JP6655531B2 - 室温および高温の両方におけるホルダー内のプレートのセンタリング - Google Patents

Description

本発明は、プレートが、プレートおよびホルダーの熱膨張から独立して、室温および高温の両方で、ホルダーにおいてセンタリングされ、かつプレートが、高温で、ホルダー内で自由に膨張することができる、ホルダーを備えたプレートを有するシステムに関する。

最近は、コーティングは、特に、いわゆるＰＶＤプロセス（ＰＶＤ：物理蒸着法）の一部である、スパッタリングプロセスおよびアークプロセスを使用して製造される。この技術において、ターゲットは微粉状にされるか、または蒸発される。これらのプロセスにおいて、ターゲットは加熱され、冷却されなければならない。

従来技術によると、冷却は、例えば、図２に示すように、ターゲットの背面を冷却する、ホイル冷却プレート型のいわゆる冷却プレートによって実行される。冷却媒体の圧力は、ターゲットに対してホイルを押圧し、したがって、冷却媒体からターゲットへの良好な熱伝導を達成する。

電力インプット、冷却プレートを経た熱放散、およびターゲット材料の熱伝導度次第で、ターゲットは異なって加熱され、それらの縦方向の膨張係数に従って膨張する。ターゲットはこの場合、破壊しないように、自由に膨張することが可能でなければならない。

プロセス関連の理由のために、全作業の間、同一中心のギャップが、ターゲットと包囲する構成部分との間で確実となるように、冷却プレート上に載置されるターゲットが、冷却プレート軸と同心で膨張することが重要である。特に、例えば図２に示すように、例えばターゲットがカソードとして作動し、ターゲットが、その周囲に配置された、異なる電気ポテンシャルが印加されるアノード環を有する場合、生じるおそれのある短絡を回避するために、冷却プレート軸に対してセンタリングされた様式でターゲットが膨張することは非常に重要である。

ターゲットが正しくセンタリングされない場合、ターゲットは十分に同心で膨張しない。その結果、短絡が、アノード環と膨張したターゲットとの間で生じるおそれがある。

本実施例において、アノード環に対するターゲットの位置は、冷却プレートの位置によって決定される。冷却プレートとターゲットとの間のギャップが小さい場合、ターゲットの位置は十分に画定され、ターゲットとアノードとの間で接触が生じない。この小さなギャップは、しかしながら、厳密にターゲットの潜在的膨張を制限する。したがって、最大許容ターゲット温度または動作温度は予め決まっており、したがって、最大スパッタリング電力は制限される。ギャップがより小さいほど、許容されるスパッタリング電力はより低い。

ギャップがより大きい場合、ターゲットは、一般に、冷却プレート上に中心をずらして配置される。加えて、中心が異なる支持によって、ホイル冷却プレート作業の間、ターゲットの機械的応力が不均等となる。ターゲット材料次第で、これは、許容される機械的応力を超える結果となる可能性がある。

本発明の目的は、システムの温度に関係なく、プレートをホルダーデバイスにセンタリングされたまま保持することを可能にする、プレート保持デバイスシステムであって、プレートが膨張プロセスの間に破壊されないように、プレートがホルダーデバイスにおいて自由に膨張することが可能であるシステムを作成することである。

本発明の目的は、請求項１に記載されるシステム「プレートホルダー」を作成することによって達成される。

本発明は、ここで、図面と関連して、より詳細に説明される。

ターゲットおよびホルダーを概略的に示す。 ターゲット、冷却プレートおよびアノード環を有するコーティング供給源を示す。 上から見た、本発明によるホルダーを備えたプレートの実施形態の断面図の詳細を示す。 本発明によるホルダーを備えたプレートの実施形態の上面図を示す。 本発明の実施形態の断面図の詳細を示す。 上面図の本発明によるホルダーを備えたプレートおよびそれに関連する詳細を示す。 突出部が丸い領域を有する凹部／突出部の対を示す。 プレートが長方形の表面を有する上面図の本発明によるホルダーを備えたプレートを示す。

本発明によるシステムは、プレートおよびホルダーを有し、プレートは、外側プレート端縁を備えた表面を有し、かつプレートの材料は、第１の熱膨張係数を有し、かつホルダーは、内側ホルダー端縁によって区切られる開口部を有し、かつホルダーの材料は、第２の熱膨張係数を有し、かつ第１の熱膨張係数は、第２の熱膨張係数より大きく、
−室温において、ホルダーの開口部の周囲は、プレートの表面の周囲より大きく、その結果、プレートのセンタリングされた位置によって、外側プレート端縁と内側ホルダー端縁との間に所定のギャップ幅Ｓを有するギャップがあり、
−外側プレート端縁は、１つまたは複数の突出部を有し、これは、プレート端縁表面に対して半径方向に沿って延在し、かつホルダー端縁の対応する凹部において係合し、そして／またはプレート端縁は、１つまたは複数の凹部を有し、これは、プレート端縁表面に対して半径方向に沿って延在し、かつホルダー端縁の対応する突出部によって係合され、
−プレート保持システムは、少なくとも３つの互いに係合するそのような凹部／突出部の対を有し、かつ各凹部および各突出部は、プレート端縁表面に対して半径方向でそれぞれの長さ、およびそれぞれの幅を有し、かつ凹部の幅は、対応する突出部の幅より大きく、室温において各凹部／突出部の対に対して、凹部および突出部の間の最小の幅差ｓｐは、上記のギャップ幅Ｓより小さく、半径方向において、凹部と突出部との間の最小のギャップ幅は、上記の最小の幅差ｓｐより大きく、好ましくは、少なくとも上記のギャップ幅Ｓと同様の大きさであり、したがって、室温および高温の両方において、プレートが常に固定され、凹部／突出部の対がガイドレールとして機能するため、ホルダーにおいてセンタリングされるという事実が達成される。

本明細書の意味において、「半径方向」という用語は、以下の通りに定義されるものとして理解される：プレートが、プレート表面に対して垂直に、かつその重心を通って延在する軸に固定される場合、外側プレート端縁上の位置における半径方向は、温度増加が生じる場合に外側プレート端縁上の位置が移動するそれぞれの方向である。円形端縁を有するディスク形状のプレートでは、これはプレート端縁に対して垂直方向であって、円の中心点から離れて延在する。

図８は、長方形表面を有するプレートにおいてこれを概略的に示す。突出部およびホルダーを備えたプレートは、クロスハッチングで示される。直線はプレートの重心を通過し、定義によって、プレート端縁において半径方向を示す。図中、ギャップ幅Ｓは、プレート端縁周囲で同一である必要はなく、代わりに、形状に応じて選択することが可能であることも明白である。

本発明によると、凹部と突出部との間のギャップ幅を含む、プレート端縁と内側ホルダー端縁との間の全てのギャップ幅は、プレートおよびホルダーの寸法および熱膨張係数を考慮して、高温が生じる場合にプレートがホルダー内で自由に膨張することができるように選択される。固体の熱膨張は、主に格子の構造および結合条件に有意に（著しく）依存するため、一次方程式は近似値を構成するのみである。

膨張係数または熱膨張係数は、温度変化が生じる時に、その寸法の変化に関する材料の挙動を説明する値であり、したがって、しばしば熱膨張係数とも呼ばれる。熱膨張は、この原因となる効果である。熱膨張は使用される材料次第であり、したがって、材料特有の材料定数である。多くの材料における熱膨張が全ての温度範囲に渡って一様に生じるというわけではないので、熱膨張係数自体が温度に依存しており、したがって、特定の参照温度または特定の温度範囲に関して示される。

縦方向熱膨張係数α（線形熱膨張係数としても知られている）と、空間的熱膨張係数γ（空間的膨張係数、体積膨張係数または立方膨張係数としても知られている）との間で区別される。

縦方向膨張係数αは、温度変化ｄＴと固体の相対的な長さ変化ｄＬ／Ｌとの間の比例定数である。これは、したがって、温度変化によって生じる相対的な長さ変化を説明するために使用される。これは材料特有の値であり、その計測単位はＫ^−１（パーケルビン）であり、以下の方程式によって定義される：α＝１／Ｌ・ｄｌ／ｄＴ；簡略化された形態では、この方程式はＬ_{ｆｉｎａｌ}≒Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}・（１＋α・ΔＴ）である。

そして、例えば、プレートが最大動作温度においてプレート表面の特定の方向において有するであろう長さを算出することが可能である。同様の様式で、ホルダーの熱膨張による寸法を算出することができる。したがって、最大動作温度までホルダーにおいてプレートの自由な熱膨張を確実にするために必要なプレートとホルダーとの間のギャップ幅を算出することが可能である。

例えば、Ｌ_{１ｆｉｎａｌ}≒α_１・Ｌ_{１ｉｎｉｔｉａｌ}・ΔＴ_１（式中、Ｌ_{１ｆｉｎａｌ}は、温度Ｔ_{ｆｉｎａｌ}（例えば、プレートの最大動作温度）における特定方向のプレートの長さ（すなわち、ディスク形状のプレートの場合、直径）であり、α_１は、動作温度範囲におけるプレートの線形熱膨張係数であり、Ｌ_{１ｉｎｉｔｉａｌ}は、同一方向であるが、温度Ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}（例えば、室温）におけるプレートの長さである）を仮定することができ、同様のアプローチは、ホルダー形状および寸法、ならびにホルダー材料の線形熱膨張係数を考慮すべき点を除き、Ｔ_{ｆｉｎａｌ}におけるホルダーの寸法の計算に適用することができる。

好ましくは、プレートとホルダーとの間のギャップ幅は、プレートが、少なくとも４５０℃、好ましくは少なくとも５００℃、さらに好ましくは少なくとも６５０℃の温度までホルダー内で自由に膨張することができるように選択される。

本発明によると、プレート材料の線形熱膨張係数は、ホルダー材料の線形熱膨張係数より大きく、すなわち、α１＞α２である。

好ましくは、プレートはディスク形状である。

好ましくは、プレートの凹部および／または突出部は、互いに等距離で分配される。

好ましくは、ホルダーは、プレートを収容するために環状であるか、または環状部分を有する。

本発明の別の好ましい実施形態によると、プレートは、星型パターンで配置されたガイド（突出部）を有するディスク形状のターゲットであることができ、その共有軸は、ターゲットセンターに位置し、かつガイドは、星型パターンで配置されたホルダーの対応する溝（凹部）に突出している。例えば、ホルダーは、冷却プレートデバイスの一部分である。したがって、ターゲットは、本発明によるターゲット冷却プレートデザインによって、温度に依存しない様式で、冷却プレート上でセンタリングされる。結果的に、ターゲット周囲でアノード環を使用する場合、ターゲットとアノード環との間のギャップが同一中心に残ること、そして本発明によって、同一中心に保持されることが可能である。

したがって、カソードとして作動されるターゲットとアノード環との予想外の接触によって生じるおそれのある短絡を回避することが可能である。

またこの結果として、冷却プレートデバイスにおけるターゲットとターゲットホルダーとの間（例えば、ターゲットとターゲットホルダー環との間）の接触面が同心のままであり、ホイル冷却プレートが使用される場合、ターゲットにおいて均一な応力が生じる。したがって、接触域を最小化することが可能である。

ターゲットから突起（突出部）が突出する凹部を冷却プレートに設ける代わりに、図４に示すように、ターゲットにおいて凹部を設けることも可能であり、ターゲットの凹部に係合する、内側に突出する突出部を有する冷却プレートデバイスの受容体、例えば、ターゲット保持環を具体化することも可能である。

特定の利点は、既存の冷却プレートにおける本発明の使用によって達成され、ここでは、ターゲットと冷却プレートとの間の極端に小さいギャップを、スペーサー環の使用によって大きくすることができる。図５に示すように、ターゲットがスペーサー環に取り付けられ、次いで、この環を冷却プレートに取り付ける場合、ターゲットと冷却プレートとの間の全体的な遊び（遊び１および遊び２）を増加させることが可能であり、したがってまた、使用される電力の量を増加させることが可能である。

開示されるところのものは、共にシステム「プレートホルダー」を構成する、ホルダーを備えたディスク形状のプレートであって、
プレートが、その周囲の広範囲の領域に渡って延在する表面を有し、かつ外側プレート端縁を有し、かつプレートの材料が第１の熱膨張係数α１を有し、かつホルダーが、その周囲の広範囲の領域に渡って延在し、内側ホルダー端縁によって区切られる開口部を有し、かつホルダーの材料が第２の熱膨張係数α２を有し、かつ
−室温において、ホルダーの開口部の周囲は、プレートの表面の周囲より大きく、その結果、ホルダーの開口部においてプレートの位置がセンタリングされると、プレート端縁と内側ホルダー端縁との間に所定のギャップ幅Ｓを有するギャップがあり、かつ
−α２＜α１であり、かつ
−プレート端縁は、１つまたは複数の突出部を有し、これは、表面のセンター点から見ると、半径方向でプレート端縁から突出部長さで延在し、かつホルダー端縁の凹部長さを有する対応する凹部と係合し、および／またはプレート端縁は、１つまたは複数の凹部を有し、これは、プレート端縁から見ると、表面のセンター点の方へ凹部長さで延在し、かつホルダー端縁での突出部長さを有する対応する突出部に係合され、
−システム「プレートホルダー」は、少なくとも３つのそのような凹部／突出部の対を有し、かつ凹部／突出部の対に関して、対応する半径方向の長さは、室温において、最大でｄの半径方向の間隔を除いて、凹部がそれぞれ突出部によって半径方向で係合され、半径方向の間隔ｄのサイズがギャップ幅Ｓのサイズに対応するように互いに適合され、かつ接線方向の凹部／突出部の対に関して、対応する幅プロフィールは、凹部が、対応する突出部のためのガイドレールとして機能することができ、接線方向のその遊びｓｐがＳ未満であるように、互いに適合し、
そしてその結果、室温とプレートがホルダーよりも膨張するより高温の両方において、膨張するプレートは、それが、最大で遊びｓｐを除いて、ホルダーにおいて常にセンタリングされるように固定される、ホルダーを備えたディスク形状のプレートである。

上記ホルダーを備えたプレートのため、好ましくは、ギャップ幅Ｓ、半径方向の間隔ｄ、および遊びｓｐが、プレートが、少なくとも４５０℃、好ましくは少なくとも５００℃、さらに好ましくは少なくとも６５０℃の温度までホルダー内で自由に膨張することができるように選択され得る。

上記ホルダーを備えたプレートのため、好ましくは、プレートの凹部および／または突出部が互いに等距離で分配される。

上記ホルダーを備えたプレートのため、好ましくは、ホルダーが、プレートを収容するために環状であるか、または環状部分を有する。

上記ホルダーを備えたプレートのため、好ましくは、４つの凹部／突出部の対が設けられる。

上記システム「プレートホルダー」において、プレートがＰＶＤプロセスに用いられるターゲットであり、かつ上記システム「プレートホルダー」が、対応するコーティング供給源の一部分であり得る。

上記コーティング供給源に、電圧源に接続するための手段を設けることができ、それによって、ターゲットをカソードとして使用することができ、かつ電極をアノードとして使用することができるように、電極に対して負のポテンシャルをターゲットに印加することが可能である。

上記コーティング供給源において、ホルダーの一部分は、冷却デバイスの少なくとも一部分を構成することができる。

上記ホルダーは、スペーサー環として具体化することができる。

冷却デバイスは、好ましくは、ホイル冷却プレート型のデバイスであることができる。

上記アノードは、好ましくは、ターゲットの周囲に配置されることができ、かつアノード環として具体化される。

上記ホルダーを備えたプレートにおいて、遊びｓｐは、好ましくは、ギャップ幅Ｓのサイズの半分であることができ、かつ特に好ましくは、ギャップ幅Ｓより桁単位で小さくなることができる。

上記ホルダーを備えたプレートにおいて、軸方向における突出部の少なくとも１つ、好ましくは突出部のいくつか、特に好ましくは突出部の全てのガイド領域の幅プロフィールは、ｉ）端縁を有さなくてもよく、それによって、対応する凹部によって形成されるガイドレールで動けなくなることが阻止されるか、またはｉｉ）凹部が導かれる少なくとも半径方向の小区分で、平行の直線の壁を有することができる。

上記ホルダーを備えたプレートにおいて、少なくとも１つの凹部、好ましくはいくつかの凹部、特に好ましくは全ての凹部の幅プロフィールが、凹部がガイド作用を実行する少なくとも半径方向の小区分において、ｉ）平行の直線の壁を有することができるか、またはｉｉ）端縁を有さなくてもよく、それによって、凹部によって形成されるガイドレールで対応する突出によって動けなくなることが阻止される。

好ましくは、その凹部／突出部の対の１つ、いくつか、または全てにおいて、上記の選択肢ｉ）が同時に満たされるか、または上記の選択肢ｉｉ）が同時に満たされるかのいずれかである。

上記の少なくとも１つのコーティング供給源によるＰＶＤシステムも開示される。

Claims (11)

1. システム「プレートホルダー」を共に構成するホルダーを備えたディスク形状のプレートであって、該プレートが、その周囲の領域に渡って延在する表面を有し、かつ外側プレート端縁を有し、かつ前記プレートの材料が第１の熱膨張係数α１を有し、前記ホルダーが、その周囲の領域に渡って延在し内側ホルダー端縁によって区切られる開口部を有し、かつ前記ホルダーの材料が第２の熱膨張係数α２を有する、ホルダーを備えたディスク形状のプレートにおいて、
   − 室温にて、前記ホルダーの前記開口部の周囲が、前記プレートの前記表面の周囲より大きく、その結果、前記ホルダーの前記開口部における前記プレートの位置がセンタリングされると、前記外側プレート端縁と前記内側ホルダー端縁との間に所定のギャップ幅Ｓを有するギャップがあり、かつ
   − α２＜α１であり、かつ
   − 前記プレートがＰＶＤプロセスに用いられるターゲットであり、かつ前記システム「プレートホルダー」が、対応するコーティング供給源の一部分であり、
   − 前記ホルダーの少なくとも一部分が、ホイル冷却プレート型の冷却デバイスの少なくとも一部分を構成することができ、
   − 前記外側プレート端縁が、１つまたは複数の突出部を有し、この突出部は、前記表面のセンター点から見て、半径方向で前記外側プレート端縁から突出部長さで延在し、かつ前記内側ホルダー端縁の凹部長さを有する対応する凹部と係合し、および／または、前記外側プレート端縁が、１つまたは複数の凹部を有し、この凹部は、前記外側プレート端縁から見て、前記表面のセンター点の方へ凹部長さで延在し、かつ前記内側ホルダー端縁の突出部長さを有する対応する突出部に係合され、
   − 前記システム「プレートホルダー」が、少なくとも３つの互いに係合するそのような凹部／突出部の対を有し、かつ前記凹部／突出部の対に関して、室温にて、最大でｄの半径方向の間隔を除いて、前記凹部がそれぞれ半径方向で突出部によって係合され、そのサイズが前記ギャップ幅Ｓのサイズに対応するように、長さが選択され、かつ接線方向での前記凹部／突出部の対に関して、凹部が、対応する突出部のためのガイドレールとして機能することができ、接線方向でのその遊びｓｐがＳ未満であるように、幅プロフィールが互いに適合し、
   そしてそれによって、室温と前記プレートが前記ホルダーよりも膨張するより高温の両方で、膨張するプレートは、該プレートが、最大で前記遊びｓｐを除いて、前記ホルダーにおいて常にセンタリングされるように固定され、
   −軸方向において前記突出部の少なくとも１つのガイド領域における前記幅プロフィールが、ｉ）端縁を有さず、それによって、前記対応する凹部によって形成される前記ガイドレールで動けなくなることが阻止されるか、またはｉｉ）前記凹部が導かれる少なくとも前記半径方向の小区分で、平行の直線の壁を有することを特徴とする、ホルダーを備えたプレート。
2. 前記プレートが少なくとも４５０℃の温度まで前記ホルダー内で自由に膨張することができるように前記ギャップ幅Ｓ、前記半径方向の間隔ｄおよび前記遊びｓｐが選択される、請求項１に記載のホルダーを備えたプレート。
3. 前記プレートの前記凹部および／または突出部が互いに等距離で分配される、請求項２に記載のホルダーを備えたプレート。
4. 前記ホルダーが、前記プレートを収容するために環状であるか、または環状部分を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のホルダーを備えたプレート。
5. ４つの凹部／突出部の対が設けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のホルダーを備えたプレート。
6. 前記コーティング供給源に、電圧源に接続するための手段が設けられ、それによって、電極に対して前記ターゲットに負のポテンシャルを印加することが可能で、前記ターゲットをカソードとして使用することができ、かつ前記電極をアノードとして使用することができる、請求項１に記載のホルダーを備えたプレート。
7. 前記ホルダーがスペーサー環として具体化される、請求項１に記載のホルダーを備えたプレート。
8. 前記アノードが前記ターゲットの周囲に配置され、かつアノード環として具体化される、請求項６に記載のホルダーを備えたプレート。
9. 前記遊びｓｐが、最大で前記ギャップ幅Ｓのサイズの半分である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のホルダーを備えたプレート。
10. 少なくとも１つの凹部の前記幅プロフィールが、ｉ）前記凹部が前記ガイド作用を実行する少なくとも半径方向の小区分にて、平行の直線の壁を有するか、またはｉｉ）前記凹部が前記ガイド作用を実行する少なくとも半径方向の小区分にて、端縁を有さず、それによって、前記対応する凹部によって形成される前記ガイドレールで動けなくなることが阻止される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のホルダーを備えたプレート。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のホルダーを備えたプレートに対するコーティング供給源を少なくとも１つ備えたＰＶＤシステム。
    

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