BRPI0619284A2

BRPI0619284A2 - aparelho pulverizador catódico e processo para pulverização

Info

Publication number: BRPI0619284A2
Application number: BRPI0619284-0A
Authority: BR
Inventors: Dean Plaisted; Alan Plaisted
Original assignee: Soleras Ltd
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2011-09-20
Also published as: JP2009512788A; US20070089983A1; TW200730656A; CN101297059A; EP1941071A2; WO2007051105A3; EP1941071A4; WO2007051105A2; MX2008005318A; CA2626915A1

Abstract

APARELHO PULVERIZADOR CATóDICO E PROCESSO PARA PULVERI ZAçãO. Trata-se a presente invenção, de um cátodo de pulverização possuindo um alvo cilíndrico de pulverização oco que é fixado ou girado na altura de seu eixo central e um conjunto de ímãs internos que é girado axialmente dentro do alvo do pulverizador.

Description

APARELHO PULVERIZADOR CATÓDICO E PROCESSO PARA PULVERIZAÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO A Invenção está no campo de cátodos de deposição de vapor físico.

DESCRIÇÃO DA ÁREA RELACIONADA A deposição de Vapor Físico pode ser atingida de várias formas. Fundamentalmente, o processo é realizado em um ambiente à vácuo com a possível introdução de gases específicos para realizarem a deposição desejada a partir de um material ou materiais de origem fornecidos. Tais materiais podem ser evaporados, por deposição em arco de plasma, pulverizador catõdico e outras maneiras bem conhecidas na área da deposição de vapor físico. Em aplicações tipicamente evaporativas, componentes a serem revestidos são carregados em dispositivos que seguram as peças da câmara a vácuo. A câmara é fechada e a atmosfera evacuada. Um material de origem é tipicamente aquecido através de várias técnicas ao ponto no qual é evaporado dentro da câmara a vácuo, revestindo assim a câmara e os componentes dispostos dentro da mesma.

Para melhorar a uniformidade e outras propriedades, os dispositivos componentes podem estar em movimento ao redor da fonte ou fontes de evaporação. Em alguns processos outros gases também são introduzidos na câmara, para afetar as propriedades de revestimento. Em típicas aplicações de pulverizadores, um gás como o argônio é introduzido na câmara e um aparelho de cátodos é usado para ionizar o gás dentro do plasma e localizar esse plasma em proximidade ao material de origem ou alvo. Isso cria um eficiente processo de pulverização que pode transferir o material-alvo do alvo de origem para os itens na câmara a vácuo que serão revestidos. O design do cátodo e a configuração da câmara podem afetar a taxa na qual os itens são revestidos com as propriedades desejadas do filme, a uniformidade dos revestimentos, e a composição do revestimento. Além disso, é possível obter várias fontes múltiplas e/ou técnicas de deposição combinadas com um processo de revestimento dentro da câmara a vácuo.

Em aplicações evaporativas, pode ser desejável ter múltiplas fontes evaporativas para facilitar a uniformidade do revestimento de peças localizadas em uma câmara maior. Isso pode tipicamente aumentar o serviço e/ou interação do operador para manter o processo fornecido com material para evaporação. As fontes evaporativas típicas podem incluir molas às quais cortes do material que se deseja evaporar são anexados. Esses cortes devem ser colocados sobre partes da mola em todos os ciclos e limitarem a habilidade para processamento contínuo. Além disso, pode ser difícil controlar as composições de revestimento quando se deseja que mais de um material seja revestido em operações de revestimento simultâneas ou seqüenciadas.

Há muitas diferenças relativas e subseqüentes vantagens de diferentes processos de deposição de vapor físico dependendo dos itens a serem revestidos, propriedades físicas relacionadas, e as propriedades resultantes após o revestimento. Além disso, a economia, considerações ambientais, e propriedades/composições de revestimento também desempenham papéis principais em corresponder ao processo correto para a aplicação desejada.

Existe um grande número de sistemas de revestimento evaporativo e estão atualmente operando na indústria de deposição de vapor físico. Além disso, um grande número de câmaras a vácuo são fabricadas com cátodos de pulverização de vários tamanhos e configurações. Esses sistemas de pulverização tipicamente usam cátodos do tipo plano com materiais-alvo planos. Alguns sistemas são capazes de usar múltiplas fontes evaporativas ou cátodos simultaneamente ou seqüencialmente dentro de uma câmara a vácuo para co- depositar materiais ou colocá-los em camadas no item a ser revestido. Em qualquer aplicação, a proximidade do item a ser revestido, seu dispositivo relacionado, e seu possível movimento em relação à fonte afetará as propriedades de revestimento tais como uniformidade sobre a área de revestimento.

É desejável utilizar uma fonte-alvo eficiente com utilização alta de material e longos intervalos de serviço para o revestimento de componentes em uma câmara a vácuo. A utilização é atingida através do uso eficiente de tanto material-alvo quanto possível enquanto intervalos de serviço podem ser estendidos pelo aumento de material-alvo disponível para deposição. Também é desejável a capacidade de controlar a direção do material de revestimento enquanto sai da superfície da fonte através do vácuo para dentro da câmara até que chegue a revestir qualquer material que seja atingido primeiro, seja um dispositivo, parede da câmara, blindagem, ou a parte que se deseja revestir. Esse é o motivo pelo qual se encontra um dispositivo de peças elaboradas com movimentos estilo planetário juntamente com múltiplas fontes em algumas aplicações de revestimento.

Através da localização das fontes e movimento das peças, a utilização do material-fonte pode ser substancialmente melhorada. Porém, uma fonte evaporativa, fonte em arco, ou um cátodo possuem padrões de emissão que são consistentes e não prontamente alterados durante quaisquer processos, exceto através do controle da taxa de deposição por mudança de aquecimento e/ou energia do pulverizador catódico. Seria desejável ser capaz de focar o revestimento para revestir preferencialmente em uma direção em particular, e ser capaz de controlar esta direção durante o processo. Além disso, a utilização de um pulverizador-alvo plano está tipicamente entre 35% e 60% dependendo do cátodo e da aplicação. É desejável utilizar quanto material-fonte for possível. Outro benefício é o processo de tempo aumentado entre os ajustes. Isto normalmente poupa mais gastos do que uma utilização melhorada do alvo.

Alvos giratórios e configurações de cátodos relacionados são bem conhecidos nas indústrias de vidro e revestimento em trama. As aplicações também foram desenvolvidas para outros tipos de produtos. Um cátodo giratório utiliza um ímã fixo enquanto um alvo cilíndrico gira ao redor do ímã. O efeito de magnetron do ímã assegura que a pulverização ocorra em uma superfície limitada do ímã giratório e que o material-alvo. seja ejetado da área de superfície do alvo. Dessa forma um rolo de material a ser revestido pode ser projetado externamente ou interno à câmara a vácuo e pode ser revestido quando o material é passado por um alvo giratório que está pulverizando na direção do material. A mesma situação ocorre quando folhas de vidro passam pelo cátodo. Por rotação do alvo cilíndrico ao redor da barra magnética central, um novo material-alvo é constantemente metalizado a partir da superfície, fornecendo maior utilização de um volume maior de material (alvo cilíndrico versus plano) e maior tempo entre mudanças de alvo, uma vez que todo o cilindro pode ser usado para o processo de pulverização. Dessa forma, os alvos giratórios podem alcançar vantagens significantes sobre as técnicas de cátodo plano.

Em aplicações de pulverização usando alvos planos, a distribuição da deposição é tipicamente uma distribuição

Gaussiana que pode ser modificada através do design do magnetron e/ou alvo para a distância do substrato revestido. Também é possível organizar múltiplas fontes para sobreporem suas distribuições de deposição individual e sobrepô-las umas sobre as outras. Utilizando qualquer uma das combinações desses métodos pode levar a revestimentos mais uniformes ou projetados com relações a perfis de espessura ou um componente de revestimento fornecido. Um problema existe, porém, que essas soluções são tipicamente projetadas usando- se ferragem fixa que não é prontamente re-configurada ou sujeita a mudanças, especialmente durante um processo do equipamento. Seria desejável obter uma fonte de pulverização que pudesse mudar a direção primária de sua deposição de pulverização para que as distribuições de revestimento pudessem ser mudadas, mesmo durante o processo. Também seria desejável mudar as características essenciais do ímã e/ou conjunto de ímãs durante a execução do processo.

Em todas as aplicações de revestimento, é desejável controlar a ativação inicial do processo de deposição até que o processo de revestimento esteja pronto para ser executado. Isso é comumente conhecido como "burn-in". O material-fonte depositado durante o processo de burn-in não é desejável para revestimento de peças. É de prática comum permitir que o material do processo de burn-in faça o revestimento de paredes da câmara, blindagens, e componentes de transporte que agora estão expostos devido ao item a ser eventualmente revestido não estar presente. Isso leva a um aumento das necessidades de manutenção e limpeza. É desejável possuir uma fonte que possa ser usada em burn-in enquanto enfoca a deposição resultante em uma blindagem ou parede de câmara ao invés do que em componentes associados dentro da câmara que não pretendem ser revestidos.

RESUMO DA INVENÇÃO

A invenção é um cátodo usando um alvo cilíndrico fixo ou giratório e um ímã central que pode ser girado dentro do alvo cilíndrico ao redor do centro do eixo do alvo cilíndrico. O ímã cria um efeito de magnetron na superfície do alvo e pode ser configurado para pulverizar o material- alvo em uma área linear ao longo do comprimento do alvo cilíndrico, ou ser configurado para pulverizar múltiplas localizações do alvo, dependendo do design do conjunto ou conjuntos de ímãs. Múltiplos imãs podem ser montadas e arranjadas com comprimentos deslocados ao longo do comprimento do alvo cilíndrico ou localizados em diferentes localizações radiais ao redor da circunferência interna do alvo. Isso permite completo controle das áreas-alvo a serem pulverizados e pode controlar a erosão do alvo em qualquer ponto de sua superfície para aperfeiçoar as características do processo e a utilização do material-alvo.

Em um cátodo giratório típico da área relacionada, o arranjo do ímã linear é fixo e alinhado ao longo do comprimento do alvo cilíndrico. O alvo é girado na altura do eixo central do conjunto de ímãs. A área de pulverização linear ao longo do comprimento do alvo é constantemente substituída por uma nova seção do alvo, dessa forma, corroendo toda a superfície do alvo uniformemente. A área de emissão é unidirecional da parede do cilindro ao ponto determinado pelos imãs fixos. Esta é uma boa disposição para o revestimento de objetos passando por apenas um lado do alvo cilíndrico, como vidro ou revestimento em trama. Em muitas aplicações existentes, como mencionado anteriormente, as câmaras a vácuo e disposições relacionadas de peças são projetadas e aperfeiçoadas para fontes de emissão localizadas centralmente, tais como um alvo plano circular ou um dispositivo evaporativo em mola. Nessas aplicações, um cátodo giratório pulverizando apenas de um lado não é eficiente. O projeto do cátodo desta invenção resolve o problema girando o conjunto ou conjuntos de ímã ao redor da parte interna do alvo, e movendo a área do pulverizador ao redor do alvo em até 360 graus e/ou na direção desejada para a pulverização ocorrer. Em aplicações onde os imãs não giram continuamente em revolução completa, o alvo também pode ser girado para assegurar completa utilização do material-alvo. Essas e outras características, aspectos, e vantagens da presente invenção serão mais bem compreendidas com referência às seguintes descrições, ilustrações,'e reivindicações.

ILUSTRAÇÕES

A Figura IA é um corte transversal de uma montagem de cátodo e alvo de acordo com a presente invenção, mostrando a câmara e peça de trabalho.

A Figura IB é uma elevação lateral da invenção da Figura IA.

A Figura 2 é uma vista ortogonal da montagem da unidade de acionamento.

A Figura3 é uma vista expandida da montagem de ímãs da presente invenção.

A Figura 4 é uma vista expandida da montagem do adaptador do alvo.

A Figura 5 é uma vista ortogonal da montagem da extremidade terminal.

As Figuras 6-9 mostram exemplos de imãs não- balanceados.

DESCRIÇÃO

Uma realização primária desta invenção é a habilidade de mover o plasma da pulverização ao redor da superfície do alvo cilíndrico através de rotação do ímã central. A direção da pulverização a partir do alvo segue a rotação do ímã interno. Por exemplo, um cátodo foi construído e é descrito nas ilustrações em anexo com um mecanismo de rotação. Este exemplo em particular mostra dois imãs montados a 180 graus de distância uma da outra. As Figuras IA e IB mostram uma seção transversal e vista terminal da montagem Cátodo/Alvo. O mecanismo de rotação pode compreender o motor 102 dirigindo um cinto polidentado 104, que por sua vez gira o conjunto de ímãs 106 central. Outros mecanismos também podem ser usados. Controlando-se o motor 102, o conjunto de ímãs 106 pode ser continuamente girado ou girado para um local específico e mantido nessa posição até que se deseje mover o conjunto de ímãs 106. Desta forma, a localização do ímã é completamente programável com o tempo, com isso fazendo dele um mecanismo de rotação controlável. A pilha de ímãs 112a, 112b são componentes do conjunto de ímãs 106. A deposição da pulverização pode ser varrida pela superfície do alvo 108 continuamente ou varrida para frente e para trás sobre uma variação angular fornecida ou mesmo saltada de uma superfície do alvo para outra. É essa flexibilidade e controle programável que são uma realização crítica dessa invenção. O eixo de acionamento central 110 também dobra como um tubo com água para resfriamento do conjunto de ímãs 106 e a parte interna do alvo 108 com um fluxo constante de água. Uma peça de trabalho 114 é mostrada em uma relação espaçada com o cátodo dentro de uma câmara de pulverização. A peça de trabalho pode girar ou não dependendo da escolha do operador para uma tarefa específica na pulverização.

A Figura 2 mostra uma vista ortogonal da montagem do mecanismo de rotação detalhando lacres de água, orifícios, isolamento elétrico do fornecimento de energia da câmara, e montagem das interfaces de ferragem.

A Figura 3 mostra uma vista expandida do conjunto de ímãs 106 para uma aplicação com intenção de girar 360 graus de forma contínua. Duas pilhas de imãs 112a, 112b estão afixadas ao tubo de água central 110 para pulverizar o alvo cilíndrico em locais a 180 graus de distância da superfície do cilindro. Isto não é um requisito, mas um exemplo de como girar um ímã dentro do alvo cilíndrico pode ser aperfeiçoado para uma aplicação de revestimento em particular. Outras configurações são mostradas nas Figuras 6-9.

As Figuras 4 e 5 mostram o adaptador do alvo 116 e montagem da extremidade terminal 118 que monta o alvo no cátodo. Uma outra realização da invenção é descentralizar as pilhas de imãs 112a, 112b ao longo do eixo longitudinal do alvo cilíndrico. Isso reduz a força do campo magnético e erosão do alvo associado nas porções terminais do cilindro, contribuindo ainda mais para o aumento da vida do alvo e intervalos de serviço.

A capacidade de girar o ímã e mudar a direção do material metalizado para qualquer superfície do alvo permite mais realizações desta invenção. 0 conjunto de ímãs pode ser girado para que o material metalizado seja direcionado para uma blindagem quando se aquece um alvo. Neste caso, o alvo também deve girar para aquecer toda a superfície do alvo.

Uma outra realização é a habilidade de varrer a área de deposição para trás e para frente sobre uma variação particular de ângulos de pulverização. Desta forma, peças que se movem através do cátodo podem ser "seguidas" e a mudança de direção do pulverizador pode colocar revestimentos mais espessos em certas áreas ou trabalhar em conjunto com outro cátodo de varredura para atingir perfis de espessura desejados. A uniformidade pode ser otimizada desta forma, ou revestimentos mais espessos podem ser atingidos em certas áreas do revestimento. Outra realização desta invenção é a substituição de cátodos planos lineares com um conjunto de ímãs giratório e alvo giratório para atingir maior uniformidade de revestimentos por varredura do ímã sobre um ponto fixo ou peça de movimento lento a ser revestida. Por programação do tempo do pulverizador em certas posições angulares do ímã, revestimentos de superfície podem ser aperfeiçoados. Como outra realização, a rotação do ímã também pode ser usada para mudar perfis de revestimento sem mudar a velocidade com as quais as peças estão se movendo através da fonte seguindo as peças de forma angular enquanto se movem.

As possibilidades de aplicação são apenas exemplos da habilidade em mudar características de revestimento através do uso de um conjunto de ímãs giratório dentro de um alvo cilíndrico que pode estar fixo ou girando, dependendo da aplicação.

Como outra realização, as Figuras 6-9 mostram montagens desbalanceadas de conjuntos de imãs que podem ser usadas para atingir capacidades únicas de processo. A zona desbalanceada entre os dois conjuntos de ímãs pode distribuir o campo pelos dois conjuntos, fornecendo uma zona de pulverização maior na superfície do alvo cilíndrico em rotação ou fixo. A força dos campos magnéticos também pode ser projetada para aperfeiçoar o perfil de pulverização para aplicações em particular.

As ilustrações mostram a primeira implementação dessa invenção e não limitam a invenção para esta construção em particular, mas servem como exemplo de como pode ser implementada em uma aplicação real. O uso de um alvo giratório em muitas aplicações de revestimento não tem sido viável ou mesmo possível até essa invenção. Pela rotação do ímã interno, um alvo giratório ou fixo pode ser metalizado em qualquer direção ao redor de seu eixo central, abrindo novas aplicações e capacidades de revestimento, algumas das quais foram descritas acima.

Embora as realizações de preferência da presente invenção tenham sido aqui descritas, a descrição acima é meramente ilustrativa. Mais modificações da invenção aqui mostradas ocorrerão para aqueles habilitados nas respectivas áreas e tais modificações são consideradas como dentro do escopo da invenção, como definido pelas reivindicações em anexo.

Claims

1. APARELHO PULVERIZADOR CATÓDICO, caracterizado por compreender: um alvo pulverizador cilíndrico oco que é fixo ou giratório em seu eixo central; e um conjunto de ímãs internos que pode ser girado no eixo dentro do alvo pulverizador.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímãs compreende uma pluralidade de imãs para induzir pulverização em mais de uma direção radial.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímãs está desbalanceado.

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímãs é capaz de girar continuamente.

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um mecanismo para mover o conjunto de ímãs interno para mover o plasma na superfície do alvo para otimizar o revestimento de partes que se movem através do cátodo.

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um mecanismo para mover o conjunto de ímãs interno para mover o plasma na superfície do alvo para aperfeiçoar o revestimento de partes estacionárias em uma câmara a vácuo.

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímãs é movido para uma posição burn-in antes de retornar à sua posição pulverizadora inicial.

8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir imãs contrabalanceados para reduzir a erosão do alvo nas extremidades do alvo cilíndrico.

9. APARELHO PULVERIZADOR CATÓDICO, caracterizado pelo fato de compreender: um alvo pulverizador cilíndrico oco; um conjunto de ímãs alinhados substancialmente coaxialmente dentro do alvo pulverizador; e um mecanismo de rotação operativamente acoplado ao conjunto de ímãs, onde o conjunto de ímãs pode ser girado durante o processo de pulverização.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímãs compreendendo uma pilha de ímãs colineares contrabalanceados a partir do eixo do conjunto de ímãs.

11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o ímã compreendendo uma pluralidade de pilhas de ímãs colineares arranjados simetricamente na altura do eixo do conjunto de ímãs.

12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as pilhas de ímãs estão contrabalanceadas umas das outras na direção do eixo longitudinal, reduzindo, portanto, o campo magnético na extremidade das pilhas e assim reduzindo a erosão do alvo nas extremidades do alvo cilíndrico.

13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímãs compreende uma pluralidade de pilhas de ímãs co-lineares arranjados simetricamente na altura do eixo do conjunto de ímãs.

14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que as pilhas de ímãs estão contrabalanceadas umas das outras na direção do eixo longitudinal, reduzindo, portanto, o campo magnético na extremidade das pilhas e assim reduzindo a erosão do alvo nas extremidades do alvo cilíndrico.

15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de rotação é um mecanismo de rotação controlável.

16. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que' o mecanismo de rotação compreende: um motor; e um cinto polidentado operativamente acoplado com o motor.

17. PROCESSO PARA PULVERIZAÇÃO, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: rotação controlável de um conjunto de ímãs dentro de um alvo; e varredura da deposição do pulverizador pela superfície do alvo.

18. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a varredura é contínua.

19. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a varredura é feita para trás e para frente sobre uma variação angular fornecida.

20. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a etapa de rotação controlável do alvo cilíndrico oco.