[发明专利]一种超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统

说明书

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 apparatus equipped 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：