CN102953035B - 多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面防护领域，具体地说是一种改善电弧离子镀沉积工艺的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备。该设备的轴对称磁场发生装置放置于靶材后面，由放置于靶材后面的高导磁率磁轭及与磁轭同轴放置的电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永久磁体配合磁轭组成；聚焦导引磁场发生装置由电磁线圈组成，放置于靶材前面，与靶材同轴放置，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面；本发明通过两组磁场发生装置配合使用，在靶面上形成动态分布的耦合磁场，达到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，提高等离子体传输效率，用以制备高质量的薄膜的目的。

Description

多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备

技术领域

本发明涉及表面防护领域，具体地说是一种改善电弧离子镀沉积工艺的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备。

背景技术

表面防护涂层技术是提高工模具及机械部件质量和使用寿命的重要途径，作为材料表面防护技术之一的PVD技术，已在现代刀具、模具以及机械零件的应用方面取得了十分理想的效果。PVD技术主要分为真空蒸镀、磁控溅射和离子镀三个类型，在实际应用中，高质量的防护涂层必须具有致密的组织结构、无穿透性针孔、高硬度、与基体结合牢固等特点。真空蒸镀和磁控溅射由于粒子能量和离化率低，导致膜层疏松多孔、力学性能差、难以获得良好的涂层与基体之间的结合力，严重限制了该类技术在防护涂层制备领域的应用。电弧离子镀涂层技术由于结构简单、离化率高、入射粒子能量高、绕射性好、可实现低温沉积等一系列优点，因此得到快速发展并获得广泛应用，尤其在工模具及机械部件表面防护上展现出其他涂层技术所不具备的优势，是目前工模具及机械零件防护涂层制备的最佳工艺。

但电弧离子镀在对于涂层沉积至关重要的有些方面，也表现出了其它镀膜形式所没有的问题，在一定程度阻碍了该技术的进一步应用与发展。首先是“大颗粒”污染的问题，所谓大颗粒，是来自于电弧阴极弧斑在靶材表面滚动燃烧时不断产生的比较大的中性粒子团簇，这些中性粒子团簇与等离子体一道喷发出来，飞落到正在沉积生长的涂层表面而造成涂层表面污染。大颗粒的存在导致涂层表面的粗糙度增大而降低涂层的光泽，对装饰及抗磨应用带来不利影响，严重影响涂层的质量，导致镀层附着力降低并出现剥落、镀层严重不均匀等现象。国外特别是欧洲的工模具涂层技术之所以比国内做的好，除了工艺上的优势以外，很大一部分是因为很好的解决了电弧放电及弧斑运动的问题，将大颗粒的尺寸和数目控制在工模具涂层能够接受的范围之内。因此大颗粒问题对离子镀技术的发展影响很大，成为后期发展的主要论题，也成为阻碍离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题，而国内尚没有很好的技术可以解决这个问题。同时，由于电弧离子镀主要靠靶材表面上的阴极斑点的放电来沉积所需涂层的，因此是一种点状源，其等离子体的密度会随着远离弧斑的距离增加而大幅下降，同时由于等离子体的发散特点使得等离子体在传输空间分布不均匀，从而导致了涂层的沉积速率和沉积均匀性的下降。而且弧斑在靶面长时间的局部放电容易在靶面形成刻蚀轨道，造成靶材刻蚀的不均匀，进而降低了靶材利用率和影响弧斑放电。这些关键技术问题都限制了电弧离子镀技术在工模具及机械制造领域高性能防护涂层的制备和应用。

目前，比较彻底清除大颗粒的方法，是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉，即设计遮挡屏蔽（如中国发明专利：提高电弧离子镀沉积薄膜质量的装置，专利号ZL200810010062.5）、磁场过滤或者对基片施加一定的脉冲偏压，通过控制宏观颗粒的运动，将其从等离子体流中过滤掉。遮挡和磁场过滤技术的应用虽然有效地消除了大颗粒的污染，但由于等离子体在传输过程中的损失，导致沉积效率的大幅度降低和沉积窗口的大幅度减小，目前等离子体的传输效率最高也仅有25％。而且值得关注的是，在这些去除大颗粒的方法中，都必须附加额外的磁过滤设备，使成本增加了很多，这也是该技术未能在工业领域广泛应用的原因之一。由于大颗粒在传输过程中与等离子体相互作用带负电荷，因此采用脉冲偏压技术也可以一定程度上减少大颗粒，但是较高的偏压也会带来较高的涂层内应力，在实际运用中是应当避免的。磁过滤和脉冲偏压技术是在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。

真空电弧放电是低压大电流放电，真空电弧的行为被阴极表面许多快速游动，高度明亮的阴极斑点所控制，阴极斑点的运动决定了整个电弧的运动，真空弧光放电实际上是一系列电弧事件，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动，由于其快速地连续发生，以至于给人运动电弧的印象。由于电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小，功率密度非常高（10¹⁶W/m²），如果阴极斑点在一个位置停留时间过长，必然造成液态溶池面积扩大，引发强烈的大颗粒喷射。因此解决大颗粒问题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。同时，为了更好的提高镀层的质量和有效的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动以及等离子体的传输进行合理的控制。

由于真空电弧等离子体的物理特性，外加电磁场是改善弧斑放电、控制弧斑运动以及改善等离子体的传输特性的有效方法。离子镀弧源是电弧等离子体放电的源头，是离子镀技术的核心部件，国内外在离子镀弧源的设计上都离不开磁场的设计。目前国际上应用最多最常见的方式有轴向磁场控制的圆形小弧源（如CN89200444.4、US3,793,179、US3,625,878等）、淹没整个靶材的纵向约束磁场控制的俄罗斯弧源以及拱形磁场控制的圆形或矩形平面受控弧源（如CN1157335A），这也是目前国内外比较流行几种电弧离子镀膜技术。这些在靶面附近施加的具有一定位形的磁场虽然可以有效地控制弧斑在靶面的运动，但是根据上述不同磁场分量对弧斑的运动影响规律，弧斑在轴向磁场和拱形磁场下的运动会被限制在靶面上一定范围内，长时间的刻蚀会在靶面形成明显的刻蚀轨道，不利于靶材刻蚀均匀，造成了靶材浪费。而俄罗斯弧源中的磁场结构虽然可以使弧斑在整个靶面刻蚀，有效的利用靶材，但是整个弧源结构复杂，操作麻烦，靶材特殊的形状使得靶材加工困难，成本高，而且靶材尺寸小，综合利用率低。国际上应用比较广泛的拱形磁场控制的矩形平面受控弧源，利用永磁体或者电磁线圈镶嵌在磁轭的空心位置，在矩形的靶材表面上产生一个静态的拱形磁场。该磁场可分解为水平磁场B//和垂直磁场B⊥，根据弧斑在横向磁场下“倒着走”的运动规律，B//可以驱使弧斑在靶面上作圆周运动，同时拱形磁场与靶面形成指向拱形顶点的两个夹角，在“锐角法则”的作用下，弧斑被限制在一定的位置处，长时间的刻蚀，容易在靶面形成刻蚀轨道，大大限制了靶材利用率和影响弧斑放电稳定性。

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，模式固定，在提高弧斑运动速度和放电稳定性的同时容易带来靶材利用率低的问题，很难突破相互之间影响的限制。

如果能够动态地变换磁场在靶面的局域性分布，从而可以改变靶面磁场横向分量最大值的分布，动态的扩大磁场横向分量的面积以达到扩大弧斑的刻蚀区域，提高靶材的利用率。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，而且涉及到密封、冷却等诸多问题，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，它是一种创新的、突破限制的、并且行之有效且易于推广的动态磁场控制的电弧离子镀弧源，有效的解决电弧离子镀大颗粒问题，同时提高等离子体的传输效率和涂层沉积均匀性，解决电弧离子镀点状发散源的问题，以及提高靶材利用率，使得电弧离子镀能够达到高性能防护涂层制备的各项要求，成为一种比较优异的镀层工艺，在各个需要的行业领域发挥作用。

本发明的原理是：

如图1(a)所示，根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，如果在靶面上形成指向靶材边缘的轴对称发散磁场，有推动弧斑向外扩展的趋势；在磁场强度比较弱的时候，弧斑主要集中在靶材中心运动。随着磁场强度的增加，由于轴对称磁场与靶面形成指向靶材边缘的锐角，因此弧斑在运动过程中会漂移到靶的边缘。随着磁场强度的增加，由锐角法则带来的弧斑向靶的边沿漂移扩展的趋势也越来越大，及随着磁场强度的增加，磁场可以将弧斑推向靶材的边缘。同时轴对称磁场的横向分量形成了弧斑在靶面环绕反向运动的趋势，所以随着磁场强度的增加，弧斑的旋转运动趋势越来越强，弧斑逐渐在随机运动上叠加了旋转运动，同时，弧斑运动速度加快，弧斑变细。当磁场强度足够大的时候，只有在靶材边缘快速旋转运动弧斑线，靶面没有新的弧斑出现。这种磁场位形一般在较小尺寸的靶材上面形成，因此对于工业上应用较普遍的小弧源，这种磁场是比较容易实现的，但是目前常用的小弧源的弧班约束磁场是靠靶材后面的永磁体实现的，磁场变化频率和磁场强度不能连续可控调节。

如果能在靶面形成动态的轴对称发散磁场（0-60G变化），则弧斑能够在整个靶面呈聚集和扩展的动态分布状态，可大幅度提高靶材的利用率。同时动态分布的磁场避免了弧斑在局部停留时间过长，降低了功率密度，减少了大颗粒的发射。为了提高等离子体的传输效率，在等离子体传输空间设置一聚焦导引磁场，降低等离子体的发散；同时该聚焦轴向磁场与靶面形成指向靶材中心的锐角，可以约束弧斑的运动，避免灭弧，如图1(b)所示。轴对称发散磁场形成指向靶材边缘的锐角，有推动弧斑向外扩展的趋势，聚焦磁场与靶面形成指向靶材中心的锐角，有约束弧斑在靶材中心的趋势，两种趋势动态叠加，可以动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态。聚焦磁场是一轴向强磁场，可以使得弧斑细化分裂，减少颗粒发射。等离子体在聚焦磁场引导下，稳定的传输，同时可以增强等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度。

对于尺寸较大的靶材，一般利用永磁体或者电磁线圈与磁轭组合，可在靶材表面上产生一个轴对称拱形磁场，如图1(c)所示。静态的轴对称拱形磁场能够将弧斑限制在拱形磁场区域内，形成环形的弧班运动，长时间的刻蚀，容易在靶面形成刻蚀轨道，大大限制了靶材利用率和影响弧斑放电稳定性，同时等离子体的传输也不均匀。同样，为了提高等离子体的传输效率，在轴对称拱形磁场约束的弧班前面等离子体传输空间设置一聚焦导引磁场，降低等离子体的发散，同时该聚焦轴向磁场与靶面形成指向靶材中心的锐角。如果轴对称拱形磁场强度不变，用永磁体或者线圈通直流电实现，而聚焦轴向引导磁场强度周期性变化，将产生不同的耦合磁场情况，在靶面形成动态的耦合磁场分布，使弧斑随着耦合磁场分布的变化而动态分布，改善弧斑放电状态，提高靶材刻蚀率和降低大颗粒的发射，聚焦导引磁场一定程度上提高了等离子体的传输效率。

如果在靶材前面设置一强度不变的轴向聚焦磁场，而轴对称拱形磁场的强度周期性变化，则两者耦合可以形成不同的动态耦合磁场分布，使弧斑放电随着耦合磁场的变化而变化，改善弧斑放电状态。等离子体在静态的轴向聚焦磁场引导下，稳定的传输，同时可以增强等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度，改善沉积效果。

因此，本发明在系统研究以及深入了解磁场对弧斑放电以及运动的影响规律的基础上，提出了一种多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备。

基于上述技术原理，本发明技术方案是：

一种多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，所述多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备设有动态耦合磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上；动态耦合磁场发生装置由轴对称磁场发生装置和聚焦导引磁场发生装置构成，轴对称磁场发生装置放置于靶材后面，由放置于靶材后面的高导磁率磁轭及与磁轭同轴放置的电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永久磁体配合磁轭组成；聚焦导引磁场发生装置由电磁线圈组成，放置于靶材前面，与靶材同轴放置，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面；动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场叠加静态聚焦导引磁场形成或者由静态轴对称发散磁场叠加动态聚焦导引磁场形成或者由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场耦合动态的聚焦轴向引导磁场形成或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的聚焦轴向引导磁场形成。

所述轴对称磁场发生装置由放置于靶材后面的高导磁率磁轭及与磁轭同轴放置的电磁线圈组成，或由单个或两个以上永久磁体组配合磁轭组成，磁轭为单个或两个以上高导磁率块体材料组合而成，磁轭形状为锥台形﹑圆柱形或阶梯形状；磁轭放置于靶材后面的靶座内部，与靶材同轴放置；电磁线圈围套在靶材底座周围或者放置于靶座内部，与磁轭同轴放置；磁轭略高于线圈或与线圈平齐。

所述轴对称磁场位形为发散磁场，动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场叠加静态聚焦导引磁场形成或者由静态轴对称发散磁场叠加动态聚焦导引磁场形成。

所述轴对称磁场位形为拱形磁场，动态耦合磁场由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场耦合动态的聚焦轴向引导磁场形成或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的聚焦轴向引导磁场形成。

所述轴对称磁场发生装置中的电磁线圈由漆包线绕制在线圈骨架上，线圈内外通过绝缘保护，磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或者其他材料制作。

所述聚焦导引磁场发生装置套在弧源与炉体之间的法兰上，与靶材同轴放置，聚焦导引磁场发生装置的位置可调，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面。

所述聚焦导引磁场发生装置由漆包线绕制的电磁线圈组成，线圈内外通过绝缘保护。

所述动态耦合磁场由动态轴对称磁场叠加静态聚焦导引磁场形成，动态轴对称磁场由轴对称磁场发生装置中的电磁线圈通交流电产生，在靶面形成磁场强度不断变化的轴对称磁场，轴对称磁场与靶面相交形成指向靶材边缘的夹角或者在靶面形成弯曲的拱形磁场位形；静态聚焦导引磁场由聚焦导引磁场发生装置中的电磁线圈通直流电产生，与靶面形成指向靶面中心的夹角，磁场强度由电流强度控制。

所述动态耦合磁场由静态轴对称磁场叠加动态聚焦导引磁场形成，静态轴对称磁场由轴对称磁场发生装置中的电磁线圈通直流电产生，磁场强度由电流强度控制，或者单个或两个以上永久磁体组配合磁轭产生；动态聚焦导引磁场由聚焦导引磁场发生装置中的电磁线圈通交流电产生，与静态轴对称磁场耦合形成动态磁场。

所述交流电形式为频率可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，交变电流电压幅度可调，偏置电流电压幅度可调。交流电发生电源采用数字合成任意波信号发生器和功率放大器组成，或电晶体放大方式，或PWM脉宽调制方式实现。交流电发生电源可实现多种波形、实现高低频不同频段变频控制。

所述轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中的线圈单独调节或者共同调节，两者之间通同向或者反向电流；通过调节轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中线圈电流大小调节动态耦合磁场的强度，通过调节轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中线圈交变电流的频率调节动态耦合磁场的频率；线圈的电流形式是频率可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，可实现对弧斑的多种控制方式。

所述靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的轴对称发生装置中的磁轭放在靶材底柱圆筒之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆筒之间，间接水冷的轴对称发生装置中的磁轭放在冷却水通道外底柱圆筒之间。

本发明的优点和有益效果是：

本发明多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备设有动态耦合磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上；动态耦合磁场发生装置由轴对称磁场发生装置和聚焦导引磁场发生装置构成，轴对称磁场发生装置放置于靶材后面，由放置于靶材后面的高导磁率磁轭及与磁轭同轴放置的电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永久磁体配合磁轭组成；聚焦导引磁场发生装置由电磁线圈组成，放置于靶材前面，与靶材同轴放置，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面；动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场叠加静态聚焦导引磁场形成或者由静态轴对称发散磁场叠加动态聚焦导引磁场形成或者由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场耦合动态的聚焦轴向引导磁场形成或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的聚焦轴向引导磁场形成。本发明通过两组磁场发生装置配合使用，在靶面上形成动态分布的耦合磁场，达到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，提高等离子体传输效率，用以制备高质量的薄膜的目的。

附图说明

图1（a）-图1（c）是靶材表面不同磁场位形分布示意图。其中，图1（a）为指向靶材边缘的轴对称发散磁场；图1（b）为指向靶材中心的轴向聚焦导引磁场；图1（c）为轴对称拱形磁场。

图2为多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备的三维结构示意图。

图3是实施例1静态轴对称发散磁场叠加反向动态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图4（a）-图4（f）是实施例1轴对称发散磁场强度不变，反向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图5是实施例2动态轴对称发散磁场叠加反向静态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图6（a）-图6（i）是实施例2反向聚焦导引磁场强度不变，轴对称发散磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图7是实施例3动态轴对称发散磁场叠加同向静态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图8(a)-图8(f)是实施例3同向聚焦导引磁场强度不变，轴对称发散磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图9是实施例4静态轴对称发散磁场叠加同向动态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图10(a)-图10(f)是实施例4轴对称发散磁场强度不变，同向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图11（a）-图11（b）是两种不同产生拱形磁场的方式。其中，图11（a）是由高导磁率磁轭与放置于靶座内部与磁轭同轴放置的电磁线圈产生的拱形磁场示意图；图11（b）是由单个永久磁体直接在靶面产生的拱形磁场示意图。

图12是实施例5静态轴对称拱形磁场耦合反向动态聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图13(a)-图13(f)是实施例5轴对称拱形磁场强度不变，反向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图14是实施例6静态轴对称拱形磁场耦合同向动态聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图15(a)-图15(e)是实施例6轴对称拱形磁场强度不变，同向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图16是实施例7强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的反向聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图17(a)-图17(e)是实施例7反向聚焦导引磁场强度不变，轴对称拱形磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图18是实施例8动态轴对称拱形磁场耦合同向静态聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。

图19(a)-图19(i)是实施例8同向聚焦导引磁场强度不变，轴对称拱形磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。

图中，1聚焦导引磁场；2轴对称发散磁场；3小尺寸圆柱靶材；4聚焦导引电磁线圈；5轴对称电磁线圈；6磁轭；7变频电源；8轴对称拱形磁场；9大尺寸圆盘靶材；10聚焦导引磁场发生装置；11轴对称发散磁场发生装置；12轴对称拱形磁场发生装置。

具体实施方式

如图1-图19所示，本发明的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备主要有动态耦合磁场发生装置（聚焦导引磁场发生装置10、轴对称发散磁场发生装置11或轴对称拱形磁场发生装置12）、靶材（小尺寸圆柱靶材3、大尺寸圆盘靶材9）、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态耦合磁场发生装置的主要结构如下：

1.本发明动态耦合磁场发生装置由轴对称磁场发生装置（轴对称发散磁场发生装置11或轴对称拱形磁场发生装置12）和聚焦导引磁场发生装置10构成，动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场2叠加静态聚焦导引磁场1形成，或者由静态轴对称发散磁场2叠加动态聚焦导引磁场1形成，或者由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场8耦合动态的聚焦（轴向）引导磁场1形成，或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场8耦合磁场强度一定的聚焦（轴向）引导磁场1形成。本发明中，轴对称磁场发生装置的轴对称电磁线圈5连接直流电源或者变频电源7（频率可变化电压可变化的交变电源）。

2.本发明轴对称磁场发生装置由放置于靶材后面的高导磁率（2000～6000H/m）磁轭6及与磁轭同轴放置的轴对称电磁线圈5组成，或由单个或两个以上永久磁体组配合磁轭组成，磁轭为单个或两个以上高导磁率块体材料组合而成，磁轭形状为锥台形﹑圆柱形或阶梯形状；磁轭放置于靶材后面的靶座（靶材底座）内部，与靶材同轴放置；轴对称电磁线圈5围套在靶材底座周围或者放置于靶座内部，与磁轭同轴放置；磁轭略高于线圈或与轴对称电磁线圈5平齐。

3.本发明轴对称磁场位形为发散磁场，动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场叠加静态聚焦导引磁场形成，或者由静态轴对称发散磁场叠加动态聚焦导引磁场形成。

4.本发明轴对称磁场位形为拱形磁场，动态耦合磁场由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场8耦合动态的聚焦轴向引导磁场形成，或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场8耦合磁场强度一定的聚焦轴向引导磁场形成。

5.本发明轴对称磁场发生装置中的轴对称电磁线圈5由漆包线绕制在线圈骨架上，轴对称电磁线圈5内外通过绝缘保护，磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或者其他材料制作。

6.本发明聚焦导引磁场发生装置10套在弧源与炉体之间的法兰上，与靶材同轴放置，聚焦导引磁场发生装置的位置可调，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面。聚焦导引磁场发生装置10由漆包线绕制的聚焦导引电磁线圈4组成，聚焦导引电磁线圈4内外通过绝缘保护。

7.本发明动态耦合磁场由动态轴对称磁场叠加静态聚焦导引磁场形成，动态轴对称磁场由轴对称磁场发生装置中的轴对称电磁线圈5通交流电产生，在靶面形成磁场强度不断变化的轴对称磁场，轴对称磁场与靶面相交形成指向靶材边缘的夹角或者在靶面形成弯曲的拱形磁场位形；静态聚焦导引磁场由聚焦导引磁场发生装置10中的聚焦导引电磁线圈4通直流电产生，与靶面形成指向靶面中心的夹角，磁场强度由电流强度控制。

8.本发明动态耦合磁场由静态轴对称磁场叠加动态聚焦导引磁场形成，静态轴对称磁场由轴对称磁场发生装置中的轴对称电磁线圈5通直流电产生，磁场强度由电流强度控制，或者单个或两个以上永久磁体组配合磁轭产生；动态聚焦导引磁场由聚焦导引磁场发生装置中的聚焦导引电磁线圈4通交流电产生，与静态轴对称磁场耦合形成动态磁场。

9.本发明交流电形式为频率可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，交变电流电压幅度可调，偏置电流电压幅度可调。交流电发生电源采用数字合成任意波信号发生器和功率放大器组成，或电晶体放大方式，或PWM脉宽调制方式实现。交流电发生电源可实现多种波形、实现高低频不同频段变频控制。

10.本发明轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中的聚焦导引电磁线圈4单独调节或者共同调节，两者之间通同向或者反向电流；通过调节轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中轴对称电磁线圈5电流大小调节动态耦合磁场的强度，通过调节轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中线圈交变电流的频率调节动态耦合磁场的频率；线圈的电流形式是频率可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，可实现对弧斑的多种控制方式。

11.本发明靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的轴对称发生装置中的磁轭放在靶材底柱圆筒之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆筒之间，间接水冷的轴对称发生装置中的磁轭放在冷却水通道外底柱圆筒之间。

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

图3是实施例1针对小尺寸靶材发明的静态轴对称发散磁场叠加反向动态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。图2为多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备的三维结构示意图。静态轴对称发散磁场发生装置11由放置于小尺寸圆柱靶材3（其直径为64mm）后面的高导磁率锥台形磁轭6及与磁轭同轴放置的轴对称电磁线圈5组成，磁轭6放置于小尺寸圆柱靶材3后面的靶座内部，与小尺寸圆柱靶材3同轴放置；轴对称电磁线圈5围套在小尺寸圆柱靶材3底座周围，与磁轭6同轴放置，磁轭6略高于轴对称电磁线圈5（本实施例中，磁轭6上表面略高于轴对称电磁线圈5上表面10mm）或与轴对称电磁线圈5平齐。静态轴对称发散磁场2由轴对称发散磁场发生装置11中的轴对称电磁线圈5通直流电产生，磁场强度由电流强度控制，调节小尺寸圆柱靶材3的磁场强度在30—60G左右稳定不变。动态聚焦导引磁场1由聚焦导引磁场发生装置10中的聚焦导引电磁线圈4通交流电产生，与静态轴对称发散磁场2耦合形成动态磁场。交流电形式为低频可调（0.01-1kHz）的直流偏置三角波或半正弦波，交变电流电压幅度可调（0-30V），偏置电流电压幅度可调(0-10V)。本发明中，交流电发生电源可采用数字合成任意波信号发生器和功率放大器组成。

图4（a）-图4（f）是实施例1轴对称发散磁场强度不变，反向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，小尺寸圆柱靶材3表面的轴对称发散磁场2形成指向小尺寸圆柱靶材3边缘的锐角，有推动弧斑向外扩展的趋势，聚焦导引磁场与靶面形成指向小尺寸圆柱靶材3中心的锐角，有约束弧斑在小尺寸圆柱靶材3中心的趋势，两种趋势动态叠加，可以动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态。本实施例轴对称发散磁场强度不变（30-60G固定值），反向动态聚焦导引磁场强度以三角波或半正弦波形式周期性从小到大变化，变化频率可调（0.01-1kHz），同时也可以一定的直流偏置三角波或半正弦波供电。从图4（a）-图4（f）可以看出，在聚焦（轴向）导引磁场1较弱的时候，耦合磁场与靶面形成指向小尺寸圆柱靶材3边缘的锐角，推动弧斑向小尺寸圆柱靶材3边缘扩展运动；随着聚焦（轴向）导引磁场1的增强，耦合磁场与靶面的夹角逐渐发生变化，由指向小尺寸圆柱靶材3边缘逐渐变为指向小尺寸圆柱靶材3中心，当耦合磁场与靶面形成指向小尺寸圆柱靶材3中心的锐角时，弧斑向小尺寸圆柱靶材3中心运动，两种趋势动态叠加，可以动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态。同时，随着聚焦（轴向）导引磁场1的增强，也逐渐提高了等离子体的传输效率，增强了等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度。

该实施例可以有效的解决电弧离子镀大颗粒问题，同时提高等离子体的传输效率和涂层沉积均匀性，解决电弧离子镀点状发散源的问题，以及提高靶材利用率，使得电弧离子镀能够达到高性能防护涂层制备的各项要求，成为一种比较优异的镀层工艺，在各个需要的行业领域发挥作用。

实施例2：

图5是本发明实施例2针对小尺寸靶材发明的动态轴对称发散磁场叠加反向静态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。与实施例1结构类似，所不同的是聚焦导引磁场强度不变，形成一个稳定的等离子体传输磁场。从实施例1可以看出，随着聚焦导引磁场强度的周期性变化，在等离子体传输空间形成了个动态聚焦磁场，虽然提高了等离子体的传输效率，但容易造成等离子体的时域不稳定性，而高质量的薄膜沉积需要稳定的等离子分布和传输，因此实施例2在等离子体传输空间设置一个一轴向强度适中的磁场聚焦导引磁场，使得等离子体在能够在静态聚焦磁场引导下，稳定的传输。

本实施例2反向静态聚焦导引磁场强度不变（100—200G固定值），轴对称发散磁场强度以三角波或半正弦波形式周期性从小到大变化，变化频率可调（0.01—1kHz），同时也可以一定的直流偏置三角波或半正弦波供电。图6（a）-图6（i）是实施例2反向聚焦导引磁场强度不变，轴对称发散磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。可以看出，在轴对称发散磁场强度较弱的时候，耦合磁场中聚焦导引磁场的分量比较大，与靶面形成指向靶材中心的锐角，约束弧斑在靶面中心运动，但此时等离子体可以高效的传输，同时较强的轴向导引磁场可以增强等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度，一定程度上过滤大颗粒。随着轴对称发散磁场的增强，耦合磁场与靶面的夹角逐渐发生变化，由指向靶材中心逐渐变为指向靶材边缘，推动弧班向靶材边缘扩展运动。同时，随着轴对称发散磁场的增强，耦合磁场中的聚焦导引分量略有减弱，但此时弧斑向外扩展，减小了颗粒发射，提高了靶材刻蚀面积。两种弧斑运动趋势动态叠加，可以动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态。

实施例3：

图7是本发明实施例3针对小尺寸靶材发明动态轴对称发散磁场叠加同向静态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。与实施例2结构类似，磁场变化方式也类似，所不同的是动态轴对称发散磁场与静态聚焦导引磁场极性相同。从实施例2可以看出，如果动态轴对称发散磁场与静态聚焦导引磁场极性相反。随着轴对称发散磁场的增强，耦合磁场中的聚焦导引分量有所减弱，一定程度上造成等离子体的时域不稳定性。为了进一步提高等离子体的传输稳定性和效率，实施例3等离子体传输空间设置一个一轴向强度适中的磁场聚焦导引磁场，动态轴对称发散磁场与静态聚焦导引磁场极性相同，随着轴对称发散磁场的增强，一定程度上增加聚焦导引磁场的强度和导引效果。

本实施例3同向静态聚焦导引磁场强度不变（100-200G固定值），轴对称发散磁场强度以三角波或半正弦波形式周期性从小到大变化，变化频率可调（0.01—1kHz），同时也可以一定的直流偏置三角波或半正弦波供电。图8(a)-图8(f)是实施例3同向聚焦导引磁场强度不变，轴对称发散磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。可以看出，在轴对称发散磁场强度较弱的时候，耦合磁场中聚焦导引磁场与靶面形成指向靶材中心的锐角，约束弧斑在靶面中心运动。随着轴对称发散磁场的增强，耦合磁场与靶面的夹角逐渐发生变化，由指向靶材中心逐渐变为指向靶材边缘，推动弧班向靶材边缘扩展运动。两种弧斑运动趋势动态叠加，可以动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态。同时，随着轴对称发散磁场的增强，耦合磁场中的聚焦导引分量增强，增强的轴向导引磁场可以增强等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度，一定程度上过滤大颗粒。因此实施例3随着轴对称发散磁场强度的周期性变化，可以使弧斑由内向外扩展运动，由外向内收缩运动，同时提高弧斑的运动速度，减小颗粒发射，提高靶材刻蚀面积。随着轴对称发散磁场强度周期性的变化，等离子体依然可以高效的传输，保持高效的传输效果，提高沉积效率和质量。

实施例4：

图9是本发明实施例4针对小尺寸靶材发明静态轴对称发散磁场叠加同向动态聚焦导引磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。与实施例1结构类似，磁场变化方式也类似，所不同的是动态轴对称发散磁场与静态聚焦导引磁场极性相同。

本实施例轴对称发散磁场强度不变（30—60G固定值），同向动态聚焦导引磁场强度以三角波或半正弦波形式周期性从小到大变化，变化频率可调（0.01—1kHz），同时也可以一定的直流偏置三角波或半正弦波供电。图10(a)-图10(f)是实施例4轴对称发散磁场强度不变，同向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。可以看出，在聚焦（轴向）导引磁场1较弱的时候，耦合磁场与靶面形成强烈的指向靶材边缘的锐角，锐角角度很小，在较强的轴对称发散磁场作用下，由锐角法则带来的弧斑向靶的边沿漂移扩展的趋势很大。随着聚焦（轴向）导引磁场1的增强，耦合磁场与靶面的夹角略微发生变化，虽然依然保持着指向靶材边缘的锐角，但锐角的角度逐渐增大，接近垂直，因此轴向磁场分量越来越大，而横向分量减弱，弧斑向靶材边缘扩展运动的趋势越来越弱，弧斑在靶面环绕反向运动的趋势也越来越弱，而强轴向磁场对弧斑的作用越来越强，在强轴向磁场的作用下，弧斑的可控旋转扩展运动逐渐变为快速的随机运动。强轴向磁场有可能带来弧斑的进一步分裂，减少颗粒的发射。实施例4随着聚焦（轴向）导引磁场1的增强，耦合磁场中的聚焦导引分量增强，增强的轴向导引磁场可以增强等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度，一定程度上过滤大颗粒。实施例4相比实施例1，等离子体传输的时域不稳定性不大，同向增强的轴向导引磁场可以使得等离子体保持高效的传输效果，提高沉积效率和质量。

实施例5：

实施例1-实施例4都是针对小尺寸靶材发明的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，对于尺寸较大的靶材，靶材后面的磁场容易在靶面形成拱形磁场。图11（a）-图11（b）是两种不同产生拱形磁场的方式。其中，图11（a）是由高导磁率磁轭与放置于靶座内部与磁轭同轴放置的电磁线圈产生的拱形磁场示意图，磁轭略高于线圈或与线圈平齐；图11（b）是由单个永久磁体直接在靶面产生的拱形磁场示意图。

图12是本发明实施例5静态轴对称拱形磁场耦合反向动态聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。轴对称拱形磁场发生装置12由放置于大尺寸圆盘靶材9（其直径为150mm）后面的高导磁率柱形磁轭6及与磁轭同轴放置的轴对称电磁线圈5组成，磁轭6放置于大尺寸圆盘靶材9后面的靶座内部，与大尺寸圆盘靶材9同轴放置；轴对称电磁线圈5于靶座内部围套在大尺寸圆盘靶材9周围，与磁轭6同轴放置。轴对称拱形磁场8由轴对称拱形磁场发生装置12中的轴对称电磁线圈5通直流电产生，磁场强度由电流强度控制，调节大尺寸圆盘靶材9的磁场强度在60—100G左右稳定不变。动态聚焦导引磁场1由聚焦导引磁场发生装置10中的聚焦导引电磁线圈4通交流电产生，与静态轴对称拱形磁场发生装置12耦合形成动态磁场。

本实施例轴对称拱形磁场强度不变（60—100G固定值），可用永磁体或者线圈通直流电实现，反向动态聚焦导引磁场强度以三角波或半正弦波形式周期性从小到大变化，变化频率可调（0.01—1kHz），同时也可以一定的直流偏置三角波或半正弦波供电。图13(a)-图13(f)是实施例5轴对称拱形磁场强度不变，反向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。可以看出，在聚焦导引磁场强度较弱的时候，耦合磁场在靶面形成轴对称拱形磁场，拱形磁场的顶点靠近大尺寸圆盘靶材9边缘，拱形磁场能够将弧斑限制在拱形磁场区域内（靠近靶材边缘），形成环形的弧班运动。轴对称拱形磁场的轴向分量可以使等离子体保持一定的传输效率。随着反向聚焦轴向引导磁场强度的增加，拱形磁场的顶点逐渐向大尺寸圆盘靶材9中心移动，使得弧班的旋转运动约束范围逐渐向大尺寸圆盘靶材9中心移动。当聚焦导引磁场强度增加到一定程度的时候，耦合磁场失去拱形模式，与靶面形成指向大尺寸圆盘靶材9中心的锐角，进一步提高了弧班的约束力，使得弧班向大尺寸圆盘靶材9中心聚集。反向聚焦轴向引导磁场周期性的变化，使得弧斑在整个靶面螺旋扫描运动，提高了靶材的利用率，这和国际上流行的矩形动态可控弧源效果类似，但本发明有更多的功能和使用模式。同时，随着反向聚焦轴向引导磁场强度的增加，提高了轴向磁场的分量，使得带电粒子向基体方向运动，提高了等离子体的传输效率，使动态耦合磁控离子镀工艺成为一种非平衡的沉积模式。

实施例6：

图14是本发明实施例6静态轴对称拱形磁场耦合同向动态聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。与实施例5结构类似，磁场变化方式也类似，所不同的是动态轴对称拱形磁场与静态聚焦导引磁场极性相同。

图15(a)-图15(e)是实施例6轴对称拱形磁场强度不变，同向聚焦导引磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。同实施例5，在聚焦导引磁场强度较弱的时候，耦合磁场在靶面形成轴对称拱形磁场，拱形磁场的顶点靠近靶材边缘，拱形磁场能够将弧斑限制在拱形磁场区域内（靠近靶材边缘），形成环形的弧班运动。但是随着反向聚焦轴向引导磁场强度的增加，耦合磁场在靶面失去拱形模式，与靶面形成指向靶材边缘的锐角，进一步提高了弧班向靶材边缘扩展的趋势，使得弧斑的运动范围局限于靶材边缘附近，不利于靶材刻蚀。虽然随着反向聚焦轴向引导磁场强度的增加提高了等离子体的传输效率，但是由于局限的弧斑放电范围，较低的靶材利用率，在实际运用中，实施例6是一种需要避免的沉积模式。

实施例7：

图16是本发明实施例7强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的反向聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。与实施例5结构类似，所不同的是聚焦导引磁场强度不变，形成一个稳定的等离子体传输磁场，避免了等离子体的时域不稳定性。本实施例7反向静态聚焦导引磁场强度不变（100—200G固定值），轴对称拱形磁场强度以三角波或半正弦波形式周期性从小到大变化，变化频率可调（0.01—1kHz），同时也可以一定的直流偏置三角波或半正弦波供电。

图17(a)-图17(e)是实施例7反向聚焦导引磁场强度不变，轴对称拱形磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。可以看出，在轴对称拱形磁场的强度较弱的时候，磁场分布情况与实施例2轴对称发散磁场强度较弱的时候类似，耦合磁场中聚焦导引磁场的分量比较大，与靶面形成指向靶材中心的锐角，约束弧斑在靶面中心运动，但此时等离子体可以高效的传输，同时较强的轴向导引磁场可以增强等离子体的粒子碰撞机率，提高离化率和离子密度，一定程度上过滤大颗粒。随着轴对称拱形磁场强度的增加，耦合磁场在靶面逐渐形成轴对称拱形磁场位形，同时，拱形磁场的顶点逐渐向靶材边缘靠近，拱形磁场能够将弧斑限制在拱形磁场区域内，因此，弧斑随着耦合磁场的变化，逐渐向靶材边缘扩展。同实施例5，同向聚焦轴向引导磁场周期性的变化，同样使得弧斑在整个靶面螺旋扫描运动，提高靶材的利用率。同时，随着轴对称发散磁场的增强，耦合磁场中的聚焦导引分量略有减弱，但此时弧斑向外扩展，减小了颗粒发射，提高了靶材刻蚀面积。两种弧斑运动趋势动态叠加，可以动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态，该沉积模式也是值得推广的一种耦合模式。

实施例8：

图18是本发明实施例8动态轴对称拱形磁场耦合同向静态聚焦轴向引导磁场形成的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备示意图。与实施例7结构类似，磁场变化方式也类似，所不同的是动态轴对称拱形磁场与静态聚焦导引磁场极性相同。

图19(a)-图19(i)是实施例8同向聚焦导引磁场强度不变，轴对称拱形磁场强度从小到大变化导致的耦合磁力线的位形变化图。可以看出，在聚焦（轴向）导引磁场1较弱的时候，耦合磁场中聚焦导引磁场的分量比较大，与靶面形成指向靶材中心的锐角，约束弧斑在靶面中心运动，但此时等离子体可以高效的传输，此情况与实施例7类似。所不同的是，随着轴对称拱形磁场的增强，耦合磁场在靶面没有逐渐形成闭合的轴对称拱形磁场位形，反而形成了对称发散的尖角磁场位形，该尖角磁场与靶面形成两个锐角，此情况类似只有聚焦导引磁场存在的磁场与靶面夹角状态，尖角磁场在靶面曾环形对称分布，两个锐角在锐角法则作用下约束弧班在尖角磁场的中心区域运动，此情况类似拱形磁场的作用。随着聚焦（轴向）导引磁场1的增强，尖角磁场的中心逐渐向靶材边缘靠近，因此，弧斑随着耦合磁场的变化，逐渐向靶材边缘扩展。同实施例7，同向轴对称拱形磁场周期性的变化，同样使得弧斑在整个靶面螺旋扫描运动，动态的控制弧斑运动，改善弧斑放电状态，提高靶材的利用率。

同时可以看出，随着轴对称拱形磁场的变化，聚焦导引磁场变化不大，可以保持等离子体稳定的高效传输。实施例8相比实施例7，等离子体传输的空间时间稳定性更好，是一种综合效果较佳的非平衡电弧离子镀工艺模式。

Claims (10)

1.多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，所述多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备设有动态耦合磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上；动态耦合磁场发生装置由轴对称磁场发生装置和聚焦导引磁场发生装置构成，轴对称磁场发生装置放置于靶材后面，由放置于靶材后面的高导磁率磁轭及与磁轭同轴放置的电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永久磁体配合磁轭组成；聚焦导引磁场发生装置由电磁线圈组成，放置于靶材前面，与靶材同轴放置，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面；动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场叠加静态聚焦导引磁场形成或者由静态轴对称发散磁场叠加动态聚焦导引磁场形成或者由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场耦合动态的聚焦轴向引导磁场形成或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的聚焦轴向引导磁场形成。

2.按照权利要求1所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，轴对称磁场发生装置由放置于靶材后面的高导磁率磁轭及与磁轭同轴放置的电磁线圈组成，或由单个或两个以上永久磁体组配合磁轭组成，磁轭为单个或两个以上高导磁率块体材料组合而成，磁轭形状为锥台形﹑圆柱形或阶梯形状；磁轭放置于靶材后面的靶座内部，与靶材同轴放置；电磁线圈围套在靶材底座周围或者放置于靶座内部，与磁轭同轴放置；磁轭略高于线圈或与线圈平齐。

3.按照权利要求2所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，轴对称磁场位形为发散磁场，动态耦合磁场由动态轴对称发散磁场叠加静态聚焦导引磁场形成或者由静态轴对称发散磁场叠加动态聚焦导引磁场形成；或者，轴对称磁场位形为拱形磁场，动态耦合磁场由磁场强度一定的静态轴对称拱形磁场耦合动态的聚焦轴向引导磁场形成或者由强度周期性变化的轴对称拱形磁场耦合磁场强度一定的聚焦轴向引导磁场形成。

4.按照权利要求1所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，聚焦导引磁场发生装置套在弧源与炉体之间的法兰上，与靶材同轴放置，聚焦导引磁场发生装置的位置可调，装置的中心与靶面平齐或略高于靶面。

5.按照权利要求1、2或4所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，轴对称磁场发生装置中的电磁线圈由漆包线绕制在线圈骨架上，线圈内外通过绝缘保护，磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或者其他材料制作；聚焦导引磁场发生装置由漆包线绕制的电磁线圈组成，线圈内外通过绝缘保护。

6.按照权利要求1所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，动态耦合磁场由动态轴对称磁场叠加静态聚焦导引磁场形成，动态轴对称磁场由轴对称磁场发生装置中的电磁线圈通交流电产生，在靶面形成磁场强度不断变化的轴对称磁场，轴对称磁场与靶面相交形成指向靶材边缘的夹角或者在靶面形成弯曲的拱形磁场位形；静态聚焦导引磁场由聚焦导引磁场发生装置中的电磁线圈通直流电产生，与靶面形成指向靶面中心的夹角，磁场强度由电流强度控制。

7.按照权利要求1所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，动态耦合磁场由静态轴对称磁场叠加动态聚焦导引磁场形成，静态轴对称磁场由轴对称磁场发生装置中的电磁线圈通直流电产生，磁场强度由电流强度控制，或者单个或两个以上永久磁体组配合磁轭产生；动态聚焦导引磁场由聚焦导引磁场发生装置中的电磁线圈通交流电产生，与静态轴对称发散磁场耦合形成动态磁场。

8.按照权利要求6或7所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，交流电形式为频率可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，交变电流电压幅度可调，偏置电流电压幅度可调；交流电发生电源采用数字合成任意波信号发生器和功率放大器组成，或电晶体放大方式，或PWM脉宽调制方式实现，交流电发生电源实现多种波形、实现高低频不同频段变频控制。

9.按照权利要求6或7所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中的线圈单独调节或者共同调节，两者之间通同向或者反向电流；通过调节轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中线圈电流大小调节动态耦合磁场的强度，通过调节轴对称磁场发生装置与聚焦导引磁场发生装置中线圈交变电流的频率调节动态耦合磁场的频率；线圈的电流形式是频率可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，实现对弧斑的多种控制方式。

10.按照权利要求1所述的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备，其特征在于，靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的轴对称发生装置中的磁轭放在靶材底柱圆筒之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆筒之间，间接水冷的轴对称发生装置中的磁轭放在冷却水通道外底柱圆筒之间。

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