Центрирование пластины в держателе при комнатных температурах и при более высоких температурах

Изобретение относится к области нанесения покрытий путем осаждения из газовой фазы. Дискообразная пластина центруется в держателе как при комнатных температурах, так и при более высоких температурах, независимо от теплового расширения пластины и держателя, при этом пластина может свободно расширяться в держателе при более высоких температурах. Технический результат - повышение надежности работы пластины путем удержания ее по центру в держателе. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Настоящее изобретение относится к системе, которая имеет пластину с держателем, в которой пластина центруется в держателе как при комнатных температурах, так и при более высоких температурах, независимо от теплового расширения пластины и держателя, и в которой пластина может свободно расширяться в держателе при более высоких температурах.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время покрытия производятся, среди прочего, с использованием процессов распыления и дуговых процессов, которые являются частью так называемых процессов физического осаждения из газовой (паровой) фазы (PVD). В этой методике мишени распыляются или испаряются. В этих процессах мишени нагреваются, и должны охлаждаться.

В соответствии с предшествующим уровнем техники такое охлаждение выполняется, например, посредством так называемой пленочной охлаждающей пластины, которая охлаждает заднюю сторону мишени, как показано на Фиг. 2. Давление охлаждающей среды прижимает пленку к мишени, и таким образом достигается хорошая теплопроводность от охлаждающей среды к мишени.

В зависимости от подводимой мощности, рассеяния тепла посредством охлаждающей пластины и удельной теплопроводности материала мишени все мишени нагреваются по-разному и расширяются в соответствии с их коэффициентами продольного расширения. Мишень в этом случае должна быть в состоянии свободно расшириться, так, чтобы она не разрушилась.

По связанным с процессом причинам для мишени, расположенной на охлаждающей пластине, является важным расширяться концентрически относительно оси охлаждающей пластины так, чтобы во время всей операции мог быть обеспечен концентрический зазор между мишенью и окружающими компонентами или окружающим компонентом. В частности, для мишени очень важно расширяться отцентрованным образом относительно оси охлаждающей пластины для того, чтобы избежать короткого замыкания, которое может произойти, например, если мишень используется как катод, и мишень имеет анодное кольцо, размещенное вокруг нее, к которым прикладывается различный электрический потенциал, как показано, например, на Фиг. 2.

Если мишень неправильно отцентрована, то мишень расширяется недостаточно концентрически. В результате электрическое короткое замыкание может произойти между анодным кольцом и расширившейся мишенью.

В данном примере положение мишени относительно анодного кольца определяется ее положением на охлаждающей пластине. При малом зазоре между охлаждающей пластины и мишенью положение мишени является в достаточной степени определенным, и контакта между мишенью и анодом не происходит. Такой малый зазор, однако, сильно ограничивает возможное расширение мишени. Максимально допустимая температура мишени или рабочая температура таким образом является предопределенной, и максимальная мощность распыления таким образом является ограниченной. Чем меньше этот зазор, тем ниже допустимая мощность распыления.

При большем зазоре мишень, как правило, помещается на охлаждающей пластине эксцентрично. В дополнение к этому, эксцентричная поддержка вызывает неравномерные механические напряжения в мишени во время работы пленочных охлаждающих пластин. В зависимости от материала мишени это может привести к тому, что допустимые механические напряжения будут превышены.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создать систему плстина-удерживающее устройство, которая позволяла бы удерживать пластину по центру в устройстве держателя независимо от температуры системы, чтобы пластина была в состоянии свободно расширяться в устройстве держателя так, чтобы она не разрушалась во время процесса расширения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения решается путем создания системы «пластина-держатель», описанной в пункте 1 формулы изобретения.

Система в соответствии с настоящим изобретением имеет пластину и держатель; пластина имеет поверхность с внешним краем пластины, и материал пластины имеет первый коэффициент теплового расширения, а держатель имеет отверстие, которое ограничивается внутренним краем держателя, и материал держателя имеет второй коэффициент теплового расширения, причем первый коэффициент теплового расширения больше, чем второй коэффициент теплового расширения,

причем

- при комнатной температуре окружность отверстия держателя больше, чем окружность поверхности пластины, в результате чего при центральном положении пластины имеется зазор с определенной шириной зазора S между краем пластины и внутренним краем держателя,

- край пластины имеет один или более выступов, которые простираются вдоль радиального направления относительно поверхности края пластины и входят в соответствующие углубления края держателя, и/или край пластины имеет один или более углублений, которые простираются вдоль радиального направления относительно поверхности края пластины, и в которые входят соответствующие выступы края держателя,

- в которой система пластина-держатель имеет по меньшей мере три таких пары углубление/выступ, которые входят в зацепление друг с другом, и каждое углубление и каждый выступ имеют соответствующую длину в радиальном направлении относительно поверхности края пластины и соответствующую ширину, и ширина углубления больше чем ширина соответствующего выступа, причем для каждой пары углубление/выступ при комнатной температуре самая малая разность ширины sp между углублением и выступом меньше, чем вышеупомянутая ширина зазора S, в радиальном направлении самая малая ширина зазора между углублением и выступом больше, чем вышеупомянутая самая малая разность ширины sp, предпочтительно по меньшей мере равна вышеупомянутой ширине зазора S, таким образом достигая того, что как при комнатной температуре, так и при более высоких температурах пластина всегда крепится так, чтобы она была отцентрована в держателе, поскольку пары углубление/выступ функционируют как направляющие рельсы.

В смысле данного описания термин "радиальное направление" понимается как определяемый следующим образом: Если пластина прикреплена к оси, которая проходит перпендикулярно поверхности пластины и через ее центр тяжести, то радиальное направление в некоторой локализации на внешнем краю пластины является соответствующим направлением, в котором эта локализация на внешнем краю пластины перемещается, когда происходит увеличение температуры. Для дискообразной пластины, которая имеет круглый край, это направление является направлением, перпендикулярным краю пластины, проходящим от точки центра окружности.

Фиг. 8 схематично изображает это для пластины с прямоугольной поверхностью. Пластина с выступами и держатель изображены с помощью перекрестной штриховки. Прямые линии проходят через центр тяжести пластины и по определению указывают радиальное направление на краю пластины. Из этого чертежа также ясно, что ширина зазора S не обязана быть одинаковой вокруг всего края пластины, но может вместо этого быть выбрана как функция геометрии.

В соответствии с настоящим изобретением все ширины зазора между краем пластины и внутренним краем держателя, включая ширины зазора между углублениями и выступами, принимая во внимание размеры и коэффициент теплового расширения пластины и держателя, выбираются так, чтобы пластина могла свободно расширяться в держателе при повышении температуры. Так как тепловое расширение в твердых телах значительно зависит прежде всего от структуры решетки и условий связи, линейные уравнения представляют собой лишь приближения.

Коэффициент расширения или коэффициент теплового расширения является величиной, которая описывает поведение материала относительно изменений в его размерах при изменении температуры, и поэтому также часто называется коэффициентом теплового расширения. Тепловое расширение является эффектом, который отвечает за это. Тепловое расширение зависит от используемого материала; поэтому этот коэффициент является зависящей от материала физической константой. Так как тепловое расширение во многих материалах не происходит равномерно во всех температурных интервалах, сам коэффициент теплового расширения является зависящим от температуры и поэтому указывается для конкретной референсной температуры или конкретного температурного интервала.

Существует различие между продольным коэффициентом теплового расширения α (также известным как линейный коэффициент теплового расширения) и пространственным коэффициентом теплового расширения ϒ (также известным как пространственный коэффициент расширения, коэффициент объемного расширения или кубический коэффициент расширения).

Продольный коэффициент расширения α является константой пропорциональности между изменением температуры dT, и относительным изменением длины dL/L твердого тела. Следовательно, он используется для того, чтобы описать относительное изменение длины, которое происходит с изменением температуры. Он является зависящей от материала величиной, единицей измерения которой является K^-1 (обратный Кельвин), и определяется в соответствии со следующим уравнением: α=1/L⋅dl/dT; в упрощенной форме уравнение выглядит как L_final≈L_initial⋅(1+α⋅ΔT).

Соответственно можно, например, вычислить, какую длину пластина будет иметь в конкретном направлении поверхности пластины при максимальной рабочей температуре. Аналогичным образом размеры могут быть вычислены в соответствии с тепловым расширением держателя. Таким образом возможно вычислить ширины зазора между пластиной и держателем, которые необходимы для того, чтобы гарантировать свободное тепловое расширение пластины в держателе вплоть до максимальной рабочей температуры.

Можно предположить, например, что L_1final≈α₁⋅L_1initial⋅ΔT₁, где L_1final является длиной пластины в конкретном направлении (то есть диаметром в случае дискообразной пластины) при температуре T_final (например, при максимальной рабочей температуре пластины), α1 является коэффициентом линейного теплового расширения пластины в диапазоне рабочих температур, L_1initial является длиной пластины в том же самом направлении, но при температуре T_initial (например, при комнатной температуре), и аналогичный подход может быть применен для вычисления размеров держателя при температуре T_final, за исключением того, что учитываются форма и размеры держателя и коэффициент линейного теплового расширения материала держателя.

Предпочтительно ширины зазора между пластиной и держателем выбираются так, чтобы пластина могла свободно расширяться в держателе вплоть до температуры по меньшей мере 450°C, предпочтительно по меньшей мере 500°C, еще более предпочтительно по меньшей мере 650°C.

В соответствии с настоящим изобретением коэффициент линейного теплового расширения материала пластины больше, чем коэффициент линейного теплового расширения материала держателя, то есть α1>α2.

Предпочтительно пластина является дискообразной.

Предпочтительно углубление и/или выступы в пластине распределяются равноудалено друг от друга.

Предпочтительно держатель является кольцевым или имеет кольцевую часть для размещения пластины.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения пластина может быть дискообразной мишенью, которая имеет направляющие (выступы), расположенные звездообразно, чья общая ось располагается в центре мишени, и эти направляющие выступают в соответствующие канавки (угулубления) держателя, которые расположены звездообразно. Например, держатель является частью устройства охлаждающей пластины. Следовательно, мишень центруется на охлаждающей пластине независимо от температуры конструкцией охлаждающей пластины мишени в соответствии с настоящим изобретением. Следовательно, в случае использования анодного кольца вокруг мишени возможно, чтобы зазор между мишенью и анодным кольцом оставался концентрическим, для чего он поддерживается концентрическим в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом возможно избежать коротких замыканий, которые могут произойти благодаря непреднамеренному контакту между мишенью, работающей в качестве катода, и анодным кольцом.

Также в результате этого контактная поверхность между мишенью и держателем мишени в устройстве охлаждающей пластины (например, между мишенью и кольцом держателя мишени) остается концентрическим, и когда используются пленочные охлаждающие пластины, в мишени создаются однородные напряжения. Таким образом возможно минимизировать площадь контакта.

Вместо обеспечения углублений в охлаждающей пластине, в которые входят лапки (выступы) мишени, также возможно обеспечить углубления в мишени и выполнить принимающий корпус устройства охлаждающей пластины, например удерживающее мишень кольцо, с выступающими внутрь выступами, которые входят в углубления мишени, как показано на Фиг. 4.

Особенное преимущество достигается при использовании настоящего изобретения в существующих охлаждающих пластинах, в которых чрезмерно малый зазор между мишенью и охлаждающей пластиной может быть увеличен с помощью распорного кольца. Если мишень устанавливается в распорном кольце, и это кольцо затем крепится к охлаждающей пластине, тогда возможно увеличить полный зазор (зазор 1 и зазор 2) между мишенью и охлаждающей пластиной и таким образом также увеличить используемую мощность, как показано на Фиг. 5.

Настоящее изобретение будет теперь объяснено более подробно с использованием чертежей.

Фиг. 1 схематично изображает мишень и держатель.

Фиг. 2 показывает источник покрытия с мишенью, охлаждающей пластиной и анодным кольцом.

Фиг. 3 показывает поперечное сечение через одну деталь одного варианта осуществления пластины с держателем в соответствии с настоящим изобретением на виде сверху.

Фиг. 4 показывает вид сверху одного варианта осуществления пластины с держателем в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 показывает подробное поперечное сечение одного варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 показывает пластину с держателем в соответствии с настоящим изобретением на виде сверху, а также относящиеся к этому подробности.

Фиг. 7 показывает пару углубление/выступ, в которой выступ имеет закругленные области.

Фиг. 8 показывает пластина с держателем в соответствии с настоящим изобретением на виде сверху, в котором пластина имеет прямоугольную поверхность.

Таким образом раскрыта дискообразная пластина с держателем, которые вместе составляют систему "пластина-держатель", в которой пластина имеет круглую поверхность, проходящую через широкие области ее окружности, и имеет внешний край пластины, и материал пластины имеет первый коэффициент теплового расширения α1, а держатель имеет круглое отверстие, проходящее через широкие области его окружности, которое ограничивается внутренним краем держателя, и материал держателя имеет второй коэффициент теплового расширения α2, и

- при комнатной температуре окружность отверстия держателя больше, чем окружность поверхности пластины, в результате чего при центральном положении пластины в отверстии держателя имеется зазор с определенной шириной зазора S между краем пластины и внутренним краем держателя, и

- α2<α1 и

- край пластины имеет один или более выступов, которые, если смотреть от центральной точки круглой поверхности, простираются на длины выступов от края пластины в радиальном направлении и входят в соответствующие углубления с длинами углублений края держателя, и/или край пластины имеет один или более углублений, которые, если смотреть от края пластины, простираются на длины углублений к центральной точке круглой поверхности, и в которые входят соответствующие выступы с длинами выступов на краю держателя,

- в которой система "пластина-держатель" имеет по меньшей мере три таких пары углубление/выступ, и

для пар углубление/выступ соответствующие радиальные длины соответствуют друг другу так, чтобы при комнатной температуре, за исключением радиального интервала, составляющего максимум d, каждое углубление входил в зацепление в радиальном направлении с выступом, где размер радиального интервала d соответствует размеру ширины зазора S, и

для пар углубление/выступ в тангенциальном направлении соответствующие профили ширины соответствуют друг другу так, чтобы углубление могло функционировать в качестве направляющего рельса для соответствующего выступа, зазор sp которого в тангенциальном направлении составляет меньше чем S,

и в результате как при комнатной температуре, так и при более высоких температурах, при которых пластина расширяется больше чем держатель, расширяющаяся пластина была закреплена так, чтобы она была всегда отцентрована в держателе, за исключением самое большее зазора sp.

Предпочтительно для вышеописанной пластины с держателем ширина зазора S, радиальный интервал d и зазор sp могут быть выбраны так, чтобы пластина могла свободно расширяться в держателе вплоть до температуры по меньшей мере 450°C, предпочтительно по меньшей мере 500°C, еще более предпочтительно по меньшей мере 650°C.

Предпочтительно для вышеописанной пластины с держателем углубления и/или выступы в пластине распределяются равноудаленно друг от друга.

Предпочтительно для вышеописанной пластины с держателем держатель является кольцевым или имеет кольцевую часть для размещения пластины.

Для вышеописанной пластины с держателем предпочтительно предусматриваются четыре пары углубление/выступ.

В вышеописанной системе пластина-держатель пластина может быть мишенью для использования в процессе физического осаждения из газовой фазы (PVD), а система пластина-держатель может быть частью соответствующего источника покрытия.

Вышеописанный источник покрытия может быть снабжен средством для присоединения к источнику напряжения, которое позволяет применить отрицательный потенциал к мишени относительно электрода, так, чтобы мишень могла использоваться в качестве катода, а электрод мог использоваться в качестве анода.

В вышеописанном источнике покрытия части держателя могут составлять по меньшей мере часть охлаждающегося устройства.

Вышеописанный держатель может быть воплощен как распорное кольцо.

Охлаждающее устройство предпочтительно может быть устройством типа пленочной охлаждающей пластины.

Вышеупомянутый анод предпочтительно может быть размещен вокруг мишени и воплощен как анодное кольцо.

В вышеописанной пластине с держателем зазор sp предпочтительно может составлять половину размера ширины зазора S и особенно предпочтительно может иметь величину на порядок меньше, чем ширина зазора S.

В вышеописанной пластине с держателем ширина профиля в направляющих областях по меньшей мере одного из выступов, предпочтительно нескольких из выступов, и в частности предпочтительно всех выступов в осевом направлении i) может не иметь никаких краев, что делает невозможным заедание в направляющем рельсе, который формируется соответствующим углублением, или ii) может иметь параллельные, прямые стенки по меньшей мере в той радиальной части, в которой проходит углубление.

В вышеописанной пластине с держателем ширина профиля по меньшей мере одного углубления, предпочтительно нескольких углублений, и особенно предпочтительно всех углублений, по меньшей мере в той радиальной части, в которой углубление выполняет направляющую функцию, i) может иметь параллельные, прямые стенки или ii) может не иметь никаких краев, что делает невозможным заедание соответствующим выступа в направляющем рельсе, который формируется углублением.

Предпочтительно в одной, нескольких, или во всех парах углубление/выступ либо одновременно выполняются вышеописанные альтернативы i), либо одновременно выполняются вышеописанные альтернативы ii).

Также раскрыта система физического осаждения из газовой фазы (PVD) по меньшей мере с одним источником покрытия, как описано выше.

1. Дискообразная пластина с держателем, которые вместе составляют систему "пластина-держатель", в которой:

дискообразная пластина имеет круглую поверхность, проходящую через области ее окружности, и имеет внешний край пластины, причем пластина состоит, по существу, из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения α1, а

держатель имеет круглое отверстие, проходящее через области его окружности, которое ограничено внутренним краем держателя, причем держатель состоит, по существу, из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения α2,

причем при комнатной температуре окружность отверстия держателя больше, чем окружность поверхности пластины, в результате чего при центральном положении пластины в отверстии держателя имеется зазор с определенной шириной зазора S между внешним краем пластины и внутренним краем держателя, и

α2<α1, и

внешний край пластины имеет один или более выступов, которые, если смотреть от центральной точки круглой поверхности, проходят на длины выступов от внешнего края пластины в радиальном направлении и входят в соответствующие углубления с длинами углублений внутреннего края держателя, и/или внешний край пластины имеет одно или более углублений, которые, если смотреть от внешнего края пластины, проходят на длины углублений к центральной точке круглой поверхности и в которые входят соответствующие выступы с длинами выступов на внутреннем краю держателя,

причем система "пластина-держатель" имеет по меньшей мере три таких пары углубление/выступ, и

для пар углубление/выступ длины выбраны так, что при комнатной температуре, за исключением радиального интервала, составляющего максимум d, каждое углубление входит в радиальном направлении в зацепление с выступом, размер которого соответствует размеру ширины зазора S, и

для пар углубление/выступ в тангенциальном направлении профили ширины соответствуют друг другу с обеспечением возможности выполнения углублением функции направляющего рельса для соответствующего выступа, зазор sp которого в тангенциальном направлении составляет меньше чем S,

и в результате как при комнатной температуре, так и при более высоких температурах, при которых пластина расширяется больше чем держатель, расширяющаяся пластина закреплена так, что она всегда отцентрирована в держателе, за исключением, самое большее, зазора sp, причем

ширина профиля в направляющих областях по меньшей мере одного из выступов в осевом направлении i) не имеет краев, что делает невозможным заедание в направляющем рельсе, который формируется соответствующим углублением, или ii) имеет параллельные прямые стенки по меньшей мере в радиальной части, в которой проходит углубление.

2. Пластина с держателем по п.1, в которой ширина зазора S, радиальный интервал d и зазор sp выбраны с обеспечением возможности свободного расширения пластины в держателе вплоть до температуры по меньшей мере 450°C.

3. Пластина с держателем по п.2, в которой углубления и/или выступы в пластине распределены равноудаленно друг от друга.

4. Пластина с держателем по п.1, в которой держатель является кольцевым или имеет кольцевую часть для размещения пластины.

5. Пластина с держателем по п.1, в которой предусмотрены четыре пары углубление/выступ.

6. Пластина с держателем по п.1, в которой пластина является мишенью для использования в процессе физического осаждения из газовой фазы (PVD), а система "пластина-держатель" является частью соответствующего источника покрытия.

7. Пластина с держателем по п.6, в которой источник покрытия снабжен средством для присоединения к источнику напряжения, которое позволяет применить отрицательный потенциал к мишени относительно электрода с обеспечением возможности использования мишени в качестве катода, а электрода в качестве анода.

8. Пластина с держателем по п.7, в которой по меньшей мере части держателя выполнены с возможностью составлять по меньшей мере часть охлаждающего устройства.

9. Пластина с держателем по п.8, в которой держатель выполнен в виде распорного кольца.

10. Пластина с держателем по п.8, в которой охлаждающее устройство является устройством типа пленочной охлаждающей пластины.

11. Пластина с держателем по п.7, в которой анод размещен вокруг мишени и выполнен в виде анодного кольца.

12. Пластина с держателем по п.1, в которой зазор sp составляет самое большее половину размера ширины зазора S.

13. Пластина с держателем по п.1, в которой ширина профиля по меньшей мере одного углубления по меньшей мере в радиальной части, в которой углубление выполняет направляющую функцию, i) имеет параллельные прямые стенки или ii) не имеет краев, что делает невозможным заедание соответствующего выступа в направляющем рельсе, который формируется углублением.

14. Пластина с держателем по п.1, в которой в случае по меньшей мере одной пары углубление/выступ осуществляется альтернатива i) или альтернатива ii).

15. Пластина с держателем по п.13, в которой в случае по меньшей мере одной пары углубление/выступ осуществляется альтернатива i) или альтернатива ii).

16. Система физического осаждения из газовой фазы (PVD) по меньшей мере с одним источником покрытия, содержащим дискообразную пластину по одному из пп.6-11.