专利名称:溅射涂层设备用的靶中的阴极/接地屏蔽配置的制作方法
本发明一般涉及在衬底上沉积涂层用的设备，更具体地说，涉及一种溅射涂层设备用的靶中的阴极/接地屏蔽配置。
使用溅射涂层设备的一个领域是加工核燃料芯块。如核反应堆技术中所熟知的，通常为正圆柱形的核燃料芯块包含诸如二氧化铀、二氧化钍、二氧化钚或其混合物之类的裂变物质。一叠首尾相接地放置在一根包覆管(通常由锆合金或不锈钢制成)中的此类芯块构成一根燃料棒;一个组合在一起的此种燃料棒的阵列组成一个燃料组件;而许多个组合在一起的此种燃料组件组成一个核反应堆的堆芯。
同样熟知的是，利用把最初较大量的裂变物质与计算好的较小量的可燃中子吸收体(在核反应堆技术中也称为可燃毒物)结合在一起的办法，可以延长核燃料组件的寿命。可燃中子吸收体是诸如硼、钆、钐、铕之类的物质，它们具有高的中子吸收概率(或截面)，而它们在吸收中子时，生成对中子实际上透明的中子俘获截面足够小的同位素，始终不产生新的或额外的中子。于是中子吸收体在燃料组件的寿命初期平衡了裂变物质的较大量，而在反应堆运行期间，它的量逐渐减少。这导致处于相当恒定的裂变水准的燃料组件具有较长的寿命，这转过来又意味着减少了费时费钱的燃料组件置换操作，即减少了反应堆燃料更换操作。
在申请人的美国书NO.4，587，088和NO.4，560，462中分别公开了在核燃料芯块上溅射沉积可燃毒物层的一种方法和一种设备。在美国书NO.3，562，140和NO.3，632，494和NO，4，080，281中公开了在其它种类的产品上沉积涂层用的溅射设备。
在典型的于核燃料芯块之类衬底上沉积涂层的溅射过程中，在包括一个阳极、衬底和一个靶阴极的真空室中引入了一种惰气。在阳极和靶阴极之间加上了高压。气体分子被电离并打击靶阴极，从而使靶阴极的原子和分子从其表面上溅射。衬底位于拦截这种溅射的靶物质的位置，后者在击中衬底时在衬底上面形成一层附着的涂层。溅射通常是一种视线涂层过程。
在申请人的上述美国书NO.4，560，462中所公开的设备中利用了几个靶，每个靶包括一个阴极，在阴极的上表面上安置了通常为矩形瓦形式的二硼化锆靶物质。阴极通常用铜制成，内部安置了磁性材料，以便将电子集中在阴极附近。这种集中增强了碰撞阴极顶面上带负电的靶物质的氩离子的产生。必须保护阴极的其余部分不受氩离子的轰击，以免阴极材料本身受到溅射。因此，阴极的这些其余表面利用一个接地屏蔽来进行屏蔽，后者带正电。因此收集电子而排斥氩离子。接地屏蔽和阴极用形成于其间的间隙彼此隔开，间隙通常要有足够的宽度，以避免在间隙中产生电弧。但间隙又要足够小，以避免产生等离子体。因为电子将不具备足够的能量去电离氩。
在这种靶的使用中遇到一个问题，这个问题被发现是由于多孔靶瓦和涂层的核燃料芯块的漏气所引起的。人们发现，这种漏气能在溅射涂层设备中产生相对湿度异常高的状态，这一点转过来能够使阴极短路并使阴极和接地屏蔽之间的间隙产生电弧。人们同时发现这样形成的电弧有时非常严重，以致于造成接地屏蔽中冷却水通道的渗透，从而漏水。
本发明的主要目的是减轻这一问题，因此，本发明属于一种溅射涂层设备用的靶，它包括一个阴极和一个接地屏蔽，阴极有一个在其上面配置了溅射靶物质的外表面，接地屏蔽与阴极有联系，它对阴极的空间位置关系是使两者之间形成一个将阴极和接地屏蔽互相隔开的间隙，这种靶的特征在于，该间隙完全填满了电绝缘材料。
将间隙完全填满到不留下可觉察的空间的绝缘材料，即使在相对湿度很高的状态下，也能防止间隙中的介电击穿和产生电弧。最好是，绝缘材料为氧化铝之类的陶瓷绝缘材料。
在通向阴极和接地屏蔽之间的间隙的入口暴露于落到阴极上的溅射物质松散屑片的地方，如果此种屑片桥接间隙，那么在阴极和接地屏蔽之间仍然能够发生短路。如果发生了这种短路，就必须暂时关闭涂层设备，并清除落入的溅射物质屑片，这造成相当大的费用和时间的损失。
因此，为了避免这种问题，体现本发明的靶包括安装在承载溅射靶物质的阴极外表面周边部分上的机构，它形成一个连续的周围凸缘，该凸缘侧向向外延伸，超出上述周边部分，悬在阴极和接地屏蔽之间的间隙及接地屏蔽毗邻边缘的上面。
有了这种配置，外悬的凸缘将防止溅射物质松散屑片桥接间隙，并从而防止阴极与接地屏蔽的短路;任何掉落在阴极上的此种松散屑片将无害地停留在阴极上或外悬的凸缘上，或是被重新溅射，或是最终掉落到设备的底面上。
现在仅仅作为例子参考附图描述本发明的一个最佳实施例，图中图1是溅射涂层设备的示意图;
图2是表示溅射涂层设备的转筒从溅射室中退出的示意图;
图3是当观察转筒内部时设备的显示了两个下静止靶的敞开的溅射室下部的局部前透视图;
图4是显示了两个上静止靶的转筒的后透视图;
图5是沿图1中5-5线截取的截面示意图，图示了与静止的上靶和下靶一起的转筒上的包含芯块的托架;
图6是一个图5中所示托架的部分舍去的顶视平面详图;
图7是以前使用的早期设计的静止靶的放大顶视平面图，其中阴极和接地屏蔽之间的间隙的入口暴露于落在靶上的溅射物质松散屑片;
图8是沿图7中8-8线截取的垂直纵向截面图;
图9是体现本发明的包括一个外悬凸缘的静止靶的局部顶视平面图;
图10是沿图9中10-10线所见的局部侧视图;
图11是图9和图10的靶的接地屏蔽按较小尺度表示的顶视平面图;
图12是沿图11中12-12线截取的接地屏蔽的垂直纵向截面图。
在下列描述中，相同的参考符号表示所有几幅附图中相同或相应的部件，而诸如“向前”，“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”之类用语是为方便而使用的词语，不得解释为限制性的用语。
现在参考附图，特别是其中的图1，图中举例说明的通常用参考编号20表示的溅射涂层设备大体上与申请人的上述美国书NO.4，560，462中描述和举例说明的相同。为了便于全面理解本发明，此处将给予简短的描述。
基本上，溅射涂层设备20包括一个框架22，该框架在靠近端部24处可转动地安装在一个枢轴26上，而其沿框架纵向延伸的隔开位置上的另一端部28，被支承在可以伸缩的油缸30上。设备20还包括在操作上与其相关的溅射室32和溅射机34，两者都固定地安装在框架22的一端24上。
此外，设备20包括一个安装在支承车架38上的转筒36，支承车架38具有轮子40，以便于转筒36在图1和图2所示的位置之间向着和离开静止的溅射室32前后运动。通过驱动与框架上远离枢轴26的另一端28相连接的油缸30使框架22绕枢轴26倾斜，可以使车架38与转筒36一起运动。转筒36也安装在车架38上，以便围绕其纵轴转动。一个同样支承在车架38上的电动机42与转筒36配接，可以运转而使转筒36转动。当转筒36插入溅射室32时(见图1)，与溅射室形成密封。
可以拆卸的托架4(图4和图5)安装在转筒36的周边上，每个托架由上屏蔽网件46和下屏网件48构成，并包含单独一层待涂层的核燃料芯块50，芯块首尾准直成行和列(见图6)。如从图3至图5所见，溅射机34具有安装在溅射室32内的静止的上靶52和下靶54。每个靶52、54包括一个阴极56，在阴极的上表面60上安置了靶瓦58。当包含核燃料芯块50的托架44与转筒36一起转过溅射靶时，最好为二硼化锆的靶瓦58的物质被溅射到核燃料芯块50上成为涂层。控制柜62被用于控制转动电动机42和溅射机34。转筒36作为溅射机的阳极。
现在参考图7和图8，它们图示了一种诸如此处举例说明的那种溅射涂层设备20中原先使用的溅射靶，这种靶基本上由阴极56、许多块靶瓦58和接地屏蔽64组成。阴极56为细长形，通常为矩形，由导电材料制成。由诸如二硼化锆之类脆性的溅射物质构成的靶瓦58被安置在阴极的上表面60上，成为被止动圈65限制在位置上的靶瓦层，止动圈65安装在阴极56的上部周边部分66上，围绕着靶瓦层58。
接地屏蔽64由导电材料构成，为盒形，由底壁68和侧壁70组成，底壁和侧壁在一起形成一个在顶部73处敞开的空腔72。空腔72的内部大于阴极56的外部，使得当阴极被放入空腔并被支承于其中(例如用绝缘块74支承于接地屏蔽64的底壁68上)时，阴极56由于在阴极56与接地屏蔽64的底壁68和侧壁70之间形成的间隙76而与接地屏蔽相隔开。在其内部带有如此安置的阴极56的接地屏蔽64，在其所有的侧壁78和底壁80上封闭了阴极，但在其敞开的顶部73上却使靶瓦层58暴露着。换句话说，除了阴极上表面60上的靶瓦层58外，阴极的所有表面都被保护而受不到氩离子的轰击和溅射。
如从图7和图8中所见，与这种早期的靶设计相联系的接地屏蔽64的侧壁70具有向内的上法兰盘82，它围绕阴极56而设置，间隔地悬空在阴极上的止动圈65之上，使得如图8中箭头A所示，接地屏蔽64和阴极56之间的间隙76在直接面对接地屏蔽64的敞开顶部73的方向上是敞开而可以进入的。这就是二硼化锆屑片将从靶52、54上方的位置掉落到阴极56上的方向。因为接地屏蔽64的上法兰盘82一方与阴极56上的靶瓦58和上周缘止动圈65另一方是带相反电荷的，所以掉落在靶上并桥接间隙76从而使法兰盘82和止动圈65或靶瓦58相接触的屑片将使阴极和接地屏蔽短路。
现在参考图9至图12，图中示有体现本发明的靶100。这种靶100除了现在要描述的特点以外，基本上与上面描述的那种相似。如从图9至图12所见，靶100的接地屏蔽84与上面描述的接地屏蔽64不同之处在于，它的侧壁88没有上侧法兰盘，而其上边缘86稍许移到由阴极56与靶瓦58及上面的制动圈65一起形成的靶的上周边之下。
此外，靶100包括形状为周缘条板90的机构，条板90安装在止动圈65上，因而也安装在阴极表面60的周边部分66上，并形成一个连续的周围凸缘94，该凸缘侧向向外延伸在阴极表面周边部分66之上，因此间隔地悬空在间隙96和接地屏蔽84的侧壁88的上边缘86之上。如图所示条板90是利用紧固件92连接到止动圈65上。因此，凸缘94保护了间隙96不暴露于直接面向接地屏蔽84的敞开顶部98的方向A，而实际上将间隙入口的位置重新确定到靶100的侧面以暴露于面对接地屏蔽84的侧壁88的方向B(图10)。因此，任何掉落下来的二硼化锆屑片不可能桥接接地屏蔽84和阴极56(或导电而与阴极同一极性的条板90)之间的间隙96，因为这个间隙是向靶100的侧边敞开的。
按照本发明所述，阴极56和接地屏蔽84之间的间隙96是完全填满电绝缘材料102的，以便即使在靶周围的相对湿度很高的状态下间隙中也能防止介电击穿和产生电弧。完全填满间隙96使得不留下可觉察空间的绝缘材料102，虽然也可以采用诸如硅酸铝和派热克斯耐热玻璃之类其它合适的陶瓷绝缘材料，但最好采用由氧化铝构成的陶瓷绝缘材料。
权利要求
1.一种溅射涂层设备用的靶，它包括一个阴极和一个接地屏蔽，阴极有一个在其上面配置了溅射靶物质的外表面，接地屏蔽与阴极有联系，它对阴极的空间位置关系是使两者之间形成一个将阴极和接地屏蔽互相隔开的间隙，这种靶的特征在于，该间隙(96)完全填满了电绝缘材料(102)。
2.一种如权利要求
1所述的溅射涂层设备用的靶，其特征在于，上述绝缘材料(102)为陶瓷绝缘材料。
3.一种如权利要求
2所述的溅射涂层设备用的靶，其特征在于，上述陶瓷绝缘材料由氧化铝构成。
4.一种如权利要求
1、2或3所述的溅射涂层设备用的靶，其特征在于，阴极(56)具有安装在上述阴极外表面(60)的周边部分(66)上的机构(90)，该机构形成一个连续的凸缘(94)，该凸缘向外延伸，超出上述周边部分(66)，悬在上述间隙(96)和与周边部分(66)隔开的接地屏蔽(84)毗邻边缘(86)的上面。
5.一种如权利要求
4所述的溅射涂层设备用的靶，其特征在于，形成上述凸缘(94)的机构(90)由在上述阴极的周边部分(66)之上的沿周缘围绕上述阴极(56)的外表面(60)延伸的条板配置而成。
6.一种如权利要求
5所述的溅射涂层设备用的靶，其特征在于，上述溅射靶材料(58)与一个止动圈(65)相结合，该止动圈围绕溅射靶材料并被支承在上述阴极(56)外表面(60)的上述周边部分(66)上，上述条板(90)被紧固在上述止动圈(65)上。
专利摘要
一种溅射涂层设备用的靶，它包括一个在其上面设置了带溅射靶物质(58)的表面的阴极(56)和一个由间隙(96)与阴极隔开的接地屏蔽(84)。间隙(96)填满了一种即使在高湿度下也能防止间隙中产生电弧的电绝缘材料(102)。安装在阴极表面的周边部分(66)上的条板(90)形成一个连续的周围凸缘(94)，它悬在间隙(96)入口和接地屏蔽的毗邻边缘(86)之上，从而防止溅射靶物质的松散屑片桥接间隙而使阴极与接地屏蔽短路。
文档编号H01J37/34GK86107820SQ86107820
公开日1987年11月11日 申请日期1986年11月14日
发明者阿尔伯特·丹尼尔·格拉瑟 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan