专利名称：靶冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光沉积装置，包括至少一个靶、与所述至少一个靶相对布置的基底以及用于产生激光束的激光器，所述激光束指到所述靶上，使得靶材的等离子体羽流 (plume)被产生并且沉积到所述基底上。背景知识激光沉积，特别是脉冲激光沉积(PLD)是用于将覆层布置在目标上的已知技术。 通过该技术，靶材的材料被激光烧蚀，使得该靶材的等离子体羽流被产生。该等离子体羽流随后沉积到基底上，从而导致在基底上的靶材的覆层。PLD首先开发用于涂覆小尺寸基底表面，典型地为10毫米乘10毫米。这典型地使用在研究环境中，其中小尺寸基底涂覆有高薄膜质量的所有种类的材料。源自该研究，出现涂覆更大表面的需求。这已经导致创新的技术，通过该技术能够涂覆具有若干英寸或更大的典型直径的表面。为了通过PLD以恰当的材料特性(比如晶体结构和织构)涂覆某些基底材料，常常必需将基底加热到典型的为200°C -1000°C的温度。当将大约IOX 10毫米的小尺寸基底表面加热达到200°C -1000°C时，热辐射不会过多地影响与基底材料相对布置的靶材。但是，当基底表面的尺寸增大时，热辐射也增大， 从而导致对靶材的不可接受的影响。这可能导致靶材的成分的过早蒸发，使得位于基底上的沉积覆层是与靶材的初始组分不同的另一组分。另一个问题是靶破裂。靶材可能是具有差的热传导的材料。当这种材料被加热时， 材料中的温度差异可能导致材料中的裂纹。如果靶材由于加热而经受相变则也能够发生破裂。如果在靶材与靶板之间的结合材料具有不同的热膨胀系数则也能够发生破裂。在其他情况下，由于所使用的PLD技术，靶材不得不移动或转动。在这种情况下， 冷却移动的靶是困难的。与加热大尺寸基底表面相关的第三个问题是不但靶材而且周围的真空腔和热敏部件(比如电机和橡胶配件)被加热到非期望的温度。以上提及的缺点通过本申请人的另一发明至少部分地解决，该发明在较早的、非公布申请中被描述。根据该较早的发明，基底与靶之间布置有热屏蔽装置用于使靶免于被加热的基底加热。热屏蔽装置包括至少用于所产生的等离子体羽流通过的至少一个通道开尽管该较早的发明明显减小了对靶材的加热，但是在一些条件下靶材仍被加热到非期望的温度。
发明内容
因此，本发明的目的是进一步减小或甚至阻止对靶材的加热，使得高温大面积的 PLD是可能的。该目的通过本发明实现，其特征在于基部框架、具有布置在所述基部框架中的至少两个靶保持器的可旋转靶框架以及布置于所述基部框架上的至少一个冷却装置，所述冷却装置能够相对于所述靶框架移动以使所述冷却装置与所述靶框架热交换接触。通过将所述冷却装置布置于所述基部框架上，所述冷却装置是固定的。这有利于例如供给线路与所述冷却装置的可靠连接。另外，通过使所述冷却装置能够相对于所述靶框架移动，使所述冷却装置能够与所述靶框架热交换接触并且能够分离，使得所述靶框架能够旋转以带来与所述基底相对的另一个靶。由所述靶吸收的热量通过所述靶框架散失至所述冷却装置。这确保所述靶在沉积期间被冷却。在根据本发明的装置的实施例中，所述靶保持器包括用于安装靶材的安装基部和布置于所述安装基部上的轴，其中所述轴安装在所述可旋转靶框架上。特别是对于在大尺寸基底表面上沉积，常规的是在沉积期间旋转靶。这确保从所述靶均勻地烧蚀靶材。根据本发明，所述靶材布置在安装基部上，所述安装基部具有用于使所述安装基部旋转以及由此使所述靶旋转的轴。优选地，所述靶保持器的所述轴的横截面与所述靶保持器的表面的比率小于 1 4。通过具有相对于所述靶的所述表面的较粗的轴，由所述靶带走的热量通过所述较粗的轴容易地散失至所述靶框架，所述靶框架又与所述冷却装置热交换接触。在根据本发明的装置的优选实施例中，所述可旋转靶框架包括具有主轴的盘，并且其中所述至少两个靶保持器布置于所述盘上。所述盘状靶框架具有大热容的优点并且还具有提供用于位于所述盘状靶框架的相对侧上的目标的热屏蔽装置的优点。其还提供用于所述靶和其他部件的坚固的安装基部以及用于所述冷却装置的足够的接触面积。在另一优选实施例中，所述冷却装置和/或所述可旋转靶框架灵活地布置于所述基部框架上，以补偿所述冷却装置与所述靶框架之间的对准差异。在本发明的又一实施例中，所述冷却装置被弹簧安装于所述基部框架上。通过利用弹簧将液体冷却块布置于所述基部框架上，所述冷却块能补偿小的尺寸差异和对准差异，以确保所述冷却快与所述靶框架的完全热交换接触。由于激光沉积典型地在真空中执行，因此通过对流发生的热散失是最小的并且所有热交换必需通过直接接触。在本发明的又一优选实施例中，所述冷却装置包括还少一个液体冷却块。通过液体，大量的热量能够容易地传递至所述激光沉积装置的外部。在又一实施例中，根据本发明的所述激光沉积装置包括用于加热所述基底的加热
ο在本发明的又一优选实施例中，热屏蔽装置围绕所述至少一个靶布置，所述热屏蔽装置包括用于所述激光束和所产生的等离子体羽流通过的开口。优选地，所述热屏蔽装置是圆筒形本体，从而包封所述至少一个靶。这种热屏蔽装置还减小对所述靶的加热，而且由于所述热屏蔽装置与所述靶框架直接接触并且相应地与所述冷却装置直接接触而提供了围绕所述靶的冷却腔。
将结合附图进行阐明本发明的这些和其他特征。
图1示出了本发明的第一实施例的截面图和立体图。图2示出了沿着图1中所示的线II-II的截面图。图3示出了本发明的第二实施例的立体图。图4示出了根据图2的实施例的变型。图5以截面图示出了本发明的第三实施例。
具体实施例方式图1示出了本发明的第一实施例1。该实施例包括真空腔2。在该腔2中，布置有基部框架3。靶框架4垂于该基部框架3下方。该靶框架4具有轴5，该轴可旋转地布置在基部框架3中。轴5由致动器6驱动，该致动器也能够使轴5沿轴向方向移动。四个靶保持器7通过相应的轴8布置在靶框架4上。齿轮9布置在每根轴8的端部处。该齿轮9由马达10通过第二齿轮11驱动。基底12布置在靶保持器7中的一个的下面。该基底12安装在轴13上，该轴由马达14通过齿轮15和16驱动。当实施激光沉积时，激光束17通过位于真空腔2中的窗口 18指到靶7上。靶材被加热并且产生靶材的羽流19。该羽流19随后沉积到基底12上。为了在基底12上具有均勻的层，激光束17沿径向方向在靶表面7上移动，同时基底12由马达14旋转。同时靶保持器7旋转，使得靶材7由激光束17均勻地烧蚀(ablate)。多个冷却块20与靶框架4接触以冷却靶材。这些冷却块20通过弹簧21安装于基部框架3并且通过致动器6向上拉动靶框架4而被压到靶框架4上。图2中示出了沿着图1的线II-II的截面图。从该图2清楚的是能够通过提升靶框架4将冷却块20压到靶框架4上。冷却块20具有曲折沟槽21，通过供给线路22对该曲折沟槽供应冷却液体。来自靶材24的热量散失至靶保持器7、较粗的轴8以及靶框架4。该靶框架4是热传导材料盘， 其将热量从靶24传导至冷却块20。冷却块20中的液体随后被加热并且该加热的液体被通过排放线路23排放。本发明的优点是冷却块20能够固定到基部框架3上，同时靶框架4仍能够旋转。 如果例如必需使用另一种靶材24，则靶框架4通过致动器6降低，随后旋转使得正确的靶材24位于基底12上，并且最后靶框架4再次向上移动，使得固定的冷却块20压靠靶框架 4而处于热交换接触中。图3示出了本发明的第二实施例30。由于该实施例的其他部件与图1和图2的实施例相对应，仅示出了可旋转靶框架31。四个靶保持器32布置在靶框架31上。每个靶保持器32能够旋转并且承载靶材 33。圆筒形壳体34围绕每个靶保持器32布置。该圆筒形壳体34包封相应的靶保持器32并且与靶框架31热交换接触。这产生围绕靶保持器32的冷却空间。每个圆筒形壳体34设有狭槽状开口 37用于激光束35和靶材33的等离子体羽流 36的通过。壳体34减小了介于设置在靶框架4上的四个靶材33之间的交叉污染。
可选地，狭槽状开口 37能够对未被使用的靶保持器32封闭。这恰好阻止了对靶材33的污染。图4示出了根据图2的实施例的变型。相同的特征已经提供有相同的附图标记。在根据图2的实施例的该变型中，冷却块20直接布置于基部框架3上。为了仍然能够考虑尺寸差异和对准差异，使靶框架4的轴5旋转和平移致动器6已经通过弹簧40被弹簧安装到基部框架3上。由此，靶框架4能够相对于基部框架3倾斜。图5示出了根据本发明的激光沉积装置的第三实施例50。该第三实施例的与根据图2的实施例的特征相对应的特征已经提供有相同的附图标记。在该第三实施例50中，基部框架3已经设有竖直的周向壁51。该壁51围绕靶框架4布置。在竖直壁51上，布置两个冷却块52。每个冷却块52具有底部分53，由供给线路 54和排放线路55供应的冷却液体流过该底部分。冷却块52的顶部分56由底部分53中的杆57引导。该导向杆57确保顶部分56和底部分53保持彼此对准并且还有助于顶部分 56与底部分53之间的良好的热传递。能通过与图2的冷却块20相似的单独的冷却线路单独冷却顶部分56。同样，能具有布置在图2的冷却块20中的导向杆，以使这些冷却块相对于基部框架3对准。弹簧58布置在顶部分56与底部分53之间，使得冷却块52的顶部分56与靶框架 4之间的对准差异或尺寸差异能够被考虑到。
权利要求
1.激光沉积装置，包括至少一个靶、与所述至少一个靶相对布置的基底以及用于产生激光束的激光器，所述激光束指到所述靶上，使得靶材的等离子体羽流被产生并且沉积到所述基底上，其特征在于基部框架、具有布置在所述基部框架中的至少两个靶保持器的可旋转靶框架以及布置于所述基部框架上的至少一个冷却装置，所述冷却装置能够相对于所述靶框架移动以使所述冷却装置与所述靶框架热交换接触。
2.根据权利要求1所述的激光沉积装置，其中，所述靶保持器包括用于安装靶材的安装基部以及布置于所述安装基部上的轴，其中，所述轴安装在所述可旋转靶框架中。
3.根据权利要求2所述的激光沉积装置，其中，所述靶保持器的所述轴的横截面与所述靶保持器的表面的比率小于1 4。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积装置，其中，所述可旋转靶框架包括具有主轴的盘，并且其中，所述至少两个靶保持器布置于所述盘上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积装置，其中，所述冷却装置和/或所述可旋转靶框架灵活地布置于所述基部框架上，以补偿所述冷却装置与所述靶框架之间的对准差异。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积装置，其中，所述冷却装置被弹簧安装于所述基部框架上。
7.根据权利要求6所述的激光沉积装置，其中，所述冷却装置包括至少一个液体冷却块。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积装置，包括用于加热所述基底的加热ο
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积装置，其中，热屏蔽装置围绕所述至少一个靶布置，所述热屏蔽装置包括用于所述激光束和所产生的等离子体羽流通过的开口。
10.根据权利要求9所述的激光沉积装置，其中，所述热屏蔽装置是圆筒形本体，从而包封所述至少一个靶。
全文摘要
本发明涉及激光沉积装置，包括至少一个靶，与所述至少一个靶相对布置的基底以及用于产生激光束的激光器，所述激光束指到所述靶上，使得靶材的等离子体羽流被产生并且沉积到所述基底上，所述激光沉积装置还包括基部框架、具有布置在所述基部框架中的至少两个靶保持器的可旋转靶框架以及布置于所述基部框架上的至少一个冷却器装置，所述冷却装置能够相对于所述靶框架移动，以使所述冷却装置与所述靶框架热交换接触。
文档编号C23C14/54GK102459689SQ201080035099
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月23日 优先权日2009年6月25日
发明者J·A·扬森斯, J·J·布鲁克玛特, J·M·德克斯 申请人:索尔玛特斯有限责任公司