CN100577856C - 用于高功率溅镀的电源联接器 - Google Patents

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Abstract

介绍了一种用于涂覆基板的系统和方法。一个实施例包括高功率溅镀系统，具有构造用于将电力传送至可旋转靶的电源联接器。电源联接器位于真空室中或轴承与真空室外的可旋转靶之间，从而限制流经轴承的电流。

Description

用于高功率溅镀的电源联接器
本专利文献公开的一部分包括属于版权保护的材料。该版权所有者对由任何类似于在专利和商标局专利文件或记录中的专利公开所拓制并无异议，但在任何情况下将保留所有的版权权利。
技术领域
本发明涉及用于镀覆物质的系统和方法。本发明特别但不限于涉及用于使用旋转磁控管系统向基板上溅镀物质的系统和方法。
背景技术
玻璃在广泛的应用范围内是不可替代的，诸如窗玻璃、汽车车窗、显示器、以及电视机或计算机监视器显示管。玻璃具有独特的属性组合：其透明，尺寸和化学性质稳定，高抗划伤性、无污染、且对环境有益。虽然如此，玻璃还是可以改善，特别是其光学和热学性质。
真空镀覆是使玻璃表面和其它表面适用于特殊要求或期望应用的技术选择。真空镀覆能够在大面积基板上形成超薄、均匀的薄膜。真空镀覆技术还是现有镀覆技术中污染最小的。值得注意的是，真空镀覆可用于镀覆除玻璃以外的材料，包括塑料和金属。
普通的真空镀覆系统由旋转磁控管向诸如玻璃、塑料或金属的基板上溅镀导电和绝缘材料。由直流电流(DC)驱动的旋转磁控管已为大家所了解多年了。最近，提出了由高电压交变电流(AC)驱动的磁控管。这些AC系统具有优势但受到了由高功率AC系统的独特性质所导致的可靠性和费用问题的困扰。
例如，高功率AC系统通过已知如感应加热的过程产生热量。此热量使得真空镀覆系统中的传统轴承和密封失效。
在交变电流流经诸如金属的导电材料时感应加热发生。电流产生按两种方式影响附近和相邻材料的电磁场。首先，磁性材料产生出对于波动电磁场的磁阻。此阻抗导致材料被加热。其次，场在导电材料内产生电子流(电流)。对这些电流的内阻产生了热量。非导电材料由于其不具有产生电流的自由电子而不会被加热。
由DE 10213049A1了解了一种用于镀覆基板的系统，所述系统包括真空室、真空室内的可旋转电子管、连接于可旋转电子管的轴，轴部分地位于真空室以外。此系统还包括位于真空室以外的轴承，轴承构造为可旋转地连接于轴。另外，设置位于轴承与真空室之间的封条。电流必须经过密封条和轴承。
另外，由US 2002/0189939A1已知了一种真空室内的交变电流可旋转溅镀阴极。提供一个或多个溅镀阴极，所述阴极的至少一部分位于所述溅镀室内，所有阴极的一部分设置于机架内。真空封条可操作地设置在所述阴极与所述机架之间，并提供用于向溅镀室内的旋转溅镀阴极供给电流的装置，由此避免真空封条电感加热。
本发明的目标为设置电源联接器使得无电流流经轴承。
此目标通过权利要求1、12、14或17的内容来实现。
工程师已经提出了几种设计来减小高功率AC镀覆系统的电感加热的影响。然而，这些设计证实为难以维护且实现起来费用较高。因此，需要一种系统和方法来解决本技术的这些及其它不足，并提供其它新的创造性的特征。
发明内容
附图中示出的本发明的典型实施例简化如下。这些及其它实施例更加全面地具体实施方式部分中介绍。然而，应理解的是不应将本发明限制于在此发明内容或具体实施方式中介绍的形式。本领域技术人员可了解，多种改动、等效体和替换构造包括于如权利要求所表述的本发明的实质和范围内。
本发明可提供一种用于涂覆基板的系统和方法。一个实施例包括高功率溅镀系统，具有构造用于将电力传送至可旋转靶的电源联接器。设置电源联接器从而最小化轴承、密封和/或水旋转系统的电感热的产生。其它实施例包括液体金属电性连接器、干轴承，设计用于经受与高功率电性系统和/或旋转单元相关联的电感加热。
如上所述，上述实施例和实施方式仅用于说明目的。由以下的介绍和权利要求，本领域技术人员将轻易地认知出本发明的多种其它实施例、实施方式和细节。
附图说明
通过结合附图参照以下的详细介绍及所附权利要求将使本发明的各个目的和优点以及对本发明的更加完整的理解清晰易懂且更加易于领会，附图中：
图1为现有技术的悬臂式旋转磁控管系统的图示；
图2为现有技术的双支撑旋转磁控管系统的图示；
图3为现有技术的旋转磁控管系统的结构图；
图4为双支撑旋转磁控管系统的结构图；
图5为具有通过室底部的旋转驱动的旋转磁控管系统的结构图；
图6为具有通过室底部的电源供给的旋转磁控管系统的结构图；
图7为具有通过室底部的电源供给的交变旋转磁控管系统的结构图；
图8为具有通过室壁的旋转驱动的旋转磁控管系统的结构图；
图9为具有通过室壁的电源供给的旋转磁控管系统的结构图；
图10为具有前端供给的旋转磁控管系统的结构图；
图11为具有真空室内的电源供给的旋转磁控管系统的结构图；
图12为真空密封组件的结构图；
图13为水旋转单元的示意图；
图14为根据本发明一实施例设计的滑环的截面图；以及
图15为根据本发明一实施例设计的滑环的侧视图。
其中，附图标记为：
100旋转磁控管系统
105圆筒管
110驱动系统
115真空室
120基板
125入口
130出口
135固定磁控管系统
140旋转磁控管系统
145基板驱动电机
150旋转磁控管系统
155旋转管
160轴
165密封组件
170电源联接器
175旋转驱动
180供水设备
185轴承
187密封
190旋转磁控管系统
195旋转管
200轴
205密封组件
210电源联接器
215旋转驱动
220供水设备
225支撑臂
230轴承
232密封
235替换实施例
240另一实施例
245旋转磁控管系统
250旋转磁控管系统
255旋转磁控管系统
260旋转磁控管系统
265旋转磁控管系统
268真空密封组件
270密封
275密封
285旋转单元
290入口
305连接器
310O形圈
315槽
320回水口
330法兰组件
335轴承
340面密封
345钢机架
350绝缘壳
355电刷
360外机架
365非导电材料
370入水口
375回水口
380支撑结构
385密封组件
390电刷弹簧
400接触组件
具体实施方式
现在参照附图，其中相同或相似的元件在几幅图中始终由相同的附图标记表示，具体参照图1，其示出了现有技术的悬臂式旋转磁控管系统100。此系统100包括通过驱动系统110旋转的双旋转圆筒管105。管105涂覆有使用形成在真空室115内的等离子体溅镀的靶材料。溅镀靶材料沉积在基板120上。
在特定实施例中，管实际上由靶材料构成而非以其涂覆。例如，管可以由钛(也就是靶材料)构成。因此，术语“管”可以表示涂覆有靶材料的管或是部分或全部由靶材料构成的管。
等离子体通过激发在入口125引入真空室115并通过出口130排出的气体而形成。溅镀效果使用安装在旋转管内的固定磁控管系统135集中。在授予Asahi Glass的名为高效交变电流磁控管溅镀装置的日本已公开专利申请6-17247(Haranou)介绍了一种典型系统。此公开的内容引入本说明书。
现在参照图2，其为现有技术的双支撑旋转磁控管系统140的图示。此系统包括真空室115、进气口125、出气口130、驱动系统110、电源系统(未示出)、以及两根覆盖有靶材料的旋转管105。此靶材料溅镀在基板120上，基板120通过基板驱动电机145经真空室移动。
现在参照图3，其为现有技术、旋转磁控管系统150的结构图。此系统包括连接至轴160的旋转管155。此轴160连接至轴承和密封组件165、电源联接器170、以及旋转驱动175。轴160连接于供水设备180，使得水可以通过轴160泵补，并且用于通过传导冷却特定系统中的轴承和密封组件165以及靶管155。水足以冷却特定系统中的轴承185和密封187但在高功率系统中并不总是如此。在这些高功率系统中，轴承185易于过热、失去润滑和卡住。
密封187用于维持外界与真空室115内之间的压强差。通常，这些密封为磁性流体密封，其成本高且难以维护。特别地，密封中的磁性流体在高功率AC系统中经受电感加热。为防止密封失效，其经常需要水冷和高温磁性流体，这两者明显增加了复杂性和密封的费用。
图4为根据本发明实施例构造的双支撑旋转磁控管系统190的结构图。此系统190包括平等地支撑于两端的旋转管195。旋转管195连接于轴200，轴200连接于轴承和密封组件205、电源联接器210、旋转驱动215、以及供水设备220。旋转管相对的端部由支撑臂225和轴承(与支撑臂225一同示出)支撑。管195示出处于水平位置，但其也可以垂直设置。电源联接器210为任何将电功率由电源经轴或直接连接至管的装置，例如电刷。因此，电流由电源联接器经轴或直接流向旋转管。电流基本为交变电流，因为仅交变电流产生漩涡电流。非理想的直流电流可以包括叠加的交变电流。
轴承和密封组件205中的轴承230在高功率AC系统中经过电感加热效应。为防止过热和失效，轴承205可以由非金属材料制成，例如陶瓷。然而，陶瓷轴承通常很贵且需要很长的交货时间来获得。为限制成本，可以使用具有金属轴承圈和陶瓷球的轴承。这些混合轴承通常需要冷却轴承圈。在本发明中，通过供水系统220提供冷却。
在替换实施例中，干式运行的高温金属轴承可用于取代陶瓷轴承。这些金属轴承类似于普通轴承般热，但在高温处不丧失润滑。这种轴承之一由已知如Mp35N且由Impact Bearing of Capo Beach，California销售的钴合金构造。这种轴承目前测得在520℃下工作，并且明显比陶瓷轴承便宜。另一种可用于本发明的金属轴承为涂覆有二硫化钼或TiN的标准钢质轴承。这些轴承目前测得在300℃下工作。
再次参照图4，电力通过电源联接器210传送至轴200和旋转管195。电源联接器通常由旋转电刷形成，其由于正常的磨损和碎屑而在长时间后劣化。传统的旋转电刷还向电信号中引入了不期望的电噪声。在本发明的实施例中，这些传统电源联接器由液体-金属连接器替代，其使用结合于接触的液体金属(诸如水银)形成电性连接。示例性的液体金属连接器由位于Carlsbad，California的Mercotac制造。
现在参照图5，其为本发明的替换实施例235。此实施例与图4所示的实施例类似，除去旋转驱动系统215已移动至管195的相对端。旋转驱动215和支撑轴承(未示出)设置在真空室115外的腔内。
图6为本发明的另一实施例240。此实施例包括设置在真空室115外腔内的电源联接器210。支撑轴承(未示出)可以倾向于电感加热，并且可以由非金属物质或可以经受加热的材料制成。
图7为具有通过室115底部的电源联接器210的交变旋转磁控管系统245的结构图。此系统中的电源联接器210在真空室115内。电源供给210可以包括通常的滑环或液体金属旋转连接器。
图8和9为本发明的替换实施例。图8为具有通过室壁的旋转驱动215的旋转磁控管系统250的结构图。图9为具有通过室壁的电源供给210的旋转磁控管系统255的结构图。
图10为具有前电源联接器210的旋转磁控管系统260的结构图。在此实施例中，电源联接器210设置在轴承230前但在密封232之后。当电流进入电源联接系统210时，其流经旋转管，但不完全流经轴承230。因此，轴承230可以为金属，因为其不经受由电流产生的全面电感加热。在特定情况下，轴承230可以经受辅助加热，且该轴承需要为高温轴承。
此实施例中的密封将经受电感加热。因此，需要最小化或消除导电部件。在下面介绍的图12示出了可用的密封设计。
图11为具有真空室115内的电源联接器210的旋转磁控管系统265的结构图。当电流进入此电源联接器210时，其流经旋转管，但不流经轴承230或密封232。因此，这两种部件可以由普通材料制成，由此减小了复杂性和成本。
图12为真空密封组件268的结构图。在此实施例中，两对带载密封270和275靠住轴200设置。簧载密封可用于取代带载密封。密封270/275的开放端指向密封组件268的高压侧。带载密封270/275包括密封部件，诸如氟橡胶、丁纳橡胶、或特富龙。通过诸如金属的承载结构为密封部件增加支撑。为限制电感加热，承载结构可由不锈钢形成。
现在参照图13，其为可用于由供水设备220向轴200和管195(图4所示)供水的旋转单元。此实施例包括可连接至供水设备220的入水口290。水流经入水口290，并流入外轴200内的内轴(未示出)。随后，水流向外轴200或管195的端部，并沿着管195和轴200的内表面返回并流出出水口320。
入水口290通过连接器305连接至内轴。此连接器305可以成形为防止其与外轴200旋转。其还可以包括用于O形圈310的凹槽和用于键或定位螺丝的槽315。
外轴200通过快速接头、螺栓、或其它连接器连接至法兰组件330。当例如快速接头脱开时，旋转单元285可以由外轴200和内轴(未示出)脱开，使得管195可以迅速替换。
由于外轴200旋转，因此法兰组件330构造为在轴承335上旋转。为防止水溢出法兰组件，使用面密封340形成水密连接。面密封340可由碳化硅形成。一种示例性的面密封由Garlock Sealing Technologies of Palmyra，New York制造。
在特定的实施例中，唇形密封可用于取代面密封。然而，唇形密封非常易受颗粒和碎屑的影响。若颗粒夹在唇(橡胶)与轴之间，其将磨损轴且将破坏橡胶唇，导致泄漏和提前换轴。为防止这种类型的损伤，唇密封经常与低至50微米的水处理系统组合。此处理系统需要较高的费用，包括每月维护从而清洁或改变过滤器。
轴承335、密封340、入口290和出口320装载于不锈钢机架345内。可以由其它材料形成的此机架345包在由例如缩醛树脂、特富龙和/或塑料制成的电/热绝缘壳350中。此壳防止了凝结，由此明显降低了直接电击或垫短路的风险。凝结和泄漏为传统旋转单元设计的问题。某些制造商排出任何多余的水，而其他制造商则设置泄漏检测硬件来解决问题。
图14为电连接器210的一个实施例的截面图。此连接器210为滑环型连接器，其可以在真空室115内工作，即使是在真空室内不存在用于润滑的湿度。
此连接器210包括设置在外机架360内的多个电刷355，其涂覆或覆盖有非导电材料365。电刷355可以由低电阻率材料形成，诸如含银石墨。示例性的电刷由Advance Carbon Products of Hayward，California制造。电刷355与旋转轴200结合，并将电力由外机架360传送至轴200。电力经通常由铜形成的入水口370和/或出水口375传送至外机架360。
入水口370和出水口375经外机架360循环水。水冷却外机架360和电刷355。通过保持电刷355冷却，延长了连接器210的寿命。
在一个实施例中，外机架360由绝缘支撑结构380支撑。支撑结构380涂覆有非导电材料，从而防止放电。或者，支撑结构380可以由非导电材料形成。支撑部件380和外机架360经密封组件385连接。
图15为图14所示滑环组件的侧视图。此视图示出了额外的细节。例如，此实施例示出电刷簧390，调整其可以控制电刷355与轴200之间的结合压力。此实施例还包括接触组件400，从而提供电刷355上的横向压力，由此增大冷却能力和导电性能。
总之，在其它各个方面之中，本发明提供了一种用于构造和操作磁控管系统的系统及方法。本领域技术人员可以轻易认识到可以对本发明、其用途和其构造进行大量的改动与替换，从而实现与通过上述实施例所实现的基本相同的结果。因此，不应限制本发明为所公开的典型形式。多种改动、调整和替换的构造也包括于权利要求所表述的、本发明所公开的范围和实质之内。

Claims (19)

1.一种用于镀覆基板的系统，该系统包括：
真空室；
可旋转管，位于真空室内；
轴，连接至可旋转管，该轴部分地位于真空室外；
轴承，位于真空室外，该轴承构造为可旋转地结合于轴；
密封件，位于轴承与真空室之间，该密封件构造为提供真空室与轴之间的密封；以及
电源联接器，构造为将电力传送至可旋转管，该电源联接器位于轴承与密封件之间从而由此限制流经轴承的电流。
2.如权利要求1的系统，其中该电源联接器位于真空室内。
3.如权利要求1的系统，其中该可旋转管和轴是一体的。
4.如权利要求1的系统，还包括：
驱动系统，构造为旋转所述轴。
5.如权利要求1的系统，其中该轴承是陶瓷球。
6.如权利要求1的系统，其中该轴承是陶瓷针。
7.如权利要求1的系统，其中该轴承是Mp35N。
8.如权利要求1的系统，其中该电源联接器位于真空室外。
9.如权利要求1的系统，其中该电源联接器是水冷滑环连接器。
10.如权利要求1的系统，其中该电源联接器是液体金属连接器。
11.如权利要求1的系统，还包括支撑，位于真空室内，其中该可旋转管由该支撑持续地支撑。
12.一种用于镀覆基板的系统，该系统包括：
可旋转磁控管；
真空室，构造为装载可旋转磁控管；
轴承，构造为可旋转地结合于可旋转磁控管；
密封件，位于轴承与真空室之间；以及
电源联接器，构造为将电力传送至可旋转磁控管，
其中该电源联接器位于轴承与密封件之间。
13.如权利要求12的系统，其中该电源联接器位于真空室内。
14.一种用于镀覆基板的系统，该系统包括：
真空室；
可旋转管，位于真空室内；
轴，连接至可旋转管，该轴部分地位于真空室外；
轴承，位于真空室外，该轴承构造为可旋转地结合于轴；
液体金属电性连接器，与轴结合，该液体金属电性连接器构造为将电力传送至可旋转管，该液体金属电性连接器位于轴承与可旋转管之间，从而限制流经轴承的电流。
15.如权利要求14的系统，其中该轴承为非金属轴承。
16.如权利要求14的系统，其中该液体金属电性连接器位于轴承与可旋转管之间。
17.一种用于镀覆基板的系统，该系统包括：
可旋转靶；
轴承，构造为可旋转地结合于可旋转靶；以及
液体金属电性连接器，构造为将电力传送至可旋转靶，该液体金属电性连接器位于轴承与可旋转靶之间，从而限制流经轴承的电流。
18.如权利要求1、12、14和17的系统，其中该电源联接器或电性连接器与交变电流源连接。
19.如权利要求18的系统，其中该交变电流源具有1至10kHz之间的频率。
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