專利名稱：圓柱形磁控管靶及將該靶附接到可旋轉(zhuǎn)軸組件的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及利用磁控管濺射進行基體涂覆中使用的設(shè)備，特別涉及利用這種設(shè)備的可旋轉(zhuǎn)靶及靶安裝軸的設(shè)計，以及將這種靶附接到靶安裝軸上的設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
最近幾十年來，濺射技術(shù)已經(jīng)成為在例如建筑用玻璃板、車輛擋風(fēng)玻璃等大表面積基體上沉積薄涂層的主要方法。利用磁控管在含有激活氣體的真空室內(nèi)沉積涂覆材料。盡管最初使用平面式磁控管用于濺射工藝，現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)式圓柱形磁控管已經(jīng)獲得廣泛地應(yīng)用。這是因為盡管圓柱形磁控管比平面式磁控管更加復(fù)雜，但通常沉積率更高，每個陰極靶的材料利用率更高，維持頻率更低，而且成本更低。使用旋轉(zhuǎn)式圓柱形磁控管的另一個主要優(yōu)點是，與平面式靶相反，可以容易地濺射例如氮化硅和二氧化硅等介電硅化合物。使用平面式靶通常很難濺射這種化合物。
與磁控管濺射設(shè)備配合使用的可旋轉(zhuǎn)陰極靶通常為中空的圓柱結(jié)構(gòu)，其必須受到支撐并被可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。盡管利用一個支撐軸可以支撐和驅(qū)動很短的圓柱形靶，當(dāng)靶變得較長時，在兩端支撐很重要。此外，支撐圓柱形靶的兩端簡化了冷卻連接，因為制冷流體可以從一個支撐軸進入靶室，而從另一個軸流出。
使用中有兩種基本類型的圓柱形陰極靶。第一種類型為“無支撐”靶，由將被濺射的材料制成管形件。這種類型的靶局限于那些具有機械強度自身可支撐靶體長度的材料。限制這種材料在無支撐靶中應(yīng)用的另一因素是這種材料是否能易于制成靶形。例如結(jié)構(gòu)金屬的材料易于加工及成形，一般是無支撐靶的備選。鈦、不銹鋼和鈮屬于這一類。已知為支撐靶的第二種類型的圓柱形陰極靶用于濺射例如低機械強度和硬度的結(jié)構(gòu)性能較差的材料，或者用于濺射例如易碎或性能過硬等妨礙加工或成形的材料。一般利用支撐靶濺射的材料包括金、銀、銅、錳、硅和特定陶瓷。這些材料需要沉積在由這種材料制成的圓柱形背襯管上，后者材料具有足夠機械強度以支撐其本身和靶長度上支持的可濺射材料。一般，圓柱形背襯管或載體由不銹鋼制成。通過多種已知技術(shù)中的一種，如電鍍、濺射或?qū)⑤d體管浸在熔融可濺射材料內(nèi)，可實現(xiàn)受支撐材料的沉積。為避免靶類別與在一端或兩端支撐可旋轉(zhuǎn)靶的需要相混淆，無支撐靶在下文中稱為“自載”靶。出于同一理由，需要使用背襯管的支撐靶在下文中被稱為“攜載”靶。
Boozenny等人的美國專利5,096,562描述了在磁控管中支撐、旋轉(zhuǎn)、冷卻和對圓柱形靶結(jié)構(gòu)提供能量的不同裝置。該結(jié)構(gòu)在圓柱形靶結(jié)構(gòu)的每一端采用可移動的支撐軸。一端的第一支撐軸提供并從圓柱體內(nèi)抽回冷卻流體，并且包括使之轉(zhuǎn)動的驅(qū)動機構(gòu)，而另一端的第二支撐軸包括與靶表面連接的電力連接。
Morgan等人的美國專利5,591,314公開了一種改進的設(shè)備，能夠可釋放地將可旋轉(zhuǎn)圓柱形磁控管附接到支撐軸上。本發(fā)明人認為，Boozenny等人設(shè)計的一個主要缺點是冷凍劑在第一支撐軸與圓柱形靶結(jié)構(gòu)之間界面的泄漏會引起頻繁的故障。這種泄漏是由于軸-靶處任一密封一側(cè)承受沉積室內(nèi)的低壓，而密封另一側(cè)承受高的冷凍劑壓力。Morgan等人的設(shè)備按照推測對Boozenny等人的設(shè)備提出改進，通過采用單個冷凍劑密封環(huán)提供可移動的纏線連接系統(tǒng)，，當(dāng)靶連接到支撐軸上時對其施加均勻壓力。對于一個優(yōu)選實施例，靶、軸和纏線由不同的材料制成。
盡管看起來Morgan等人的設(shè)備是對Boozenny等人的設(shè)備的顯著改進，但前者的設(shè)計具有幾個缺點。首先，纏線的使用要求在圓柱形靶體上加工出螺旋型凹槽，從而弱化了結(jié)構(gòu)。在凹槽最深點的靶圓柱體厚度只有大約1.0毫米(0.030英寸)。其次，靶體密封表面在其圓周邊緣上。由于邊緣具有很小表面積，它容易產(chǎn)生缺口。密封表面上的缺口容易引起冷凍劑泄漏。第三，靶與軸之間的耦接配置不允許傳遞大的扭矩載荷。第四，纏線耦接配置不能使其本身在靶與軸之間均勻分布卡緊力。
所需要的是新的圓柱形靶和軸設(shè)計，其消除了現(xiàn)有靶和軸的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種用于將旋轉(zhuǎn)圓柱形磁控管陰極靶連接到已有的可旋轉(zhuǎn)并帶有突緣的支撐軸上的方法和設(shè)備。因為本發(fā)明可適用于攜載式和自載式兩種類型的圓柱形靶，“靶”一詞應(yīng)當(dāng)理解為包括“靶載體”，除非后者被特別聲明排除。本發(fā)明還可用于一端或兩端被支撐的靶。還應(yīng)當(dāng)理解，如果靶兩端受到支持，用于兩端的附接方法和設(shè)備或者彼此相同或者是鏡像對稱。在本發(fā)明的磁控管靶中結(jié)合有數(shù)個設(shè)計改進，并且所述附接設(shè)備特別設(shè)計為將改進的磁控管耦接到現(xiàn)有的帶突緣的支撐軸上。
制造改進的磁控管靶和附接設(shè)備的目的是，通過減小冷凍劑在支撐軸和靶之間泄漏的可能性，而改進旋轉(zhuǎn)式圓柱形靶和靶載體的可靠性，降低改變安裝靶位置所需要的時間，提高靶的結(jié)構(gòu)整體性，并且提供靶-軸一體夾具系統(tǒng)，其提供更均勻的夾緊壓力分布，從而允許更大扭矩載荷從軸向靶傳遞。
改進的靶包括圓周肩，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，該圓周肩包括外延的圓周唇，其在軸的外匹配圓周邊之上配合。該唇對靶上的圓周密封表面提供額外的保護，使其不易受到機械破壞。該肩終止于沿圓周向內(nèi)傾斜的突出階臺內(nèi)。利用一般為環(huán)形的卡環(huán)和開縫夾圈將靶和軸耦接在一起，所述卡環(huán)具有外部的并面向外的外部圓周螺紋，所述夾圈的一端具有向內(nèi)傾斜的夾緊突耳，所述夾緊突耳與靶上的突出圓周階臺匹配，并且在另一端具有面向內(nèi)的內(nèi)部圓周螺紋，該螺紋與卡環(huán)的外螺紋配合?？ōh(huán)與活動扳手一起旋轉(zhuǎn)，以便接合開縫夾圈的螺紋。在卡環(huán)接合軸突緣的后面時，夾圈與卡環(huán)一同作用，將靶和軸作為一個一體組件進行牽動。當(dāng)一起牽動靶和軸時，靶的圓周密封邊壓擠設(shè)置在軸的環(huán)形凹槽內(nèi)的O形環(huán)。
附圖簡要說明

圖1為從可旋轉(zhuǎn)支撐軸拆下的改進磁控管靶的剖面圖；圖2為圖1中改進磁控管靶和軸的剖面圖，二者已通過獨特的附接設(shè)備接合在一起，所述設(shè)備包括內(nèi)部螺擰的開縫夾圈和外部螺擰的卡環(huán)；圖3為卡環(huán)的后視圖；圖4為卡環(huán)的側(cè)視圖；圖5為兩件式開縫夾圈的主視圖；圖6為第一半開縫夾圈內(nèi)部的側(cè)視平面圖；圖7為第二半開縫夾圈內(nèi)部的側(cè)視平面圖；圖8為改進的靶、軸和附接設(shè)備部件的分解圖；圖9為兩件式第二實施例靶的剖面圖；圖10為兩件式第三實施例靶的剖面圖；圖11為兩件式第四實施例靶的剖面圖；和圖12為圖11的環(huán)形區(qū)域12的放大圖。
具體實施例方式
本發(fā)明包括改進的圓柱形磁控管靶及用于將改進靶的至少一端連接到可旋轉(zhuǎn)支撐軸上的設(shè)備與方法。在雙支撐系統(tǒng)的情況下，靶與一對支撐軸連接，一個支撐軸連接靶的一端。還是在雙支撐系統(tǒng)的情況下，兩個軸-靶界面彼此或者相同或者鏡像對稱?，F(xiàn)在結(jié)合圖1-8詳細說明靶、附接設(shè)備和該設(shè)備的使用方法。
現(xiàn)在參照圖1，可旋轉(zhuǎn)支撐軸100和改進的磁控管靶對齊以組裝成為一個單元。支撐軸100通常以軸線101對稱，包括在其靶附接端的圓周突緣102，所述突緣具有后面103和前面104。突緣102的前面104具有圓周凹槽105，其中插入可壓縮的O形環(huán)密封106。應(yīng)當(dāng)注意到，支撐軸100安裝有軸向孔107，冷凍劑可以通過軸向孔被泵送到靶室201內(nèi)。改進的磁控管靶200也圍繞軸線101徑向?qū)ΨQ，在其軸附接端具有圓周唇202，所述唇配合在軸突緣102的前邊108之上。唇202便于靶200在支撐軸100上的精確軸向定位，并且保護圓周密封表面203，該表面與O形環(huán)密封106接觸，避免刮擦、刻痕和缺口形式的機械損壞。當(dāng)兩個單元接合時，如果密封表面203被破壞，O形環(huán)106可能不會有效密封支撐軸100與靶200間的接合處。唇202從圓周肩204延伸，所述圓周肩終止于向內(nèi)傾斜的突出階臺205內(nèi)。
現(xiàn)在參照圖2，示出作為一體組件的支撐軸100和磁控管靶200，二者利用本發(fā)明的附接設(shè)備接合。靶-軸附接設(shè)備包括與靶200同軸的卡環(huán)206和開縫夾圈，所述夾圈包括第一半夾圈207A和第二半夾圈207B?？ōh(huán)206的尺寸使其能夠在軸桿108上滑動，因此它可以相對軸突緣102的后面103軸向旋轉(zhuǎn)?？ōh(huán)206具有橫截面大致為平行四邊形的外部圓周螺旋形螺紋208，該螺紋傾斜離開軸突緣102。卡環(huán)206還包括圍繞其周邊的多個凹槽209，可以與活動扳手(未示出)接合。開縫夾圈207A/207B的一端具有向內(nèi)傾斜的夾緊突耳210，與靶200的突出圓周階臺205接合。開縫夾圈207A/207B的另一端具有向內(nèi)傾斜的內(nèi)部螺旋型圓周螺紋211，其橫截面也為平行四邊形，向軸突緣102的后部看去，當(dāng)卡環(huán)206逆時針旋轉(zhuǎn)時與卡環(huán)的外螺紋208接合。當(dāng)卡環(huán)206進一步旋轉(zhuǎn)時，卡環(huán)206最后壓向軸突緣102的后面103，從而向支撐軸100牽動開縫夾圈207A/207B的夾緊突耳210，并夾緊作為一體組件的支撐軸100和改進的磁控管靶200。更清楚示出不同部件的其余視圖闡明了附接設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其實施。
現(xiàn)在參照圖3和圖4，更詳細地示出卡環(huán)206的結(jié)構(gòu)。外螺紋208示出為左旋的，但是，如果在兩端支撐靶，它可以認為是適于使用用于相對軸的右旋結(jié)構(gòu)螺紋。在任何情況下，可以對每個靶-軸界面選擇螺紋的右旋或左旋，當(dāng)一體的支撐軸100和磁控管靶200組件加速操作旋轉(zhuǎn)速度時，以最大減小每個卡環(huán)206松開的可能性。
現(xiàn)在參照圖5、6和7，更詳細地示出開縫夾圈207A/207B的結(jié)構(gòu)。盡管夾圈可以構(gòu)成為兩個以上的弓形部件，兩個180度的部件最方便，因為在組裝時必須將較少的部件保持在適當(dāng)位置。當(dāng)半個夾緊夾圈207A和207B的端部配合在一起以便對齊半夾圈的每個夾緊突耳210時，半夾圈207A或207B的內(nèi)螺紋211與另一個半夾圈的內(nèi)螺紋續(xù)上。為了正確將夾圈207A/207B安裝在改進的靶200上，兩半夾圈在靶200上滑動，并且利用保持在軸100表面的靶200，兩個半夾圈207A/207B向軸滑動，直至夾緊突耳210接合靶200的圓周階臺205。卡環(huán)206然后逆時針旋轉(zhuǎn)，直至其外螺紋208與開縫半夾圈207A/207B的內(nèi)螺紋接合?？ōh(huán)206的進一步旋轉(zhuǎn)最后將半夾圈207A/207B和接合的靶200固定到支撐軸100上。
現(xiàn)在參照圖8，示出整個支撐軸/靶組件和附接設(shè)備的分解圖。從該圖和前述說明和闡釋中，各種組件的功用應(yīng)當(dāng)十分清楚。還應(yīng)當(dāng)明顯的是，公開的軸附接設(shè)備能夠快速有效地將改進靶200附接到支撐軸100。
對于本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施例中，卡環(huán)由303號不銹鋼制成，而靶200、開縫半夾圈207A/207B由304號不銹鋼制成。當(dāng)接合力施加在卡環(huán)螺紋208和開縫夾圈螺紋211之間時，材料的不同有助于防止摩擦粗糙面的產(chǎn)生。靶200包括唇202和圓周肩204，盡管靶200的確能用實心不銹鋼塊加工(第一制造方法)，使用更經(jīng)濟的制造方法來制造唇203和肩204，作為成組的環(huán)形組件，然后將環(huán)形組件附接到不銹鋼靶管。目前至少有三種方法可以實現(xiàn)這一目的。
圖9示出第二種靶制造方法。第一環(huán)形件901與唇202、肩204和突出階臺205形成一體，在接合處903第一環(huán)形件901對接焊到第一實施例靶902上。圖10示出第三種靶制造方法。第二環(huán)形件1001在靶管1002上滑動并在插接焊縫1003處附接到靶管1002上。
圖10示出第三種靶制造方法，可以利用或不利用第二環(huán)形件1001的熱感膨脹來實現(xiàn)。換言之，第二環(huán)形件1001可以設(shè)置直徑尺寸，因此其以很小的干涉配合在不銹鋼第二實施例靶管1002上滑動，或者這樣設(shè)置尺寸，其直徑小于靶管的直徑。環(huán)形件然后可以通過加熱而膨脹，在靶管1002上滑動，然后可冷卻到室溫。收縮/干涉配合可以通過焊接插銷1003增大，該插銷使第二環(huán)形件1001和第二實施例靶管1002結(jié)合成為一體。
圖11和12示出第四種靶制造方法。第三環(huán)形件1101設(shè)有內(nèi)螺紋1201，而第三實施例靶管1102設(shè)有外螺紋1201，其與內(nèi)螺紋1201配合。第三環(huán)形件1101內(nèi)的O形環(huán)凹槽1203的尺寸可接收O形環(huán)1204，其密封第三環(huán)形件1101和第三實施例靶管1102之間的接合處。
盡管這里只示出及描述數(shù)個本發(fā)明實施例，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很明顯，可以作出改變和修正，而不偏離下面要求保護的本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于將圓柱形磁控管靶附接到可旋轉(zhuǎn)支撐軸上的設(shè)備，所述設(shè)備包括支撐軸結(jié)構(gòu)，包括靶附接凸緣，所述凸緣具有后面和前面，并包括圓周凹槽，O形環(huán)密封插入所述凹槽；圓柱形靶結(jié)構(gòu)，在其軸附接端具有圓周肩，所述肩終止于向內(nèi)傾斜的突出圓周階臺內(nèi)，所述階臺的朝向離開所述軸附接端；包括弓形部件的夾圈，共同設(shè)置所述夾圈的尺寸以便通常并同軸圍繞所述靶，所述夾圈包括向內(nèi)傾斜的夾緊突耳和至少一個向內(nèi)傾斜的內(nèi)部螺旋形圓周螺紋，所述夾緊突耳與靶的突出階臺接合，所述螺紋與所述夾緊突耳隔開；和卡環(huán)，其尺寸設(shè)置得可以在軸上滑動并可相對軸突緣的后面旋轉(zhuǎn)，所述卡環(huán)具有外部螺旋型圓周螺紋，所述螺紋從軸突緣傾斜離開，所述卡環(huán)的外螺紋與夾圈的內(nèi)螺紋接合，當(dāng)卡環(huán)沿螺紋接合方向旋轉(zhuǎn)時，以便向突緣拉動夾緊突耳和接合靶。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述卡環(huán)的外螺紋和夾圈的外螺紋通常具有平行四邊形橫截面。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述夾圈包括一對180度的弓形部件。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述卡環(huán)的外螺紋和夾圈的內(nèi)螺紋為左旋結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述卡環(huán)的外螺紋和夾圈的內(nèi)螺紋為右旋結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述圓柱形靶結(jié)構(gòu)還包括在其軸附接端部的圓周唇，所述唇配合在軸突緣的前緣之上。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述卡環(huán)安裝有多個圍繞其周邊的活動扳手接合凹槽。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述圓柱形靶結(jié)構(gòu)還包括內(nèi)周邊密封表面，所述表面與O形環(huán)密封配合。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述圓周唇距離密封表面最近，以便對后者提供保護，避免機械損壞。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述圓柱形靶結(jié)構(gòu)的唇、肩和突出階臺制成整體的環(huán)形件，并且順序附接到圓柱形管上。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述整體環(huán)形件在圓柱形管上滑動并且插入焊接在該管上。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述整體環(huán)形件對接焊在圓柱形管的端部。
全文摘要
一種改進的互連系統(tǒng)，用于將改進的圓柱形磁控管靶(200)連接到可旋轉(zhuǎn)的帶有突緣的軸(100)上，所述系統(tǒng)將環(huán)形延伸(204)結(jié)合在靶(200)上，該延伸配合在軸突緣(102)的邊緣之上，便于靶(200)在軸(100)上對中，并有助于保護大的密封表面。環(huán)形延伸(204)終止于向內(nèi)傾斜的圓周階臺內(nèi)。靶—軸互連系統(tǒng)包括開縫夾圈(207A/207B)和通常為環(huán)形的卡環(huán)(206)，卡環(huán)可以在軸桿(108)上滑動并且可相對軸突緣(102)轉(zhuǎn)動，卡環(huán)(206)具有外部圓周螺紋，螺紋傾斜離開突緣(102)。開縫夾圈(207A/207B)一端具有向內(nèi)傾斜的內(nèi)周邊螺紋(211)，當(dāng)卡環(huán)(206)轉(zhuǎn)動時，該螺紋與卡環(huán)(206)的螺紋接合以拉動作為一體組件的靶(200)和軸(100)。
文檔編號H01J37/34GK1491295SQ02805127
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月17日
發(fā)明者大衛(wèi)·馬克·林恩, 梅爾文·瑪麗昂·克拉克森, 瑪麗昂 克拉克森, 大衛(wèi) 馬克 林恩 申請人:大衛(wèi)·馬克·林恩, 梅爾文·瑪麗昂·克拉克森, 大衛(wèi) 馬克 林恩