專利名稱：大尺寸柱狀中空濺射陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用濺射方法制備大面積超導(dǎo)薄膜時(shí)使用的陰極結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種直流磁控濺射時(shí)使用的大尺寸柱狀中空濺射陰極。
背景技術(shù)：
高溫超導(dǎo)薄膜是超導(dǎo)電子學(xué)器件中的基礎(chǔ)材料。采用平面靶、以直流磁控濺射方法制備大面積雙面高溫超導(dǎo)薄膜，由于沉積過程中產(chǎn)生的負(fù)氧離于反濺射問題，使得材料組成在平面尺度上產(chǎn)生偏移，無(wú)法保證成分的均勻性，因而無(wú)法保證性能的均勻性，所以一般采用大尺寸的中空濺射陰極。磁控濺射沉積高溫超導(dǎo)薄膜的濺射速率，受磁體形狀、磁力線形狀、充磁磁場(chǎng)大小等各種條件影響。充分提高濺射速率，是以磁控濺射方法批量化制備大面積雙面高溫超導(dǎo)薄膜的關(guān)鍵。
現(xiàn)傳統(tǒng)的直流磁控濺射時(shí)使用的大尺寸柱狀中空濺射陰極一般都是由靶材及外層的冷卻水箱構(gòu)成，在靶材與冷卻水箱之間設(shè)有隔離銅套，冷卻水箱的內(nèi)壁上套有圓環(huán)磁體，該圓環(huán)磁體的充磁方向?yàn)樯螻下S極，其缺陷是濺射過程中存在著局部過熱，易造成靶材開裂、粉碎；靶材的利用率、濺射速率受限。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種大尺寸柱狀中空濺射陰極，通過對(duì)原有大尺寸中空濺射陰極進(jìn)行改進(jìn)，去除了靶材與冷卻水箱之間的隔離銅套，便于靶材在濺射過程中冷卻；采用拼裝磁體，便于調(diào)整磁體位置和磁力線形狀；改變傳統(tǒng)充磁方向，增加了濺射環(huán)寬度和有效利用面積，提高制備大面積雙面超導(dǎo)薄膜的濺射速率，整體化，設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展和拆裝，滿足批量化要求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下設(shè)計(jì)方案一種大尺寸柱狀中空濺射陰極，由圓筒形高溫超導(dǎo)濺射靶材、冷卻水箱及置于冷卻水箱內(nèi)的磁體、冷卻水循環(huán)單元組成，冷卻水箱的內(nèi)壁直接緊密接觸高溫超導(dǎo)濺射靶材壁，在冷卻水箱內(nèi)壁內(nèi)層覆有一層筒形軟磁材，所述的置于冷卻水箱內(nèi)的磁體為在筒形軟磁材料周邊上分布的一組可拼裝磁體。
所述的一組可拼裝磁體中，每一塊磁體為圓環(huán)柱形的整數(shù)分之一，其圓環(huán)內(nèi)徑與筒形軟磁材料的外徑相匹配，密排或者間隔分布在筒形軟磁材料周邊上；可拼裝磁體的充磁方向?yàn)閮?nèi)圓心至外圓周方向。
所述的冷卻水循環(huán)單元的進(jìn)水管開在冷卻水箱的底部，出水管開在冷卻水箱的頂部。
其附屬的陽(yáng)極為圓形結(jié)構(gòu)，由陽(yáng)極板、陽(yáng)極底座及陽(yáng)極冷卻水箱組合構(gòu)成，陽(yáng)極冷卻水箱內(nèi)設(shè)陽(yáng)極冷卻進(jìn)、出水管，陽(yáng)極板直徑小于靶材內(nèi)徑，采用高純無(wú)氧銅制成，陽(yáng)極底座與陰極之間采用聚四氟絕緣。
陰極、陽(yáng)極的所有進(jìn)、出水管和氣管均由陽(yáng)極頂部的內(nèi)孔統(tǒng)一進(jìn)出。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、去除了靶材與冷卻水箱之間的隔離銅套，有效利用磁體冷卻水系統(tǒng)冷卻，確保底部進(jìn)水頂部出水，整個(gè)水箱內(nèi)的磁體和外壁的靶材可以得到充分冷卻，有效防止了靶材局部過熱帶來(lái)的開裂、粉碎和濺射時(shí)大塊靶體材料的脫落，保證靶材的使用效率和濺射時(shí)良好的薄膜性狀；2、采用可拼裝磁體，可以根據(jù)需要任意選擇使用數(shù)量，既可以方便地調(diào)節(jié)磁力線密度和形狀，又可在部分區(qū)域的靶材充分濺射使用后，可以方便地利用其它未充分濺射部分，提高靶材的利益效率；3、將磁體的充磁方向改為內(nèi)N外S，可以充分利用以磁體為中心的向上、下兩組磁力線，提高磁力線的使用效率，進(jìn)而增加濺射環(huán)的寬度，提高濺射速率和靶材使用效率；4、巧妙地利用磁體水箱內(nèi)壁的筒狀軟磁材料，使得磁力線在靶材內(nèi)壁垂直方向盡可能地被約束拉直，提高濺射效率和靶材使用效率；5、附屬的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)采用高純無(wú)氧銅材料、以螺釘固定結(jié)構(gòu)安裝于陰極靶材上方，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，更有利的是方便日常性的清洗；陽(yáng)極上開有圓周形均勻分布的進(jìn)氣孔，保證進(jìn)氣均勻；6、所有的進(jìn)出水管、氣路由上部?jī)?nèi)孔統(tǒng)一導(dǎo)出，結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸安裝。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖(仰視剖面)圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視剖面)圖3為本實(shí)用新型的可拼裝磁體結(jié)構(gòu)及充磁方向、磁力線形狀示意圖圖4為陽(yáng)極板與頂端陽(yáng)極安裝結(jié)構(gòu)示意圖圖5為一應(yīng)用實(shí)施例示意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明如圖1所示，本實(shí)用新型大尺寸柱狀中空濺射陰極包括有圓筒形高溫超導(dǎo)濺射靶材5、冷卻水箱1及置于冷卻水箱內(nèi)的冷卻水循環(huán)單元，冷卻水箱的內(nèi)壁2直接套固于高溫超導(dǎo)濺射靶材5上，在磁體冷卻水箱內(nèi)部與靶材同向的內(nèi)壁上有一層筒形軟磁材6，并在筒形軟磁材料上分布一組可拼裝磁體4。
冷卻水箱下部是與靶材5尺寸相配合的圓環(huán)柱形；冷卻水箱內(nèi)壁2上覆一層薄的筒形軟磁材料6，與內(nèi)壁尺寸配合；軟磁材料上根據(jù)實(shí)際使用需要排布可拼裝磁體4；為配合冷卻水箱底部進(jìn)水，其中部分可拼裝磁體開有與進(jìn)水管尺寸相適應(yīng)的圓孔；冷卻水箱內(nèi)壁的外層緊貼著圓環(huán)柱狀濺射靶材5的外壁，為保證緊密接觸，可采用導(dǎo)電性好的銅箔加以填充、密實(shí)。
所述的可拼裝磁體可采用鈦鐵硼，但不僅限于鈦鐵硼磁體。
所述的筒形軟磁材料為軟鐵、坡莫合金、硅鋼片中的一種。
如圖2所示，冷卻水箱的冷卻進(jìn)水管7通至冷卻水箱底部，出水管8開在冷卻水箱上部，保證磁體和靶材充分冷卻；陰極與陽(yáng)極之間依靠聚四氟板9絕緣；陽(yáng)極板10(詳見圖4)以螺釘結(jié)構(gòu)固定于陽(yáng)極底座11上；進(jìn)氣管12同進(jìn)出水管同由頂部的內(nèi)孔引入。陽(yáng)極冷卻進(jìn)水管15、陽(yáng)極冷卻出水管16也由頂部的內(nèi)孔引入陽(yáng)極冷卻水箱17。
圖3是拼裝磁體4結(jié)構(gòu)形狀示意圖；如冷卻水箱尺寸有限，可以在可拼裝磁體上開孔，使得進(jìn)水管8穿過磁體到達(dá)冷卻水箱底部；也可在實(shí)際使用中不采用密排結(jié)構(gòu)，使得進(jìn)水管由兩塊拼裝磁體中間進(jìn)入，保證磁場(chǎng)在圓周方向上分布均勻；拼裝磁體頂面為整圓環(huán)形狀的整數(shù)分之一，可依據(jù)實(shí)際使用情況自行確定；充磁方向?yàn)閮?nèi)N外S極(或內(nèi)S外N極)，產(chǎn)生的磁力線13形狀如圖3所示。受冷卻水箱內(nèi)壁的軟磁材料(軟鐵)約束、拉直后，可以充分提高濺射的效率；圖4是陽(yáng)極板10的安裝圖；陽(yáng)極板依靠螺釘14通過螺釘孔18(或整體螺口連接的方式)安裝在陽(yáng)極底座11上，結(jié)構(gòu)緊湊、方便拆裝；進(jìn)氣孔19以固定直徑、均勻地圓周排布在陽(yáng)極板上。
本實(shí)用新型應(yīng)用于單靶磁控濺射設(shè)備中，可以改善濺射過程中的穩(wěn)定性，提高濺射效率和靶材使用的效率(提高濺射環(huán)的寬度)。如圖5所示的實(shí)施例用于對(duì)靶往復(fù)型大面積超導(dǎo)薄膜磁控濺射設(shè)備，本實(shí)施例中，使用了兩個(gè)本實(shí)用新型大尺寸中空濺射陰極，兩個(gè)大尺寸中空濺射陰極正對(duì)水平排列在樣品兩側(cè)，樣品在對(duì)靶間隙內(nèi)進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，制備大面積超導(dǎo)薄膜。在往復(fù)式對(duì)靶大面積超導(dǎo)薄膜磁控濺射時(shí)，樣品架上可根據(jù)應(yīng)用的需要可固定多個(gè)基片夾具，滿足一次多片大面積雙面超導(dǎo)薄膜的制備需要。
本實(shí)用新型主要采用耐高溫金屬材料(包括鎳基合金、不銹鋼、鈦合金)制作，陽(yáng)極板為導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的高純無(wú)氧銅制作。采用的可拼裝磁體，可以根據(jù)實(shí)際使用情況決定磁體的位置、磁體的排列狀況，提高濺射速率和靶材的使用效率；冷卻水箱內(nèi)壁上的軟磁材料起到了約束拉直磁力線的作用，提高了濺射效率。應(yīng)用本實(shí)用新型可大面積雙面超導(dǎo)薄膜濺射，并適合應(yīng)用于其它需要離軸濺射的薄膜材料。
權(quán)利要求1.一種大尺寸柱狀中空濺射陰極，由圓筒形高溫超導(dǎo)濺射靶材、冷卻水箱及置于冷卻水箱內(nèi)的磁體、冷卻水循環(huán)單元組成，其特征在于冷卻水箱的內(nèi)壁直接緊密接觸高溫超導(dǎo)濺射靶材壁，在冷卻水箱內(nèi)壁內(nèi)層覆有一層筒形軟磁材，所述的置于冷卻水箱內(nèi)的磁體為在筒形軟磁材料周邊上分布的一組可拼裝磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于所述的可拼裝磁體的充磁方向?yàn)閮?nèi)圓心至外圓周方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于所述的冷卻水循環(huán)單元的進(jìn)水管開在冷卻水箱的底部，出水管開在冷卻水箱的頂部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于所述的筒形軟磁材料為軟鐵、坡莫合金、硅鋼片中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于所述的一組可拼裝磁體中，每一塊磁體為圓環(huán)柱形的整數(shù)分之一，其圓環(huán)內(nèi)徑與筒形軟磁材料的外徑相匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于所述的可拼裝磁體密排或者間隔分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于其附屬的陽(yáng)極為圓形結(jié)構(gòu)，由陽(yáng)極板、陽(yáng)極底座及陽(yáng)極冷卻水箱組合構(gòu)成，冷卻水箱內(nèi)設(shè)陽(yáng)極冷卻進(jìn)、出水管，陽(yáng)極板直徑小于靶材內(nèi)徑，采用高純無(wú)氧銅制成，陽(yáng)極底座與陰極之間采用聚四氟絕緣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于在陽(yáng)極底板上開螺孔，陽(yáng)極板以螺釘連接或采用整體旋進(jìn)螺接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于在陽(yáng)極板上以固定直徑、均勻地圓周排布進(jìn)氣孔；頂部開有供所有進(jìn)、出水管和氣管進(jìn)出的內(nèi)孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸柱狀中空濺射陰極，其特征在于陰極、陽(yáng)極的所有進(jìn)、出水管和氣管均由陽(yáng)極頂部的內(nèi)孔統(tǒng)一進(jìn)出。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種大尺寸柱狀中空濺射陰極，由圓筒形高溫超導(dǎo)濺射靶材、冷卻水箱及置于冷卻水箱內(nèi)的冷卻水循環(huán)單元組成，冷卻水箱的內(nèi)壁直接緊密接觸高溫超導(dǎo)濺射靶材壁，冷卻水箱內(nèi)壁內(nèi)層覆有一層筒形軟磁材，在筒形軟磁材料周邊上分布的一組可拼裝磁體；磁體的充磁方向?yàn)閮?nèi)圓心至外圓周方向；冷卻水循環(huán)單元的進(jìn)水管開在冷卻水箱的底部，出水管開在冷卻水箱的頂部。其通過對(duì)原有大尺寸中空濺射陰極的改進(jìn)，便于靶材在濺射過程中冷卻；便于調(diào)整磁體位置和磁力線形狀，增加了濺射環(huán)寬度和有效利用面積，提高制備大面積雙面超導(dǎo)薄膜的濺射速率，整體化，設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展和拆裝，滿足批量化制備的要求。
文檔編號(hào)C23C14/06GK2719866SQ20042008797
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月13日
發(fā)明者古宏偉, 李弢, 王小平, 王霈文 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院