CN108130516A - 一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，其包括磁轭、磁体、靶材、背板、石墨片、泡沫金属、冷却液流道，通过靶材与背板之间设置的石墨片来减小接触热阻，通过紧密连接在背板另一面并填充在冷却液流道的泡沫金属来增加换热面积，增强冷却效果。

Description

一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶

技术领域

本发明涉及真空镀阴极靶，特别涉及一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶。

背景技术

在真空镀膜生产过程中，为了提高生产效率和膜层质量，人们往往通过提高单位时间内的离子流动量来获得更高的溅射速率，通过施加更高的靶电压使得离子撞击靶表面的的速度更高，从而使逸出靶表面的原子具有更高能量。这都是通过提高靶功率来实现，在生产过程中，靶不断受到带电粒子的轰击，大部分的能量都是转化成为了热量导致靶本身发热，靶的温度急剧上升，会损害不耐高温的靶材，同时出射的粒子当中会出现较多的大颗粒，降低膜层质量，同时高温靶对外辐射的热量增加，对不耐热的工件有很大的损害，这种热量必须通过冷却装置带走。

为了解决靶材的冷却问题问题，通常的做法是为阴极靶增加一路或几路冷却管道，通入冷却介质以带走靶材所产生的热量。通常的冷却方式可以分为直接冷却和间接冷却的方式：

(一) 直接冷却方式

如图 1 示意所示的一种直接冷却的装置，在靶材表面11由于受到带电粒子的撞击而产生的的热量，通过在靶材12中厚度方向上的的热传递而被传导向靶材背面 13。在靶材背面的冷却板14内，冷却液15通过与靶材背面和冷却液流道16内壁接触的界面进行热交换，以流动的方式不断带走热量。由于靶材背面13和冷却液15之间是直接接触，所以在界面上热交换的效率比较高。

虽然这种直接冷却方式的冷却效率较高，但是这种冷却液与靶材直接接触的方式会在现实操作中带来较多的麻烦，原因在于靶材需要频繁更换，每一次更换靶材都需要把原来的靶材拆下来，从而破坏掉冷却液流道的密封，导致冷却介质泄漏。这种方式还有另一个缺点，如果在镀膜过程中靶材由于不断的消耗而被击穿，也会造成冷却介质泄漏，从而破坏镀膜时的真空环境，影响镀膜质量。因此在实际的生产中极少采用这种冷却方式。

(二) 间接冷却方式

如图2示意所示的一种间接冷却的装置，与直接冷却的方式不同，采用间接冷却方式的靶在靶材背面和冷却液流道之间设置了一块背板，背板通过螺钉固定或者夹紧的方式对冷却液流道进行密封，以避免冷却介质的泄漏。工作时靶材表面21所产生的热量，通过在靶材22中厚度方向上的的热传递传导给背板23，再经过背板23与冷却液24的界面接触处的热交换，把热量传递给冷却液带走。

目前多数的阴极靶都是采用这种间接冷却的方式，但是这种冷却方式有一个问题：靶材和背板之间的热传递效率不高，这是因为靶材和背板的表面都不是理想的光滑表面（如图3所示），而两个面之间的接触是靠机械压紧的方式来实现的，所以微观上接触面处会存在很多空隙，空隙中填充着空气，降低了传热的效率。

综合地讲，不管是采用直接冷却还是间接冷却的方式，都存在一个同样的问题：冷却液与靶材之间、冷却液与背板之间的换热只能是通过它们直接接触的那一点界面进行换热，换句话说是冷却液通道的宽度决定了热交换的速率。随着新工艺要求越来越大的溅射功率，靶的发热量也会越来越大，旧的冷却方式很难满足未来的工艺要求。专利号为CN202054888 U的《一种磁控溅射装置》通过在“溅射靶的侧壁及底壁具有凹凸相间的锯齿状表面，从而能够增大其与冷却介质的接触面积，提高冷却效果”，这种方式虽然在一定程度上增加了换热面积，但是所增加的面积有限，所产生的效果也有限。

发明内容

为了克服现有的各种冷却方式的不足，本发明提供了一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，以适用于大功率的溅射镀膜工艺。

本发明的技术方案为：

一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，包括磁轭、磁体、靶材、背板、石墨片、泡沫金属、冷却液流道，其特征在于：所述靶材与背板直接接触或者两者之间夹有石墨片，所述泡沫金属与背板通过焊接、螺栓连接、铆接的其中一种方式连接在一起，泡沫金属按照与冷却液流道匹配的尺寸加工并填充在冷却液流道内部;

所述泡沫金属的厚度为0.5mm～50mm,平均孔直径为0.1mm～8mm;

所述的泡沫金属的材质是由Ni、Cu、Fe、Al、Ag、Ti、Zn、Sn、Cr中的任意一类金属形成的单金属材料，或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金;

所述背板是铜或者铜合金，其铜含量≥50%，厚度0.02mm～15mm。

所述的泡沫金属是由Cu、Al、Ag中的任意一类金属形成的单金属材料，或是Cu合金、Al合金、Ag合金材料，或者是以前述材料为基体进行表面修饰的多层复合材料。

所述的泡沫金属与背板的连接方式为高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊。

所述的钎焊所使用的焊料是由Sn、Bi、In、Zn 、Ag、Cu、Sb、Nd中的一种或多种组成，焊料的熔点＜400℃。

本发明通过在背板与靶材之间设置有一层石墨片，通过石墨片将靶材和背板紧密地连接在一起，可以保证靶材和背板之间具有良好的接触，从而提高传热效率，同时，由于石墨片的平面方向导热系数很高，可以快速地将热量扩散开，从而改善靶材不同部位之间受热不均的问题，从而提高镀膜质量，防止局部过热损坏元器件。

同时，通过在把泡沫金属设置在冷却液流道内作为泡沫金属，并且把泡沫金属与背板焊接在一起，利用泡沫金属高透气性、高孔隙率、高比表面积的特点来增大冷却介质的换热面积，普通泡沫金属的孔隙率可以达到90%以上，其表面积可以是平面面积的2～100倍，在冷却液流道中填充泡沫金属，相当于把换热面积提高了2～100倍，这样就可以大大提高了冷却的效率，并且由于使用焊接的方式将泡沫金属与背板连接在一起，可以使泡沫金属与背板与背板之间的接触更加紧密，获得较小的热阻，阴极靶工作时产生的热量传递到背板之后，可以更快地传递到泡沫金属，再通过冷却液带走。

在传统的阴极靶内部，冷却液流道内部没有填充泡沫金属，冷却液只能通过流道与背板重合的部分面积来换热，想要增大换热面积只能拓宽冷却液流道的宽度，但是在冷却液流道内部填充泡沫金属后，泡沫金属相当于背板在流道内部的延伸，在需要更强冷却的场合，不仅可以通过拓宽冷却液流道宽度，还可以通过增加冷却液流道高度和泡沫金属的厚度来获得更大的换热面积，从而提高冷却速率。

附图说明

图1 一种使用直接冷却方式的装置；

图2 一种使用间接冷却方式的装置；

图3 根据图2的靶材与背板作为非理想光滑表面之间的接触；

图4 实施例一中的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶示意图；

图5 实施例二中的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶示意图；

图6实施例二中说明的一种未使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶示意图；

图7所述泡沫金属设置在冷却液流道中的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步说明本发明所述的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶。

实施例一：

本实施例展示的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，如图4所示，包括磁轭41、磁铁42、靶材45、背板43、石墨片44、泡沫铜47、冷却液流道46，其中背板43是由厚度为0.1mm的铜板材制作而成，靶材45与背板43之间设置一层厚度为0.02mm的石墨片44，背板43的另一面焊接了一块平均孔直径为0.1mm的泡沫铜47，泡沫铜47被加工成与冷却液流道46相匹配的尺寸后，填充于冷却液流道46内部。背板43与泡沫铜47使用高频焊的工艺连接在一起。当阴极靶工作时，冷却液从填充了泡沫铜的冷却液流道内部流过，利用泡沫铜极大的表面积进行换热，将从靶材传递过来的热量快速带走，从而得到增强换热效果的目的。

实施例二：

本实施例展示的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，如图5所示，包括磁轭51、磁铁52、靶材56、背板54、隔板53、石墨片55、泡沫铝58、冷却液流道57，其中背板54是由厚度为1mm的铜板材制作而成，靶材56与背板54之间设置一层厚度为0.1mm的石墨片55。背板54的另一面焊接了一块表面镀铜的的泡沫铝58，其平均孔直径为2mm。泡沫铝58被加工成与冷却液流道57相匹配的尺寸后，填充于冷却液流道57内部。背板54与泡沫铝58使用钎焊的工艺连接在一起，钎焊所使用的的焊料是熔点为160℃的Sn-Bi合金焊料。当阴极靶工作时，冷却液从填充了泡沫铜的冷却液流道内部流过，利用泡沫铜极大的表面积进行换热，将从靶材传递过来的热量快速带走，从而得到增强换热效果的目的。

为了进一步说明本发明的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶的冷却效果，图6展示了一种未使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，图6中的阴极靶包括磁轭61、磁铁62、靶材66、背板64、隔板63、石墨片65、冷却液流道67，不同的地方在于图6展示的阴极靶的冷却液流道67内没有填充泡沫金属。在多数应用中都是使用水作为冷却液，因为水的导热系数＜1 W/m·K，所以热量很难在水中扩散，即使通过冷却液流道加深来增大冷却水的流量，冷却液也只能通过流道与背板重合的部分面积来换热，对冷却效果的增强也是很有限的。如果采用本发明的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，则可以通过增加冷却液流道深度和泡沫金属厚度、增加泡沫金属孔隙率的方式来获得更大的换热面积，使冷却效果成倍增加。

Claims (4)

1.一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，包括磁轭、磁体、靶材、背板、石墨片、泡沫金属、冷却液流道，其特征在于：所述靶材与背板直接接触或者两者之间夹有石墨片，所述泡沫金属与背板通过焊接、螺栓连接、铆接的其中一种方式连接在一起，泡沫金属按照与冷却液流道匹配的尺寸加工并填充在冷却液流道内部;

所述泡沫金属的厚度为0.5mm～50mm,平均孔直径为0.1mm～8mm;

所述的泡沫金属的材质是由Ni、Cu、Fe、Al、Ag、Ti、Zn、Sn、Cr中的任意一类金属形成的单金属材料，或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金;

所述背板是铜或者铜合金，其铜含量≥50%，厚度0.02mm～15mm。

2.根据权利要求1所述的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，其特征在于所述的泡沫金属是由Cu、Al、Ag中的任意一类金属形成的单金属材料，或是Cu合金、Al合金、Ag合金材料，或者是以前述材料为基体进行表面修饰的多层复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，其特征在于所述的泡沫金属与背板的连接方式为高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊。

4.根据权利要求3所述的一种使用泡沫金属增强冷却的真空镀阴极靶，其特征在于所述的钎焊所使用的焊料是由Sn、Bi、In、Zn 、Ag、Cu、Sb、Nd中的一种或多种组成，焊料的熔点＜400℃。