CN103866250B - 磁控溅射源驱动装置及磁控溅射加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射源驱动装置及磁控溅射加工设备，包括壳体、驱动源和传动单元，壳体与驱动源的转轴固定连接；传动单元设置在壳体内，并分别与驱动源的转轴和磁控溅射源连接；传动单元包括：第一锥齿轮、第二锥齿轮、联动杆和转向组件，第一锥齿轮相对于壳体可自转地套制在所述驱动源的转轴上；联动杆的轴线与驱动源的转轴的轴线相互垂直，第二锥齿轮设置在所述联动杆的一端，且与第一锥齿轮相配合；转向组件包括第一转向件和第二转向件，第一转向件设置在联动杆的另一端；第二转向件与第一转向件相配合，并且第二转向件与磁控溅射源连接。上述磁控溅射源驱动装置，不仅可以使磁控管完全覆盖靶材，还可以提高磁控管的运行轨迹的分布密度。

Description

磁控溅射源驱动装置及磁控溅射加工设备

技术领域

本发明属于等离子体加工设备领域，涉及一种磁控溅射源驱动装置及磁控溅射加工设备。

背景技术

磁控溅射是溅射技术常采用的一种形式。在实际应用中，为了改善溅射效果，在靶材附近设有磁铁，以使等离子体中的电子按照一定的轨道运动，增加电子的运动时间，从而增加电子与气体的碰撞几率，进而获得高密度的等离子体，提供高的沉积速率。另外，磁铁还会控制电子的运行轨道，从而控制不同位置的靶材的侵蚀速率，进而影响靶材的寿命以及薄膜的沉积的均匀性。

图1为典型的磁控溅射加工设备的结构简图。如图1所示，磁控溅射加工设备包括反应腔室11，在反应腔室11的底部设有静电卡盘15，在反应腔室11的顶端与静电卡盘15相对的位置设有靶材12，在靶材12的上方(背面)设有磁控管13，磁控管13在磁控溅射源驱动装置14的驱动下扫描靶材12的表面。借助磁控溅射源驱动装置14驱动磁控管13扫描靶材12的表面，可以利用磁控管13所产生的磁场限制电子的运动范围，并延长电子的运动轨迹，使电子最大幅度的离化原子形成离子，即在单位面积上产生较高的功率密度，这样可以增加金属的离化率，离化的金属在静电卡盘15上加载的电压的吸引下较准确地运动，从而可以提高通孔的填充效果。

图2a为磁控溅射源驱动装置的部分结构示意图。如图2a所示，磁控溅射源驱动装置包括驱动源(图中未示出)、转轴20、传动机构、第一连接板24、第二连接板25、磁控管26、第一配重27和第二配重28。其中，传动机构包括沿转轴20的径向依次啮合的第一齿轮21、第二齿轮22和第三齿轮23；第一连接板24通过第一齿轮21与转轴20连接；第二连接板25与第三齿轮23的轴心连接，并以第三齿轮23的轴心为中心旋转；第二连接板25和第二配重28分别设置在第一连接板24的两端；磁控管26和第一配重27分别设置在第二连接板25的两端。当驱动源驱动转轴20旋转时，第一齿轮21、第二齿轮22和第三齿轮23以转轴20为中心进行公转，与此同时，第二齿轮22和第三齿轮23在第一齿轮21的带动下分别绕各自的中心轴自转，从而带动磁控管26在绕转轴20公转的同时以第三齿轮23的中心轴为转轴自转，进而使磁控管26在靶材的上表面扫描。假设第一齿轮21、第二齿轮22和第三齿轮23的齿数分别为Z1、Z2和Z3、转轴20与第三齿轮23之间的中心距为R1、第三齿轮23与磁控管26之间的中心距为R2以及磁控管26的运行周期为T，通过计算可知：上述传动机构的传动比i＝Z3/Z1；磁控管26的运行周期T＝Z3。

在实际应用中，由于上述传动机构中各齿轮的齿数的设计是针对所使用的靶材尺寸，并基于齿轮自身强度以及传动稳定性而确定的，因而各齿轮的齿数是一个固定不变的数值或范围，而各齿轮的齿数直接或间接决定了转轴20与第三齿轮23之间的中心距R1、第三齿轮23与磁控管26之间的中心距为R2、传动比i以及磁控管26的运行周期T这些参数的数值，这使得上述磁控溅射源驱动装置不可避免地存在以下问题：

其一，由于转轴20与第三齿轮23之间的中心距R1以及第三齿轮23与磁控管26之间的中心距R2的数值因各齿轮的齿数固定不变或可调范围较小而受到了限制，导致在磁控管26的运行轨迹无法完全覆盖靶材上表面，尤其是靶材上表面的边缘和中心处时，上述磁控溅射源驱动装置无法对磁控管26的运行轨迹进行调节，从而造成磁控管26的运行轨迹覆盖靶材上表面的均匀性较低，靶材的利用率较低；而且，由于上述磁控溅射源驱动装置只能应用在尺寸与之匹配的靶材上，应用范围较小。

其二，如图2b所示，为在图2a中磁控溅射源驱动装置的驱动下磁控管中心的运行轨迹坐标图。由图可知，由于磁控管26的运行周期T较短(T＝Z3)，换言之，磁控管26的运行轨迹的分布密度较低，这使得在靶材上表面上与磁控管26的运行轨迹重叠的区域的腐蚀速率较快，而其它区域的腐蚀速率较慢，从而导致靶材的利用率较低。

发明内容

为至少解决上述问题之一，本发明提供一种磁控溅射源驱动装置及磁控溅射加工设备，其不仅可以使磁控管完全覆盖靶材，而且还可以提高磁控管的运行轨迹的分布密度。

为实现本发明的目的而提供一种磁控溅射源驱动装置，包括壳体、驱动源和传动单元，其中，所述壳体与所述驱动源的转轴固定连接；所述传动单元设置在所述壳体内，并分别与所述驱动源的转轴和磁控溅射源连接；在所述驱动源的驱动下，所述壳体、传动单元和磁控溅射源绕所述驱动源的转轴作旋转运动，同时，所述磁控溅射源在所述传动单元的带动下作旋转运动；所述传动单元包括：第一锥齿轮、第二锥齿轮、联动杆和转向组件，其中，所述第一锥齿轮相对于所述壳体可自转地套制在所述驱动源的转轴上；所述联动杆的轴线与所述驱动源的转轴的轴线相互垂直，所述第二锥齿轮设置在所述联动杆的一端，且与所述第一锥齿轮相配合；所述转向组件包括第一转向件和第二转向件，其中，所述第一转向件设置在所述联动杆的另一端；所述第二转向件与所述第一转向件相配合，并且所述第二转向件与所述磁控溅射源连接。

其中，所述传动单元还包括从动轴，所述从动轴位于所述壳体内，且可自转地与所述壳体连接，并且所述从动轴的一端延伸至所述壳体的外部且与所述磁控溅射源固定连接；所述第二转向部件设置在所述从动轴上，且与所述第一转向件相配合；所述从动轴的轴线与所述联动杆的轴线相互垂直。

其中，所述第一转向部件和第二转向部件分别为相互配合的第三锥齿轮和第四锥齿轮。

其中，所述第一转向部件和第二转向部件分别为相互配合的蜗杆和蜗轮，并且所述蜗杆的轴线与所述联动杆的轴线重合。

其中，所述蜗杆与所述联动杆采用连为一体或焊接的方式固定连接。

其中，所述驱动源包括电缸、气缸或液压驱动。

其中，所述从动轴的一端设置有第一连接板和第一配重，其中，所述第一连接板的靠近中心的位置与所述从动轴延伸至所述壳体的外部的一端固定连接，并且所述第一连接板的两端分别与所述磁控溅射源和所述第一配重固定连接；所述第一配重用于平衡所述从动轴在其径向方向上的力矩。

其中，所述磁控溅射源驱动装置还包括第二连接板和第二配重，其中，所述第二配重借助所述第二连接板与所述壳体固定连接，用以平衡所述驱动源的转轴在其径向方向上的力矩。

其中，所述磁控溅射源和所述从动轴之间的中心距与所述磁控溅射源的半径之和不小于所述从动轴和所述驱动源的转轴之间的中心距。

本发明还提供一种磁控溅射加工设备，包括工艺腔室、靶材、磁控溅射源以及磁控溅射源驱动装置，靶材设置在工艺腔室的顶部，磁控溅射源设置在靶材上方，并在磁控溅射源驱动装置的驱动下在靶材表面运动，其特征在于，所述磁控溅射源驱动装置采用了本发明提供的上述磁控溅射源驱动装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁控溅射源驱动装置，由于其传动单元采用二级耦合的传动方式，即，借助一对锥齿轮、联动杆以及转向组件来实现带动磁控溅射源作旋转运动，这与现有技术相比，可以延长磁控溅射源的运行周期，即，提高磁控溅射源的运行轨迹的分布密度，从而可以使靶材上表面的各个区域的腐蚀速率趋于均匀，进而可以提高靶材的利用率。

而且，本发明提供的磁控溅射源驱动装置与现有技术相比，由于其联动杆的轴向长度的可调范围较大，因而通过调节联动杆的轴向长度，即，改变磁控溅射源与驱动源的转轴之间的中心距，可以使磁控溅射源的运行轨迹能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大磁控溅射源驱动装置的应用范围。此外，在磁控溅射源的运行轨迹无法完全覆盖靶材上表面，尤其是靶材上表面的边缘和中心处时，通过增加联动杆的轴向长度，可以延长磁控溅射源在靶材上表面的边缘和中心之间扫描的路程，从而使磁控溅射源的运行轨迹完全覆盖靶材上表面，进而可以提高靶材的利用率。

本发明提供的磁控溅射加工设备，其通过采用本发明提供的磁控溅射源驱动装置，不仅可以使磁控管完全覆盖靶材，而且还可以提高磁控管的运行轨迹的分布密度，从而可以提高靶材的利用率。

附图说明

图1为典型的磁控溅射加工设备的结构简图；

图2a为磁控溅射源驱动装置的部分结构示意图；

图2b为在图2a中磁控溅射源驱动装置的驱动下磁控管中心的运行轨迹坐标图；

图3a为本发明第一实施例提供的磁控溅射源驱动装置的剖视图；

图3b为在图3a中磁控溅射源驱动装置的驱动下磁控溅射源中心的运行轨迹坐标图；以及

图4为本发明第二实施例提供的磁控溅射源驱动装置的局部示意图。

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磁控溅射源驱动装置及磁控溅射加工设备进行详细描述。

图3a为本发明第一实施例提供的磁控溅射源驱动装置的剖视图。请参阅图3a，磁控溅射源驱动装置包括壳体32、驱动源(图中未示出)和传动单元。其中，驱动源可以包括电缸、气缸或液压驱动，用以驱动磁控溅射源扫描靶材的上表面；壳体32与驱动源的转轴30固定连接；传动单元设置在壳体32内，并分别与驱动源的转轴30和磁控溅射源39连接，而且，传动单元包括第一锥齿轮33、第二锥齿轮34、联动杆35、转向组件和从动轴43。其中，第一锥齿轮33相对于壳体32可自转地套制在驱动源的转轴30上，在本实施例中，第一锥齿轮33的设置方式具体为，即：第一锥齿轮33套制在转轴30上，且与转轴30间隙配合；并且，在转轴30上还套制有同样与之间隙配合的连接部件31，该连接部件31的下端与第一锥齿轮33固定连接，上端和与壳体32周围的相应部件固定连接的固定部件43固定连接。在驱动源的转轴30旋转时，由于固定部件43相对于转轴30固定不动，因而第一锥齿轮33相对于转轴30固定不动，而且由于壳体32绕转轴30旋转，因而第一锥齿轮33相对于壳体32也固定不动。在实际应用中，固定部件43可以为固定轴承、支架等，连接部件31可以为套环、法兰等。

联动杆35的轴线与驱动源的转轴30的轴线相互垂直，并且第二锥齿轮34设置在联动杆35的一端(即，图3a中联动杆35的右端)，且与第一锥齿轮33相配合；转向组件包括第一转向件和第二转向件，在本实施例中，第一转向件和第二转向件分别为相互配合的第三锥齿轮36和第四锥齿轮37，第三锥齿轮36设置在联动杆35的另一端(即，图3a中联动杆35的左端)。

从动轴43位于壳体32内，且可自转地与壳体32连接，并且从动轴43的轴线与联动杆35的轴线相互垂直。而且，从动轴43的一端延伸至壳体32的外部(即，图3a中从动轴43的下端伸出壳体32)且与磁控溅射源39固定连接；第四锥齿轮37设置在从动轴43上，且与第三锥齿轮36相配合。

在驱动源的驱动下，壳体32、传动单元和磁控溅射源39绕驱动源的转轴30作旋转运动，同时，磁控溅射源39在传动单元的带动下绕从动轴43作旋转运动。下述为传动单元带动磁控溅射源39绕从动轴43作旋转运动的具体传动过程，具体地，在驱动源的转轴30旋转时，壳体32绕转轴30作旋转运动，从而第二锥齿轮34、联动杆35、第三锥齿轮36、第四锥齿轮37、从动轴43和磁控溅射源39随壳体32的旋转而同样绕转轴30作旋转运动；与此同时，由于第一锥齿轮33相对于壳体32固定不动，因而第二锥齿轮34和与之相配合的第一锥齿轮33产生相对旋转，即，第二锥齿轮34绕联动杆35的轴线作旋转运动；联动杆35和第三锥齿轮36随第二锥齿轮34的旋转而自转；第三锥齿轮36带动与之相配合的第四锥齿轮37绕从动轴43作旋转运动；从动轴43随第四锥齿轮37的旋转而自转，从而带动磁控溅射源39绕从动轴43作旋转运动。

由此可知，磁控溅射源39借助本实施例提供的磁控溅射源驱动装置，可以在实现绕驱动源的转轴30作旋转运动(相当于公转)的同时，实现绕从动轴43作旋转运动(相当于自转)。磁控溅射源39的中心在靶材上表面的运行轨迹如图3b所示，由图可知，本实施例提供的磁控溅射源驱动装置与现有技术相比，其带动磁控溅射源39扫描靶材的运行轨迹的分布密度较高，其原因在于：本实施例提供的磁控溅射源驱动装置的传动单元采用二级耦合的传动方式，即，借助两对锥齿轮和联动杆来实现带动磁控溅射源作旋转运动。通过计算可知，在采用本实施例提供的磁控溅射源驱动装置带动磁控溅射源39扫描靶材时，磁控溅射源39的运行周期为第二锥齿轮34的齿数与第四锥齿轮37的齿数的乘积，而就现有技术而言，其仅采用一级耦合的传动方式，即，借助三个依次啮合的直齿轮来实现带动磁控溅射源作旋转运动，通过计算可知，采用现有技术的磁控溅射源驱动装置带动磁控溅射源扫描靶材时，磁控溅射源的运行周期为与磁控溅射源连接的齿轮的齿数，且该齿轮的齿数还会因靶材尺寸，齿轮自身强度以及传动稳定性等因素而受到限制。因此，本实施例提供的磁控溅射源驱动装置，其传动单元通过二级耦合的传动方式，可以延长磁控溅射源39的运行周期，以提高磁控溅射源的运行轨迹的分布密度，从而可以使靶材上表面的各个区域的腐蚀速率趋于均匀，进而可以提高靶材的利用率。

而且，本实施例提供的磁控溅射源驱动装置与现有技术相比，由于其联动杆的轴向长度的可调范围较大，因而通过调节联动杆的轴向长度，即，改变从动轴43与驱动源的转轴30之间的中心距R3，可以使磁控溅射源39的运行轨迹能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大磁控溅射源驱动装置的应用范围。此外，在磁控溅射源的运行轨迹无法完全覆盖靶材上表面，尤其是靶材上表面的边缘和中心处时，通过增加联动杆的轴向长度，可以延长磁控溅射源在靶材上表面的边缘和中心之间扫描的路程，从而使磁控溅射源的运行轨迹完全覆盖靶材上表面，进而可以提高靶材的利用率。

另外，在磁控溅射源的运行轨迹无法覆盖靶材上表面的边缘和中心处时，靶材上表面的边缘和中心处会相对于其它位置形成凸部，该凸部容易掉落颗粒，导致位于其下方的被加工工件被污染，为此，可以使磁控溅射源39和从动轴43之间的中心距R1与磁控溅射源39的半径R2之和不小于从动轴43和驱动源的转轴30之间的中心距R3，从而使磁控溅射源39能够经过转轴30的轴心，进而使磁控溅射源39能够扫描靶材上表面的中心处。此外，可以根据具体情况适当调整从动轴43和驱动源的转轴30之间的中心距R3以及磁控溅射源39和从动轴43之间的中心距R1，以在保证磁控溅射源39能够扫描靶材上表面的中心处的同时，使磁控溅射源39能够尽量扫描至靶材上表面的边缘处，从而不仅可以避免靶材上表面的边缘和中心处形成凸部，导致掉落颗粒而污染被加工工件的问题，而且还可以提高靶材的利用率。

在本实施例中，从动轴43的一端设置有第一连接板38和第一配重40。其中，第一连接板38的靠近中心的位置与从动轴43延伸至壳体的外部的一端固定连接，并且第一连接板38的两端分别与磁控溅射源39和第一配重40固定连接；第一配重40用于平衡从动轴43在其径向方向上的力矩。

在本实施例中，磁控溅射源驱动装置39还包括第二连接板41和第二配重42。其中，第二配重42借助第二连接板41与壳体32固定连接，用以平衡驱动源的转轴30在其径向方向上的力矩。

图4为本发明第二实施例提供的磁控溅射源驱动装置的局部示意图。请参阅图4，本发明第二实施例提供的磁控溅射源驱动装置，其同样包括壳体32、驱动源和传动单元。由于壳体32、驱动源和传动单元的结构和功能在第一实施例中已有了详细的描述，在此不再赘述。下面仅对本实施例与第一实施例的不同点进行描述。

具体地，在本实施例中，转向组件分别为相互配合的蜗杆50和蜗轮51，并且蜗杆50的轴线与联动杆35的轴线重合。而且，蜗杆50与联动杆35采用连为一体或焊接的方式固定连接。蜗杆50和蜗轮51同样可以与第一锥齿轮33和第二锥齿轮34组合实现二级耦合的传动方式，从而延长磁控溅射源39的运行周期，以提高磁控溅射源的运行轨迹的分布密度，进而可以使靶材上表面的各个区域的腐蚀速率趋于均匀，提高靶材的利用率。

综上所述，本实施例提供的磁控溅射源驱动装置，由于其传动单元采用二级耦合的传动方式，即，借助一对锥齿轮、联动杆以及转向组件来实现带动磁控溅射源作旋转运动，这与现有技术相比，可以延长磁控溅射源的运行周期，即，提高磁控溅射源的运行轨迹的分布密度，从而可以使靶材上表面的各个区域的腐蚀速率趋于均匀，进而可以提高靶材的利用率。

此外，本发明还提供一种磁控溅射加工设备，包括工艺腔室、靶材、磁控溅射源以及磁控溅射源驱动装置，靶材设置在工艺腔室的顶部，磁控溅射源设置在靶材上方，并在磁控溅射源驱动装置的驱动下在靶材表面运动；磁控溅射源驱动装置采用本实施例提供的上述磁控溅射源驱动装置。

本实施例提供的磁控溅射加工设备，其通过采用本实施例提供的磁控溅射源驱动装置，不仅可以使磁控管完全覆盖靶材，而且还可以提高磁控管的运行轨迹的分布密度，从而可以提高靶材的利用率。

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 (9)

1.一种磁控溅射源驱动装置，包括壳体、驱动源和传动单元，其中，所述壳体与所述驱动源的转轴固定连接；所述传动单元设置在所述壳体内，并分别与所述驱动源的转轴和磁控溅射源连接；在所述驱动源的驱动下，所述壳体、传动单元和磁控溅射源绕所述驱动源的转轴作旋转运动，同时，所述磁控溅射源在所述传动单元的带动下作旋转运动；其特征在于，

所述传动单元包括：第一锥齿轮、第二锥齿轮、联动杆和转向组件，其中

所述第一锥齿轮相对于所述壳体可自转地套制在所述驱动源的转轴上；

所述联动杆的轴线与所述驱动源的转轴的轴线相互垂直，所述第二锥齿轮设置在所述联动杆的一端，且与所述第一锥齿轮相配合；

所述转向组件包括第一转向件和第二转向件，其中，所述第一转向件设置在所述联动杆的另一端；所述第二转向件与所述第一转向件相配合，并且所述第二转向件与所述磁控溅射源连接；

所述传动单元还包括从动轴，所述从动轴位于所述壳体内，且可自转地与所述壳体连接，并且所述从动轴的一端延伸至所述壳体的外部且与所述磁控溅射源固定连接；

所述第二转向部件设置在所述从动轴上，且与所述第一转向件相配合；

所述从动轴的轴线与所述联动杆的轴线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述第一转向部件和第二转向部件分别为相互配合的第三锥齿轮和第四锥齿轮。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述第一转向部件和第二转向部件分别为相互配合的蜗杆和蜗轮，并且

所述蜗杆的轴线与所述联动杆的轴线重合。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述蜗杆与所述联动杆采用连为一体或焊接的方式固定连接。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述驱动源包括电缸、气缸或液压驱动。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述从动轴的一端设置有第一连接板和第一配重，其中

所述第一连接板的靠近中心的位置与所述从动轴延伸至所述壳体的外部的一端固定连接，并且所述第一连接板的两端分别与所述磁控溅射源和所述第一配重固定连接；

所述第一配重用于平衡所述从动轴在其径向方向上的力矩。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述磁控溅射源驱动装置还包括第二连接板和第二配重，其中

所述第二配重借助所述第二连接板与所述壳体固定连接，用以平衡所述驱动源的转轴在其径向方向上的力矩。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射源驱动装置，其特征在于，所述磁控溅射源和所述从动轴之间的中心距与所述磁控溅射源的半径之和不小于所述从动轴和所述驱动源的转轴之间的中心距。

9.一种磁控溅射加工设备，包括工艺腔室、靶材、磁控溅射源以及磁控溅射源驱动装置，靶材设置在工艺腔室的顶部，磁控溅射源设置在靶材上方，并在磁控溅射源驱动装置的驱动下在靶材表面运动，其特征在于，所述磁控溅射源驱动装置采用权利要求1-8中任意一项所述的磁控溅射源驱动装置。