CN103119194A - 用来收集和回收沉积材料的薄膜沉积设备的栅板系统 - Google Patents

Abstract

在薄膜沉积设备中对材料进行收集回收的装置，特征在于元件（3）能截获在沉积过程中材料的浪费部分。这些元件：布置在各模块（1、5）中，根据沉积腔室的形状可组合成多种构造；依据待回收的材料，由于机电驱动器（4）、机械传动系统（6、10、15a、15b）、在驱动器（4）与沉积过程的软件/面板控制器间的电子接口（9）而回转从而使元件转动自动化；是可拆除的；能与所收集材料分离。这些元件具体地可以是栅板（3），竖向设置在每一模块（1、5）中，由复合材料制成，该材料特征是金属材料或氧化铝（两者都适于超高真空条件）的芯部、和两个表面聚合物层，表面聚合物层对所选芯部具有低粘着力因此能被容易地去除，同时耐受沉积腔室的温度-压力条件。

Description

用来收集和回收沉积材料的薄膜沉积设备的栅板系统

本发明的主题是一种系统，该系统包括栅板，用于在薄膜沉积过程（特别是利用真空腔室的那些过程）中的金属的收集和回收。

在现有技术状态下知道的是，尚不存在能够回收在金属薄膜沉积过程中在真空腔室内部采用的材料的系统，无论使用的具体沉积工艺如何。

在用于一定材料（在下文中：靶材料）的薄膜到基片表面（在下文中：样本表面）的‘物理沉积’工艺中，我们将基本上区分和提到：

1）热蒸发；

2）电子束蒸发；

3）溅射；

4）电弧蒸汽沉积；

5）离子镀。

基本原理始终是相同的：使待沉积的靶材料的粒子能够从松散材料的表面以原子方式逃逸，扩散过腔室，并到达样本表面。一旦在那里，它们就凝结形成希望的膜。

热和电子束蒸发取决于材料的汽化，该材料的汽化通过将它在高温下加热而得到。在它们中的唯一差别是，为加热在‘坩锅’中的松散‘源’使用的系统：在第一情况下是焦耳效应，而在第二情况下是高能电子束。

在这些技术中，高真空腔室（10^-5-10^-9乇）的存在是决定性的，以便得到用于沉积膜的良好质量。

此外，有三个因素，这三个因素要求这些腔室通常要比在沉积过程中使用的样本的尺寸大得多（就是说，腔室的高度是‘h’，并且其宽度是‘L’）：

1）必须有足够的空间，以便包含沉积设备的基本特征，像活门、到抽真空系统的进口、沉积质量分析仪、等等；

2）应该避免样本区的加热；

3）蒸发膜的均匀性随着涉及的样本表面（比方说其宽度是‘l’）变大而变坏。

因此，并不罕见的是，在真空腔室内部表面与样本的表面之间的巨大比值的使用（比方说：h、L>>l）。

是蒸发技术的基础的物理现象是内在无定向过程，由于发射原子在方向上的分布遵循n次方余弦定律，该n次方余弦定律是模型余弦定律的实验归纳：

其中，M_s/A_s是每单位表面的沉积膜质量，□,θ是特征化在空间中的发射方向的角，并且r是离靶的距离。

这意味着，我们正在处理总蒸发通量的重要百分比，该总蒸发通量沉积在远离样本并且不属于它的腔室的内表面上。

在溅射沉积中，原子因为离子起到在靶表面上的‘轰击粒子’的作用而发射。发射的原子在发射中仍然具有余弦分布，而不管（在第一近似中）轰击粒子的入射角如何。

在电弧-蒸汽技术中，与上述不同地，离子从靶发射，并且它们利用电压偏置表面（起到加速器的作用）或借助于磁场的组合作用，可被选择性地驱动向感兴趣区。

最后，离子镀仅因为它发生的等离子环境，与以前考虑的情形不同，所以不需要进一步的考虑。

我们现在进一步讨论真空腔室的特性。这些腔室通常是不锈钢的，并且具有简单形状：

●矩形；

●钟罩形；

●D形；

●圆柱形。

另一个可变元素是对于腔室的接近途径。D形和钟罩形腔室在横向结构上总是具有孔眼，而矩形和圆柱形腔室在腔室本身的顶部上也可具有这种孔眼窗口。

样本通常安装在腔室的顶部上。活门系统，如果需要的话，提供防止沉积材料的通量与样本区相接触的隔板。当不使用时，这块屏板通常设置在靠近顶部的分离区中。

在至此描述的过程种类中使用的仪器一般非常坚固，并且仅需要很少的维护过程。具体地说，因为危险/有害物质对于腔室的污染，腔室的清理是少有的并且不准确的工作，这种工作如果不是严格地需要，通常要避免。

所有沉积过程的主要缺点显然地是如下事实：给定沉积腔室的具体几何形状、样本的很小（比较小）尺寸、其远离源的位置、及将靶原子束单独聚焦到样本上的困难，发射的材料的最大部分将穿过腔室扩散，并且沉积在内表面上，在那些完全不需要它的区中。一般地，金属-金属界面具有良好粘着特性。因此在各种过程和设备的整个寿命期间在腔室的钢壁上偶然沉积的金属将被浪费掉，因为形成若干重叠的薄层（约0.1至5μm厚），这些重叠的薄层彼此之间很高程度地粘着。

此刻，没有专用维护过程存在——该专用维护过程作为用于蒸发器/溅射器的腔室的例行程序，以便调整高浪费比值，回收在不期望的表面上内部沉积的材料。对于这样一种缺失，有多于一种解释：

1）在现有技术状态下，内部腔室壁的人工‘刮削’过程很困难，该过程要求很长时间；

2）在这种清理过程期间，设备不能使用；

3）将壁刮削使腔室在它可再次适当地使用之前的‘重新调整’不可避免；

4）这些清理过程的结果是不同的、精细地混合的材料的粉尘，这些材料应该随后通过准确的化学分离而回收。

结论是，沉积设备的拥有者通常等待机器寿命（甚至大于10年）的终了，并且最终将它们卖给专门在废金属回收领域中的公司。

为了解决以上描述的问题，本发明的目的在于，通过将一种机电系统插入在沉积设备的真空腔室内，收集、收回并选择源自于金属沉积过程（具体地涉及蒸发和溅射技术）的废料。

系统按模块式方案设计，以便适应可买到的蒸发器-溅射器的不同类型真空腔室。系统允许很高百分比的废料的回收（同样特别是对于蒸发和溅射），并且其处于两种不同类型的差别，使除去在真空腔室中沉积的有害层更为容易。

借助于上述系统的采用，一种靶材料的回收成为简单的例行操作。这对于已经处于小规模的Au、Ag及其它贵金属的回收是方便的和有效益的，并且对于大规模而言，人们会想起Al，该Al单独构成沉积过程的90%，并且与腔室的壁的Fe具有良好粘着力。

这些和其它益处将由本发明的详细描述而更为显明，本发明的详细描述将参考从1/3至3/3的一些说明性图表，在这些图表中，有本发明的优选实现方式的例子，这些例子决不应被理解成是穷举式的。

具体地说，我们将处理的模块式系统包括如下元件：

1）‘驱动器模块’（1），安装在水平支承板（2）上，并且带有电动引擎（4），该水平支承板（2）容纳一排矩形直立栅板（3）；

2）“简单模块”（5），也基于水平支承板（2）（该水平支承板（2）容纳一排矩形直立栅板（3）），由驱动器模块（1）通过传动系统（6）连接和致动；

3）在各个模块中的竖向连接结构（可行的、但不是严格必需的），包括管状框架（7）、和一系列接头（8），该管状框架（7）连接各个模块的不同水平支承板（2），该一系列接头（8）允许模块的优选定向适应，并且防止在室中的任何现有传感器的隐藏；

4）电子接口（9），在致动引擎（4）与沉积设备的控制软件/面板之间，该电子接口（9）根据不同的待蒸发材料而使栅板（3）的转动自动化。

在一种基本示范构造中，单个模块-不管是“驱动器”（1）模块还是“简单”模块（5）-具体地包括：

a）固定水平支承板（2），沿着板本身成一排地带有两种不同类型的壳体，第一类型的壳体在顶部处，呈现为管状侵入物的形式，可以包括螺旋弹簧，在该第一类型的壳体中，齿轮（10）枢转，第二类型的壳体在底部处，以在有按多排重叠的多个模块的情况下，容纳悬挂系统（11），该悬挂系统（11）能够承受下方一排的元件（具体地说12a）；

b）一排矩形栅板（3），沿着支承板（2）呈竖向地布置，其叶片能够通过沿着在U形导轨（12a、12b）中的短边滑动而被插入和拆除，这些U形导轨（12a、12b）本身带有管状插入物（13a、13b），这些管状插入物（13a、13b）设置在一侧上，该侧与叶片（3）滑动的那一侧相对；底部导轨的插入物（13b）刚性地连接到齿轮（10）上，该齿轮（10）在板（2）中枢转；上部插入物（13a）刚性地连接到盘（14）或弹簧上（依据悬挂系统的类型），该盘（14）或弹簧容纳在板（2）内，但自由地转动，因为它们事实上插入到一种凹入式空间（niche）中，该凹入式空间对应地是盘形的或管状的，并且在板中的适当凹槽（groove）有利于进行插入；

c）上部传动带（15a-可省略）和下部传动带（15a），在它们中连接轮（10），这些轮（10）分排布置，其中，上部传动带（15a）与联接齿轮（6）相平行，该联接齿轮（6）与在与最邻近模块相邻的模块的每个端部处的最后齿轮重叠；联接齿轮（6）将运动传递到最邻近模块的联接齿轮（6）。

与简单模块（5）相比，引擎模块（1）的特征在于，在各槽沟之一中插入引擎级（4），这些槽沟将栅板（3）容纳在简单模块（5）中。这个引擎级（4）包括电动引擎（16）、皮带轮（17）及运动传递系统（6、10、15a、15b）。具体地说，引擎级（4）通过传动机构，像用于同一引擎模块（1）的其它槽沟的传动带（15a、15b），并且借助于用于邻近的简单模块（5）的齿轮机构（6），允许栅板（3）转动。

叶片（3）可安装在导轨（12a、12b）的凹槽中，这些导轨（12a、12b）通过滑动而被容易地安装在水平板（2）上。上部托架（12a）可沿叶片（3）滑动，或者也是它的一部分。在第一种情况下，上部托架（12a）的悬挂系统（11）是必要的，在第二种情况下，在水平板（2）内可得到的是简单输入侵入，该简单输入侵入与在下部管状突出（13b）的顶部上的弹簧系统（18）相结合，提供所需的支承，并且允许叶片（3）的拆除。

在本发明的一种最佳实施方式中，叶片（3）由复合材料制成，其特征在于金属或氧化铝的芯部（适于超高真空的条件）、和两个表面聚合物层（聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯），这两个表面聚合物层能被容易地去除（而不是具有对于待回收的材料的低粘着力），但耐受腔室的温度-压力条件。考虑到对于主要使用的靶材料的粘着力，这些聚合物材料的选择可随情况变化。

发明的模块式系统将设置在沉积设备的坩锅与腔室壁之间，排除三个区域：

●其中设置样本的区域，通常在顶部上，当自由表面（不受沉积影响的表面）非常小时可以取消；

●其中布置用于膜的分析和编辑的器具（例如，质量分析仪）的区域，这同样意味着除特殊情况之外，一般在腔室的顶部处；

●允许对于真空腔室接近的开口，设置在结构的顶部上或在其侧表面上。

系统因此通常不安装在真空腔室的顶部上，并且通过使用骨架支承和避免在感兴趣区域中栅板（3）的组装，可使横向窗口是自由的。

作为模块式系统，多种备选构造是可行的，如它在例子中那样，该例子在附属于说明书的图表1/3至3/3中示出。

特别是，在这些图表中：

●图1和2表示基本构造，即驱动器模块（1）/简单模块（5）的组合，具有双重-较高（15a）和底部（15b）-链和联接轮（6），该链和联接轮（6）与顶部链（15a）相平行。

●图3表示一种简化的基本构造，该简化的基本构造仅具有下部链（15b），具有联接轮（6）。按这种方式，可以获得较大空间，以回收金属，而唯一缺点是关于栅板（3）被机械锁止的较高概率。

●图4和5表示总共12个模块（按2排、每排6个模块设置）的可行排列布置，以用在D形真空腔室中。

●图6表示能够保持上部导轨（12a）的悬挂系统（11），并且也表示两个导轨的前视图，该上部导轨（12a）支承单个栅板（3），并且允许其转动，这两个导轨，顶部导轨（12a）和下部导轨（12b），使它们的管状插入物（13a、13b）将它们与对应齿轮（10）相连接；图6表示底部管状插入物（13b）如何带有弹簧系统（18），该弹簧系统（18）起到将栅板（3）保持到位的作用。

●图7表示单个叶片（3）的和如下连接的立体和正交投影：叶片（3）-导轨支承（12a、12b）-管状插入物（13a、13b）-传动轮（10）。

如果接头不是必要的，例如因为室的形状是直的，则可以缩减留在结构的不同‘水平’之间的自由窗口，以实现更高的覆盖率。

可实现的覆盖百分比的粗略说明性计算在图5中进行：对于这种情况，覆盖面积/总面积比值=66%。

我们进一步讨论系统在一种优选实施方式中的工作原理。栅板（3）由电动引擎系统按两个转动步骤驱动，这两个转动步骤允许在沉积过程中截获各种材料，以便这些蒸发的/溅射的材料大部分由叶片（3）收集，而不是凝结在腔室的整个内表面上，包括样本区域。

具体地说，栅板（3）的两个转动步骤允许优先材料（prioritymaterials）（根据分离和再用的容易/方便程度而选择）和其它材料的回收，这些优先材料将按均匀层的形式沉积在一侧（“a侧”）上，其它材料形成几个膜，这些膜堆积在相对侧（“b侧”）上。

在缺少由叶片（3）组成的屏蔽系统的情况下，收集的材料按过程的经济性应该当作废物。

电子接口能够在沉积过程期间，识别何时正在使用靶材料：如果是这样，则面对原子流的叶片（3）的表面将是“a侧”。每当正在沉积不同材料时，转动180°，将“b侧”暴露。

具体地说，这个电子接口（9），在沉积设备的引擎系统（4）与控制系统之间，处理关于使用的材料类型、坩锅的开始时间和终止时间的输入信号。这些信号由如果存在的原有控制系统设备的输出自动地提供，否则它们可由使用者人工地输入，对于关于栅板（3）的结束位置、启动时间及转动速度的其它信息，情况就是这样。

这个接口也产生输出，像用来启动或停止引擎系统（4）的校准和动力信号，并且接收反馈控制，作为栅板的结束位置或引擎系统（4）的操作参数。

为了不“毁坏”真空，全部机械零件都不能润滑，但由于没有快速运动的需要，所以，就使用的靶材料的跟随可能变化而论，充分提前地给出致动转动的命令，就足够了。

传动链（15a、15b），尽管比齿轮系统复杂，但已经是优选的，以减小比值r/l，并因而避免原子通量的影区效应，这在结构的顶部处将会是重要的。

在叶片（3）的‘寿命’的终了处——该终了处随具体情况不同而不同，但对于不是太脆或太薄的沉积金属层足够长——它们可被置换，并且将经历简单的化学蚀刻过程以便除去聚合物层。这导致呈现为平板形式的优先材料的立即回收；如果方便，则为了其它材料的回收，将随后进行更复杂的分离过程。

至此描述的系统的另一个优点是，它可独立地构造，并且然后安装在原有沉积腔室中，根据腔室的形状和希望的覆盖百分比，使用呈现为最适当构造类型的不同模块，或者可选地，系统可在真空腔室的构造过程中已经嵌入。

Claims (12)

1.用于在薄膜沉积设备中对材料进行收集和回收的装置，其特征在于，元件（3）能够截获来自于沉积过程的材料的浪费部分，所述元件：

布置在各个模块（1、5）中，能够根据沉积腔室的形状组合成多种构造；

依据待回收的材料，借助于如下构件而回转：机电驱动器（4）；机械传动系统（6、10、15a、15b）；在驱动器（4）与沉积过程（9）的软件/面板控制器之间的电子接口（9），从而使所述元件的转动自动化；

是可拆除的；

能够与所收集的材料分离。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述元件（3）是沿竖向设置在每个模块（1、5）中的叶片。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述模块（1、5）包括至少一块水平板（2），该至少一块水平板带有如下两种不同种类的壳体：

在上部部分中的第一种壳体，用于管状侵入物，栅板在该上部部分中直接地枢转，或者，刚性地连接到栅板上的齿轮（10）在该上部部分中枢转；

在下部部分中的第二种壳体，在采用多于一排模块的情况下能够容纳悬挂系统（11），该悬挂系统（11）能够保持下方一排模块的栅板（3）。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，被称为驱动器模块（1）的至少一个模块容纳引擎系统（4），该引擎系统启动齿轮（10）的转动，并因此启动连接到所述齿轮上的栅板（3）的定向，所述驱动器模块（1）包括：电动引擎（16）、皮带轮（17）以及作为驱动带（15a、15b）的适当运动传递系统，以直接驱动同一驱动器模块（1）的齿轮（10）、和另外的带齿‘联接’轮（6），该带齿‘联接’轮将运动传递到可以为非驱动轮的类似齿轮（10），所述类似齿轮在同一排的相接续的‘简单’侧模块（5）中。

5.根据权利要求2至4之一所述的装置，其特征在于，栅板（3）能够沿短边缘滑动地插入在U形导轨（12a、12b）中，所述U形导轨带有管状插入物（13a、13b），该管状插入物设置在导轨（12a&b）的一侧上，该侧与栅板（3）滑动的那一侧相对，下部导轨（12b）的插入物（13b）刚性地连接到齿轮（10）上，该齿轮在板（2）上枢转；上部导轨（12a）的插入物（13a）刚性地连接到盘或弹簧（14）上，该盘或弹簧刚性地连接到导轨（12a）上，并且通过插入在对应盘形或管状壳体中而容纳在板（2）内但能够自由地转动，其使用通过在板（2）中的适当凹槽而容易进行。

6.根据权利要求1或3所述的装置，设有各个模块的独立支承和连接系统，由管状框架（7）制成，管状框架连接水平板（2）和对应接头组（8），使得模块（1、5）能够非竖向地定向，并避免安装在沉积腔室中的原有传感器的屏蔽。

7.根据权利要求2至5之一所述的装置，其中，基于高优先性的考虑，栅板（3）——所述栅板在U形导轨（12a、12b）中是可拆除的/可插入的，并且能被驱动器系统致动成不同转动构造——仅在一侧（所述“a侧”）上收集一种材料，并且在另一侧（所述“b侧”）上收集在沉积腔室内常规使用的一组其它材料。

8.根据权利要求2至5及7之一所述的装置，其中，所述栅板（3）由复合材料制成，该复合材料的特征在于，具有金属材料或氧化铝（两者都适于超高真空条件）的芯部、和两个表面聚合物层，这两个表面聚合物层对于所选的芯部具有较低粘着力，并因此能被容易地去除，但同时耐受沉积腔室的温度-压力条件。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述聚合物是聚乙烯醇。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，在驱动器（4）与沉积过程的软件/面板控制器之间的电子接口（9），能够将输入信号作为使用的材料类型、对应的坩锅/器皿的接通和断开时间、以及栅板（3）的结束位置、启动时间及转动速度来处理，如果存在蒸发/溅射设备的控制软件/面板，这些输入信号由蒸发/溅射设备的控制软件/面板自动地产生，如果不存在蒸发/溅射设备的控制软件/面板，则这些输入信号由使用者人工地插入，所述接口（9）也能够产生输出信号，如校准检查和动力信号，以启动/停止引擎，接收引擎系统（4）工作参数和其结束位置作为反馈。

12.沉积腔室，该沉积腔室嵌入有如权利要求1至11中所述的、用于在薄膜沉积过程中对材料进行收集和回收的装置。

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