DE102013106168A1

DE102013106168A1 - Cantilever-Magnetron mit einem rotierenden Target

Info

Publication number: DE102013106168A1
Application number: DE102013106168.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Heinrich; Sven Hähne; Harald Grune
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: DE102013106168B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Rohrtarget, einer im Innern des Rohrtargets an einem Lanzenrohr befestigten Magnetanordnung und einer Stützeinrichtung, die ein Gehäuse mit einer drehbar gelagerten Antriebswelle umfasst, die außerhalb des Gehäuses zur Verbindung mit dem Rohrtarget ausgebildet ist, wobei innerhalb des Gehäuses der Rotor eines Elektromotors drehfest mit der Antriebswelle und der Stator des Elektromotors drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei die Antriebswelle als Hohlwelle ausgeführt ist, das Lanzenrohr im Innern der Antriebswelle angeordnet und mit einem ersten Kühlmittelanschluss verbunden ist und der Raum zwischen der Außenseite des Lanzenrohrs und der Innenseite der Hohlwelle mit einem zweiten Kühlmittelanschluss verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetronanordnung mit mindestens einer Stützeinrichtung und einem rotierenden Target gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Vakuumbeschichtungstechnologie sind Magnetronanordnungen mit einem rotierenden Target bekannt, bei denen ein meist rohrförmiges Target eine Magnetanordnung umschließt, wobei das rohrförmige Target drehbar gelagert und antreibbar ist, so dass das Targetmaterial gleichmäßig abgetragen wird. Das rohrförmige Target wird üblicherweise in der Vakuumkammer einer Vakuumbeschichtungsanlage zwischen zwei Endblöcken befestigt, die so konstruiert sind, dass sie jeweils die drehbare Lagerung des rohrförmigen Targets ermöglichen. Meist sind hierbei den beiden Endblöcken unterschiedliche Funktionen zugewiesen. Einer der Endblöcke ist üblicherweise als Versorgungsendblock zur Versorgung des Magnetrons mit Kühlwasser und elektrischer Energie und der andere Endblock als Antriebsendblock für die Einleitung eines Drehmoments zur Erzeugung der Rotation des rohrförmigen Targets ausgeführt.
Bekannte Antriebsendblöcke weisen hierzu eine elektromechanische Antriebseinrichtung in Form eines Elektromotors mit Getriebe auf, welcher beispielsweise über Kegelräder, Stirnräder oder Zahnriemen das Drehmoment einleitet. Diese Antriebseinrichtung muss potentialfrei sein und daher gegenüber dem Target und meist auch gegenüber der Vakuumkammer isoliert eingebaut werden. Daher ist bei bekannten Antriebsendblöcken die Antriebseinrichtung unter Verwendung von Isolatoren so in den Antriebsendblock eingebaut, dass sich der Elektromotor üblicherweise atmosphärenseitig außerhalb der Vakuumkammer befindet und ein Getriebe oder Teile eines Getriebes oder anderer Drehmomentübertragungseinrichtungen wie Riemenantriebe und dergleichen innerhalb des Antriebsendblocks angeordnet sind. Abhängig von der Höhe der elektrischen Prozessspannung kann der Aufwand für die Potentialtrennung sehr groß sein, um zuverlässig zu erreichen, dass die an rohrförmigen Targets anliegende Prozessspannung nicht auf die Antriebseinrichtung oder die Vakuumkammer überschlägt. Ein Beispiel für einen derartigen Endblock ist aus der Patentanmeldung EP 1 365 436 A2 bekannt.
Aus DE 10 2008 033 904 ist hingegen ein Antriebsendblock für eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Target bekannt, der ein Endblockgehäuse mit einer in dem Endblockgehäuse angeordneten, drehbar gelagerten Antriebswelle aufweist, die an ihrem von außerhalb des Endblockgehäuses zugänglichen Ende zur Verbindung mit dem rotierenden Target ausgebildet ist und die an ihrem innerhalb des Endblockgehäuses liegenden Ende zur Einleitung eines Drehmoments ausgebildet ist, und einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zur Erzeugung eines Drehmoments umfasst, wobei der Elektromotor innerhalb des Endblockgehäuses angeordnet ist. Dabei kann gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Elektromotor koaxial zur Antriebswelle angeordnet ist oder/und dass das Drehmoment direkt auf die Antriebswelle übertragen wird.
In DE 10 2012 200 564 ist eine Antriebs- und Versorgungseinrichtung für eine rotierende Elektrode mit einem zylindrischen Elektrodenkörper beschrieben, die ein Gehäuse mit einem Gehäuseflansch umfasst, der eine Anschlussfläche zur Anbringung des Gehäuses an der Außenseite einer Vakuumkammer aufweist, eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Hohlwelle umfasst, wobei ein erstes Ende der Hohlwelle durch den Gehäuseflansch aus dem Gehäuse ragt und einen Elektrodenanschluss zur Aufnahme des Elektrodenkörpers aufweist, und wobei im Innern des Gehäuses, vom Gehäuseflansch ausgehend, in der angegebenen Reihenfolge eine Rotationsvakuumdichtung, eine Stromübertragungseinrichtung, eine Drehmomentübertragungseinrichtung zur Übertragung des von einer Antriebseinrichtung erzeugten Drehmoments auf die Hohlwelle, eine Rotationswasserdichtung und eine Kühlmittelversorgungseinrichtung angeordnet sind.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik soll eine verbesserte Stützeinrichtung angegeben werden, die neben der Einleitung eines Drehmoments in das Target auch die Versorgung der Magnetronanordnung mit elektrischer Spannung oder/und mit Kühlmittel ermöglicht. Unter einer Stützeinrichtung sollen dabei Endblöcke, insbesondere Antriebsendblöcke der oben beschriebenen Art, d.h. Einrichtungen, die im Innern der Vakuumkammer angeordnet sind, aber auch anders gestaltete Stützeinrichtungen, die beispielsweise atmosphärenseitig außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sind, verstanden werden.
Vorgeschlagen wird daher eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Rohrtarget, einer im Innern des Rohrtargets an einem Lanzenrohr befestigten Magnetanordnung und einer Stützeinrichtung, die ein Gehäuse mit einer drehbar gelagerten Antriebswelle umfasst, die außerhalb des Gehäuses zur Verbindung mit dem Rohrtarget ausgebildet ist, wobei innerhalb des Gehäuses der Rotor eines Elektromotors drehfest mit der Antriebswelle und der Stator des Elektromotors drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle als Hohlwelle ausgeführt ist, das Lanzenrohr im Innern der Antriebswelle angeordnet und mit einem ersten Kühlmittelanschluss verbunden ist und der Raum zwischen der Außenseite des Lanzenrohrs und der Innenseite der Hohlwelle mit einem zweiten Kühlmittelanschluss verbunden ist.
Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, Stützeinrichtungen mit innenliegendem Elektromotor auch für sogenannte Cantilever-Anordnungen von Magnetrons zu verwenden, weil eine einzige Stützeinrichtung gleichzeitig den Antrieb des Rohrtargets und seine Versorgung mit Kühlwasser ermöglicht. Die Versorgung des Rohrmagnetrons kann dabei innerhalb der Vakuumkammer und außerhalb des Gehäuses der Stützeinrichtung erfolgen. Sie kann jedoch auch in die Stützeinrichtung integriert sein, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Kühlmittelanschlüsse können beispielsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Dies ist insbesondere bei sogenannten Endblöcken sinnvoll, d.h. bei Stützeinrichtungen, die innerhalb der Vakuumkammer einer Vakuum-Substratbehandlungsanlage angeordnet sind, weil in diesem Fall eventuelle Leckagen nicht das Vakuum innerhalb der Vakuumkammer beeinträchtigen können. In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kühlmittelanschlüsse außerhalb des Gehäuses angeordnet. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Stützeinrichtung außerhalb der Vakuumkammer einer Vakuum-Substratbehandlungsanlage angeordnet, beispielsweise an eine Kammerwand der Vakuumkammer angeflanscht ist, damit die Anschlüsse auch von außerhalb der Vakuumkammer gut zugänglich sind.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelanschlüsse mit einer Drehdurchführung verbunden sind, die ein Innenteil und ein Außenteil aufweist, wobei das Innenteil mit dem Ende der Antriebswelle drehfest verbunden ist und das Außenteil mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Auf diese Weise sind sowohl die Einspeisung von Kühlmittel wie auch dessen Ableitung besonders einfach zu bewerkstelligen, weil derartige Drehdurchführungen praxiserprobt und leicht erhältlich sind.
In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stator das Außenteil der Drehdurchführung unter Bildung eines Hohlraums umschließt, der im Betrieb der Magnetronanordnung von Kühlmittel durchflossen ist. Mit anderen Worten wird zwischen Außenteil der Drehdurchführung und Stator ein von Kühlmittel durchflossener Hohlraum bereitgestellt, wodurch der Stator ebenfalls aktiv gekühlt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Antriebswelle an mindestens zwei zueinander beabstandeten Lagerpunkten innerhalb des Gehäuses gelagert ist. Dadurch werden Biegemomente, die aus dem Gewicht des Rohrtargets resultieren, durch ein Paar von Auflagerkräften aufgenommen, mit dem Resultat, dass eine zusätzliche Abstützung des entfernten Endes des Rohrtargets unnötig wird.
Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Lagerpunkte auf derselben Seite des Elektromotors angeordnet sind. Dies bedeutet, dass das über die beiden Lagerpunkte hinausragende Ende der Antriebswelle frei von Biegemomenten ist, so dass die Funktion des Elektromotors nicht dadurch beeinträchtigt werden kann, dass sich die Motorwelle unter der Last des Rohrtargets verformt.
In einer Weiterbildung der vorgeschlagenen Stützeinrichtung ist im Gehäuse mindestens ein mit der Antriebswelle in elektrisch leitendem Kontakt stehendes Kontaktierungsmittel zur Spannungsversorgung des Rohrtargets angeordnet. Wie oben bereits erwähnt wird es dadurch möglich, auch die Einspeisung elektrischer Energie in das Rohrtarget auf einfache Weise durch die vorgeschlagene Stützeinrichtung zu realisieren.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Kontaktierungsmittel mindestens eine auf der Außenseite der Antriebswelle schleifende Kohlebürste umfasst. Beispielsweise können drei oder mehr Kohlebürsten über den Umfang der Antriebswelle verteilt angeordnet sein, die die für den Sputterprozess benötigte elektrische Energie in die Antriebswelle und über diese in das Rohrtarget einspeisen. Dieses Kontaktierungsmittel kann vorteilhaft zwischen den beiden Lagerpunkten angeordnet sein.
Der Elektromotor kann beispielsweise als Scheibenläufer, Innenläufer oder Außenläufer ausgeführt sein.
Nachfolgend wird die vorgeschlagene Magnetronanordnung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 einen Längs-Halbschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Stützeinrichtung außerhalb der Vakuumkammer einer Substratbehandlungsanlage, und
2 einen Längs-Halbschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Stützeinrichtung außerhalb der Vakuumkammer einer Substratbehandlungsanlage.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist an einer Kammerwand 7 einer Substratbehandlungsanlage auf der Atmosphärenseite eine Stützeinrichtung 3 angebracht, die im Innern der Vakuumkammer ein Rohrtarget 1 trägt.
Die Stützeinrichtung 3 umfasst ein Gehäuse 31, das mittels eines Isolatorflansches 32 an der Kammerwand 7 befestigt ist. In dem Gehäuse 31 ist eine Antriebswelle 33 drehbar gelagert, und zwar in zwei zueinander beabstandeten Drehlagern 34. Das Innere der Vakuumkammer ist gegenüber dem im Gehäuse 31 herrschenden Atmosphärendruck durch eine Dichtung 35 abgedichtet.
Zwischen den beiden Drehlagern 34 ist im Gehäuse 31 ein Kontaktierungsmittel 36 zur Einleitung elektrischer Energie in die Antriebswelle 33 angeordnet. Bei dem Kontaktierungsmittel 36 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Kohlebürste, die auf der Außenfläche der Antriebswelle 33 schleift und die in einem Isolator 37 gehalten und so gegenüber dem Gehäuse 31 elektrisch isoliert ist.
Koaxial zur Antriebswelle 33 ist im Gehäuse 31 ein Elektromotor 4 so angeordnet, dass durch ihn ein Drehmoment in die Antriebswelle 33 geleitet werden kann. Dazu ist auf der Antriebswelle 33 der Rotor 42 des Elektromotors 4 befestigt. Den Rotor 42 umgebend ist der Stator 41 des Elektromotors 4 angeordnet. Dieser ist drehfest im Gehäuse 31 angebracht. Der Elektromotor 4 ist somit ein Innenläufer.
Im Innern der Vakuumkammer ist am freien Ende der Antriebswelle 33 das Rohrtarget 1 durch ein Verbindungselement 11 befestigt.
Die Antriebswelle 33 ist als Hohlwelle ausgeführt. Im Innern der Antriebswelle 33 ist ein Lanzenrohr 21 angeordnet, das sich bis in das Rohrtarget 1 hinein erstreckt. Im Innern des Rohrtargets 1 ist die Magnetanordnung 2 am Lanzenrohr 21 befestigt.
An dem außerhalb der Vakuumkammer liegenden Ende der Antriebswelle 33 ist eine handelsübliche Drehdurchführung 5, die ein Innenteil 51 und ein Außenteil 52 aufweist, mit der Antriebswelle 33 drehfest verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist das Innenteil 51 mit der Antriebswelle 33 verschraubt.
Das Außenteil 52 der Drehdurchführung 5 hingegen ist durch eine Verdrehsicherung 54 drehfest mit der Außenseite des Gehäuses 31 verbunden. Zur genauen Einstellung des Winkels ist außerdem ein Einstellmittel 53 an der Drehdurchführung 5 angeordnet.
Die Drehdurchführung 5 ist mit zwei außerhalb des Gehäuses 31 der Stützeinrichtung liegenden Kühlmittelanschlüssen 6 verbunden. Innerhalb der Drehdurchführung 5 ist der eine der beiden Kühlmittelanschlüsse 6 kommunizierend mit dem Lanzenrohr 21 verbunden und der andere der beiden Kühlmittelanschlüsse 6 kommunizierend mit dem Raum zwischen der Antriebswelle 33 und dem Lanzenrohr 21 verbunden, so dass Kühlmittel in einem Kreislauf durch das Targetrohr 1 strömen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind viele Merkmale ebenso ausgebildet wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, weswegen nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Elektromotor 4 um einen Außenläufer, denn der glockenförmige Rotor 42 umschließt den konzentrisch zur Antriebswelle 33 angeordneten Stator 42. Dieser sitzt nicht direkt auf der Antriebswelle 33, sondern auf dem Außenteil 52 der Drehdurchführung 5, die ihrerseits drehfest mit dem Gehäuse 31 verbunden ist. Das Innenteil 51 der Drehdurchführung 5 ist drehfest mit der Antriebswelle 33 verbunden.
Zwischen dem Stator 41 des Elektromotors 4 und dem Außenteil 52 der Drehdurchführung 5 befindet sich ein Hohlraum 43, der von dem Kühlmittel durchflossen wird, das durch die beiden Kühlmittelanschlüsse 6 in die Magnetroneinrichtung eingeleitet und aus der Magnetroneinrichtung herausgeleitet wird.
Zwei Kühlmittelanschlüsse 6 sind außerhalb des Gehäuses 31 mit der Stützeinrichtung 3 verbunden, wobei der erste Kühlmittelanschluss 6 direkt mit dem Lanzenrohr 21 verbunden ist und der zweite Kühlmittelanschluss 6 mit dem Außenteil 52 der Drehdurchführung verbunden ist und über den Hohlraum 43 zwischen dem Stator 41 des Elektromotors 4 und dem Außenteil 52 der Drehdurchführung 5 mit dem Raum zwischen der Antriebswelle 33 und dem Lanzenrohr 21 kommunizierend verbunden ist. Durch diese Konfiguration kann Kühlmittel in einem Kreislauf durch das Targetrohr 1 strömen und dabei gleichzeitig den Stator 41 des Elektromotors 4 kühlen.
Bezugszeichenliste

1: Rohrtarget
11: Verbindungselement
2: Magnetanordnung
21: Lanzenrohr
3: Stützeinrichtung
31: Gehäuse
32: Isolatorflansch
33: Antriebswelle
34: Drehlager
35: Dichtung
36: Kontaktierungsmittel
37: Isolator
4: Elektromotor
41: Stator
42: Rotor
43: Hohlraum
5: Drehdurchführung
51: Innenteil
52: Außenteil
53: Einstellmittel
54: Verdrehsicherung
6: Kühlmittelanschluss
7: Kammerwand
atm: Atmosphäre
vac: Vakuum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1365436 A2 [0003]
DE 102008033904 [0004]
DE 102012200564 [0005]

Claims

Cantilever-Magnetron mit einem rotierenden Rohrtarget, einer im Innern des Rohrtargets an einem Lanzenrohr befestigten Magnetanordnung und einer Stützeinrichtung, die das Magnetron von einem Ende des Rohrtargets her gleichzeitig mit Kühlmittel und elektrischer Spannung versorgt und ein Antriebsdrehmoment bereitstellt, und die ein Gehäuse mit einer drehbar gelagerten Antriebswelle umfasst, die außerhalb des Gehäuses zur Verbindung mit dem Rohrtarget ausgebildet ist, wobei innerhalb des Gehäuses der Rotor eines Elektromotors drehfest mit der Antriebswelle und der Stator des Elektromotors drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist, die Antriebswelle als Hohlwelle ausgeführt ist, das Lanzenrohr im Innern der Antriebswelle angeordnet und mit einem ersten Kühlmittelanschluss verbunden ist und der Raum zwischen der Außenseite des Lanzenrohrs und der Innenseite der Hohlwelle mit einem zweiten Kühlmittelanschluss verbunden ist.
Magnetronanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelanschlüsse außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
Magnetronanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelanschlüsse mit einer Drehdurchführung verbunden sind, die ein Innenteil und ein Außenteil aufweist, wobei das Innenteil mit dem Ende der Antriebswelle drehfest verbunden ist und das Außenteil mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist.
Magnetronanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator das Außenteil unter Bildung eines Hohlraums umschließt, der im Betrieb der Magnetronanordnung von Kühlmittel durchflossen ist.
Magnetronanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle an mindestens zwei zueinander beabstandeten Lagerpunkten innerhalb des Gehäuses gelagert ist.
Magnetronanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Lagerpunkte auf derselben Seite des Elektromotors angeordnet sind.
Magnetronanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse mindestens ein mit der Antriebswelle in elektrisch leitendem Kontakt stehendes Kontaktierungsmittel zur Spannungsversorgung des Rohrtargets angeordnet ist.
Magnetronanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungsmittel mindestens eine auf der Außenseite der Antriebswelle schleifende Kohlebürste umfasst.
Magnetronanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungsmittel zwischen den beiden Lagerpunkten angeordnet ist.
Magnetronanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Außenläufer ist.