JP2007051373A - モーター駆動式ロータリーカソードを含む真空コーティング機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリーカソードの揺動を補償する真空コーティング機械を提供する。
【解決手段】真空コーティング機械（１）において、駆動ユニット（６）は、上記駆動ユニットがロータリーカソード（１０）によって加えられる揺動に追従できるように、弾性中間プレート（１４）を用いてチャンバ筐体（３）に追従的に取り付けられるので、ロータリーカソードの自由端（１８）のサポートベアリング（１９）は剛性支持として堅牢設計が可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、請求項１の総括的な部分に記載された、モーター駆動式ロータリーカソードを具備する真空コーティング機械、及びロータリーカソードの揺動を補償する装置に関する。

真空コーティング技術では、回転するコーティングカソード（ロータリーカソード）がますます使用されるようになり、ロータリーカソードの一端は、通常はロータリーカソードを収容するプロセスチャンバのチャンバ筐体で、駆動ユニットにフランジ取り付けされる。ロータリーカソードは、真空コーティング機械内で水平方向又は垂直方向に配置される。第１の真空コーティング機械（水平型真空コーティング機械）は、例えば、ガラスコーティングのため使用され、第２（垂直型真空コーティング機械）は、例えば、ディスプレイコーティングのため使用される。ロータリーカソードは、一般的に、縦軸の周りで回転するチューブターゲットとして設計され、永久磁石システムがチューブ内にある。ロータリーカソードから放射する磁界はターゲット材料を通り過ぎ、その結果、よく知られたマグネトロン効果が起こる。回転は、チューブターゲットの非常に均一な摩耗を引き起こすので、耐用年数を延長し、コストを低減する。さらに、冷却システムがチューブ内に収容される。水平方向に配置されたロータリーカソードに対し二つの設計原理が一般に区別される。第１の原理では、米国特許第４，４４５，９９７号に記載されているように、電源及びクーラントフィード（媒体フィード）を含む完全な駆動ユニットが、ロータリーカソードの一端で、いわゆるエンドブロック又はベアリングブロックを用いて、真空コーティングチャンバ蓋に配置される。媒体フィードを容易にするため、エンドブロック又はベアリングブロックがプロセスチャンバの外側に配置された改良型実施形態は、ドイツ特許第１０００４７８７Ａ１号に記載されている。しかしながら、基本的に、この設計原理は、ロータリーカソード又はチューブターゲットが交換されるとき、チャンバの蓋を含むユニット全体が真空コーティング機械から取り外されなければならないので、扱いにくくなる。第２の設計原理では、媒体フィードを含む駆動ユニットは、チャンバ外壁に取り付けられ、この事実は一般に取り扱いを簡単化する。ロータリーカソード又はチューブターゲットが交換されるとき、チューブ内に設置された磁石及び冷却システムを含むロータリーカソード又はチューブターゲットは、駆動ユニットのフランジから取り外され、チャンバ蓋が開かれ、真空コーティング機械から持ち上げられる。このタイプの機械は、例えば、米国特許第５，２００，０４９号に記載されている。

ある程度のチューブ長まで、ロータリーカソードは、自由突出、すなわち、片持ち梁構造として設計される。特に、長いロータリーカソードの場合には、しかしながら、重量モーメント荷重は、通常はロータリーカソードの自由端に、サポートベアリングを用いる付加的な支持を必要とする。

二つの設計原理はチューブターゲットに対し違いを示す。第１の原理のチューブターゲットは、機械的に安定した厚壁のチューブである。第２の原理のチューブターゲットは、（Ｓｉ、Ｚｎ、ＳｉＡｌのような）実際のターゲット材料が、例えば、鋳造、プラズマ噴霧、又は、熱接合（ボンディング）によって、機械的に安定したサポートチューブに塗布された、非常に薄壁のチューブである。両方の設計原理のチューブの共通した特長は、製造中に取り込まれた熱歪みのために、チューブはある程度まで空間的に湾曲したチューブ軸を有し、このチューブ軸は、材料が硬く、脆弱であり、かつ、壊れやすいので、再加工できない、例えば、真っ直ぐにできない、ということである。これらの湾曲したチューブターゲット軸（チューブターゲットの縦軸）は、ロータリーカソードがロータリーカソードの自由端の反対側の一方側で堅固にクランプされるとき、２倍の振幅の揺動を引き起こす。４ｍの最大チューブ長を考えると、チューブ軸の１０ｍｍの偏差は珍しいことではなく、このことは＋／−１０ｍｍの揺動の原因となる。ロータリーカソードの自由端におけるこの揺動にもかかわらず適切な支持を確保するため、主に、揺動に追従し、揺動を弱めることができるバネ式サポートが使用される。このようなサポートは、例えば、米国特許第５，６２０，５７７号に記載されている。支持力は少なくとも１個のバネにプリテンションを加えることによって調整される。

根本的な問題、すなわち、揺動するロータリーカソードの支持に対する既知の解決策は、しかしながら、様々な問題がある。種々の重量のチューブターゲットが使用されるとき、サポートベアリングのバネ先行荷重はチューブターゲットのそれぞれの重量に調整されなければならない。さらに、チューブターゲットが全回転を示すとき、支持力は、バネ系のバネレート及び揺動の振れから計算された量だけ変動する。チューブターゲットの質量は、スパッタエロージョンの結果として動作中に減少するので（元の重量の２０％程度まで下がるので）、支持力は、理想的には、動作中に再調整されるべきである。絶えず変化する条件は、最終的に、サポートベアリングにおける極端なベアリング荷重、したがって、早期の摩耗の原因となる。その結果、サポートベアリングの大きさを最大荷重のケースに合わせることが試みられ、このことが、次に、ベアリングの大型化と、それによって付随するコスト高をもたらす。

欧州特許出願公開明細書第１３６５４３６Ａ２号は、揺動の駆動側補償のための設計対策を実施済のロータリーカソードドライブについて記載する。これは、エンクロージャ筐体内で可動的にギアユニットを吊るすこと、及び駆動アセンブリ内でギアの遊びによって達成される。設計の観点から、このようにして、揺動を補償する自由度に制限が加えられる。さらに、このようなロータリーカソードドライブを用いて既存の機械を改造することは、高い設計上及び経済上の支出をもってはじめて可能になるので、不利であることがわかる。支出の考慮は、基本的に、それ相応により費用のかかる新しい機械の構築に同様に関する。

本発明の目的は、一方で、ロータリーカソードの揺動に追従し揺動を弱め、しかし、他方で、再調整を必要とせず、さらに、ロータリーカソード又はチューブターゲットの簡単な交換を容易化する、ロータリーカソードベアリングを提供することである。同時に、問題に対する解決策は、既存の機械にも適用可能であり、比較的安価である。

この目的は、請求項１の特徴部の特長を有する本発明によって達成される。その後の従属請求項の特長は有利なさらなる成果を示す。

本発明は、サポートベアリングの側ではなく、本質的に駆動側での、ロータリーカソードによって（より正確にはチューブターゲットによって）引き起こされる揺動の遮断の検討に基づく。このため、ロータリーカソードが追従的に、すなわち、規定された程度で可動的にフランジ取り付けされた駆動ユニット全体は、チャンバ筐体に、特に、側面チャンバ外壁に取り付けられる。これは、駆動ユニットとチャンバ筐体との間の接続点（取り付けフランジ）に弾性中間プレートを配置することによって達成され、上記中間プレートは、エラストマーから形成されるのが都合よく、好ましくは、厚いゴム板によって形成される。この弾性中間プレートによって、駆動ユニットは、この場合、ロータリーカソードによって引き起こされる揺動を実行することが可能であり、自由ロータリーカソード端のサポートベアリングによって、今度は剛性設計を有することが可能である。剛性設計のため、重量モーメントではなく、ロータリーカソード質量の半分とちょうど等価的な重力がサポートベアリングに作用するので、このサポートベアリングはこの場合に寸法全体が全体的に小さくなり、この事実が構造空間を解放し、コストを軽減する。さらに、バネ先行荷重の再調整は不必要になる。

中間プレートの材料は弾力性があるので、真空密閉が自動的に実現され、その結果として、この時点でプロセスチャンバを密閉するさらなるシーリング手段は不必要であり、駆動側を密閉するこれまでの手段は省くことができる。

本発明は、したがって、既存の真空コーティング機械が、フィード機構部（媒体フィード）をすべて含むさらに使用可能な既存の駆動ユニットを用いて、費用効果的に改造され得るので、特に有利でもある。新しい機械を作る場合も、本発明を実施する設計上及び財務上の支出は比較的小さい。

当初は予想されなかった利益によって、チャンバ壁に対するロータリーカソードの傾斜角は、典型的に９０°の範囲に入るが、中間プレートの弾性的な挙動のため、ある程度の範囲内で選択的に変更可能であることがさらに明らかになった。

さらなる利点は、中間プレートが駆動ユニットから真空コーティングチャンバへの振動伝達を著しく低減することであり、この事実は製品品質を高め、雑音除去に寄与する。

中間プレートが電気的非伝導性材料から形成されるならば、中間プレートは、同時に、チャンバとカソードポテンシャルとの間で絶縁体として役立つ。絶縁ブロックの取り付けのようなその他の絶縁手段は、したがって、不要になる。

中間プレートの設計、特に、取り付け技術に依存して、例えば、過熱及び冷却の結果としてのロータリーカソードの縦膨張が同様に補償され、この事実は、サポートベアリング又は駆動ユニットにおける高荷重が回避されるべきであるならば、これまでは、付加的な設計手段の使用を必要としていた（この段落の背景は欧州特許出願公開明細書第１３６５４３６Ａ２号である）。

添付図面は、本発明の具体的な実施形態をより詳細に記述することが意図されている。

図１は従来技術による水平型真空コーティング機械１を示す。プロセスチャンバ２は、側面チャンバ壁４、チャンバ底１５、及び保守及び修理作業のためのプロセスチャンバへのアクセスを容易にするチャンバ蓋５によって画定される。プロセスチャンバ２の内部には、本実施形態ではチューブターゲットをもつ少なくとも１台のロータリーカソード１０が配置される。しかし、ロータリーカソードは同様に堅固な設計でもよい。チューブカソードの内部に設置された通常の従来技術の固定物、例えば、磁石及び／又は冷却システムなどは示されていない。明瞭さの理由で、プロセスチャンバ２内の処理されるべきワークピースの支持及び運搬の手段も示されていない。これらの手段は当業者に知られているので、説明は不必要である。ロータリーカソード１０の一端は、側面チャンバ壁４の壁開口部１６を介して、駆動ユニット６に接続され、好ましくは、堅固にフランジ取り付けされる。駆動ユニット６は、例えば、取り付けネジ９を用いて、チャンバ外壁４１に取り付けられ、駆動モーター７と、ギア／カップリングブロック８とを備え、ギア／カップリングブロックはこの側面にロータリーカソードのためのマウンティングをさらに備える。回転運動と、クーラントのようなプロセスのため必要な媒体の両方は、したがって、この側面からプロセスチャンバの駆動側へ導入又は供給される。ロータリーカソード１０を交換するため、ロータリーカソードは駆動ユニット６のフランジから取り外され、ロータリーカソードのすべての固定物と共に、開口したチャンバ蓋５を通してプロセスチャンバ２から上方へ持ち上げられる。

駆動ユニット６上でロータリーカソードから生じる重量モーメント荷重を保ち、そのマウンティング手段を下に保つため、ロータリーカソードの自由端１８、すなわち、フランジと反対側の端は、サポートベアリング１９によって支持される。図１の実施形態では、ロータリーカソード１０は、この目的のために、シャフトジャーナル１７によって延ばされ、シャフトジャーナルは回転ベアリング１２によって収容され、回転ベアリング１２がサポート１１に取り付けられる。図示された実施形態では、サポートベアリング１９はプロセスチャンバ２の内側に配置されるが、プロセスチャンバ２の外側で支持を行うことも可能であり、その目的のため、ロータリーカソード１０又は延ばされたシャフトジャーナル１７は側面チャンバ壁４の対応する開口部を介してフィードされるべきであり、この事実は付加的な設計上の支出を必要とする。チューブターゲットの製品公差と製造に関連した熱歪みの結果として、ロータリーカソードは、ある程度まで、空間的に湾曲し、複数の曲率半径と曲率方向のすべてがロータリーカソードに現れる可能性があるチューブ軸を有する。ロータリーカソード１０の駆動ユニット６への堅固な取り付けの結果として、ロータリーカソードの自由端１８は、したがって、回転中に多次元揺動を行う。この揺動に追従することを可能にするため、サポートベアリング１９は、図１の実施形態では減衰要素及び先行荷重要素が示されていない、バネ系１３を有する。バネ系１３の先行荷重及び／又は減衰は、設置されたロータリーカソード１０及びターゲット材料摩耗に依存した程度まで手動で再調整されるべきである。

ロータリーカソード１０の軸がチャンバ壁４に対して正確な角度、例えば、９０°の角度でないならば、ロータリーカソード１０の傾斜の角度は、取り付けネジ９を別々に区別して締めることにより、すなわち、中間プレート１４を識別的に圧迫することにより、チャンバ壁４に対して変更される。これもまた特に既存の機械の改良に有利であり、その理由は、このようにして、センタリングツールを用いて、駆動ユニット６の被駆動シャフト軸が反対側のサポートベアリング１９の中心と合わせられるからである。これは駆動ユニット６をロータリーカソード軸と合わせることが可能であることも意味する。

明瞭さの理由で、図１の実施形態は、必要に応じて、ロータリーカソード１０と、一方側の駆動ユニット６及びもう一方側のチャンバ筐体との間の種々の電気ポテンシャルを絶縁する、例えば、絶縁ブロックの形をした絶縁手段を示さない。

図２は、チャンバ筐体３に本発明の駆動ユニット６の追従的なサスペンションを備える水平型真空コーティング機械を示す。個別のコンポーネントの参照名は図１における参照名と同じである。本発明によれば、駆動ユニット６は、チャンバ外壁４１と直接的に接触するのではなく、弾性材料特性を有する追従的な中間プレート１４を介して間接的に接触する。中間プレート１４は、この場合、例えば、環状ディスクの形状を有する。中間プレート１４によって達成される追従的なサスペンションの結果として、ロータリーカソード１０にフランジ取り付けされた駆動ユニット６は、この場合、ロータリーカソードの揺動を追うことが可能であるので、ロータリーカソードの自由端１８の支持は剛性支持として実行される。したがって、これは、サポートベアリング１９内のバネ系の再調整又は手動設定の必要性を除去する。回転ベアリング１２上のモーメント及び引張荷重の低下の結果として、回転ベアリングはより小さい寸法を有することが可能になる。

図３は、弾性中間プレート１４を使用して駆動ユニット６をチャンバ外壁４１に取り付ける簡単かつ費用効果的な技術を示す。駆動ユニット６は、ここでは、取り付けネジ９を用いてチャンバ壁４に取り付けられ、ネジシャフトは、駆動ユニット６及び中間プレート１４内のドリル穴を通って右へ延び、ネジ山はチャンバ壁４内の対応する逆のネジ山と係合する。駆動ユニット６は、したがって、チャンバ外壁４１と直接的に接触するのではなく、上述のように弾力的に追従する中間プレート１４を介して接触する。非剛性接続のため、駆動ユニット６は、チャンバ壁４に対してある程度の可動性がある。チャンバ筐体３及び駆動ユニット６の様々なポテンシャルの電気的絶縁が必要であるならば、いわゆるネジ９の絶縁スリーブ（図示されない）が使用される。

図４は、駆動ユニット６をチャンバ壁４に取り付ける代替的な技術を示す。このより複雑な取り付け技術の利点は、チャンバ壁４に対する駆動ユニット６の拡大された可動性にある。中間プレート１４は、この場合は、ネジ９２によって、ドリル貫通穴を介して側面チャンバ壁４に取り付けられる。ネジ９２の配置に応じた程度まで、ネジ頭に面取りを行うことが必要である。駆動ユニット６は取り付けネジ９１を用いて中間プレート１４に取り付けられる。このため、例えば、金属製スレッドインサートを用いて、中間プレート１４の内部でネジ山を補強することが必要である。ここでの設計の考え方は、取り付け手段が駆動ユニット６とチャンバ壁４との間に剛性接続を生じないことである。この取り付け技術のさらなる利点は、基礎となる原理の故に、チャンバ筐体３と駆動ユニット６の様々なポテンシャルが電気的に絶縁されることである。

図示されないさらなる実施形態では、取り付けボルトが駆動ユニット６から中間プレート１４を通り、中間プレート１４の裏側、すなわち、チャンバ壁４に対向する側に、例えば、ナットを用いて固定され、この目的のため、設計は適切なスペースを設ける必要がある。しかし、その他の接続技術及び方法も考えることができる。

中間プレート１４がチャンバ壁４と駆動ユニット６との間でさらに真空密閉を実現するため、チャンバ外壁４１は、シーリング表面品質をもつ表面が得られるように、対応する点（表面セクション）で再加工されるべきであり、必要な表面品質は利用される中間プレート１４に依存する。図４に示された実施形態では、したがって、このような再加工された表面セクションに対応する陥凹した壁領域（切欠部、凹部）４２が示されている。しかし表面セクションは、陥凹した壁領域としてではなく、突出する壁領域としても形成できると考えられる。陥凹した壁領域４２の場合、その利点は単純化された組立である。

中間プレート１４は、エラストマーから形成され、好ましくは、ゴム材料から形成され、特に、天然ゴム又はシリコーンから形成される。ショア硬さは最小５０°であり、最大８０°である。６０°〜７０°のショア硬度の範囲が好ましい。言うまでもなく、このような材料は電気的に絶縁性である。中間プレート１４の材料は、最も多様な特性をもつ半製品として市場で入手可能である。

本発明の考え方は、水平型真空コーティング機械に限定されないので、当業者は、カソードの自由端がさらに支持される垂直型真空コーティング機械において本発明を実施することも可能である。記載された種々の実施形態の特長が組み合わされることは同様に考えられる。

従来技術のロータリーカソード付きの水平型真空コーティング機械の断面図である。 本発明による駆動ユニットサスペンション付きの水平型真空コーティング機械の断面図である。 駆動ユニットとチャンバ壁との間の接続点の断面詳細図である。 代替的な接続技術による駆動ユニットとチャンバ壁との間の接続点の断面詳細図である。

符号の説明

１…真空コーティング機械、２…プロセスチャンバ、３…チャンバ筐体、４…チャンバ壁、５…チャンバ蓋、６…駆動ユニット、７…モーター、８…ベアリングを含むギア／カップリングブロック、９…取り付けネジ（駆動ユニット／チャンバ壁）、１０…ロータリーカソード（チューブターゲット）、１１…サポート、１２…回転ベアリング、１３…バネ（先行荷重及び減衰付き）、１４…中間プレート、１５…チャンバ底、１６…壁開口部、１７…シャフトジャーナル、１８…ロータリーカソードの自由端、１９…サポートベアリング、２０…金属スレッドインサート、４１…チャンバ外壁、４２…切欠部、凹部、９１…取り付けネジ（駆動ユニット／中間プレート）、９２…取り付けネジ（中間プレート／チャンバ壁）。

Claims (10)

1. チャンバ筐体（３）を含む少なくとも１台のプロセスチャンバ（２）と、前記チャンバ筐体（３）に対して支持され、駆動ユニット（６）を用いてモーター駆動される少なくとも１台のロータリーカソード（１０）と、前記ロータリーカソードの駆動側で前記ロータリーカソード（１０）の揺動を補償する装置とを備える真空コーティング機械（１）において、
   前記ロータリーカソード（１０）の前記駆動ユニット（６）が前記チャンバ筐体（３）に対して追従的なサスペンションを用いて配置されることを特徴とする真空コーティング機械。
2. 前記駆動ユニット（６）の前記追従的なサスペンションが、チャンバ筐体（３）と駆動ユニット（６）との間に配置された弾性中間プレート（１４）によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の真空コーティング機械。
3. 前記駆動ユニット（６）が、前記駆動ユニット（６）及び前記中間プレート（１４）のドリル穴を通って延在する取り付けネジ（９）を用いて前記チャンバ壁（４）に取り付けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の真空コーティング機械。
4. 前記弾性中間プレート（１４）が、前記チャンバ筐体（３）だけに取り付けられ、前記駆動ユニット（６）が前記中間プレート（１４）だけに取り付けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の真空コーティング機械。
5. 壁開口部（１６）の寸法が、前記壁開口部を介してフィードされる駆動アセンブリの直径と前記ロータリーカソード（１０）の揺動の振れの２倍の少なくとも合計であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空コーティング機械。
6. 前記中間プレート（１４）が、エラストマーから、好ましくは、ゴム材料から、特に、天然ゴム又はシリコーンから形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空コーティング機械。
7. ショア硬さが最小５０°であり、最大８０°であり、好ましくは、６０°〜７０°のショア硬さの範囲にあることを特徴とする、請求項６に記載の真空コーティング機械。
8. 前記中間プレート（１４）が電気的に非伝導性の材料から形成されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の真空コーティング機械。
9. 前記ロータリーカソードの自由端（１８）の前記サポートベアリング（１９）が剛性ベアリングとして設計されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の真空コーティング機械。
10. 前記チャンバ外壁（４１）が、好ましくは、切欠部又は凹部（４２）の形で、前記中間プレート（１４）との接触のための再加工された表面セクションを有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の真空コーティング機械。

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