CN101208767A - 用于单道次涂覆基体两面的组件 - Google Patents

Abstract

公开了一种在用于涂覆双面基体的溅射沉积装置中承载靶的组件。该组件可通过连接法兰安装在该溅射沉积装置上，该连接法兰承载至少两个具有相应磁体系统的靶。在组件安装好时，靶位于双面基体的相对侧，同时磁体系统把溅射沉积导向基体。该组件可单道次涂覆基体的两面。说明了带有气体分配系统和基体额外支撑件的各种构造。还包括具有用来减小气体扩散的可调挡板的外壳。

Description

用于单道次涂覆基体两面的组件

技术领域

本发明涉及一种可装在真空溅射涂覆器上的组件。该组件承载、通电并冷却至少两个靶，所述靶在单道次中涂覆基体两面。

背景技术

溅射沉积已成为一种为基本平面的基体例如薄膜或板状材料上添加功能的普遍采用的技术。在低压溅射沉积涂覆器中，将离子化惰性气体的离子向负偏压的靶加速。惰性气体离子撞击靶表面时把原子从靶中撞出。可在靶表面下方设置磁体系统，以把自由电子约束在粒子轨道中。在该粒子轨道中，惰性气体的离子化程度大大增加，从而离子对靶的撞击在粒子轨道下方更强烈。因此，该磁体系统限定了原子在靶上溅射离开的区域。此外，在粒子轨道下方，靶原子主要在与靶表面垂直的方向上抛出。这一过程称为磁控管溅射沉积。抛出的原子撞击基体表面，从而在其上形成致密的覆层。当还把反应气体引入涂覆器中时，反应气体就会在基体表面上与撞击的靶原子进行反应，从而生成化合物材料例如氧化物或氮化物。在反应性磁控管溅射沉积的情况下，人们发现，在涂覆器中引入交替用作阴极和阳极的两个靶是非常有利的。这在现有技术中已知为交流(AC)磁控管溅射，当使用正弦电流或电压电源时；或脉冲磁控管溅射，当使用切换直流(DC)电压或电流电源时。

在基体上添加的功能可以是多种多样的。例如，可为薄膜材料提供防湿层，以用于包装领域，或者也可制成导电的薄膜材料，其具有透明的ITO(氧化铟锡)覆层，以用作例如触摸屏。可在板状材料例如窗玻璃或用于平板显示器的显示器玻璃板上涂覆防反射涂层或低发射率涂层。把例如金刚石类涂层(DLC)的磁性涂层或保护涂层涂覆在磁盘上，以提供硬盘所必需的磁特性和保护特性。

当今，开始需要把涂层涂覆在这类平面基体的两面上。根据使用的需要，两面上的涂层性质可不同或可相同。特别需要这类双面涂覆的一些领域有：

-显示器涂覆器，在这里，在涂覆器的显示面上涂覆防反射涂层，透明导电氧化物可在另一面上涂覆。

-硬磁盘，在这里，当两面都用作磁性地存储和读取数据时，在两面上涂覆相同涂层。

-窗玻璃，在这里，低发射率叠层涂覆在玻璃板的朝向屋内的一面上，而防污涂层涂覆在窗户的风吹日晒面上。这类窗户的优点是“自清洁”或“易清洁”。

由于当今可用的溅射装置类型众多，因此通过溅射涂覆过程添加的功能也多种多样。薄膜材料大多在卷式幅涂覆器(roll-to-roll webcoater)中涂覆，其中，薄膜从一个卷上退绕，在一中央冷却的滚筒上通过，围绕该滚筒的圆周布置有不同的溅射站，然后薄膜再次卷绕到一个卷上。一些卷式涂覆器具有自由展开区段，该区段是这样一个区段，即在涂覆薄膜的同时薄膜张紧在两平行卷筒之间。用于平板显示器的玻璃主要在立式显示器涂覆器中涂覆，其中，利用使玻璃板成斜角地传送玻璃板的传送系统来使玻璃板在一个或多个溅射站前方经过。窗玻璃几乎毫无例外地在大面积玻璃涂覆器中涂覆，其中，水平定向的玻璃板在不同溅射站下方的辊上传送。

在某些领域，已提出了对基体的两面进行单道次涂覆的方案。

-在硬盘领域，US2003/0150712提出，使用两排相对定向的平面靶或旋转靶来涂覆在这两排之间通过的平面基体架上布置的硬盘的两面。

-在窗玻璃涂覆领域，EP1179516 B1公开了双面涂覆过程的原理，其中，基体在涂覆生产线的不同区段中不仅从上往下涂覆，同时还从下往上涂覆，因此无需第二次通过或无需翻转装置。在该公开物中还说明，比方说如图1所示，溅射靶也可装在涂覆装置的底部。

但是，上述方案并不总是令人满意。用来冷却、通电和承载靶的所有基础设施以及气体供应系统都必须是双份，从而导致“安装问题”。特别对大面积窗玻璃涂覆器来说，重新装备涂覆装置以便能装配下部靶所需的投资很高。由于必须沉积的总层数增加，并且这些层无法总是在生产线的同一区段中在两面沉积，因此涂覆生产线必须不得不加长(费用增加)或生产线速度不得不降低(生产量下降)。此外，涂覆装置下侧的涂覆靶不易更换和维护。

与所述现有技术相关的第二个问题是，尽管平面基体在溅射室上部与下部之间提供了某种程度上的分隔，但该分隔并非气密，并且过程气体在溅射室的上部与下部之间发生混合(气体混合问题)。因此，沉积在两面上的覆层不能任意选择。例如，不能使用含硅的靶和氧气作为反应气体来在顶面上沉积例如SiO₂之类的氧化物，并用氮气气氛中的硅靶在底面上沉积Si₃N₄覆层：上侧更活跃的氧气会干扰下侧较不活跃的氮气反应。如EP1179516 B1所述，不仅是气体互相混合，而且靶材显然也会过度喷涂出玻璃板的边缘。

因此，本发明人的任务是克服上述问题而提出以下将详述的一种解决方案。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的问题。因此，第一个目的是通过提供一种无需对一部分甚或整个涂覆装置进行改装的组件来解决成本问题。此外，本发明在现有生产线长度范围内提供了额外的涂覆能力，从而无需增加额外的区段或降低生产线速度。而且，不用成本很高地加倍靶辅助装置。本发明的第二个目的是解决气体混合问题，从而可更灵活地使用单个生产线区段。过度喷涂出基体边缘的问题同时得以解决。

本发明装置用于涂覆相对较长的基体(在平板显示器板材的情况下为数十米，在板材的情况下为数米，在薄膜材料的情况下为数千米)、相对较宽的基体(稍小于通常为数米的涂覆装置宽度)以及非常薄的基体(在薄膜的情况下为数十微米，在平板显示器板材的情况下为几十分之一毫米，在窗玻璃的情况下为几毫米)。因此，可把这类基体描述为主要具有两面且侧边缘有限。使用其上保持有多个要涂覆的平面物品的载体时，只要厚度较之长度和宽度很小就可把其上有平面物品的载体视为基体。基体的移动方向是沿着其长度或宽度尺寸的方向。

基本上，有两类靶可使用在本发明中：平面靶或可旋转靶。也不排除这两者的组合。这两种靶各有其优点和缺点，这些优点和缺点是本领域技术人员公知的，因此本文不再说明。平面靶包括安装在载体上的伸长的平面形靶材件，以及位于靶材的与要溅射侧相反的一侧的磁体系统。还需要有对靶冷却和通电的馈送装置。就本申请而言，该馈送装置称为连接块。还可利用平面靶组件，其中，磁体组可相对靶材而言移动，以使得靶的侵蚀更均匀(参见WO 99/26274)。

在可旋转靶中，靶材沉积在载体管上。通过使磁体组在载体管内部保持固定，同时带有靶材的载体管在其前方转动，从而获得了在靶材与磁体组之间的相对运动。靶由载体管一端的一个连接块承载，或由载体管两端的两个连接块承载。

有两种方法来使得溅射靶相对要涂覆的基体而言就位。这两种方法可同等满意地用于平面靶或可旋转靶。在大面积涂覆器中使用降入式组件：该组件的形式为顶箱，借助于具有真空密封垫的连接法兰，用螺栓将该顶箱与真空室连接。该箱中设有所有必要的供应装置(冷却剂、电流、运动、过程气体供应)以及必要的电子控制器件。通过一个或两个或更多个在一侧与连接法兰连接且在另一侧与靶连接的连接块来向靶供应电流和冷却剂。靶附近的气体分配树分配气体。通常，并排安装两个靶，以允许交流或脉冲电流溅射。

在幅涂覆器中，靶以悬臂方式定位，即靶由单个直通连接块保持，该直通连接块安装在涂覆装置的与靶轴线垂直的连接法兰或壁上。在宽涂覆器中，纯机械的轴承保持另一端，在这种情况中，可以称为半悬臂式靶安装。应该指出，悬臂式安装不限于幅涂覆器：大面积涂覆器也可装有一组悬臂式靶。在使用交流或脉冲电流溅射时也可并排安装两个靶。

从上可知，对可旋转靶来说，连接块所需的功能比用于平面靶的连接块所需的功能多。除了平面靶时所需的电流和冷却剂馈送以外，连接块还必须使可旋转靶转动、使磁体组保持固定以及保持真空完整性。

按独立权利要求1所述的承载溅射靶的本发明组件包括可真空密封地安装在溅射涂覆装置上的连接法兰。该连接法兰用作把靶装在真空侧的安装平台，而辅助设备装在大气侧。如上所述，这种涂覆装置可为显示器涂覆器、大面积涂覆器、幅涂覆器或用来涂覆有两面的基体如上述板状材料或薄膜材料的任何涂覆器。本发明的特征在于，当用所述连接法兰将该组件装到涂覆装置上时，至少一个靶位于基体的一侧，而另一靶位于靶另一侧。每个靶的磁体系统朝向基体，从而单道次就可涂覆基体的两面。

因此，通过安装单个连接法兰，靶就都可安装就位。而且，组件的法兰可与用于单面溅射的现有法兰相容。因此，通过提供这一组件可大大地解决“安装问题”。应该指出，尽管两面可被不同地涂覆，但涂覆装置的生产量不受影响。现有的用于单面涂覆的装置的生产量可有效地翻倍。事实上，通过驱动彼此小心叠置在一起的两块板材经过涂覆装置，涂覆装置的净产量较之一次仅涂覆一面的两块板材而言提高一倍。

在第一从属权利要求2中，在所要求保护的组件中，靶为平面靶。在第二从属权利要求3中，在所要求保护的组件中，靶为可旋转靶。当然也可使用至少一个平面靶与至少一个可旋转靶的组合(从属权利要求4)。

第一种安装可能性为靶的轴线与连接法兰基本垂直(从属权利要求5)。平面靶的轴线是指其纵向对称线。可旋转靶的轴线指靶的旋转轴线。为了把靶与连接法兰相连，将至少一个连接块装到法兰上，使得法兰与靶可拆除地连接(从属权利要求6)。可把连接块永久性地安装在法兰上，例如通过用整块金属例如不锈钢或机器钢来制成法兰和连接块容器。或者，也可用螺栓把连接块容器装配在安装法兰上。也可用快速配合连接来把连接块容器连接在法兰上。靶为平面靶时，该连接块较容易，因为没有移动部件需要彼此连接。靶为可旋转靶时，需要更复杂的连接块，例如参见US5200049。在后一情况中，必须用纯机械轴承支撑自由端，以防止水平的可旋转靶下垂，或在立式的可旋转靶的情况下防止偏心转动。这种轴承不被看成是连接块。

第二种替代的安装可能性是当靶的轴线与连接法兰基本平行之时(从属权利要求7)。通过位于靶两端的两连接块，这些靶由连接法兰承载(从属权利要求8)。这两个连接块承载至少两个靶。或者，它们也可承载三个靶：例如，离连接法兰最远的一个可旋转靶和较靠近连接法兰的两个平面靶。最好是，四个靶端与一个连接块连接。这可以使设计更便宜，因为连接块的多个部件可共享，例如只需要一个壳体，一个电动机可驱动所有靶。把四个以上的靶端与一个连接块连接会很困难(但是并非不可能)。

承载靶的一种替代方式是为每一靶端提供一个连接块。由于实施本发明需要至少两个靶，因此这意味着必须至少有四个连接块：组件的每端各有两个连接块(从属权利要求9)。同样，三个靶需要六个连接块，四个靶需要八个连接块。一般来说，连接块的最大数量为由单个组件承载的靶数的两倍。尽管这些连接块在连接法兰的端部将占据更多空间，但该设计的优点是连接块可标准化。

上述组件还可配备有至少一个气体分配系统(从属权利要求10)。当然，更好的是组件承载分别处在要涂覆基体两侧的两个分别可控的气体分配系统。向气体分配系统的供气功能可方便地合并在连接块中。为了方便辊式传送器上的板材在靶之间通过，可提供一个或多个中间支撑件，以在组件中部支撑板材(从属权利要求11)。同样这些支撑件可方便地由连接块保持。

对组件作出的另一改进是，提供了封闭连接块、靶和其他辅助装置如支撑件和气体分配系统的外壳(从属权利要求12)。当然，得有细长进出口狭缝供基体穿过。因此该外壳不气密，但是它将提供防止气体在整个涂覆装置内扩散的屏障。此外，这一外壳的优点是收集溢出的溅射材料，使得溢出的溅射材料将不再到达真空室的壁，从而真空室无需清洁。通过用低成本的一次性材料制作外壳，或在外壳内侧放置一次性板材，就可进一步减少这种危险而麻烦的工作。靠近板状或薄膜材料的边缘使用侧面挡板可进一步防止气体扩散。最好是，这种侧面挡板可随着每次传送的板材或薄膜的宽度的不同而调节。以这种方式，基体两侧可存在两种不同的气体气氛。挡板侧面上具有V形边缘时，在从一个靶直线射出的靶原子到达另一靶之前挡板可将其挡住，从而防止靶污染。

在板状材料的情况下，板材可能不会总是在辊式传送器上对齐。通过在狭缝前方设置宽度检测器并按照该检测器输入来调节挡板位置，就可进一步改善气体的隔绝(权利要求13)。该检测系统可以方便地以由轮子和弹簧构成的机械系统的形式实施，在进入时该机械系统推开挡板。该系统的另一种形式是电子(光学、磁或机械)检测器和反馈系统。

附图说明

下面结合附图详细说明本发明，附图中：

图1：如EP 1 179 516 B1所述的现有技术。

图2：有两个靶的本发明组件第一优选实施例。

图3：图3a为有四个靶的第二优选实施例的侧视图，图3b为其正视图。

图4：图4a、b和c示出有四个靶和一气体罩壳的第三优选实施例。

图5：示出了适用于自由展开幅涂覆器上的组件的第四优选实施例。

图6：示出了用在一立式涂覆器中的组件的第五优选实施例。

图7：图7a和7b为靶布置次序不同的本发明两种不同实施方式的透视图。

具体实施方式

图1示出如EP1 179 516 B1所述如何单道次涂覆板状基体的两面。该图示意性示出玻璃涂覆器中的一个区段100。该区段100实质上为一真空室102，该真空室通过进口104与前一区段连接，并通过出口106与后一区段连接。在该例中为板状材料的基体108在一系列辊110、110’、...上传送，这一系列辊中的部分辊或所有辊受驱动。在该特殊实施例中，示出三个可旋转的靶112、112’和112”，它们通过一对连接块114、114’和114”被保持(只画出一个连接块，因为它遮住了相对侧的另一个连接块)。还设有用于上部靶的气体分配管116、116’和用于下部靶的气体分配管118、118’。这些管子把溅射气体或反应气体或两者的混合物分配在整个真空室中。上部靶旁有阳极屏120、120’、120”，下部靶旁有阳极屏122、122’。阳极屏可通过电来极化，以影响形成在靶表面上的粒子轨道(参见US 5 645 699)。

图2示出本发明组件的一特别优选的实施例，因为它很容易使用在现有涂覆装置上。还示出整个涂覆生产线中的一个区段200。并且，真空室202把溅射过程与环境隔开。板状材料208从进口204进入溅射区段200。板材208由包括若干辊210、210’、...的辊式传送器运载，一些辊或所有辊受驱动。板材208从出口206离开区段200。区段200上安装有组件222，组件222通过连接法兰220与室壁202连接。该连接法兰220上安装有分别承载支撑靶212和212’的两对连接块214和214’。同样只能看到一个连接块，另一连接块位于所示连接块后方。连接块214、214’在保持靶与基体208平行的同时使靶212、212’通电、冷却和转动。在每一靶212、212’内分别有一组磁体224、224’，它们由端块214、214’保持固定。磁体组定向成使得第一组磁体224把靶原子流导向基体208的第一面，第二组磁体224’把靶原子流导向基体208的第二面。靶的每一侧有装在连接块上的靶自身的气体分配系统216和216’。形式为不受驱动辊的支撑件211由一对固定在该对连接块214上的夹具保持。在基体208通过涂覆装置时，辊211提供额外支撑。

图3示出有四个靶和八个连接块的第二优选实施例。图3a为侧视图，而图3b为从AA’线看去的正视图。图3a和3b中相似标号表示相似部件。同样，挑选出了整个涂覆生产线中的一个区段300。板状基体308由一系列辊310、310’、...运载通过具有进口304和出口306的室302。经连接法兰320与室302连接的组件322承载着四对连接块314、314’、314”、314(仅能看见每对中的一个)，它们依次承载着四个靶312、312’、312”、312。图3b最清楚地示出连接块的位置：上部靶312的那对连接块314安装在对应下部靶312的那对连接块314之间。承载着靶312’的那对连接块314’的情况也是同样的，即安装在承载着靶312”的那对连接块314”之间。上部两对靶312、312’之间安装有用于向基体第一侧供气的气体分配系统316。第二气体分配系统316’向基体第二侧供气。中间辊311安装在两对连接块之间以防止基体下垂。

图4示出第三优选实施例，其中图4a为沿靶轴线的侧视图，图4b为沿切割线AA’的俯视图，图4c示出可调挡板的细节。组件422利用连接法兰420而安装在涂覆装置的一个区段400的室402上。该连接组件承载着一对连接块414，该对连接块414承载着四个靶412、412’、412”和412。这样，每一连接块把四个终端连接与靶结合起来，从而可以减少内部部件，因为一些部件可共享。该对连接块414之间安装有两个气体分配系统416和416’，它们位于基体408两侧。在靶周围，外壳424、426固定在该对连接块414上，具有上部外壳424和下部外壳426，其间有供基体408通过的进口狭缝434和出口狭缝436。尽管外壳424、426本身有助于把过程气体保持在靶附近，但气体仍会在外壳内混合。因此，侧面挡板432和432’(图4b)可在进口狭缝和出口狭缝434、436中滑动。每一挡板的一侧固定在该对连接块414的一个连接块上。另一端调节成尽可能靠近基体408。侧挡板的实施方式有多种：例如，它们可由金属带制成，且一个可在另一个之上滑动；或也可由厚金属箔制成，并折叠成锯齿形，这里仅仅列举一些方式。为了获得自调节的挡板，最好使用折叠成锯齿形的挡板432、432’，因为它们引入了一定的弹性。为了获得自调节，滑动件428、428’被装到挡板432、432’的可动自由端。在外壳424、426外部，轴线与基体垂直的轮子430、430’装在滑动件428、428’的弧形端上。在基体408靠近组件时，轮子430、430’滑动分开，为基体让开路。通过使滑动件428、428’在外壳内部呈V形轮廓(如图4c所示)，可完全防止靶污染，因为靶不再在彼此的视线内。由于挡板大大减小了外壳上下部之间气体的相互作用，因此可减小气体混合。也可不使用轮子，而在滑动件端部使用半锥体入口：基体被捕获在这些半锥体中并且滑动件打开，从而为基体让开路。优选地，在与基体边缘接触的半锥体内表面和滑动件部分上涂覆有防摩擦涂层。这样可进一步提高气体的隔离。

图5为在一自由展开幅涂覆器上实施本发明原理的第三优选实施例的透视图。示出涂覆器500的一部分，在该部分中进行涂覆。其它辅助装置例如退绕和卷取系统未示出，但是本领域技术人员公知的。在该例中，基体为在两辊510、510’之间保持张紧的薄膜508。在该自由展开状态中，薄膜508在两个可旋转的靶512、512’之间通过，靶的磁体系统524、524’把溅射沉积导向薄膜508的两面。经连接法兰520与室502连接的单个组件522承载着可旋转的靶512、512’。可旋转的靶512、512’由单个电机556驱动。冷却剂通过冷却剂供应装置552供应，并从出口554引出。电流馈电装置550向靶512、512’供应电流。

图6示出优选实施例600，平面靶612、612’竖直安装在其中，并从组件622上悬挂到室602中。平面靶通过连接块614、614’与连接法兰620可拆除地连接。基体608在靶612、612’之间通过，并由支撑系统610承载。该基体例如可为一支架，支架上安装有要涂覆的一系列基本平面的物品，例如硬盘基体。靶材625、625’向该基体溅射，磁体系统624、624’保持跑道形的等离子区。通过电流馈电装置650和冷却剂进口软管、出口软管652、654向组件供应电流和冷却剂。

图7a示出本发明原理的一种实施方式，在该方式中最大程度地使用标准连接块。布置了八个连接块714、714’、714”、714和715、715’、715”、715，它们承载着成对地并排布置的四个靶712、712’、712”、712。这些连接块装在单个连接法兰720上。成对的靶712、712’和712”、712阶式布置：两靶涂覆基体顶面，之后另两靶涂覆基体底面(或相反)。为了能使用标准端块，使用接长件790、790’、790”、790，可用螺纹接头792、792’、792”、792把端块装到接长件上。图7b示出另一实施例，但靶的次序交替(顶面、底面、顶面、底面或反之)。接长件使得沿着基体运动方向的布置更紧凑。

尽管以上结合某些优选实施例说明、示出了本发明，但本领域普通技术人员将理解可在形式和细节上作出各种改动和修正。因此，权利要求覆盖了落在本发明真正范围和实质内的所有这些改动和修正。

Claims (13)

1.一种用于承载溅射靶的组件(222)，所述组件包括可真空密封地安装在溅射沉积装置(202)上的连接法兰(220)，所述溅射沉积装置用于涂覆具有两面的基体(208)，所述连接法兰承载可安装在所述连接法兰上的至少两个细长靶(212、212’)，每一所述靶包括一用于引导溅射沉积的磁体系统(224、224’)，其特征在于，当利用所述连接法兰将所述组件安装到所述溅射沉积装置上时，所述靶位于所述两面基体的两相对侧的位置，每一所述磁体系统朝向所述基体，从而一次操作就可涂覆所述基体的两面。

2.按权利要求1所述的组件，其特征在于，靶(612、612’)为平面靶。

3.按权利要求1所述的组件，其特征在于，靶(212、212’)为可旋转靶。

4.按权利要求1所述的组件，其特征在于，至少一个靶为平面靶，并且至少一个靶为可旋转靶。

5.按权利要求1-4中任一权利要求所述的组件，其特征在于，所述靶(512、512’)的轴线与所述安装法兰(520)基本垂直。

6.按权利要求5所述的组件，其特征在于，所述组件还包括安装在所述法兰上的至少一个连接块，用于在一端承载所述靶。

7.按权利要求1-4中任一权利要求所述的组件，其特征在于，所述靶(412、412’、412”、412)的轴线与所述安装法兰(420)基本平行。

8.按权利要求7所述的组件，其特征在于，所述组件还包括安装在所述法兰上的至少两个连接块(414)，用于在两端承载所述靶。

9.按权利要求8所述的组件，其特征在于，所述组件还包括安装在所述法兰上的至少四个连接块(214、214’)，用于在两端承载所述靶(212、212’)。

10.按权利要求1-9中任一权利要求所述的组件，其特征在于，该组件还包括至少一个安装在所述连接法兰上的气体分配系统(216、216’)。

11.按权利要求1-10中任一权利要求所述的组件，其特征在于，该组件还带有至少一个用于在涂覆时支撑所述基体的基体支撑件(211)。

12.按权利要求1-11中任一权利要求所述的组件，其特征在于，所述组件还带有外壳(424、426)，外壳有供基体穿过的进口狭缝(434)和出口狭缝(436)，所述进出口狭缝具有使所述靶彼此隔离的可调节侧面挡板(432、432’)。

13.按权利要求12所述的组件，其特征在于，所述侧面挡板通过基体宽度检测器(430、430’)来调节。

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