013-01-03 |
Family
ID=45560182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200900929A Active ES2374775B1 (es) | 2009-04-03 | 2009-04-03 | Unidad de pulverización catódica de blancos circulares. |
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| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2374775B1 (es) |
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2009
- 2009-04-03 ES ES200900929A patent/ES2374775B1/es active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2374775B1 (es) | 2013-01-03 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2374775 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20130103 |