申请/专利权人：豪泽尔涂层技术有限公司

申请日：2017-08-01

公开（公告）日：2021-02-12

公开（公告）号：CN107686978B

主分类号：C23C14/50(20060101)

分类号：C23C14/50(20060101);C23C14/56(20060101)

优先权：["20160803 EP 16182561.7"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.12#授权;2019.04.05#实质审查的生效;2018.02.13#公开

摘要：一种用于涂敷衬底的设备，包括真空腔室，具有开口和门，通过开口能够容纳衬底，以及门配置成密封开口；一个或多个靶，布置在真空腔室中；配置成冷却衬底的冷却单元和或配置成加热衬底的加热单元；旋转装置，配置成相对于一个或多个靶、冷却单元和或加热单元旋转衬底；和提升腔室，与真空腔室的内部连通并且配置成容纳冷却单元和或加热单元。真空腔室限定提升轴，沿着提升轴布置冷却单元和或加热单元和提升腔室，和该设备还包括位移装置，配置成沿着提升轴以及在真空腔室和提升腔室之间使冷却单元和或加热单元移动。

主权项：1.一种用于涂覆衬底12的设备10，包括：真空腔室14，具有开口44和门18，所述衬底12通过所述开口44能够被容纳，以及所述门18配置成密封所述开口44；一个或多个靶22，布置在所述真空腔室14内；冷却单元20、34、36和或加热单元26，所述冷却单元20、34、36配置成冷却所述衬底12以及所述加热单元26配置成加热所述衬底12；旋转装置，配置成使衬底12相对于所述一个或多个靶22、所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26旋转；和提升腔室40，与所述真空腔室14的内部连通并且配置成容纳所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26；其中所述真空腔室14限定提升轴X，所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26，和所述提升腔室40沿着所述提升轴X布置；其中所述设备10还包括位移装置42、66、68，配置成在涂覆所述衬底的过程期间使所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26沿着所述提升轴以及在所述真空腔室14和所述提升腔室之间移动；以及所述衬底12被支撑在可拆卸的台16上，所述可拆卸的台16包括用于使所述台16滚动通过所述真空腔室14的所述开口44的轮式基座46。

全文数据：用于涂敷衬底的设备技术领域[0001]本发明涉及用于涂敷衬底的设备，特别是涉及用于物理气相沉积的设备。背景技术[0002]物理气相沉积是将蒸发的源材料的薄层沉积在布置在真空腔室中的一个或多个衬底上的过程。已知类型的物理气相沉积过程包括阴极电弧沉积和磁控管或派射沉积，大功率脉冲磁控溉射或HIPMS或等离子体辅助化学气相沉积PACVD。[0003]用于物理气相沉积的设备包括具有开口和门的真空腔室，通过该开口可以容纳衬底和门配置成密封开口。可拆卸的台或支承结构配置成通过真空腔室的开口并且支承真空腔室内的衬底。在涂覆过程开始时，使用真空泵，例如粗抽泵和或涡轮分子泵，以抽空真空腔室。然后使用物理过程，例如金属离子蚀刻，电弧蒸发或溅射，以从布置在真空腔室中的一个或多个靶产生材料蒸气。一旦源材料以蒸气的形式从靶多个）中释放出来，就可将其沉积在衬底上以形成薄的涂层。在其他类型的物理过程中，例如PACVD或Ar-离子蚀刻，仅使用气体作为源材料。[0004]在涂敷期间，衬底吸收热量并需要冷却。类似地，衬底可能需要作为涂敷过程的一部分被加热。由于涂敷过程在真空腔室中进行，因此设计既可靠又简单的加热和或冷却系统是具有挑战性的。例如，使用制冷剂的冷却系统可能容易泄漏。此外，已经证明难以设计一种加热和或冷却系统，其在涂覆期间能够在衬底之间进行足够的热传递，但是仍然允许衬底在涂敷过程之前和之后容易加载和卸载。因此，仍然需要能够在宽范围的工艺温度下可靠地操作的涂敷设备。发明内容[0005]本申请提供一种用于涂覆衬底的设备，包括:真空腔室，具有开口和门，所述衬底通过所述开口能够被容纳，以及所述门配置成密封所述开口；一个或多个靶，布置在所述真空腔室内；冷却单元和或加热单元，所述冷却单元配置成冷却所述衬底以及所述加热单元配置成加热所述衬底;旋转装置，配置成使衬底相对于所述一个或多个靶、所述冷却单元和或所述加热单元旋转;和提升腔室，与所述真空腔室的内部连通并且配置成容纳所述冷却单元和或所述加热单元。所述真空腔室限定提升轴，所述冷却单元和或所述加热单元和所述提升腔室沿着所述提升轴布置，和所述设备还包括位移装置，配置成使所述冷却单元和或所述加热单元沿着所述提升轴以及在所述真空腔室和所述提升腔室之间移动。[0006]通过将冷却单元和或加热单元配置成可沿着真空腔室的提升轴移动，冷却单元和或加热单元可以在涂覆期间放置在可移除的台的中心和在衬底之中，并提升到提升腔室中，使得台可以容易地移动通过真空腔室中的开口，以快速加载和卸载衬底。[0007]在一些实施例中，所述位移装置配置成使所述冷却单元和或所述加热单元沿着所述提升轴移动，从而使得所述冷却单元和或所述加热单元不围绕所述提升轴X旋转。通常，冷却单元将包括冷却水系统，其中水经由一系列管和或冷却通道进入和离开真空腔室。代替水，也可以使用其他类型的制冷剂，例如油或液氮。当冷却单元配置成不围绕提升轴旋转时，可以简化冷却通道的设计。非旋转冷却单元和加热单元也适用于更简单的提升机构。[0008]在另外的实施例中，涂覆设备还包括密封组装件，例如密封阀，配置成以气密方式将提升腔室与真空腔室密封。根据这个方面，冷却单元和或加热单元可以经由位移装置提升到提升腔室中，同时真空腔室仍处于真空下。然后密封阀可以被密封以保持提升腔室中的真空，同时打开真空腔室的开口以卸载衬底并且同时加载下一组衬底。这减少了真空泵在真空腔室中产生更新的真空的努力。[0009]在其他实施例中，所述设备包括冷却单元和加热单元，并且所述位移装置配置成使所述冷却单元和所述加热单元移动。也可能的是，所述位移装置配置成使所述冷却单元和所述加热单元之一独立于另一个而移动。后者使得可以提升冷却单元和加热单元中不使用的那一个，这减少了所述加热或冷却单元不必要地暴露于蒸发的源材料。作为减少曝光的结果，较少的源材料沉积在加热和冷却单元上，这减少了维护以去除积聚的膜的需要。[0010]在另外方面中，所述冷却单元限定中空主体，所述中空主体配置成封闭所述加热单元，产生紧凑的设计。所述冷却单元还可以包括至少一个冷却通道，制冷剂配置成通过所述至少一个冷却通道。例如，所述冷却单元可以包括水冷滚筒。备选地，冷却单元可以包括伸缩机构，在所述伸缩机构中，冷却通道，例如两个半长管，可以降低到真空腔室中，同时伸缩机构的上部保持在提升腔室中。另外，所述加热单元可以由加热液体通过所述至少一个冷却通道而形成。[0011]在一些实施例中，所述设备包括一个或多个辅助加热元件，所述一个或多个辅助加热元件布置在所述真空腔室的内壁处。另外或备选地，所述设备可以包括一个或多个辅助冷却元件，特别是冷却板，所述一个或多个辅助冷却元件布置在所述真空腔室的内壁处。该方面利用可用的壁空间来有效地冷却和或加热衬底，这降低了沿着真空腔室的提升轴布置的冷却单元和或加热单元上的负载。[0012]在另外的实施例中，所述设备包括温度传感器，配置成检测所述衬底的温度并且连接到温度控制模块，所述温度控制模块配置成控制所述加热单元和所述冷却单元中的至少一个的操作以实现所述加热单元和所述冷却单元的自动控制。[0013]根据另一方面，位移装置包括平行于真空腔室的提升轴布置的一个或多个线性致动器，例如气动缸。例如，这种线性致动器可以布置在提升腔室内，以便将冷却单元和加热单元自动提升到提升腔室中，而不占据大量的空间。备选地，可以将线性致动器布置在提升腔室和真空腔室两者之外，并且经由连接件将线性致动器连接到冷却单元和或加热单元。[0014]还可能的是，所述位移装置包括一个或多个轨和一个或多个引导元件例如轮、轴承元件或滑动元件），所述一个或多个轨平行于所述真空腔室的所述提升轴布置，所述一个或多个引导元件与所述轨配合。例如，由马达驱动的齿轮可以布置在提升腔室中的静止位置处，并且与固定到加热单元和冷却单元的相应齿条配合。当马达使齿轮转动时，加热单元和冷却单元在真空腔室和提升腔室之间移动。这种布置使得可以使用机械简单且容易获得的组件将冷却单元和加热单元滑动到提升腔室中。备选地，位移装置可以包括滑轮和钢丝，其利用重力将冷却单元和或加热单元降低到真空腔室中。这种布置还包括马达或驱动器，用于旋转滑轮以将冷却单元和或加热单元经由钢丝提升到提升腔室中。[0015]根据另外的实施例，所述旋转装置包括行星齿轮装置，其中单个衬底各自支承在杆上，使得单个衬底可以相对于所述真空腔室的所述提升轴和围绕所述杆两者旋转。这种行星齿轮装置导致衬底暴露于沿着真空腔室的内壁的一个或多个靶和中央布置的冷却和加热单元，这导致有效的热传递和改进的沉积。[0016]从下面的详细描述，附图和所附权利要求中，本发明的另外特征和优点将变得显而易见。附图说明[0017]图1示出通过真空腔室的水平横截面，其中多个衬底围绕加热单元和冷却单元布置。[0018]图2示出类似于图1的水平横截面，其中改设备具有加热和冷却单元的备选配置。[0019]图3示出类似于图1和图2的水平横截面，其中该装置具有加热和冷却单元的另外配置。[0020]图4A至4C示意性地示出具有用于提升图1的加热单元和冷却单元的气动位移装置的实施例。[0021]图5示出图4的备选方案，其中位移装置布置在提升腔室和真空腔室的外部。[0022]图6A至6C示意性地示出具有用于提升图1的加热单元和冷却单元的机械位移装置的实施例。[0023]参考标号[0024]10设备[0025]12衬底[0026]14真空腔室[0027]16台[0028]18门[0029]20冷却滚筒[0030]22靶[0031]24真空腔室的内壁[0032]26加热元件[0033]28加热或冷却板[0034]30温度传感器[0035]32温度控制模块[0036]34冷却板[0037]36冷却滚筒[0038]38凹槽[0039]40提升腔室[0040]42线性致动器[0041]44开口[0042]46基座[0043]48上齿条[0044]50杆[0045]52马达[0046]54遮挡组装件[0047]56真空泵[0048]58活塞[0049]60气缸[0050]62连接件[0051]64盖部[0052]66齿轮[0053]67马达[0054]68齿条[0055]X中心轴具体实施方式[0056]图1示出通过用于涂覆多个衬底12的设备10的水平横截面。在图中，衬底12示意性地图示为具有简单的圆柱形状，但是衬底12也可以具有复杂的外部几何形状。衬底12布置在真空腔室14内并支承在可移除的台16上参见，图4A。真空腔室14包括布置在真空腔室14的内壁24处的多个靶22。图1具体示出门18,真空腔室14的内部可通过门18进入。尽管其他图中没有示出门18，但是应当理解，其他图中的真空腔室14也包括这样的门18。[0057]设备10还包括冷却单元，所述冷却单元包括冷却滚筒20例如，水冷滚筒）。冷却滚筒2〇布置在台16处，并且衬底12围绕冷却滚筒20的外表面布置。台16包括旋转装置，该旋转装置配置成围绕杆50和相对于冷却滚筒20旋转每个衬底12参见，图4A。[0058]在图1的实施例中，冷却滚筒20形成包围多个加热元件26的中空主体，所述多个加热元件26形成设备10的加热单元。这里示意性地示出的加热元件26可以是电阻式管状加热元件、红外加热器或特殊油或其他介质通过加热管的加热元件。[0059]如图4C和6C中所示，可以提升冷却滚筒20以将衬底12暴露于加热元件26。由于加热元件26也布置在台16的中心，台16的旋转装置也能够相对于加热元件26旋转衬底12,用于均匀且有效地加热衬底12。通过图1示出的设备10包括冷却滚筒20和加热元件26两者。还可能的是，具有冷却滚筒20或加热元件26而非另一个的设备10未示出）。[0060]除了布置在台16的中心的加热元件26和冷却滚筒20之外，图1的实施例还包括布置在真空腔室14的内壁24的角处的多个辅助加热或冷却板28。[0061]此外，设备10包括温度传感器30，该温度传感器30配置成检测衬底12的温度，并且连接到温度控制模块32,温度控制模块32配置成控制冷却滚筒20、加热元件26和或辅助加热或冷却板28的操作。图1示出布置在真空腔室14的内壁24处的温度传感器30,温度传感器3〇在设备10内的具体位置可以变化。例如，传感器30可以放置在台16上。备选地，传感器3〇可以布置在冷却滚筒20和或加热元件26处，使得衬底12也围绕传感器30旋转和传感器3〇可以与冷却滚筒20—起和或在加热元件26处提升。[0062]图2示出具有除了冷却滚筒20之外的与图1的设备10相同的组件的设备1〇的另一实施例。代替图1的设备10中的冷却滚筒20，图2示出布置在四个加热元件26之间的十字形冷却板34。•尽管加热板34是十字形的，以实现加热单元和冷却单元的整体紧凑设计，但是应当理解，加热元件的具体数量26和或这种冷却板34的横截面形状可以变化。[0063]图3示出图1的冷却滚筒20和图2的冷却板34的另一备选方案。具体地，图3的实施例中的冷却单元是冷却滚筒36,其外表面包括用于容纳加热元件26的多个凹槽38。备选地，冷却滚筒36的横截面可以是圆形的，即没有任何凹槽38。在这种情况下，加热元件26可以简单地围绕冷却滚筒36的外表面间隔布置。[0064]图4A至4C示出通过图1的设备10的垂直横截面，特别的是提升腔室40,提升腔室40与真空腔室14的内部连通并且配置成容纳冷却滚筒20和加热元件26。具体地，真空腔室14限定提升轴，在这种情况下是中心布置的中心轴X，以及冷却滚筒20、加热元件26和提升腔室40都沿真空腔室14的中心轴X同轴对齐。图4至图6示出其中真空腔室14和提升腔室40可识别为设备10的不同的互连部分的设计。然而，提升腔室40也可以是真空腔室14的一部分，即形成在真空腔室14内。在该备选方案中，在真空腔室14和提升腔室40之间不必存在明显的边界或分隔。[0065]设备10还包括采用线性致动器42形式的位移装置，其各自包括布置在气缸60内的杆58,例如气动线性致动器。线性致动器42布置在提升腔室40的内部并且平行于中心轴X以及分别配置成使冷却滚筒20和加热元件26在真空腔室14和提升腔室40之间移动。[0066]图4A示出了处于加载或卸载状态的设备10,其中冷却滚筒20和加热元件26均已被提升出真空腔室14并进入提升腔室40。在这种状态下，台16可以快速并且容易地从开口44移出到由门18参见，图1密封的真空腔室14。[0067]图4A还示意性地图示密封组装件54可以定位在哪里，其中密封组装件54配置成以气密方式将提升腔室40与真空腔室14密封，例如通过真空阀。当冷却滚筒20和加热元件26处于提升状态时，密封组装件54可以被关闭，使得加热元件26和或冷却滚筒20被提升腔室40的壁封闭，密封组装件54和提升腔室40的盖部64保持提升腔室40内部的真空。[0068]利用布置在提升腔室40中的冷却滚筒20和加热元件26,可以更清楚地看到支撑结构包括台16，用于将衬底12支承在真空腔室14中。具体地，台16包括用于通过真空腔室14的开口44滚动台16的轮式基座46。上齿条48布置在轮式基座46上方，以及多个杆50支承在上齿条48和基座46之间。每个衬底12由单独的杆50支承，使得衬底12可以围绕杆50旋转。示意性地示出的马达52连接到台16并驱动台16,使得衬底12同时围绕杆50和围绕中心轴X采用行星布置来旋转。[0069]一旦台16和衬底12已经被加载到真空腔室14中，门18可以被关闭，如图4B所示，并且可以经由泵56将真空腔室14抽真空。一旦真空腔室14己经处于真空，涂敷过程就可以开始。在涂敷期间，冷却滚筒20图4B或加热元件26图4C可以降低到真空腔室14中，使得它们被布置在台16的中心。[0070]如图4B和4C所示，在加工步骤期间不使用的冷却滚筒20或加热元件26中的任何一个可以保留在提升腔室40中，以减少暴露于涂覆过程的气化源材料。这防止了冷却滚筒20和加热元件26像传统的涂敷设备一样快地涂覆在源材料中，这降低了设备1〇的维护频率。当加热元件26或冷却滚筒20缩回到提升腔室40中时，加热元件26和冷却滚筒20可以进一步通过关闭密封组装件54来与非预期的源材料屏蔽。[0071]在图4B和4C所示的实施例中，冷却滚筒20和加热元件26各自连接到线性致动器42的活塞杆58，而线性致动器42的气缸60固定到提升腔室40的内壁。代替线性致动器42，也可以使用线性电动机或任何其他备选的线性致动器作为冷却滚筒20和加热元件26的位移装置。[0072]图5示出与图4所示的设备1〇基本相同的设备丨〇。然而，在图5中，线性致动器42的气缸60布置在真空腔室14和提升腔室40的外部。线性致动器42的活塞58经由连接件62连接到冷却滚筒20和加热元件26未示出），所述连接件62延伸到设置在提升腔室40的盖部64中的密封孔。通过将线性致动器42布置在提升腔室40和真空腔室14的外部，线性致动器42没有受到真空的影响。这使得可以容易且可靠地使用液压线性致动器，否则当它们经受非常低的压力影响时，液压线性致动器将存在泄漏液压流体的风险。[0073]图6A至6C示出基本上对应于图4A至4C的设备10的设备10,除了位移装置之外。在图6A至6C的实施例中，齿轮66固定到提升腔室40的内壁，并与分别附接到冷却滚筒20和加热元件26的齿条68配合。齿轮66由马达67驱动（仅在图6A中示意性地示出），并且当马达67使齿轮转动时，齿条68向下或向上移动以使冷却滚筒2〇和加热元件26在真空腔室14和提升腔室40之间移动。

权利要求：1.一种用于涂覆村底（12的设备（10，包括：真空腔室（14，具有开口（44和门（18，所述衬底（1¾通过所述开口（44能够被容纳，以及所述门（丨8配置成密封所述开口（44;一个或多个靶22，布置在所述真空腔室（14内；冷却单元2〇、34、36和或加热单元26，所述冷却单元（20、34、36配置成冷却所述衬底（12以及所述加热单元26配置成加热所述衬底（12;_旋转装置，配置成使衬底（12相对于所述一个或多个靶22、所述冷却单元2〇、34、36和或所述加热单元26旋转;和提升腔室（40，与所述真空腔室（14的内部连通并且配置成容纳所述冷却单元（20、34、36和或所述加热单兀26;其中所述真空腔室（14限定提升轴X，所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26，和所述提升腔室4〇沿着所述提升轴X布置;和其中所述设备（1〇还包括位移装置42、66、68，配置成使所述冷却单元（20、34、36和或所述加热单元26沿着所述提升轴以及在所述真空腔室（14和所述提升腔室之间移动。2.根据权利要求1所述的设备（1〇，其特征在于，所述位移装置42、66、68配置成使所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26沿着所述提升轴⑵移动，从而使得所述冷却单元20、34、36和或所述加热单元26不围绕所述提升轴⑵旋转。3.根据权利要求1或2所述的设备（1〇，其特征在于，所述设备（1〇包括冷却单元20、34、36和加热单元26，并且所述位移装置42、66、68配置成使所述冷却单元20、34、36和所述加热单元26移动。4.根据权利要求3所述的设备（10，其特征在于，所述位移装置42、66、68配置成使所述冷却单元20、34、36和所述加热单元26之一独立于另一个而移动。5.根据权利要求3或4所述的设备（10，其特征在于，所述冷却单元20限定中空主体，所述中空主体配置成封闭所述加热单元26。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备（1〇，其特征在于，所述冷却单元20、36包括至少一个冷却通道，制冷剂配置成通过所述至少一个冷却通道，特别是所述加热单元由加热液体通过所述至少一个冷却通道而形成。7.根据权利要求6所述的设备10，其特征在于，所述冷却单元20、36包括水冷滚筒。8.根据前述权利要求中任一项所述的设备（10，其特征在于，还包括一个或多个辅助加热元件28和或一个或多个辅助冷却元件28，所述一个或多个辅助加热元件28布置在所述真空腔室（14的内壁处，所述一个或多个辅助冷却元件28，特别是冷却板，布置在所述真空腔室（14的内壁处。9.根据前述权利要求中任一项所述的设备（10，其特征在于，还包括温度传感器30，配置成检测所述衬底12的温度并且连接到温度控制模块32，所述温度控制模块配置成控制所述加热单元26和所述冷却单元20、34、36中的至少一个的操作。10.根据前述权利要求中任一项所述的设备（10，其特征在于，所述位移装置42包括平行于所述真空腔室（14的所述提升轴X布置的一个或多个线性致动器。11.根据前述权利要求中任一项所述的设备（10，其特征在于，所述位移装置包括一个或多个轨68和一个或多个引导元件⑽），所述一个或多个轨68平行于所述真空腔室14的所述提升轴⑻布置并连接到所述冷却单元20、34、36或所述加热单元26，所述一个或多个引导元件66布置在所述提升腔室40中，其中所述引导元件66配置成与所述轨68配合并由马达67驱动。12.根据前述权利要求中任一项所述的设备（10，其特征在于，所述位移装置似、66、68布置在所述提升腔室40和或所述真空腔室（14的内部。13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备（1〇，其特征在于，还包括一个或多个连接件6¾，配置成将所述加热单元26和或所述冷却单元2〇、34、36连接到所述位移装置42，其中所述位移装置42布置在所述真空腔室（14和所述提升腔室（I4的外部。14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转装置包括行星齿轮装置，其中单个衬底（12各自支承在杆50上，使得单个衬底（I2可以相对于所述真空腔室（14的所述提升轴⑵和围绕所述杆50两者旋转。

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