CN101363115A - 旋转磁控电弧离子镀弧源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用旋转磁场控制弧斑运动的旋转磁控电弧离子镀弧源。在靶材周围空间设有旋转磁场发生装置，旋转磁场发生装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的几个磁极均匀布在同一圆周上，磁极数量为4n或者3n，n≥1，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈套在磁极上或者嵌在相邻磁极之间的槽隙内，采用相位差90°的两相或者相位差120°的三相励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调旋转磁场。本发明通过可调速调幅的旋转磁场控制弧斑的运动，可以改善弧斑的放电形式和工作稳定性，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜，拓展电弧离子镀的应用范围。

Description

旋转磁控电弧离子镀弧源

技术领域

本发明涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用旋转磁场控制弧斑运动的旋转磁控电弧离子镀弧源，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动，提高靶材刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜。

背景技术

电弧离子镀是工业镀膜生产以及科学研究中最重要的技术之一，由于其结构简单，离化率高(70％-80％)，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经济效益和工业应用前景。

电弧离子镀是基于气体放电等离子体物理气相沉积原理的镀膜技术。这种技术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。

真空电弧的行为由阴极斑点所控制。真空弧光放电实际上是一系列电弧事件，由于其快速地连续发生，以至于给人运动电弧的印象，阴极斑点及弧根的运动决定了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小(100～200μm²)，电流密度很高(10⁵～10⁷A/cm²)，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/m²)，因此阴极斑点在作为强烈的电子，金属原子、离子和高速(1000m/s)金属蒸汽发射源的同时，也不断的喷射金属液滴(大颗粒)。

电弧离子镀技术虽然有很多优点，但是由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和寿命。因此有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题对阴极电弧的发展影响很大，成为后期发展的主要论题，也成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。

电弧离子镀的进一步发展要求在工艺设计中考虑对大颗粒的去处或抑制，目前应用较多的是磁过滤技术，主要是利用大颗粒与金属离子质荷比的差别将大颗粒完全阻挡在沉积区外，这种方法虽然可以满足制备高质量薄膜的要求，但是磁过滤技术降低了等离子的传输效率，大大降低了沉积速率，同时需要增加额外的设备，占用很大的设备空间，结构复杂，不能实现大面积沉积这个工业要求，成本很高，不利于应用推广。更重要的是磁过滤技术考虑的是等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。

更为积极的办法是考虑从源头解决问题的措施。改善弧斑的放电形式，提高弧斑的运动速率，降低放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分布在整个靶面上，从而减少大颗粒的发射甚至没有颗粒的发射。

国内外一直在致力于这方面的工作。由于真空电弧的物理特性，外加电磁场是控制弧斑运动的有效方法，不同磁场分量对弧斑的运动影响规律不同，当施加平行于阴极靶面的磁场时(横向磁场，见图1(a))，电弧斑点做逆安培力的反向运动(Retrograde motion)，也就是运动方向和电流力的方向相反(-I×B)，见图1(b)。弧斑的运动速度和横向磁场的强度成抛物线关系，因此可以用来提高弧斑的运动速度。当磁场与阴极表面相交呈一定角度θ的时候(尖角磁场，磁感应强度B，见图1(c))，则电弧斑点1在反向运动上还叠加一个漂移运动(Robson drift)，漂移运动的方向指向磁力线于阴极靶面所夹的锐角θ_B区域，这就是锐角法则(Acuteangle principle)，图1(d)。图1(d)中，Φ_R代表弧斑运动的方向和磁力线与靶面相交线之间的夹角，θ_B≈Φ_R。锐角法则可以用来限制弧斑的运动方向，控制弧斑在靶面上的出现的位置，此法则对弧斑运动的控制、靶材刻蚀得均匀性非常重要。上述规律是磁场对弧斑运动影响的基本规律，也是磁场设计必须考虑的规律。

国际上在电弧离子镀弧源的设计上几乎都离不开磁场的设计，虽然磁场的形式多种多样，但都离不开对这两种规律的综合运用。其中应用最多最常见的方式有俄罗斯弧源和受控弧源结构，这也是国外比较流行两种电弧离子镀膜技术。虽然这些结构可以实现对弧斑的有效控制，限制弧斑的运动轨迹，但是并没有有效的改善弧斑的放电形式，达到比较满意的效果。其中俄罗斯弧源在靶材利用方面比较有效，但是由于磁场位形与靶材结构的特点，并不能很好的抑制颗粒的发射；而受控弧源在减少颗粒发射方面也是有限的，因为它们并没有改变冷阴极弧斑电弧斑点的放电形式，而且长时间刻蚀会在靶面形成刻蚀轨道，浪费靶材。

所有的磁场设计都是考虑在靶面上形成一定的磁场位形，利用锐角法则限制弧斑的运动，利用横向分量提高弧斑的运动速度。一方面尽可能扩大横向分量的面积与强度，一方面限制弧斑的运动。要达到比较满意的效果是很困难的。而且所有的磁场设计都是静态的或者准静态的，磁场本身的变化(频率，速度)对弧斑的影响考虑不多，因此是很难突破相互之间的影响的限制。

Ramalingam在专利WO8503954和US4,673,477中提出了一种动态的磁场设计思路，可以基本实现弧斑在结构简单的大面积靶材上的均匀刻蚀，这种方法是靠永磁体在靶背后的机械转动来改变磁场在靶面的分布，从而影响弧斑在靶面的刻蚀位置的。但是这种方法需要增加一套复杂的机械控制机构；同时，磁场的位性固定、强度难以调解，只是一种机械的运动引起磁场的分布的改变，可调性差，不能有效地改善弧斑的放电，抑制颗粒的发射；而且涉及到密封、冷却等诸多问题，因此难以推广应用。需要一种创新的、突破限制的、并且有效且易于推广的动态旋转磁场控制的电弧离子镀弧源。

发明内容

本发明的目的在于突破传统的静态或准静态的磁场设计以及机械式的动态磁场设计思路，提供一种新型的、可调速调幅的旋转磁场控制弧斑运动的旋转磁控电弧离子镀弧源，用以改善弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜，拓展电弧离子镀的应用范围。

为了实现上述目的，本发明的技术要求是：

1.根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，为了提高弧斑的运动速度、降低放电功率在阴极斑点处的集中，本发明必须能够提供可以调解的平行于靶面的横向磁场分量。

2.为了提高弧斑的放电稳定性，保持放电的连续性，提高利用率，本发明必须能够保持弧斑在靶面内运动而不会跑到靶面外造成熄弧。

3.为了提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，本发明必须能够使得弧斑在整个靶面刻蚀而不是限制在特定的位置处形成刻蚀轨道。

4.为了满足要求1、3，降低放电功率集中，使放电功率分散的分布在整个靶面上，本发明必须能够提供尽可能覆盖大面积靶面的横向磁场分量。

为了满足上述要求，本发明提出了控制弧斑运动的动态旋转磁场的设计思路。

本发明的技术原理是：

通过设计一种合理的旋转磁场结构，在靶面形成合理的旋转磁场位形，旋转磁场在运动过程中，会对阴极斑点前的空间电荷层，离子云的分布进行作用，使得离子云的密度最大处(弧斑存在或者重燃的关键)随着磁场的分布而分布，运动而运动，从而使得弧斑的位置也发生同步的改变。在磁场的频率，强度达到一定的程度时，有可能实现离子云在整个靶面的均匀分布，使具有阴极斑点的分立式的电弧转变为分布式的电弧。

旋转磁场的设计原理是：

一般情况下，在空间相差一定均匀角度的几个(4n或者3n，n≥1)磁极，且磁极上装有几(2或者3)组励磁线圈绕组，当励磁线圈中通过几组相差一定相位(90°或者120°)的励磁电流时，这几个磁极所包围的空间内就会产生旋转的磁场，如图2；其中，图中的U、U′、V、V′、W、W′分别为三相交流电的首尾端，图中(a)—(e)表示不同时刻磁场的分布图，可以看出磁场随着电流的周期变化在不断的旋转。磁场的形态由励磁线圈的安装位置决定，磁场的旋转频率取决于励磁线圈的励磁转换频率，而场强的大小则由励磁电流的大小来调节。

根据上述原理，本发明的技术方案是：

一种旋转磁控电弧离子镀弧源，在靶材周围空间设有旋转磁场发生装置，旋转磁场发生装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的几个(4n或者3n，n≥1)磁极(高导磁率材料)均匀布在同一圆周上，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈套在磁极上或者嵌在相邻磁极之间的槽隙内，采用两相(相位差90°)或者三相(相位差120°)励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调旋转磁场。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，旋转磁场发生装置外观为圆形或者方形，放置于靶材的周围，与靶材同轴，磁场有效区域围绕靶面，旋转磁场发生装置放置于真空室内或者真空室外，旋转磁场发生装置位置可以调解，磁极的形状为圆柱或者方体，磁极的端部形状为直边或者弧形。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，旋转磁场发生装置为在靶材周围均匀对称的安装导磁杆，导磁杆的两个边呈直角或者钝角，导磁杆的形状为方形或者圆形，导磁杆底端连接在导磁环上，导磁杆与导磁环形成一个整体的电磁回路骨架；与导磁杆个数相同的励磁线圈安装在导磁杆的中间部分，形状和导磁杆的形状一致，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，旋转磁场发生装置为磁极均匀的分布在圆形封闭的主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，骨架的材料用高磁导率的材料(电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片)制作，骨架的大小(内径，外径，磁极的大小)根据靶材尺寸、磁极个数和安装方式设计，磁极的形状为方形或者圆形，磁极的顶端端部为直边或者弧形，对称的指向靶材表面中心；励磁线圈套在磁极上或者嵌在相邻磁极之间槽隙内，与磁极个数相同的励磁线圈安装在磁极上，形状和磁极的形状一致，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，励磁线圈套在磁极上时：励磁线圈分为两组，磁极数量为4n，n≥1，相对的励磁线圈为一组，同组的励磁线圈串联成一个导电回路，同组相对的励磁线圈的电流同向或者反向；或者，励磁线圈分为三组，磁极数量为3n，n≥1，相对的励磁线圈为一组，同组的励磁线圈串联成一个导电回路，同组相对的励磁线圈的电流反向。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，两组或者三组的励磁线圈分别采用相位差为90°的两相正弦交流电或者相位差为120°的三相正弦交流电源激励。两组励磁线圈的一端接到两相励磁电流的公共端，两相励磁电流通过单相电裂相90°(电容裂相)而成；或者通过斯考特变压器引出。分为三组的线圈可以用Y型或者△(三角形)接法。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，嵌在相邻磁极之间槽隙内的励磁线圈，按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内，绕组的励磁电流采用相位差为120°的三相交流电源激励，绕组可以用Y型或者△(三角形)接法；在槽隙的布置采用单层、双层或单双层混合布置，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式，不同的嵌线方式产生不同极数和形态的旋转磁场。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，法兰套或者炉体管道之间通过绝缘保护。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，法兰套或者炉体管道采用不导磁的不锈钢制作，法兰套或者炉体管道为空心结构，通冷却水保护；旋转磁场发生装置、法兰套或者炉体管道与靶材三者之间同轴，旋转磁场发生装置在法兰套或者炉体管道上的位置可调。

所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，旋转磁场发生装置中，电流的频率通过变频器调解，电压的大小通过调压器调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调、强度可调的动态旋转磁场，速度通过励磁电流频率调解，强度通过励磁电流大小调解。

本发明的动态旋转控制磁场发生装置有以下特点：

1.本发明的旋转磁场的产生通过在靶材周围空间(真空室内或者真空室外)，采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的几个(4n，n≥1或者3n，n≥1)磁极(高磁导率材料)均匀分布在同一圆周上，并对套在磁极上或者嵌在相邻磁极之间的槽隙内的励磁线圈(绕组)采用两相(相位差90°)正弦交流或者三相(相位差120°)正弦交流励磁顺序供电，电流的频率通过变频器调解，电压的大小通过调压器调解，从而在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调(通过励磁电流频率调解)，强度可调(通过励磁电流大小调解)的动态旋转磁场。本发明通过可调速调幅的旋转磁场控制弧斑的运动，可以改善弧斑的放电形式和工作稳定性，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜，拓展电弧离子镀的应用范围。

旋转磁场的形态由励磁线圈和磁极(骨架)的安装位置决定，本发明的磁极之间连接在一起形成整体的磁路通道，旋转磁场发生装置可以安装在真空室内靶材周围，或者套在围绕于靶材之外的法兰套上。励磁线圈可以套在磁极上(主要对于极数较少的设计)或者按照一定规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内形成各种布线形式的绕组。不同的方式的旋转磁场发生装置具有不同的特点，可根据现有条件选择。

2.本发明的旋转磁场发生装置外观为圆形或者方形，放置于靶材的周围，与靶材同轴，磁场有效区域围绕靶面，装置可以放置于真空室内或者真空室外。磁极的形状为圆柱或者方体，磁极的端部形状为直边或者弧形。

3.本发明的旋转磁场发生装置的磁极个数是4n或者3n(n≥1)个，磁极对称均匀的分布在连接磁环上，磁极与磁环形成一个整体的电磁回路骨架，骨架的材料用高磁导率的材料(电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片)制作，骨架的大小(内径，外径，磁极的大小)根据靶材尺寸、磁极个数和安装方式设计，骨架的厚度不受限制，以能够产生有效地磁场区域为好。放在真空室内的旋转磁场发生装置的磁极的尺寸根据个数及旋转磁场发生装置与靶材之间的空间大小决定，放在真空室外的旋转磁场发生装置的磁极的尺寸根据个数及旋转磁场发生装置与法兰之间的空间大小决定。

4.本发明的旋转磁场发生装置的励磁线圈可以套在磁极上(对于极数较少，空间允许的情况)或者按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内(对于极数较多的情况，一般为6n，n≥2)。对于极数较多的骨架一般采用铁损小、导磁性能好、厚度为0.35～0.5mm的硅钢片冲槽叠压而成，硅钢片的表面涂有绝缘漆，内圆表面冲有均匀分布的槽，绕组线圈嵌放在槽中。槽形有开口、半开口、半闭口等形式。

5.对于励磁线圈套在磁极上的情况，线圈分为两组(对于磁极个数为4n，n≥1情况)或者三组(对于磁极个数为3n，n≥1情况)，相对的线圈为一组，同组的线圈串联成一个导电回路。同组相对的线圈的电流同向或者反向(对于分为三组的线圈只有反向)，但必须保证不同组的串联方式一样，也就是不同组的相对的线圈的电流方向都是同向或者反向(对于分为三组的线圈都是反向)。两组或者三组的励磁线圈分别采用相位差为90°的两相正弦交流电或者相位差为120°的三相正弦交流电源激励；对于按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内情况，绕组的励磁电流采用相位差为120°的三相交流电源激励。分为三组的线圈和嵌在槽隙内绕组可以用Y型或者△(三角形)接法。

6.本发明的旋转磁场发生装置的励磁线圈采用漆包线缠绕或者嵌线制作，套在磁极上的缠绕线圈形状和磁极的形状一致，线圈的线径、大小、匝数不受限制，根据空间允许制作，线圈的厚度小于磁极的长度。嵌在磁极槽中的绕组线圈可以单根或者并绕嵌线，绕组的线径、大小、匝数不受限制，以在槽内固定不松动为好。线圈与骨架之间通过绝缘保护。放置于真空室内的旋转磁场发生装置的励磁线圈采用QZY-2高温漆包线制作，绝缘材料用的F或者H级的耐高温材料。置于真空室外的旋转磁场发生装置没有限制。

7.本发明的旋转磁场发生装置位置可以调解，通过一套调频调压的控制电源供电，电流的频率通过变频器调解，电压的大小通过调压器调解，通过调频调解旋转磁场的速度，通过调压调解旋转磁场的强度大小。

8.本发明的旋转磁场发生装置的两相励磁电流通过两相变频器，调压器调解，通过单相电裂相(电容裂相)而成或者通过三相变频器，三相调压器调解然后由斯考特变压器引出。本发明的三相励磁电流通过三相变频器，三相调压器调解。

9.对于按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内情况，绕组嵌线的形式不受限制，在槽隙的布置可以采用单层、双层、单双层混合等布置；绕组端部的接线方式可以采用叠式或者波式；绕组的端部形状可以采用链式、交叉式、同心式以及叠式等。不同的嵌线方式可以产生不同极数和形态的旋转磁场。

10.本发明置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，与法兰套或者炉体管道之间通过绝缘保护，法兰套或者炉体管道采用不导磁的不锈钢制作，法兰套或者炉体管道为空心结构，通冷却水保护。旋转磁场发生装置、法兰套或者炉体管道与靶材三者之间同轴，旋转磁场发生装置在法兰套或者炉体管道上的位置可调。

本发明具有以下优点：

1、本发明突破了传统的静态或准静态的弧源磁场设计以及机械式的动态磁场设计思路，提供了一种新型的、可调速调幅的旋转磁场控制弧斑运动的电弧离子镀弧源，实现了改善弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹和速度，提高了靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少了靶材大颗粒的发射，满足了制备高质量的薄膜以及功能薄膜的需求，拓展了电弧离子镀的应用范围。

2、本发明的旋转磁场发生装置的实现形式和方案丰富，按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内的线圈的嵌线方式多，能够制作出不同极数、不同形态的旋转磁场，实现控制弧斑运动的多样性，为探索电弧离子镀新的应用和开发不同结构的弧源提供了方便。

3、本发明的旋转磁场发生装置能够提供覆盖整个靶面的旋转横向磁场，结合一定几何结构的靶材，可以实现弧斑保持在靶面内运动而不会跑到靶面外造成熄弧的同时，使得弧斑在整个靶面刻蚀而不是限制在特定的位置处形成刻蚀轨道。而且降低了放电功率的集中，使放电功率分散的分布在整个靶面上，实现了分布式电弧放电，突破了传统电弧离子镀的磁场结构缺点和应用的限制，取得了新的进展和各种可能性。

4、本发明的旋转磁场发生装置通过一套调频调压的控制电源供电，电流频率和大小可调，提供了旋转速度和大小都可单独或者协和的调解的旋转磁场，为控制弧斑的运动提供了多种可能性。

5、本发明中在放置于真空室外的旋转磁场发生装置位置可调，法兰通冷却水保护避免了高温的限制。旋转磁场发生装置与法兰之间独立制作，安装拆卸容易，用的时候只需套上即可。

6、本发明的旋转磁场控制的电弧离子镀弧源配合施加在样品上脉冲偏压、样品附近的用于增加离子密度的聚焦磁场共同使用，可以扩大调节参数的范围，为制备不同性能的薄膜提供条件。同时，可以通过调节参数达到制备高质量薄膜的要求。

7、本发明的旋转磁场控制的电弧离子镀弧源的旋转磁场发生装置成本低廉，外形美观，操作简便，参数可调范围大，易于科研领域和工业生产的推广应用。

附图说明

图1(a)-图1(d)是不同磁场分量对弧斑运动的影响示意图。其中，图1(a)为施加平行于阴极靶面的横向磁场；图1(b)为横向磁场对弧斑的运动的影响(反向运动)；图1(c)为施加与阴极表面相交呈一定角度尖角磁场；图1(d)为尖角磁场对弧斑的运动的影响(尖角法则)。

图2为产生旋转磁场的原理示意图。

图3(a)-图3(b)是实施例1旋转磁场发生装置的示意图。其中，图3(a)为两相交流电流励磁的旋转磁场发生装置；图3(b)为三相交流电流励磁的旋转磁场发生装置；

图4是两相旋转磁场发生装置的控制电路示意图。

图5(a)-图5(b)是实施例1旋转磁场发生装置产生的瞬态磁场分布模拟图。

图6(a)-图6(b)是实施例2旋转磁场控制的电弧离子镀弧源的示意图。其中，图6(a)为旋转磁场发生装置示意图；图6(b)为旋转磁场发生装置与靶材之间位置的示意图。

图7(a)-图7(d)是实施例2旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。

图8是实施例3旋转磁场发生装置示意图。

图9(a)-图9(d)是实施例3旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。

图10是实施例4旋转磁场发生装置示意图。

图11(a)-图11(d)是实施例4旋转磁场发生装置在半个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。

图12(a)-图12(b)是实施例5、6旋转磁场发生装置的示意图。其中，图12(a)为旋转磁场发生装置的骨架示意图；图12(b)为旋转磁场发生的原理示意图。

图13(a)-图13(b)是实施例5、6旋转磁场发生装置的绕组嵌线分布示意图。其中，图13(a)为实施例5的24槽2极单层同心式绕组布接线图；图13(b)为实施例6的24槽4极单层链式绕组布接线图。

图14(a)-图14(f)是实施例5旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。

图15是三相旋转磁场发生装置的控制电路示意图。

图16(a)-图16(b)是旋转横向磁场下弧斑的运动轨迹示意图；其中，图16(a)弧斑的螺旋扩展运动轨迹；图16(b)弧斑的螺旋收缩运动轨迹。

图17是旋转横向磁场磁力线与靶材靶沿相交形成的指向靶面的锐角示意图。

图18(a)-图18(f)是实施例6旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。

图19(a)-图19(b)是实施例7旋转磁场发生装置的示意图。其中，图19(a)是旋转磁场发生装置、法兰套与靶材三者之间形成的夹心结构示意图，图19(b)是图19(a)的侧视图。

图中，1电弧斑点；2靶材；3导磁杆；4导磁环；5线圈；6旋转磁场发生装置；7槽隙；8弧斑运动轨迹；9法兰；10磁极。

具体实施方式

下面通过实施例以及旋转磁场的分布图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

图3(a)-图3(b)是本发明的实施例1旋转磁场发生装置的示意图。其中，图3(a)为两相交流电流励磁的旋转磁场发生装置；图3(b)为三相交流电流励磁的旋转磁场发生装置；如图3(a)-图3(b)结构所示，在真空室内圆柱靶材2周围均匀对称的安装四个或者六个导磁杆3，导磁杆的两个边呈直角或者钝角，导磁杆的形状为方形或者圆形(本例为方形)，大小根据靶材与炉体之间的空间大小决定，导磁杆安装在靶材周围的屏蔽罩(屏蔽罩打孔)上。导磁杆3底端连接在导磁环4上，导磁杆3与导磁环4形成一个整体的电磁回路骨架，骨架的材料用高磁导率的材料(电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片)制作。导磁杆3的顶端端部为直边或者弧形，对称的指向靶材2中心，顶端之间的区域是产生旋转磁场的有效区。导磁杆的高度以顶端底边不超过靶面为宜。

与导磁杆3个数相同的线圈5安装在导磁杆3的中间部分，形状和导磁杆3的形状一致，线圈的线径、大小、匝数不受限制，根据空间允许制作，线圈的厚度小于磁极的长度，线圈与骨架之间通过绝缘保护。线圈采用QZY-2高温漆包线制作，绝缘材料用的F或者H级的耐高温材料。相对的导磁杆3和线圈5为一组，四个导磁杆空间位置相差90°，分为两组，六个导磁杆空间位置相差60°，分为三组，同组的线圈串联成一个导电回路，使得同组相对的线圈的电流同向或者反向(对应不同的磁场分布)，但必须保证不同组的串联方式一样，也就是不同组的相对的线圈的电流方向都是同向或者反向。两组或者三组的励磁线圈分别采用相位差为90°的两相正弦交流电或者相位差为120°的三相正弦交流电源供电。

图4是两相旋转磁场发生装置的控制电路示意图。两相正弦交流励磁电流通过两相变频器，调压器调解，通过单相电裂相(电容裂相)90°，可以得到相位差为90°的频率可调，幅值可调的两相电。两组线圈的一端接到两相励磁电流的公共端，通过调解就可以得到速度可调，强度可调的2极(相对的线圈的电流反向)或者4极尖角磁场(相对的线圈的电流同向)，从而实现对弧斑的有效控制。

六个导磁杆三组线圈可以采用Y型或者△接法，剩余的三个接头通过频率可调，幅值可调的三相正弦交流电供电，通过调解就可以得到速度可调，强度可调的旋转磁场。

实施例1旋转磁场发生装置是比较简单，容易实现的旋转磁场发生装置，由于安装在真空室内靶材周围，由于电弧高温放电，因此制作材料耐高温要求比较高，而且由于靶材屏蔽罩的剩余空间有限，对装置的磁极和线圈大小有所限制，调解范围有限。图5(a)-图5(b)是实施例1旋转磁场发生装置产生的瞬态磁场分布模拟图。可以看出这种形式的旋转磁场在靶面的分布不均匀，磁极处的磁场强度大于靶材中心的磁场强度，如果调解不好的话容易造成弧斑滞留在磁极位置附近，造成放电的集中，导致更多颗粒的发射。可以用于科研领域研究旋转磁场对沉积工艺的影响或者控制条件比较好的某些工业领域。

实施例2：

图6(a)-图6(b)是实施例2旋转磁场控制的电弧离子镀弧源的示意图。其中，图6(a)为旋转磁场发生装置6示意图。实施例2也是放置于真空室内的两相电控制的旋转磁场发生装置，但是如图所示，四个磁极10均匀的分布在圆形封闭的主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，磁极的形状为方形或者圆形，大小根据主体导磁通道与靶材2之间的空间的大小决定，骨架的材料用高磁导率的材料(电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片)制作。磁极10的顶端端部为直边或者弧形，对称的指向靶材2表面中心。图6(b)为旋转磁场发生装置6与靶材2之间位置的示意图。旋转磁场发生装置6与靶材2同轴放置，位置可以调解，以靶面形成有效的旋转磁场区域为宜。

与实施例1相同，四个线圈5安装在四个磁极10上，形状和磁极的形状一致，线圈的线径、大小、匝数不受限制，根据空间允许制作，线圈的厚度小于磁极的长度，线圈与骨架之间通过绝缘保护。线圈采用QZY-2高温漆包线制作，绝缘材料用的F或者H级的耐高温材料。相对的磁极和线圈为一组，同组的线圈串联成一个导电回路，使得同组相对的线圈的电流同向或者反向(对应不同的磁场分布)，但必须保证不同组的串联方式一样，也就是不同组的相对的线圈的电流方向都是同向或者反向。采用图4所示的两相旋转磁场发生装置的控制电路，两相励磁电流通过两相变频器，调压器调解，通过单相正弦交流电裂相(电容裂相)90°，得到相位差为90°的频率可调，幅值可调的两相电。两组线圈的一端接到两相励磁电流的公共端。通过调解就可以得到速度可调，强度可调的2极(相对的线圈的电流反向)或者4极尖角磁场(相对的线圈的电流同向)。从而实现对弧斑的有效控制。

图7(a)-图7(d)是实施例2旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。图中是2极磁场，可以看出磁场随着电流的周期变化不断的在进行旋转。但是磁场的分布也是不均匀的，某些时刻磁极处的磁场强度大于靶材中心的磁场强度，而且不同时刻磁场的形态不同，但这种旋转磁场发生装置产生的旋转磁场与靶面平行，形成覆盖靶面的旋转横向磁场，只是横向磁场分布不均匀，形态多变。可以用于科研领域研究分布不均的旋转横向磁场对沉积工艺的影响或者要求不高的工业领域。

实施例3：

附图8是本发明的实施例3旋转磁场发生装置示意图。与实施例2相同，实施例3也是放置于真空室内的两相电控制的旋转磁场发生装置。与实施例2不同的是骨架结构，实施例3有八个磁极10均匀的分布在圆形封闭的主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架。磁极的形状、大小、骨架的材料、旋转磁场发生装置骨架与靶材之间的位置等都与实施例2相同。旋转磁场发生装置6与靶材2也是同轴放置，位置可以调解，以靶面形成有效的旋转磁场区域为宜。磁极10的顶端端部为直边或者弧形，对称的指向靶材2表面中心。线圈的线径、大小、匝数、材料、形状、绝缘保护的要求和实施例2相同。

与实施例2不同的是有八个线圈5安装在八个磁极10上，线圈与骨架之间通过绝缘保护。相邻的两个磁极和线圈(八个磁极和线圈分成4对)串联在一起，使得线圈的电流同向，产生同样极性的磁场。4对磁极和线圈分为两组，相对的2对磁极和线圈为一组，同组的线圈串联成一个导电回路，使得同组相对的线圈的电流同向或者反向(对应不同的磁场分布)，但必须保证不同组的串联方式一样，也就是不同组的相对的线圈的电流方向都是同向或者反向。同样采用图4所示的两相旋转磁场发生装置的控制电路，两相正弦交流励磁电流通过两相变频器，调压器调解，通过单相电裂相(电容裂相)90°，得到相位差为90°的频率可调，幅值可调的两相电。两组线圈的一端接到两相励磁电流的公共端。通过调解就可以得到速度可调，强度可调的2极(相对的线圈的电流反向)或者4极尖角磁场(相对的线圈的电流同向)，从而实现对弧斑的有效控制。

图9(a)-图9(d)是实施例3旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。图中是2极磁场，可以看出磁场随着电流的周期变化不断的在进行旋转。而且与实施例2不同的是磁场的分布比较均匀，磁极处的磁场强度和靶材中心的磁场强度相差不大，不同时刻磁场的形态基本相同，实施例3旋转磁场发生装置产生的旋转磁场也与靶面平行，形成覆盖靶面的旋转横向磁场，横向磁场分布比较均匀，如果尺寸做的比较大、使得靶材位于均匀的横向磁场区域中，就可以产生比较均匀的覆盖靶面的旋转横向磁场。可以用于科研领域研究旋转横向磁场对沉积工艺的影响或者某些工业领域。

实施例4：

图10是本发明实施例4旋转磁场发生装置的示意图。与实施例2、3不同，实施例4是放置于真空室内的三相电控制的旋转磁场发生装置。实施例3有六个磁极均匀的分布在圆形封闭的主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架。磁极的形状、大小、骨架的材料、旋转磁场发生装置骨架与靶材之间的位置等都与实施例2相同。旋转磁场发生装置6与靶材2也是同轴放置，位置可以调解，以靶面形成有效的旋转磁场区域为宜。磁极10的顶端端部为直边或者弧形，对称的指向靶材表面中心。线圈的线径、大小、匝数、材料、形状、绝缘保护的要求和实施例2相同。

与实施例2不同的是有六个线圈5安装在六个磁极10上，线圈与骨架之间通过绝缘保护。相对的磁极和线圈为一组，六个磁极和线圈分为三组，同组的线圈串联成一个导电回路，使得同组相对的线圈的电流反向，产生极性相反的磁场，不同组的串联方式一样，也就是不同组的相对的线圈的电流方向反向。三组线圈可以采用Y型或者△接法，剩余的三个接头通过频率可调，幅值可调、相位差为120°的三相正弦交流电供电，通过调解就可以得到速度可调，强度可调的旋转磁场。

图11(a)-图11(d)是实施例4旋转磁场发生装置在半个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。可以看出，图中是2极磁场，磁场随着电流的周期变化不断的在进行旋转。而且与实施例2、3不同的是磁场的分布更加均匀，特别是在旋转磁场发生装置的中心、靶材的位置，磁场形态几乎不变，分布均匀。实施例4旋转磁场发生装置产生的旋转磁场与靶面平行，形成覆盖靶面的均匀的旋转横向磁场。可以用于科研领域研究旋转横向磁场对沉积工艺以及薄膜性能的影响或者大部分工业领域。

实施例5：

分析比较实施例2、3、4的旋转磁场模拟结果，可以看出旋转磁场发生装置的磁极数对磁场的分布均匀性有很大的影响，磁极越多，分布越紧密均匀，产生的旋转磁场也越均匀。采用相位差为120°的三相正弦交流电供电比相位差为90°的两相正弦交流电供电产生的旋转磁场均匀，相位差为90°的两相电需要单相裂相(斯考特变压器不需要，但成本高)，存在很大的误差，使得产生的旋转磁场形态多变、不均匀。相位差为120°的三相正弦交流电可以直接取于电网，分布对称，满足了产生均匀旋转磁场的条件。

本发明进一步创新，提出了频率相同而相位不同的三相正弦交流电控制的多极(一般为6n，n≥2)旋转磁场发生装置的设计思路并付诸于实践。对于极数比较多的情况，采用缠绕线圈套在磁极上的方案是不可行的，必须采用按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内。

图12(a)是实施例5旋转磁场发生装置示意图。旋转磁场发生装置6与靶材2也是同轴放置，位置可以调解，以靶面形成有效的旋转磁场区域为宜。本发明实施例中的旋转磁场发生装置的骨架有24个磁极10和槽隙7。骨架一般采用铁损小、导磁性能好、厚度为0.35～0.5mm的硅钢片冲槽叠压而成，硅钢片的表面涂有绝缘漆，内圆表面冲有均匀分布的槽，绕组线圈嵌放在槽隙7中。槽形有开口、半开口、半闭口等形式(图中为开口)。将绕组嵌入图12(a)所示的骨架中，绕组嵌线的形式很多，在槽隙的布置可以采用单层、双层、单双层混合等布置；绕组端部的接线方式可以采用叠式或者波式；绕组的端部形状可以采用链式、交叉式、同心式以及叠式等。不同的嵌线方式可以产生不同极数(2、4、6，8极)和形态的旋转磁场。图13(a)-图13(b)分别为两种不同的绕组嵌线方式。本发明实施例采用的是图13(a)所示的24槽2极单层同心式绕组布接线法，同一极相组内绕组由节距不等的数个大小线圈组成，极相组内的各个线圈环绕着同一圆心。图15是三相旋转磁场发生装置的控制电路示意图。三相正弦交流励磁电流通过三相变频器，滤波器，三相调压器调解，就可以得到相位差为120°的频率可调，幅值可调的三相正弦交流电。绕组可以采用Y型或者△接法，剩余的三个接头通过频率可调，幅值可调、相位差为120°的三相正弦交流电供电，通过调解就可以得到速度可调，强度可调的均匀的旋转磁场，从而实现对弧斑的有效控制。

图12(b)为旋转磁场发生的原理示意图。可以看出当三相绕组中通入三相对称电流时，在旋转磁场发生装置的骨架内就会产生一个旋转磁场，当三相对称电流完成一个周期(对2极磁场而言)的变化时，它们所产生的合成磁场在空间也就旋转了一周。显然，三相电流随时间周而复始的变化，而由三相电流所产生的合成磁场也就在不停的旋转。

图14(a)-图14(f)是实施例5旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。可以看出随着电流周期性的变化，在骨架的空间内可以产生非常均匀、形态不变的旋转磁场。而且由于本发明的旋转磁场发生装置与靶材同轴，产生的磁场完全覆盖并且平行于整个靶面，也就是该磁场是均匀的完全覆盖靶面的平行于靶面的旋转横向磁场。由不同磁场对弧斑的影响规律可知，横向磁场可以使弧斑做逆安培力的反向运动，由于本发明实施例中的横向磁场在不断的旋转，而且速度和强度大小可以调节，因此能够使弧斑在整个靶面上螺旋运动，图16(a)-图16(b)是旋转横向磁场下弧斑的运动轨迹示意图；其中，图16(a)弧斑的螺旋扩展运动轨迹(弧斑运动轨迹8)；图16(b)弧斑的螺旋收缩运动轨迹(弧斑运动轨迹8)，分别对应与旋转磁场的前半周和后半周。弧斑运动的速度可以由磁场的旋转速度和磁场的大小调节控制。本发明实现了弧斑在整个靶面的刻蚀运动，提高了靶材刻蚀均匀性和利用率，同时，有效地改善了弧斑的放电形式，如果控制得当，可以实现新的放电形式，有效地分散了放电的集中，减少了液滴大颗粒的发射。

本发明所用的靶材结构具有一定的靶沿，产生的旋转横向磁场会与靶沿相交，形成指向靶面的锐角，图17是旋转横向磁场磁力线与靶材2的靶沿相交形成的指向靶面的锐角α示意图。由不同磁场分量对弧斑运动的影响规律(锐角法则)可知，弧斑将会被限制在靶面内而不至于跑到靶面外造成灭弧。因此，本发明的综合作用满足了靶材利用，弧斑放电以及应用的各种要求。

本发明实施例的旋转磁场发生装置与靶材同轴，磁场有效区域围绕靶面，可以放在真空室内或者真空室外。本发明实施例的旋转磁场发生装置磁极10和槽隙7个数为6n(n≥2)个，本实施例为24个。本发明实施例的绕组线圈可以单根或者并绕嵌线，绕组的线径、大小、匝数不受限制，以在槽内固定不松动为好。线圈与骨架之间通过绝缘保护。放置于真空室内的旋转磁场发生装置的励磁线圈采用QZY-2高温漆包线制作，绝缘材料用的F或者H级的耐高温材料。置于真空室外的旋转磁场发生装置没有限制。本发明实施例的旋转磁场发生装置位置可以移动。置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，与法兰套或者炉体管道之间通过绝缘保护，法兰套或者炉体管道采用不导磁的不锈钢制作，法兰套或者炉体管道为空心结构，通冷却水保护。旋转磁场发生装置、法兰套或者炉体管道与靶材三者之间同轴，旋转磁场发生装置在法兰套或者炉体管道上的位置可调。

本发明实施例可以广泛的应用与科学研究和工业生产的需要提高薄膜质量以及有效控制弧斑运动的各个领域。

实施例6：

与实施例5相同，采用同样的旋转磁场发生装置的骨架结构，如图12(a)所示，同样的材料(骨架、线圈、绝缘)要求，同样的供电方式和控制电路，同样的安装方式等。所不同的是实施例6采用附图13(c)所示的24槽4极单层链式绕组布接线法，绕组是由具有相同宽度和形状的单层线圈组成，其端部如套取得端环。由于不同的嵌线方式会形成不同形态的磁场，图18(a)-图18(f)是实施例6旋转磁场发生装置在一个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图。可以看出，本实施例产生的是一个可调速调幅的旋转的4极磁场，磁场分布内疏外密，形态不变，完全覆盖于整个靶面并且与靶面平行，只是在靶面的分布是内疏外密的旋转横向磁场，可以实现弧斑的不同的运动方式和形态的控制，可以应用于科学研究该形式的磁场对弧斑放电及沉积工艺的影响和工业生产的某些领域。

实施例7：

电弧离子镀有一个重要的特点就是弧斑放电在其附近形成高温区，同时会辐射到真空室的其他地方，而且真空室的空间有限，靶材周围的空间也是有限的，因此在进行弧源设计的时候如果把思路局限于真空室内有限的空间内将很难突破。特别对于控制弧斑运动的旋转磁场设计，将旋转磁场发生装置放置于真空室内靶材周围的话，会涉及到尺寸、材料等的限制，虽然在条件允许的情况下能够取得比较好的效果，但是对于工业生产需要大面积沉积，长期工作的情况下，将会受到限制。面对更广泛简单的应用，需要新的创新和突破。

本发明实施例7中的旋转磁场发生装置的骨架有24个磁极10和槽隙7，在靶材底座与真空室管道壁之间加一法兰9，如图19(a)-图19(b)所示，法兰9采用不导磁的不锈钢制作，法兰为空心的管状结构，外径和靶材2底座的外径一致，内径和真空室管道的内径一致，法兰通冷却水保护。将旋转磁场发生装置6套在围绕于靶材2之外的法兰9上，与法兰套之间通过绝缘保护。旋转磁场发生装置、法兰套与靶材三者之间同轴，形成如图19(a)所示的夹心结构，旋转磁场发生装置在法兰套上的位置可调。

本发明实施例可以广泛的应用与科学研究和工业生产的需要提高薄膜质量以及有效控制弧斑运动的各个领域，是目前我们正在实施并且准备推广的发明实施例。

Claims (10)

1.一种旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：在靶材周围空间设有旋转磁场发生装置，旋转磁场发生装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的几个磁极均匀布在同一圆周上，磁极数量为4n或者3n，n≥1，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈套在磁极上或者嵌在相邻磁极之间的槽隙内，采用相位差90°的两相或者相位差120°的三相励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调旋转磁场。

2.按照权利要求1所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：旋转磁场发生装置外观为圆形或者方形，放置于靶材的周围，与靶材同轴，磁场有效区域围绕靶面，旋转磁场发生装置放置于真空室内或者真空室外，旋转磁场发生装置位置可调，磁极的形状为圆柱或者方体，磁极的端部形状为直边或者弧形。

3.按照权利要求1所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：旋转磁场发生装置为在靶材周围均匀对称的安装导磁杆，导磁杆的两个边呈直角或者钝角，导磁杆的形状为方形或者圆形，导磁杆底端连接在导磁环上，导磁杆与导磁环形成一个整体的电磁回路骨架；与导磁杆个数相同的励磁线圈安装在导磁杆的中间部分，形状和导磁杆的形状一致，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。

4.按照权利要求1所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：旋转磁场发生装置为磁极均匀的分布在圆形封闭的主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，骨架的材料用高磁导率的材料电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片制作，磁极的形状为方形或者圆形，磁极的顶端端部为直边或者弧形，对称的指向靶材表面中心；励磁线圈套在磁极上或者嵌在相邻磁极之间槽隙内，与磁极个数相同的励磁线圈安装在磁极上，形状和磁极的形状一致，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。

5.按照权利要求1所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于，励磁线圈套在磁极上时：励磁线圈分为两组，磁极数量为4n，n≥1，相对的励磁线圈为一组，同组的励磁线圈串联成一个导电回路，同组相对的励磁线圈的电流同向或者反向；或者，励磁线圈分为三组，磁极数量为3n，n≥1，相对的励磁线圈为一组，同组的励磁线圈串联成一个导电回路，同组相对的励磁线圈的电流反向。

6.按照权利要求5所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：两组或者三组的励磁线圈分别采用相位差为90°的两相正弦交流电或者相位差为120°的三相正弦交流电源激励；两组励磁线圈的一端接到两相励磁电流的公共端，两相励磁电流通过单相电裂相90°而成；或者通过斯考特变压器引出，三组励磁线圈用Y型或者三角形接法。

7.按照权利要求1所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：嵌在相邻磁极之间槽隙内的励磁线圈，按电机定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内，绕组的励磁电流采用相位差为120°的三相交流电源激励，绕组用Y型或者三角形接法；在槽隙的布置采用单层、双层或单双层混合布置，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式，不同的嵌线方式产生不同极数和形态的旋转磁场。

8.按照权利要求2所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，法兰套或者炉体管道之间通过绝缘保护。

9.按照权利要求8所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：法兰套或者炉体管道采用不导磁的不锈钢制作，法兰套或者炉体管道为空心结构，通冷却水保护；旋转磁场发生装置、法兰套或者炉体管道与靶材三者之间同轴，旋转磁场发生装置在法兰套或者炉体管道上的位置可调。

10.按照权利要求1所述的旋转磁控电弧离子镀弧源，其特征在于：旋转磁场发生装置中，电流的频率通过变频器调解，电压的大小通过调压器调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调、强度可调的动态旋转磁场，速度通过励磁电流频率调解，强度通过励磁电流大小调解。

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