CN112912990A - 带有用于监测和控制的控制器的磁控管 - Google Patents

带有用于监测和控制的控制器的磁控管 Download PDF

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Abstract

本文描述了一种用于溅射设备的磁控管结构。磁控管结构包括磁控管(100，200，300，401)和刚性地连接到磁控管(100，200，300，401)的控制器(106，206，301，402)。控制器(106，206，301，402)适于至少部分地控制溅射单元的状况和/或功能。

Description

带有用于监测和控制的控制器的磁控管
技术领域
本发明涉及用于从靶溅射材料以覆盖衬底的溅射单元。更具体而言，本发明涉及磁控管结构或包括这种磁控管结构的溅射单元，其允许监测和控制溅射单元的功能或状况。
背景技术
在诸如集成电路制造、大面积玻璃涂布以及现在越来越多地用于平板显示器涂布的广泛技术领域中，从靶溅射材料以覆盖衬底已经成为习惯做法。这种溅射在减压气氛下进行，其中，溅射或反应性气体或两者的混合物以受控的方式进入。在磁约束跑道中跳跃的自由电子电离靶表面附近的气体原子或分子。这些离子随后被加速朝向负偏压的靶，从而撞出靶原子，并给它们足够的动能到达衬底并涂布衬底。跑道的形状由静磁阵列限定，靠近与正被溅射表面相反的靶表面。由于磁阵列的存在，这种沉积过程通常被称为“磁控管溅射”。
已经考虑具体的应用来开发、设计和构建大量的设备。第一个较小的磁控溅射单元使用静止的平面靶，最初普遍是圆形的(即，像在其上进行溅射的硅晶片)。后来，用于涂布在靶下方经过的较大衬底的细长矩形形状也变得可用(例如，如美国专利No.3,878,085中所描述)。这种细长的平面靶现在通常在用于制造液晶显示器(LCD)和等离子屏幕等平板显示器的专用“显示器涂布器”中使用。这些平面靶通常安装在设备的入口门上；靶表面易于接近(在门打开的情况下)并且横跨衬底的宽度，甚至在衬底宽度上延伸。在显示器涂布机中，待涂布的衬底在相对于竖向方向以一定倾斜角(7至15°)下在下方保持，并靠在输送系统上。因为为了获得均匀的涂层，靶必须平行于衬底，所以靶必须以基本相同的角度安装。
静止靶易于冷却和激励(因为它们相对于设备是静态的)，但它们的缺点是靶材料只能在跑道下面被侵蚀掉。因此，靶的可用寿命被限制在靶第一次被刺穿之前的那个时间点。不均匀侵蚀的问题可以通过引入相对于靶表面旋转(例如，在美国专利No.4,995,958中针对于圆形平面磁控管介绍)或相对于靶表面平移(例如，如美国专利No.6,322,679中针对细长平面磁控管所描述)的磁体阵列来解决。这种构造虽然在很大程度上缓解了不均匀侵蚀的问题，但却使系统更加复杂。
用于例如向窗玻璃涂布各种功能涂层的堆叠的大面积涂布机通常配备有旋转的圆柱形溅射靶。在这种应用中，经济驱动力是低材料成本和良好品质的生产能力。旋转圆柱形靶是这方面的理想选择，因为它们可以跨越很大的宽度，并可以使用很长一段时间。代价是靶本身相对于设备旋转，因此需要复杂且占用空间的“端块”来承载、旋转、激励、冷却和隔离(冷却剂、空气和电力)旋转靶，同时将磁体阵列保持在内部，被固定或可能旋转地配置。存在几种类型的布置，例如双直角端块、单直通端块或单角度端块。
双直角端块，如美国专利No.5,096,562(图2、图6)和US2003/0136672A1中所公开，其中，用于承载、旋转、激励、冷却和隔离(空气、冷却剂和电力)的构件被分成两个块，位于靶的任一端。直角意味着端块安装在平行于靶旋转轴线的壁上。这些端块通常安装在包含辅助器械的顶盒底部。带有端块和安装靶的顶盒可以整体地被提升出大面积涂布机，以便于靶的替换和维护。
在诸如美国专利No.5,200,049(图1)中公开单直通端块，其中用于承载、旋转、激励、冷却和隔离的构件都并入在一个端块中，并且靶以悬臂方式保持在大面积涂布机内。“直通”是指靶的旋转轴线垂直于上面安装有端块的壁。还描述了“半悬臂”布置(美国专利No.5,620,577)，其中离端块最远的靶的端部由机械支承件保持(在该支承件中没有并入任何其他功能)。
对磁控管提供的不同功能(用于平面靶或圆柱形靶)的控制，或者更一般地，对目前溅射单元的不同功能的控制，通常使用溅射单元外部的控制器来执行。因此，通过信号传输电缆将控制信号从溅射单元外部的控制器传输到真空中的磁控管来执行控制。
此外，尽管使用传感器来感测溅射单元的性质是已知的，但是仍有改进对溅射单元的监测的空间。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供磁控管结构，和/或提供包括这种磁控管结构的溅射单元，以允许对溅射单元或由这种单元执行的溅射过程的功能和/或状况进行良好的监测和/或控制。
本发明实施例的一个优点是提供磁控管结构和/或提供包括这种磁控管结构的溅射单元，其使得安装容易，因为在安装磁控管时，溅射单元中的至少部分监测和/或控制功能是自动安装的。
本发明的实施例的一个优点是提供磁控管结构和/或提供包括这种磁控管结构的溅射单元，其允许在维护期间更容易地修改磁控管结构，因为关于操作的信息，包括正常操作的偏差，可以从磁控管结构获得，甚至当从溅射单元拆卸时。这样，可以例如更为容易地检测到错误操作。
本发明的实施例的一个优点是可以例如在修改磁控管期间容易地检测磁控管部件的错误状态。修改磁控管可以有利地在磁控管或溅射单元的功能和/或状况的监测数据随时间推移而可用的实施例中执行。在本发明的实施例中，这种数据可以有利地在磁控管本身中获得，使得在修改磁控管期间可以容易地访问这些数据。由于可以监测部件的实际使用时间，这允许部件的主动替换，或者允许部件维持更长时间操作。
在第一方面，提供一种用于溅射设备的磁控管结构。磁控管结构包括磁控管和控制器，控制器可以实施为集成电路，控制器刚性地连接到磁控管。可以实施为集成电路的控制器被配置(例如，编程)用于至少部分地控制溅射设备的状况和/或功能。控制器可以是微控制器。在一些实施例中，控制器可以是低压微控制器。本发明实施例的一个优点在于，控制器实际上可以执行数据处理，使得溅射设备的状况或功能可以由控制器控制。
控制器可以另外适于进一步至少部分地执行溅射设备的状况和/或功能的监测。
本发明实施例的一个优点在于，至少部分数据处理可以集成在磁控管内。本发明实施例的一个优点是不需要人为交互来处理数据。
在本发明的一些实施例中，磁控管结构的控制器(例如集成电路)包括数据处理器，用于将信号处理成数据，或者将数据处理成信号。
在本发明的一些实施例中，控制器(例如集成电路)还包括数据存储装置，用于存储与溅射设备的状况和/或功能的至少部分监测和/或控制相关的数据。
实施例的一个优点在于，关于溅射设备随时间的状况和/或功能的监测和/或控制的数据可以在本地存储。本发明的实施例的一个优点在于，关于溅射设备的状况或功能的信息存储在磁控管中，使得在修改期间或故障时，可以评估溅射设备的状况或功能。本发明的实施例的一个优点在于，可以存储数据并与在不同时刻获得的数据进行比较，从而获得溅射设备状况的动态监测，允许长期跟踪和早期检测恶化的状况(例如密封老化)。
在本发明的一些实施例中，磁控管是适于支承管状(例如，圆柱形)磁棒和溅射靶的端块。
在一些实施例中，磁控管可以适于安装平面靶和从平面靶溅射。
在本发明的一些实施例中，磁控管结构还包括传感器，用于感测与溅射设备或溅射过程相关的传感器信号。控制器(例如集成电路)适于接收和处理来自传感器的信号。
本发明的实施例的一个优点在于，可以在原位和在使用溅射设备期间监测过程、靶或任何其他子系统(例如轴承或冷却系统)的状态。
在本发明的一些实施例中，控制器(例如集成电路)还包括用于与溅射设备的真空部分外部的控制器交换数据的通信部件。在一些特定实施例中，通信部件适于执行无线通信(使用WIFI通信、蓝牙通信、光通信或任何其他类型的EM辐射中的任何一种)或执行有线通信(使用光纤通信或电通信中的任何一种)。
通信部件可以包括连接器，用于在溅射设备的外部非真空部分与控制器(例如集成电路)之间交换数据。
本发明实施例的一个优点在于，用于读取数据或激活警报的读出器和/或命令输入可以与磁控管组合使用。
在本发明的一些实施例中，磁控管还包括用于控制至少一个致动器的控制器，该致动器用于调整与溅射设备中的溅射过程相关的参数。
本发明实施例的一个优点是可以获得过程的自动化。
此外，控制器可以适于在期望的窗口内控制至少一个致动器，用于调整参数。
本发明的实施例的一个优点在于，处理器可以在一定范围内自动控制参数，并且减少了人为交互的需要，因此可以实现与外部的高度独立性。
在本发明的一些实施例中，磁控管结构还包括为控制器(例如集成电路)供电的电源。电源可以是电池，或适于从冷却流体流或靶管的供电中获得电力的电力提取器。
在本发明的一些实施例中，控制器(例如集成电路)的供电基于从溅射设备的外部非真空部分的有线连接。
本发明的一些实施例的一个优点是避免使用电池，因此不需要太多的维护。
在本发明的一些实施例中，磁控管包括用于保持靶的顶部部分和能够附连到顶部部分的底部部分。控制器(例如集成电路)可以刚性地连接到底部部分。
本发明实施例的一个优点是控制器(例如集成电路)很容易从单元外部接近，便于安装和维护。
在本发明的一些实施例中，磁控管结构包括无线连接器，该无线连接器包括用于在系统外部传输数据的天线。
本发明的实施例的一个优点是不需要与外部控制系统(例如计算机)的有线连接，从而获得高度紧凑的端块，而不需要额外的导线用于数据传输，无论是在单元内部还是外部。
本发明实施例的一个优点是单个连接(例如，单个有线连接，或者甚至单个无线连接)可以用于给控制器例集成电路供电并向控制器(例如集成电路)和自控制器(例如集成电路)交换数据，从而通过减少与外部控制和/或电源的连接来简化端块系统。替代地，可以使用不同的连接或多线连接。
在本发明的一些实施例中，数据是冷却液相关信息、溅射电力相关信息、磁学相关信息、磁控管状况相关信息或靶驱动相关信息中的任何一种或其组合。
冷却液相关信息可以是冷却液输入温度、冷却液输出温度、冷却液压力、冷却液流率或冷却液电阻率中的任何一个或其组合，但不限于此。溅射电力相关信息可以是朝向靶的电压、特定部分上例如通过感应的电压、通过系统的电流、频谱内容或阻抗中的任何一种或其组合，但不限于此。磁学相关信息可以是磁体配置的类型、磁体配置的定位(例如像平移或旋转位置或移动速度的全局定位)、或者局部定位、温度或磁强度中的任何一种或其组合，但不限于此。磁控管状况相关信息可以是靠近靶的温度、磁控管特定部分的温度、系统内部的压力、湿度或冷却液中的任何一种或其组合，但不限于此。靶驱动相关信息可以是旋转或移动速度、操作寿命、驱动单元电流或随时间或温度变化的扭矩水平中的任何一个或其组合，但不限于此。
控制器(例如集成电路)可以在使用时提供便于维护的信息，给出关于其状态和所需预防性维护的预计时刻的信息。
控制器(例如集成电路)可以在修改时提供便于维护的信息，以理解历史数据，从而便于适当的修改和维护。
在第二方面，提供一种溅射设备，该设备包括根据第一方面的任何实施例的磁控管结构和磁体配置。
在第三方面，提供控制器(例如集成电路)在磁控管结构中的用途，用于至少部分地控制溅射设备的状况和/或功能。控制器还可以被配置用于至少部分地监测溅射设备的状况和/或功能。
本发明实施例的一个优点在于，具有处理能力的电路可以与磁控管组合使用。通过减少设置障碍，例如软件安装、外部计算系统与来自溅射单元的传感器的多个连接器之间的连接等，这允许容易的控制和/或读出接口。可以获得高度紧凑和“智能”的磁控管。
在所附的独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征组合，而不仅仅是如权利要求中明确阐述的那样。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显明并得以阐释。
附图说明
图1以分解图示出了根据本发明实施例的磁控管结构，包括马达。
图2以分解图示出了根据本发明实施例的磁控管结构，包括冷却(子)系统。
图3示出了根据本发明实施例的具有集成电路的端块的前视图，朝向可以附连靶的环观察。
图4示出了根据本发明的实施例的端块的立体图，其中，为了更好的可视化，移除了一部段，示出了包括集成电路的集成模块的示例性放置。
附图仅是示意性的，并且是非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且没有按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。
具体实施方式
本发明将参考特定实施例并参考某些附图进行描述，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求来限定。尺寸和相对尺寸并不对应于实施本发明的实际缩减。
此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二等用于区分相似的元件，而不一定用于描述时间、空间、等级或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或示出的其他顺序操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、在下方等用于描述目的，不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够在除了这里描述或示出的其他取向上操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的构件；它不排除其他元件或步骤。因此，它将被解释为规定所提及的所叙述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件或其组的存在或添加。因此，术语“包括”涵盖仅存在所叙述特征的情况以及存在这些特征和一个或多个其他特征的情况。因此，表述“包括构件A和构件B的装置”的范围不应被解释为限于仅由部件A和部件B组成的装置。这意味着就本发明而言，装置的仅相关的部件是A和B。
在整个说明书中提及“一个实施例”或“一实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在本说明书各处的出现不一定都指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，这对于本领域普通技术人员从本公开中显而易见。
类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，出于简化公开和帮助理解各种发明方面中的一个或多个方面的目的，本发明的各种特征有时被组合在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明需要比每个权利要求中明确陈述的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，在详细描述之后的权利要求由此被明确地并入到该详细描述中，每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。
此外，虽然这里描述的一些实施例包括一些特征但不包括其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的。例如，在以下权利要求中，要求保护的实施例中任一个可以以任何组合使用。
在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，没有这些具体细节也可以实施本发明的实施例。在其他情况下，为了不模糊对本说明书的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。
在本发明的实施例中，提及磁控管结构，提及磁控管和与之刚性地连接的控制器(例如集成电路)。集成电路可以位于磁控管内部，或者可以附连到磁控管、其特定部分或其壳体。磁控管可以包括用于在其上安装靶的顶部部分、壳体和用于将磁控管安装到溅射单元的其余部分的底部部分。控制器(例如集成电路)可以刚性地附连到顶部部分、壳体或底部部分，或者位于这些部件中的任何一个的内部。
此外，当提及磁控管结构时，可能提及用于平面靶的系统以及用于圆柱形靶的系统。在后一种情况下，磁控管结构也可以称为端块结构，磁控管可以称为端块。在一些具体实施例中，顶部部分可以对应于用于安装圆柱形靶和/或相对应磁棒的端块头。在这样的实施例中，底部部分也可以对应于底板，该底板通常用于将端块安装到溅射设备的其余部分。
磁控管结构的顶部部分可能暴露于等离子体的恶劣环境中(例如，加热，轰击，…)并且可能包含需要定期检查或维护的磁控管结构的所有关键部件；例如，包含磨损零件(例如，动态密封件、用于转移信号或电力的电刷、滑动和滚动零件……)或者需要清理或润滑、或任何其他干预的部件。顶部部分可由子组件组成或包括子组件，该子组件可容易地被移除或替换以进行修改和快速更换。这使得溅射设备的停机时间最小，而子组件的修改或更新可以在不影响溅射设备功能的情况下单独进行(在厂外，或在不一定与溅射设备相关的区域)。
底部部分可以更刚性地连接到溅射设备；例如，用螺栓固定在溅射设备的壁、覆盖物、盖子或一部分，例如真空腔室的一部分上。底部部分可能对老化不太敏感，可能较少暴露于恶劣环境，并且可能优选不需要任何定期检查或修改。它可以是与顶部部分形成接口的部分，用于允许溅射过程工作，但是在大多数情况下被认为属于溅射设备。因此，磁控管结构可以由单个大型构造组成，或者由这里描述的多个构造组成，具有顶部部分和底部部分。
在本发明的实施例中，提及溅射单元，提及包括磁控管结构和磁体配置的系统(即，在圆柱形靶系统的情况下是磁棒)。溅射单元通常可以位于真空腔室中，从而形成溅射设备的一部分。这种溅射设备中的其他部件可以是真空泵送系统、衬底保持器等并且为本领域技术人员所熟知。
在本发明的实施例中，提及信号处理或数据处理，可能提及改变、更改、计算信号或数据、对信号或数据应用预定算法等。在实施例中提及通信时，这可以包括发送、存储、检索等。
在第一方面，本发明涉及一种用于溅射设备的磁控管结构。磁控管结构包括磁控管和控制器，控制器可以实施为集成电路，控制器刚性地连接到磁控管。控制器被配置用于控制溅射设备的状况和/或功能。在一些实施例中，控制器还可以被配置用于至少部分地监测溅射设备的状况和/或功能。在一些特定实施例中，控制器可以包括用于将信号处理成数据或者将数据处理成信号的数据处理器。这种数据可以被存储和/或用于溅射设备的监测或控制。控制器可以是微控制器，例如低压微控制器。
应当注意，根据本发明的实施例，磁控管结构可以用于平靶，也可以用于圆柱形靶。在下文中，将经常提及与圆柱形靶一起使用的磁控管结构(在这种情况下，通过提及端块结构和端块)，因为这说明了在真空条件下在真空系统中使用的靶的移动方面的一些额外问题，其中可以有利地使用根据本发明实施例的监测和控制。然而，类似的教导可以在经过必要修改之后应用于平靶的结构，因此也是可以设想到的。
端块优选地作为单个单元可安装在溅射设备上，尽管也可以设想壁集成的端块。可随靶管一起移除的零件或可移除磁棒组件有时可能被认为不属于端块。端块的主要功能是携带靶。它也可以被配置为围绕旋转轴线旋转靶。由于溅射是在低气压下进行的，端块在旋转时必须始终确保气密。由于靶的溅射在靶表面产生大量热，靶必须被冷却，这通常用水或另一种合适的冷却剂或冷却流体来完成。这种冷却剂必须通过端块进给和排空。此外，必须向靶进给电流，以便将靶维持在某一电势以上。同样，电流必须通过端块。为了并入所有这些功能，端块可以包括不同的构件。
A.)用来使靶旋转的驱动构件(例如，驱动器)，例如蜗轮系统，或圆柱齿轮-齿轮系统，或圆锥形齿轮-齿轮交叉轴线系统，或皮带轮-皮带系统，或本领域已知的使靶旋转的任何其它构件。
B.)用于向靶提供电流的电接触构件(例如，可旋转接触件、连接器)。这可以通过配备电刷的电换向器来实现，电刷与换向器环滑动接触。代替电刷环布置，也可以使用两个彼此抵靠滑动的环，或者可以使用导电带类型的连接，例如金属带。后一种解决方案方便地将在电接触构件的径向方向组合驱动构件。
C.)轴承构件，例如轴承。根据靶的重量，可能需要多于一个轴承。本领域技术人员将容易从已知的不同类型中选择合适的轴承类型，例如滚珠轴承、滚柱轴承、滑动轴承、轴向轴承或本领域已知的任何其他类型。
D.)至少一个冷却剂密封件，例如，可旋转的冷却剂密封件。当端块的固定部分和可旋转部分相对于彼此转动时，这些冷却剂密封件确保冷却剂不会泄漏到端块中，或者更糟糕的是，泄漏到真空设备或溅射腔室中。为了降低这种风险，以级联方式引入了许多冷却剂密封件。通常唇形密封件用作冷却剂密封件，因为它们在本领域中是众所周知的。然而，其他类型的密封件，如机械端面密封或迷宫式密封，也不排除在外，但这并不是穷举。
E.)最后，可以包括至少一个真空密封件，例如可旋转的真空密封件。这些真空密封件在端块的固定部分和旋转部分相对于彼此旋转时确保真空的完整性。为了降低真空泄漏的风险，优选级联系列真空密封件——逐步保护真空。同样，不同的密封件是已知的，其中唇形密封件是最受欢迎的，尽管当然也可以使用其他类型的密封件，例如铁磁流体密封件。
如上所指示，磁控管可以包括通常托管上述不同构件的磁控管顶部部分、用于将磁控管安装到系统中并用于在溅射设备的真空侧与非真空侧之间进行连接的磁控管底部部分。
根据本发明的实施例，控制器(例如集成电路)刚性附连到磁控管，即，到顶部部分、底部部分或壳体。在一些实施例中，控制器可以位于磁控管的顶部部分或磁控管的底部部分内部。根据本发明的至少一些实施例，从信号到数据或从数据到信号的至少部分处理在控制器中执行。
在本发明的一些实施例中，信号，例如来自传感器的信号(传感器信号)可以在控制器中被接收，并被处理成用于监测或控制溅射设备或其部件的状态或溅射过程的状态的数据。该数据可以被进一步使用、存储或传送到另一个装置，例如在真空腔室外部的装置。磁控管结构因此也可以包括数据存储构件和/或数据通信构件。
在本发明的一些实施例中，可选地源自溅射设备的真空部分外部的控制数据也可以被转移到控制器并在控制器中进行处理，以在磁控管中产生控制信号，用于控制磁控管或溅射设备的部件。例如，可以从输入命令控制台(例如，溅射设备的真空部分外部)接收控制信号并进行处理。这些也可以被存储。控制器可以使用与控制单元或溅射过程的状态相关的控制数据来控制在溅射设备的真空部分(例如磁控管)内的致动器。
在一些实施例中，监测数据和控制数据都可以由磁控管的控制器处置。
在一些实施例中，控制器可以从传感器接收信号，提供经处理的监测数据，并使用这些信息来生成控制数据，该控制数据可以用于控制、调整或微调溅射设备或溅射过程，通过将这些控制数据发送到致动器进行，而不需要太多的人为交互。因此，可以提供自动化的溅射过程，由此很少或不需要与真空腔室外部的空间进行通信。
作为说明，本发明的实施例不限于此，现在将参考附图进一步描述标准和可选特征。再次提及用于圆柱形靶的磁控管结构，但是这些特征可以在经过必要修改之后适用于平面靶的磁控管结构。
图1和图2示出了不同类型的磁控管结构100、200的两个分解图，磁控管结构100、200包括顶部部分101、201和底部部分102、202。顶部部分101、201用于安装靶，而底部部分用作顶部部分与外部子系统(通常位于真空系统外部)——例如马达、冷却系统等之间的连接。图1的磁控管100是提供驱动功能从而可以驱动圆柱形靶的磁控管。图2的磁控管200提供冷却和供电功能，用于引入冷却流体以冷却靶并使靶处于溅射电压。然而，本发明不限于这些类型的磁控管。如上所描述的所有功能可以集中在单个磁控管中，或者在不同的磁控管上进行不同的分配。此外，底部部分和顶部部分可以是一体件。
图1所示的磁控管包括顶部部分101，该顶部部分101可以附连到底部部分102，例如通过将顶部部分101的螺纹颈部103拧到底部部分102的相对应零件104上。可以使用任何其他合适的连接系统。在图1的示例中，马达组105可联结到底部部分102，底部部分102可将马达105的驱动电力传输到磁控管100的顶部部分101。然后，顶部部分101使附连到其上的可旋转靶旋转。在本发明的一些实施例中，马达组也可以与顶部部分集成为单件。
根据本发明的一个实施例，控制器106，可选地包括处理器(例如，处理单元)可以包括在磁控管的顶部部分101中(例如，附连到静态零件)。然而，它也可以包括在底部部分中，例如附连到底部部分。
在图2的情况下，冷却回路203包括在底部部分202中，用于通过顶部部分201经由入口204引入冷却流体(例如，水、处理过的水、任何其它合适的液体或气体)，并用于经由出口205排空用过的冷却流体。在该特定示例中，电力连接到入口和出口上方的螺栓208，电力通过底板的引脚转移到顶部部分201。包括处理器的控制器206可以附连到端块的顶部部分或底部部分。
在一些实施例中，控制器206可以位于磁控管结构的真空侧，从而允许从单元内部直接传输任何信号。本发明不限于这种配置，集成电路可以放置在磁控管结构的大气侧，例如用于处理与悬臂磁控管的功能相关的数据。
在任何情况下，无论控制器附连在哪里，都有利地保护溅射过程中沉积的材料免受等离子体、冷却流体等的影响。
在本发明的一些实施例中，磁控管本身中可以包括至少一个传感器或致动器207，从而获得高度集成的磁控管。例如，传感器或致动器可以是磁控管控制器的一部分。例如在溅射过程中，可以以紧凑的方式获得原位监测，而不需要用于执行进一步的安装或连接。
作为说明，实施例不限于此，将进一步描述磁控管结构中控制器中特定参数的监测和/或控制的示例。
监测示例。
电力监测
可以将信号例如从至少一个传感器(未示出)提供给控制器206，传感器可以感测与溅射电力相关的参数，例如提供给靶的电压、通过系统的电流、信号的频谱内容(例如，交流形状、频率等的变化)、阻抗等。这可以提供关于波动、过程稳定性、电力传输状态、关于靶的问题如电弧放电等的信息。磁控管中可以包括用于产生这种信号的传感器，例如作为控制器的一部分。例如，传感器可以检测电力传输的状态。例如，可以感测电刷(其用于将电力从磁控管的静态零件传输到磁控管的旋转零件)的状态，以检测磨损等(例如通过监测电阻)。附加地或替代地，传感器信号可以从磁控管结构外部但是例如在真空系统中提供。
可以使用用于感测电参数的传感器，例如电阻传感器、电压表、电流传感器、波形检测器等。它们可以在靶上或磁控管中局部测量这些参数，或者在电信号输入到单元内的输入端口测量这些参数，等等。直接在磁控管结构上测量，而不是像通常那样在电源上测量，会给出更丰富的信号，从该信号中可以获得更准确的信息。在现有设置中，必须使用长电缆布线来获得测量值，这导致电源处的信号不能反映接近靶的确切信号。电缆布线可能会有阻抗损耗，因此等离子体的实际阻抗无法在电源处轻松测量。此外，高频信号可能被连接线衰减。这种效应使得信号干扰的研究变得困难。这些干扰是重要的信息来源，因为它们可能是由等离子体振荡或靶饰面或磁控管电力转移构件的物理限制引起的。在本发明的一些实施例中，在靶处的测量提供了更快和更准确的信号，而没有来自电缆和/或磁控管连接系统的电容或电感损耗。
控制器206收集信号并从中提供经处理的数据，从而提供与溅射过程的监测相关的信息(例如，供电的稳定性)。
冷却流体监测。
在另一个示例中，可以向图2的控制器206提供信号，例如从至少一个传感器207提供信号，传感器207可以感测与冷却流体相关的参数，例如通过入口204的流体温度、通过出口205的流体温度(及其差异)，其可以用于评定冷却过程的效率；替代地或除此之外，它还可以感测与压力或流率相关的参数，这些参数可以用于检测压力波动的下降，甚至检测泄漏。另一个参数可以是冷却流体的电阻率，这对于监测冷却流体中的盐和其他添加剂的量是有用的。
如前文所叙述，控制器206收集信号并有利地从中提供经处理的数据，从而提供与冷却过程的监测相关的信息。
传感器也可以包括在磁控管中，例如作为磁控管中存在的冷却系统的部件的一部分，例如在顶部部分或底部部分中。例如，在入口和出口处的流量传感器可以用于测量冷却流体流量，并且控制器可以处理和监测流量差，这可以允许例如，检测泄漏。附加地或替代地，传感器信号可以从其他地方提供，例如从接收冷却流体的靶管的部分提供。
监测磁性配置
在一些实施例中，控制器可以捕获和处理传感器信号，获得与磁性配置相关的信息，例如与磁学相关的传感器信号的一个或多个以下非穷举示例：
-磁体配置的类型和/或磁体配置的定位，例如全局定位(感测平移或旋转位置、移动速度等)和/或局部定位(例如，来自光学传感器、诸如霍尔传感器的磁传感器等)。
-磁源的温度，因为它会影响磁场强度，例如热电偶、热电堆等。
-磁强度，例如沿磁控管的几个点。
控制器收集传感器信号并有利地提供与磁场相关的经处理的数据，该数据可用于监测与等离子跑道、离子轰击、过程效率等相关的问题从而更一般地涉及溅射过程或溅射设备。
监测其他溅射设备性质
在一些实施例中，控制器106、206可以从溅射设备的其余部分(例如从真空腔室)捕获与溅射系统的状况或功能相关的传感器信号或致动器设置的以下非穷举示例：
-接近靶(例如，靶的背衬结构)的温度。
-磁控管特定部分的温度(壳体、连接、密封等)。
-系统内部压力；例如，一些零件可以处于大气压或者在大气压与真空系统内的压力之间具有压差，并且用于潜在地检测气体泄漏。
-湿度或传感器，特别地适于检测冷却系统外部或靶外部的冷却流体；例如，用于检验和潜在地检测液体泄漏。
控制器收集传感器信号，并有利地从中提供与磁控管状态相关的经处理的数据，该数据可用于监测与密封等相关的问题。
对于与圆柱形靶一起使用的磁控管，控制器还可以处置与靶驱动相关例如与靶移动速度相关(例如，靶旋转)、累积旋转量相关的信息，可对其进行处理以提供操作寿命的监测。注意，由于电子电路执行的处理，其他性质(例如，也由控制器监测的其他性质)可以被考虑作为处理操作寿命的加权因子，例如负载水平、温度等。
也可以监测关于电流、扭矩水平及其历史信息(例如，随着时间或在一转内)的信息以及驱动单元的温度。
磁控管中驱动构件的状态以及轴承的状态(例如，轴承上的压力)也可以被感测、发送到控制器并被处理成监测数据。
在本发明的一些实施例中，经处理的数据可以被发送到溅射设备的真空部分的外部，例如发送到读出器(屏幕、监视器、彩色编码光面板等)、或者外部存储器、或者甚至外部数据处理单元，用于进一步处理，例如数据分析等。
对于数据交换，磁控管结构可以具有与外部器械通信的接口；这可以是无线的(例如，WIFI、蓝牙、光学或任何其他类型的EM辐射…)或者是有线的，具有连接器(电连接、光连接……)用于转移数据。
附加地或替代地，经处理的数据可以存储在控制器中包括的存储器中。例如，可以构建监测数据的历史记录，允许溅射设备的长期监测和跟踪，它也可以由根据本发明实施例的控制器识别。
基于这样的历史数据，在损坏扩展到其他零件或使溅射过程恶化之前，可以早期检测到单元的恶化状况(密封或轴承的老化、接触电刷的磨损、更高的摩擦或扭矩、升高的温度、靶消耗或损坏或任何其他性质)。
在本发明的替代或附加实施例中，控制数据可以由磁控管的控制器处理。
例如，控制信号可以发送到磁控管，控制器可以提供信号的处理，并且处理后的控制数据可以用于控制致动器，致动器连接到控制器。磁控管结构或其中的电子电路可以适于根据由处理器处理的控制数据来控制致动器。因此，仅需要输入控制台来控制所述致动器，而不需要溅射设备的真空部分之外的处理能力(计算机)来控制这些致动器。致动器可以在溅射设备的真空部分外部(例如，电源或冷却系统的致动器)，或者它们可以在溅射设备中(例如：在磁控管上，或者在气体入口的阀处，或者到驱动系统)，或者甚至在磁控管中(例如：用于冷却系统入口的阀，或者到驱动系统)。
如前所叙述，可以提供用于转移控制数据的接口，该接口可以是与用于转移监测数据的接口相同或不同的类型。
控制示例
在下文中列举过程控制构件及可由磁控管结构作为控制数据处理的其相对应的过程参数的示例，但并非穷举：
-电源：与电源相关的过程参数例如是波形或电力水平，例如，电压水平或电流水平，其与施加到系统的能量有关。电源水平通常是一个全局过程参数，即，电源水平不能仅在一个位置改变。具有其他恒定沉积参数的较高电源水平可以例如导致较高的厚度。在溅射过程中，电源通常接到磁控管，用于给靶供电。然而，并行地，可以提供额外的电源；例如，用于给主动阳极系统供电，例如为离子源供电。
在本发明的一些实施例中，可以处理与电源和电源水平相关的控制数据，包括控制离子源和/或磁控管的电力。
-气体主供应源：与主气体供应源相关的过程参数是气体流量。气体分布决定了过程腔室中取决于位置的分压。气体分布是一个复杂的参数，因为不同的气体可能会起作用，这些气体是纯气体或具有不同的混合比。气体主供应源的影响可能被约束为超出过程腔室内部的递送系统的尺寸。
-反应性气体供应源：与反应性气体供应源相关的过程参数是气体分布和所涉及的分压，或气体流率。较高的反应气体流量通常会产生较低的溅射速率。通过改变反应性气体流量，可以控制所要沉积的层的厚度；然而，它的组成和性能也可能受到影响。
-靶(例如，旋转速度)。致动器可以放置在磁控管结构中，例如通过调谐驱动系统或直接调谐马达而调谐转速。
-磁性配置：与磁控管相关的过程参数例如是磁场强度、磁体移动或旋转速度。磁体移动包括磁棒取向和磁棒位置。磁棒位置决定了等离子体密度，从而决定了溅射速率。如果磁棒包括多个部段，则磁棒的影响可能是局部的。更强的局部磁场产生更高的局部溅射率。
-阳极：与阳极相关的一个过程参数是阳极调谐电平；例如，接地电阻水平。
-加热：与加热相关的过程参数是温度水平。不同的位置可以应用不同的温度。
-冷却流体：与冷却液相关的过程参数可能是流量、温度，但也可能是电导率、纯度、碎片数量(流体中可能磨损的颗粒，例如，动态密封件)。例如，控制器也可以用于操纵和/或控制安装在磁控管结构内部的阀，用于控制(例如，优化)冷却流体性质(例如流率等)。
可在外部提供控制，例如，通过将信号发送到控制器，控制器进行处理，从而获得控制数据。本发明不限于此，并且可以在内部提供控制。例如，靶和/或磁性配置的控制可以在内部完成，例如使用包括在磁控管结构中的控制器，基于例如，监测的数据。
控制数据可以包括这些列举的参数中的任何一个，或者甚至是它们的组合。可以通过改变不同系统的不同致动器来控制参数。例如，与磁体移动相关的控制数据可以在磁控管结构的电子电路中处理，并且可以用于经由联结到控制器的致动器影响所述移动，例如棒的取向。
在一些附加的或替代的实施例中，控制器适于既监测溅射设备(或溅射过程)的状况又控制溅射设备(或溅射过程)。
在一个示例中，磁控管结构的控制器可以接收或捕获传感器信号。信号被处理成监测数据。作为来自监测数据的响应，控制器产生控制数据，该控制数据可用于控制溅射过程或溅射设备的零件。因此，可以建立具有过程或溅射设备的良好自我调节的反馈环路。这可以为溅射提供高稳定性，以及更少的人为反馈或干预需要。一般来说，所需的人为交互可以减少，因此有利地获得高度自动化的单元。
在该实施例中，不严格需要连接可从控制器内部控制的致动器。在溅射设备的安装过程中，只需要将致动器和传感器连接到磁控管结构的电路，而不需要将致动器和/或传感器连接和配置到任何外部计算机或控制系统。因此，获得了紧凑、稳定和模块化单元，与外部的连接数量少。如果需要，仍然可以提供连接，用于引入初始设置或外部控制(例如，用于超越反馈控制)，或用于输出监测数据或基于监测数据在控制器中产生的警报信号。这仍然允许人为交互，但不那么强烈。例如，溅射设备可以在操作点的一定范围内独立。例如，可以提供具有自持磁控管结构的系统，其中只有高电平数据可以传输到外部。例如，通常在涂布过程中需要维护，例如在涂布机停机时。本发明能够在内部解决其余的变化。这使得能够顺利地实现下一次涂布机停止，而没有中间故障。
组合监测和控制的特定示例
可以提供磁控管的几种配置，包括控制器，用于控制和/或监测溅射过程和溅射设备的状态。可以使用监测数据和控制数据的任何合适的组合，例如，当电力水平下降时的电力控制，如果监测数据显示电力水平或温度或两者的组合增加，则冷却流体流量增加，如果跑道变得不稳定，则溅射气体流量变化，以及其他组合。
在这种反馈配置的特定示例中，磁控管结构的控制器可以监测溅射过程和/或电力。当监测数据显示稳定的溅射和低功率时，基于该信息，控制器可以产生控制数据并控制冷却系统的致动器以减少冷却流体的流量，从而减少流体(例如，水)消耗。然而，处理器可以被编程为仅在距离安全操作点的预定范围内减少冷却流体流量。否则，超过该范围(例如，如果控制数据显示流量将减少到预定阈值以下)，控制器可以被编程以通知操作员进行验证。
在某些应用中，磁控管可能会被加热，导致能量损耗、热膨胀和老化，从而损坏真空密封件、冷却流体密封件等。在本发明的一些实施例中，壳体或磁控管中的传感器可以检测温度和/或热膨胀，并且信号可以直接发送到控制器进行处理。一个或多个传感器信号被解释，并且如果数据显示信号超过预定阈值，则经处理的数据可用于产生用来控制磁控管单元外部的警报的控制数据，或者降低供电和/或频率和/或旋转速度，或者许多参数中的任何参数的控制数据。在一些特定实施例中，用于监测磁控管结构状态的传感器可以是控制器的一部分，从而获得高度紧凑的布置。
在一个特定的示例中，传感器可以被包括在磁控管结构中，用于感测扭矩。控制器可以捕获传感器信号(例如，传感器信号可以被发送到控制器进行处理)，并且处理器将信号解释为监测数据，从而监测靶的扭矩。如果扭矩没有落在预定范围内，这可能意味着靶没有很好地附连在磁控管上，或者有太多的摩擦，处理器可以被编程为例如通过向警报系统发送信号来触发警报。监测数据还可以示出扭矩的周期性变化，这可能意味着靶具有变形(例如，弯曲)并刮擦溅射设备的一些部件。扭矩数据也可以与靶速度相关，靶速度可以经由数据接口直接引入，或者也可以被感测到。
控制器示例
为了提供经处理的数据，控制器可以包括处理器。它可以被编程来处理传感器信号(例如，由传感器产生并从传感器捕获的信号)，从而提供监测数据。在这种情况下，控制器可以包括信号输入，例如光学输入、电子输入(有线或无线输入，例如经由射频RF)、压力输入等。电路中可以包括模数和/或数模转换器。
附加地或替代地，处理器可以被编程为从命令生成控制数据。在这种情况下，可以包括外部命令的输入。在一些实施例中，可以对其进行编程，以从监测数据中产生控制数据，例如从由电子单元自身处理的监测数据中、从传感器信号中产生控制数据。控制器可适于驱动和控制磁控管结构中的致动器，通常是溅射设备或与其相关的子系统中的致动器，这些致动器可以在溅射设备的真空部分(冷却系统、电源等)内部或甚至外部。
控制器可以包括数据存储装置(例如，存储器)，用于存储数据、查找表、算法等，处理器和/或外部系统可以访问这些数据、查找表、算法等，用于提供长期监测等。存储的信息可以与监测数据(历史记录等)，控制数据(用于控制致动器)，或者与监测和/或控制溅射过程或溅射设备相关的数据相关。
控制器可适于提供反馈，例如响应于经处理的监测数据和/或响应于来自监测数据的值与存储器上的预定数据的比较来控制致动器。
磁控管可以具有与外部器械通信和与外部器械交换数据的接口；这可以是无线的(例如，WIFI、蓝牙、光学或任何其他类型的EM辐射…)或者是有线的，具有连接器(电连接器、光学连接器……)用于向控制器转移数据和从控制器转移数据。该接口可以包括连接器，该连接器延伸穿过磁控管和/或其壳体，位于溅射设备的真空部分外部，从该连接器可以例如经由有线连接而联接到外部器械。在一些实施例中，如图1所示，接口108或其连接器包括用于与外部器械交换信号的天线109。
在一些特定实施例中，磁控管的接口能够传输和/或接收数据(监测数据和/或控制数据)，并且还能够接收用于给控制器供电的电力，例如使用单个连接器。可以减少连接、电线等的数量。这种用于数据和电力信号的双连接器可以是有线或无线的。
该接口可以是控制器的一部分。在其他实施例中，控制器可以连接到远离电路其余部分(例如在磁控管的不同位置)的接口。例如，如图1所示，控制器106可以在磁控管的顶部部分101，并且它可以与可附连的底部部分102中的接口108交换数据。接口与控制器之间的数据交换可以经由有线连接完成。也可以无线完成，为此接口108和控制器106二者都可以包括无线数据发射器/接收器，从而获得易于替换和交换的完全模块化的磁控管组件。例如，不同的磁控管顶部部分可以与相同的底部部分一起使用，并且只需要配对它们之间的无线连接。
控制器可以由本地源例如集成电池供电。在本发明的一些实施例中，电路可以通过从诸如冷却流体流(液压转换)、靶管的供电等可用来源提取能量(例如，用电力提取器)来供电。在一些实施例中，电路可以由外部连接器供电，这不需要维护，例如打开溅射设备的真空系统来更换电池。
控制器可以包括冷却系统。例如，溅射设备的冷却系统可以向控制器提供冷却。
在本发明的一些实施例中，至少处理器可以是单片电路，尽管更多的元件可以被包括作为控制器的一部分。
在一些实施例中，如图3所示，控制器是集成模块301，包括处理器(例如，单片处理器302)，并且还包括ADC、DAC、数据连接器、用于捕获传感器信号的信号输入、驱动器、甚至传感器和/或致动器。因此获得了高度集成的装置，其可以装配到磁控管300的特定几何形状和根据磁控管300的特定几何形状而定制。
图4示出了磁控管401的立体图，为了观察其内部，移除了磁控管401的一部段。示出了嵌入磁控管401内的包括处理器的集成模块402的示例性放置。模块402可以附连到零件401的静态部分，便于任何需要的连接。模块402的几何形状可适于允许引入任何必要的电力引脚、冷却系统等。图4所示的示例是单件磁控管的示例，没有单独的顶部部分或底部部分。
在第二方面，本发明提供了一种溅射设备，其包括根据本发明第一方面的实施例的至少一个磁控管结构。
进一步的特征和特性可以对应于如本发明第一方面所描述的磁控管结构的特定实施例的特征。
在第三方面，本发明涉及控制器在用于溅射设备中的磁控管结构中的用途。磁控管结构可以与用于管状靶的可旋转磁控管溅射源一起使用，但不限于此。控制器可以被调适(例如，编程)用于监测与溅射过程和/或溅射设备相关的参数，或者用于控制其功能，或者两者的组合。控制器可以适于将数据处理成信号，或者将信号处理成数据。控制器可以完全集成在磁控管结构内，例如集成在磁控管的顶部部分、磁控管的底部部分或其壳体内。例如，形成控制器的一个或多个电路可以附连或集成在用于圆柱形靶的磁控管中(例如，附连或集成到磁控管的底板或其头部)。进一步的特征可以对应于第一方面和第二方面中描述的部件的功能。

Claims (20)

1.一种用于溅射设备的磁控管结构，所述磁控管结构包括磁控管(100，200，300，401)和刚性地连接到所述磁控管(100，200，300，401)的控制器(106，206，301，402)，所述控制器(106，206，301，402)被配置用于至少部分地控制所述溅射设备的状况和/或功能。
2.根据权利要求1所述的磁控管结构，其中，所述控制器被配置成进一步至少部分地监测所述溅射设备的状况和/或功能。
3.根据权利要求1或2所述的磁控管结构，其中，所述控制器(106，206，301，402)包括数据处理器(302)，用于将信号处理成数据，或将数据处理成信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述控制器(106，206，301，402)还包括数据存储装置，用于存储与至少部分地监测和/或控制所述溅射设备的状况和/或功能相关的数据。
5.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述磁控管是适于支承圆柱形磁体棒和溅射靶的端块。
6.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，所述磁控管结构还包括用于感测与所述溅射设备或溅射过程相关的传感器信号的传感器(207)，其中，所述控制器(106，206，301，402)适于接收和处理来自所述传感器(207)的信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述控制器(106，206，301，402)还包括用于与所述溅射设备的真空部分外部的控制器交换数据的通信部件。
8.根据权利要求7所述的磁控管结构，其中，所述通信部件适于使用WIFI通信、蓝牙通信、光通信或任何EM辐射中的任何一种来执行无线通信，或者适于使用光纤通信或电通信中的任何一种来执行有线通信。
9.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述磁控管(100，200，300，401)还包括用于控制至少一个致动器以调整与溅射设备中的溅射过程相关的参数的控制器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，所述磁控管结构还包括用于给所述控制器供电的电源，所述电源是电池或电力提取器中的一种，所述电力提取器适于从冷却流体流或靶管的供电中获得电力。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的磁控管结构，其中，所述控制器的供电基于来自溅射设备的外部非真空部分的有线连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述磁控管(200)包括用于保持靶的顶部部分(201)和能够附连到所述顶部部分(201)的底部部分(202)，其中，所述控制器(206)刚性地连接到所述底部部分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述磁控管结构包括无线连接器，所述无线连接器包括用于在所述系统外部传输数据的天线(109)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述数据是冷却液相关信息、溅射电力相关信息、磁学相关信息、磁控管状况相关信息或靶驱动相关信息中的任一项或其组合。
15.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述控制器(106，206，301，402)提供在使用时便于维护的信息，给出关于其状态和所需预防性维护的预计时刻的信息。
16.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管结构，其中，所述控制器(106，206，301，402)在进行修改时提供便于维护的信息以理解历史数据，从而便于适当的修改和维护。
17.根据前述权利要求中任一项的磁控管结构，其中，控制器是微控制器。
18.根据权利要求17所述的磁控管结构，其中，所述控制器是低压微控制器。
19.一种溅射设备，其包括磁体配置和根据权利要求1至18中任一项所述的磁控管结构。
20.控制器在磁控管结构中的用途，用于至少部分地控制溅射设备的状况和/或功能。
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