КОНЦЕВОЙ БЛОК ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ МИШЕНИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЕМ МЕЖДУ ТОКОСЪЕМНИКОМ И РОТОРОМ ПРИ ДАВЛЕНИИ МЕНЬШЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
END BLOCK FOR ROTATING TARGET WITH ELECTRICAL CONNECTION BETWEEN CURRENT COLLECTOR AND ROTOR WITH PRESSURE LESS THAN ATMOSPHERIC PRESSURE

[0001] Примерные варианты осуществления этого изобретения относятся к концевому блоку для вращающейся распыляемой мишени, такой как вращающаяся мишень для магнетронного распыления. Конструкция установки для распыления, включающая в себя конструкцию концевого блока, предусматривает расположение электрического контакта (электрических контактов) (например, щетки (щеток)) между токосъемником и ротором в некоторой области под вакуумом (в противоположность области при атмосферном давлении), что дает значительных преимущества.
ПРЕДПОСЫЛКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
2
[0002] Распыление известно в данной области техники как метод осаждения слоев или покрытий на подложки, такие как стеклянные подложки. Например, низкоэмиссионное (НЭ) покрытие можно осадить на стеклянную подложку посредством последовательного напыления множества разных слоев на подложку. В качестве примера отметим, что НЭ покрытие может включать в себя следующие слои в таком порядке: стеклянная подложка/SnO/ZnO/Ag/ZnO, где слой Ag является слоем, отражающим инфракрасное излучение, а слои оксидов металлов являются слоями диэлектриков. В этом примере можно использовать одну или более мишеней на основе олова (Sn) для напыления базового слоя SnO, можно использовать одну или более мишеней, включающих в себя цинк (Zn), для напыления следующего слоя ZnO, возможно использование мишени на основе Ag для напыления слоя Ag, и т.д. Распыление каждой мишени выполняют в камере, содержащей газовую атмосферу (например, смесь газообразных Ar и O в атмосфере (атмосферах) мишеней на основе Sn и/или Zn). Примеры ссылок на источники, обсуждающие распыление и используемые для него устройства, включают в себя патентные документы США №№ 8192598, 6736948, 5427665, 5725746 и 2004/0163943, описания которых во всей их полноте включены сюда по ссылке.
[0003] Распыляемая мишень (например, цилиндрическая вращающаяся мишень для магнетронного распыления), как правило, включает в себя катодную трубку, внутри которой находится матрица магнитов. Катодную трубку часто изготавливают из нержавеющей стали. Материалу мишени, как правило, придают форму на трубке посредством распыления, литья или напрессовывания его на внешней поверхности катодной трубки из нержавеющей стали. Между трубкой и мишенью часто предусматривают связующий или защитный слой для улучшения связывания материала мишени с трубкой. Каждая камера распыления включает в себя одну или несколько мишеней, и таким образом включает в себя одну или более этих катодных трубок. Катодную трубку (трубки) можно поддерживать при отрицательном потенциале (например, от -200 до -1500 В), а распыление можно проводить во время вращения. Когда мишень вращается, ионы от разряда в газе при распылении ускоряются в мишень и вытесняют или выбивают атомы материала мишени. В свою очередь, эти атомы вместе с газом образуют соответствующее соединение (например, оксид олова), которое направляется на подложку для формирования тонкой пленки или слоя этого соединения на подложке.
[0004] Помимо качества покрытия, которое магнетрон осаждает на подложке, важны функциональная надежность и эксплуатационная надежность магнетрона. Учет ограничений предполагаемого процесса - это задача непростая. Цилиндрический магнетрон распыляет материал из вращающейся трубки на подложку по мере прохождения мимо мишени. Чтобы нанести покрытие на такой большой участок стеклянной или аналогичной мишени, трубка может иметь длину до 15 футов и диаметр до 6 дюймов или более и может весить, например, до 1700 фунтов. Еще одно затруднение связано с тем, что распыление фактически приводит к эрозии трубки мишени во время процесса распыления, так что трубка мишени постоянно изменяет форму в течение срока своей службы. А в некоторых случаях процесс распыления может потребовать подвода исключительно большой мощности переменного тока или постоянного тока (например, 800 A постоянного тока, 150 кВт переменного тока) к мишени. Эта передача энергии вызывает значительный нагрев в трубке мишени и окружающих компонентах, которые нужно охлаждать, чтобы гарантировать надлежащие рабочие характеристики и избежать отказа магнетрона. Так, известна прокачка воды через центр трубки вращающейся мишени под высоким давлением и с большим расходом для охлаждения мишени.
[0005] На фиг.1 представлен вид сбоку вращающейся распыляемой мишени и обычного концевого блока. На фиг.1 показано, что вращающаяся мишень 1 поддерживается с одного конца концевым блоком 3. Концевой блок 3 может поддерживаться и/или крепиться к стенке или перекрытию 5 камеры 8 распыления в установке 7 для распыления. Снаружи камеры (камер) 8 распыления установка для распыления находится под атмосферным давлением 9. Позиция 9 на фиг.1 обозначает области при атмосферном давлении. Эффективное и результативное распыление требует, чтобы процесс распыления происходил в вакууме или при давлении, пониженном по отношению к атмосферному - на фиг.1 показано, что камера 8 (не концевой блок 3) находится под вакуумом и поэтому в ней поддерживается давление меньше атмосферного давления. Система вращающейся мишени разработана имеющей надежную уплотнительную систему, включающую в себя уплотнения 11 и 12 для предотвращения падений давления или утечек вакуума между областями 8 низкого давления и областями 9 атмосферного давления.
[0006] Электропроводные щетки 15 обеспечивают электрический контакт и посредством этого соединение в цепи питания между токосъемником и ротором. В обычной системе с фиг.1 щетки 15, которые обеспечивают соединение в цепи питания между токосъемником и ротором, находятся в области 9 при атмосферном давлении.
[0007] Неожиданно было обнаружено, что новая конструкция, которая включает в себя расположение электрического контакта (контактов) (например, щеток) между токосъемником и ротором в области под вакуумом (в противоположность области при атмосферном давлении, как в обычной конструкции с фиг.1), обеспечивает значительные преимущества перед обычной конструкцией. Перемещение соединения в цепи питания между ротором и токосъемником в область под вакуумом (область под давлением меньше атмосферного давления), обеспечивает, например, узел, в котором возможно эффективное охлаждение (например, водяное охлаждение) как ротора, так и токосъемника, и который, как неожиданно обнаружилось, обеспечивает повышение скорости распыления (например, неожиданно обнаружилось повышение скорости распыления до 20 % по сравнению с обычной конструкцией согласно фиг.1). Вращающаяся распыляемая мишень, такая как мишень для магнетронного распыления, часто поддерживается двумя концевыми блоками - по одному на каждом конце мишени. Один или оба концевых блока для поддерживания вращающейся мишени могут быть выполнены в соответствии с примерными вариантами осуществления этого изобретения.
[0008] В примерных вариантах осуществления этого изобретения предложена установка для распыления, содержащая: по меньшей мере один концевой блок для поддерживания конца цилиндрической вращающейся распыляемой мишени, причем концевой блок включает в себя неподвижный проводящий токосъемник и вращающийся проводящий ротор для вращения с цилиндрической распыляемой мишенью во время операций распыления; при этом концевой блок дополнительно включает в себя узел передачи электрической энергии (например, проводящую щетку (проводящие щетки)), расположенный между неподвижным проводящим токосъемником и вращающимся ротором, для обеспечения передачи электрической энергии от токосъемника к ротору; первую область охлаждения, через которую течет жидкость для охлаждения неподвижного проводящего токосъемника, причем первая область охлаждения расположена вокруг по меньшей мере участка неподвижного проводящего токосъемника и практически концентрична с неподвижным проводящим токосъемником; вторую область охлаждения, которая отделена от первой области охлаждения и через которую течет жидкость для охлаждения ротора и мишени, причем вторая область охлаждения по меньшей мере частично окружена ротором, и при этом жидкость во второй области охлаждения течет в по меньшей мере направлении, которое практически параллельно оси, вокруг которой должны вращаться мишень и ротор; при этом жидкость в первой области охлаждения течет вокруг упомянутой оси, вокруг которой должны вращаться мишень и ротор; и при этом каждый из узла передачи электрической энергии, ротора и токосъемника расположен (частично или полностью) в области под вакуумом, имеющей давление меньше атмосферного давления (например, такое, что между ними не возникает значительной разницы в давлении).
[0009] Если не оговорено или не указано иное, в том смысле, в каком термин «неподвижный» используется в настоящем документе, когда его соотносят с элементом, являющимся «неподвижным», означает, что элемент, о котором идет речь, не вращается во время операции распыления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] На фиг.1 представлен вид в плане вращающейся распыляемой мишени и обычного концевого блока.
[0011] На фиг.2 представлен вид в плане вращающейся распыляемой мишени и концевого блока в соответствии с примерным вариантом осуществления этого изобретения.
[0012] На фиг.3 представлен разрез концевого блока с фиг.2 в соответствии с примерным вариантом осуществления этого изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Теперь перейдем к более конкретному рассмотрению прилагаемых чертежей, где одинаковые позиции обозначают одинаковые части на всех чертежах.
[0014] На фиг.2 представлен вид в плане вращающейся распыляемой мишени и концевого блока. Концевой блок 4 предназначен для катодного барабана, подлежащего размещению в установке для распыления перед операциями распыления и последующему применению в установке для распыления во время операции распыления. На фиг.2 показано, что вращающаяся цилиндрическая магнетронная мишень 1 поддерживается на одном конце концевым блоком 4, выполненным в соответствии с примерным вариантом осуществления этого изобретения. А на фиг.3 представлен разрез концевого блока 4 с фиг.2. Концевой блок 4 может поддерживаться и/или крепиться к стенке и/или перекрытию 5 камеры 8 распыления в установке 10 для распыления посредством опоры 16 концевого блока. В других предпочтительных вариантах осуществления концевой блок 4 может быть установлен на и поддерживаться катодным барабаном посредством опоры 16 для избирательного использования в установке для распыления, таком как катодный барабан, раскрытый в заявке № 12/461130 на патент США, описание которой во всей ее полноте включено сюда по ссылке. Снаружи камеры (камер) 8 распыления установка для распыления находится под атмосферным давлением 9. Позиция 9 на фиг.2-3 обозначает области при атмосферном давлении, которые обычно располагаются над перекрытием 5 и/или снаружи камеры 8. Эффективное и результативное распыление требует, чтобы процесс распыления происходил в вакууме или при давлении, пониженном по отношению к атмосферному - на фиг. 2-3 показано, что камера 8 (включая концевой блок 4) находится в условиях вакуума и поэтому в ней поддерживается давление меньше атмосферного давления. Система вращающейся мишени разработана имеющей надежную уплотнительную систему, включающую в себя уплотнения для предотвращения падений давления или утечек вакуума между областями 8 низкого давления и областями 9 атмосферного давления.
[0015] Электропроводные щетки/контакты 18 обеспечивают электрический контакт и тем самым соединение в цепи питания между неподвижным проводящим токосъемником 20 и вращающимся проводящим ротором 22, чтобы передавать большие количества энергии, необходимой для процесса распыления, от токосъемника 20 к ротору 22 и трубке мишени или катоду 1. Энергия (ток и/или напряжение) подается на или через проводящую опору 16 концевого блока и проходит через проводящий токосъемник 20, который электрически связан (непосредственно или косвенно) с проводящей опорой 16. Таким образом, неподвижная опора 16 концевого блока электрически связана с неподвижным токосъемником 20, а энергия подводится к токосъемнику 20 снаружи камеры 8 через эту неподвижную опору 16 концевого блока. Затем происходит передача энергии от неподвижного проводящего токосъемника 20 к вращающемуся проводящему ротору 22 через контакт (контакты), такой (такие), как контактные щетки 18 или подобное, а потом энергия подводится от ротора 22 к узлу трубки мишени.
[0016] В отличие от фиг.1 на фиг.2-3 контактные щетки 18, которые обеспечивают соединение в цепи питания между токосъемником 20 и ротором 22, располагаются в области 8 под вакуумом (в области, находящейся под давлением меньше атмосферного давления). Вся иллюстрируемая область 8, показанная на фиг.3 под перекрытием 5, находится под вакуумом и поэтому под давлением меньше атмосферного давления. Ротор 22 вращается вместе с распыляемой мишенью 1 вокруг продольной оси 24, которая простирается через мишень 1 и концевой блок 4, тогда как токосъемник 20 неподвижен на своем месте и не вращается с мишенью 1. Ротор 22 может иметь неразъемную конструкцию или может состоять из множества деталей. Каждый из внутренних подшипников 52 и внешних подшипников 54 концентричен с ротором 22 и шпинделем 56 с осевым отверстием, так что все они имеют общую ось 24 и позволяют ротору 22 вращаться вокруг оси 24 относительно неподвижного шпинделя 56 с осевым отверстием и неподвижной опоры 58, которая по меньшей мере частично окружает ротор 22. Шпиндель 56 с осевым отверстием неподвижен на своем месте относительно ротора и шпиндель 56 с осевым отверстием предпочтительно крепится (непосредственно или опосредованно) к структуре магнитных планок (не показана) в трубке мишени. Мишень 1 соединена с и расположена на внутренней стороне 4a концевого блока 4. Еще один аналогичный или отличающийся концевой блок (не показан) может поддерживать другой конец вращающейся мишени 1. В некоторых примерных вариантах осуществления концевой блок 4, с фиг.2-3 можно считать ведущим концевым блоком, поддерживающим один конец вращающейся мишени 1, тогда как другой концевой блок (например, без токосъемника), такой как охлаждающий концевой блок, поддерживает противоположный конец мишени 1. В некоторых примерных вариантах осуществления в ведущем концевом блоке 4, показанном на фиг.2-3, могут находиться вход 30 и выход 32 охлаждающей жидкости (например, воды) для области охлаждения токосъемника, тогда как в другом концевом блоке (не показан) на противоположном конце мишени 1 находятся вход и выход охлаждающей жидкости (например, воды) для области 40 охлаждения.
[0017] Неожиданно обнаружилось, что конструкция с фиг.2-3, которая включает в себя размещение электрического контакта (контактов) (например, щеток) 18 между токосъемником 20 и ротором 22 в области 8, целиком находящейся под вакуумом (в противоположность области при атмосферном давлении, как в обычной конструкции с фиг.1), предоставляет значительные преимущества над обычной конструкцией с фиг.1. Перемещение соединения в цепи питания между ротором 22 и токосъемником 20 в область 8, находящуюся под вакуумом (область, находящуюся под давлением меньше атмосферного давления), обеспечивает, например, узел, в котором возможно эффективное охлаждение (например, водяное охлаждение) как ротора 22, так и токосъемника 20, и который, как неожиданно обнаружилось, обеспечивает повышение скорости распыления (например, неожиданно обнаружилось повышение скорости распыления до 20 % по сравнению с обычной конструкцией с фиг.1).
[0018] Для обеспечения подачи воды в область, предназначенную для охлаждения токосъемника 20, и выпуска воды из этой области предусмотрены вход 30 воды и выход 32 воды. Область 36 охлаждения, через которую протекает и по которой циркулирует охлаждающая вода для охлаждения токосъемника 20, окружает ось 24 и по меньшей мере часть ротора 22 и находится внутри токосъемника и/или расположена так, что окружает токосъемник 20, как показано на фиг.2-3. Вход 30, выход 32 и область 36 охлаждения неподвижны и не вращаются вместе с ротором. Для обеспечения протекания воды с целью охлаждения ротора 22 и мишени 1 предусмотрена отдельная область 40 охлаждения, окруженная ротором 22, причем эта область 40 охлаждения включает в себя внутренний участок 40a и внешний участок 40b, который окружает внутренний участок 40a. Охлаждающая вода протекает в одном направлении на внутреннем участке 40a и в противоположном направлении на внешнем участке 40b, как показано стрелками на фиг.3. Как показано на фиг.3, участок ротора 22 может быть расположен между областью 36 охлаждения и областью 40 охлаждения ротора. Вода в области 36 охлаждения токосъемника в общем случае течет в направлениях, отличающихся от тех, в которых вода течет в области 40 (40a, 40b) охлаждения ротора. Мишень 1, как правило, ориентирована горизонтально относительно грунта и вращается вокруг оси 24, а жидкость в областях 40a и 40b предпочтительно течет в соответствующих направлениях, которые практически параллельны оси 24.
[0019] В примерных вариантах осуществления этого изобретения предложена установка для распыления, содержащая: по меньшей мере один концевой блок 4 для поддерживания конца цилиндрической вращающейся распыляемой мишени 1, причем концевой блок 4 включает в себя неподвижный проводящий токосъемник 20 и вращающийся проводящий ротор 22 для вращения с цилиндрической распыляемой мишенью во время операций распыления, при этом концевой блок 4 дополнительно включает в себя узел 18 передачи электрической энергии (например, проводящую щетку (проводящие щетки)), расположенный между неподвижным проводящим токосъемником 20 и вращающимся ротором 22, для обеспечения передачи электрической энергии от токосъемника 20 к ротору 22; первую область 36 охлаждения, через которую течет жидкость для охлаждения неподвижного проводящего токосъемника 20, причем первая область 36 охлаждения расположена вокруг по меньшей мере участка неподвижного проводящего токосъемника 20 и практически концентрична с неподвижным проводящим токосъемником 20; вторую область 40 охлаждения, которая отделена от первой области 36 охлаждения и через которую течет жидкость для охлаждения ротора 22 и мишени 1, причем вторая область 40 охлаждения по меньшей мере частично окружена ротором 22, и при этом жидкость во второй области 40 охлаждения течет в по меньшей мере направлении (направлениях), которое практически параллельно оси 24, вокруг которой должны вращаться мишень 1 и ротор 22; при этом жидкость в первой области 36 охлаждения течет вокруг оси 24, вокруг которой должны вращаться мишень 1 и ротор 22; и при этом каждый из узла 18 передачи электрической энергии, ротора 22 и токосъемника 20 расположен (частично или полностью) в области 8 под вакуумом, имеющей давление меньше атмосферного давления (например, такое, что между ними не возникает значительная разница в давлении), во время операций распыления.
[0020] В установке для распыления согласно непосредственно предыдущему абзацу узел 18 передачи электрической энергии может состоять из одной щетки или более проводящих щеток или представлять собой любую пригодную проводящую конструкцию/материал.
[0021] В установке для распыления согласно любому из предыдущих двух абзацев каждый из всего узла 18 передачи электрической энергии и всего ротора 22 может быть расположен в области под вакуумом, имеющей давление меньшее атмосферного давления.
[0022] В установке для распыления согласно любому из предыдущих трех абзацев мишень 1 может быть расположена целиком в области под вакуумом, имеющей давление меньшее атмосферного давления.
[0023] В установке для распыления согласно любому из предыдущих четырех абзацев весь токосъемник 20 может быть расположен в области под вакуумом, имеющей давление меньше атмосферного давления.
[0024] В установке для распыления согласно любому из предыдущих пяти абзацев вход охлаждающей жидкости и выход охлаждающей жидкости для первой области охлаждения могут быть предусмотрены в или вблизи упомянутого (первого) концевого блока, и при этом вход охлаждающей жидкости и выход охлаждающей жидкости для второй области охлаждения могут быть предусмотрены в или вблизи другого (второго) концевого блока, который предусмотрен на конце мишени, противоположном концу, на котором расположен упомянутый (первый) концевой блок, включающий в себя токосъемник.
[0025] В установке для распыления согласно любому из предыдущих шести абзацев жидкость в первой области охлаждения не должна смешиваться с жидкостью во второй области охлаждения (первая и вторая области охлаждения не сообщаются по текучей среде друг с другом). Альтернативно, в других примерных вариантах осуществления жидкость в первой и второй областях охлаждения может смешиваться, а первая и вторая области охлаждения могут сообщаться по текучей среде друг с другом.
[0026] В установке для распыления согласно любому из предыдущих семи абзацев жидкость в первой области охлаждения и/или жидкость во второй области охлаждения может содержать воду.
[0027] В установке для распыления согласно любому из предыдущих восьми абзацев концевой блок и мишень могут быть установлены на катодном барабане для избирательного перемещения и применения в операциях распыления в установке для распыления. Альтернативно, концевой блок и мишень не нужно устанавливать на таком катодном барабане, а можно вместо этого установить, например, так что они будут подвешены с перекрытия камеры распыления без какого-либо промежуточного барабана.
[0028] В некоторых примерных вариантах осуществления этого изобретения предложен концевой блок для поддерживания вращающейся распыляемой мишени в установке для распыления, содержащий: неподвижный проводящий токосъемник; вращающийся проводящий ротор для вращения вместе с вращающейся распыляемой мишенью во время операций распыления; узел передачи электрической энергии, расположенный между неподвижным проводящим токосъемником и вращающимся ротором, по меньшей мере для обеспечения передачи электрической энергии от токосъемника к ротору; и при этом каждый из узла передачи электрической энергии, ротора и токосъемника выполнен с возможностью расположения в области под вакуумом, имеющей давление меньше атмосферного давления, во время операций распыления.
[0029] Концевой блок согласно непосредственно предыдущему параграфу может дополнительно включать в себя первую область охлаждения, через которую течет жидкость для охлаждения неподвижного проводящего токосъемника, причем первая область охлаждения расположена вокруг по меньшей мере участка неподвижного проводящего токосъемника и практически концентрична с неподвижным проводящим токосъемником.
[0030] Концевой блок согласно любому из непосредственно предыдущих двух абзацев может дополнительно включать в себя вторую область охлаждения, через которую течет жидкость для охлаждения ротора и мишени, причем вторая область охлаждения по меньшей мере частично окружена ротором, и при этом жидкость во второй области охлаждения течет по меньшей мере в направлении, которое практически параллельно оси, вокруг которой должны вращаться мишень и ротор.
[0031] В концевом блоке согласно любому из непосредственно предыдущих трех абзацев жидкость в первой области охлаждения может течь вокруг упомянутой оси, вокруг которой должны вращаться мишень и ротор.
[0032] В концевом блоке согласно любому из непосредственно предыдущих четырех абзацев узел передачи электрической энергии может включать в себя или может состоять из одной или более проводящих щеток.
[0033] В концевом блоке согласно любому из предыдущих пяти абзацев весь узел передачи электрической энергии и весь ротор могут быть выполнены с возможностью расположения в области под вакуумом, имеющей давление меньше атмосферного давления, во время операций распыления.
[0034] В концевом блоке согласно любому из предыдущих шести абзацев первая и вторая области охлаждения не должны сообщаться по текучей среде друг с другом.
[0035] Хотя изобретение описано в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным вариантом осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытым вариантом осуществления, а наоборот, должно считаться охватывающим различные модификации и эквивалентные компоновки, находящиеся в рамках идеи и объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.