一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及镀膜参数优化系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及镀膜参数优化系统。本实用新型专利技术的样片腔装置，其特征在于，包括样片腔和多个铜样片，所述样片腔与目标铜腔的形状和尺寸相同；各所述铜样片分别固定在所述样片腔内设定关注的部位。本实用新型专利技术首先将样片腔装置放置于真空腔室内，采用磁控溅射镀膜方法在样片腔装置上镀铌；然后根据固定在所述样片腔装置内的铜样片镀膜确定目标铜腔内表面各位置处对应的镀膜信息，再结合所述镀膜信息优化镀膜参数。本实用新型专利技术通过该样片腔装置进行镀膜实验并对样片进行表征分析，能够优化各个位置处的镀膜参数，为后续整个目标铜腔基底的镀膜提供经验指导。

【技术实现步骤摘要】
一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及镀膜参数优化系统
本技术涉及一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及镀膜参数优化系统。
技术介绍
加速器的全名是“带电粒子加速器”，它是一种用人工方法产生高能带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将正负电子、质子、轻重离子等带电粒子加速，使它们的速度达到接近光速的水平。这种具有相当高能量的粒子束，是人们变革原子核、研究“基本粒子”、认识物质深层结构的重要工具。粒子加速器是一种复杂的高技术工程设备，主要由四个基本部分构成：粒子源、真空加速室、导引聚焦系统、束流输运及分析系统。其中，真空加速室是一种装有加速结构的真空室，在真空中产生一定形态的加速电场，使粒子在不受空气分子散射的条件下得到加速，如高频加速腔。高频系统是加速器的心脏，将电能转换成微波功率，微波功率馈入高频腔，并在其中激励起电磁场，传递给带电粒子，使之得到加速和能量补充。铜镀铌超导腔的研制最终目的是得到一个超导射频性能高的超导薄膜腔，从而这个超导薄膜腔能用于加速器装置中，实现粒子加速。本技术中样片腔装置的设计和加工极大方便了前期铜样片镀膜实验的进行，从而为铜镀铌超导腔的研制提供经验指导，加快实现国内超导薄膜腔在加速器装置中的应用。目前国内的高频腔大部分都是采用纯铌超导材料，纯铌超导腔经过几十年的发展，相关技术已经成熟，加速梯度Eacc已经接近理论极限。因此，如何提高加速梯度和降低加速器的运行成本一直是射频超导领域的研究热点。其中，铌薄膜超导腔的研究开辟出发展超导腔的另一条路径。关于铜铌溅射超导腔的制造，我们在铜腔基底上采用磁控溅射法镀超导铌薄膜，从而得到铜铌溅射超导腔。整个镀膜工艺都是在高真空下进行的。从20世纪80年代开始，国外已经开始了铜溅射铌超导腔的研究，并将铜铌磁控溅射技术运用于各种不同频率和腔型中，且投入到了加速器运行当中。其中，前期的样片镀膜实验，最初都是先进行平面磁控溅射的样片实验(样片也均为平面)或者在腔体的三个典型区域(赤道处，腔与束管的过渡区、束管处)进行样片镀膜实验，虽然操作很方便，但是不能近似模拟具有一定形状的铜基底处各个地方的镀膜情况(包括铌薄膜厚度、形貌、剩余电阻比率RRR值等)，并不能为后期整腔镀膜操作提供有效指导。此后，欧洲核子中心(CERN)进行过四分之一波长腔(QWR腔)的镀膜，由于QWR腔需要镀膜的部分是在腔的内外导体上，除了导体的尖端圆弧部分，其他部位都是直线段，因此前期的样片镀膜实验都是将铜样片固定在支撑体的内外导体对应的位置，直线段的样片固定操作比较方便简单。前期的样片实验如果能最大化代表整腔的镀膜情况，那么做好前期样片实验并优化，即可最大可能保证整腔镀膜的水平，对于铜铌溅射超导腔甚至整个超导腔领域来说，具有里程碑的意义。在国内，铜铌溅射超导腔的研究几乎处于刚起步阶段，21世纪初，国内进行过四分之一波长(QWR型)的铜铌溅射超导腔的研制工作，但是前期没有能有效代表整腔镀膜情况的完整的样片镀膜实验，且镀出来的整腔射频性能未能达到国际水平。因此，在整腔镀膜前，通过样片镀膜实验来摸索并优化镀膜参数至关重要，直接决定整腔镀膜质量。本技术以1.3GHz铜铌溅射超导腔研究的前期样片镀膜实验为契机，为解决在真空镀膜系统中样片镀膜实验操作中的技术问题，设计并加工了一套用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置，整个装置以促进铜样片镀膜实验的有效进行和整腔镀膜的成功为目标而开展。由于国内的铜铌溅射超导腔的研究几乎处于刚起步阶段，前期没有一个能较好代表整腔镀膜情况的样片镀膜实验，国内目前大部分采用平面磁控溅射样片的方法，只能观察分析磁控溅射镀膜的效果，虽然操作方便简单，但是整腔镀膜是采用圆柱形的磁控靶且简单的平面磁控溅射镀样片不能模拟具有一定形状的铜基底各个部分的镀膜情况。国际上，欧洲核子中心(CERN)进行过1.5GHz铜铌溅射超导腔的研制，其中关于样片镀膜实验，CERN进行的1.5GHz椭球腔型铜铌溅射超导腔研制，在整腔镀膜之前进行了系统的铜样片镀膜实验，其中所采用的铜样片固定装置的详细技术方案说明如下：对于频率为1.5GHz椭球腔体来说，腔体的赤道部分(equator)场最强，所以赤道部分溅射的铌膜质量非常关键，对整个镀膜腔体的射频性能起决定性作用，从而关于样片镀膜实验，该技术方案只关注椭球腔体赤道处的镀膜情况。由于椭球腔体以同轴铌靶为轴线呈旋转对称，因此对于赤道平面只需关注其中一个点的镀膜情况即可代表整圈赤道平面的镀膜情况。该方案选取不锈钢材料制成与1.5GHz铜腔形状(椭球腔型)相同、尺寸相同的腔体(支撑体)，并选取椭球形状的不锈钢腔体赤道平面的一点来关注镀膜质量，在该点上开口并安装一个可旋转的放置铜样片的样品台装置，总共有4个样品台，该装置每旋转一圈可以镀4个铜样片，用来探究不同放电条件下样片的镀膜情况，从而最大化优化镀膜参数。且由于镀膜工艺是在高真空条件下进行的，所以该技术方案对整个不锈钢腔体进行抽真空处理，不锈钢样片腔外部接触大气环境。其特点为：1.CERN的样片镀膜采用的不锈钢样片支撑体(不锈钢样片腔)是封闭的，未进行打孔，只在关注的赤道部位开一个口，在开口处安装一个放置铜样片的可旋转支架，并对整个不锈钢样片腔进行了密封。2.CERN的样片实验只关注腔体赤道平面的镀膜信息，不锈钢样片腔的设计构造不能关注到整个腔体各个部位的镀膜情况，样片镀膜效率低。3.由于整个镀膜工艺是需要高真空条件，CERN的样片实验保证的是不锈钢样片腔体内是高真空环境。目前为了进行频率为1.3GHz铜腔镀铌超导腔的研究，在铜基底上采用磁控溅射法镀膜的参数必须提前优化，因此需要对镀膜进行样片实验。采用磁控溅射法镀铌，由于磁块在铌靶内会沿腔的束管方向移动且频率为1.3GHz的铜腔基底不同位置处离中心轴的距离不一样(除了束管部分)，所以铜腔基底不同位置处镀上的铌膜厚度、质量、密度等参数就会不同。做样片实验必须对1.3GHz铜腔各个位置处的镀膜参数进行测试并优化，因此要求必须具备与1.3GHz铜腔相同尺寸和腔型的样片腔支撑不同位置处的铜样片，方便各位置处的镀膜，从而得到各个位置处的镀膜参数并进行优化，为下一步实现1.3GHz铜腔溅镀上质量好、超导性能高的铌薄膜做好准备。总而言之，本技术要解决的技术问题是设计并制造出一套用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置，这一套样片腔装置的设计及制造始终围绕方便铜样片在真空中磁控溅射镀膜操作的核心而开展，需同时解决如下技术问题：1)能保证铜样片固定在镀膜系统的真空室中，并完成镀膜，即要给铜样片提供一个支撑基底，且在基底上能固定铜样片。2)由于采用真空磁控溅射法镀铌薄膜，镀膜最高温会达到300℃，所以该支撑基底所选用材料必须耐高温。磁控溅射镀铌薄膜是物理气相沉积过程，在铜样片上伴随能量沉积，所以支撑体需要具有较强硬度。3)能保证铜样片所固定在支撑基底上的位置与1.3GHz铜腔各个位置一一对应，最终铜样片支撑基底上各个位置处铜样片的镀膜情况能代表1.3GHz铜腔内表面各个位置处的镀膜情况。4)铜样片镀膜后，需要做表征分析，根据薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置，其特征在于，包括样片腔和多个铜样片，所述样片腔与目标铜腔的形状和尺寸相同；各所述铜样片分别固定在所述样片腔内设定关注的部位。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置，其特征在于，包括样片腔和多个铜样片，所述样片腔与目标铜腔的形状和尺寸相同；各所述铜样片分别固定在所述样片腔内设定关注的部位。


2.如权利要求1所述的样片腔装置，其特征在于，所述样片腔为两个半腔连接构成，所述半腔的接口处设有帽檐(15)，通过加固螺栓和两半腔帽檐(15)上的孔连接两半腔得到所述样片腔，其中所述帽檐(15)位于所述样片腔的赤道区(5)。


3.如权利要求1或2所述的样片腔装置，其特征在于，所述样片腔上各设定关注部位设有用来连接固定铜样片的通孔；所述铜样片的两端设有通孔；所述样片腔的非iris处设置的铜样片两端的孔心距小于所述样片腔的iris处设置的铜样片两端的孔心距；其中，iris区为样...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨馥羽，李中泉，张沛，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11