用于溅射装置端块的插件的制作方法

专利名称：用于溅射装置端块的插件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种附件，即一种插件，用于在溅射装置中调节溅射 把材和基体之间的距离。通过引入本发明的插件，就可以方便地调节 该距离，而无需对溅射装置做进一步的改变。
背景技术：
賊射已经成为一种为平面基体镀覆的确立的镀覆技术，例如镀覆 显示器玻璃板、窗玻璃、触摸屏和许多其它同等器件。在溅射装置中， 要被镀覆的基体在溅射磁控管的前方传送。该溅射磁控管作为原子喷 射源，这样，用于镀覆基体的靶材原子就被从低压气态等离子体中电 加速出来的离子逐出乾材表面。该等离子体被磁场限制，该磁场由与 耙材賊射恻相对安装的磁铁所维持。>^*賊射过程中，耙材和基体之 间的距离很重要，下面将介绍各种原因。
尽管原子主要在垂直于靶材表面的方向喷射，但是由于原子逐出 过程的随机特性，所以仍存在相当大的角扩散。为了保证镀覆的均匀， 因此可取的是使靶材超出基体边缘至少是靶材到基体之间距离的两 倍。因此，耙材到基体之间的距离越大，就导致了在边缘处溢出越多。 更多的溢出自然也意味着总的镀覆速度更慢。另外，靶材到基体之间 的距离越大意味着被逐出的靶材原子在到达基体的途中与气体原子发 生碰撞的概率越高，因此也导致镀覆的效率更低。有时，需要使磁场 线一直延伸到基体，以便微调镀覆性能。当这是必要时，采用特殊的 磁铁阵列，以产生延伸更远的磁场。由于磁场强度随着耙材到基体之 间的距离而急剧降低，即偶极子场，因此这种所谓的"不平衡磁控管" 延伸磁场线的可能性在距离上是相当受限制的。在这种情况下，将磁 控管整个地移动更靠近基体以使被镀覆的基体处于磁场线的影响下是会有帮助的。
靶材到基体的距离还影响基体的温度由于气体离子的冲击，靶 材趋向于变得非常热(并因此不得不进行冷却)，因此热辐射将会使基 体变热。有时，这在镀覆过程中是有帮助的，例如改进了镀覆中的粘 着或副反应，但对于基体也是有害的，例如当基体具有低软化点时。 在这种情况下，有必要增加革巴材到基体之间的距离。
同样，有趣的是，为了限制在靶材基体处的起弧影响，又需要增 大靶材到基体之间的距离。电弧，即产生在靶材表面上的溅射区域和 非賊射区域之间的火花，可施加足够的能量来将较大的靶材碎块朝基 体喷射。当该现象离基体太近发生时，就会导致镀覆缺陷。
因此， 一直需要在溅射装置中能调整靶材到基体之间的距离。尽 管对于静止的平面镀覆机，例如在电子工业中用于对200mm或 300mm直径的芯片镀覆的镀覆机来说，调整靶材到基体的距离相对简 单，但是对于在大面积镀覆机中延伸超过4米宽度的可旋转的管状靶 材来说，调整耙材到基体的距离就困难得多。
4^cKd、 ey的系列美国专利(4356073 、 4422916 、 4443318 、 4445997 、 4466877 )首先介绍了通过提供可旋转的管形靶材来将靶材送进等离子 体的构思，其中，稳定的伸长磁场被维持在该靶材表面处。更大的原 料、更好的冷却和更好的过程控制，这些优点的重要性胜过了安装靶 材复杂度较大的缺点。实际上，必须给靶材提供高电流以维持等离子 体，而这又导致必须当耙材在必须保持静止的磁阵列前旋转的同时通 过循环进出靶材的冷却剂来冷却靶材，并且所有这些都需同时保持真 空的完整性。
基本上，从该基本设想引申出两种相竟争的设计方案。 首先， 一种解决方案是由安装在真空室壁上的称为"端块"的单个 轴承箱来给靶材管输入输出必要的冷却剂、供给必要的电流和提供必 要的原动力。该情况下，靶材轴线通常垂直于安装端块的壁。这种安 装叫做悬臂安装(US 4549885、 US 4519885、 US 5200049、 US 2004/0140208、 WO 2006/023257 )。在与端块相对的革巴材端处有必要设
5置小型机械支撑，以便在操作过程中提供机械支撑作用。通过为把端 块安装到壁上的安装螺钉提供细长缝，就可以相对轻松地调整靶材到 基体的距离。
其次，第二种解决方案是通过位于靶材两端的两个端块来给靶材 分配必需品。该情况下，靶材被安装成其轴线平行于安装端块的壁。
因此，这两个端块为"直角"型。US 4422916 、 US 44459975 、 US 5096562 、 US 6736948、 WO 2006/007504中介绍了进一步发展的例子。在这第二 种解决方案中，出现了两种"设计学派"，在一种"设计学派"中，端块 是附连到壁上的盒，从壁的大气侧可以触及并且可看见盒的内部(例 如US 6736948);在第二中"设计学派"中，端块是封闭的模块盒，该 模块盒具有与结合到装置壁中的基座上的界面相匹配的界面，其中界 面允许用单个锁定螺钉快速安装(拆卸)，如 http:Vwww.bekaert.com/bac/Products/Sputter%20hardware/End%20 Block.htm所示。
图la和lb提供了后一种设计的简图，其中，用于承载可旋转耙 材112的端块110被可拆卸地附连到安装基座114上，该安装基座114 设在溅射装置的壁116中。安装基座114具有与端块界面122相匹配 的基座界面120。界面120、 122通过螺紋环118而被互相压紧。冷却 剂或电流或原动力通过界面120、 122从供应管线122、 122，传递给乾 材112。当为了将可旋转靶材移动远离安装基座也即移动靠近基体而 需要对该现有设计进行修改时，在溅射装置的壁上切出开口。如图2a 和2b所示，通过在溅射装置的壁216上切出开口并将盒子230焊接到 壁上或用具有静密封(例如O型圏)的螺栓将其拧紧到壁上，可以进 行上述修改。在盒子230的底部安装安装基座214。不必说，这样的 过程使得对賊射装置的改动耗时、巨大。此外，所有的供给管线都需 要延长，并且在盒子内连接供给管线不容易。因此，发明人寻找并找 到了这个问题的解决方案。

发明内容
6因此，本发明的目的是提供一种快速、可逆并且简单的系统，通 过该系统，可以改变溅射装置中端块的空间位置。本发明引进了一种 附件，在端块是封闭、模块式的情况下，该附件提供了在几分钟内改 变安装基座和端块之间距离的可能性。除了端块定位的问题以外，下 面还将介绍作为附加好处而解决的其它一些问题。
依据本发明的第一方面，提供了一种具有权利要求1所述特征的 插件。该插件可以被插入在端块和溅射装置内部可利用的安装基座之 间。本领域中已知这种安装基座/端块的组合。通常，在可安装到溅射 装置上的溅射模块上可有一个或多个(通常为偶数)安装基座。这种 安装基座通常包括被固定到溅射模块的法兰上的挡圏，该法兰是与溅 射装置真空密封地接合的法兰。该安装基座具有与端块的端块界面相 匹配的基座界面，通过使这些界面相互匹配，当基座和端块互相夹紧 时，冷却剂输入或冷却剂抽取或电流输入或操作可旋转靶材所需的原 动力这些必需品就自动互连。此外，界面具有防止可能产生的冷却剂
泄漏和/或气体泄漏的装置，例如o型圏和o型圏接收槽。对于端块
本身来说，靶材管是通过旋转连接器连接的。本领域中已知多种连接
器，例如在US 5591314和WO 00/00766中介绍的连接器。端块的功 能是将溅射必需品传输给靶材，同时允许靶材在真空中旋转，为了达 到这个目的，在端块内部设置有旋转真空密封、旋转冷却剂密封、旋 转电流连接器、承载粑材的支承以及使磁棒保持定位的保持装置。所 述端块可以是直通端块，也可以是直角型端块。
本发明插件的特征是插件的一端具有复制基座界面，而另一端 具有复制端块界面。插入插件时，插件的复制基座界面被连接到端块 的界面，插件的复制端块界面被连接到基座界面。就好像安装基座被 转移进了溅射装置，因此端块可以位于真空室内部的其它地方。由于 插件的功能不仅仅是转移端块，同时也要保持端块的操作性能，因此 插件的内部就必须提供可实现这些功能的装置。
端块移入真空室的自由度几乎不受限制，但是必须考虑到插件必 须能够承载端块与靶材和冷却剂的重量。因此有两种特别有利的结构，其中一种结构中，界面处于相互之间基本上平行的平面中；另一种结 构中，界面处于相互之间基本上垂直的平面中。
界面如何相互夹紧非常重要，因为这种夹紧必须能够承载端块与 乾材和冷却剂的载荷。实现这个目的的第一种方式是通过螺紋环连接。 通过与螺紋环一个端部处的内侧台阶抵靠的插件上的周向脊，螺紋环 就被可旋转地保持在插件上的复制基座界面端处。在朝向螺紋环另一 端的内侧处切出与端块外螺紋相啮合的内螺紋。首先，将端块界面和 插件界面小心地匹配到一起，然后，将螺紋环拧上并用活动扳手拧紧。 在插件的另一端，螺紋环被安装基座保持，而外螺紋在带有复制端块 界面的插件端部上。另一种将插件固定到安装基座以及将插件固定到 端块的方式是釆用分段张紧圏。这种张紧圏的内侧开有V型裂缝，并 且该张紧圏通常被分成相互铰接到一起的两段或三段。裂缝卡住端块 和插件以及插件和安装基座上的截头圆锥体凸缘。当连接两段的扳手 螺旋关闭时(更类似ISO-KF类型的真空连接器)，界面就被相互压紧 了。
为了使界面正确地相互连接，有利的是提供与孔配合的导^4^ 以获得良好的对齐。可替代的是，可利用电流馈送装置或冷却剂的进 口或出口来为匹配界面提供引导。
当然也可以采用其它类型的联接，例如卡口类型的联接。
为了当将插件引入安装基座和端块之间时保持靶材的操作性能， 必须传递那些必须供给到靶材的必需品通过插件。正如前面所述为 了保持耙材的功能，就需要实现下述过程
—提供负电流来维持等离子体并使等离子体中的正离子朝向靶材 加速，以便使溅射材料原子脱离靶材。离子的动态沖击力很高，并且 大多数能量供给都因此而转化成了热，即靶材变热。通过在插件中轴 向且弹性安装的实心铜棒，就可以通过插件传输电流。
一因此需要供给冷却剂(通常是激冷水)来使靶材保持在工作温 度。由于需要相当多的冷却能，就必须从靶材中抽出已经变热的冷却 剂。为此，采用封闭的冷却回路。在插件的复制安装基座界面处，具有与端块的接收嘴相接合的尖嘴，而在插件另一端，复制端块界面的 嘴接收安装基座的尖嘴。
—为了向等离子体中输入新的靶材，必须向靶材提供原动力来使 耙材保持旋转。靶材的旋转也非常重要，因为一旦靶材被加热的部分 退出等离子体区，它就被冷却下来。通常是通过带有旋转约束的插座 和销式装置的轴来实现旋转，尽管其它类型的旋转传递方式同样可以 采用。在插件中，原动力可以通过被轴承保持并在两側可以有适当的 插座和销式装置的实心轴进行传递。为了达到该目的，也可以采用柔 性轴。
操作过程中，无论怎样靶材都会变得越来越热。这导致了靶材的 轴向膨胀。除了轴向膨胀外，由于例如靶材管下垂，乾材也会发生径 向偏差。为了使溅射工艺可控，必须将这些与理想状况(没有轴向或 径向偏差)之间的偏差保持到最小程度。但这是不可能的，并且在极
端状况下偏差可能导致端块中的密封和轴承的过分磨损。US 6736948 已经找到了这个问题的解决方案，即引进"轴向顺应端块"。发明人意 识到，通过采用具有一定弹性的插件就能轻松解决相同的问题。弹性 必须容许复制界面彼此之间的小偏差。可以采用如下多种方式获得弹 性
—在界面间采用弹性的O型圏。由于目前已有这样的O型圏，因 此已经具有较小程度的弹性。但是，采用例如更厚的O型圏、具有更 好弹性性能的O型圏、双O型圏(界面的每一侧各用一个)就能改进 弹性。
一为插件采用弹性外罩。外罩通常是管状，尽管不排除其它形状； 外罩可由高等级聚合物材料制作，例如允许一定弹性的Flametec⑧、 Kytec⑧PVDF (聚偏氟乙烯)或ECTFE (乙烯与三氟氯乙烯的共聚物) 或PEEKTM (聚醚醚酮)。可替代的是，也可以釆用焊接有周向金属弹 簧的金属管，例如不锈钢真空波紋管的一部分。
当然也可能采用这些特征的组合。但是必须小心，当插件被迫使 离开其平衡位置时，插件中和界面处的传递装置不要过度应变，并且依然保持其功能性。为了达到这个目的，可采用软管、柔性轴和柔性 电导体来传递必需品通过插件。
根据本发明的第二方面，本发明要求保护一对插件。根据前面的 说明可以清楚知道，如果采用两个端块支撑靶材的两端，那么并不是 所有操作乾材的必需品都必须同时由这两个端块提供。实际上，这些
必需品可以通过这两个端块来划分。当将这些必需品分类为(F)冷 却剂输入、(E)冷却剂抽取、(C)电流输入、(M)原动力时，则这 些必需品可以分成七种有意义的组合[F[ECMj、 [EFCM、 [q[FEM、闕[FEC、网[CMI、 [FC[EM和FM[ECI。虽然从技 术角度上这些划分的组合中的每一种具有同等的可行性，但是实践中 可以见到的是[M[FECI和[Cl [FEM j的组合。
依据本发明的第三方面，本发明要求保护一种溅射模块。该模块 作为安装基座的载体，并且通常包含管道系统和电子系统的所有必要 的输入和控制附件。但是，该模块也可以是门，其上固定安装基座， 在其内部承载端块(例如在待决申请PCT/EP2006/060216中所介绍的 那样)。在端块和安装基座之间安装本发明的插件。由于界面是兼容的， 因此本插件的设计直接使得它们可以串联安装。
该模块也可以配备一对匹配的安装基座和端块的组合(即，该对 安装基座和端块组合的第一部件包括与第一端块相匹配的第一安装基 座，该对安装基座和端块组合的第二部件包括与第二端块相匹配的第 二安装基座)。该对安装基座和端块组合可以承载一个靶材。同样，可 以在相同的模块上增加另一对(安装基座、端块)组合，以承载第二
靶材。存在可承载多达四个靶材的模块，但是该原理可更进一步扩展。 本发明的插件可以有利地用于将一个靶材相对于另 一个降低。当插件 做得更长时，插件甚至可以延伸到基体平面下方，在此处可以安装第 二革巴材，以用于在单道次中、减射基体的另一侧。以这种方式，专利申 请PCT/EP2006/063173所^^开的思想就变得尤其简单并且易于在实践 中实施。
利用本发明，通过在不同(或者一个)安装基座和相应的端块之间插入上述插件，就能够便利地改造现有的溅射装置。这种改造方法 可以快速便利地实施，无需任何特殊加工，因为不需要延长现有装置 的供给管线，也不需要对镀覆模块做任何特殊改造。


下面参考附图对本发明做更详细的说明，其中 图la和图lb描述了端块安装的标准状态。
图2a和2b显示了用于朝基体方向降低靶材的现有技术的解决方案。
图3a和3b显示了本发明的插件如何能够有利使用的前视图和剖 视图。
图4a、 4b和4c所示为[FEC型插件的侧视图、轴向剖视图和垂 直于其轴线的剖视图。
图5a、 5b和5c所示为[M型插件的侧视图、轴向剖视图和垂直 于其轴线的剖视图。
由于在"背景技术"中已经基本上讨论了图la， lb和图2a， 2b中 所示的现有技术，因此接下来就不再进一步解释这些图了。在附图中， 相似零件的后两位数字相同，第一个数字则表示图号。
具体实施例方式
图3a和3b显示了本发明插件是如何能在无需改造溅射装置的情 况下便利地引入到现有賊射装置中的。图3a和3b显示了安装基座314 的现有部件，该安装基座314固定到溅射镀覆装置的壁316上。端块 310可通过界面320和322与安装基座314相配合，但在该例中，在 安装基座和端块之间已经引入了插件340。插件340具有与端块界面 322相同的复制端块界面322，，以及与安装基座的界面320相同的复 制基座界面320，。先前被用来将端块固定到安装基座上的螺紋环318 现在用来将插件340固定到安装基座314上，另 一个相应的螺紋环318 现在被引入用于将端块固定到插件上。在插件340的内部，设有装置344，用于将冷却剂从供给管道和抽取管道324、 324，输送到端块，并 用于通过连接杆342将电流从连接器324，输送到端块310。
图4a、 4b和4c进一步详细地显示了图3中的插件440。在插件 的一端，设有螺紋445，用于与安装基座的螺紋环拧到一起。连接杆 442可轴向移动地安装(可以是弹簧加载地)在插件442中，用于确 保适当的电接触。管道444、 444，设有喷嘴连接器(未显示)，其中一 条管道用于供应冷却剂，另一条用于从端块抽取冷却剂。螺紋环418， 与安装基座的螺紋环相应，并被拧到端块的螺紋上。
图5a、 5b和5c所示为这对插件的另一部件，用于传递原动力。 该插件的外壳540仍是相同的。在外壳内部，旋转轴550由旋转轴承 552、 552，保持。原动力通过具有十字凹槽的传动盘554从安装基座传 递，其中，安装基座轴的柱栓接合在所述十字凹槽中。在插件555的 另一端有与这些柱栓相同的柱栓，用于将插件进一步连接到端块。
两插件都配有必要的真空密封和冷却剂密封，以防止泄漏。这些 密封是静密封，即它们所密封的零件相互之间没有相对运动。所有旋 转密封都被合并到端块的内部。这样，插件内的压力就可以保持大气 压力。
权利要求
1、一种插件，该插件可插入到在溅射镀覆装置内部可利用的安装基座和可拆除地附连到所述安装基座上的端块之间，所述端块用于在所述溅射镀覆装置内部承载可旋转的溅射磁控管，所述安装基座具有与所述端块的端块界面相匹配的基座界面，其特征在于，在所述插件的一端设有复制基座界面，并且在所述插件的另一端设有复制端块界面，所述插件还包括用于可操作地将所述安装基座与所述端块连接的装置，从而为所述端块在所述溅射镀覆装置内的定位提供了增大的自由度。
2、 根据权利要求1所述的插件，其中，所述可旋转的溅射磁控管 是伸长的管状磁控管。
3、 根据权利要求1到2任意一项所述的插件，其中，所述端块是 直角端块。
4、 根据权利要求1到3任意一项所述的插件，其中，所述复制基座界面的平面基本上^rrf所述复制端块界i^恃平面。
5、 根据权利要求1到3任意一项所述的插件，其中，所述复制基 座界面的平面基本上垂直于所述端块界面的平面。
6、 根据权利要求1到5任意一项所述的插件，其中，相互配合的 所述界面通过螺紋环相互固定到一起。
7、 根据权利要求1到5任意一项所述的插件，其中，相互配合的 所述界面通过分段张紧圏相互固定到一起。
8、 根据权利要求1到5任意一项所述的插件，其中，相互配合的 所述界面通过卡口式连接而相互固定到一起。
9、 根据权利要求1到8任意一项所述的插件，该插件还包括用于 在所述安装基座和所述端块之间传递冷却剂、电流和原动力的传递装 置。
10、 根据权利要求1到9任意一项所述的插件，该插件还包括弹 性装置，以用于允许所述插件移出平衡位置同时仍保持起作用。
11、 一对插件，该对插件可与一对相匹配的安装基座和端块组合兼容，所述一对插件的每个插件都是根据权利要求1到10任意一项所述的插件，其中，用于在所述一对相匹配的安装基座和端块组合之间 传递冷却剂、电流和原动力的所述传递装置在所述一对插件的部件之 间划分。
12、 根据权利要求11所述的一对插件，其中，所述一对插件的一 个部件包括用于提供冷却剂、抽取冷却剂和供给电流的装置，而所述 一对插件的另一部件包括用于传递原动力的装置。
13、 根据权利要求11所述的一对插件，其中，所述一对插件的一 个部件包括用于提供冷却剂、抽取冷却剂和传递原动力的装置，而所 述一对插件的另一部件包括用于供给电流的装置。
14、 一种用于安装在溅射镀覆装置上的溅射模块，该模块包括至 少一个安装基座和至少一个与所述安装基座相匹配的端块，其特征在 于，所述溅射模块还包括位于所述安装基座和所述端块之间的至少一 个根据权利要求1到10所述的插件。
15、 权利要求14所述的溅射模块，其中，在所述安装基座和 所述端块之间插入根据权利要求l到IO中任意一项所述的两个或更多 个插件，所述插件被彼此串联布置。
16、 一种用于安装在溅射镀覆装置上的溅射模块，该溅射模块包 括至少一对相匹配的安装基座和端块组合，其特征在于，所述溅射模11到13中任意一项所述的至少一对插件。
17、 一种通过插入插件来在溅射装置内改变端块和其相应的安装 基座之间的距离的方法，所述插件的 一端具有与所述安装基座相匹配 的界面，插件的另一端具有与所述端块相匹配的界面，所述插件包括 将所述安装基座与所述端块可操作地连接的装置。
全文摘要
本发明介绍了一种用于引入到磁控管溅射装置的安装基座(314)和端块(310)之间的插件(340)。该插件的一端和另一端分别具有与端块界面(322)相同的复制端块界面以及与安装基座界面(320)相同的复制安装基座界面(320’，322’)。插件的内部设有用于在安装基座(314)和端块(310)之间传递冷却剂、电流和原动力的传递杆(342)和管道(444，444’)。插件(340)用于调节靶材和基体之间的距离。该插件的一种有利的实施例中结合有弹性装置，用于适应由于靶材管的热膨胀或下垂造成的端块的轻微移动。在另一种有利的实施例中，插件非常长，以至于与基体的平面交叉。以这种方式，可以便利地安装靶材，以便对与基体的正常镀覆侧相反的另外一侧镀覆，而不需要对溅射装置进行较大的改造。
文档编号H01J37/34GK101473405SQ200780022992
公开日2009年7月1日 申请日期2007年6月13日 优先权日2006年6月19日
发明者I·范德普特, W·德博斯谢尔 申请人:贝卡尔特先进涂层公司