CN101137764B - 单一的直角端块 - Google Patents

Abstract

要求保护一种单一的直角端块，以用于在溅射装置中可旋转地承载靶材。该端块包括所有必须的装置，以通过壁或门中的单个开口从外部驱动、通电、支承和密封(冷却剂和气体)溅射装置中的靶材。该直角端块驱使靶材绕平行于靶材所安装的壁的旋转轴旋转。优选地，端块置于靶材之下，以便容许易于排出冷却剂。

Description

单一的直角端块

技术领域

本发明涉及一种端块，其用来在溅射装置中可旋转地承载溅射靶材。更特别地，本发明涉及一种集所有供给功能于一身的端块，同时靶材大致平行于端块法兰安装，靶材通过该端块法兰而被安装到溅射装置的壁上。

背景技术

“溅射沉积”或“溅射”是一种镀覆工艺，其中，通过用动态离子撞击靶材而将原子从靶材中撞出，随后这些原子喷射到基材上。通过阴极靶材和阳极之间的电压差，在低压溅射气体(通常是高原子质量的惰性气体，如氩气)中激发自由电子等离子体，在该等离子体中产生离子。该电压差也把离子加速到高动能朝向靶材移动。只有一小部分的离子动能用来将靶材原子撞出，大部分动能转化为热量。

为了尽可能的将等离子体局限在靶材附近，导入由磁体阵列产生的磁场，以将气体电离限制在自闭的轨道中。因此将这种工艺称作“磁控管溅射沉积”。然后，靶材的侵蚀优选在这种局部化的等离子体之下发生。为了最佳利用靶材材料，可在等离子体和靶材之间引起相对运动。这可通过相对于溅射装置移动磁体阵列并保持靶材静止，或者通过相对于溅射装置移动靶材并保持磁体阵列固定来实现。后一种方案实际上是通过使用绕固定的磁体阵列旋转的管形靶材来执行的。本发明涉及这种型式的旋转的管形磁控管溅射装置。

技术上的开创首先是由Kelvey在一系列美国专利中描述的，最值得注意的是US4356073、4422916、4443318、4445997。在这些思想的进展过程中，发明人面临了不同的问题，例如：

·需要适当的驱动系统，其容许方便的靶材更换。

·需要可靠的电接触装置，其为可旋转的并能够承受大电流(有时大于100A)。

·因为管形靶材必须被旋转，需要一种支承系统(一些靶材的质量大于200kg)。

·需要防漏的冷却系统。因为大部分能量被转化成热量，冷却系统必须能排出大量的热量。根据装置的大小，可在1kW到300kW之间改变。

·必须维持真空完整性。当靶材在低压环境(在1和10-4Pa之间)中旋转时，这是不明显的。

·因为通常磁体阵列位于旋转靶材内，必须提供用来使磁体阵列在旋转的靶材管中保持静止的装置。

这些问题的解决方案及其实施大致沿着两种不同的路线发展：

·如US5096562(图2，图6)和US2003/0136672A1所公开的双直角式端块，其中，在位于靶材两端的两端块之间分配用于支承、旋转、通电、冷却和隔离(空气、冷却剂和电)的装置。直角意味着端块安装到与靶材旋转轴平行的溅射装置的壁上。

·如US5200049(图1)所公开的单一直通式端块，其中，用于支承、旋转、通电、冷却和隔离的装置都并入一个端块中，并且靶材以悬臂方式保持在大面积镀覆装置内。“直通”意味着靶材的旋转轴与安装端块的壁垂直。

自从Kelvey以来，管形旋转的磁控管布置表现为所有种类和尺寸。最大的一种出现在大面积玻璃涂覆线上，其中，使用长达4米的靶材。较小尺寸的装置(即，靶材小于1米)还没有广泛的应用，尽管其能够改善较小基材(例如液晶显示器或等离子显示器的尺寸)的处理。在这种显示器涂覆装置中使用这些管形靶材的其中一个缺点是，需要对目前现有的设备进行深入的改变。

如今，在显示器涂覆装置中使用细长的平面磁控管溅射靶材。大部分辅助设备(冷却装置、磁体阵列、电流供给)安装在从门外易于接近的靶材保持器上，而在门关闭时，靶材平行地面朝在装置内的基材。基材以大约7°到15°的倾斜角度大致竖直地安装，并置于其倚靠的输送系统上。

为了使管形磁控管可用于显示器涂覆装置(无论是在原始设备上还是现有装置的改型)，必须解决一些问题：

·用于管形磁控管的端块所占据的长度必须最小化。

·为了使真空泄漏最小化，管形磁控管组件应具有少量的馈通连接。

·存在用于管形靶材的靶材和端块之间的“快速连接器”。然而，在更换靶材管时靶材管中存在的冷却剂必须以零漏溢量排出。

本发明人因此设计了解决上述问题的一种新型端块。

发明内容

本发明的目的是提供一种端块，该端块自身能够承载可旋转的管形磁控管，该磁控管与安装端块的壁平行。本发明的一个目的是提供特别适于安装在溅射装置的门或壁上的单端的直角端块。本发明的又一个目的是提供一种轴向长度最小的端块。本发明的端块还可以在必须替换靶材的情况下易于排出冷却剂。

本发明的第一个方面涉及一种端块。这种端块将溅射装置中的溅射靶材与溅射装置的外部相联。这种端块可作为单个单元安装在溅射装置的壁上，更优选地，安装在溅射装置的门上。为此，该端块设有安装法兰。该安装法兰(其可以是圆形的或正方形的或者矩形的形状)必须容许固定地真空密闭地连接到壁上。优选地，这可通过真空密封垫圈和螺栓连接到门上的法兰缘来完成。另一种优选方案是：法兰的形状是圆形的，并压靠在通过螺纹环安装在门上的连接件上。端块内部的压力高于该可抽空装置中的压力，优选该压力是大气压力。可随靶材管或可拆卸磁棒组件拆除的装置被认为不属于端块。端块的主要功能是承载靶材及使靶材绕旋转轴旋转。因为溅射是低气压下执行，端块在旋转时必须总是确保气密。因为靶材的溅射在靶材表面上产生大量的热量，必须对靶材进行冷却，通常用水或其它适当的冷却剂来冷却。该冷却剂必须供入端块并排空。而且，靶材必须被供给电流，以便维持靶材高于一定的电势。此外，该电流必须通过端块。单一式端块必须包括不同的装置，以便实现所有这些功能：

·用于使靶材旋转的驱动装置。优选地，这是通过蜗轮-齿轮系统、或者圆柱形齿轮-齿轮系统或者圆锥齿轮-齿轮交叉轴线系统、或者带轮-带系统、或者现有技术中已知的任何其他装置来完成的，从而使得靶材旋转。

·用来向靶材提供电流的可旋转电接触装置。这优选是通过配备有与整流子环滑动接触的电刷的整流子来实现的。代替电刷-环式布置，也可以使用彼此滑动的两个环，或者可以使用导电带型式的连接，例如金属带。重要的是，这种滑动接触是在环境气氛中进行。因此特别排除这种接触在冷却剂中(如US2003/0173217所披露的)或者在真空中(如WO/02/38826所述的)进行的实施例。

·多个支承装置。根据靶材的重量，一个以上的支承装置是必要的。本领域技术人员将易于从已知的不同型式的轴承中选择适当的轴承形式，其中，这些不同型式的轴承例如为滚珠轴承、滚柱轴承、滑动轴承、止推轴承或者现有技术中的任何其它型式。

·多个可旋转的冷却剂密封装置。这些冷却剂密封确保冷却剂不会泄露到端块中或者更糟地泄露到真空装置中，同时端块的固定部件和可旋转部件相对于彼此旋转。为了降低这种风险，可以级联的形式引入多个冷却剂密封。通常，如在现有技术中已知的，采用唇形密封作为冷却剂密封。然而，不排除机械面密封或迷宫式密封(非穷举的)之类的其他型式的密封。

·最后，需要多个可旋转的真空密封装置。这些真空密封装置确保在端块的固定部件和旋转部件相对于彼此旋转时的真空完整性。级联的一系列真空密封(渐进地保护真空)是优选的，以便降低真空泄露的风险。此外，已知不同的密封，其中最常用的为唇形密封，尽管当然也可以使用其他型式的新型密封(例如磁流体密封)。

所有上述的装置都存在于本发明的端块中。本发明的端块与现有技术的不同在于，旋转轴与安装法兰平行。就此而言，其可被分类为直角的单一端块。用于旋转、冷却和通电靶材的所有功能性都被并入该端块中，同时容许端块安装到平行于旋转轴的壁上。

预见到的是，靶材具有易于拆卸和附连该靶材的连接装置。这种装置例如在US5591314、EP1092109、EP1106893、US6375815、WO2004/085902中进行叙述，在此将其加入以供参考。这种装置大体上包括具有内部凹槽的界面环，该内部凹槽具有圆锥形面。圆锥形面一方面与端块上的安装法兰配合，另一方面与靶材端部处的缘配合。通过由两个或更多个段来制成界面环，所述段可利用螺钉、快速接头或者其它装置来切向张紧，就可以在周向缩短该界面环。夹在靶材缘和端块法兰之间的O形圈确保真空和冷却剂密封性。

既然现在靶材必须是由单一端块来承载，当端块在直立的、大致竖直的位置使用时，端块上的转矩被最小化。靶材可从端块悬挂或者其可立在端块上。以这种方式，在杠杆臂减小时，施加在端块上的转矩更小。“大致竖直的”应该解释为与局部垂线之间偏离0°到大约15°的任何方向，该角度与基材所安装的倾斜角度相应。

如果现在端块安装在靶材之下，冷却剂可方便地从靶材排出，因为冷却剂在重力作用下流出靶材。

可替换地，端块可大致水平地安装，在使用短的靶材时，这种布置是优选的。

依照本发明的第二个方面，提供一种溅射装置。这种溅射装置包括将可抽空空间封闭的壁。在溅射装置的其中一个壁上，附连了依照本发明的端块。然后，靶材的旋转轴与安装端块的壁平行。

优选地，溅射装置的端块具有用于靶材的连接装置。

在靶材完全由端块承载时，在旋转时会发生定心问题。这可能是因靶材施加于端块上的转矩导致的，或者是因在热的作用下稍稍地变形的靶材自身导致的，或者是因在连接装置处的轻微失准而导致的。为了克服这些问题，可在与端块相对的靶材一端设置小定心块。该定心块包括与端块安装在相同壁上的支撑。在该支撑上，摩擦轴承(例如枢轴承)或小的非摩擦轴承(滚珠轴承、滚柱轴承等)使靶材的自由端定心。

优选地，靶材大致竖直地安装在溅射装置中。更优选的是，端块安装在靶材之下，以便容许冷却剂易于排出。

可替换地，靶材可大致水平地安装，如果靶材不太长的话这是可以的。对于较长的靶材来说，水平安装的靶材可由定心端块支承。

附图说明

现将参考附图来更详细地叙述本发明，其中：

图1是依照本发明的端块的透视图。

图2是端块的示意性横截面视图。

具体实施方式

图1是示出本发明的端块如何安装到溅射装置的壁或门上的透视图。端块100在端块法兰120处安装到溅射装置的壁110上。从装置的外部，驱动装置(在这个示例中为同步带130)使得安装法兰170旋转。靶材(未示出)安置在这个法兰上，并通过界面环160可拆卸地附装到其上。冷却剂供给装置140和抽出装置150在外部连接到法兰孔180。在这个孔内部，冷却剂供给和返回相互分离开(看不到)。磁棒(未示出)也插入并保持在这个孔内。

图2示出一个优选实施例的示意性横截面视图。端块200在单个外壳201中结合了驱动装置、旋转的电接触装置、支承装置、冷却剂密封装置和真空密封装置。端块通过端块法兰211安装到溅射装置的壁或门202上。法兰的形状为矩形，并通过垫圈213来真空密封。靶材220能够绕其旋转轴222旋转。靶材220通过界面环224连接到靶材安装法兰226上。靶材冷却剂管230(承载着未示出的磁棒)通过界面环232连通冷却剂供给管228。冷却剂供给管228牢固且固定地附装到端块外壳201上。冷却剂通过冷却剂输送装置234被送入冷却剂管228中。冷却剂被收集在与冷却剂管228共轴的固定的冷却剂收集器229中，并通过管道236被抽出。

靶材220由齿轮204通过保持环226来旋转地驱动，因此提供了驱动装置。齿轮齿与蜗杆轴205啮合，而蜗杆轴205例如是由电机(未示出)来驱动的。齿轮204驱使主轴承环214旋转。保持在安装环207和齿轮204之间的较小的第二轴承208提供了附加的旋转稳定性。安装环207也保持可旋转的电接触装置，该电接触装置由安装成与旋转轴222共轴的环形段的一系列电刷206来提供。这些电刷206被弹簧安装在导电环290中，并靠在滑环203上滑动。电刷206通过导电环290接收电流，而该导电环290由电引线209供电。滑环203通过齿轮204和保持环226与靶材220电接触。两个可旋转的真空密封装置由唇形密封件212提供。可旋转的冷却剂密封装置由迷宫式密封的冷却剂密封件210来提供。冷却剂密封件210安装在保持环226和冷却剂收集器229之间。

通过例如使用除了以上所述之外的其他类型的装置，本领域技术人员易于确定其他可能的实施例。而且，可对端块内部的不同装置进行重新布置，以使端块的轴向长度进一步降低。然而，所有这些优化和改变只是在同一发明构思基础上的改变，并应认为落在由下述的权利要求书所覆盖的本发明的实质和范围内。

Claims (3)

1.一种端块，其用于在溅射装置中绕旋转轴可旋转地承载靶材，

所述端块具有安装法兰，以用于将所述端块安装到所述溅射装置上，所述端块还包括驱动装置、可旋转的电接触装置、支承装置、冷却剂密封装置、真空密封装置以及用于附连和拆卸所述靶材的连接装置，其特征在于，

所述旋转轴大致是竖直的，并且所述端块能够安装在所述靶材之下并能够安装成使所述旋转轴与所述法兰大致平行。

2.一种溅射装置，其包括用于封闭能够被抽空的空间的壁、具有旋转轴的可旋转靶材和用于在所述靶材的一端可旋转地承载该靶材的端块，所述端块包括驱动装置、可旋转的电接触装置、支承装置、冷却剂密封装置、真空密封装置以及用于附连和拆卸所述靶材的连接装置，其特征在于，

所述靶材能够大致竖直地安装，所述端块能够安装在所述靶材之下并能够安装到其中一个所述壁上，并且所述旋转轴大致与所述一个壁平行。

3.如权利要求2所述的溅射装置，其特征在于，所述靶材还由定心块保持定心，所述定心块安装在所述靶材的与由所述端块承载的那端相对的一端。

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