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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines längserstreckten Magnetron wobei das Magnetron ein Target eines zu zerstäubenden Materiales, ein Magnetsystem, mittels dem ein das Target durchdringendes Magnetfeld erzeugt wird, und ein Kühlsystem mit einer von einem Kühlmedium in Längserstreckung durchflossenen Kühlmittelführung und eine die Kühlmittelführung speisende Zuleitung umfasst, wobei das Target mit der Kühlmittelführung wärmeleitend verbunden ist.
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An Rohrmagnetrons werden Trägerrohre als tragende Elemente für zylinderförmige Targets verwendet. Das Trägerrohr ist einseitig oder beidseitig gelagert. Bei beidseitiger Lagerung wird den Lagerstellen die Aufgabe zuteil, das Trägerrohr durch einen Antrieb zu drehen und Kühlmittel an der Innenseite des Trägerrohres entlang fließen zulassen.
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Bei einseitiger Lagerung müssen sowohl die Drehbewegung als auch der Kühlmittel-Vor- und Rücklauf von der Lagerseite realisiert werden. Die beim Sputterprozess entstehende Wärme muss abgeführt werden.
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Bekannterweise wird das Kühlmittel bei solchen Kühlmittelkreisläufen mittels eines Lanzenrohres bis an die gegenüberliegende Stirnseite des Trägerrohres geleitet. Von da an fließt das Kühlmittel an der Innenwand des Trägerrohres zurück.
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Mit der
WO 2009/138348 A1 wurde die Realisierung eines Kühlsystems in einem Rohrmagnetron beschrieben. Dieses Rohrmagnetron weist ein Trägerrohr auf, auf dessen Außenseite das Targetmaterial angeordnet ist. Die Innenseite steht mit einem Kühlmedium, wofür vorzugweise Wasser eingesetzt wird, in Verbindung. Das Kühlmedium wird über eine Kühlmediumzufuhrleitung, die im Inneren eines Füllkörpers, der auch das Magnetsystem trägt und dementsprechend als Magnetträger bezeichnet wird, in Längserstreckung des Rohrmagnetron von einem ersten Ende des Magnetron zum auf der anderen Seite liegenden zweiten Ende zugeführt. Dort strömt das Kühlmedium aus. Es wird dann über einen Ringspalt zum ersten Ende zurückgeführt, wo es wieder von einem Kühlmittelauslass aufgenommen wird. Der Ringspalt ist als Hohlraum zwischen dem Magnetträger und der Innenseite des Trägerrohres ausgeführt, so dass das Kühlmedium die Wärme, die in dem Target entsteht und über das Trägerrohr geleitet wird, von der Innenseite des Trägerrohres direkt aufnimmt.
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Das rückströmende Kühlmittel nimmt die vom Sputterprozess stammende Wärme des Targets auf und transportiert diese ab, um für das Targetmaterial ein unschädliches Temperaturniveau zu halten.
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Je nach Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsvolumen und Oberflächenqualität der Innenseite des Trägerrohres ist der Wärmeaustausch gegeben.
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Die sich ergebende Temperaturdifferenz zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass ergibt ein Temperaturgefälle, welches sich auf die Spulterprozesshomogenität auswirken kann.
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Der Stand der Technik bietet hierzu kaum Lösungen an.
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Einen großen Einfluss auf den Wärmeaustausch hat das Fließverhalten des Kühlmittels an der Wärmeübergabefläche an der Innenseite des Trägerrohrs. Im laminaren Strömungsbereich vermischt sich das wandnahe langsame Kühlmittel recht wenig mit der schnellströmenden Kernströmung. Der Wärmetransport in die Kernströmung erfolgt hauptsächlich durch Wärmeleitung und freie Konvektion.
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Einem gleichmäßigen laminaren Strömen, wie es -bedingt durch einen großen Ringspalt – begünstigt wird, wird bekannterweise mit Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses begegnet.
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Die
DE 11 2006 003 022 B4 versucht, sich dieses Problems anzunehmen. Hier wird ein Rohrmagnetron offenbart, das mit einem Lanzenrohr versehen ist, in dessen Innerem die Zuführung des Kühlmittels in die Kühlmittelleitung erfolgt. Die Kühlmittelleitung wird vollumfänglich durch den Spalt zwischen dem Lanzenrohr und dem Target gebildet und nimmt somit ein großes Volumen ein, in dem sich zwangsläufig eine laminare Strömung mit den genannten Nachteilen einstellt. Dem soll dadurch begegnet werden, dass in diesem Spalt eine Art Spirale angeordnet ist. Zum einen wird allerdings in der Spirale das Kühlmittel, nur verdrallt, aber auch wiederum laminar fließen. Eine Homogenisierung wird hier nicht ausreichend erzielt.
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In der
deutschen Patentanmeldung 10 2010 040 759 ist eine Lösung beschrieben, bei der mittels Füllkörper der Kühlmittelraum innerhalb des Trägerrohrs verringert wird, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erhöht und weniger Kühlmittel ungenutzt aufgenommen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlmittelführung zu schaffen, die die Targetinnentemperatur über die Länge des Magnetron homogenisiert und den Kühlmittelbedarf reduziert, bzw. die Kühlleistung bei gleichem Volumenstrom erhöht.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 16 zeigen Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die grundlegende Lösung zur Homogenisierung des Kühlmittelstromes wird dadurch erreicht, dass die Kühlmittelführung die Zuleitung von einem Kühlmitteleinlass an einem ersten Ende des Magnetron mit einer vorgesehenen Strömungsrichtung zu dem zweiten Ende des Magnetron und eine Rückleitung von dem zweiten Ende zu einem Kühlmittelauslass am ersten Ende umfasst. Dabei sind Zuleitung und Rückleitung mit einer umlenkenden Verbindung am zweiten Ende verbunden. Das Kühlmittel strömt zwischen Zuleitung und Rückleitung im Gegenstromprinzip und Zuleitung und Rückleitung sind wärmeleitend miteinander verbunden.
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Damit ist Kühlmittelführung sowohl zulauf- als auch rücklaufseitig innenseitig des Targets anliegend oder angrenzend angeordnet, wobei Zu- und Rückleitung entlang einer beide trennenden und thermisch leitenden Wand geführt sind.
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Die ”Mitte” des Magnetrons kann somit von der Kühlmittelführung frei gehalten werden. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass eine über dem Umfang sich mehrfach abwechselnde Hin- und Rückleitungen (Mäanderform) möglich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Kühlmittelführung eine laminare Strömung störende Mittel angeordnet sind. Damit wird der Kühlmittelstrom verwirbelt und eine bessere Wärmeaufnahme ermöglicht.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, dass Zuleitung und Rückleitung durch eine wärmeleitende Wandung separiert sind. Damit homogenisiert der Kühlmittelstrom im Gegenstromprinzip von kaltem, einströmendem Kühlmittel und warmem, ausströmendem Kühlmittel, getrennt durch die Wandung, die einen definierten Wärmeaustausch zwischen den beiden Kühlmittelströmungen ermöglicht, den Temperaturunterschied an dem Target.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zuleitung in einem im Vergleich zur Rückleitung targetfernen Abstand angeordnet ist und die eine laminare Strömung störenden Mittel in der Rückleitung angeordnet sind. Damit wird das kalte Kühlmittel das rückströmende Kühlmittel temperieren und somit für eine weitere Homogenisierung sorgen.
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Eine Verwirbelung des Kühlmittels kann dadurch erreicht werden, dass zumindest eine der Seiten der inneren Oberfläche der Rückleitung strukturiert ist. Eine solche Strukturierung kann dadurch ausgeführt werden, dass auf zumindest einer der Seiten der inneren Oberfläche der Rückleitung Störkörper angeordnet sind.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der Wandung zwischen der Zuleitung und der Rückleitung Durchströmöffnungen angeordnet sind. Damit kann Kühlmittel von der Zuleitung in die Rückleitung strömen und sorgt dort für gewünschte Turbulenzen in dem Kühlmittelfluss. Die Durchströmöffnungen vom Vorlauf in den Rücklauf sind jedoch nicht nur strömungsstörend sondern dienen auch dem Wärmetransport und der Vermischung von kalter mit erwärmter Kühlflüssigkeit, der Homogenisierung, Temperaturausgleich.
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ltung mit Durchströmöffnungen die Zuströmung im targetfernen Bereich zwingend.
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Dabei kann der steigenden Temperatur des Kühlmittels in der Zuleitung dadurch Rechnung getragen werden, dass die Durchströmöffnungen abstandsweise und mit einem sich in Strömungsrichtung in der Zuleitung verringerndem Abstand angeordnet sind.
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Grundsätzlich kann die Lösung für Magnetrons, die als Planarmagnetron oder als Rohrmagnetrons ausgebildet sind, Anwendung finden. Derartige Magnetrons werden zumeist in Durchlaufbeschichtungsanlagen eingesetzt, wo sie mit ihrer Längserstreckung quer zur Substrattransportrichtung angeordnet sind.
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Bei einem Magnetron, das als Rohrmagnetron ausgebildet ist, weist das Magnetron ein Target eines zu zerstäubenden Materiales auf, das selbsttragend ausgebildet oder auf einem Trägerrohr angeordnet ist. Weiterhin ist ein Magnetsystem vorgesehen, mittels dem ein das Target durchdringendes Magnetfeld erzeugt wird. Diese Anordnung umfasst auch ein Kühlsystem mit einer von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlmittelführung und ein das Magnetsystem tragendes zweischaliges Lanzenrohr, wobei außerhalb des Lanzenrohres zwischen einer inneren Schale und einer äußeren Schale ein innerer Ringspalt und zwischen der äußeren Schale und dem Trägerrohr oder dem Target, im Falle einer selbsttragenden Ausbildung des Targets, ein äußerer Ringspalt gebildet wird. Das Kühlmittel strömt zwischen dem inneren und dem äußeren Ringspalt im Gegenstromprinzip.
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Zur Homogenisierung des Kühlvermögens sind in einer Ausgestaltung der Erfindung Mittel vorgesehen, die eine laminare Strömung in dem äußeren Ringspalt stören.
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Damit homogenisiert der Kühlmittelstrom im Gegenstromprinzip von kaltem, einströmendem Kühlmittel und warmem, ausströmendem Kühlmittel, getrennt durch die äußere Schale, der einen definierten Wärmeaustausch zwischen den beiden Kühlmittelströmungen ermöglicht, der Temperaturunterschied an der Innenseite des Trägerrohres.
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Eine derartige Anordnung kann dadurch ausgestaltet werden, dass die die laminare Strömung störenden Mittel dadurch ausgebildet werden, dass die äußere Schale an der äußeren Oberfläche und/oder das Trägerrohr an der inneren Oberfläche strukturiert ist.
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Diese Strukturierung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass auf der äußeren Oberfläche der äußeren Schale und/oder auf der inneren Oberfläche des Trägerrohres Störkörper angeordnet sind.
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Eine andere Lösung sieht vor, dass zwischen dem inneren und dem äußeren Ringspalt Durchströmöffnungen angeordnet sind. Hierbei ist es wiederum zwingend, dass die Zuströmung im targetfernen Bereich erfolgt.
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Um der fortschreitenden Erhöhung der Temperatur im Verlauf des Kühlmittelflusses Rechnung zu tragen, kann vorgesehen werden, dass die Durchströmöffnungen abstandsweise und mit einem sich in Strömungsrichtung in dem inneren Ringspalt verringernden Abstand angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der von der inneren Schale eingeschlossene Innenraum geschlossen ausgeführt ist. Damit wird unter anderem erreicht, dass der Innenraum bewusst von Kühlmittel freigehalten wird. Hierzu ist es möglich, dass der Innenraum mit einem kühlmittelverträglichen geschäumten Werkstoff ausgefüllt ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung eines Rohrmagnetron mit mehreren Beispielen der Gestaltung der Mittel zur Störung der laminaren Strömung
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2 einen vergrößerten Ausschnitt, des mittleren Abschnittes in 1,
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3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in 1,
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4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in 1,
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5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in 1,
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6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in 1,
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7 einen Querschnitt entlang der Linie VII-VII in 1 und
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8 einen ausschnittsweisen Längsschnitt, der in 1 mit VIII bezeichnet wird, mit Durchströmöffnungen.
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Das in den Figuren dargestellte Magnetron ist als Rohrmagnetron 1 ausgebildet. Dieses weist ein Target 2 eines zu zerstäubenden Materiales auf, das auf einem Trägerrohr 3 angeordnet ist. Weiterhin ist ein Magnetsystem 4 vorgesehen, mittels dem ein das Target 2 und das Trägerrohr 3 durchdringendes Magnetfeld erzeugt wird.
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Ein Kühlsystem mit einer Kühlmittelführung zur Leitung eines Kühlmittels ist als das Magnetsystem 4 tragendes zweischaliges Lanzenrohr 5 ausgebildet. Dieses weist eine innere Schale 6 und eine äußere Schale 7 auf. Zwischen der inneren Schale 6 und der äußeren Schale 7 wird ein innerer Ringspalt 8 und zwischen der äußeren Schale 7 und der Innenseite 10 des Trägerrohres 3 ein äußerer Ringspalt 9 gebildet.
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Das Kühlmittel strömt in einer Zuleitung 11 von einem nicht näher dargestellten Kühlmitteleinlass an einem ersten Ende 12 des Rohrmagnetron 1 mit einer vorgesehenen Strömungsrichtung 13 zu dem zweiten Ende 14 des Rohrmagnetron 1 und eine Rückleitung 15 von dem zweiten Ende 14 zu einem nicht näher dargestellten Kühlmittelauslass am ersten Ende 12, wobei Zuleitung 11 und Rückleitung 15 mit einer umlenkenden Verbindung 16 am zweiten Ende 14 verbunden sind und das Kühlmittel in der Rückleitung in einer zur Strömungsrichtung 13 in der Zuleitung 11 entgegengesetzten Strömungsrichtung 17 und somit zwischen Zuleitung 11 und Rückleitung 15 im Gegenstromprinzip strömt.
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Die Zuleitung 11 ist in dem inneren Ringspalt 8 und die Rückleitung 15 in dem äußeren Ringspalt 9 realisiert. Beide sind durch die äußere Schale 7 wärmeleitend miteinander verbunden.
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Damit homogenisiert der Kühlmittelstrom im Gegenstromprinzip von kaltem, einströmendem Kühlmittel und erwärmten, ausströmendem Kühlmittel, getrennt durch die äußere Schale 7, der einen festlegbaren Wärmeaustausch zwischen den beiden Kühlmittelströmungen 13 und 17 ermöglicht, den Temperaturunterschied an der Innenseite 10 des Trägerrohres 3.
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Die laminare Strömung im äußeren Ringspalt 9 wird bewusst dadurch gestört, dass die äußere Schale 7 an der äußeren Oberfläche 18 und/oder das Trägerrohr 3 an der inneren Oberfläche 10 strukturiert ist.
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Diese Strukturierung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass Störkörper 19 angeordnet sind, wie dies in den 3 bis 7 dargestellt ist wobei Wand 7 durch Wellen oder Sicken mit Profil versehen strukturiert ist, wodurch eine vergrößerte Oberfläche entsteht.
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Die Bohrungen oder Öffnungen in der Wand 7 in 8 sollen den Kühlmittelstrom gegen Target richten.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind Ergänzungen zum Ausführungsbeispiel vorgesehen:
Wand 6 aus 0,5 ... 1 mm Stahlblech
Wand 6 mit tragender Funktion (stabil) ca. 2 mm
3 (ohne Störkörper)
4 zeigt den Querschnitt eines Störkörpers 19, der als eine um die Wand 7 gewickelten Spirale ausgeführt ist (zwischen IV und V).
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In der 5 sind schlaufenartige Störkörper dargestellt. Es liegt auf der Wand 7 ein blechartiges Teil auf bzw. ist dort festgespannt. Die auf dem blechartigen Teil, ”Träger”, befestigten Schlaufen können Drahtschlaufen aus Metall oder auch Kunststoffschlaufen sein. Letztere sind vorteilhafterweise so flexibel, dass sie von innen an das Targetrohr andrücken.
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Die 6 zeigt eine Ausgestaltung der Erfinder nesteht darin, dass Störkörper einer bürstenartige Struktur aufweisen. Auch hier eignet sich ein Träger, der auf der Wand 7 aufgespannt wird. Auf dem Träger kann eine Vielzahl drahtartiger Borsten aus Metall aufgebracht sein. Anders als bei den in 6 gezeigten Schlaufen liegen hier die Drahtenden innen am Trägertrohr an.
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Gemäß der 7 lassen sich Störkörper 19 in Form von Federn oder Lamellen einsetzen. Solche sind auf einem Träger befestigt. Gegenüber der Borsten-Variante (6) genügen einzelne Federn als Blechstreifen, die aufgrund ihrer Flexibilität von innen an das Targetrohr andrücken.
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Eine andere Lösung sieht vor, dass zwischen dem inneren 8 und dem äußeren Ringspalt 9 Durchströmöffnungen 20 angeordnet sind, wie dies in 8 dargestellt ist.
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Der von der inneren Schale eingeschlossene Innenraum 21 ist geschlossen ausgeführt, wodurch dieser von Kühlmittel freigehalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrmagnetron
- 2
- Target
- 3
- Trägerrohr
- 4
- Magnetsystem
- 5
- Lanzenrohr
- 6
- innere Schale
- 7
- äußere Schale
- 8
- innerer Ringspalt
- 9
- äußerer Ringspalt
- 10
- Innenseite des Trägerrohres
- 11
- Zuleitung
- 12
- erstes Ende
- 13
- Strömungsrichtung in der Zuleitung
- 14
- zweites Ende
- 15
- Rückleitung
- 16
- umlenkende Verbindung
- 17
- Strömungsrichtung in der Rückleitung
- 18
- äußere Oberfläche der äußeren Schale
- 19
- Störkörper
- 20
- Durchströmöffnung
- 21
- Innenraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/138348 A1 [0005]
- DE 112006003022 B4 [0012]
- DE 102010040759 [0013]