防打火齿轮及磁控溅射镀膜装置的制作方法

本发明涉及半导体制造设备领域，更具体地，涉及一种防打火齿轮及磁控溅射镀膜装置。

背景技术：

铜因其较低传导性及减少电子迁移等优势，使铜溅射得到了迅速发展。铜靶材被溅射的过程是随着顶部磁控管的转动来完成的，磁控管经过的位置，靶材才会被溅射。磁控管在靶材背面匀速转动一个周期，也就等于对整个靶材进行了一次全靶溅射。

铜腔上电极普遍采用了行星式磁控管，行星式磁控管增大了对靶材腐蚀的面积，同时优化了电气方面的设计实现了磁控管的变速控制以满足28nm工艺的需求。磁控管的提升机构使得在靶材使用周期中沉积速率保持不变。通过将原有边磁铁更换为电磁铁，得到了更好的台阶覆盖率表现，保证无空隙电镀。行星式磁控管提升机构和旋转机构主要通过皮带齿轮和皮带传递运动，因此，齿轮和皮带是行星式磁控管提升和旋转机构传动过程中的重要零部件。

图1所示为现有磁控管铜溅射装置(铜腔上电极)结构示意图，其旋转机构主要包括伺服电机1、减速器2、齿轮3、皮带4、同步带轮5、旋转机构轴承座装配6、固定法兰7、高压绝缘盖8、高压绝缘底座9和行星式磁控管组成，其中行星式磁控管包括小臂装配10、齿轮箱装配11和大配重12。

伺服电机1的旋转运动通过齿轮3和皮带4带动旋转机构轴承座装配6旋转，进而带动安装在小臂装配10上的磁控管旋转，从而实现对靶材背面的转动。

高压绝缘座9内充满了去离子水，在工艺过程中，靶材会通dc电压，从而磁控管有感应电压存在，同步带轮5是与磁控管相连的，齿轮3是与电机1输出轴相连的(电机1是接地)，皮带4(同步齿形带)连接同步带轮5和齿轮3，皮带4的主要为橡胶材料，但为了增加机械强度、耐磨、耐热、抗老化等性能在其中掺杂了过多的导电物质(如钢丝等)，以至于皮带4不是完全绝缘的，因此在靶材-磁控管-同步带轮5-皮带4-齿轮3-地之间形成电回路，因此会出现皮带与带轮之间出现电打火的现象。

现有齿轮结构如图2和图3所示，齿轮13整体采用浇铸尼龙(又称mc901材质或铸造尼龙)材料加工而成，mc901材料具有绝缘作用，可以中断形成的电回路，在一定程度上解决了皮带的打火问题，但是由于mc901材质较软，造成齿轮整体强度不高，在有振动的情况下或者长时间变速运行后，齿轮13由于顶丝松动易造成和减速器轴接触的内圆轴孔14出现偏磨现象，甚者安装在轴上的键可能将齿轮键槽15破坏损毁，造成上电极运转失效。

因此需要提出一种能够防止电打火、机械强度更强并能够提高磁控溅射镀膜装置上电极旋转机构运转可靠性的齿轮。

技术实现要素：

本发明提出一种防打火齿轮及磁控溅射镀膜装置，实现既防止电打火又增强齿轮强度，以提高上电极旋转机构运行稳定性。

本发明提出了一种防打火齿轮，包括：齿轮主体，所述齿轮主体包括绝缘齿轮环和套设于所述绝缘齿轮环内的强化套环；

所述强化套环与所述绝缘齿轮环固定连接，所述强化套环的外壁与所述绝缘齿轮环的内壁贴合，所述绝缘齿轮环的外壁设有多个轮齿；

所述绝缘齿轮环是绝缘的，所述强化套环的强度高于所述绝缘齿轮环的强度。

可选地，所述强化套环的外壁设有多个凸出部，所述凸出部的两个端面分别设有沿所述齿轮主体的轴向的第一固定孔。

可选地，所述绝缘齿轮环的内壁设有与所述凸出部相配合的多个限位槽，所述限位槽沿所述齿轮主体的轴向贯穿所述绝缘齿轮环。

可选地，还包括分别设于所述齿轮主体两个端面的两个环形挡板，所述环形挡板设有与所述第一固定孔相配合的通孔，所述环形挡板通过第一固定件、所述通孔、所述第一固定孔与所述强化套环固定连接。

可选地，所述强化套环与所述绝缘齿轮环通过过盈压配固定连接。

可选地，所述绝缘齿轮环设有一个或多个沿所述齿轮主体的径向贯穿所述绝缘齿轮环的第二固定孔，所述强化套环上有一个或多个沿所述齿轮主体的径向与所述第二固定孔相配合的第三固定孔，所述绝缘齿轮环和所述强化套环还通过一个或多个第二固定件、一个或多个所述第二固定孔、一个或多个所述第三固定孔固定连接。

可选地，所述强化套环的内壁设有齿轮键槽，所述齿轮键槽沿所述齿轮本体的轴向贯穿所述强化套环。

可选地，所述绝缘齿轮环的材质为尼龙，所述强化套环的材质为不锈钢。

本发明还提出了一种磁控溅射镀膜装置，包括以上所述的防打火齿轮。

可选地，磁控溅射镀膜装置还包括：伺服电机、减速器、同步齿形带、同步带轮、旋转机构轴承座、行星式磁控管、高压绝缘盖以及高压绝缘底座；

所述伺服电机与所述减速器连接，所述减速器与所述防打火齿轮连接，所述防打火齿轮通过所述同步齿形带与所述同步带轮连接；

所述高压绝缘盖盖设于所述高压绝缘底座的顶部，所述行星式磁控管设于所述高压绝缘底座内部；

所述旋转机构轴承座通过法兰与所述高压绝缘盖固定连接，所述旋转机构轴承座设有延伸至所述高压绝缘底座内部的传动轴，所述同步带轮与所述旋转轴的顶端连接，所述旋转轴的底端与所述行星式磁控管连接。

本发明的有益效果在于：

通过采用绝缘材料的绝缘齿轮环和强化套环的双层结构，在实现齿轮与外部连接件的绝缘性的同时还能够加强齿轮整体的机械强度，特别是能够增加轴孔(内环侧壁)的强度，避免轴孔被轴(电机轴等)磨损破坏，从而增加使用该防打火齿轮所在传动机构的运行稳定性。

采用本发明的防打火齿轮的磁控溅射镀膜装置，能够有效阻断靶材-磁控管-同步带轮-皮带-齿轮-地之间形成的电回路，避免旋转机构中皮带与带轮之间打火的现象，同时避免了齿轮的齿轮键槽和内圆在齿轮顶丝出现松动时容易损毁而造成上行星式磁控管运行不可靠的问题，有效提高了磁控溅射镀膜装置的安全性和可靠性。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有磁控溅射镀膜装置结构示意图。

图2示出了现有磁控溅射镀膜装置的旋转机构中传动齿轮的轴向端面结构示意图。

图3示出了现有磁控溅射镀膜装置的旋转机构中传动齿轮的径向结构示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种防打火齿轮的轴向端面结构示意图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的一种防打火齿轮的径向结构示意图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的强化套环的结构示意图。

图7示出了根据本发明的一个实施例的绝缘齿轮环的结构示意图。

图8示出了根据本发明的一个实施例的绝缘齿轮环的一种磁控溅射镀膜装置结构示意图。

附图标记说明

图1至图3中：

1、伺服电机；2、加速器；3、齿轮；4、同步齿形带；5、同步带轮；6、旋转机构轴承座；7、固定法兰；8、高压绝缘盖；9、高压绝缘底座；10、配重小臂；11、齿轮箱；12、配重大臂；13、齿轮；14、轴孔；15、齿轮键槽。

图4至图8中：

100、防打火齿轮；101、绝缘齿轮环；102、强化套环；103、挡板；104、第一固定孔；105、第二固定孔；106、第三固定孔；107、凸出部；108、齿轮键槽；109、轴孔；110、限位槽；111、轮齿；200、磁控溅射镀膜装置；201、伺服电机；202、减速器；203、行星式磁控管；204、同步齿形带；205、同步带轮；206、旋转机构轴承座；207、固定法兰；208、高压绝缘盖；209、高压绝缘底座；210、配重小臂；211、齿轮箱；212、配重大臂；213、靶材；214、反应腔室；215、基材。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种防打火齿轮的轴向端面结构示意图，图5示出了根据本发明的一个实施例的一种防打火齿轮的径向结构示意图；

如图4、图5所示，本发明实施例提供的防打火齿轮100，包括：

齿轮主体，齿轮主体包括绝缘齿轮环101和套设于绝缘齿轮环101内的强化套环102；强化套环102与绝缘齿轮环101固定连接，强化套环102的外壁与绝缘齿轮环101的内壁贴合，绝缘齿轮环101的外壁设有多个轮齿，绝缘齿轮环101是绝缘的，强化套环102的强度高于绝缘齿轮环101的强度。具体地，齿轮主体包括设于外层的绝缘齿轮环101和设于内层的强化套环102，其中强化套环102的内壁形成齿轮主体的轴孔109，沿绝缘齿轮环101的外壁设有轮齿，并且绝缘齿轮环101的材质为绝缘材料，同时强化套环102的材质强度(硬度或刚性)要高于绝缘齿轮环101材质的强度，即强化套环102抵抗磨损、断裂和过度变形的能力要强于绝缘齿轮环101，因此通过强化套环102能够提高齿轮主体承受扭转载荷(或弯曲载荷、压缩载荷或等)和抗磨损的性能。通过绝缘材质的外层绝缘齿轮环101在与其他传动装置的齿轮连接时能够避免导电引发的打火问题，通过强化套环102有效增加了齿轮主体的机械强度，有效减少其他装置的转轴对齿轮内圆轴孔109的磨损和破坏，增加齿轮主体的传动稳定性和使用寿命。

参考图6，强化套环102的外壁设有三个凸出部107，所述凸出部107的两个端面分别设有沿齿轮主体轴向的第一固定孔104。

具体地，本实施例中的强化套环102整体呈圆环形，内环形成齿轮主体的圆形轴孔109，三个凸出部107在强化套的外壁依次间隔120度分布，且三个凸出部107在垂直于强化套环102的轴向截面为半圆形，且凸出部107的在所述轴向的厚度与强化套环102的厚度一致，即凸出部107可以视为半圆柱形。本发明中并不限定凸出部107的个数、形状和厚度，在本发明的其他实施例中，也可以在强化套环102的外壁设置间隔180度的两个凸出部107或依次间隔90度的四个凸出部107，还可以将强化套环102的外壁加工成花键的形状(即强化套环102的外壁均匀分布有多个凸出部107)，凸出部107的形状也可以是三角形、矩形、梯形等，凸出部107的厚度也可以小于强化套环102的厚度。凸出部107的设置能够增加强化套环102与绝缘齿轮环101之间的接触面积，避免产生相对滑动，还能够增加扭矩。

如图6所示，本实施例中每个半圆形凸出部107的两个端面分别形成有两个对称的、沿轴孔109轴向相对设置的两个第一固定孔104，即在强化套环102的两个端面各形成有三个第一固定孔104，本实施例中的第一固定孔104为带有内螺纹的螺纹孔。在具体实施时，可以在每个半圆形凸出部107的两个端面分别加工一个第一固定孔104。在本发明的其他实施例中，也可以只在凸出部107的一个端面加工一个第一固定孔104，然后使该第一固定孔104穿透凸出部107的另一个端面，形成一个通孔，通孔可以带内螺纹也可以为内壁光滑的通孔。本发明中的轴孔109的形状也可以为矩形、三角形、多边形等形状，如齿轮主体是安装至电机轴上，电机轴的截面形状为三角形，那么轴孔109可以对应的加工成三角形的轴孔109，本领域人员可根据与轴孔109对接的旋转轴的类型适当设计轴孔109的形状。同时本发明中强化套环102主体的形状也可以为等腰三角形、正方形等等边多边形，也能够实现与本实施例相似的技术效果。

参考图7，绝缘齿轮环101的内壁设有与凸出部107相配合的三个限位槽110，限位槽110沿轴孔109的轴向贯穿绝缘齿轮环101。具体地，本实施例中的绝缘齿轮环101为圆环形，内圆侧壁设有与强化套环102的外壁相配合的三个半圆形限位槽110，通过三个限位槽110与三个凸出部107配合能够增加强化套环102的外壁与绝缘齿轮环101内壁的接触面积，使内层的强化套环102与外层绝缘齿轮环101的之间的连接更加紧密，同时能够避免在旋转过程中强化套环102的外壁与绝缘齿轮环101内壁之间发生相对滑动。在本发明的其他实施例中，若强化套环102的主体或外壁被加工成上述其他多边形或花键的形式，相应的绝缘齿轮环101内壁(内圆)也应该被加工成对应的形状进行匹配。

本实施例的防打火齿轮100还包括分别设于所述齿轮主体两个端面的两个环形挡板103，环形挡板103设有与三个所述第一固定孔10相配合的通孔，环形挡板103通过第一固定件、第一固定孔104、上述通孔与强化套环102固定连接。具体地，参考图4，环形挡板103为圆环形，挡板103上设有与三个第一固定孔104对应的三个通孔，具体实施时，将强化套环102嵌入绝缘齿轮环101的内环中后，将两个环形挡板103上的通孔与强化套环102两端的第一固定孔104对齐，然后通过第一固定件将两个挡板103固定在齿轮主体的两个端面，本实施例中的第一固定件为螺钉，第一固定孔104为螺纹孔，挡板103能够起到限制强化套环102和绝缘齿轮环101在轴向的相对窜动，避免造成齿轮运转失效。在本发明的其他实施例中，当第一固定孔104为贯穿凸出部107的通孔(带螺纹或不带螺纹均可)时，第一固定件104可以为螺栓和螺母，将螺栓从第一固定孔104穿过第一固定孔104后在凸出部107的另一端通过螺母与螺栓固定，从而同时将两个环形挡板同时固定。

进一步地，本实施例中的环形挡板103的内圆直径应大于等于轴孔109的直径，外圆直径应小于绝缘齿轮环101外壁上轮齿之间的齿槽底部所在圆的直径。在本发明的其他实施例中，若轴孔109为其他形式的多边形，环形挡板103的内圆直径应大于该多边形所在外切圆的直径。为了达到更好的绝缘性能，本实例中的挡板103的材料为与绝缘齿轮环101相同的绝缘材质。挡板103的材质应为具有一定机械强度的材质，因此挡板103的材质还可以为铝合金、不锈钢等金属，当挡板103的材质为金属时，需要注意挡板103的外部边缘需不能超过轮齿之间齿槽的底部以避免与外部传动机构之间出现电连接。本发明中挡板103的通孔的个数不做限定，但需要与设于凸出部107的第一固定孔104个数相同且一一对应。

本实施例中，强化套环102与绝缘齿轮环101通过过盈压配嵌合，以使强化套环102的外壁与绝缘齿轮环101的内壁固定连接。在具体实施过程中，绝缘齿轮环101的内圆的直径尺寸应略小于强化套环102在的外圆直径尺寸，例如绝缘齿轮环101的内圆的直径尺寸为2cm，那么可以将强化套环102的外圆直径尺寸加工成2.1cm，同时半圆形凸出部107的半径也应略大于半圆形限位槽110的半径，以实现强化套环102与绝缘齿轮环101的过盈压配嵌合，进一步加强强化套环102与绝缘齿轮环101之间的结合力，提高齿轮主体的机械强度。在本发明的其他实施例中，若强化套环102的主体及凸出部107被加工成上述其他等边多边形或花键的形式，相应的绝缘齿轮环101内壁形成的对应形状的外切圆的直径尺寸也应该略小于所述多边形或花键所在外切圆的直径尺寸。

在一个示例中，绝缘齿轮环101设有一个或多个沿齿轮主体的径向贯穿绝缘齿轮环101的第二固定孔105，强化套环102上有一个或多个沿齿轮主体的径向与第二固定孔105相配合的第三固定孔106，绝缘齿轮环101和强化套环102还通过一个或多个第二固定件、一个或多个第二固定孔105、一个或多个第三固定孔106固定连接。

具体地，参考图4和图5，本实施例中的第二固定件为顶丝，绝缘齿轮环101和强化套环102分别沿径向设有三个用于安装顶丝的第二固定孔105合三个第三固定孔106，每个第二固定孔105和一个第三固定孔106相配合形成一个贯穿绝缘齿轮环101和强化套环102的透孔，形成的三个透孔中的一个与齿轮键槽108连通。三个透孔沿齿轮主体且相间120度分布，且每个透孔均位于两个第一固定孔104的中间，即每个透孔在齿轮主体端面的投影与两个相邻的第一固定孔104均间隔60度，三个透孔中分别安装一个顶丝后顶丝顶在转轴表面实现齿轮主体与外部旋转轴的固定连接，同时进一步加固了绝缘齿轮环101与强化套环之间的连接，避免齿轮主体旋转过程中绝缘齿轮环101的内壁与强化套环102外壁之间发生相对旋转。由于轴孔109与外部转轴之间往往设有便于套接的公差余量，即轴孔109与转轴之间会形成微小的间隙，通过调整三个透孔中的顶丝能够使轴孔109的轴线与外部连接的旋转轴的轴线重合，避免齿轮主体的旋转偏移；同时一个透孔与齿轮键槽108连通，该透孔内的顶丝能够顶在外部转轴的轴键上，使轴键与强化套环102紧紧的固定在一起并有效避免轴键破坏齿轮键槽108。需要说明的是，顶丝在安装到透孔(由一个第二固定孔105和一个第三固定孔106形成)中实现齿轮主体与外部转轴的固定连接后，顶丝顶端端应不高于轮齿齿槽的底部边缘，以避免顶丝影响轮齿的运转，本领域人员可根据实际情况设计顶丝的长度尺寸。

本实施例中，强化套环102的内壁设有齿轮键槽108，齿轮键槽108沿齿轮本体的轴向贯穿强化套环102。具体地轴孔109与齿轮键槽108用于与外部旋转轴连接，齿轮键槽108用于传递扭矩，通过齿轮键槽配合外部连接的旋转轴的轴键能够实现与外部旋转轴的同步旋转。本实施例中的轴孔109由于为圆形，因此需要设置传递扭矩的齿轮键槽108，在本发明的其他实施中，若轴孔109为三角形、矩形等其它具有限位、传递扭矩功能的形状，也可以不设置齿轮键槽108，本领域人员可以根据外部旋转轴和轴孔109的具体形式进行选择设计。

本实施例中，绝缘齿轮环101的材质为浇铸尼龙，强化套环102的材质为不锈钢。具体地，浇铸尼龙又称mc901材质或铸造尼龙，mc901材质在工业领域中应用广泛，其具有良好的综合机械性能和良好的绝缘性，本实施例中绝缘齿轮环101采用mc901材质在模具中浇注成型，强化套环102采用不锈钢材质加工而成，由mc901材质的绝缘齿轮环101和强化套环102形成的双层结构，有效防止了齿轮主体轮齿部分与外部传动设备发生电打火，同时内层不锈钢材质的强化套环102增加了齿轮主体的机械强度，提高了抗磨损、抗冲击的机械性能，有效增加了齿轮主体的寿命。在本发明的其他实施例中，绝缘齿轮环101也可以采用尼龙6等材质，强化套环102也可以采用铝合金等材质，本领域人员可根据本发明的方案适当选取与本实施例中性能类似的材料，此处不再赘述。

图8示出了根据本发明的一个实施例的绝缘齿轮环101的一种磁控溅射镀膜装置200的结构示意图，该磁控溅射镀膜装置200包括以上所述的防打火齿轮100。

本实施例中磁控溅射镀膜装置200还包括：伺服电机201、减速器202、同步齿形带204、同步带轮205、旋转机构轴承座206、行星式磁控管203、高压绝缘盖208以及高压绝缘底座209；减速器202与伺服电机201连接，减速器202与防打火齿轮100连接，防打火齿轮100通过同步齿形带204与同步带轮205连接，高压绝缘盖208盖设于高压绝缘底座209的顶部，行星式磁控管203设于高压绝缘底座209内部；旋转机构轴承座206通过固定法兰207与高压绝缘盖208固定连接，旋转机构轴承座206设有延伸至高压绝缘底座209内部的传动轴，同步带轮205与旋转轴的顶端连接，旋转轴的底端与行星式磁控管203连接。

具体地，防打火齿轮100通过外层绝缘齿轮环101的良好绝缘性有效避免靶材-行星式磁控管203-同步带轮205-同步齿形带204-防打火齿轮100-地之间形成电回路，从而避免防打火齿轮100与同步齿形带204发生打火现象，增加了磁控溅射镀膜装置200在镀膜工艺过程中的安全性。同时防打火齿轮100内层的强化套环102机械强度高，在由于振动引起顶丝出现松动或者由于疏忽没有拧紧顶丝的情况下，能够减少减速器202转轴对齿轮轴孔109内圆以及齿轮键槽108的磨损及破坏，提高上电极的旋转机构运行稳定性，从而保证行星式磁控管203的稳定旋转和高效运行，进而保证磁控溅射镀膜装置200的镀膜成品率。

进一步地，行星式磁控管203包括齿轮箱211和设置于齿轮箱211下部的配重小臂210和配重大臂212，其中配重小臂210一端设有磁控管(未示出)，工作时，高压绝缘底座209内充满了去离子水，传动轴通过齿轮箱211中的齿轮组带动配重大臂212和配重小臂210旋转，进而带动磁控管围绕设于高压绝缘底座209底部的靶材213背面旋转。

在工艺过程中，靶材213会通直流电压，从而行星式磁控管203有感应电压存在，电机1是接地的，行星式磁控管203提供的磁场穿过靶材213，在靶材213面向反应腔室214的一侧表面形成磁场分布，在相交的电场与磁场的作用下，限制电子的运动范围，并延长电子的运动轨迹，使电子最大幅度的离化反应腔室214内的氩气原子而形成氩离子，大幅提高氩离子浓度，从而可以有效的降低溅射技术所需的电学与气氛需求，在反应腔室214内氩离子对靶材213进行轰击后形成对基材215表面的溅射镀膜。行星式磁控管203为现有技术，其技术原理此处不再赘述。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。