CN106987822B - 基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，包括进样室段、镀膜段、出样室段；进样室段与镀膜段之间设有真空隔离装置，镀膜段与出样室段之间也设有真空隔离装置；进样室段、镀膜段、出样室段均设有样片输送装置，各段中的样片输送装置独立运行，且位于上段中的样片输送装置截止于两段之间的真空隔离装置处，位于下段中的样片输送装置起始于两段之间的真空隔离装置处；进样室段、出样室段均设有样片装载/卸载装置；镀膜段设有加热装置。本发明通过采用链条传动机构，大大减少了真空室壁上的穿孔数量，有效防止泄漏；采用真空隔离措施，有效保障了镀膜段的真空度；采用在线加热装置，可以实现梯度升温。

Description

基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机

技术领域

本发明属于真空行业技术，特别是为真空等离子体行业半导体、微电子技术领域提供一种线型磁控溅射镀膜机。

背景技术

在磁控溅射镀膜机(sputter)、等离子体化学气相沉积(PECVD)、离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀及感应耦合等离子体刻蚀(RIE、DRIE、ICP)、等离子体清洗(Plasmacleaning)等设备中，如果设备用于批量生产目的，或样片量比较大，其等离子体激发装置多为矩形体形状，磁控溅射镀膜机为矩形磁控溅射靶，等离子体化学气相沉积为矩形PECVD等离子体源或矩形等离子体发生器，离子束刻蚀为矩形离子源，感应耦合等离子体刻蚀为矩形ICP源。这些离子源需要固定安装在真空腔体上，样片需要在与离子源面对面的位置相对移动，才能使离子束均匀扫描到样片表面的各个位置，达到均匀薄膜或均匀刻蚀目的。配合多样片传送机构，实现连续生产。

样品传输有多种方法，如：辊轴传动、输送带传动……。但这些方法主驱动、从驱动机构要放在真空外面，这就涉及到“过真空”问题，众多机构“过真空”必然会带来真空漏气问题，对工艺极其不利。同时，辅助机构得在“过真空”转台下实现动态转动，不但加剧了“动密封”时的漏气性，也极大降低了设备的可靠性。

另外，如果传输链过长，主驱动力就越大，设备需求功率就大，这对设备生产提出了严格的要求。

发明内容

本发明着力于解决现有技术之不足，提供一种基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机。本发明的基本构思是采用真空不锈钢材料制作高性能链条，把部分驱动机构放在真空室内部，减少“过真空”问题，配合精密辅助连接机构，实现在真空室内部连续输送样片的目的；同时，链条分段设计，分段驱动，减小主驱动设备的功耗。

本发明解决以上技术问题所采用的技术方案如下：一种基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，按功能分为三个接续性的真空室段，分别为进样室段、镀膜段、出样室段；

所述进样室段与镀膜段之间设有真空隔离装置，所述镀膜段与出样室段之间也设有真空隔离装置；

所述进样室段、镀膜段、出样室段均设有样片输送装置，各段中的样片输送装置独立运行，且位于上段中的样片输送装置截止于两段之间的真空隔离装置处，位于下段中的样片输送装置起始于两段之间的真空隔离装置处；

所述进样室段、出样室段均设有样片装载/卸载装置；

所述镀膜段设有加热装置；

其中，所述样片输送装置，包括链条驱动电机、传动机构、链驱动轴、轴上链轮、链条，链条驱动电机与传动机构驱动连接，所述传动机构与链驱动轴驱动连接，所述链驱动轴上套设轴上链轮，所述轴上链轮啮合链条，所述链条有两根，平行设置，同步运动，共同支撑样片托盘；

所述样片装载/卸载装置为一电机带动的动态连续装载/卸载的装置。

进一步地，所述真空隔离装置，包括一个壳体，所述壳体两侧设置有用于与真空室连通的通孔，所述壳体内设置有可上下滑动的锁身，所述锁身包括一块顶板，所述顶板两侧对称设置有密封板，所述顶板设置有多个凸出所述顶板表面的滚珠，所述密封板对应所述滚珠设置有多个圆锥形凹槽；两个所述密封板之间设置有弹簧；所述锁身设置有与所述壳体可滚动连接的导向轴承。

进一步地，所述样片输送装置中的链条驱动电机、传动机构、链驱动轴、轴上链轮、链条，都设置在真空室内部，所述链条驱动电机采用真空密封电机。

进一步地，所述样片输送装置中的链条驱动电机和传动机构设置在真空室外部，所述链驱动轴穿过真空室壁进入真空室中，所述轴上链轮、链条设置在真空室内部。

进一步地，所述样片装载/卸载装置，包括有样片架驱动电机、丝杠、样片架、样片托盘，所述样片架驱动电机驱动连接丝杠，丝杠竖直设置，所述样片架套设在丝杠上，所述样片架是一可平行排放多层样片托盘的架子，样片托盘边缘搭设在所述样片架上。

进一步地，所述样片托盘的底部设置有防脱挂钩，所述防脱挂钩插设在所述链条的缝隙中；所述样片托盘的侧部设置有托盘导向辊；所述链条两侧设置有链条导向板。

进一步地，所述加热装置包括连续设置的多个加热模块，设置在所述样片托盘运行路径上，各所述加热模块底部由自动调高组件支撑，当所述样片托盘没有经过时，加热模块高于运输平面，当所述样片托盘经过某块加热模块时，该加热模块被所述样片托盘压住，与所述样片托盘紧密接触。

再进一步地，所述自动调高组件包括粗调组件和精调组件，其中所述精调组件为一弹性橡胶件或一弹簧件。

再进一步地，所述粗调组件中包括一组螺纹杆，各螺纹杆上带有调高螺母，所述调高螺母支撑一块支撑板，所述支撑板上支撑所述精调组件。

或者，所述粗调组件中包括一组立杆，所述立杆上设置有调高滑槽，所述滑槽中安装螺栓，所述螺栓连接一块支撑板，所述支撑板支撑所述精调组件。

与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：

1.本发明通过采用链条传动机构，大大减少了真空室壁上的穿孔数量，有效防止泄漏。

2.本发明通过采用真空隔离措施，把真空室分段，有效保障了镀膜段的真空度。

3.本发明通过采用自动升降式样片装载/卸载结构，可以实现多样片连续生产。

4.本发明通过采用连续在线加热装置，可以沿样片托盘运行方向依次排列，实现梯度式逐级升温。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明设备的整体结构立体图；

图2为本发明的一个实施例的真空隔离装置的部分结构剖视示意图；

图3为图2的立体分解结构示意图；

图4为本发明设备从端部观示意图；

图5为样片架部分的局部放大图；

图6为样片托盘和链条防护，以及加热装置的结构图；

图7为图6中防脱挂钩的侧视图；

图8为加热装置在设备内的安装图；

图9为镀膜设备5在该设备中的布局图。

I-进样室段，II-镀膜段，III-出样室段；

1-真空隔离装置，11-壳体，101-通孔，12-锁身，13-驱动装置，201-顶板，202-密封板，203-导向轴承，2001-滚珠，2002-圆锥形凹槽，2003-密封圈，

2-样片输送装置，21-链条驱动电机，22-传动机构，23-链驱动轴，24-轴上链轮，25-链条，251-链条导向板，26-链条涨紧机构；

3-样片装载/卸载装置，31-样片架驱动电机，32-丝杠，33-样片架，34-样片托盘，331-托盘槽，341-防脱挂钩，342-防污板，343-托盘导向辊；

4-加热装置，41-加热模块，42-自动调高组件，421-螺纹杆，422-调高螺母，423-支撑板，424-弹性部件；镀膜设备5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的镀膜机，按功能划分为三段，为进样室段I、镀膜段II、出样室段III，进样室段I用于装样片，镀膜段II用于真空镀膜，出样室段III用于卸载样片。因此，如果将进样室段I、镀膜段II、出样室段III都装在同一真空室中，在装样片及卸载样片时，势必会有空气泄露，影响镀膜真空性。因此本发明设计一种真空隔离装置1，将进样室段I、镀膜段II、出样室段III进行分割，分成三段真空室，当装载样片时，进样室段I和镀膜段II之间的真空隔离装置1关闭，将进样室段I和镀膜段II分开；当卸载样片时，出样室段III和镀膜段II之间的真空隔离装置1关闭，将出样室段III和镀膜段II分开，始终保证镀膜段II的真空度。

如图2、图3所示，真空隔离装置1，其包括一个壳体11，所述壳体11两侧设置有用于与真空室连通的通孔101，所述壳体11内设置有可上下滑动的锁身12，所述锁身12包括一块顶板201，所述顶板201两侧对称设置有密封板202，所述顶板201设置有多个凸出所述顶板201表面的滚珠2001，所述密封板202对应所述滚珠2001设置有多个圆锥形凹槽2002。

真空隔离装置1安装在两个真空室之间，所述壳体11分别与进样室段I和镀膜段II固定连接，且通孔101分别与进样室段I和镀膜段II的传送口(图中未示出)连通。当锁身12在壳体11的内腔的下方时，所述进样室段I和所述镀膜段II之间连通，从而可进行物体传送。

当锁身12在驱动装置13(例如气缸或液压缸)的推动下向壳体11的内腔的上方滑动时，所述密封板202逐步遮挡所述通孔101，当所述密封板202的顶面与所述壳体11的内腔的顶面接触时，所述密封板202完全覆盖住所述通孔101，此时，所述密封板202停止向上的移动，而所述顶板201继续向上移动，所述滚珠2001也在所述圆锥形凹槽2002内继续向上移动，由于所述圆锥形凹槽2002的截面尺寸逐步减小，因此所述滚珠2001就会推动所述密封板202向所述通孔101贴合，也就是说，所述滚珠2001会将所述密封板202在所述通孔101的轴向方向上推动，从而使得所述密封板202将所述通孔101密封。

当需要两个真空室连通时，所述锁身12在驱动装置13(例如气缸或液压缸)的拉动下向所述壳体11的内腔的下方滑动，所述滚珠2001首先在所述顶板201的带动下回退到所述圆锥形凹槽2002的最大截面尺寸位置处，之后，所述顶板201在下滑的过程中，所述滚珠2001通过所述圆锥形凹槽2002带动所述密封板202下滑，从而使得所述密封板202离开所述通孔101的覆盖位，也就能使得所述通孔101之间连通。

本发明所提供的真空隔离装置与现有技术的最大改进在于，本发明通过滚珠机械力来控制所述密封板202在所述通孔101的轴向方向上的位移，从而保障所述密封板202对所述通孔101的密封效果，这也就克服了现有的翻板式真空锁需要依靠不同真空腔室的压差来保障密封效果的缺陷，此外，对通孔101的形状没有要求，也就是说，不管通孔101是什么形状，所述密封板202只需要对应所述通孔101的形状来制造，比通孔101的尺寸略大，能保障有效覆盖即可，这也克服了现有真空插板阀对形状尺寸要求较高的技术缺陷。

在一个优选实施例中，两个所述密封板202之间可设置有弹簧(图中未示出)来连接，这样，在所述锁身12向下滑动过程中，当所述滚珠2001回退到所述圆锥形凹槽2002的最大截面尺寸位置处时，两个所述密封板202可在弹簧带动下离开所述通孔101，靠近所述顶板201，从而利于所述锁身12的向下移动。

在另一个优选实施例中，所述锁身12设置有与所述壳体11可滚动连接的导向轴承203，这样可利于所述锁身12的上下滑动。

在另一个优选实施例中，所述通孔101和所述密封板202、所述顶板201均为矩形，这样可使得两个真空室间可传送较大尺寸的物品。为了使得所述密封板202所受的压力均匀，所述顶板201的侧壁可沿长度方向均布有四对(共八个)所述滚珠2001，对应的，所述密封板202的侧壁沿长度方向均布有四对(共八个)所述圆锥形凹槽2002。

为了能够更好的保障所述密封板202对所述通孔101的密封效果，所述密封板202还可进一步设置有密封圈2003。

本发明所提供的真空隔离装置，结构紧凑，密封性好，能对相邻的两个真空室提供有效密封，并且对真空室的开口形状适应性强。

本发明的再一特点是，对于每个真空室段，对样片的输送都采用链条传动方式，其一，链条设置在真空室内部，相比于辊轴，可以尽大限度地减少真空室上开设各类安装孔(因为每根辊轴必须在真空室上开设穿轴孔，这样就会增大真空室泄漏的可能性)；其二，因为链条是采用精密金属链条，相比于采用橡胶材质的传送带，气体含量少，也不容易变质。

如图4所示的实施例，样片输送装置2，包括链条驱动电机21、传动机构22、链驱动轴23、轴上链轮24、链条25、链条涨紧机构26等。链条驱动电机21输出的动力通过所连接的传动机构22传递给链驱动轴23，链驱动轴23上套有轴上链轮24，轴上链轮24上啮合连接链条25，链条涨紧机构26用来给链条调节张力。同一根链驱动轴23上可以平行套设两根链条25，同步行走。在采用链条输送装置下，如果采用普通电机驱动，电机设置在真空室外，此时链驱动轴23可以只从真空室的一端穿入即可，所以仅设置一个穿轴孔足以，或最多两个，这大大降低了真空室上轴孔的安装数量。如果采用真空密封电机，则整套装置完全可以都设置在真空室里部，这样在真空室壁上就一个穿轴孔都不用，更好。

如前所述，在两段真空室之间，采用真空隔离装置1隔离，所以每段真空室内的链条到真空隔离装置1处截止，在当真空隔离装置1打开时，上一段真空室内的链条输送样片托盘穿过隔离装置上的通孔自然过渡到下一段真空室中的链条上，由下一段真空室中的链条继续传动，这样既可以在两段真空室之间设置真空隔离装置1，解决了两段真空室之间的密封问题，同时又解决了由于链条过长带来的传动力不够问题。

本发明的再一特点是，在进样室段I和出样室段III都设置有样片装载/卸载装置3，顾名思义，样片装载是在进样室中，样片卸载是在出样室中，两者的结构相同，只是工作程序相反。如图4所示的实施例，样片装载/卸载装置3，是一动态连续供给或卸载装置，包括有样片架驱动电机31、丝杠32、样片架33、样片托盘34。样片架驱动电机31驱动丝杠32旋转，样片架33套设在丝杠32上，丝杠32竖直设置，样片架33在丝杠32旋转的过程中发生升降运行。如图5所示，电机同时驱动两根丝杠32，两根丝杠上各自套设一样片架33，样片架33是一可平行排放多层托盘的架子，两个样片架的相对侧设置有多层托盘槽331，样片托盘34仅有边缘搭设在托盘槽331中，其余部分腾空，驱动托盘行走的链条25设置在托盘底部，不与样片架33发生干涉，当链条25驱动样片托盘34行走时，托盘逐渐脱离托盘槽331。进样时，样片架33是逐渐下降，当最底层样片托盘被运走后，上一层样片托盘再下移到链条25上，被链条带走。出样过程与进样恰好相反，出样时，样片架33是逐渐上升的，最初的样片托盘率先落于最高一层托盘槽中，然后样片架33逐渐上升，依次从上至下承接托盘。进、出样连续供给，一次可加工多片样片。

除此之外本发明还做了一些更进一步的改进：如图6所示，其一，在整个运行通道上，在链条两侧设置了链条导向板251，将链条限制在导向板的槽中运行，保证了链条的运行直线和防抖动性；其二，样片托盘34的底部设置有防脱挂钩341，如图6、图7所示，防脱挂钩341为一金属弹片，底部收缩，插入在链条25的缝隙中但不是很深，既可以防止运行时托盘在链条上滑动，又可以在链条25在端部发生回转时，能从缝隙中脱离出来；其三，在整个运行通道上，在样片托盘34的边部上方还设置了防污板342，防污板342俯罩在托盘上方，防止防止溅射膜污染链条；其四，在样片托盘34的侧部设置托盘导向辊343，用于对样片托盘的导向，防止托盘掉离链条。综合以上几点，更能保证托盘运行的稳定性。

本发明的再一特点是，样片的镀膜过程是一动态连续升温加热镀膜的过程。如图1、图6、图8所示，本发明提供一加热装置4，该加热装置4是利用样片托盘的连续运行特性，设置在真空室中样片运行的下方空间中，该加热装置4包括连续设置的多个加热模块41，各加热模块沿运行方向依次排列，逐级升温。如图6所示，每一加热模块高度可调，在没有被样片托盘压住时高度高于运输平面，当托盘压在该块加热模块上时，该加热模块被压低，不高于运输平台以保证正常运输，且同时与所述托盘紧密接触。因此，在每块加热模块下方设置一自动调高组件42支撑加热模块。

所述自动调高组件42包括粗调组件和精调组件。粗调组件中包括一组螺纹杆421，螺纹杆上带有调高螺母422，一组螺纹杆中至少包含两个螺纹杆，螺纹杆上通过调高螺母422共同支撑一块支撑板423，支撑板423上支撑加热模块41；通过调整螺纹杆421的旋接高度或者调高螺母422的旋接高度，都可以调整支撑板423的高度，进而调整加热模块的高度。粗调组件的作用下，可以粗略调整加热模块适应输送平台的高度，使加热模块在自然状态下略高于输送平面。精调组件设置在支撑板423上，支撑加热模块41。精调组件采用一组弹性部件424，弹性部件可选择一种耐磁控溅射高温真空环境的弹性橡胶件或金属弹簧件，如聚酰亚胺等梯形聚合物用有机硅橡胶改性的橡胶件，或者Inconel x-750、GH4145、Inconel718、GH4169弹簧等。在精调组件的作用下，可以精确调整加热模块适应样片托盘的高度，使样片托盘经过时，下压加热模块，且紧贴加热模块，等托盘走过去后再自行弹起高于输送平面。在粗调组件和精调组件的作用下，达到了托盘在运行过程始终与加热模块接触，持续升温的目的。

进一步地，自动调高组件42，也可采取除上述实施例外的其他调节结构，如其中的粗调组件可以采用一组立杆，立杆上设置调高滑槽，滑槽上采用螺栓安装支撑板423。

进一步地，为了减小加热模块41的热传导作用，在加热模块41底部与精调组件之间，可夹设陶瓷垫片等高温绝热材料，阻止热量的流失。

进一步地，加热模块41，为一平板加热块，在其内部加入加热丝，加热丝温度由温控器控制，实现梯度温度。将连续的多块加热模块按一定的温度梯度排列，将使样片获得持续升温。

如图9所示，在真空室的上方和下方间隔设置磁控溅射靶，或等离子体发生器，或离子源等镀膜设备5，对真空室中运行的样片进行轰击。采用精密链条驱动，并配合气体的连接机构、遮挡机构、检测机构及控制机构，便可以实现样品的稳定、慢速、平稳运动，保证样品的成膜均匀性与成膜效果。

Claims (8)

1.一种基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述镀膜机包括三个接续性的真空室段，分别为进样室段、镀膜段、出样室段；

所述进样室段与镀膜段之间设有真空隔离装置，所述镀膜段与出样室段之间也设有真空隔离装置；

所述进样室段、镀膜段、出样室段均设有样片输送装置，各段中的样片输送装置独立运行，且位于上段中的样片输送装置截止于两段之间的真空隔离装置处，位于下段中的样片输送装置起始于两段之间的真空隔离装置处；

所述进样室段、出样室段均设有样片装载/卸载装置；

所述镀膜段设有加热装置；

其中，所述样片输送装置，包括链条驱动电机、传动机构、链驱动轴、轴上链轮、链条，链条驱动电机与传动机构驱动连接，所述传动机构与链驱动轴驱动连接，所述链驱动轴上套设轴上链轮，所述轴上链轮啮合链条，所述链条有两根，平行设置，同步运动，共同支撑样片托盘；

所述样片装载/卸载装置为一电机带动的动态连续装载/卸载的装置。

2.根据权利要求1所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述真空隔离装置，包括一个壳体，所述壳体两侧设置有用于与真空室连通的通孔，所述壳体内设置有可上下滑动的锁身，所述锁身包括一块顶板，所述顶板两侧对称设置有密封板，所述顶板设置有多个凸出所述顶板表面的滚珠，所述密封板对应所述滚珠设置有多个圆锥形凹槽；两个所述密封板之间设置有弹簧；所述锁身设置有与所述壳体可滚动连接的导向轴承。

3.根据权利要求1所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述样片输送装置中的链条驱动电机、传动机构、链驱动轴、轴上链轮、链条，都设置在真空室内部，所述链条驱动电机采用真空密封电机。

4.根据权利要求1所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述样片输送装置中的链条驱动电机和传动机构设置在真空室外部，所述链驱动轴穿过真空室壁进入真空室中，所述轴上链轮、链条设置在真空室内部。

5.根据权利要求1所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述样片装载/卸载装置，包括有样片架驱动电机、丝杠、样片架、样片托盘，所述样片架驱动电机驱动连接丝杠，丝杠竖直设置，所述样片架套设在丝杠上，所述样片架是一可平行排放多层样片托盘的架子，样片托盘边缘搭设在所述样片架上。

6.根据权利要求1或3或4或5所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述样片托盘的底部设置有防脱挂钩，所述防脱挂钩插设在所述链条的缝隙中；所述样片托盘的侧部设置有托盘导向辊；所述链条两侧设置有链条导向板。

7.根据权利要求1所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述加热装置包括连续设置的多个加热模块，设置在所述样片托盘运行路径上，各所述加热模块底部由自动调高组件支撑，当所述样片托盘没有经过时，加热模块高于运输平面，当所述样片托盘经过某块加热模块时，该加热模块被所述样片托盘压住，与所述样片托盘紧密接触。

8.根据权利要求7所述的基于分段传送的连续式线型磁控溅射镀膜机，其特征在于：所述自动调高组件包括粗调组件和精调组件，其中所述精调组件为一弹性橡胶件或一弹簧件。