CN1491295A - 圆柱形磁控管靶及将该靶附接到可旋转轴组件的设备 - Google Patents

Abstract

一种改进的互连系统，用于将改进的圆柱形磁控管靶(200)连接到可旋转的带有突缘的轴(100)上，所述系统将环形延伸(204)结合在靶(200)上，该延伸配合在轴突缘(102)的边缘之上，便于靶(200)在轴(100)上对中，并有助于保护大的密封表面。环形延伸(204)终止于向内倾斜的圆周阶台内。靶—轴互连系统包括开缝夹圈(207A/207B)和通常为环形的卡环(206)，卡环可以在轴杆(108)上滑动并且可相对轴突缘(102)转动，卡环(206)具有外部圆周螺纹，螺纹倾斜离开突缘(102)。开缝夹圈(207A/207B)一端具有向内倾斜的内周边螺纹(211)，当卡环(206)转动时，该螺纹与卡环(206)的螺纹接合以拉动作为一体组件的靶(200)和轴(100)。

Description

圆柱形磁控管靶及将该靶附接到可旋转轴组件的设备

技术领域

本发明通常涉及利用磁控管溅射进行基体涂覆中使用的设备，特别涉及利用这种设备的可旋转靶及靶安装轴的设计，以及将这种靶附接到靶安装轴上的设备及方法。

背景技术

最近几十年来，溅射技术已经成为在例如建筑用玻璃板、车辆挡风玻璃等大表面积基体上沉积薄涂层的主要方法。利用磁控管在含有激活气体的真空室内沉积涂覆材料。尽管最初使用平面式磁控管用于溅射工艺，现在旋转式圆柱形磁控管已经获得广泛地应用。这是因为尽管圆柱形磁控管比平面式磁控管更加复杂，但通常沉积率更高，每个阴极靶的材料利用率更高，维持频率更低，而且成本更低。使用旋转式圆柱形磁控管的另一个主要优点是，与平面式靶相反，可以容易地溅射例如氮化硅和二氧化硅等介电硅化合物。使用平面式靶通常很难溅射这种化合物。

与磁控管溅射设备配合使用的可旋转阴极靶通常为中空的圆柱结构，其必须受到支撑并被可旋转地驱动。尽管利用一个支撑轴可以支撑和驱动很短的圆柱形靶，当靶变得较长时，在两端支撑很重要。此外，支撑圆柱形靶的两端简化了冷却连接，因为制冷流体可以从一个支撑轴进入靶室，而从另一个轴流出。

使用中有两种基本类型的圆柱形阴极靶。第一种类型为“无支撑”靶，由将被溅射的材料制成管形件。这种类型的靶局限于那些具有机械强度自身可支撑靶体长度的材料。限制这种材料在无支撑靶中应用的另一因素是这种材料是否能易于制成靶形。例如结构金属的材料易于加工及成形，一般是无支撑靶的备选。钛、不锈钢和铌属于这一类。已知为支撑靶的第二种类型的圆柱形阴极靶用于溅射例如低机械强度和硬度的结构性能较差的材料，或者用于溅射例如易碎或性能过硬等妨碍加工或成形的材料。一般利用支撑靶溅射的材料包括金、银、铜、锰、硅和特定陶瓷。这些材料需要沉积在由这种材料制成的圆柱形背衬管上，后者材料具有足够机械强度以支撑其本身和靶长度上支持的可溅射材料。一般，圆柱形背衬管或载体由不锈钢制成。通过多种已知技术中的一种，如电镀、溅射或将载体管浸在熔融可溅射材料内，可实现受支撑材料的沉积。为避免靶类别与在一端或两端支撑可旋转靶的需要相混淆，无支撑靶在下文中称为“自载”靶。出于同一理由，需要使用背衬管的支撑靶在下文中被称为“携载”靶。

Boozenny等人的美国专利5,096,562描述了在磁控管中支撑、旋转、冷却和对圆柱形靶结构提供能量的不同装置。该结构在圆柱形靶结构的每一端采用可移动的支撑轴。一端的第一支撑轴提供并从圆柱体内抽回冷却流体，并且包括使之转动的驱动机构，而另一端的第二支撑轴包括与靶表面连接的电力连接。

Morgan等人的美国专利5,591,314公开了一种改进的设备，能够可释放地将可旋转圆柱形磁控管附接到支撑轴上。本发明人认为，Boozenny等人设计的一个主要缺点是冷冻剂在第一支撑轴与圆柱形靶结构之间界面的泄漏会引起频繁的故障。这种泄漏是由于轴-靶处任一密封一侧承受沉积室内的低压，而密封另一侧承受高的冷冻剂压力。Morgan等人的设备按照推测对Boozenny等人的设备提出改进，通过采用单个冷冻剂密封环提供可移动的缠线连接系统，，当靶连接到支撑轴上时对其施加均匀压力。对于一个优选实施例，靶、轴和缠线由不同的材料制成。

尽管看起来Morgan等人的设备是对Boozenny等人的设备的显著改进，但前者的设计具有几个缺点。首先，缠线的使用要求在圆柱形靶体上加工出螺旋型凹槽，从而弱化了结构。在凹槽最深点的靶圆柱体厚度只有大约1.0毫米(0.030英寸)。其次，靶体密封表面在其圆周边缘上。由于边缘具有很小表面积，它容易产生缺口。密封表面上的缺口容易引起冷冻剂泄漏。第三，靶与轴之间的耦接配置不允许传递大的扭矩载荷。第四，缠线耦接配置不能使其本身在靶与轴之间均匀分布卡紧力。

所需要的是新的圆柱形靶和轴设计，其消除了现有靶和轴的不足。

发明内容

本发明包括一种用于将旋转圆柱形磁控管阴极靶连接到已有的可旋转并带有突缘的支撑轴上的方法和设备。因为本发明可适用于携载式和自载式两种类型的圆柱形靶，“靶”一词应当理解为包括“靶载体”，除非后者被特别声明排除。本发明还可用于一端或两端被支撑的靶。还应当理解，如果靶两端受到支持，用于两端的附接方法和设备或者彼此相同或者是镜像对称。在本发明的磁控管靶中结合有数个设计改进，并且所述附接设备特别设计为将改进的磁控管耦接到现有的带突缘的支撑轴上。

制造改进的磁控管靶和附接设备的目的是，通过减小冷冻剂在支撑轴和靶之间泄漏的可能性，而改进旋转式圆柱形靶和靶载体的可靠性，降低改变安装靶位置所需要的时间，提高靶的结构整体性，并且提供靶-轴一体夹具系统，其提供更均匀的夹紧压力分布，从而允许更大扭矩载荷从轴向靶传递。

改进的靶包括圆周肩，在本发明的一个优选实施例中，该圆周肩包括外延的圆周唇，其在轴的外匹配圆周边之上配合。该唇对靶上的圆周密封表面提供额外的保护，使其不易受到机械破坏。该肩终止于沿圆周向内倾斜的突出阶台内。利用一般为环形的卡环和开缝夹圈将靶和轴耦接在一起，所述卡环具有外部的并面向外的外部圆周螺纹，所述夹圈的一端具有向内倾斜的夹紧突耳，所述夹紧突耳与靶上的突出圆周阶台匹配，并且在另一端具有面向内的内部圆周螺纹，该螺纹与卡环的外螺纹配合。卡环与活动扳手一起旋转，以便接合开缝夹圈的螺纹。在卡环接合轴突缘的后面时，夹圈与卡环一同作用，将靶和轴作为一个一体组件进行牵动。当一起牵动靶和轴时，靶的圆周密封边压挤设置在轴的环形凹槽内的O形环。

附图简要说明

图1为从可旋转支撑轴拆下的改进磁控管靶的剖面图；

图2为图1中改进磁控管靶和轴的剖面图，二者已通过独特的附接设备接合在一起，所述设备包括内部螺拧的开缝夹圈和外部螺拧的卡环；

图3为卡环的后视图；

图4为卡环的侧视图；

图5为两件式开缝夹圈的主视图；

图6为第一半开缝夹圈内部的侧视平面图；

图7为第二半开缝夹圈内部的侧视平面图；

图8为改进的靶、轴和附接设备部件的分解图；

图9为两件式第二实施例靶的剖面图；

图10为两件式第三实施例靶的剖面图；

图11为两件式第四实施例靶的剖面图；和

图12为图11的环形区域12的放大图。

具体实施方式

本发明包括改进的圆柱形磁控管靶及用于将改进靶的至少一端连接到可旋转支撑轴上的设备与方法。在双支撑系统的情况下，靶与一对支撑轴连接，一个支撑轴连接靶的一端。还是在双支撑系统的情况下，两个轴-靶界面彼此或者相同或者镜像对称。现在结合图1-8详细说明靶、附接设备和该设备的使用方法。

现在参照图1，可旋转支撑轴100和改进的磁控管靶对齐以组装成为一个单元。支撑轴100通常以轴线101对称，包括在其靶附接端的圆周突缘102，所述突缘具有后面103和前面104。突缘102的前面104具有圆周凹槽105，其中插入可压缩的O形环密封106。应当注意到，支撑轴100安装有轴向孔107，冷冻剂可以通过轴向孔被泵送到靶室201内。改进的磁控管靶200也围绕轴线101径向对称，在其轴附接端具有圆周唇202，所述唇配合在轴突缘102的前边108之上。唇202便于靶200在支撑轴100上的精确轴向定位，并且保护圆周密封表面203，该表面与O形环密封106接触，避免刮擦、刻痕和缺口形式的机械损坏。当两个单元接合时，如果密封表面203被破坏，O形环106可能不会有效密封支撑轴100与靶200间的接合处。唇202从圆周肩204延伸，所述圆周肩终止于向内倾斜的突出阶台205内。

现在参照图2，示出作为一体组件的支撑轴100和磁控管靶200，二者利用本发明的附接设备接合。靶-轴附接设备包括与靶200同轴的卡环206和开缝夹圈，所述夹圈包括第一半夹圈207A和第二半夹圈207B。卡环206的尺寸使其能够在轴杆108上滑动，因此它可以相对轴突缘102的后面103轴向旋转。卡环206具有横截面大致为平行四边形的外部圆周螺旋形螺纹208，该螺纹倾斜离开轴突缘102。卡环206还包括围绕其周边的多个凹槽209，可以与活动扳手(未示出)接合。开缝夹圈207A/207B的一端具有向内倾斜的夹紧突耳210，与靶200的突出圆周阶台205接合。开缝夹圈207A/207B的另一端具有向内倾斜的内部螺旋型圆周螺纹211，其横截面也为平行四边形，向轴突缘102的后部看去，当卡环206逆时针旋转时与卡环的外螺纹208接合。当卡环206进一步旋转时，卡环206最后压向轴突缘102的后面103，从而向支撑轴100牵动开缝夹圈207A/207B的夹紧突耳210，并夹紧作为一体组件的支撑轴100和改进的磁控管靶200。更清楚示出不同部件的其余视图阐明了附接设备的结构及其实施。

现在参照图3和图4，更详细地示出卡环206的结构。外螺纹208示出为左旋的，但是，如果在两端支撑靶，它可以认为是适于使用用于相对轴的右旋结构螺纹。在任何情况下，可以对每个靶-轴界面选择螺纹的右旋或左旋，当一体的支撑轴100和磁控管靶200组件加速操作旋转速度时，以最大减小每个卡环206松开的可能性。

现在参照图5、6和7，更详细地示出开缝夹圈207A/207B的结构。尽管夹圈可以构成为两个以上的弓形部件，两个180度的部件最方便，因为在组装时必须将较少的部件保持在适当位置。当半个夹紧夹圈207A和207B的端部配合在一起以便对齐半夹圈的每个夹紧突耳210时，半夹圈207A或207B的内螺纹211与另一个半夹圈的内螺纹续上。为了正确将夹圈207A/207B安装在改进的靶200上，两半夹圈在靶200上滑动，并且利用保持在轴100表面的靶200，两个半夹圈207A/207B向轴滑动，直至夹紧突耳210接合靶200的圆周阶台205。卡环206然后逆时针旋转，直至其外螺纹208与开缝半夹圈207A/207B的内螺纹接合。卡环206的进一步旋转最后将半夹圈207A/207B和接合的靶200固定到支撑轴100上。

现在参照图8，示出整个支撑轴/靶组件和附接设备的分解图。从该图和前述说明和阐释中，各种组件的功用应当十分清楚。还应当明显的是，公开的轴附接设备能够快速有效地将改进靶200附接到支撑轴100。

对于本发明的当前优选实施例中，卡环由303号不锈钢制成，而靶200、开缝半夹圈207A/207B由304号不锈钢制成。当接合力施加在卡环螺纹208和开缝夹圈螺纹211之间时，材料的不同有助于防止摩擦粗糙面的产生。靶200包括唇202和圆周肩204，尽管靶200的确能用实心不锈钢块加工(第一制造方法)，使用更经济的制造方法来制造唇203和肩204，作为成组的环形组件，然后将环形组件附接到不锈钢靶管。目前至少有三种方法可以实现这一目的。

图9示出第二种靶制造方法。第一环形件901与唇202、肩204和突出阶台205形成一体，在接合处903第一环形件901对接焊到第一实施例靶902上。图10示出第三种靶制造方法。第二环形件1001在靶管1002上滑动并在插接焊缝1003处附接到靶管1002上。

图10示出第三种靶制造方法，可以利用或不利用第二环形件1001的热感膨胀来实现。换言之，第二环形件1001可以设置直径尺寸，因此其以很小的干涉配合在不锈钢第二实施例靶管1002上滑动，或者这样设置尺寸，其直径小于靶管的直径。环形件然后可以通过加热而膨胀，在靶管1002上滑动，然后可冷却到室温。收缩/干涉配合可以通过焊接插销1003增大，该插销使第二环形件1001和第二实施例靶管1002结合成为一体。

图11和12示出第四种靶制造方法。第三环形件1101设有内螺纹1201，而第三实施例靶管1102设有外螺纹1201，其与内螺纹1201配合。第三环形件1101内的O形环凹槽1203的尺寸可接收O形环1204，其密封第三环形件1101和第三实施例靶管1102之间的接合处。

尽管这里只示出及描述数个本发明实施例，对本领域普通技术人员很明显，可以作出改变和修正，而不偏离下面要求保护的本发明的范围和精神。

Claims (12)

1.一种用于将圆柱形磁控管靶附接到可旋转支撑轴上的设备，所述设备包括：

支撑轴结构，包括靶附接凸缘，所述凸缘具有后面和前面，并包括圆周凹槽，O形环密封插入所述凹槽；

圆柱形靶结构，在其轴附接端具有圆周肩，所述肩终止于向内倾斜的突出圆周阶台内，所述阶台的朝向离开所述轴附接端；

包括弓形部件的夹圈，共同设置所述夹圈的尺寸以便通常并同轴围绕所述靶，所述夹圈包括向内倾斜的夹紧突耳和至少一个向内倾斜的内部螺旋形圆周螺纹，所述夹紧突耳与靶的突出阶台接合，所述螺纹与所述夹紧突耳隔开；和

卡环，其尺寸设置得可以在轴上滑动并可相对轴突缘的后面旋转，所述卡环具有外部螺旋型圆周螺纹，所述螺纹从轴突缘倾斜离开，所述卡环的外螺纹与夹圈的内螺纹接合，当卡环沿螺纹接合方向旋转时，以便向突缘拉动夹紧突耳和接合靶。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述卡环的外螺纹和夹圈的外螺纹通常具有平行四边形横截面。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述夹圈包括一对180度的弓形部件。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述卡环的外螺纹和夹圈的内螺纹为左旋结构。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述卡环的外螺纹和夹圈的内螺纹为右旋结构。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述圆柱形靶结构还包括在其轴附接端部的圆周唇，所述唇配合在轴突缘的前缘之上。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述卡环安装有多个围绕其周边的活动扳手接合凹槽。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述圆柱形靶结构还包括内周边密封表面，所述表面与O形环密封配合。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述圆周唇距离密封表面最近，以便对后者提供保护，避免机械损坏。

10.如权利要求1所述的设备，其中，所述圆柱形靶结构的唇、肩和突出阶台制成整体的环形件，并且顺序附接到圆柱形管上。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述整体环形件在圆柱形管上滑动并且插入焊接在该管上。

12.如权利要求10所述的设备，其中，所述整体环形件对接焊在圆柱形管的端部。

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