CN104465283A - 一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统，由两个液氮存储杜瓦(1、5)、增压阀(2、6)、放气阀(3、7)、第一输液管道(4-1)和第一输液杆(4-2)、第二输液管道(8-1)和第二输液杆(8-2)、真空腔体(9)、磁体杜瓦上盖(10)，以及磁体杜瓦底座(11)组成。超导磁体(12)、外磁轭(13)、内磁轭(14)和底磁轭(15)安装在由磁体杜瓦上盖(10)和磁体杜瓦底座(11)所包围的密闭空间中，磁体杜瓦上盖(10)与阴极靶材(16)固定在一起，之间留有部分真空间隙(17)。超导磁体(12)由液氮迫流冷却；两个液氮存储杜瓦(1、5)交替工作，实现超导磁体(12)和阴极靶材(16)的冷却。

Description

一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统
技术领域
本发明涉及一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统。
背景技术
为了获得高质量的薄膜，高的沉积速率，高的靶材利用率，各种不同的磁控溅射装置被开发出来。强磁场磁控溅射装置可以在较低的气压下放电，强磁场和低气压的配合可以抑制高能离子对沉积薄膜的高能轰击，减少粒子的散射，从而得到高质量薄膜。然而，由于永磁强磁场磁控溅射装置的磁场不可能做得很强，目前对强磁场磁控溅射装置的研究和应用非常少。2003年，日本名古屋大学的Mizutani首先研制出了利用Sm123超导块材激磁的强磁场圆形磁控溅射装置，靶表面磁场比常规永磁磁控溅射装置高了一个数量级。超导强磁场磁控溅射装置由于需要加上制冷设备，因此磁体结构不宜太复杂，Mizutani制作的磁控溅射阴极靶材位于背板上面，在溅射的过程中保持水在背板通道中流动，以保持靶的温度大约为300K。Sm123超导块材安装在Permendur合金铁轭上，由G-M制冷机直接传导冷却(U.Mizutani,T.Matsuda,Y.Yanagi,et al.Performance of the magnetron sputtering apparatusequipped with 60 mm phi superconducting bulk magnet[J].Supercond.Sci.Technol.,2003,19(10):1207-1211.)。图1所示为日本名古屋大学研制的采用Sm123超导块材激磁的强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统示意图。该低温冷却系统由制冷机冷头、制冷机真空腔和水冷背板组成。阴极靶材和超导块材磁体采用独立的冷却系统，超导块材采用制冷机传导冷却，阴极靶材与水冷背板紧密接触，采用水循环冷却。由超导块材激磁的强磁场磁控溅射阴极及冷却系统比较适合于长期工作的情况，如果制冷机停机，超导块材需要重新充磁，这无疑提高了制冷系统的造价和增加了技术难度。
尽管Mizutani等人应用超导块材制作了磁控溅射装置，但是由于超导块材需要在低温容器中充磁，很难通过多块超导块材和铁轭的拼接和配合以得到理想的磁场位型，因此也就很难采用超导块材制作大型的圆形和矩形平面磁控溅射装置。另外，超导块材经充磁后，磁场难以调节，因此也就无法通过调节磁场来优化磁控溅射镀膜工艺。中国发明专利200910093159.1中提出的超导强磁场磁控溅射装置采用超导线圈激磁，磁场调节更为灵活，也更易大型化。对于超导线圈励磁的磁控溅射阴极，可采用液氮循环冷却、液氮加制冷机冷却或制冷机传导冷却，但并未给出低温冷却系统的具体结构和工作方式。
对于常规磁控溅射阴极，在溅射过程中由于离子对靶材的轰击，会造成靶材温度过高，在真空腔中热量难以导出，因此一般采用水循环冷却。由于超导强磁场磁控溅射阴极磁体需要低温冷却，导致磁控溅射镀膜工艺流程发生一定变化：在更换完靶材或基片后，首先需抽真空，然后进行靶材和超导磁体冷却，接下来磁控溅射放电镀膜，然后靶材和磁体回温，最后放气；可以看出，超导磁体和靶材的冷却在整个镀膜流程中的作用非常重要，影响到强磁场磁控溅射镀膜工艺的效率，但是当前缺乏针对强磁场磁控溅射阴极快速冷却的有效方法。对于超导磁体来说，采用制冷机传导冷却的方式更适合于长期稳态运行的工况。由于磁控溅射镀膜工艺中需要间歇性更换基片和靶材，属于间断运行工况，需要定期或不定期快速(分钟级别)冷却和回温，采用传导冷却方式难以满足冷却和回温的快速性，这样会很大程度降低镀膜工艺的效率。另外，由于制冷机需要经常启停，不仅增加了运行成本，而且降低了制冷机的使用寿命。因此，如果能找到一种适用于强磁场磁控溅射间断运行工况，能满足分钟级别冷却和回温的低温冷却系统，将具有十分积极的意义。
发明内容
为了解决超导强磁场磁控溅射阴极的快速冷却问题，考虑到磁控溅射镀膜工艺的运行工况，本发明提出一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统，具体技术方案如下：
本发明超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统由第一液氮存储杜瓦、第一增压阀、第一放气阀、第一输液管道、第二液氮存储杜瓦、第二增压阀、第二放气阀、第二输液管道、真空腔体、磁体杜瓦上盖，以及磁体杜瓦底座组成。第一增压阀和第一放气阀安装在第一液氮存储杜瓦上部的两侧，用于控制第一液氮存储杜瓦内部的氮气压力；第一输液管道通过第一输液杆插入第一液氮存储杜瓦内部。第二增压阀和第二放气阀安装在第二液氮存储杜瓦上部的两侧，用于控制第二液氮存储杜瓦内部的氮气压力，第二输液管道通过第二输液杆插入第二液氮存储杜瓦内部。磁体杜瓦上盖和磁体杜瓦底座所包围的密闭空间构成磁体杜瓦，超导磁体、外磁轭、内磁轭和底磁轭安装在所述的磁体杜瓦中。外磁轭位于内磁轭外部，底磁轭位于内磁轭和外磁轭底部，超导磁体嵌在由外磁轭、内磁轭和底磁轭包围的空间中，磁体杜瓦上盖与阴极靶材固定在一起，彼此之间留有真空间隙。磁体杜瓦底座通过管状托架固定于磁控溅射设备的真空腔体底座上。第一输液管道和第二输液管道通过管状托架伸入磁体杜瓦内。超导磁体由磁体杜瓦内的液氮迫流冷却，以满足冷却的快速性。阴极靶材由液氮冷量通过磁体杜瓦上盖进行传导冷却。阴极靶材由液氮冷量通过磁体杜瓦上盖进行传导冷却，阴极靶材与磁体杜瓦上盖部分接触，在接触的一侧沿环向和径向间断性留有部分真空间隙，可以增加热传导的热阻，避免阴极靶材温度过低，也可以防止离子对靶轰击的热量引起液氮损失过多的问题。
本发明超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统还可采用另一种方案：超导磁体和阴极靶材分别采用独立的冷却系统。阴极靶材下面附加水冷背板，水冷背板内部通水循环冷却。水冷背板和磁体杜瓦上盖之间采用真空绝热。超导磁体仍然采用液氮迫流冷却。磁体杜瓦上盖与水冷背板不直接接触，磁体杜瓦上盖与水冷背板之间不直接接触，留有完整的真空间隙。
以上两种方案中，第一液氮存储杜瓦和第二液氮存储杜瓦的工作方式如下：第一液氮存储杜瓦和第二液氮存储杜瓦采用交替工作的方式；在第一增压阀处于开启状态、第一放气阀处于关闭状态的情况下，第二增压阀处于关闭状态、第二放气阀处于开启状态；在第一增压阀处于关闭状态、第一放气阀处于开启状态的情况下，第二增压阀处于开启状态、第二放气阀处于关闭状态。由于工作中第一液氮存储杜瓦和第二液氮存储杜瓦之间存在压力差，这样磁控溅射阴极在工作过程中由于离子打靶加热和环境漏热所产生的气泡被液氮带入较低气压的液氮存储杜瓦中，以保证阴极磁体的安全平稳运行。超导强场磁控溅射阴极磁体迫流冷却方式如下：水浴装置以及控制阀门均处于关闭状态。第一种情况：在第一液氮存储杜瓦工作时，液氮由第一液氮存储杜瓦向第二液氮存储杜瓦快速流动，为了保证液氮对磁体不同部位的均匀冷却，在磁体杜瓦的液氮进口和液氮出口之间设置了外导流隔板和内导流隔板，外导流隔板位于外磁轭和超导磁体之间，内导流隔板位于超导磁体和内磁轭之间，为了进一步提高迫流冷却速度，可在输液管道中增加液氮泵。第二种情况：在第一液氮存储杜瓦中的液氮量不足的情况下，则采用第二液氮存储杜瓦工作，液氮由第二液氮存储杜瓦向第一液氮存储杜瓦流动。
本发明具有以下优点：
本发明的超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统，适用于磁控溅射的间断运行工况且可实现超导磁控溅射阴极的快速冷却和回温，可应用于实验室级和工业级的超导强磁场磁控溅射镀膜系统。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
图1为名古屋大学研制的采用Sm123超导块材激磁的强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统示意图；
图2为本发明超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统示意图；
图3为本发明具体实施例1磁体杜瓦上盖的结构示意图；
图4为本发明具体实施例1用于超导磁体快速迫流冷却的导流隔板安装示意图；
图5为本发明超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统具体实施例2结构示意图。
具体实施方式
图2所示为本发明超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统具体实施例1。如图2所示，本发明低温冷却系统由第一液氮存储杜瓦1、第一增压阀2、第一放气阀3、第一输液管道4-1、第一输液杆4-2、第二液氮存储杜瓦5、第二增压阀6、第二放气阀7、第二输液管道8-1、第二输液杆8-2、真空腔体9、磁体杜瓦上盖10，以及磁体杜瓦底座11组成。第一增压阀2和第一放气阀3安装在第一液氮存储杜瓦1上，用于控制第一液氮存储杜瓦1内部的氮气压力，第一输液管道4-1通过第一输液杆4-2插入第一液氮存储杜瓦1内部；第二增压阀6和第二放气阀7安装在第二液氮存储杜瓦5上，用于控制第二液氮存储杜瓦5内部的氮气压力，第二输液管道8-1通过第二输液杆8-2插入第二液氮存储杜瓦5内部。所述的超导磁体12、外磁轭13、内磁轭14和底磁轭15安装在由磁体杜瓦上盖10和磁体杜瓦底座11所包围的密闭空间中。外磁轭13位于内磁轭14外部，底磁轭15位于外磁轭13和内磁轭14底部，超导磁体12嵌在由外磁轭13、内磁轭14和底磁轭15包围的空间中，磁体杜瓦上盖10与阴极靶材16固定在一起，磁体杜瓦上盖10与阴极靶材16之间留有真空间隙17。磁体杜瓦底座11通过管状托架18固定于真空腔体9底座上。第一输液管道4-1和第二输液管道8-1通过管状托架18进入磁体杜瓦。超导磁体12由液氮迫流冷却以满足冷却的快速性。阴极靶材16与磁体杜瓦上盖10部分接触，在接触的一侧沿环向和径向间断性留有部分真空间隙。阴极靶材16由液氮冷量通过磁体杜瓦上盖10进行传导冷却。
图3为本发明具体实施例1磁体杜瓦上盖10的示意图。如图3所示，磁体杜瓦上盖10与阴极靶材16接触的一侧沿环向和径向留有部分真空间隙17，以增加热传导的热阻，避免液氮冷量传导引起阴极靶材16温度过低，也可以防止离子打靶产热引起液氮损失过多的问题。
第一液氮存储杜瓦1和第二液氮存储杜瓦5交替工作：在第一增压阀2处于开启状态、第一放气阀3处于关闭状态的情况下，第二增压阀6处于关闭状态、第二放气阀7处于开启状态；在第一增压阀2处于关闭状态、第一放气阀3处于开启状态的情况下，第二增压阀6处于开启状态、第二放气阀7处于关闭状态。超导强场磁控溅射阴极磁体迫流冷却方式如下：在第一液氮存储杜瓦1工作时，液氮由第一液氮存储杜瓦1向第二液氮存储杜瓦5快速流动，为了保证液氮对超导磁体12不同部位的均匀冷却，在磁体杜瓦的液氮进口和液氮出口之间设置了外导流隔板21-1和内导流隔板21-2，外导流隔板21-1位于外磁轭13和超导磁体12之间，内导流隔板21-2位于超导磁体12和内磁轭14之间，如图4所示。为了进一步提高迫流冷却速度，可在输液管道中增加液氮泵；第二种情况：在第一液氮存储杜瓦1中的液氮量不足的情况下，则采用第二液氮存储杜瓦5工作，液氮由第二液氮存储杜瓦5向第一液氮存储杜瓦1流动。
图5为本发明具体实施例2超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统示意图。如图5所示，低温冷却系统由第一液氮存储杜瓦1、第一增压阀2、第一放气阀3、第一输液管道4-1、第一输液杆4-2、第二液氮存储杜瓦5、第二增压阀6、第二放气阀7、第二输液管道8-1、第二输液杆8-2、真空腔体9、磁体杜瓦上盖10，以及磁体杜瓦底座11组成。磁体杜瓦上盖10和磁体杜瓦底座11构成磁体杜瓦，超导磁体12、外磁轭13、内磁轭14和底磁轭15安装在由磁体杜瓦上盖10和磁体杜瓦底座11所包围的密闭空间中，外磁轭13位于内磁轭14外部，底磁轭15位于外磁轭13和内磁轭14底部，超导磁体12嵌在由外磁轭13、内磁轭14和底磁轭15包围的空间中，磁体杜瓦上盖10与阴极靶材16固定在一起，磁体杜瓦上盖10与阴极靶材16之间留有真空间隙17。磁体杜瓦底座11通过管状托架18固定于真空腔体9底座上。第一输液管道4和第二输液管道8通过管状托架18进入磁体杜瓦。与具体实施例1不同，本实施例2的超导磁体12和阴极靶材16采用独立的冷却系统：阴极靶材16下面附加水冷背板19，水冷背板19内部通水循环冷却；水冷背板19和磁体杜瓦上盖10之间采用真空绝热。超导磁体12仍然采用液氮迫流冷却，但是由于超导磁体12和阴极靶材16采用独立冷却的方式，磁体杜瓦上盖10与水冷背板20不直接接触，留有完整的真空间隙17。与具体实施例1相同的是，本实施例2第一液氮存储杜瓦1和第二液氮存储杜瓦5仍然采用交替工作机制，超导磁体12的迫流冷却方式和与具体实施例1相同。

Claims (5)

1.一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统，其特征在于：所述的低温冷却系统由第一液氮存储杜瓦(1)、第一增压阀(2)、第一放气阀(3)、第一输液管道(4-1)和第一输液杆(4-2)、第二液氮存储杜瓦(5)、第二增压阀(6)、第二放气阀(7)、第二输液管道(8-1)和第二输液杆(8-2)、真空腔体(9)、磁体杜瓦上盖(10)，以及磁体杜瓦底座(11)组成；第一增压阀(2)和第一放气阀(3)安装在第一液氮存储杜瓦(1)上部的两侧；第一输液管道(4-1)通过第一输液杆(4-2)插入第一液氮存储杜瓦(1)内部；第二增压阀(6)和第二放气阀(7)安装在第二液氮存储杜瓦(5)上部的两侧，第二输液管道(8-1)通过第二输液杆(8-2)插入第二液氮存储杜瓦(5)内部；磁体杜瓦上盖(10)和磁体杜瓦底座(11)构成磁体杜瓦；磁体杜瓦底座(11)通过管状托架(18)固定于真空腔体(9)底座上；第一输液管道(4)和第二输液管道(8)通过管状托架(18)进入磁体杜瓦。
2.如权利要求1所述超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统，其特征在于：超导磁体(12)、外磁轭(13)、内磁轭(14)和底磁轭(15)安装在所述的磁体杜瓦中；外磁轭(13)位于内磁轭(14)的外部，底磁轭(15)位于外磁轭(13)和内磁轭(14)的底部，超导磁体(12)嵌在由外磁轭(13)、内磁轭(14)和底磁轭(15)所包围的空间中；在所述的磁体杜瓦的液氮进口和液氮出口之间设置有外导流隔板(21-1)和内导流隔板(21-2)，外导流隔板(21-1)位于外磁轭(13)和超导磁体(12)之间，内导流隔板(21-2)位于超导磁体(12)和内磁轭(14)之间；磁体杜瓦上盖(10)与阴极靶材(16)固定在一起，磁体杜瓦上盖(10)与阴极靶材(16)之间留有部分真空间隙(17)；超导磁体(12)由液氮迫流冷却；阴极靶材(16)由液氮冷量通过磁体杜瓦上盖(10)进行传导冷却。
3.如权利要求1所述超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统，其特征在于：超导磁体(12)和阴极靶材(16)采用独立的冷却系统；阴极靶材(16)下面附加水冷背板(19)，水冷背板(19)内部通水循环冷却；超导磁体(12)采用液氮迫流冷却；磁体杜瓦上盖(10)与水冷背板(19)不直接接触，留有完整真空间隙(17)。
4.如权利要求1至3的任一项所述的低温冷却系统，其特征在于：超导磁体(12)采用的迫流冷却方式如下：在第一液氮存储杜瓦(1)工作时，液氮由第一液氮存储杜瓦(1)向第二液氮存储杜瓦(5)快速流动；在第一液氮存储杜瓦(1)中的液氮量不足的情况下，则采用第二液氮存储杜瓦(5)工作，液氮由第二液氮存储杜瓦(5)向第一液氮存储杜瓦(1)流动。
5.如权利要求4所述的低温冷却系统，其特征在于：所述的第一液氮存储杜瓦(1)和第二液氮存储杜瓦(5)交替工作：在第一增压阀(2)处于开启状态、第一放气阀(3)处于关闭状态的情况下，第二增压阀(6)处于关闭状态、第二放气阀(7)处于开启状态；在第一增压阀(2)处于关闭状态、第一放气阀(3)处于开启状态的情况下，第二增压阀(6)处于开启状态、第二放气阀(7)处于关闭状态。
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