TW201443258A - 在室溫及高溫下固定件內板件的定心 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種系統，此系統包括一個帶有固定件的板件，其中固定件內的板件在室溫及高溫下都能夠定心，不會受板件及固定件的熱膨脹的影響，同時在高溫下板件能夠在固定件內自由膨脹。

Description

在室溫及高溫下固定件內板件的定心

本發明涉及一種系統，此系統包括一個帶有固定件的板件，其中固定件內的板件在室溫及高溫下都能夠定心，不會受板件及固定件的熱膨脹的影響，同時在高溫下板件能夠在固定件內自由膨脹。

為成形成鍍膜，現今最常使用的方法是濺鍍法及電弧法，這兩種方法都屬於所謂的物理蒸鍍法(PVD)。這一類的方法是將靶件霧化或蒸發。在使用這一類的方法時，靶件會變熱，因此必須將靶件冷卻。

如第2圖所示，現今技術是利用所謂的冷卻板(薄膜式冷卻板)將靶件的背面冷卻。薄膜被冷卻媒介物壓向靶件，因而形成從冷卻媒介到靶件的良好的熱傳遞作用。

靶件被加熱的程度是由輸入功率、冷卻板的散熱效果、以及靶材的導熱性而定，因此靶件會被加熱到不同的溫度，並根據靶件的線膨脹係數產生相應的膨脹。靶件必須能夠在冷卻板上自由膨脹，以免靶件受損。

在這個過程中很重要的一點是，置於冷卻板上的靶件在膨脹時必須與冷卻板的軸保持同心，以便在整個操作過程中確保靶件及周圍的構件之間存在一個同 心的隙縫。因一個非常重要的地方是，靶件必須定心在冷卻板的軸上膨脹，以避免短路，例如避免如第2圖所示，因為以靶件作為陰極，同時有一個電位不同於靶件的陽極環將靶件圍繞住，而可能產生的短路。

如果靶件未正確定心，靶件就不會以完全同心的方式膨脹，因而使陽極環及膨脹的靶件之間的隙縫可能會在若干區域小到造成短路。

當冷卻板及靶件之間有一個小隙縫，靶件及環之間的同心度偏差就會小到足夠的程度。最大容許靶件溫度及/或使用溫度是由這個隙縫決定，同時也決定了最大容許濺鍍功率。隙縫愈小，容許濺鍍功率就愈小。

當隙縫較大時，靶件對冷卻板通常是偏心的。此外，如果靶件的處於偏心位置，在使用薄膜冷卻板時，靶件內會產生不均勻的機械應力。視靶材而定，某些部位的應力可能會超過容許應力。

本發明的目的是提出一種板件-容納裝置的系統，這個系統可以使置於容納裝置內的板件不受系統溫度的影響，始終保持定心，其中板件可以在容納裝置內自由膨脹，而且在膨脹過程中不會受損。

為達到上述目的，本發明提出一種如申請專利範圍第1項描述的板件-固定件系統。

本發明的系統包括一片板件及一個固定件，其中板件具有一個帶有外板件邊緣的表面同時板件的材料具有第一熱膨脹係數，其中固定件具有一個被內固定 件邊緣圍的開口，同時固定件具有第二熱膨脹係數，其中：-在室溫時，固定件開口的周長大於板件表面的周長，因此在板件的定心位置，在板件邊緣及內固定件邊緣之間存在一個具有特定隙縫寬度的隙縫；-板件邊緣具有一或多個凸起，這一或多個凸起在板件邊緣表面的正交方向上延伸，並嵌入固定件邊緣的相應凹槽，及/或板件邊緣具有一或多個凹槽，這一或多個凹槽在板件邊緣表面的正交方向上延伸，同時固定件邊緣的相應凸起嵌入這一或多個凹槽；-其中板件-固定件系統具有至少3組這種相互嵌入的凹槽-凸起組，同時每一個凸起及每一個凹槽在板件邊緣表面的正交方向上都具有相應的長度及寬度，其中凸起的寬度大於相應之凹槽的寬度，在室溫時，對每一個凹槽-凸起組而言，凹槽及凸起之間的最大寬度差小於前面提及的隙縫寬度，在正交方向上，凹槽及凸起之間的最小隙縫寬度大於前面提及的最小寬度差，較佳是至少大於或等於前面提及的隙縫寬度，這樣不論是在室溫或高溫中，板件在固定件內始終可以被固定在定心位置，這是因為以凹槽-凸起組作為導向軌。

根據本發明，考量板件及固定件的尺寸及熱膨脹係數，所選擇的板件邊緣及內固定件邊緣之間的所有隙縫寬度(包括凹槽及凸起之間的隙縫寬度)要使板件在高溫時能夠在固定件內自由膨脹。由於固體的熱膨脹主要是由晶格結構及/或鍵結關係決定，因此線性方程式僅能顯示近似值。

膨脹係數或熱膨脹係數是一個描述物質在溫度改變時，尺寸發生變化的行為用的參數，因此通常被稱為熱膨脹係數。此時物質的尺寸之所以改變是因為熱膨脹的關係。熱膨脹是由所使用的物質決定，也就是說是一種物質特有的材料常數。由於許多物質並非在所有溫度範圍都是均勻的熱膨脹，因此熱膨脹係數本身也會隨著溫度變化，也就是說所謂的熱膨脹係數是指在一個特定的基準溫度或特定的溫度範圍的熱膨脹係數。

可以將膨脹係數區分為熱長度膨脹係數α(也稱為線熱膨脹係數)及熱體積膨脹係數γ(也稱為空間膨脹係數、體膨脹係數或立方膨脹係數)。

固體的線膨脹係數α是一個在溫度變化dT及相對長度變化dL/L之間的比例常數。因此線膨脹係數可以用來描述固體在溫度變化時的相對長度變化。線膨脹係數是物質的一個特有的量，其單位為K^-1(每一克氏度)，可以用以下的方程式定義線膨脹係數：α=1/L．dl/dT，並可以將此式簡化為L_final L_initial．(1+α．△T)。

例如可以利用以上的方程式計算在最大使用溫度時，板件在板件表面的一個特定方向上的長度。也可以用類似的方式計算出固定件在熱膨脹之後的尺寸。這樣就可以計算出板件及固定件之間需要的隙縫寬度，以確保在達到最大使用溫度時，板件在固定件內仍能夠自由熱膨脹。

例如，假設L_1final α₁．L_1initial．△T₁，其中L_1final代表溫度為T_final時(例如板件的最大使用溫度)，板件在一特定方向上的長度(如果是圓盤形板件，則代表直徑)，α₁代表板件在使用溫度範圍的線熱膨脹係數，L_1initial代表溫度為T_initial時(例如室溫)，板件在同一方向上的長度，也可以用類似的方式計算出固定件在溫度為T_final時的尺寸，但應將固定件的形狀及尺寸、以及固定件材料的線熱膨脹係數考慮進去。

一種有利的方式是，所選擇的板件及固定件之間的隙縫寬度使板件至少在溫度達到450℃之前能夠在固定件內自由熱膨脹、較佳是至少在500℃之前、或最好是至少在650℃之前能夠自由熱膨脹。

根據本發明的帶有固定件的板件的一種有利的實施方式，板件材料的線熱膨脹係數大於固體件材料的線熱膨脹係數，也就是說α₁≧α₂，最好是α₁>α₂。

板件較佳是圓盤形。

凹槽及/或凸起最好是以相等的間距分佈在板件內。

固定件是環形，或是具有一個容納板件用的環形部分。

根據本發明的另一種有利的實施方式，板件可以是一個圓盤形靶件，這個靶件具有星形排列的導軌，其中每兩個導軌都具有一個共同的軸，這個共同的軸位於靶件中心，並伸入固定件的相應的星形溝槽，例如固定件屬於冷卻板裝置的一部分。這樣就可以透過本 發明的靶件-冷卻板構造，使靶件在任何溫度下都定心在冷卻板上。因此如果是以陽極環將靶件圍繞住，靶件及陽極環之間的隙縫可以始終保持同心。

這樣就可以避免作為陰極的靶件及陽極環之間發生不必要的接觸，因而造成短路。

同樣的，靶件及靶件固定件之間(例如靶件及靶件固定環之間)的承載面也會在冷卻板裝置內保持同心，同時在使用薄膜冷卻板的情況下，會在靶件內形成均勻的應力。這樣就可以將承載面最小化。

除了可以在冷卻板內形成讓靶件的凸緣伸入的凹槽外，另一種方式是如第4圖所示，在靶件內形成凹槽，以及使容納冷卻板裝置的器具(例如靶件固定環)帶有向內突出的凸起，而且這些凸起嵌入靶件的凹槽。

本發明使用冷卻板產生的一個特別的優點是可以擴大因使用中間環而使靶件及冷卻板之間變得過窄的隙縫。如第5圖所示，將靶件置於中間環內，然後將中間環安裝在冷卻板上，則可以擴大靶件及冷卻板之間的整個隙縫(隙縫1及2)，以及使輸入的功率加大。

以下將配合圖式對本發明的內容做進一步的說明。

第1圖：一個靶件及一個固定件的示意圖。

第2圖：一個具有靶件、冷卻板及陽極環的鍍膜源。

第3圖：本發明的帶有固定件的板件的一種實施方式的剖視圖、俯視圖及局部視圖。

第4圖：本發明的帶有固定件的板件的一種實施方式的俯視圖。

第5圖：本發明的一種實施方式的局部剖視圖。

第6圖：本發明的帶有固定件的板件的俯視圖及相關的局部視圖。

第7圖：一個凹槽-凸起組，其中凸起帶有倒圓。

本發明提出一種帶有固定件的圓盤形板件構成的“板件-固定件”系統，其中板件具有一個周長大部分是圓形並有一個外板件邊緣的表面，同時板件的材料具有第一熱膨脹係數α₁，固定件具有一個周長大部分是圓形並被內固定件邊緣圍住的開口，同時固定件的材料具有第二熱膨脹係數α₂，以及-在室溫時，固定件的周長大於子表面的周長，因此在板件在固定件的開口內的定心位置，在板件邊緣及內固定件邊緣之間會有一個具有一特定隙縫寬度S的隙縫，以及-α₂<α₁，以及-板件邊緣具有一或多個凸起，從圓形表面的中心點看出去，這一或多個凸起從板件邊緣表面沿徑向方向延伸經過凸起長度，並嵌入具有固定件邊緣之凹槽長度的相應凹槽，及/或板件邊緣具有一或多個凹槽，從板件邊緣看出去，這一或多個凹槽在圓形表面的中心點的方向延伸經過凹槽長度，同時具有固定件邊緣之凸起長度的相應的凸起嵌入這一或多個凹槽， -其中“板件-固定件”系統具有至少3組這種相互嵌入的凹槽-凸起組，以及凹槽-凸起組的徑向長度彼此調諧，因此在室溫時，凹槽在徑向方向嵌入凸起的最大徑向距離為d，其中徑向距離d相當於隙縫寬度S，以及凹槽-凸起組在切線方向選擇的寬度輪廓彼此調諧，使配合相應之凸起的凹槽可產生導向軌的作用，其在切線方向的隙縫sp小於S，這樣不論是在室溫或高溫中(此時板件的膨脹量大於固定件的膨脹量)，膨脹的板件最多一直到隙縫sp始終在固定件內被定心固定。

對前面描述的帶有固定件的板件而言，所選擇的隙縫寬度S、徑向距離d及隙縫sp應使板件至少在溫度達到450℃之前能夠在固定件內自由熱膨脹、較佳是至少在500℃之前、或最好是至少在650℃之前能夠自由熱膨脹。

對前面描述的帶有固定件的板件而言，凹槽及/或凸起最好是以相等的間距分佈在板件內。

對前面描述的帶有固定件的板件而言，固定件較佳是環形，或是具有一個容納板件用的環形部分。

對前面描述的帶有固定件的板件而言，較佳是具有4個凹槽-凸起組。

在前面描述的板件-固定件系統中，板件可以在PVD過程中作為靶件使用，同時板件-固定件系統構成相應之鍍膜源的一部分。

可以在前面描述的鍍膜源上設置與電壓源連接的器具，其作用是使靶件對一個電極成為負電位，因此可將靶件作為陰極，以及將電極作為陽極。

在前面描述的鍍膜源中，固定件至少有部分構件可以至少構成冷卻裝置的一部分。

可以將前面描述的固定件製作成中間環。

冷卻裝置較佳是一種薄膜冷卻板。

前面提及的陽極較佳是將靶件圍繞住，並被製作成陽極環。

在前面描述的帶有固定件的板件中，隙縫sp較佳是最多等於隙縫寬度S的一半，而且其數量級最好是小於隙縫寬度S的數量級。

在前面描述的帶有固定件的板件中，在一個、較佳是多個、或最好是所有凸起的導向範圍內的寬度輪廓在軸向方向上可以i)沒有任何棱角，因此不會在相應的凹槽形成的導向軌內被夾緊，或是ii)至少在造成被導入的徑向部分段落具有平行的直線形隔板。

在前面描述的帶有固定件的板件中，在一個、較佳是多個、或最好是所有凹槽的寬度輪廓至少在凹槽負起導向功能的徑向部分段落i)具有平行的直線形隔板，或是ii)沒有任何棱角，因此不會在凹槽形成的導向軌內與相應的成形被夾緊。

較佳是一個、多個、或所有的凹槽-凸起組同時滿足前面提及的選項i)，或是同時滿足前面提及的選項ii)。

本發明還提出一種具有至少一個前面描述之鍍膜源的PVD設備。

Claims (16)

1. 一種帶有固定件的圓盤形板件，其構成一個“板件-固定件”系統，其中板件具有一個周長大部分是圓形並有一個外板件邊緣的表面，同時板件的材料具有第一熱膨脹係數α₁，固定件具有一個周長大部分是圓形並被內固定件邊緣圍住的開口，同時固定件的材料具有第二熱膨脹係數α₂，其特徵為：-在室溫時，固定件的周長大於子表面的周長，因此板件在固定件的開口內的定心位置，在板件邊緣及內固定件邊緣之間會有一個具有一特定隙縫寬度S的隙縫，以及-α₂<α₁，以及-板件邊緣具有一或多個凸起，從圓形表面的中心點看出去，這一或多個凸起從板件邊緣表面沿徑向方向延伸經過凸起長度，並嵌入具有固定件邊緣之凹槽長度的相應凹槽，及/或板件邊緣具有一或多個凹槽，從板件邊緣看出去，這一或多個凹槽在圓形表面的中心點的方向延伸經過凹槽長度，同時具有固定件邊緣之凸起長度的相應的凸起嵌入這一或多個凹槽，-其中“板件-固定件”系統具有至少3組這種相互嵌入的凹槽-凸起組，同時為凹槽-凸起組選擇的長度使得在室溫時，凸起在徑向方向嵌入凹槽的最大徑向距離d相當於隙縫寬度S，同時凹槽-凸起組在切線方向選擇的寬度輪廓彼此調諧，使配合相應之凸起的凹槽可產生導向軌的作用，其在切線方向的隙縫sp小於S， 這樣不論是在室溫或高溫中(此時板件的膨脹量大於固定件的膨脹量)，膨脹的板件最多一直到隙縫sp始終在固定件內被定心固定。
2. 如請求項1的帶有固定件的圓盤形板件，其中隙縫寬度S、徑向距離d及隙縫sp使板件至少在溫度達到450℃之前能夠在固定件內自由熱膨脹、較佳是至少在500℃之前、或最好是至少在650℃之前能夠自由熱膨脹。
3. 如請求項2的帶有固定件的圓盤形板件，其中凹槽及/或凸起是以相等的間距分佈在板件內。
4. 如前述請求項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中固定件是環形，或是具有一個容納板件用的環形部分。
5. 如前述請求項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中具有4個凹槽-凸起組。
6. 如前述請求項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中板件在PVD過程中是作為靶件使用，同時板件-固定件系統是相應之鍍膜源的一部分。
7. 如請求項6的帶有固定件的圓盤形板件，其中在鍍膜源上設有與電壓源連接的器具，其作用是使靶件對一個電極成為負電位，因此可將靶件作為陰極，以及將電極作為陽極。
8. 如請求項7或8的帶有固定件的圓盤形板件，其中固定件至少有部分構件至少構成冷卻裝置的一部分。
9. 如請求項8的帶有固定件的圓盤形板件，其中將固定件製作成中間環。
10. 如請求項8或9的帶有固定件的圓盤形板件，其中冷卻裝置是一種薄膜冷卻板。
11. 如請求項7至10項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中陽極將靶件圍繞住，並被製作成陽極環。
12. 如前述請求項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中隙縫sp最多等於隙縫寬度S的一半，而且其數量級最好是小於隙縫寬度S的數量級。
13. 如前述請求項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中在一個、較佳是多個、或最好是所有凸起的導向範圍內的寬度輪廓在軸向方向上可以i)沒有任何棱角，因此不會在相應的凹槽形成的導向軌內被夾緊，或是ii)至少在造成被導入的徑向部分段落具有平行的直線形隔板。
14. 如前述請求項中任一項的帶有固定件的圓盤形板件，其中在一個、較佳是多個、或最好是所有凹槽的寬度輪廓至少在凹槽負起導向功能的徑向部分段落i)具有平行的直線形隔板，或是ii)沒有任何棱角，因此不會在凹槽形成的導向軌內被夾緊。
15. 如請求項13及14的帶有固定件的圓盤形板件，其中至少使一個、較佳是多個、或最好是所有的凹槽-凸起組實現申請項13及14的選項i)，或是實現申請項13及14的選項ii)。
16. 一種PVD設備，具有至少一個如申請項6至11中任一項的鍍膜源。