CN111316397B - 用于具有磁性靶材的溅射源的磁力释放 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转靶阴极的磁棒组件包括支撑结构、可移动地附接到所述支撑结构并且包含多个磁体的磁棒结构以及可操作地耦接到所述支撑结构和所述磁棒结构的定位机构。所述定位机构被配置为当在磁性靶材筒内时，在缩回位置和展开位置之间移动所述磁棒结构。当所述磁棒组件插入靶筒或从所述靶筒移除时，所述缩回位置显著减小所述磁体和所述靶筒的磁性靶材之间的磁力。当所述磁棒组件处于所述靶筒中时，所述展开位置显著增加所述磁体和所述磁性靶材之间的磁力，并且允许来自所述磁棒结构的磁场穿透所述磁性靶材。

Description

用于具有磁性靶材的溅射源的磁力释放

背景技术

溅射装置通常包含靶管和插入靶管中的磁棒，靶管包含磁性靶材。磁性靶材的磁性在靶材和磁棒之间产生吸引力。这种吸引力足够大，以在靶管的内表面和磁棒之间产生相当大的力，这使得磁棒难以插入靶管和从靶管移除。

发明内容

一种用于旋转靶阴极的磁棒组件包括支撑结构、可移动地附接到支撑结构并且包含多个磁体的磁棒结构以及可操作地耦接到支撑结构和磁棒结构的定位机构。定位机构被配置为在缩回位置和展开位置之间移动磁棒结构。当磁棒组件插入靶筒或从靶筒移除时，磁棒结构的缩回位置显著减小磁体和靶筒的磁性靶材之间的磁力。当磁棒组件在靶筒中时，磁棒结构的展开位置显著增加磁体和磁性靶材之间的磁力，并且允许来自磁棒结构的磁场穿透磁性靶材。

附图说明

图1A是根据一个实施例的用于旋转靶阴极的磁棒组件的透视图；

图1B是处于缩回位置的图1A的磁棒组件的横截面侧透视图；

图1C是处于展开位置的图1A的磁棒组件的横截面侧透视图；

图1D是沿着图1A的线1E-1E截取的处于缩回位置的图1A的磁棒组件的横截面端部透视图；

图1E是沿着图1A的线1E-1E截取的处于展开位置的图1A的磁棒组件的横截面端部透视图；

图2A是根据另一实施例的用于旋转靶阴极的磁棒组件的透视图；

图2B是处于缩回位置的图2A的磁棒组件的横截面侧透视图；

图2C是处于展开位置的图2A的磁棒组件的横截面侧透视图；

图2D是沿着图2A的线2E-2E截取的处于缩回位置的图2A的磁棒组件的横截面端部透视图；

图2E是沿着图2A的线2E-2E截取的处于展开位置的图2A的磁棒组件的横截面端部透视图；

图3A是根据另一实施例的用于可旋转靶阴极的磁棒组件的透视图；

图3B是处于缩回位置的图3A的磁棒组件的横截面侧透视图；

图3C是处于展开位置的图3A的磁棒组件的横截面侧透视图；

图3D是沿着图3A的线3E-3E截取的处于缩回位置的图3A的磁棒组件的横截面端部透视图；以及

图3E是沿着图3A的线3E-3E截取的处于展开位置的图3A的磁棒组件的横截面端部透视图。

具体实施方式

本文公开并且描述了为具有磁性靶材的溅射源提供磁力释放的各种装置和方法。本技术提供了用于将磁棒的磁体从磁性靶材缩回的机构，允许将磁棒容易地插入旋转靶阴极的靶筒中和从旋转靶阴极的靶筒移除。

提供可替代的定位机构来相对于磁性靶材移动磁棒，使得当磁棒处于缩回位置时，这减小了磁棒和磁性靶材之间的磁力，使得磁棒能够容易地插入靶筒和从靶筒移除。定位机构还可操作以在展开位置移动磁棒更靠近靶筒，使得磁场能够穿透靶材，用于在靶筒的外表面上发生溅射过程。

本技术提供了各种优点和益处。例如，不需要外部磁棒插入或移除工具来从靶管安装或移除固定磁棒。此外，不需要昂贵的遥控设备，因为当靶筒被卸载到端块时，磁棒被机械地展开或缩回。

本技术可以在用于旋转靶阴极的磁棒组件中实现，磁棒组件包含可移动地附接到支撑结构的磁棒结构，以及可操作地耦接到支撑结构和磁棒结构的定位机构。定位机构被配置为在缩回位置和展开位置之间移动磁棒结构。当磁棒组件插入靶筒或从靶筒移除时，磁棒结构的缩回位置显著减小了磁棒结构和靶筒的磁性靶材之间的磁力。减小的磁力显著减小了磁棒组件和靶筒内表面之间的摩擦力，允许操作者更容易地插入和移除。

在一些实施例中，当磁棒结构处于展开位置时，在磁棒结构和靶筒之间存在约1mm至约3mm的间隙。当磁棒结构从展开位置移动到缩回位置时，磁棒结构和靶筒之间的间隙增加约10mm至约20mm。

磁棒组件的支撑结构可以基本上是刚性的，以便在处于展开位置时精确地限制磁棒结构和靶筒之间的距离。还可以提供冷却剂路径，以允许冷却剂供应并返回而仅位于靶筒的一侧。

当磁棒组件在靶筒中时，磁棒结构的展开位置显著增加磁体和磁性靶材之间的磁力，以允许来自磁棒结构的磁场穿透磁性靶材。当磁棒结构处于展开位置时，在磁性靶材的表面上产生的磁场需要足够强以磁性限制等离子体并且实现标准磁性限制溅射过程。为了用足够的磁场使磁性靶材饱和以在靶表面上产生磁限制，需要将磁棒结构的强磁体保持在靶表面附近，这在磁体和磁性靶材之间产生相当大的吸引力。

为了减小磁棒结构和磁性靶材之间的磁力，可以实现定位机构的替代实施例，其允许磁棒结构从靶筒内表面缩回以用于插入和移除。一旦磁棒在靶筒内处于正确位置，定位机构就被用来将磁棒结构移动到展开位置。磁棒结构的定位可以在磁棒组件位于靶筒内部时进行，然后将靶筒安装到旋转靶阴极的端块上。磁棒结构到展开位置的定位也可以在靶筒已经安装到旋转靶阴极的端块之后进行。定位可以通过机械、电、气动、液压或磁力的任意组合来实现。定位机构被配置为提供磁棒结构的完全展开或完全缩回位置。

除了定位机构之外，还可以提供一个或多个调节机构，用于当磁棒结构在靶筒外部时的磁场微调。例如，当磁棒组件在靶筒外部时，调节机构可以沿着支撑结构的长度提供独立调节，以提供对靶筒表面上磁场均匀性的调节。

在一个实施例中，定位机构由机械联动组件提供。在另一个实施例中，定位机构由橡胶弹簧和可膨胀气囊组件提供。在另一实施例中，定位机构由没有弹簧的可膨胀气囊提供。

在替代实施例中，用于旋转靶阴极的磁棒组件包括支撑结构、附接到支撑结构的磁棒结构以及磁力应变消除组件。应变消除组件包含在第一端耦接到支撑结构的应变消除端块连接件，以及在与第一端相对的第二端耦接到支撑结构的应变消除端帽连接件。应变消除组件防止磁棒组件和磁性靶筒之间的磁力传递到端块连接件和端帽连接件。

下面参照附图描述各种示例性实施例。

图1A-1E示出了根据一个实施例的用于旋转靶阴极的磁棒组件100的各种视图。通常地，磁棒组件100包含刚性细长支撑结构102和可移动地附接到支撑结构102的磁棒结构104。磁棒结构104包含附接到磁轭108的基本平行的磁体行106的阵列。使用定位机构，磁棒结构104可在缩回位置(图1B和1D)和展开位置(图1C和1E)之间移动，这将在下文中描述。定位机构被配置为相对于可旋转靶筒的内表面移动磁棒结构104，使得磁棒结构104可在缩回位置和展开位置之间移动。

支撑结构102包含一对相对的侧板110、112和耦接在侧板110、112之间的顶板114，诸如通过一组螺栓116。一对相对的端板118、120各自可移动地耦接到顶板114，诸如通过一组螺栓122。多个辊124可移动地连接到侧板110、112。辊124被配置为在旋转靶阴极的操作期间保持磁棒结构104远离靶筒的内表面。行程限制导向销126位于侧板110的狭槽128中，并且可操作以保持磁棒结构104正确定位。

一对刚性冷却剂管130、132各自连接在端板110、112之间和顶板114上方。应变消除端块连接件134耦接到端板118，以及应变消除端帽连接件138耦接到端板120。如图1B和1C所示，冷却剂管130、132穿过端板118中的通道136与端块连接件134连通。此外，冷却剂管130、132穿过端板120中的通道140与端帽连接件138连通。

端块连接件134和端帽连接件138的应变消除由端板118和120提供，这两个端板能够在旋转靶阴极的操作期间沿着螺栓122上下移动。这种结构允许端块连接件134、端帽连接件138和冷却剂管130、132与端板118和120一起移动。这使得靶筒和磁体之间的磁力的应力不会传递到旋转靶阴极的端块或端帽衬套上的中央公用轴上。相反，磁力从磁体传递到支撑结构102，然后穿过辊124并且进入靶筒。

磁棒组件100的定位机构包含耦接到支撑结构102和磁棒结构104的机械联动组件。机械联动组件包括一组联动耦接杆144，所述联动耦接杆组可移动地连接在磁棒结构104上的一组定位联动构件146(图1B和1C)以及一组与支撑结构102耦接的联动销148之间(图1D和1E)。定位螺钉150可移动地耦接到机械联动组件，以在缩回位置和展开位置之间改变磁棒结构104的位置。多个磁棒扭转限制器152(图1B和1C)耦接到磁棒结构104的磁轭108，以防止在旋转靶阴极的操作期间磁棒结构104的横向运动。

图2A-2E示出了根据另一实施例的用于旋转靶阴极的磁棒组件200的各种视图。通常地，磁棒组件200包含刚性细长支撑结构202和可移动地附接到支撑结构202的磁棒结构204。磁棒结构204包含附接到磁轭208的基本平行的磁体行206的阵列。使用下面描述的定位机构，磁棒结构204可在缩回位置(图2B和2D)和展开位置(图2C和2E)之间移动。定位机构被配置为相对于可旋转靶筒的内表面移动磁棒结构204，使得磁棒结构204可在缩回位置和展开位置之间移动。

支撑结构202包含一对相对的侧板210、212和耦接在侧板210、212之间的支撑块214，诸如通过一组紧固件216。一对相对的端板218、220各自可移动地耦接在侧板210、212之间，诸如通过一组位于相应槽223中的螺栓222。多个辊224可移动地连接到侧板210、212，以将磁棒结构204保持远离靶筒的内表面。

应变消除端块连接件226耦接到端板218，以及应变消除端帽连接件228耦接到端板220。端块连接件226和端帽连接件228的应变消除由端板218和220提供，这两个端板能够在旋转靶阴极的操作期间利用螺栓222沿着螺栓223上下移动。

定位机构包含耦接到支撑结构202和磁棒结构204的弹簧和气囊组件。弹簧和气囊组件包括位于支撑块214中的多个垂直通道234中的一组压缩弹簧232。一组致动螺栓236延伸穿过每个垂直通道234，并且与弹簧232接合，同时还耦接到磁棒结构204。弹簧和气囊组件还包含柔性冷却剂管240，其也用作可膨胀气囊。柔性冷却剂管240耦接在支撑块214下方的端块连接件226和端帽连接件228之间(图2B和2C)。

当柔性冷却剂管240在两端打开时，压缩弹簧232被偏置以将螺栓236和磁棒结构204向上拉至缩回位置。(图2B和2D)。当柔性冷却剂管240在两端关闭并且加压时，磁棒结构204被向下推离支撑结构202进入展开位置。(图2C和2E)。

当处于展开位置时，弹簧232被压缩，耦接到支撑结构202的位置锁定机构可被接合以将弹簧232保持在展开位置，允许柔性冷却剂管240被减压并在两端处打开。例如，位置锁定机构可以包含一组展开锁定棒242，其可以在螺栓236上滑动以将弹簧232锁定就位。当磁棒结构204处于展开位置且柔性冷却剂管242的端部打开时，柔性冷却剂管242可以用作冷却剂供应或返回路径。位置锁定机构可以脱离，以允许弹簧232在需要时将磁棒结构204移回缩回位置。

弹簧和气囊组件提供故障安全操作，因为如果柔性冷却剂管240在加压状态下发生故障，来自弹簧232的储存能量将被释放，这将自动将螺栓236和磁棒结构204拉回到缩回位置。

此外，通过将螺栓236拧入和拧出磁棒结构204，可以调节磁棒结构204和弹簧232之间的展开距离。这允许沿着磁棒结构204的长度进行调节，以提供对靶筒的表面上的磁场均匀性的调节。

图3A-3E示出了根据另一实施例的用于旋转靶阴极的磁棒组件300的各种视图。通常地，磁棒组件300包含刚性细长支撑结构302和可移动地附接到支撑结构302的磁棒结构304。磁棒结构304包含附接到磁轭308的基本平行的磁体行306的阵列。使用下文描述的定位机构，磁棒结构304可在缩回位置(图3B和3D)和展开位置(图3C和3E)之间移动。定位机构被配置为相对于可旋转靶筒的内表面移动磁棒结构304，使得磁棒结构304可在缩回位置和展开位置之间移动。

支撑结构302包含多个夹层结构中的支撑板310，其通过一组支撑结构螺钉312保持在一起。支撑板310限定了延伸穿过支撑结构302的内部冷却剂通道314。一对相对的端板316、318分别耦接到支撑板310的每一端，诸如通过一组螺钉320。多个辊322可移动地连接到支撑板310，以将磁棒结构304保持远离靶筒的内表面。

具有宽松间隙的应变消除端块连接件324耦接到端板316，以及具有宽松间隙的应变消除端帽连接件326耦接到端板318。例如，在每个连接件324、326处的宽松间隙可以由橡胶定心o形环328提供。

定位机构包含耦接到支撑结构302和磁棒结构304的气囊组件。气囊组件包括位于支撑板310上方的收缩气囊332，以及位于收缩气囊332上方的磁棒致动板334。磁棒致动板334通过穿过支撑板310的多个螺栓336耦接到磁棒结构304的磁轭308。一组磁棒均匀性调节螺母338，每个螺母耦接到所述螺栓336中的相应螺栓，将磁棒致动板334保持在收缩气囊332上方的适当位置，并且允许沿着磁棒结构304的长度进行调节，以调节靶筒的表面上的磁场均匀性。气囊填充口340耦接到收缩气囊332，以从气源提供气体，从而扩张收缩气囊332。如图3E所示，支撑结构螺钉312限制磁棒致动板334的展开运动。

当膨胀时，收缩气囊332向上推动磁棒致动板334，所述磁棒致动板反过来将螺栓336和磁棒结构304向上拉到缩回位置。(图3B和3D)。当收缩气囊332放气时，磁棒致动板334将螺栓336和磁棒结构304向下推到展开位置。(图3C和3E)。

实例实施例

实例1包含用于旋转靶阴极的磁棒组件，所述磁棒组件包括：支撑结构；可移动地附接到支撑结构的磁棒结构，所述磁棒结构包含多个磁体；以及可操作地耦接到支撑结构和磁棒结构的定位机构，所述定位机构被配置为在缩回位置和展开位置之间移动磁棒结构；，其中当磁棒组件插入靶筒或从靶筒移除时，磁棒结构的缩回位置显著减小磁体和靶筒的磁性靶材之间的磁力；其中当磁棒组件在靶筒中时，磁棒结构的展开位置显著增加磁体和磁性靶材之间的磁力，并且允许来自磁棒结构的磁场穿透磁性靶材。

实例2包含实例1的磁棒组件，其进一步包括可移动地连接到支撑结构的多个辊，这些辊被配置为保持磁棒结构远离靶筒的内表面。

实例3包含实例1-2中任一项的磁棒组件，其进一步包括磁力应变消除组件。

实例4包含实例3的磁棒组件，其中磁力应变消除组件包括在第一端处耦接到支撑结构的应变消除端块连接件；以及在与第一端相对的第二端处耦接到支撑结构的应变消除端帽连接件；其中应变消除组件防止磁棒组件和磁性靶筒之间的磁力传递到端块连接件和端帽连接件。

实例5包含实例1-4中任一项的磁棒组件，其中支撑结构基本上是刚性的，以在处于展开位置时精确地限制磁棒结构和靶筒之间的距离。

实例6包含实例1-5中任一项的磁棒组件，其进一步包括冷却剂路径，以允许冷却剂供应并返回而仅位于靶筒的一侧。

实例7包含实例1-6中任一项的磁棒组件，其进一步包括一个或多个调节机构，所述调节机构被配置为当磁棒组件在靶筒外部时，沿支撑结构的长度提供独立调节，以提供对靶筒的表面上的磁场均匀性的调节。

实例8包含实例1-7中任一项的磁棒组件，其中定位机构使用机械、电、气动、液压或磁力机构中的一种或多种来致动。

实例9包含实例1-8中任一项的磁棒组件，其中定位机构包括耦接到支撑结构和磁棒结构的机械联动组件。

实例10包含实例9的磁棒组件，其进一步包括可移动地耦接到机械联动组件的定位螺钉，以在缩回位置和展开位置之间改变磁棒结构的位置。

实例11包含实例1-8中任一项的磁棒组件，其中定位机构包括耦接到支撑结构和磁棒结构的弹簧和可膨胀气囊组件。

实例12包含实例11的磁棒组件，其中弹簧和可膨胀气囊组件包括一组耦接到支撑结构和磁棒结构的压缩弹簧；一组耦接到磁棒结构的致动螺栓，其延伸穿过支撑结构和压缩弹簧，并且与压缩弹簧接合；以及包括可膨胀气囊的柔性冷却剂管，其耦接在支撑结构和磁棒结构之间。

实例13包含实例12的磁棒组件，其中磁棒结构和压缩弹簧之间的展开距离可通过将致动螺栓拧入和拧出磁棒结构来调节，以允许沿着磁棒结构的长度进行调节，从而提供对靶筒的表面上的磁场均匀性的调节。

实例14包含实例12-13中任一个的磁棒组件，其中当柔性冷却剂管在两端处打开时，压缩弹簧被偏置以将致动螺栓和磁棒结构拉到缩回位置；并且当柔性冷却剂管在两端处闭合并且加压时，磁棒结构被从支撑结构推离到展开位置。

实例15包含实例14的磁棒组件，其中当磁棒结构通过加压柔性冷却剂管移动到展开位置时，耦接到支撑结构的位置锁定机构可被接合以将压缩弹簧保持在展开位置，允许柔性冷却剂管被减压并在两端处打开；当磁棒结构处于展开位置并且柔性冷却剂管端部打开时，冷却剂管用作冷却剂供应或返回路径；并且当磁棒结构处于展开位置时，位置锁定机构可以脱离，以将磁棒结构移回到缩回位置。

实例16包含实例1-8中任一项的磁棒组件，其中定位机构包括耦接到支撑结构和磁棒结构的气囊组件。

实例17包含实例16的磁棒组件，其中气囊组件包括位于与磁棒结构相对的支撑结构的一侧的收缩气囊；以及磁棒致动板，其被定位成将收缩气囊夹在磁棒致动板和支撑结构之间，磁棒致动板通过穿过支撑结构的多个螺栓耦接到磁棒结构。

实例18包含实例17的磁棒组件，其中当膨胀时，收缩气囊推动磁棒致动板，所述磁棒致动板反过来将螺栓和磁棒结构拉到缩回位置；并且当收缩气囊放气时，磁棒致动板将螺栓和磁棒结构推到展开位置。

实例19包含实例17-18中任一项的磁棒组件，其进一步包括一组磁棒均匀性调节螺母，每个螺母耦接到所述螺栓中的相应螺栓，以允许沿着磁棒结构的长度进行调节，从而提供对靶筒的表面上的磁场均匀性的调节。

实例20包含用于旋转靶阴极的磁棒组件，所述磁棒组件包括：支撑结构；附接到支撑结构的磁棒结构，所述磁棒结构包含多个磁体；以及磁力应变消除组件，其包括在第一端处耦接到支撑结构的应变消除端块连接件，以及在与第一端相对的第二端处耦接到支撑结构的应变消除端帽连接件；其中应变消除组件防止磁棒组件和磁性靶筒之间的磁力传递到端块连接件和端帽连接件。

虽然已经描述了许多实施例，但是应当理解的是，所描述的实施例仅被认为是说明性的，而不是限制性的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种修改。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。出现在权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都将包含在它们的范围内。

Claims (10)

1.一种用于旋转靶阴极的磁棒组件，所述磁棒组件包括：

支撑结构；

磁棒结构，其可移动地附接到所述支撑结构，所述磁棒结构包含多个磁体；以及

定位机构，其可操作地耦接到所述支撑结构和所述磁棒结构，所述定位机构被配置为在缩回位置和展开位置之间移动所述磁棒结构，所述定位机构包括耦接到所述支撑结构和所述磁棒结构的弹簧和可膨胀气囊组件，其中所述弹簧和可膨胀气囊组件包括：

一组压缩弹簧，所述压缩弹簧耦接到所述支撑结构和磁棒结构；

一组致动螺栓，所述致动螺栓耦接到所述磁棒结构，所述致动螺栓延伸穿过所述支撑结构和所述压缩弹簧，并且与所述压缩弹簧接合；以及

柔性冷却剂管，所述柔性冷却剂管包括耦接在所述支撑结构和所述磁棒结构之间的可膨胀气囊；

其中当所述磁棒组件插入靶筒或从所述靶筒移除时，所述磁棒结构的所述缩回位置减小所述磁体和所述靶筒的磁性靶材之间的磁力；

其中当所述磁棒组件处于所述靶筒中时，所述磁棒结构的所述展开位置增加所述磁体和所述磁性靶材之间的磁力，并且允许来自所述磁棒结构的磁场穿透所述磁性靶材。

2.根据权利要求1所述的磁棒组件，其进一步包括可移动地连接到所述支撑结构的多个辊，所述辊被配置为保持所述磁棒结构远离所述靶筒的内表面。

3.根据权利要求1所述的磁棒组件，其进一步包括磁力应变消除组件。

4.根据权利要求3所述的磁棒组件，其中所述磁力应变消除组件包括：

应变消除端块连接件，其在第一端处耦接到所述支撑结构；以及

应变消除端帽连接件，其在与所述第一端相对的第二端处耦接到所述支撑结构；

其中所述应变消除组件防止所述磁棒组件和磁性靶筒之间的磁力传递到所述端块连接件和所述端帽连接件。

5.根据权利要求1所述的磁棒组件，其中所述支撑结构是刚性的，以当处于所述展开位置时限制所述磁棒结构和所述靶筒之间的距离。

6.根据权利要求1所述的磁棒组件，其中所述柔性冷却剂管提供冷却剂路径，以允许冷却剂供应并返回而仅位于所述靶筒的一侧。

7.根据权利要求1所述的磁棒组件，其进一步包括一个或多个调节机构，所述调节机构被配置为当所述磁棒组件在所述靶筒外部时，沿所述支撑结构的长度提供独立调节，以提供对所述靶筒的表面上的磁场均匀性的调节。

8.根据权利要求1所述的磁棒组件，其中所述磁棒结构和所述压缩弹簧之间的展开距离能够通过将所述致动螺栓拧入和拧出所述磁棒结构来调节，以允许沿着所述磁棒结构的长度进行调节，从而提供对所述靶筒的表面上的磁场均匀性的调节。

9.根据权利要求1所述的磁棒组件，其中：

当所述柔性冷却剂管在两端处打开时，所述压缩弹簧被偏置以将所述致动螺栓和所述磁棒结构拉到所述缩回位置；以及

当所述柔性冷却剂管在两端处闭合并且加压时，所述磁棒结构被从所述支撑结构推离到所述展开位置。

10.根据权利要求9所述的磁棒组件，其中：

当所述磁棒结构被加压的所述柔性冷却剂管移动到所述展开位置时，耦接到所述支撑结构的位置锁定机构能够被接合以将所述压缩弹簧保持在所述展开位置，允许所述柔性冷却剂管被减压并在两端处打开；

当所述磁棒结构处于所述展开位置并且所述柔性冷却剂管端部打开时，所述冷却剂管用作冷却剂供应或返回路径；并且

当所述磁棒结构处于所述展开位置时，所述位置锁定机构能够脱离，以将所述磁棒结构移回到所述缩回位置。

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