CN103103482B - 一种用于驱动磁控管的驱动机构及磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于驱动磁控管的驱动机构及磁控溅射设备，所述驱动机构包括箱体、旋转运动单元、传动单元以及直线运动单元，所述直线运动单元包括第一齿条、第二齿条、设有第一啮合部和第一非啮合部的第一齿轮以及设有第二啮合部和第二非啮合部的第二齿轮，当所述第一齿条与所述第一齿轮的第一啮合部啮合时，所述第二齿条处于所述第二齿轮的第二非啮合部位置；当所述第二齿条与第二齿轮的所述第二啮合部啮合时，所述第一齿条处于所述第一齿轮的第一非啮合部位置。该驱动机构在旋转运动单元向一个方向旋转的同时使第一驱动轮与第二驱动轮交错地驱动被驱动部件作直线运动，从而提高驱动机构的使用寿命。

Description

一种用于驱动磁控管的驱动机构及磁控溅射设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种用于驱动磁控管的驱动机构及应用该驱动机构的磁控溅射设备。

背景技术

在微电子产品行业，磁控溅射技术是生产集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED等产品的重要手段之一，在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。近年来市场对高质量产品日益增长的需求，促使企业对磁控溅射设备进行不断地改进。

图1为典型的磁控溅射设备的结构原理图。请参阅图1，该设备主要包括：工艺腔室1、设置于工艺腔室1内部下方位置处的静电卡盘3、设置于工艺腔室1上方的靶材2和磁控管4以及用以驱动磁控管的驱动机构5。在工艺进行的过程中，通入工艺腔室1中的工艺气体(例如，氩气等)被激发形成等离子体，等离子体中的部分离子在腔室内的电场和磁场的共同作用下轰击靶材2的表面，使靶材2发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子沉积到被加工工件的表面形成工艺所需的膜层。在溅射过程中，驱动机构5对靶材2的表面进行扫描，以提高气体等离子体轰击靶材的效率，从而提高了沉积效率。

图2a为现有磁控管驱动机构的结构示意图。请参阅图2a，该驱动机构包括传动轴60、齿轮箱7以及传动单元。其中，传动轴60的一端与电机的输出轴(图中未示出)连接，另一端与齿轮箱7连接。传动单元设置在齿轮箱7内，其包括依次啮合的定齿轮61、传动齿轮62以及行星轮63，磁控管8通过连接板9固定在行星轮63的中心轴上。在电机的驱动下，齿轮箱7和传动单元以传动轴60为中心作旋转运动，从而带动磁控管8以传动轴60为中心公转以及以行星轮63的中心轴为中心自转。为提高磁控管驱动机构运行的稳定性，在连接板9上设置用于平衡磁控管8重量的磁控管配重91以及用于平衡齿轮箱7、传动单元、磁控管8以及磁控管配重91的重量的齿轮箱配重92。图2b为现有的磁控管驱动机构驱动磁控管的运行轨迹图。如图2b所示，现有的磁控管驱动机构的运行轨迹无法覆盖整个靶材的表面，而且磁控管的扫描轨迹点的密度也不均匀，这将导致靶材的利用率较低。

为使磁控管能够覆盖整个靶材的表面以提高靶材的利用率，相关技术人员提出了另一种驱动机构，其包括旋转运动和直线运动，在旋转运动的基础上增加直线运动机构，即，使磁控管在旋转运动的同时作直线运动。借助直线运动机构可以使磁控管实现自靶材的中心位置运动到边缘位置以及自靶材的边缘位置运动到中心位置的单向扫描，从而可以使磁控管覆盖靶材的表面。图3为磁控管单向扫描的运行轨迹示意图。

在实际使用过程中，为了使磁控管能够实现在靶材的中心位置与边缘位置连续的双向扫描，上述驱动机构中的电机需要不停地进行正转和反转的转换这不仅严重影响电机的使用寿命，而且对驱动机构中的其它部件(如齿轮)造成冲击，从而降低磁控管驱动机构的使用寿命。

发明内容

为至少解决上述问题之一，本发明提供一种用于驱动磁控管的驱动机构，其不需要电机在正转和反转之间的切换即可使磁控管在旋转的同时实现往复直线运动，从而使其使用寿命提高。

本发明还提供一种磁控溅射设备，其用于驱动磁控管的驱动机构的使用寿命长，从而提高磁控溅射设备的使用率。

为实现本发明的目的而提供一种用于驱动磁控管的驱动机构，其包括箱体、旋转运动单元、传动单元以及直线运动单元，其中，

所述直线运动单元和传动单元设置在所述箱体内，并在所述旋转运动单元的带动下，所述箱体、直线运动单元和传动单元绕所述旋转运动单元的转轴作旋转运动；

所述传动单元用以使所述直线运动单元与所述旋转运动单元协调运动；

所述直线运动单元驱动被驱动部件作直线运动；

其中，所述直线运动单元包括：

第一齿条；

第二齿条，其与所述第一齿条平行设置；

第一齿轮，在所述第一齿轮的外周缘设有第一啮合部和第一非啮合部，且所述第一啮合部与所述第一齿条相配合；

第二齿轮，在所述第二齿轮的外周缘设有第二啮合部和第二非啮合部，且所述第二啮合部与所述第二齿条相配合；

所述第一齿轮与所述第二齿轮旋转方向相反，且当所述第一齿条与所述第一齿轮的第一啮合部啮合时，所述第二齿条处于所述第二齿轮的第二非啮合部位置；当所述第二齿条与第二齿轮的所述第二啮合部啮合时，所述第一齿条处于所述第一齿轮的第一非啮合部位置。

其中，所述第一齿条和所述第二齿条为一体结构。

其中，所述第一非啮合部在所述第一齿轮的轴向方向的宽度小于所述第一齿轮的齿宽；所述第二非啮合部在所述第二齿轮的轴向方向的宽度小于所述第二齿轮的齿宽。

其中，所述传动单元包括：

第一转向齿轮，其相对于所述旋转运动单元作旋转运动；

转向传动轴，设置在所述箱体上，且所述转向传动轴与所述第一转向齿轮的轴线垂直；

第二转向齿轮，设置在所述转向传动轴上，所述第二转向齿轮与所述第一转向齿轮相配合；

第一驱动轮，设置在所述转向传动轴上，用于驱动所述第一齿轮旋转；

第二驱动轮，设置在所述转向传动轴上，用于驱动所述第二齿轮旋转；

反向齿轮，设置在所述第二驱动轮与所述第二齿轮之间，以使所述第二齿轮的转向与所述第一齿轮的转向相反。

其中，所述传动单元还包括固定部件，且所述固定部件相对于所述旋转运动单元的转轴作旋转运动，所述固定部件一端可固定在所述驱动机构的外侧，另一端与所述第一转向齿轮连接。

其中，所述第一转向齿轮和第二转向齿轮为相配合的锥齿轮。

其中，所述旋转运动单元包括旋转轴和电机，所述旋转轴与所述电机的转轴连接，所述箱体固定在所述旋转轴上。

其中，在所述直线运动单元的运动方向上设有连接杆，所述连接杆的一端自所述箱体内伸出，用于连接被驱动部件，在所述连接杆上且位于所述箱体的内侧和外侧各设有一阻挡部，并在所述阻挡部与所述箱体之间设有用于消除反向运动时的冲击的缓冲部件。

其中，所述缓冲部件为弹簧或橡胶垫。

本发明还提供一种磁控溅射设备，包括工艺腔室、靶材、磁控管以及驱动机构，靶材设置在工艺腔室的顶部，磁控管设置在靶材上方，并在驱动机构的驱动下在靶材表面运动，其中，所述驱动机构采用了本发明提供的上述用以驱动磁控管的驱动机构。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构，在第一齿轮的外周缘设有第一啮合部和第一非啮合部，在第二齿轮的外周缘设有第二啮合部和第二非啮合部，而且，在第一齿条与第一啮合部啮合时，第二齿条处于第二非啮合部位置处；在第二齿条与第二啮合部啮合时，第一齿条处于第一非啮合部位置处，这使第一齿轮和第一齿条的啮合与第二齿轮和第二齿条的啮合交错进行，从而使第一驱动轮与第二驱动轮交错地驱动被驱动部件作直线运动，这样旋转运动单元在向一个方向旋转的同时即可使直线运动单元实现往复直线运动，从而可以提高驱动机构的使用寿命。

本发明提供的磁控溅射设备，其采用本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构，在旋转运动单元向一个方向旋转的同时即可使直线运动单元实现往复直线运动，从而可以提高驱动机构的使用寿命，进而可以减少维护驱动机构的时间，提高磁控溅射设备的使用率。

附图说明

图1为典型的磁控溅射设备的结构原理图；

图2a为现有磁控管驱动机构的结构示意图；

图2b为现有的磁控管驱动机构驱动磁控管的运行轨迹图；

图3为磁控管单向扫描的运行轨迹示意图；

图4a为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构的主视图；

图4b为沿图4a中A-A线的剖面图；

图4c为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构的后视图；

图4d为沿图4a中D-D线的剖面图；

图4e为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构中磁控管位于靶材边缘位置时的主视图；以及

图4f为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构中磁控管位于靶材中心位置时的主视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构以及磁控溅射设备进行详细描述。

图4a为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构的主视图。图4b为沿图4a中A-A线的剖面图。图4c为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构的后视图。图4d为沿图4a中D-D线的剖面图。请一并参阅图4a、图4b、图4c和图4d，用于驱动磁控管的驱动机构包括旋转运动单元、箱体21、传动单元以及直线运动单元。其中，旋转运动单元用于驱动诸如磁控管等被驱动部件作旋转运动；直线运动单元用于驱动诸如磁控管等被驱动部件作直线运动；传动单元用以使直线运动单元与旋转运动单元协调运动。而且，直线运动单元和传动单元设置在箱体21内，并在旋转运动单元的带动下，箱体21、直线运动单元和传动单元绕旋转运动单元的转轴作旋转运动。

旋转运动单元包括电机(图中未示出)和旋转轴11，旋转轴11的上端与电机的转轴连接，其下端自位于箱体21顶部的通孔延伸至箱体21的底部，并与箱体21的底部连接。在电机的驱动下，箱体21绕旋转轴11作旋转运动，同时使设置在箱体21内部的直线运动单元和传动单元以旋转轴11为中心作旋转运动。

传动单元包括固定轴37、转向传动轴31、第一锥齿轮32、第二锥齿轮33、第一驱动轮34、第二驱动轮35以及反向齿轮36。其中，固定轴37套置在旋转轴11的外侧，而且其上端固定在驱动机构外侧的安装支架(图中未示出)上，以使固定轴37可相对于旋转轴11作旋转运动。

第一锥齿轮32与固定轴37的下端固定连接。不难理解，第一锥齿轮32可相对于旋转轴11作旋转运动。

转向传动轴31的一端固定在箱体21的内壁上，且转向传动轴31的轴线与第一锥齿轮32的轴线垂直。第二锥齿轮33、第一驱动轮34以及第二驱动轮35设置在转向传动轴31上，而且，第二驱动轮35、第一驱动轮34以及第二锥齿轮33自箱体21的内壁到转向传动轴31的自由端依次排列设置。第二锥齿轮33与第一锥齿轮32相互啮合，并将第一锥齿轮32获得的动力传递转向传动轴31。在转向传动轴31的带动下，第一驱动轮34和第二驱动轮35同步转动。这样，借助第一锥齿轮32和第二锥齿轮33使第一驱动轮34和第二驱动轮35的转动方向与电机的转动方向垂直。反向齿轮36固定在箱体21内壁的转轴(图中未示出)上，并与第二驱动轮35啮合。

直线运动单元包括第一齿轮43、第二齿轮44、第一齿条41以及第二齿条42。其中，第一齿条41与第二齿条42平行设置，并通过焊接等方式固定在一起。磁控管100通过连接杆51与第一齿条41和第二齿条42的一端连接。

第一齿轮43和第二齿轮44通过固定在箱体21内壁的支撑轴(图中未示出)支撑，且第一齿轮43与第一齿条41和第一驱动轮34啮合，第二齿轮44与第二齿条42和反向齿轮36啮合，从而使第一齿轮43和第二齿轮44作相反的旋转运动。

而且，在第一齿轮43的外周缘设有第一啮合部431和第一非啮合部432，在第二齿轮44的外周缘设有第二啮合部441和第二非啮合部442。当第一齿条41与第一齿轮43的第一啮合部431啮合时，第二齿条42处于第二齿轮44的第二非啮合部442位置；当第二齿条42与第二齿轮44的第二啮合部441啮合时，第一齿条41处于第一齿轮43的第一非啮合部432位置，即使第一齿轮43和第一齿条41的啮合与第二齿轮44和第二齿条42的啮合交错进行。这样，在旋转方向相反的第一齿轮43和第二齿轮44的驱动下，第一齿条41和第二齿条42作往复的直线运动。本实施例旋转轴11在向一个方向旋转的同时即可使磁控管100作往复的直线运动，避免了电机在反复的正转和反转之间的转换，这不仅可以提高电机的使用寿命，而且可以减少齿轮之间的碰撞，从而提高旋转运动单元、传动单元以及直线运动单元的使用寿命。

本实施例中，第一非啮合部432在第一齿轮43的轴向方向的宽度B2小于第一齿轮43的齿宽B1，这样在第二齿条42与第二齿轮44处于非啮合状态时，可以确保第一齿轮43与第一齿条41啮合。类似地，第二非啮合部442在第二齿轮44的轴向方向的宽度B4小于第二齿轮44的齿宽B3，这样在第一齿条41与第一齿轮43处于非啮合状态时，可以确保第二齿轮44与第二齿条42啮合，从而可以提高直线运动单元运行的可靠性。

图4e为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构中磁控管位于靶材边缘位置时的主视图。图4f为本发明实施例用于驱动磁控管的驱动机构中磁控管位于靶材中心位置时的主视图。请一并参阅图4e和图4f，本实施例中，连接杆51自箱体21内伸出，其一端与第一齿条41和第二齿条42的端部连接，另一端固定被驱动部件100。在接近连接杆51的两个端部分别套设有第一阻挡环511和第二阻挡环512，在第一阻挡环511与箱体21的内壁之间设有第一弹簧52，在第二阻挡环512与箱体21的外壁之间设有第二弹簧53。当磁控管100由靶材中心扫描至靶材边缘时，直线运动单元受到第一弹簧52的弹性作用；当磁控管100由靶材边缘扫描至靶材中心时，直线运动单元受到第二弹簧53的弹性作用，这可以减小、甚至消除直线运动单元在反向运动时的冲击，从而可以减少驱动机构中断轴或断齿等机械故障的发生。可以理解，第一弹簧52和第二弹簧53也可以采用橡胶垫等其他具有缓冲作用的部件代替。

需要说明的是，本实施例中，传动单元是借助第一锥齿轮32和第二锥齿轮33将旋转方向自旋转轴11的轴线方向转换为转向传动轴31的轴线方向，但在实际应用中，还可以采用如涡轮和蜗杆等其他转向部件来进行旋转方向的转换，同样可以达到本发明的目的。

还需要说明的是，本实施例中，第一齿条41与第二齿条42是通过焊接等方式连接在一起，但本发明并不局限于此。第一齿条41与第二齿条42也可以设计为一体结构，这样可以简化直线运动单元的装配过程。

本实施例提供的用于驱动磁控管的驱动机构，其直线运动机构采用这样的结构，即，在第一齿轮的外周缘设有第一啮合部和第一非啮合部，在第二齿轮的外周缘设有第二啮合部和第二非啮合部，而且，在第一齿条与第一啮合部啮合时，第二齿条处于第二非啮合部位置处；在第二齿条与第二啮合部啮合时，第一齿条处于第一非啮合部位置处，从而使第一齿轮和第一齿条的啮合与第二齿轮和第二齿条的啮合交错进行，进而使第一驱动轮与第二驱动轮交错地驱动被驱动部件直线运动，因此旋转运动单元在向一个方向旋转的同时即可使直线运动单元实现往复直线运动，从而提高驱动机构的使用寿命。

本实施例提供一种磁控溅射设备，包括工艺腔室、靶材、磁控管以及驱动机构。其中，靶材设置在工艺腔室的顶部，磁控管设置在靶材上方，并在驱动机构的驱动下在靶材表面运动，用于在磁控溅射工艺中对整个靶材表面进行磁场扫描，而且驱动机构采用本实施例提供的用以驱动磁控管的驱动机构。

本实施例提供的磁控溅射设备，其采用本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构，在旋转运动单元在向一个方向旋转的同时即可使直线运动单元实现往复直线运动，从而可以提高驱动机构的使用寿命，进而可以减少维护驱动机构的时间，提高磁控溅射设备的使用率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于驱动磁控管的驱动机构，其包括箱体、旋转运动单元、传动单元以及直线运动单元，其中，

所述直线运动单元和传动单元设置在所述箱体内，并在所述旋转运动单元的带动下，所述箱体、直线运动单元和传动单元绕所述旋转运动单元的转轴作旋转运动；

所述传动单元用以使所述直线运动单元与所述旋转运动单元协调运动；

所述直线运动单元驱动被驱动部件作直线运动；

其特征在于，所述直线运动单元包括：

第一齿条；

第二齿条，其与所述第一齿条平行设置；

第一齿轮，在所述第一齿轮的外周缘设有第一啮合部和第一非啮合部，且所述第一啮合部与所述第一齿条相配合；

第二齿轮，在所述第二齿轮的外周缘设有第二啮合部和第二非啮合部，且所述第二啮合部与所述第二齿条相配合；

所述第一齿轮与所述第二齿轮旋转方向相反，且当所述第一齿条与所述第一齿轮的第一啮合部啮合时，所述第二齿条处于所述第二齿轮的第二非啮合部位置；当所述第二齿条与第二齿轮的所述第二啮合部啮合时，所述第一齿条处于所述第一齿轮的第一非啮合部位置。

2.根据权利要求1所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述第一齿条和所述第二齿条为一体结构。

3.根据权利要求1所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述第一非啮合部在所述第一齿轮的轴向方向的宽度小于所述第一齿轮的齿宽；所述第二非啮合部在所述第二齿轮的轴向方向的宽度小于所述第二齿轮的齿宽。

4.根据权利要求1所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述传动单元包括：

第一转向齿轮，其相对于所述旋转运动单元作旋转运动；

转向传动轴，设置在所述箱体上，且所述转向传动轴与所述第一转向齿轮的轴线垂直；

第二转向齿轮，设置在所述转向传动轴上，所述第二转向齿轮与所述第一转向齿轮相配合；

第一驱动轮，设置在所述转向传动轴上，用于驱动所述第一齿轮旋转；

第二驱动轮，设置在所述转向传动轴上，用于驱动所述第二齿轮旋转；

反向齿轮，设置在所述第二驱动轮与所述第二齿轮之间，以使所述第二齿轮的转向与所述第一齿轮的转向相反。

5.根据权利要求4所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述传动单元还包括固定部件，且所述固定部件相对于所述旋转运动单元的转轴作旋转运动，所述固定部件一端可固定在所述驱动机构的外侧，另一端与所述第一转向齿轮连接。

6.根据权利要求4所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述第一转向齿轮和第二转向齿轮为相配合的锥齿轮。

7.根据权利要求1所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述旋转运动单元包括旋转轴和电机，所述旋转轴与所述电机的转轴连接，所述箱体固定在所述旋转轴上。

8.根据权利要求1所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，在所述直线运动单元的运动方向上设有连接杆，所述连接杆的一端自所述箱体内伸出，用于连接被驱动部件，在所述连接杆上且位于所述箱体的内侧和外侧各设有一阻挡部，并在所述阻挡部与所述箱体之间设有用于消除反向运动时的冲击的缓冲部件。

9.根据权利要求8所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述缓冲部件为弹簧或橡胶垫。

10.一种磁控溅射设备，包括工艺腔室、靶材、磁控管以及驱动机构，靶材设置在工艺腔室的顶部，磁控管设置在靶材上方，并在驱动机构的驱动下在靶材表面运动，其特征在于，所述驱动机构采用权利要求1-9中任意一项所述的用以驱动磁控管的驱动机构。