CN105324830B - 板在室温和较高温度下在支座中的定中 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括带有支座的板的系统，其中，该板在该支座内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，并且该板可以在较高温度下在该支座内自由膨胀。
Description
技术领域
本发明涉及包括带有支座的板的系统，其中，该板在室温以及较高温度下都与所述板和支座的热胀无关地在该支座内定中，并且该板在较高温度下可以在该支座内自由膨胀。
背景技术
为了制造涂层，当前尤其采用了溅射电弧工艺，其属于所谓的PVD工艺(PVD:物理气相沉积)。在此，靶被溅射或蒸发。在此工艺过程中，靶是灼热的并且必须被冷却。
在此，根据现有技术，这种冷却例如通过所谓的金属箔冷却板类型的冷却板来进行，其在背面冷却该靶，如图2所示。通过冷却介质压力，金属箔被压紧到靶上并由此提供了从冷却介质到该靶的良好导热。
根据功率输入、经冷却板的散热和靶材导热性，这些靶具有不同的热度并且根据其长度膨胀系数而膨胀。靶此时必须能在冷却板上自由膨胀，以便不受损。
在工艺过程控制技术上重要的是，位于冷却板上的靶关于冷却板轴线同心膨胀，以便在整个工作过程中能保证在靶与一个或多个周围元件之间的同心缝隙。尤其很重要的是，该靶相对于冷却板轴线“居中”膨胀以避免短路，这种短路可能出现在例如该靶作为阴极使用并且围绕该靶布置阳极环时，该阳极环处于不同的电位，例如如图2所示。
如果靶未被正确定中，则靶没有充分同心地膨胀。因此，可能在阳极环和膨胀后的靶之间出现电气短路。
在本例子中，靶相对于阳极环的位置通过其在冷却板上的布置来确定。在冷却板和靶之间的小缝隙情况下，靶的位置被充分确定，不会出现靶与阳极之间的接触。但这种小缝隙极大限制了靶的可能膨胀。因此，规定了最大容许靶温度或工作温度，由此限制了最大容许溅射功率。因此，该缝隙越小，容许溅射功率越低。
在缝隙较大时，板一般过于偏心地布置在冷却板上。另外，偏心安放造成靶内的机械应力在使用金属箔冷却板情况下是不均匀的。根据靶材的不同，这可能导致超出允许的机械应力。
发明内容
本发明的任务是提供一种板-容纳装置系统，其允许与该系统的温度无关地将板居中保持在容纳装置中，在这里，该板应在该容纳装置中如此自由膨胀，即该板在膨胀过程中未被损坏。
发明描述
如此完成本发明的任务，提供一种板-支座系统。
根据本发明的该系统包括板和支座，其中，该板具有包括外板边缘的顶面并且该板的材料具有第一热胀系数，该支座具有开口，该开口由内支座镶边限定并且该支座的材料具有第二热胀系数，并且第一热胀系数大于第二热胀系数，其中，
-在室温下，该支座的开口的周长大于该板的顶面的周长，由此在板定中就位时，在板边缘和内支座镶边之间存在具有规定缝宽S的缝隙，
-该板边缘包括一个或多个突出部，该突出部沿径向朝向板边缘面延伸并接合至该支座镶边的对应内凹部中，和/或该板边缘具有一个或多个内凹部，该内凹部沿径向朝向板边缘面延伸，并且支座镶边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接合的内凹部-突出部配对，并且其中，每个内凹部和每个突出部分别具有在径向上朝向板边缘面的相应长度，所述板边缘面具有相应宽度，内凹部的宽度分别大于对应突出部的宽度，对于每个内凹部-突出部配对，在室温下在内凹部和突出部之间的最小宽度差sp小于上述缝宽S，在径向上在内凹部和突出部之间的该最小缝宽大于上述最小宽度差sp，最好是至少等于上述缝宽S，并且由此做到，即在室温和较高温度下，板总是定中固定在该支座内，因为该内凹部-突出部配对起到导轨作用。
在本说明书的意义上，“径向”按照以下定义来理解：如果板被固定在垂直于板表面且经过其重心的轴上，则该径向在外板边缘部位上分别是这样的方向：在温度升高时该外板边缘的位置在该方向上移动。在具有圆形边缘的圆盘形板情况下，径向是垂直于板边缘而远离圆心的方向。
在图8中，结合具有长方形表面的板来示意性示出它。阴影线画出具有突出部的板和具有内凹部的支座。所示的直线经过板重心并且在板边缘处表示按照定义的径向。在该图中也清楚看到了：缝宽S不一定在板边缘处是处处相同的，而是可以根据几何形状来选择。
根据本发明，在板边缘和内支座镶边之间的所有缝宽，包括在内凹部和突出部之间的缝宽在内，在考虑板和支座的体积和热胀系数的情况下被如此选择，即该板在该支座内可以在较高温度下自由膨胀。因为热胀尤其对于固体来说，明显与晶格结构或结合状况相关，故线性等式只给出近似值。
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行为，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参考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板在支座中自由热胀，直到最高工作温度。
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，按照相似的方式针对在Tfinal时的支座尺寸计算，但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℃。
根据本发明，该板的材料的线性热胀系数大于该支座材料的线性热胀系数，即α1>α2。
该板最好呈圆盘形。
在该板中的突出部和/或内凹部优选相互等距分布。
该支座最好是环形的，或者包括用于容纳板的环形部分。
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(突出部)，其共同轴线位于靶中心并且突入支座的相应星形槽(内凹部)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同心安放就位。
由此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“凸起(突出部)从靶突入其中”的内凹部，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)设计成具有向内凸起的突出部，该突出部插入该靶的内凹部中，如图4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)和进而所加入的功率也可被增大，如图5所示。
附图说明
现在将结合附图来举例详述本发明。
图1示意性示出靶和支座。
图2示出包括靶、冷却板和阳极环的涂覆源。
图3以横剖和局部俯视图示出带有支座的本发明的板的实施方式。
图4以俯视图示出带有支座的本发明的板的实施方式。
图5示出本发明的实施方式的横截面局部。
图6以俯视图及相关局部图示出带有支座的本发明的板。
图7示出内凹部-突出部配对，其中，该突出部包括倒圆结构。
图8以俯视图示出带有支座的本发明的板，其中，该板具有长方形顶面。
具体实施方式
公开了一种带有支座的圆盘形板，其构成“板-支座”系统，其中，该板具有在其周向大延伸范围内呈圆形的顶面，该顶面带有靠外的板边缘，并且该板的材料具有第一热胀系数α1，该支座具有在其周向大延伸范围内呈圆形的开口，所述开口由靠内的支座镶边限定，并且支座材料具有第二热胀系数α2，并且
-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，在板边缘和靠内的支座镶边之间存在具有规定缝宽S的缝隙，并且
-α2<α1，并且
-该板边缘包括一个或多个突出部，该突出部从圆形表面的中心看在径向上从板边缘表面延伸经过突出部长度，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，该内凹部从板边缘看在朝向该圆形表面的中心点方向上延伸经过内凹部长度，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，“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，针对该内凹部-突出部配对，相应的径向长度是如此相互协调的，即在室温下在径向上每个内凹部以最多达到径向间距d的程度接合至该突出部，该径向间距d的数量级对应于缝宽S的数量级，并且
对于该内凹部-突出部配对，在切向上相应的宽度剖面形状是如此相互协调的，即，所述内凹部能用作导轨用于对应的突出部，其在切向上的缝隙sp小于S，
并且是如下做到的：不仅在室温下，也在该板比该支座更显著膨胀的较高温度下，膨胀的板总是定中锚固在该支座内，最多达到所述缝隙sp。
对于上述的带有支座的板，最好可以如此选择所述缝宽S、径向间距d和缝隙sp，即：直到至少450℃温度、最好直到至少500℃、还更好直到至少650℃的条件下，该板在该支座内可以自由膨胀。
对于上述的带有支座的板，最好在该板内的突出部和/或内凹部相互等距分布。
对于上述的带有支座的板，该支座最好可以是环形的，或者包括用于容纳该板的环形部分。
对于上述的带有支座的板，最好实现四个内凹部-突出部配对。
在上述的板-支座系统中，该板可以是用在PVD工艺中的靶，该板-支座系统构成相应的涂覆源的一部分。
在上述的涂覆源中，可以设置用于连接电压源的机构，所述机构允许该靶相对于一个电极比置于负电位，从而该靶可用作阴极，该电极可用作阳极。
在上述涂覆源中，该支座的一些部分可以构成冷却装置的至少一部分。
上述支座能以垫圈形式构成。
该冷却装置最好可以是金属箔冷却板类型的装置。
上述阳极最好可以围绕该靶布置，并且以阳极环形式构成。
在上述带有支座的板中，该缝隙sp最好可以最多是缝宽S的一半大小，并且尤其优选比缝宽S小一个数量级。
在上述带有支座的板中，该宽度剖面形状可以在至少一个突出部的、最好是多个突出部的且尤其最好是所有突出部的导向区内在轴向上i)不具有棱边，由此不会出现在通过相应的内凹部得到的导轨中的夹住，或者ii)至少在该内凹部延伸的径向局部中包括平行笔直的壁。
在上述带有支座的板中，至少一个突出部的、最好是多个突出部的且尤其最好是所有突出部的宽度剖面形状可以至少在内凹部担负导向功能的径向局部中i)具有平行笔直的壁，或者ii)不具有棱边，由此不会出现相应的突出部在由内凹部得到的导轨内的夹住。
在上述带有支座的板中，i)至少一个内凹部的宽度剖面形状至少在该内凹部担负起导向功能的径向局部内具有平行笔直的壁，或者ii)至少一个内凹部的宽度剖面形状至少在该内凹部担负起导向功能的径向局部内没有棱边，由此不可能出现在由相应内凹部得到的导轨内夹住。
最好在一个、多个或全部的内凹部-突出部配对中，或者同时满足上述可行方式i)，或者同时满足上述可行方式ii)。
公开了一种具有如上所述的涂覆源的PVD设备。
Claims (14)
1.一种带有支座的圆盘形板，它们构成“板-支座”系统，其中，该板具有在其周向大延伸范围内呈圆形的顶面，该顶面带有靠外的板边缘，并且该板的材料具有第一热胀系数α1，该支座具有在其周向大延伸范围内呈圆形的开口，所述开口由靠内的支座镶边限定，并且支座材料具有第二热胀系数α2，
其特征是，
-在室温时，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，在板边缘和靠内的支座镶边之间存在具有规定缝宽S的缝隙，并且
-α2<α1，并且
-该板边缘包括一个或多个突出部，该突出部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的程度延伸，并且接合至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，该内凹部从板边缘看在朝向该圆形表面的中心点方向上以内凹部长度的程度延伸并且该支座镶边的具有突出部长度的对应突出部接合至其中，
-其中，该“板-支座”系统包括至少三个这样相互接合的内凹部-突出部配对，并且
其中，针对该内凹部-突出部配对，如此选择长度，即在室温时，在径向上所述内凹部分别以与所述突出部之间最多达到径向间距d的程度接合至所述突出部，所述径向间距d的数量级对应于所述缝宽S的数量级，并且
其中，对于该内凹部-突出部配对，在切向上宽度剖面形状如此相互协调，即，所述内凹部能对于对应的突出部作为导轨，其在切向上的缝隙sp小于S，
并且是如此做到的，不仅在室温，也在该板比该支座更显著膨胀的较高温度，膨胀的板以最多达到该缝隙sp的程度总是居中锚固在该支座内；并且
其中，i)该宽度剖面形状在至少一个突出部的导向区内在轴向上不具有棱边，由此不会出现在通过相应的内凹部得到的导轨中的夹住，或者ii)该宽度剖面形状在至少一个突出部的导向区内在轴向上至少在该内凹部在其中延伸的径向局部中包括平行笔直的壁。
2.根据权利要求1所述的带有支座的圆盘形板，其中，该缝宽S、径向间距d和缝隙sp如此选择，即，在直到至少450℃温度的情况下，该板能够在该支座内自由膨胀。
3.根据权利要求2所述的带有支座的圆盘形板，其中，在该板内的该突出部和/或该内凹部均相互等距分布。
4.根据前述权利要求之一所述的带有支座的圆盘形板，其中，该支座呈环形，或者具有用于容纳该板的环形部分。
5.根据权利要求1所述的带有支座的圆盘形板，其中，实现四个内凹部-突出部配对。
6.根据权利要求1所述的带有支座的圆盘形板，其中，该板是用在PVD工艺中的靶，该板-支座系统是相应涂覆源的一部分。
7.根据权利要求6所述的带有支座的圆盘形板，其中，在该涂覆源上设有用于连接电压源的机构，该机构允许该靶相对于电极被置于负电位，从而该靶能用作阴极，该电极能用作阳极。
8.根据权利要求7所述的带有支座的圆盘形板，其中，该支座的至少一些部分构成冷却装置的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的带有支座的圆盘形板，其中，该支座作为垫圈来构成。
10.根据权利要求8或9所述的带有支座的圆盘形板，其中，该冷却装置是金属箔冷却板类型的装置。
11.根据权利要求7所述的带有支座的圆盘形板，其中，该阳极是环绕该靶布置的，并且被构成为阳极环。
12.根据权利要求1所述的带有支座的圆盘形板，其中，该缝隙sp最多是所述缝宽S的一半大小。
13.根据权利要求1所述的带有支座的圆盘形板，其特征是，i)至少一个内凹部的宽度剖面形状至少在该内凹部担负起导向功能的径向局部内具有平行笔直的壁，或者ii)至少一个内凹部的宽度剖面形状至少在该内凹部担负起导向功能的径向局部内没有棱边，由此不可能出现在由相应内凹部得到的导轨内夹住。
14.一种PVD设备，其具有根据权利要求6至11之一的至少一个涂覆源。
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