CN104120390A - 用于驱动磁控管的驱动机构及磁控溅射加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构及磁控溅射加工设备，其包括旋转驱动源、传动轴和直线驱动源，其中，直线驱动源用于采用液压驱动的方式驱动磁控管沿垂直于传动轴的方向作直线往复运动；旋转驱动源的驱动轴借助传动轴与直线驱动源固定连接，用以在磁控管作直线往复运动的同时，驱动磁控管围绕所述传动轴作旋转运动。本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构，其不仅可以使磁控管的运行轨迹完全覆盖整个靶材，而且还可以使磁控管的运行轨迹的分布密度趋于均匀，此外，该驱动机构还能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大驱动机构的应用范围。

Description

用于驱动磁控管的驱动机构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，涉及一种用于驱动磁控管的驱动机构及磁控溅射加工设备。

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，用以承载被加工工件；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以及与之电连接的驱动机构14，在驱动机构14的驱动下，磁控管13扫描靶材12的表面，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，从而可以提高等离子体轰击靶材的效率，进而可以提高沉积效率。

图2a为一种用于驱动磁控管的驱动机构的结构示意图。请参阅图2a，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。

上述驱动机构在实际应用中不可避免地存在以下问题，即：

其一，由于转轴20与第三齿轮23之间的中心距R是固定的值，导致该驱动机构只能应用在尺寸与之匹配的靶材上，这使得针对不同尺寸的靶材，就需要另外设计驱动机构，从而增加了制造和加工成本。

其二，图2b为采用图2a中的驱动机构驱动磁控管扫描靶材的运行轨迹图。由图2b可知，不仅磁控管在上述驱动机构的带动下所运行的轨迹范围无法覆盖整个靶材区域，而且既使在磁控管轨迹所覆盖的区域内磁控管的扫描轨迹的密度也不均匀，从而导致了靶材利用率的降低。

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及磁控溅射加工设备，其不仅可以使磁控管的运行轨迹完全覆盖整个靶材，而且还可以使磁控管的运行轨迹的分布密度趋于均匀，此外，该驱动机构还能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大驱动机构的应用范围。

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，所述驱动机构包括旋转驱动源、传动轴和直线驱动源，其中，所述直线驱动源用于采用液压驱动的方式驱动所述磁控管沿垂直于所述传动轴的方向作直线往复运动；所述旋转驱动源的驱动轴借助所述传动轴与所述直线驱动源固定连接，用以在所述磁控管作直线往复运动的同时，驱动所述磁控管围绕所述传动轴作旋转运动。

其中，所述直线驱动源包括缸体、活塞和活塞杆，其中所述活塞位于所述缸体内，且在垂直于所述传动轴的方向上与所述缸体可滑动地连接，并且所述活塞与所述缸体的内周壁滑动密封，以将所述缸体沿垂直于所述传动轴的方向依次分割为彼此独立且密封的第一空间和第二空间；所述活塞杆的一端位于所述第一空间内且与所述活塞固定连接，所述活塞杆的另一端沿垂直于所述传动轴的方向延伸至所述缸体的外部，且与所述磁控管固定连接；在所述传动轴的内部形成有液压通道，用以向所述第一空间内输送液体，或排出所述第一空间内的液体；并且，在所述第二空间内且位于所述活塞与缸体之间设置有弹性部件，用以在垂直于所述传动轴的方向上对所述活塞施加弹力。

其中，所述直线驱动源还包括管路和液压源，其中所述管路的输出端与所述液压通道的入口连通，所述管路的输入端与所述液压源连通；在所述管路上串接有排液支路，并且在所述排液支路上设置有用于接通或断开所述排液支路的阀门，所述第一空间内的液体在所述阀门接通所述排液支路时，经由所述液压通道、管路和排液支路排出；所述液压源用于在所述阀门断开所述排液支路时经由所述管路向所述液压通道提供液体。

其中，所述驱动机构还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述阀门断开所述排液支路，同时控制所述液压源经由所述管路向所述液压通道提供液体，控制所述阀门接通所述排液支路，同时控制所述液压源停止向所述液压通道提供液体，以及控制所述液压源的供给量，以调节充满在所述第一空间内的液体容积。

其中，所述液压源包括液压泵。

其中，基于所述直线驱动源驱动所述磁控管沿垂直于所述传动轴的方向运动所到达的各个预定位置，以及所述旋转驱动源的转速而获得所述磁控管的运动轨迹。

其中，采用自动或手动的方式控制所述直线驱动源驱动所述磁控管沿垂直于所述传动轴的方向运动至预定位置，以及控制所述旋转驱动源的转速。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种磁控溅射加工设备，包括反应腔室，在所述反应腔室的顶端设有靶材，并且在所述靶材的上方设有磁控管以及用于驱动所述磁控管的驱动机构，所述驱动机构采用了本发明提供的上述驱动机构。

其中，在所述反应腔室内的顶端设置有充满有冷却液体的冷却腔体，用以冷却所述靶材；所述磁控管、缸体、活塞和活塞杆均位于所述冷却腔体内，所述旋转驱动源位于所述冷却腔体的上方；所述传动轴的一端与所述缸体固定连接，并且在所述冷却腔体的顶壁上且与所述传动轴相对应的位置处设置有贯穿所述顶壁的安装孔，所述传动轴的另一端穿过所述安装孔，并与所述旋转驱动源的驱动轴固定连接。

其中，在所述传动轴上套制有密封套，所述传动轴借助所述密封套与所述冷却腔体的顶壁固定连接；在所述密封套的内周壁与所述传动轴的外周壁之间形成有分别与所述液压通道的入口和所述管路的输出端连通的环形空间，并且在所述密封套的内周壁与所述传动轴的外周壁之间，且分别位于所述环形空间的上方和下方设置有密封件，用以密封所述环形空间。

其中，所述密封套采用螺纹连接或焊接的方式与所述冷却腔体的顶壁固定连接；并且在所述密封套的下表面与所述顶壁的上表面之间设置有密封件，用以对二者之间的间隙进行密封。

其中，基于不同的所述靶材的半径而获得所述缸体在垂直于所述传动轴的方向上的尺寸。

其中，基于所述靶材表面在不同半径的圆周处的刻蚀速率，而控制所述直线驱动源驱动所述磁控管运动至所述靶材各个圆周处的停留时间。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构，其借助旋转驱动源驱动磁控管围绕传动轴旋转，以使磁控管以圆形运行轨迹扫描靶材表面，与此同时，借助直线驱动源采用液压驱动的方式驱动磁控管沿垂直于传动轴的方向作直线往复运动，以通过改变液压来实时调节磁控管与传动轴之间的中心距，即，实时改变磁控管的圆形运行轨迹的半径，这不仅可以使磁控管的运行轨迹完全覆盖整个靶材，而且还可以根据靶材在不同区域的刻蚀程度来实时调整磁控管在靶材各个区域旋转的时间，进而可以使磁控管的运行轨迹的分布密度趋于均匀，从而可以提高靶材的利用率。此外，借助直线驱动源驱动磁控管沿垂直于传动轴的方向作直线往复运动，还可以使驱动机构能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大驱动机构的应用范围。

本发明提供的磁控溅射设备，其通过采用本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构，不仅可以使磁控管的运行轨迹完全覆盖整个靶材，而且还可以使磁控管的运行轨迹的分布密度趋于均匀，此外，该驱动机构还能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大驱动机构的应用范围。

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为用于驱动磁控管的驱动机构的部分结构示意图；

图2b为在图2a中驱动机构的驱动下磁控管中心的运行轨迹坐标图；

图3为本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构的结构示意图；以及

图4为本发明提供的磁控溅射设备的局部剖视图。

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及磁控溅射加工设备进行详细描述。

图3为本发明提供的用于驱动磁控管的驱动机构的结构示意图。请参阅图3，该驱动机构包括旋转驱动源37、传动轴36和直线驱动源。其中，直线驱动源用于采用液压驱动的方式驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向作直线往复运动；旋转驱动源37的驱动轴借助传动轴36与直线驱动源固定连接，用以在磁控管34作直线往复运动的同时，驱动磁控管34围绕传动轴36作旋转运动。在进行磁控溅射工艺的过程中，旋转驱动源37带动磁控管34绕传动轴36旋转，从而使磁控管34扫描靶材表面，且其运行轨迹为：以靶材表面的中心为圆心，且以磁控管34与传动轴36之间的中心距为半径的圆形运行轨迹；与此同时，借助直线驱动源采用液压驱动的方式驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向作直线往复运动，以通过改变液压来实时调节磁控管34与传动轴36之间的中心距，即，实时改变磁控管34的圆形运行轨迹的半径，这不仅可以使磁控管34的运行轨迹完全覆盖整个靶材，而且还可以根据靶材在不同区域的刻蚀程度来实时调整磁控管34在靶材各个区域旋转的时间，进而可以使磁控管34的运行轨迹的分布密度趋于均匀，从而可以提高靶材的利用率。此外，借助直线驱动源驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向作直线往复运动，还可以使驱动机构能够适用于更多尺寸的靶材，从而可以扩大驱动机构的应用范围。

容易理解，可以基于直线驱动源驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向运动所到达的各个预定位置(即，预设的磁控管34的圆形运行轨迹的半径)，以及旋转驱动源37的转速而获得磁控管34的运动轨迹。另外，在实际应用中，可以采用自动或手动的方式控制直线驱动源驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向运动至预定位置，以及控制旋转驱动源37的转速。自动的方式可以借助具有预定程序的PLC、计算机等的微处理器来实现上述功能。

下面对直线驱动源的具体结构进行详细描述。具体地，直线驱动源包括缸体30、活塞31、活塞杆32、管路38、液压源39和控制单元。其中，活塞31位于缸体30内，且在垂直于传动轴36的方向上与缸体30可滑动地连接，并且活塞31与缸体30的内周壁滑动密封，以将缸体30沿垂直于传动轴36的方向依次分割为彼此独立且密封的第一空间301和第二空间302；活塞杆32的一端位于第一空间301内且与活塞31固定连接，活塞杆32的另一端沿垂直于传动轴36的方向延伸至缸体30的外部，且与磁控管34固定连接，由此可知，缸体30、活塞31和活塞杆32组成了一个可驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向作直线往复运动的柱塞式液压缸。

而且，在传动轴36的内部形成有液压通道361，用以向第一空间301内输送液体，或排出第一空间301内的液体；管路38的输出端381与液压通道361的入口362连通，管路38的输入端与液压源39连通；并且，在管路38上串接有排液支路382，并且在排液支路382上设置有用于接通或断开排液支路382的阀门383；液压源39用于在阀门383断开排液支路382时经由管路38向液压通道361提供液体，液压源39包括液压泵。控制单元(图中未示出)用于控制阀门383断开排液支路382，同时控制液压源39经由管路38向液压通道361提供液体，控制阀门383接通排液支路382，同时控制液压源39停止向液压通道361提供液体，以及控制液压源39的供给量，以调节充满在第一空间301内的液体容积。此外，在第二空间302内且位于活塞31与缸体30之间设置有弹性部件35，用以在垂直于传动轴36的方向上对活塞31施加弹力，弹性部件35可以包括弹簧或弹片。

在直线驱动源驱动磁控管34沿垂直于传动轴36的方向作直线往复运动的过程中，若需要减小磁控管34与传动轴36之间的中心距，则控制单元断开排液支路382的阀门383，同时控制液压源39经由管路38向液压通道361提供液体，此时液压通道361将液体输送至第一空间301内；随着充满在第一空间301内的液体容积不断增加，第一空间301内的液体对活塞31施加的压力会逐渐增大，当该压力大于弹性部件35对活塞31施加的与压力方向相反的弹力时，活塞31向图3的右边移动，从而经由活塞杆32带动磁控管34向右移动，进而使磁控管34与传动轴36之间的中心距减小。

若需要增大磁控管34与传动轴36之间的中心距，则控制单元控制液压源39停止向液压通道361提供液体，同时接通排液支路382的阀门383，此时第一空间301内的液体经由液压通道361、管路38和排液支路382排出；随着充满在第一空间301内的液体容积不断减小，第一空间301内的液体对活塞31施加的压力会逐渐减小，当该压力小于弹性部件35对活塞31施加的与压力方向相反的弹力时，活塞31向图3的左边移动，从而经由活塞杆32带动磁控管34向左移动，进而使磁控管34与传动轴36之间的中心距增大。

在实际应用中，活塞31左右移动的位移量可以借助控制单元控制液压源39的供给量，以调节充满在第一空间301内的液体容积来控制。而且，可以通过选择不同型号的弹性部件35来设定其弹力。另外，为了保证第一空间301的密封，可以在活塞杆32与其穿过缸体30的通孔之间，以及传动轴36与缸体30的连接处分别设置密封件。

图4为本发明提供的磁控溅射设备的局部剖视图。请参阅图4，磁控溅射加工设备包括反应腔室40，在反应腔室40内的顶端设有靶材43，并且在靶材43的上方设有磁控管34以及用于驱动磁控管34的驱动机构，该驱动机构采用了本实施例提供的上述驱动机构。

在本实施例中，在反应腔室40的顶端设置有充满有冷却液体的冷却腔体42，用以冷却靶材43；磁控管34、缸体30、活塞31和活塞杆32均位于冷却腔体42内，旋转驱动源37位于冷却腔体42的上方；而且，传动轴36的一端(图4中传动轴36的下端)与缸体30固定连接，并且在冷却腔体42的顶壁上且与传动轴36相对应的位置处设置有贯穿该顶壁的安装孔，传动轴36的另一端(图4中传动轴36的上端)穿过该安装孔，并与旋转驱动源37的驱动轴固定连接。

在本实施例中，在传动轴36上套制有密封套44，传动轴36借助密封套44与冷却腔体42的顶壁固定连接；而且，在密封套44的内周壁与传动轴36的外周壁之间形成有环形空间401，其分别与液压通道361的入口362和管路38的输出端381连通，该密封套44的具体结构可以为：如图4所示，密封套44采用中空的管状结构，且套制在传动轴36上，并且，在密封套44的内周壁上，且与液压通道361的入口362相对应的位置处形成有一环形凹部，该环形凹部与传动轴36的外周壁形成环形空间401；而且，在密封套44的外周壁上，且与环形空间401相对应的位置处设置有贯穿该外周壁厚度的通孔402，管路38的输出端381经由该通孔402与环形空间401连通。当需要向缸体30的第一空间301内注入液体时，自液压源39流出的液体经由管路38、环形空间401流入液压通道361内，液压通道361再将液体输送至第一空间301内。容易理解，液压通道361的入口362的数量可以为一个或多个。

而且，在密封套44的内周壁与传动轴36的外周壁之间，且分别位于环形空间401的上方和下方分别设置有一个或多个密封件41，用以密封环形空间401。此外，密封套44可以采用螺纹连接或焊接的方式与冷却腔体42的顶壁固定连接；并且在密封套44的下表面与冷却腔体42的顶壁的上表面之间也设置有密封件(图中未示出)，用以对二者之间的间隙进行密封。

需要说明的是，在实际应用中，可以基于不同的靶材43的半径而获得缸体30在垂直于传动轴36的方向上的尺寸，即，针对半径较小的靶材43，可以减小缸体30在垂直于传动轴36的方向上的尺寸，以相应的减小磁控管34的运动行程；针对半径较大的靶材43，可以增大缸体30在垂直于传动轴36的方向上的尺寸，以相应的增加磁控管34的运动行程，从而可以使磁控管34的圆形运行轨迹能够适应不同半径的靶材43，进而在整个磁控溅射过程中能够覆盖整个靶材43表面。

另外，可以基于靶材43表面在不同半径的圆周处的刻蚀速率，而控制直线驱动源驱动磁控管34运动至靶材43各个圆周处的停留时间。针对刻蚀速率较快的圆周处，可以相对缩短直线驱动源驱动磁控管34在该圆周处运动的停留时间；针对刻蚀速率较慢的圆周处，可以相对延长直线驱动源驱动磁控管34在该圆周处运动的停留时间，从而可以实现对靶材的均匀刻蚀。

综上所述，本实施例提供的磁控溅射设备，其通过采用本实施例提供的用于驱动磁控管的驱动机构，不仅可以使磁控管的运行轨迹完全覆盖整个靶材，而且还可以使磁控管的运行轨迹的分布密度趋于均匀。此外，本发明只使用一个电机、一个液压缸进行驱动，机构简单，控制方便。

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 (13)

1.一种用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述驱动机构包括旋转驱动源、传动轴和直线驱动源，其中

所述直线驱动源用于采用液压驱动的方式驱动所述磁控管沿垂直于所述传动轴的方向作直线往复运动；

所述旋转驱动源的驱动轴借助所述传动轴与所述直线驱动源固定连接，用以在所述磁控管作直线往复运动的同时，驱动所述磁控管围绕所述传动轴作旋转运动。

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，所述直线驱动源包括缸体、活塞和活塞杆，其中

所述活塞位于所述缸体内，且在垂直于所述传动轴的方向上与所述缸体可滑动地连接，并且所述活塞与所述缸体的内周壁滑动密封，以将所述缸体沿垂直于所述传动轴的方向依次分割为彼此独立且密封的第一空间和第二空间；

所述活塞杆的一端位于所述第一空间内且与所述活塞固定连接，所述活塞杆的另一端沿垂直于所述传动轴的方向延伸至所述缸体的外部，且与所述磁控管固定连接；

在所述传动轴的内部形成有液压通道，用以向所述第一空间内输送液体，或排出所述第一空间内的液体；并且，在所述第二空间内且位于所述活塞与缸体之间设置有弹性部件，用以在垂直于所述传动轴的方向上对所述活塞施加弹力。

3.根据权利要求2所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述直线驱动源还包括管路和液压源，其中

所述管路的输出端与所述液压通道的入口连通，所述管路的输入端与所述液压源连通；在所述管路上串接有排液支路，并且在所述排液支路上设置有用于接通或断开所述排液支路的阀门，所述第一空间内的液体在所述阀门接通所述排液支路时，经由所述液压通道、管路和排液支路排出；

所述液压源用于在所述阀门断开所述排液支路时经由所述管路向所述液压通道提供液体。

4.根据权利要求3所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述驱动机构还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述阀门断开所述排液支路，同时控制所述液压源经由所述管路向所述液压通道提供液体，控制所述阀门接通所述排液支路，同时控制所述液压源停止向所述液压通道提供液体，以及控制所述液压源的供给量，以调节充满在所述第一空间内的液体容积。

5.根据权利要求3所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，所述液压源包括液压泵。

6.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，基于所述直线驱动源驱动所述磁控管沿垂直于所述传动轴的方向运动所到达的各个预定位置，以及所述旋转驱动源的转速而获得所述磁控管的运动轨迹。

7.根据权利要求6所述的用于驱动磁控管的驱动机构，其特征在于，采用自动或手动的方式控制所述直线驱动源驱动所述磁控管沿垂直于所述传动轴的方向运动至预定位置，以及控制所述旋转驱动源的转速。

8.一种磁控溅射加工设备，包括反应腔室，在所述反应腔室的顶端设有靶材，并且在所述靶材的上方设有磁控管以及用于驱动所述磁控管的驱动机构，其特征在于，所述驱动机构采用了权利要求1-7任意一项所述的驱动机构。

9.根据权利要求8所述的磁控溅射加工设备，其特征在于，在所述反应腔室内的顶端设置有充满有冷却液体的冷却腔体，用以冷却所述靶材；

所述磁控管、缸体、活塞和活塞杆均位于所述冷却腔体内，所述旋转驱动源位于所述冷却腔体的上方；

所述传动轴的一端与所述缸体固定连接，并且在所述冷却腔体的顶壁上且与所述传动轴相对应的位置处设置有贯穿所述顶壁的安装孔，所述传动轴的另一端穿过所述安装孔，并与所述旋转驱动源的驱动轴固定连接。

10.根据权利要求9所述的磁控溅射加工设备，其特征在于，在所述传动轴上套制有密封套，所述传动轴借助所述密封套与所述冷却腔体的顶壁固定连接；

在所述密封套的内周壁与所述传动轴的外周壁之间形成有分别与所述液压通道的入口和所述管路的输出端连通的环形空间，并且在所述密封套的内周壁与所述传动轴的外周壁之间，且分别位于所述环形空间的上方和下方设置有密封件，用以密封所述环形空间。

11.根据权利要求10所述的磁控溅射加工设备，其特征在于，所述密封套采用螺纹连接或焊接的方式与所述冷却腔体的顶壁固定连接；并且

在所述密封套的下表面与所述顶壁的上表面之间设置有密封件，用以对二者之间的间隙进行密封。

12.根据权利要求8所述的磁控溅射加工设备，其特征在于，基于不同的所述靶材的半径而获得所述缸体在垂直于所述传动轴的方向上的尺寸。

13.根据权利要求8所述的磁控溅射加工设备，其特征在于，基于所述靶材表面在不同半径的圆周处的刻蚀速率，而控制所述直线驱动源驱动所述磁控管运动至所述靶材各个圆周处的停留时间。