CN101044586A - 一种用于可转动靶材溅射设备的端块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在真空涂敷装置中的电激励可转动管状靶材的端块，所述端块具有一个可转动的电接触件，其在以交流电模式下操作时降低焦耳生热效应。当与已知的端块比较时，本发明可获得增加接触环(410)和一系列周向安装的接触极靴(450)之间的接触面积。另外，接触极靴通过弹性件沿径向向外地压靠接触环。

Description

一种用于可转动靶材溅射设备的端块

技术领域

本发明涉及具有转动管状溅射靶材的溅射设备的技术领域，其目前通常用于薄膜的喷镀。本发明更特别地涉及能够将电能输送至转动溅射靶材上的端块。

背景技术

使用管状转动靶材的大面积、真空喷镀设备已成为用于在大面积基体(如窗玻璃)上涂覆薄膜的主要方法。在这些装置中，通过等离子体远离转动靶材溅射材料。这些大型设备的生产率决定了它们的经济性。近次于其它因素(如正常运转时间)的生产率由材料在基体上的物理喷镀速度确定。在这种运转中，该喷镀速度本身取决于多个因素，如被喷镀的材料，线速度等，但首先其取决于供给至靶材的电压和电流。实际上，等离子体的正离子因高电压而朝靶材加速，在该处，当它们碰到靶材的表面时，这些正离子喷出材料。由于该电压确定了这些离子碰撞靶材的能量并且供给至靶材的电流与碰撞的离子数量成正比，因此，供给至靶材的能量(即，电流和电压的产物)将会大大影响喷镀速度。因此，电能越高，靶材材料的腐蚀越快并且在基体上的沉积越快。

虽然在第一转动靶材设备(参见US 4,356,073)中，对靶材的供电为直流电，但能够马上理解：当喷镀材料在反应气体中时，该DC供给具有某些严重的缺陷：介电反应产物往往覆盖“位于”靶材以及起到阳极作用的正偏真空设备壁上，从而会阻碍进一步溅射。由于形成于靶材上的电介质，因此，“电弧放电”成为主要问题。“电弧放电”会在负偏未涂敷区域与因正离子冲击产生的带电正离子所处区域之间的靶材表面处产生电火花。已发现：在两个独立靶材之间使用交流电能够消除该“位置”问题以及相关的电弧放电问题(参见US5,169,509)，同时，由于真空箱的壁不再具有电活性，因此，能够保持稳定的等离子体。

虽然AC溅射允许进一步提高供给至靶材的能量，但还会引发新的问题。在耗电量300A时，所使用的典型频率为10～100kHz。动态电压通常为300～500V。大部分电流以这些频率流过导电器的外侧区域，从而产生众所周知的集肤效应现象。电流密度以厚度“δ”(m内的)(“e”为自然对数基数)系数1/e降低。

δ＝(πνμσ)^-1/2

其中：

ν＝为电流的频率(Hz)，

μ＝为磁导率(H/m)，

σ＝为材料的导电率(S/m)。

对于铜而言，已导致在10kHz下，大约670μm的集肤深度，其在用于预想类型的溅射设备中时，会导致非常高的电流密度以及导体的外表面焦耳加热。

电源与靶材之间的可转动电触点主要表现为临界点。在该区域的外侧，使用多束导线能够大大克服该问题。虽然许多旋转式电连接在本领域是已知的，例如在电动马达和发动机中，但是，用于端块的旋转式电连接所要求的需要却显著不同。如已提到的那样，假定在典型的端块仅相当于20cm×15cm×15cm的情况下，所使用的电流和电压也较大。同样，频率也大于已知的旋转式连接。另一方面，旋转式连接必须工作的转数相当适度：最多100转/每分钟。至今，为了克服所述焦耳加热并且为了在可转动的溅射靶材端块中抵消其效应，已提出了两种解决方案：

-US 2003/0136672 A1披露了四个半圆柱形固定接触刷的使用，其中，迫使这些固定接触刷封闭与靶材一起转动的轴。电流流过从刷体、经轴至靶材管件的路径。水流过轴，从而能够限制因电流的电阻加热形成的温度升高。

-US 2003/0173217 A1披露了本身作为设置在旋转式阴极装置内的导体件的冷却管的使用。与该导体件相连的浸入冷却剂中的固定式刷使电流分布在整个旋转式阴极上。当冷却剂流过导体件时，会抵消电阻加热效应。

虽然上述现有技术可消除焦耳加热的影响，但是，它们不会减小问题的根本起因，即由集肤效应产生的电流输送区的限制。

发明内容

因此，本发明的目的在于通过提高被供给至靶材的功率电平来提高大区域涂覆设备的生产率。本发明的另一目的在于减小端块内侧的可转动电触点的焦耳加热。本发明的优点在于：减小焦耳加热的根本起因-即，集肤效应级-而不是抵消症状-即温度增加-通过如在现有解决方案那样改善冷却。本发明的另一个目的在于提供一种端块，其具有不易磨损的可转动电触点，更特别的为槽结构。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于激励可转动靶材的端块。端块在本领域是已知的。它们起到可转动地固定靶材管件的作用，以便使其转动并对靶材管件供电，同时，对其供给冷却液体并排出冷却液体。由于等离子处理通常在低压发生，因此，在端块的范围内及其上方必须保持真空的完整性。目前使用了两种靶材支承结构：一种为如在US 5 096 562中披露的那样，通过端块固定管件的两端；一种为如US 5 200 049中披露的那样，仅在一端固定靶材管件的系统。在后一种情况下，单一端块提供了所有必需的功能(支承、转动、电力、真空完整性以及冷却剂)。在前一种情况下，可对不同的端块赋予不同的功能：例如，第一端块提供冷却剂并电激励靶材，而第二端块驱动靶材转动。本发明涉及的端块在两种靶材支承结构的任意一种中，均能够确保电源与可转动靶材之间的可转动电连接。

具有可转动连接的这种端块包括插座和同轴安装在插座内侧的心轴。心轴和插座可通过滚珠轴承或滑动轴承或任意本领域已知的其它方式相对彼此转动。插座包括至少一个与第一接电端相连的电接触环。这种接触环由对于滑动摩擦而言非常耐磨的导电材料制成。目前大多采用的材料为紫铜、黄铜或青铜。

本发明的端块(独立权利要求1)的特征在于：心轴包括一系列导电极靴，即，极靴与位于插座内侧的心轴一起运动。这些极靴也被称为刷。为了平衡心轴上的机械力，必须使极靴均匀分布至心轴的周面上。因此，必需存在至少两个极靴来平衡心轴上的径向力。极靴与插座环的内表面形成电和机械的滑动接触。为了始终确保这种接触，通过弹性件沿径向向外方向单独压迫这些极靴中的每一个，即将其压在环的内表面上。所有这些极靴均与第二接电端(即心轴)电连接。

虽然两个极靴足以实现本发明，但是，更为理想的是使用4～16个整数个极靴来确保以低电噪音进行连接(从属权利要求2)。通过较少数量的极靴，将能很好地平均噪音。采用17或更多的极靴，对于噪音的降低而言则没有意义。

在这些极靴之间存在间隙，其宽度应足以确保极靴能够彼此独立移动。所述间隙应确保在极靴通过之后，允许环能够冷却下来。优选由极靴覆盖插座的内环的少于70％的周面。更为特别的是，其意味着：由极靴跨过的弧长总和为小于插座的内环周面的0.70倍。更优选的是：极靴覆盖小于50％的心轴周面。极靴与环之间的接触必须产生于非常干燥的环境中(即，不在液体中)以便允许在环上形成导电铜锈。

虽然优选将极靴安装在一个垂直于心轴轴线的表面上，但是，完全可以采用其它结构，即：在第一平面内设置偶数个极靴，而在第二平面内设置奇数个极靴，其中，第一平面沿轴向略微偏离第二平面，只要在端块内的空间允许这种结构即可。

形成第一电触点的环的数量为从属权利要求3的主题。当集肤效应将AC电流局限在导体的外部区域时，使叠置的几个环彼此平行将会通过极靴形成更多的电流承载表面。这组叠置环必须彼此分离。对此而言，能够承受相当高温度的任何绝缘材料均是适合的。一个例子为易适于片层形式的聚酰亚胺或聚四氟乙烯(PTFE)或多酚聚合物材料。所述叠置环必须通过粘合或螺栓固定或通过夹紧固定在一起。

每一个极靴必须接触至少一个环，以便极靴增加总电流承载能力。根据极靴在心轴上的正确定位-例如当部分极靴沿轴向偏离剩余部分时-一些极靴可以不与一些环接触。其优点在于能够减小环和极靴上的热载荷。另一方面，接触面积的数量应当足够大，以便限制集肤效应，当每一个极靴均遇到每个单一环时，显然可以达到最大数量的接触点。

所有环均与接电端平行连接。其优选通过每一环上的一根导线实现。所述导线优选由多束电线制成并且导线彼此分离。

为了确保环与滑动极靴之间的连续电接触，通过弹性件将极靴压在环上(从属权利要求4)。极靴的安装最好应确保当通过极靴的外表面形成的半径略大于环的内表面半径时，它们抵靠在某一位置处，从而易于心轴的安装。每一极靴的弹性件原则上均应足以将极靴压在环上，但是，如果两个、三个或甚至四个弹簧件彼此独立作用，则对于良好的接触而言更为理想。由于非常低的压力将会导致过大的电腐蚀，而过高的压力将会导致环与极靴非常大的机械磨损，因此，通过极靴施加在环上的接触压力是较为重要的。弹性件可充当朝向心轴的电线。否则，通过一端与极靴相连而另一端与第二接电端相连的独立的多束导体导引电流。在后一种情况下，优选形成两个或三个或四个或甚至更多的这类连接，以便同样能抵消集肤效应。

所使用的弹性件的类型为从属权利要求5和6的主题。作为弹性件，可以通过已知多种方式中的一种(如仅列出了螺旋卷绕弹簧或片簧几种)使用金属弹簧。另外，虽然必须能够承受高温，但是，并不排除合成橡胶弹簧。因此，必须使用高性能的聚合物。一种聚合物为由DuPont-Dow Elastomers制造的Hypalon(氯磺化聚乙烯)。

至少一个极靴覆盖区-即极靴接触插座的形状-具有梯形(从属权利要求7)。这种形式是有益于消除来自极靴的可能的磨损颗粒或灰尘。对于滑动电触点而言，这些磨损颗粒的产生是固有的。通过设置至少一个具有所述覆盖区的极靴，能够使该碎屑运动至接触轨道的外侧。

通过在接触环的侧面钻出空心，能够使磨损颗粒聚集在该空心处，从而不会使其与端块的其它部分发生干涉(从属权利要求8)。这样便能够避免在端块中形成往往产生于现有技术的旋转式电触点中的槽。

形成接触极靴的材料包含添加有金属的石墨的混合物。作为金属，最多使用的是铜和银。所使用的金属含量的量能调整材料的导电性。导电率越低，电流将会更深地透入导体内，即，对于给定的频率而言，集肤深度越大。另一方面，导体的总阻抗将会增大，从而将会进行焦耳加热。因此，这种导电率的最佳选择可通过实验进行。为了降低摩擦，可添加其它成分，如二硫化钼(MoS₂)。

至今，已认为插座和心轴彼此是可相对运动的。当端块相对于溅射腔固定时，可产生两种可能性：

-或者使插座与端块相连，从而起到可转动电触点的定子的作用。随后，使心轴与可转动靶材电连接(从属权利要求10)并起到转子的作用；

-或者，使心轴与端块相连，随后，使靶材与插座电连接(从属权利要求11)。随后，插座形成转子，而心轴作为定子。

在两种情况下，其能有效地保持沿向外的径向压迫连接极靴。

根据本发明的第二方面，提供了一种设备(权利要求12)。所述溅射设备的特征在于：其包括本发明的端块，该端块具有上面所描述并在权利要求1～11中任意一项所述的可转动电触点。

附图说明

下面，参照附图对本发明进行更详细的说明，其中：

图1显示了带有旋转电接触件的图示的端块的剖面图。

图2显示了带有心轴和接收插座的旋转电接触件的主要部分。

图3显示了旋转电接触件的立体分解视图。

图4显示了具有叠置在一起的多个接触环的插座。

具体实施方式

本发明涉及一种端块，附图1显示了其实际剖面部分100。这种特别的端块兼有以下功能：可转动地承载管件的一端，将冷却剂(通常为水)输送至靶材并从靶材收集冷却剂以及将电流输送至靶材。由于本发明主要涉及后面的功能，因对理解本发明的要点来说并不重要，故未对其它功能的实现进行详细说明。将靶材(未示出)插入夹持环130内并由其固定。端块100由快速释放联接器(未示出)固定，该联接器使固定部分140与溅射设备(未示出)相接合。插座110接收心轴120，心轴120可相对于插座110转动。

图2为立体图，如图所示，圆柱形插座210和心轴220彼此分离。这两个部件共用相同的转动轴线222。单一接触环230位于插座210的内侧。整个插座210与内孔电接头224电连接。预设多个用以通过螺钉将插座固定在端块的剩余部分上的孔226。

在图3的分解视图中能最清楚地看到心轴的结构特点。心轴300由固定环350构成，在该环中已加工出孔腔355。这些孔腔(总数为8个)中的每一个均用于固定导电极靴310，310’。通过一系列四个螺旋金属弹簧(以320对其中的一个进行了标识)向外推动这些极靴310，310’中的每一个。在组装后的心轴300中，通过沿与心轴相切的方向伸出极靴覆盖区的边缘314将极靴固定就位。在极靴的相对侧，存在相同的边缘(未示出)。在安装期间，通过固定销362以及夹持环360，将这些极靴固定就位。在压下之后被释放时，极靴310，310’的边缘314抵靠固定销326和夹持环360。通过一系列插座平头螺钉366将夹持环360固定在固定环350上。通过每一极靴中四束电线330确保极靴310，310’与固定环350之间的电接触。通过下凹至夹持环360之下的螺钉332，保持电线束与固定环紧密接触。具有垫圈365的插座螺钉364将心轴300牢牢地紧固在与靶材电连接的其它部件(未示出)上。

应注意的是：与规则极靴310相比，极靴310’具有不规则四边形触点。以此方式，能够有效避免磨损颗粒进入滑动电接触区域。沿径向与极靴310’相对的极靴也具有这种形状(未在图中显示)。

最后，图4显示了一种圆柱形插座，其包括三个接触环410、410’和410”，其中，每一个接触环均与每一导体极靴450接触。接触环410、410’和410”通过由薄PTFE片制造的绝缘环420和420’彼此隔离。每一接触环410、410’和410”均具有朝向电源(未示出)的独立导线430、430’和430”。这三个接触环彼此粘结在一起，另外，它们还通过一系列旋入最后的接触环410″的插座平头螺钉440彼此紧固，且通过绝缘套管445(也由PTFE制成)与两个第一接触环410和410’隔离。在环410中形成空心460，以便收集因具有梯形触点的极靴扫落至侧面的磨损颗粒。在该实施例中，接触面积的数量从8增至3×8，其有益于减小集肤效应。

本领域技术人员易于理解：在不脱离权利要求限定的本发明范围的情况下，可对上述实施例作出形式和细节上的各种改进。

Claims (12)

1.一种用于激励可转动溅射靶材的端块，其包括：圆柱形插座和同轴安装在所述插座内侧的心轴，所述插座和心轴可彼此相对转动，所述插座包括至少一个用于形成接电端的电接触环，

其特征在于：

所述心轴包括至少两个导电极靴，所述极靴用于确保与所述环的内表面形成电滑动接触，沿径向向外，通过至少一个弹性件将每一所述极靴压在所述内表面上，所述极靴平行于所述心轴电连接在一起。

2.根据权利要求1所述的端块，其中：导电极靴的数量为4～6中的任意一个数。

3.根据权利要求1或2所述的端块，其中：所述插座包括至少两个所述电接触环，所述环彼此同轴安装并彼此电绝缘，每一所述极靴均与至少一个所述环的内表面形成电连接，所有所述电接触环均平行于所述接电端部连接在一起。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的端块，其中：通过若干个弹性件，将每一所述极靴压在每一所述环上，所述弹性件的数量为1个、2个、3个或4个。

5.根据权利要求4所述的端块，其中：所述弹性件为金属弹簧。

6.根据权利要求4所述的端块，其中：所述弹性件为弹性体弹簧。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的端块，其中：至少一个所述导电极靴具有接触所述至少一个环的内表面的梯形触点。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的端块，其中：所述插座在所述至少一个环中具有空心部，以便收集来自所述极靴的磨损颗粒。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的端块，其中：所述极靴由包括银、铜、石墨或二硫化钼的材料制成。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的端块，其中：所述插座不可移动地安装至所述端块上。

11.根据权利要求1～9中任意一项所述的端块，其中：所述心轴不可移动地安装至所述端块上。

12.一种溅射设备，其包括根据权利要求1～11中任意一项所述的端块。

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