CN105210169B - 功率兼容性更高的溅射靶 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及板定中系统，包括带有支座的板，其中该板在支座中在室温和较高温度下都与所述板和支座的热胀无关地被定中，并且该板能在支座中在较高温度下自由膨胀。本发明尤其涉及具有框形靶架的靶，其非常适合用作在用于高功率脉冲磁控溅射的涂覆源中。
Description
本发明涉及板定中系统，包括具有支座的板，在这里，该板在室温和较高温度下都与所述板和支座的热胀无关地在支座内被定中，并且该板在支座内在较高温度下可以自由膨胀。本发明尤其涉及具有框形靶架的靶，其非常适合用在用于靶的高功率脉冲磁控溅射的涂覆源中。
背景技术
高功率密度是经济运行溅射方法所必需的。但溅射靶的冷却在此是很重要的。
目前，溅射靶通常或是被直接冷却，或是被间接冷却。
被直接冷却的靶例如在图2的视图中被示意性示出：为了溅射而在靶表面1a上转化的功率与靶材1b的导热性相关地通过导热被传导至靶背面1c。冷却液(通常是水)流过溅射源主体10内的冷却液通道5(通常是水通道)并且根据流动状况相应散走热流。为了将靶1固定接合至水通道5，通常采用螺钉4，其穿过靶1和溅射源主体10。另外也需要安装密封3以免水流入真空室。图2未示出这种溅射靶-冷却装置的本领域技术人员所知道的其它组成部件。
被间接冷却的靶例如在图3的视图中被示意性示出。在此情况下，冷却液通道5是完整闭合的，在这里形成所谓的“闭合”冷却板。靶1被如此固定到闭合冷却板上(例如螺栓连接或夹住)，即靶1的背面1c与冷却表面接触，并且通过将靶背面1c压紧到冷却表面上来实现或促进从靶至冷却液的传热。图2未示出这种溅射靶-冷却板装置的本领域技术人员所知道的其它组成部件。
根据冷却方法或极端功率密度的不同，可能出现靶高温并且靶材的机械强度可能会出问题。
例如在铝制靶情况下，该靶利用螺钉在冷却板边缘处被固定在冷却板上(如图3所示)并且被压紧到坚硬的冷却表面。可能出现，在溅射靶-冷却板装置中(如图3所示)，当因溅射作业而变热时，靶膨胀到出现由螺钉夹紧所引起的应力和机械扭曲，它们导致了对冷却板的导热变差，这可能导致靶损坏。在考虑这些边界条件的情况下，例如铝制的溅射靶的功率密度必须被限制到小于10W/cm2的值，可能的话小于5W/cm2。
另一种重要的靶夹紧和冷却的方法是利用活动膜的间接冷却，如图4所示。靶通过适当的机构9被固定(如通过夹子、螺栓、卡口接合)在溅射源主体10上。在可让液体(一般是水)流过的冷却通道5中存在液静压，其将活动膜均匀压紧到靶背面1c上。这样的活动膜例如可以是一种金属箔。因而，这样的带有活动膜的冷却板装置也称为金属箔冷却板装置或简称为金属箔冷却板。
在膜和靶背面之间，可以预计到有缩小的导热面。该导热面可以通过衬上一个例如由铟、锌、石墨构成的可延展性衬膜来明显改善。例如，人们可以将一个极薄的自粘性碳膜粘附到靶背面或要接触靶背面的膜侧面上，就像WO 2013 149692 A1所述的那样，以最佳地改善导热。
但这种方法的缺点是，靶因液静压而承受弯曲。在极高的功率密度和更高温度下的靶的机械强度通常不足以防止靶弯曲、进而损坏。尤其当卡口接合充当用于在溅射源体上夹紧和固定所述靶的支承座时它是不够的。例如，一般由铝和钛或由铝和铬粉末冶金制造的靶在高于200℃的温度下很软且可塑。因此，这样的靶在高于200℃的温度下通常强烈弯曲和损坏。
发明内容
本发明的任务是提供一种溅射源装置，其使得采用带有活动膜的冷却板装置成为可能，其中，该靶在高温时没有因在冷却板装置的冷却通道内的液静压的作用而损坏。
发明描述
如此完成本发明的任务：提供一种如下所述的具有板定中系统的涂覆源，其包括：
a)安置在支座内的板，该板具有板正面和板背面以及定中机构，其中，所述支座包括用于容纳所述板的框形靶架，所述板是靶，该板正面设置用于在PVD过程中将层材料从表面转变至气相，并且该定中机构设计成：在不同板温度时保证定中，
b)设置在该板背面上的具有冷却通道和闭合冷却板的冷却装置，该闭合冷却板呈活动膜状，其中，为了保证在所述板背面和膜之间的良好热接触，将自粘的石墨膜粘附到该板背面上，
其中，在该支座上和在该冷却装置上设有卡口接合的元件，因而该支座连同被定中的板借助该卡口接合被固定到该冷却装置，其中，为了保持该靶，分别在靶和靶架内设有至少三个相互间隔的导向成形部和/或槽，以便当该靶被安放到靶架上时所述靶的和/或所述靶架的导向成形部分别嵌入所述靶架的和/或所述靶的对应槽中，其中，“导向成形部-槽”配对如此分布，即，在每个“导向成形部-槽”配对中，该槽的宽度中心位置与对应的导向成形部的宽度中心位置重合，并且如此选择该位置，即该位置在室温下处于靶中心的一个轴向上，在所述靶和/或所述靶架在较高温度下热胀之后保持不变地处于靶中心的相同轴向上，其中该板的材料具有第一热胀系数α1，该支座的材料具有第二热胀系数α2，在此α1>α2。
根据本发明的该板定中系统包括带有支座的板，如图1示意性所示，其中，板1具有正面1a、背面1c和外边缘面1d(其从正面延伸向背面)，并且由具有第一热胀系数α1的第一材料制造；该支座包括具有内侧面2e的用于容纳所述板的框形板架2并且由具有第二热胀系数α2的第二材料制造，其特征是：
-在室温下，板架的内侧面2e的周长大于板1的边缘面1d的周长，由此，当该板1定中位于板架2内时，在该板的边缘面和该板架的内侧面之间存在具有规定缝宽S的缝隙，以及
-该边缘面且优选是靠近底面1c的边缘面1d包括一个或多个导向成形部1f，该导向成形部优选在一基本平行于板1的背侧面1c的平面内向外延伸超过边缘面1d并且插入板架2的内侧面2e的对应的槽2n中，和/或边缘面1d包括一个或多个槽1n，所述槽优选在一基本平行于板的背侧面的平面内向内延伸进入边缘面1d并供板架2的内侧面2e的对应的导向成形部2f插入其中，
-其中，该板定中系统包括至少三个这样的相互嵌合的“导向成形部-槽”配对，并且
-其中，对于每一“导向成形部-槽”配对，“在板边缘面的切向上的宽度剖面形状”和“在垂直于板边缘面的方向上的长度剖面形状”是如此相互协调的，即在室温下在切向上的缝隙SB小于在该垂直方向上的缝隙SL，同时SL≥S，并且
-其中，该“导向成形部-槽”配对如此分布，即在每个“导向成形部-槽”配对中，一个槽的宽度中心的位置MN与对应的导向成形部的宽度中心的位置MF重合，并且如此选择该位置，即它在室温下处于板中心PZ的一个轴向上，并且其在板1或者板1和板架2在较高温度下热胀之后保持不变地位于板中心PZ的相同轴向上(不仅在室温下，也在板1或者板1和板架2膨胀的较高温度下)，在板架2内的板1被定中锚固在板架2内，最多除了该缝隙SB外。
在本发明的板定中系统中，板材的线性热胀系数优选大于支座材料的线性热胀系数，或者至少等于，即α1≥α2，优选α1>α2。
本发明的一个特别优选的实施方式涉及一种“板-支座”系统，其包括带有支座的圆盘形板，其中，该板具有在其周向的大延伸范围内呈圆形且带有外板边缘的顶面，并且该板的材料具有第一热胀系数α1；而该支座具有在其其周向的大延伸范围内呈圆形的开口，所述开口由内支座镶边限定，并且支座材料具有第二热胀系数α2，
其特征是，
-在室温下，该支座的开口的周长大于该板的顶面的周长，由此，在该板居中位于该支座的开口中时，在板边缘和内支座镶边之间存在具有规定缝宽S的缝隙，并且
-α2<α1，并且
-板边缘包括一个或多个突出部，其从圆形表面的中心看在径向上从板边缘表面以突出部长度来延伸，并且插入该支座镶边的具有内凹长度的对应内凹部中，和/或该板边缘包括一个或多个内凹部，其从板边缘看在朝向圆形表面的中心点方向上延伸内凹部长度并且供支座镶边的具有突出部长度的对应突出部插入其中，
-其中，该“板-支座”系统包括至少三个这样相互嵌合的内凹部-突出部配对，并且
其中针对“内凹部-突出部配对”如此选择长度，即在室温下在径向上每个内凹部最多除了径向间距d外接合至该突出部，所述径向间距的数量级对应于缝宽S的数量级，
并且其中，对于内凹部-突出部配对，在切向上所述宽度剖面形状如此相互协调，即，所述内凹部可对于对应的突出部作为导轨，其在切向上的缝隙sp(sp＝SB)小于S，
并且是如此做到的，即不仅在室温下，也在该板比支座更显著膨胀的较高温度下，膨胀的板最多除了该缝隙sp外总是定中锚固在支座内。
膨胀系数或热胀系数是一个特性值，其描述材料在其尺寸在温度变化时的变化方面的特性，因此通常也称为热胀系数。对此负责的作用是热胀。热胀取决于所用材料，即它是材料专属的材料常数。因为在许多材料中热胀在所有温度范围内并不均匀地进行，故热胀系数本身也与温度相关并因而是针对一定的标准温度或一定的温度范围来给出的。
分为长度热胀系数α(也称为线性热胀系数)和空间热胀系数γ(也称为空间膨胀系数或体积膨胀系数或立体膨胀系数)。
长度热胀系数α是在温度变化dT和固体的相关长度变化dL/L之间的比例常数。相应地，借此来描述温度变化时的相对长度变化。它是材料专属参数，其单位为K-1(每开尔文)并且通过以下公式来限定：α＝1/L:dl/dT，该公式可简化为Lfinal≈Linitial·(1+α·ΔT)。
于是，例如人们能够计算出该板在板顶面的某个方向上在最高工作温度下具有哪种长度。按照相似的方式，人们可以计算出支座热胀后的尺寸。因此，人们可以计算出在板和支座之间需要哪种缝宽以保证直到最高工作温度，板在支座中可“自由地”热胀。
例如假定L1final≈α1·L1initial·ΔT1，其中，L1final是在温度Tfinal(例如在板的最高工作温度下)时的板在一定方向上的长度(在圆盘形板情况下于是是直径)，α1是在该温度范围时的板的线性热胀系数，L1initial是在温度Tinitial(例如在室温)时在同一方向上的板长度；按照相似方式针对在Tfinal时的支座尺寸计算，但要考虑支座的形状尺寸以及支座材料的线性热胀系数。
优选如此选择在该板和支座之间的缝隙宽度，即该板在支座内可以在达到至少450℃的温度之前都自由膨胀，优选达到至少500℃，更优选达到至少650℃。
所述内凹部和/或突出部优选相互等距分布在该板中。
优选该支座呈环形或者包括用于容纳该板的环形部分。
根据本发明的另一个优选实施方式，该板可以是圆盘形靶，其包括呈星形布置的导向机构，其中，每两个导向机构具有一个共同轴线(该轴线位于靶中心)，并且所述导向机构突入该支座的相应的多个星形的槽中，例如该支座是冷却板装置的一部分。因此，该靶通过根据本发明的靶-冷却板设计结构与温度无关地被定中到冷却板上。因此，在使用围绕该靶的阳极环情况下，靶和阳极环之间的缝隙可以保持同心或根据本发明被同心保持。
由此一来，避免了可能由不希望有的在作为阴极工作的靶和阳极环之间的接触所引起的短路。
在靶和靶支座之间的支承面也由此保持居中位于冷却板装置(如在靶和靶定位环之间)内并且在采用金属箔冷却板时在靶内得到均匀的应力。支承面可以因此被最小化。
代替在冷却板内设置内凹部(凸起从靶突入其中)，也可以在靶内设置内凹部并且将冷却板装置的容纳体(例如靶定位环)设计成具有内凸的突出部，该突出部插入该靶的内凹部中，如图5所示。
通过在现有的冷却板中采用本发明而得到突出优点，在这里，在靶和冷却板之间的过小缝隙通过使用垫圈而可被扩大。如果靶被安装在垫圈中且垫圈随后被安装到冷却板上，则在靶和冷却板之间的整个缝隙(缝隙1和2)和进而所施加的功率也可被增大，如图6所示。
根据本发明的一个优选实施方式，本发明的板定中系统是靶定中系统，其中，板1是靶1，支座2是靶座，并且框形板架2是用于容纳靶1的框形靶架2。
根据本发明，靶优选包括顶面1a、底面1c和外侧面1d，其中，该靶的顶面或正面限定出第一面，该靶的底面或背面限定出第二面，该靶的外侧面或外边缘面限定出第三面，第三面从该顶面延伸向该底面。
框形靶架2包括内侧面2e，其配设有导向成形部2f和/或槽2n，其中，导向成形部2f分别向内延伸超过内侧面2e，和/或该槽2n向外延伸进入内侧面2e。
靶的边缘面1d对应地具有导向成形部1f和/或槽1n，优选在靠近底面1c的表面区1d中，在这里，导向成形部1f分别优选基本平行于第二面1c地向外延伸超过边缘面1d，和/或槽1n优选基本平行于第二面1c地向内延伸进入边缘面1d。
为了保持该靶，分别在靶和靶架内设有至少三个相互间隔的导向成形部和/或槽，以便当该靶被安放到靶架上时所述靶的和/或所述靶架的导向成形分别嵌入所述靶架的和/或所述靶的对应槽中。
该导向成形部和/或槽如此制造，即在每个“导向成形部-槽”配对中，该槽的宽度和长度大于该相应的导向成形部的宽度和长度。
优选地，所有的槽具有相同的形状和相同的尺寸，并且所有的导向成形部也具有相同的形状和相同的尺寸。
“导向成形部-槽”配对如此分布，即，在每个“导向成形部-槽”配对中，该槽的宽度中心位置与对应的导向成形部的宽度中心位置重合，并且如此选择该位置，即该位置在室温下处于靶中心的一个轴向上，在所述靶和/或所述靶架在较高温度下热胀之后保持不变地处于靶中心的相同轴向上。
该靶可以具有任何形状，例如可以是圆形、长方形、正方形、三角形或椭圆形的溅射靶。
该框形靶架优选由特种耐热韧性钢构成，其浮动支承地容纳该靶，如溅射靶。
在框形靶架和溅射靶之间的尺寸公差容许在温度升高时的膨胀，但没有产生机械应力。
根据本发明的一个优选实施方式，该靶为圆盘形。
根据本发明的一个优选实施方式，该框形靶架是支承环。
根据本发明的支承环包括顶面2a、底面2c、内侧面2e和外侧面2d，其中，支承环2用于将靶机械固定在溅射源体10上并且同时该支承环的内侧面2e至少部分包围该靶的外侧面1d。
该定位环在其内侧面包括至少三个导槽或导销，其满足定中功能。
该靶相应地在其外侧面包括径向“导向楔”或“导槽”，由此靶在支承环内的导向总是对中的。
相对定位环内侧面颠倒的、与靶外侧面上的导销和/或导槽匹配的多个凹空部和/或延长部在定位环内定中所述靶，并且如此选择在靶的外侧面和定位环的内侧面之间的缝隙，即可以在所有方向上发生长度和宽度变化。
该靶优选首先被安放到定位环上，从而对应的“导销-凹空部”和/或“导槽-延长部”配对被固定，并在需要时可采用固定夹子将该靶相对于定位环机械固定。弹性圈例如可以与此相关地很适合用作固定夹子。
本发明范围内的定位环也被视为“垫圈”，因而也称为垫圈，因为它被定位在所述靶和溅射源体之间。
溅射源体优选包括呈带有活动膜的闭合冷却板类型的、用于冷却靶的冷却装置，从而通过被压到靶背面上的活动膜获得很好的冷却作用或良好的导热。
当溅射源体包括带有活动膜的冷却板装置时，特别有利的是该垫圈由非磁性耐热高韧性钢制造。通过这种方式，避免了垫圈和进而靶的弯曲，这种弯曲可能因为将活动膜均匀压紧到靶背面上的液静压而出现。
例如该定位环由耐热钢如1.3974锻造，并在1020℃固溶退火1小时。
定位环优选在其外侧面包括卡口接合，以便简化已容置在定位环内的本发明的靶安装至溅射源体中、或从溅射源体拆下。
为了改善传热和进而降低溅射靶内的热负荷和功率密度增大，优选如WO2013149692 A1所述地在溅射靶的背面粘接碳膜。
在采用本发明的靶-支座-溅射源体系统情况下，该靶不仅能以例如在大于0W/cm2至小于50W/cm2的范围内的低溅射功率密度来使用，也能以例如50W/cm2至100W/cm2的很高的溅射功率密度来使用。
根据本发明，在该靶的外侧面和定位环的内侧面之间的距离误差必须如此选择，即，计算具有不同膨胀系数α1和α2的不同材料1和2的百分比膨胀。例如，针对如上所述由典型涂覆材料如Al或Ti构成的靶和由钢1.3974构成的定位环所构成的组合，人们可以选择相关尺寸的0.5-1.5％的距离误差，更优选为0.75至1.25％.
即，对于这样的系统和150mm靶直径，人们可以根据本发明选择0.5mm的径向距离误差S/2，这总体上意味着在直径上的1mm距离误差S，其约等于0.7％。就此而言，该径向距离误差S/2优选在0.1mm至5mm之间，更优选的是S/2在0.3mm至1mm之间，尤其优选该S/2约为0.5mm。
当该靶根据本发明配设有导向成形部时，该导向成形部优选由用以制造靶的相同材料构成。
当定位环根据本发明配设有导向成形部时，该导向成形部优选由用以制造定位环的相同材料构成。
根据本发明的一个优选变型，所述靶的正侧面不是平的。
根据本发明的另一个优选变型，所述靶的正侧面大于所述靶的背侧面。
公开另一种作为用于PVD涂层的材料供体的涂覆源，包括：
a)安置在支座中的板，包括板正面、板背面和定中机构，其中，该板正面设置用于在PVD过程中该层材料从该表面转变至气相并且定中机构被设计成保证在不同板温度时的定中。
b)设于板背面上的且带有闭合冷却板的冷却装置，冷却板呈活动膜状，在此，为了保证在板背面和膜之间的良好热接触，将自粘的石墨膜粘附到该板背面上，其中，在该支座上和在该冷却装置上设有卡口接合的元件，从而该支座连同被定中的板借助卡口接合被固定到冷却装置上。
在该涂覆源中，该板的材料可以具有第一热胀系数α1，该支座的材料可以具有第二热胀系数α2，在此α1>α2。
在该涂覆源中，支座可以在板背面的边缘区具有用于所述板的面安放的托座，该支座在板正面上方具有沟槽，从而在将板置入支座中之后，它在那里可借助咬入该沟槽中的夹紧环被固定。
在该涂覆源中，支座可以由非磁性耐热韧性钢制造，优选由钢1.3974制造，其被锻造且在1020℃被固溶退火1小时。
在涂覆源上，可以设置用于连接电压源的机构，其允许靶相对于一个电极处于负电位，从而该靶可用作阴极，该电极可用作阳极。
该阳极能围绕该靶安放并以阳极环形式构成。
公开了一种具有至少一个如上所述的涂覆源的PVD设备。
Claims (7)
1.一种作为用于PVD涂层的材料供体的涂覆源，其包括：
a)安置在支座内的板，该板具有板正面和板背面以及定中机构，其中，所述支座包括用于容纳所述板的框形靶架，所述板是靶，该板正面设置用于在PVD过程中将层材料从表面转变至气相，并且该定中机构设计成：在不同板温度时保证定中，
b)设置在该板背面上的具有冷却通道和闭合冷却板的冷却装置，该闭合冷却板呈活动膜状，其中，为了保证在所述板背面和膜之间的良好热接触，将自粘的石墨膜粘附到该板背面上，
其中，在该支座上和在该冷却装置上设有卡口接合的元件，因而该支座连同被定中的板借助该卡口接合被固定到该冷却装置，其中，为了保持该靶，分别在靶和靶架内设有至少三个相互间隔的导向成形部和/或槽，以便当该靶被安放到靶架上时所述靶的和/或所述靶架的导向成形部分别嵌入所述靶架的和/或所述靶的对应槽中，其中，“导向成形部-槽”配对如此分布，即，在每个“导向成形部-槽”配对中，该槽的宽度中心位置与对应的导向成形部的宽度中心位置重合，并且如此选择该位置，即该位置在室温下处于靶中心的一个轴向上，在所述靶和/或所述靶架在较高温度下热胀之后保持不变地处于靶中心的相同轴向上，其中该板的材料具有第一热胀系数α1，该支座的材料具有第二热胀系数α2，在此α1>α2。
2.根据权利要求1的涂覆源，其特征是，该支座在该板背面的边缘区内包括用于面支承所述板的托座，并且该支座在该板正面上方包括沟槽，从而在该板被置入该支座中之后，该板在那里能借助咬入该沟槽的夹紧环被固定。
3.根据权利要求1的涂覆源，其中，该支座由非磁性耐热韧性钢制造，其被锻造且在1020℃被固溶退火1小时。
4.根据权利要求1的涂覆源，其中，在该涂覆源处设有用于连接电压源的机构，它允许该靶相对于一个电极处于负电位，从而该靶能用作阴极且该电极能用作阳极。
5.根据权利要求4的涂覆源，其中，该阳极围绕该靶安放并且呈阳极环形式构成。
6.根据权利要求3的涂覆源，其中，该支座由钢1.3974制造。
7.一种PVD设备，其具有至少一个根据权利要求1的涂覆源。
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