CN116997675A

CN116997675A - 采用踢脉冲的磁控溅射的波纹管镀膜

Info

Publication number: CN116997675A
Application number: CN202280022781.7A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·J·霍拉汉; 丹尼尔·P·门特; 伊恩·F·亨莱因; 罗伯特·A·斯图伯斯; 布莱恩·E·尤尔兹克
Original assignee: Starfire Industries LLC
Current assignee: Starfire Industries LLC
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-11-03
Also published as: EP4281597A1; WO2022159633A1; US20220230859A1

Abstract

描述了一种用于多维结构的等离子体表面改性和高质量镀膜沉积的径向磁控管系统。该系统包括轴向电极、设置在轴向电极的一部分上的靶材材料、来自外部电源的被施加电势、以及附接到轴向电极以用于被施加电势的大电流触点。该系统还包括主永磁体组件和磁体基板，该主永磁体组件包括各个磁性材料元件，其被配置为在向轴向电极施加该被施加电势的情况下产生用于生成霍尔效应致密等离子体区域的靶区磁场，并且该磁体基板在轴向电极内支撑主永磁体组件。磁体基板被配置为提供用于冷却主永磁体组件和轴向电极的通道。

Description

采用踢脉冲的磁控溅射的波纹管镀膜

相关申请的交叉引用

本申请是2021年1月20日提交的题为“Bellows Coating by MagnetronSputtering with Kick Pulse”的美国临时申请号63/139,609的非临时申请，其内容通过引用的方式全部明确并入本文，包括其中的任何引用。

本申请涉及申请号16/848,353，该申请是2017年11月3日提交的题为“ACOMPACTSYSTEM FOR COUPLING RF POWER DIRECTLY INTO RF LINACS”的美国申请序列号15/803,320(USP 10,624,199)的部分接续申请案，并要求其优先权，该申请是2016年11月3日提交的题为“A COMPACT SYSTEM FOR COUPLING RF POWER DIRECTLY INTO RF LINACS”的美国临时申请序列号62/416,900的非临时申请，其中(上述申请的)每一项的内容均通过引用的方式全部明确并入本文，包括其中的任何引用。

本申请涉及申请号16/848,353，该申请是2018年6月12日提交的题为“PULSEDPOWER MODULE WITH PULSE AND ION FLUX CONTROL FOR MAGNETRON SPUTTERING”的美国申请序列号16/006,357的部分接续申请案，并要求其优先权，该申请为2017年6月12中提交的题为“PULSED POWER MODULE WITH PULSE AND ION FLUX CONTROL FOR MAGNETRONSPUTTERING”的美国临时申请序列号62/518,362的非临时申请，其中(上述申请的)每一项的内容通过引用的方式全部明确并入本文，包括其中的任何引用。

本申请涉及申请号16/848,353，该申请是2020年2月25日提交的题为“METHOD ANDAPPARTUS FOR METAL AND CERAMIC NANOLAYERING FOR ACCIDENT TOLERANT NUCLEARFUEL,PARTICLE ACCELERATORS&AEROSPACE LEADING EDGES”的美国申请序列号16/801,002的部分接续申请案，并要求其优先权，该申请是2019年2月25日提交的题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR METAL AND CERAMIC NANOLAYERING FOR ACCIDENT TOLERANT NUCLEARFUEL”的美国临时专利申请序列号62/810,230的非临时申请，其中(上述申请的)每一项的内容通过引用的方式全部明确并入本文，包括其中的任何引用。

技术领域

本公开总体上涉及向加速器设备注入功率，并且更具体地涉及相对紧凑的高功率射频线性加速器(RF LINAC)系统。更具体地，以一组十七(17)张幻灯片的形式提供的本附加公开，涉及将本文所描述的技术应用于用于在波纹管内表面上提供极高质量镀膜的系统和方法。

背景技术

高功率RF腔，诸如在低温超导射频(SRF)LINAC中发现的那些，不仅需要巨大的RF功率(约为10至100kW及以上)，而且还需要真空环境，以防止由于与这种高功率相关联的强电场而在RF腔内产生电弧和火花。在谐振腔内达到特定电场所需的RF功率由质量因子(Q)决定，质量因子是存储的积分能量除以每循环损失的能量。对于谐振RF腔，该公式简化为这因为RF能量沿表面传播，并且是与RF频率的平方根成比例的表面电阻的函数/>更高的质量因子导致更高的效率、更高的可实现电压和加速梯度。SRF腔利用非常高的质量因子(在1E8到1E9的数量级上)来实现具有适度功率输入和适度功率消耗的极端加速场。这允许非常大规模的粒子加速器(诸如CERN(欧洲核子研究委员会)的大型强子对撞机和托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的连续电子束加速器设施)经济高效地运行。然而，由于对于GHz频率的电趋肤深度在微米的数量级上，因此在空腔设计和操作方面存在工程折衷。低温RF腔、波束线、波纹管和波导部分通常由真空级不锈钢制成，并电镀铜以为了较低的表面电阻，或者它们由诸如超纯高残余电阻率(RRR)铌的实心大块基体材料制成，以实现低损耗超导属性。将超纯材料电镀和/或加工成用于加速器应用的复杂真空部件具有挑战性且成本高昂。随着加速器扩展到大尺寸以实现更高的能量(例如，>10TeV)和设备过渡到商业和工业应用(例如，电子束源)，需要改进现有技术。

湿式化学电镀由于其破坏性的环境影响、危险化学品的处理、高昂的成本以及该领域缺乏经验丰富的商人，正在逐步淘汰。在EU(欧盟)，提出在未来几年完全淘汰所有电镀的建议和时间表，这使得对替代技术的投资变得重要。经过多年的衰减，US(美国)只有少数几家公司能够进行此类镀膜。通常，多个客户零件将使用相同的储罐、电极和循环化学浴来运行，产生嵌入杂质、非共形沉积和分层，导致组件报废、返工、额外成本和时间线增长。用物理气相沉积工艺代替容易出错的湿式化学镀是一种方法。然而，处理部件内部和三维表面是困难且具有挑战性的。

此外，由于趋肤深度效应，超导场仅在材料表面传导。当期望只在真空表面沉积或涂覆超导材料薄层并设计SRF属性时，从超纯材料的实心坯料上加工整个结构是主要的浪费和成本驱动因素。加速器群体之所以对大面积、共形的SRF镀膜特别感兴趣的理由在于，它们能够被用于构建SRF腔结构，该结构具有的属性等同于甚至优于目前使用的大块Nb椭圆腔，并且成本可能更低。在一些情况下，为了降低成本并改善热处理属性，关注的是用Nb镀膜的Cu代替Nb腔，而在其他情况下，重点是通过使用其他材料(例如，Nb3Sn镀膜)和/或多层结构来超过大块Nb的RF和/或热性能。这里的一个重大挑战在于将SRF膜沉积到这些空腔上：在弯曲、复杂的表面上进行膜沉积比在晶片或测试试片上进行膜沉积要困难得多，尤其是在膜参数(例如厚度)需要落在整个空腔结构的设定窗口内的情况下。这对于多层(例如，SIS)结构尤其如此，在这种情况下，层厚度的微小变化都能够对最终结果产生深远影响。使整个过程进一步复杂化的是膜内包含颗粒和缺陷，无论是在镀膜过程之前、期间还是之后引入的。这些夹杂物的结果是膜的整体性能退化，该退化通常是极端的。

本公开使用共形电离物理气相沉积(iPVD)来代替湿式化学电镀(例如，Cu)，以针对用于加速器结构上的不锈钢波纹管和其他专用真空部件。

发明内容

本公开涉及一种径向磁控管系统，用于多维结构的等离子体表面改性和高质量镀膜沉积。该系统包括轴向电极、设置在轴向电极的一部分上的靶材材料、来自外部电源的被施加电势、以及附接到轴向电极以用于被施加电势的大电流触点。该系统还包括主永磁体组件和磁体基板，该主永磁体组件包括各个磁性材料元件，其被配置为在向轴向电极施加该被施加电势的情况下产生用于生成霍尔效应致密等离子体区域的靶区磁场，并且该磁体基板在轴向电极内支撑主永磁体组件。磁体基板被配置为提供用于冷却主永磁体组件和轴向电极的通道。

本公开还涉及一种批量镀膜系统，用于在多个表面处理结构上沉积高质量膜。该系统包括真空室组件、包括靶材材料的径向磁控管、外部电源、以及用于保持多个表面处理结构的安装结构。该安装结构介于径向磁控管和真空室之间。在操作期间，多个表面处理结构使用在靠近径向磁控管的等离子体生成区中生成的等离子体来处理。此外，外部电源还包括场发生电子电路，其被配置为执行：利用施加到轴向电极的大电流负直流(DC)脉冲来生成高功率脉冲等离子体磁控管放电；以及在终止负DC脉冲之后，生成提供给轴向电极的可配置的持续正电压踢脉冲。在生成期间，程序处理器配置的逻辑电路发出控制信号以控制持续正电压踢脉冲的至少一个踢脉冲属性，该踢脉冲属性取自于由起始延迟、持续时间、振幅和频率(包括其调制)组成的组。

本公开还涉及一种卷对卷式卷绕镀膜系统(roll-to-roll web coatingsystem)，用于从单个径向磁控管在多个柔性基板表面上同时沉积高质量膜。该系统包括真空室组件、包括靶材材料的径向磁控管、外部电源、以及用于将基板同时输送到等离子体处理区中的卷对卷式卷绕输送系统。在操作期间，径向磁控管生成用于产生等离子体处理区的等离子体场。该外部电源还包括场发生电子电路，其被配置为执行：利用施加到轴向电极的大电流负直流(DC)脉冲来生成高功率脉冲等离子体磁控管放电；以及在终止负DC脉冲之后，生成提供给轴向电极的可配置的持续正电压踢脉冲。在生成期间，程序处理器配置的逻辑电路发出控制信号以控制持续正电压踢脉冲的至少一个踢脉冲属性，该踢脉冲属性取自于由起始延迟、持续时间、振幅和包括其调制的频率组成的组。

本发明的附加特征和优点将从以下参照附图对说明性示例进行的详细描述中变得显而易见。

附图说明

虽然所附权利要求特别阐述了本发明的特征，但本发明及其目的和优点可以结合附图从以下详细描述中最好地理解，在附图中：

图1A是适用于结合本公开的特征的径向磁控管系统的轴向示意图；

图1B是适用于结合本公开的特征的径向磁控管系统的截面示意图；

图1C是在没有磁旋转的IMPULSE+Positive Kick HiPIMS操作下操作的径向磁控管系统的照片；

图1D是在类似蚀刻的工艺参数下，在具有磁旋转的IMPULSE+Positive Kick下操作的径向磁控管系统的照片；

图1E是在类似沉积的工艺参数下，在具有磁旋转的IMPULSE+Positive Kick下操作的径向磁控管系统的照片；

图2A描绘了具有内部旋转的主溅射/蚀刻永磁体组件的大电流径向磁控管系统的沿轴线的侧截面图，该主溅射/蚀刻永磁体组件生成耦合到空气侧外部磁驱动器的移动靶区磁场；

图2B描绘了径向磁控管的说明性实心模型视图的侧截面图，具有内部流动通道，用于溅射/蚀刻的真空侧上的主磁体放置，用于独立磁旋转的空气侧上的次级磁体放置，以及用于旋转的PTFE(聚四氟乙烯)衬套，以及绝缘体；

图2C是具有以+Positive Kick^TM操作的旋转磁场的大电流径向磁控管系统的照片，用于铜的溅射蚀刻/沉积；

图3描绘了径向磁控管系统的说明性示例示例的截面图，其中主溅射/蚀刻永磁体组件部分地环绕径向磁控管的圆周，从而将致密等离子体区域约束到在旋转和/或轴向位移下移动的离散区域；

图4A示意性地描绘了具有真空侧主溅射/蚀刻永磁体组件的大电流径向磁控管系统的沿轴线的截面图，该真空侧主溅射/蚀刻永磁体组件能够轴向位移以生成耦合到空气侧外部磁驱动器的移动靶区磁场；

图4B进一步描绘了主溅射/蚀刻永磁体组件在径向磁控管中的轴向位移，该径向磁控管被配置用于靶区磁场的轴向移动，以生成用于溅射和蚀刻的致密等离子体区域；

图4C是在+Positive Kick^TM下操作的大电流径向磁控管的照片，该磁控管采用能够轴向位移的主溅射/蚀刻永磁体组件；

图5A是具有用于长基板的溅射/蚀刻的多个面向外部的靶材材料部分的较大的径向磁控管轴向圆柱形电极的构造的说明性示例；

图5B是突出显示使用热收缩配合装配技术将分段铌靶材结合到铜轴向电极的照片；

图5C是一米长的径向磁控管靶材结合的电极在与内部磁性组件和冷却剂流动结构装配之前的照片；

图6A说明性地描绘了在没有磁体-靶材旋转的情况下通过溅射靶材材料表面形成深“V”形槽；

图6B是在没有磁体-靶材旋转的情况下操作后的径向磁控管的照片，显示了靶材侵蚀和不均匀性的深“跑道”图案；

图6C说明性地描绘了由磁体-靶材旋转(致密等离子体区域和溅射靶材材料之间的相对运动)和深“V”形槽的消除而导致的靶材表面上的更均匀的靶材材料侵蚀图案以获得更好的利用率和工艺均匀性；

图6D是在磁体-靶材旋转的情况下操作后的径向磁控管的照片，显示了均匀的靶材侵蚀、深“V”形槽的消除以及增加的靶材利用率；

图7A是现有技术的照片，显示了铜电镀以及由于用于低温粒子加速器应用的不锈钢液压成形的真空波纹管上的嵌入缺陷和电镀溶液中的杂质而引起的褪色；

图7B来自现有技术，描绘了大型超导RF粒子加速器低温模块中可能使用高纯度PVD镀膜的区域，即长轴、短波纹管、长波纹管、束线部分、SRF椭圆腔等；

图7C来自现有技术，示出了由于电镀铜的导电性差而导致的RF功率损失和热耗散，示出针对两个不同RRR值在低温冷却的真空波纹管部分中的温度升高与镀膜厚度的关系，突出显示了对高纯度薄膜镀膜的需要；

图7D是嵌入缺陷和电镀铜溶液中的杂质以及对不锈钢波纹管的影响的现有技术照片；

图7E是在粒子加速器应用中使用的典型电镀铜中的缺陷材料和尺寸的现有技术概述，其对较低的RRR、在高电场下能够导致火花和电子发射的表面缺陷以及较差的性能有一定促成作用；

图8A描绘了传统DC溅射、脉冲DC、传统HiPIMS和+Positive Kick^TM之间的比较；

图8B是说明性脉冲波形，其突出显示了+Positive Kick^TM的具体特征，特别是生成显著靶材溅射和靶材材料电离的强烈的、大电流主负脉冲区，和PositiveKick^TM电压的反转，其以高能离子的形式将等离子体从靶区磁场中排出(短踢)，并将大块等离子体传输到基板(长踢)——示波器波形是在20微秒内实现2kA峰值电流的Cu等离子体，随后是+200V正脉冲持续50微秒；

图9A描绘了在IMPULSE操作期间的3个阶段中的第1个阶段的示意图——超快HiPIMS阶段；

图9B描绘了在IMPULSE操作期间的3个阶段中的第2个阶段的示意图——短踢阶段；

图9C描绘了在IMPULSE操作期间的3个阶段中的第3个阶段的示意图——长踢阶段；

图10描绘了在没有破坏真空、中断或分段的情况下使用+PositiveKick^TM的连续过程的示意图；

图11A是描绘在表现出+Positive Kick^TM在3D或高纵横比特征的基板上的效果的示意图，包括来自短踢阶段的高能离子轰击、基板浸入大块等离子体膨胀中以及随后的准共形性和来自长踢阶段的离子轰击；

图11B是经过Radial Magnetron^TM++Positive Kick^TM处理过的传统W和Ω形状的高纵横比不锈钢波纹管界面的照片，其表现出准共形Cu覆盖，具有高强度并经受低温浸渍、热处理、塑性变形拉伸和循环疲劳，而不会发生屈曲、分层或膜失效；

图11C是使用+Positive Kick^TMHiPIMS蚀刻和沉积的可插入径向磁控管对不锈钢液压成形波纹管部分在内径上镀膜的照片；

图11D是图11C中同一波纹管的内孔向下的另一张照片，突出显示了覆盖的均匀性；

图11E是对铜镀膜进行横截切割的线切割机床(wire-EDM)破坏性测试的照片，显示了图11C和11D中所示波纹管的连续覆盖并且无材料失效；

图12描绘了具有脉冲模块和电源的薄膜沉积、蚀刻和表面改性系统的高层示意图；

图13A是脉冲模块和相关电源的照片；

图13B是用于结合/使用脉冲模块/操作对真空波纹管和加速器部件的表面改性、蚀刻和沉积的单个径向磁控管内联(in-line)沉积系统的示意图；

图13C是用于超导镀膜的示例Cu腔的表面改性、蚀刻和沉积的多个径向磁控管内联沉积系统的示意图，该超导镀膜由不止一种材料组成，例如径向磁控管A和径向磁控管B；

图14A是包括真空室、至少一个径向磁控管和介于径向磁控管与真空室之间的至少一个基板安装结构的径向磁控管批量沉积系统的侧视示意图，其中基板用在径向磁控管处或附近生成的等离子体和材料进行蚀刻或沉积；

图14B是径向磁控管批量沉积系统的自上而下的示意图，突出显示了一个或多个径向磁控管、多个基板安装结构、辅助阳极和真空室边界的放置；

图14C是径向磁控管批量沉积系统的侧面轮廓示意图，突出显示了用于插入/取出多个径向磁控管、屏蔽盖和辅助阳极的交换系统；

图15是将径向磁控管应用于传统的内联输送基板处理站的示意图，突出显示了+Positive Kick^TM对基板的增强型等离子体传输；

图16A是用于内联的卷对卷式卷绕镀膜的径向磁控管的应用的示意图，其中基板相对于径向磁控管进行传送并且能够被引导到接近径向磁控管的地方以获得更高的利用效率；

图16B进一步描绘了多个径向磁控管的应用，以提供高速率连续的卷对卷式薄膜的镀膜，并且潜在地添加用于绝缘或大面积基板的辅助阳极返回电极；

图16C进一步描绘了围绕单个径向磁控管的柔性基板的路由，以最大限度地利用溅射材料，并且能够与用于多层镀膜和内联径向磁控管交换的附加径向磁控管以菊花链进行连接；

图17说明性地描绘了具有有效温度(T*)和有效溅射粒子能量(E*)的两个独立轴的示例结构区图，其可用和Positive Kick^TM来解决问题。

具体实施方式

以下附图的详细描述不应被视为限制性的，而仅仅是为了描述所描述的实施例的原理的目的。

用于制造超导射频(SRF)加速器系统的传统结构和系统涉及采用大坯料的特殊等级材料或合金(诸如铌金属、铍金属、超高纯度无氧铜)，并进行精密机械加工，以达到RF加速的窄带谐振腔的精确尺寸公差。对于许多加速器部件，只使用了大块材料的一小部分(即百分之几)，这会造成大量的材料、时间和劳动力损失。这是为了保持材料属性而付出巨大代价的；并最大限度地减少有损接口、公差/堆叠误差、气密性中断和失配。通常，基板材料因其优异的结构属性而被使用，但以其电属性或热属性为性能代价。折衷选择包括：使用不锈钢代替铜，或者反过来选择铌代替铜。由于电属性在高频(例如MHz)材料中电磁传播的趋肤深度中占主导地位，因此使用具有表现出优异电属性和真空属性的表面层的复合结构。对于诸如电镀的湿式化学工艺，在镀膜厚度均匀性、溶液中的杂质、牺牲阳极、批次间的不可生产性以及材料供应纯度方面存在挑战。这对于在低温下使用的不锈钢上镀铜以简单地在数百米的真空系统、加速器束线和传输管上最小化电阻损耗来说尤其具有挑战性。

对于复合材料结构，可以为不同的部件选择不同的材料，以为了热特性、结构支撑、膨胀和收缩、防震等。通过形成复合材料结构的能力，用于制造、对准、固定和分割的新方法有助于降低成本并提高设计灵活性，减小重量、尺寸，和功率并且易于集成。特别地，期望的表面材料属性(例如，低电子发射)、材料纯度(例如，低夹杂物、低场浓度)、腔体平滑度(例如，较低场发射、较高梯度)、近表面形态(例如，有限的晶须生长、火花引发)，以及真空耐受性(例如，低蒸气压、表面迁移率)能够被设计为改进RF LINAC的特性。

本文所述的制造操作和技术还允许使用更坚固、导热和更容易形成/加工/作业的材料，使用用于超导腔体的薄层代替大块、固体铌材料，或者能够完全取代具有环境挑战性的湿式化学技术。由于能够沉积在一系列基板上的材料的多样性，该技术为加速器腔和组件提供了更多的选项和选择。传统的湿式化学和电镀技术在基板材料选择、基板形状、污染、表面材料光洁度和粘合强度方面受到限制。本文描述的当前公开的创新制造特征是基于共形物理气相沉积与用于广泛材料的表面蚀刻、制备和改性技术相结合使用。

物理气相沉积(PVD)镀膜能够定制，以产生所需的物理、热和电子属性，特别是考虑到新的+Positive Kick^TM高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，其提供精确的离子能量控制和沉积速率的改进。参见US11,069,515和相关申请。然而，由于物理PVD溅射硬件在物理安装到空间、提供足够的均匀性、限制灰尘/颗粒/电弧以及管理多种材料方面受到限制，在小管或复杂形状(诸如，3D波纹管、椭圆形SRF腔和光束成形元件)的内径上的PVD镀膜一直具有挑战性。标准磁控溅射是使用用于大面积镀膜的平面矩形磁控和用于小面积镀膜的平面圆形磁控来完成的。这些系统通常实现15-40％的靶材利用率，并被用于玻璃窗、太阳能电池板和半导体镀膜的内联生产。通过围绕固定的平面矩形磁场旋转圆柱形靶材以通过定向溅射工艺(即，向下溅射)将利用率提高到90％来实现靶材利用率的提高。然而，这些形状对于在部件的内部尺寸上进行精确镀膜是非常有限的，尤其是直径小于0.5米的物体。

本公开中的创新具体涉及一种新颖的径向磁控管配置，该配置结合了适合小尺寸和较长长度的圆柱形靶材材料的几何形状，在圆柱形靶材材料几何结构内具有可移动的永磁结构，该结构能够在靶面周围移动局部靶区磁场，以产生用于蚀刻和溅射的致密等离子体区域。圆柱形理想地适合针对小ID镀膜的小直径，也被扩展到针对批量镀膜应用的较大直径。

本文所描述的说明性示例不同于30多年前开发的圆柱形柱磁控管的使用，后者使用一组大型外部电磁体来产生均匀的轴向B场体积，以设置用于溅射的霍尔电流。本公开的径向磁控管在靶面附近使用高梯度(尖角状)场，其具有内部永磁体来控制和限制适合于HiPIMS操作的致密等离子体区域。磁场通过旋转或轴向位移的移动能够实现靶的均匀性。此外，在半导体和卷绕镀膜(web-coating)工业中广泛使用的传统圆柱形阴极磁控管采用具有有刷电触点的物理旋转靶材电极，该有刷电触点不适合用于HiPIMS操作的脉冲电流处理能力。Starfire的技术具有硬金属触点，其能够处理的电流远远超过HiPIMS操作的典型电流，能够实现正电压反转，以及旋转等离子体区域以实现均匀性。超快技术能够常规地推动电流密度>10A/cm2(这是标准HiPIMS的10倍以上)，从而导致定向iPVD的电离率>90％。坚硬的、大电流触点使用旋转/位移永磁组件能够实现这一特征。此外，由于没有面向真空的表面/部件移动；只有没有看到真空的径向磁控管内部磁体组件在旋转或移动，因此颗粒生成被进一步最小化。这对于许多薄膜应用是至关重要的。

加速器体积大、成本高，并且通常在国家实验室、医学中心和研究型大学都有。内部上的直接溅射镀膜能够密封部件(诸如叶片、隔板、调谐杆、波纹管等)之间的界面。然而，本文所述的溅射镀膜方法和结构广泛适用于除了对加速器部件的内表面镀膜之外的各种应用。为石油和天然气应用的生产管的ID镀膜以抵抗腐蚀和侵蚀，为耐磨性对枪管镀膜等。本公开还能够被用于为热保护对3D涡轮刀片镀膜，对具有硬层的3D切割工具镀膜，聚合物金属化的卷对卷式卷绕镀膜，内联玻璃基板镀膜等。

图1A中示出了这种示例性径向磁控管的横截面。说明性示例在一端具有所有冷却、机械和电气连接，使得圆柱形部件(例如，波纹管或管部分)能够方便地放置在磁控管周围，如稍后在图13B中所示。此外，它还采用了旋转的内部磁铁组，其具有以下效果：1)显著提高靶材的利用率；2)使随着靶材老化的操作参数的漂移最小化。

图1A是适用于结合本公开的特征的径向磁控管系统的轴向示意图。图1A示意性地描绘了发射离子和中子的端盖径向磁控管的轴向内侧截面图，突出显示了内部冷却剂流、磁性组件和外部上的等离子体生成。溅射靶材轴向电极1001被安装有内部冷却通道1007，该内部冷却通道1007使冷却剂流过各个永磁体材料(诸如，NdFeB或SmCo)，包括并形成主溅射/蚀刻永磁体组件1005。溅射靶材材料1013被放置在轴向电极1001的外部上。可以存在用作结构支撑的磁性基板1004保持器、磁通轭/分流和各个永磁体的物理间隔以形成主溅射/蚀刻永磁组件1005。主溅射/蚀刻永磁体组件被配置为：在靶材材料1013附近生成霍尔效应电子捕获区域，以在向轴向电极施加电势的情况下生成并维持致密等离子体区域1009。冷却流体输入1007和冷却流体出口1008提供了通过轴向电极1001和主溅射/蚀刻永磁体组件1005直接冷却靶材材料1013的手段。这对于保持靶区磁场的磁通密度是必要的，以在向轴向电极1001施加电压的情况下形成用于溅射和蚀刻的适当等离子体。轴向电极1001能够是中空的，并通过两个端口穿过真空室，或者它能够在一端具有端盖1002，使得径向磁控管成为能够从一个端口插入真空室的单侧设备。此外，主溅射/蚀刻永磁体组件1005能够被安装到便于旋转或移动的结构，诸如内部冷却剂通道1003或其他这样的注入件。磁体-靶材磁场的旋转或移动用于将致密等离子体区域1009分布在轴向电极1001周围，以平衡靶材材料1013的侵蚀和去除。

图1B是适用于结合本发明的特征的径向磁控管系统的横截面示意图。在图1A所描绘结构的正交截面图中，其描绘了溅射轴向电极1001，其中靶材材料1013在主溅射/蚀刻永磁体组件1005上方相对运动，突出显示了相对旋转。磁体-靶材旋转1012允许来自主溅射/蚀刻永磁体组件1005内的磁性材料的靶区磁场1011相对于靶材材料1013移动，并使致密等离子体区域1009围绕/沿靶材材料的圆周移位，并生成用于处理基板1030(未示出)的粒子通量1010。在说明性示例中，主溅射/蚀刻永磁体组件1005被安装到磁体基板1004上，该磁体基板保持各个磁性材料在一个取向上，以在靶材材料1013的附近生成霍尔效应体积，在那里形成了致密等离子体区域1009。致密等离子体区域1009生成高能离子和中性粒子通量1010，其从溅射靶材材料1013向外指向待镀膜、蚀刻和改性的表面。

图1C是在没有磁旋转的IMPULSE+Positive Kick HiPIMS操作下操作的径向磁控管系统的照片。该照片描绘了1.5米长的轴向电极1001的实施例，其具有布置成在溅射靶材材料1013周围产生单个蛇形致密等离子体区域1009的磁场。电子经由在溅射靶材轴向电极1001上施加电压产生的霍尔效应ExB力(也称为“磁控管效应”)绕着连续的蛇形跑道运行，导致了在致密等离子体区域1009处生成强烈的等离子体区域。因为这是单一跑道，等离子体密度能够在径向磁控管表面上实现负载平衡，从而在整个长度上实现更好的均匀性。在该特定示例中，形成了1.5米长的等离子体区域，其在整个长度上均匀性良好，适合于方位角旋转。图1C仅示出了没有端盖的单个连续径向磁控管的说明性的、非限制性的示例，并且其能够从两侧跨真空室被支撑，其中在两侧具有功率注入以获得更大的功率处理能力。

图1D是在类似蚀刻的工艺参数下在具有磁旋转的IMPULSE+Positive Kick下操作的径向磁控管系统的照片。这是其中带有端盖的径向磁控管1002与溅射靶材电极1013上的单个蛇形跑道致密等离子体区域1009一起操作的另一个实施例。在图7D中，带有端盖的径向磁控管1002采用+Positive/Super Kick^TM技术，用于生成用于执行清洁、蚀刻和表面改性的电磁场——如通过在铜溅射靶材电极上的蚀刻模式等离子体1014的蓝-粉-紫颜色所证明的(当在实际操作中查看时)。在该蚀刻模式等离子体1014中，带有端盖的径向磁控管1002生成高能Ar+离子，并将离子径向向外引导，以清洁待处理物体(例如，加速器腔壁或波纹管高纵横比特征)的表面。

图1E是在类似沉积的工艺参数下在具有磁旋转的IMPULSE+Positive Kick下操作的径向磁控管系统的照片。有利的是，在表面处理和处理操作期间，能够在不到一秒钟的时间内改变操作参数，以将组件的操作从执行清洁/蚀刻操作切换到沉积/注入操作。图1E是图1D所示的同一系统的照片，采用了/>+Positive Kick^TM技术生成电磁场，以执行注入、混合、粘合、应力控制、形态控制、扩散屏障和覆盖层——如通过来自溅射靶材电极的用于沉积模式等离子体1015的亮绿色铜等离子体颜色所证明的(当在实际操作中查看时)。

图2A描绘了具有内部旋转的主溅射/蚀刻永磁体组件的大电流径向磁控管系统的沿轴线的截面图，该主溅射/蚀刻永磁体组件生成耦合到空气侧外部磁驱动器的移动靶区磁场。主溅射/蚀刻永磁体组件2005被安装到磁体基板2004上，该磁体基板2004能够用作来自产生输入流2007的冷却输入管2021的内部冷却剂通道。冷却剂过渡或穿孔2006促进了流动的转向，从而随后在穿过保持同心定向并允许主溅射/蚀刻永磁体组件旋转的开槽套管2016的同时越过轴向电极2001的内表面。溅射靶材材料2013被固定到轴向电极2001，并且如果径向磁控管2029是“端型”确认，则端盖2002关闭该单元。大电流返回线2023被附接到轴向电极，其具有硬触点和高表面积，以便在脉冲操作下为+PositiveKick^TMHiPIMS提供良好的导电性。次级内部运动永磁体组件2017被安装到磁体基板2004上，以经由物理和/或磁连接提供到主溅射/蚀刻永磁体组件2005的磁耦合。次级外部运动永磁体组件2018被放置在次级内部运动永磁体组合件2017的外部，并且用足以防止大电流返回线2023附近的高压状况的绝缘材料隔离。次级外部运动永磁体组件2018能够通过外部致动(诸如皮带驱动器或具有适当齿轮(未示出)的步进电机)进行物理旋转，以旋转磁性组件，从而在主溅射/蚀刻永磁体组件2005上实现期望的运动。同样，大电流返回线2023通过外部隔离/真空密封2020的空气侧上的轴向电极2001的附加长度提供了稳健的脉冲电流能力。外部隔离/支撑件2019能够被用于将主溅射/蚀刻永磁组件2005与次级内部永磁组件2017进行电隔离，以及在不考虑轴向电极2001的长度如何的情况下允许单独的部件用于制造。应当注意，外部隔离/真空密封2020能够被用于将径向磁控管2029固定到真空系统中以进行操作。

图2B描绘了径向磁控管的说明性实心模型，具有内部流动通道，用于溅射/蚀刻的真空侧上的主磁体放置，用于独立磁旋转的空气侧上的次级磁体放置，以及用于旋转的PTFE衬套，以及绝缘体。同样，冷却剂输入管2021通过PTFE开槽套管2016馈送到被固定在磁性基板2004上的次级内部磁性组件2017中，并且可能馈送到用于电流隔离和/或冷却剂过渡或穿孔2006的内部隔离/支撑2019中。轴向电极2001贯穿了穿过外部隔离/真空密封2020的径向磁控管2029的整个长度。另一个实施例(未示出)是将整个径向磁控管2029放置在具有在“空气侧”部件上的保护层或外壳的真空室中，并使用柔性电缆和软管用于电源和冷却剂。

图2C是具有以+Positive Kick^TM操作的旋转磁场的图2B所示的大电流径向磁控管系统的照片，用于铜的溅射蚀刻/沉积。致密等离子体区域2009相对于靶材材料2013旋转，并在远处将材料蚀刻/沉积到基板2030上。

图3示出了截面图，其中主溅射/蚀刻永磁体组件部分地围绕径向磁控管的圆周，从而将致密等离子体区域约束到在旋转和/或轴向位移下移动的离散区域。主溅射/蚀刻永磁体组件3005被分割成离散的单独的磁等离子体区域3022，并且被安装在经历磁体-靶材旋转3012的公共磁体基板3004上。在每个单独的磁等离子体区域3022内由靶区磁场3011形成的致密等离子体区域3009将从轴向电极3001溅射靶材材料3013。通过使用较小的单个磁等离子体区域3022，由每个致密等离子体区域3009的总和形成的活性等离子体区域能够相对于靶材材料3013和轴向电极3001的表面积保持更小。由于多种原因，这是有利的——主要原因是能够实现局部HiPIMS电离所需的等离子体电流密度，例如＞0.3A/cm2，同时满足靶材材料3013不熔化或受到热冲击的最大热属性。或者允许更大直径的径向磁控管以热预算或功率预算对更大的物体镀膜。通过使用较小的单独磁等离子体区域3022，对于许多难以使用的材料或镀膜配置，能够实现IMPULSE+Positive Kick HiPIMS的优点——并且保持了空间均匀性和靶材旋转或轴向位移带来的靶材利用率优势。

图4A示意性地描绘了具有真空侧主溅射/蚀刻永磁体组件的大电流径向磁控管系统的沿轴线的截面图，该组件能够轴向位移以生成耦合到空气侧外部磁驱动器的移动靶区磁场。主溅射/蚀刻永磁体组件4005被安装到磁体基板4004，该磁体基板4004能够用作来自产生输入流4007的冷却输入管4021的内部冷却剂通道。冷却剂过渡或穿孔4006促进了流体转向，从而在穿过保持同心定向并允许主溅射/蚀刻永磁体组件移动的开槽套管4016的同时越过轴向电极4001的内表面。溅射靶材材料4013被固定到轴向电极4001，并且如果径向磁控管4029是“端型”确认，则端盖4002关闭该单元。大电流返回线4023被附接到轴向电极，其具有硬触点和高表面积，以便在脉冲操作下为+Positive Kick^TMHiPIMS提供良好的导电性。次级内部运动永磁体组件4017被安装到磁体基板4004上，以经由物理和/或磁连接提供到主溅射/蚀刻永磁体组件4005的磁耦合。次级外部运动永磁体组件4018被放置在次级内部运动永磁体组合件4017的外部，并且用足以防止大电流返回线4023附近的高压状况的绝缘材料隔离。次级外部运动永磁体组件4018能够通过外部致动(未示出)物理地移动，以移动磁性组件，从而在主溅射/蚀刻永磁体组件4005上实现期望的运动。同样，大电流返回线4023提供了稳健的脉冲电流能力。

图4B进一步描绘了径向磁控管中的主溅射/蚀刻永磁体组件的轴向位移，该径向磁控管被配置用于靶区磁场的轴向移动以生成用于溅射和蚀刻的致密等离子体区域。主溅射/蚀刻永磁体组件4005的部件上的磁等离子体参考点4024促进了靶区磁场4011，其使得能够形成用于溅射和将材料从靶材材料4013转移到基板(未示出)的致密等离子体区域4009。轴向-纵向磁体-等离子体位移4025是通过物理移动主溅射/蚀刻永磁体组件4005的部件来实现的，以移位靶区磁场4011，该靶区磁场移动致密等离子体区4009以溅射和从靶材材料4013转移材料。轴向磁体-等离子体位移4025的作用用于促进靶材的均匀性、延长的寿命、稳定的工艺条件和高功率操作。

图4C是在+Positive Kick^TM下操作的大电流径向磁控管的照片，其采用能够轴向位移的主溅射/蚀刻永磁体组件。这里是直径6.3mm的带有端盖的径向磁控管4002，其具有主溅射/蚀刻永磁组件，该主溅射/刻蚀永磁组件被布置成在溅射靶材电极4013周围产生多个致密等离子体区域4009，其能够被轴向平移4025。这种配置适于处理具有非常小直径的结构的内表面，并对小管内部和难以到达的位置进行镀膜。径向磁控管与脉冲功率模块具有硬电触点，以维持HiPIMS和电离PVD的强脉冲电流，以及Positive Kick功能。虽然图4C示出了一个直径非常小的系统，但是径向磁控管能够被缩放到更大的直径，以在对主溅射/蚀刻永磁体组件进行改性的情况下处理更大的物品。

图5A是具有用于长基板的溅射/蚀刻的多个面向外部的靶材材料部分的大型径向磁控管轴向圆柱形电极的构造的说明性示例。这里，轴向电极5001材料通过分段靶材结构5026结合到靶材材料5013。单独的分段接头具有定制的靶材重叠区域5027，以最小化接缝并实现靶材操作和溅射的更好的均匀性。

图5B是突出显示使用热收缩配合装配技术将分段铌靶材结合到铜轴向电极的照片。这里，轴向电极5001材料能够是高膨胀、高导电性的材料，诸如铜，并且其使用分段靶材结构5026结合到靶材材料5013，诸如铌。轴向电极在例如液氮的冷浴中冷却，并且然后将分段靶材结构5026在顶部连续地收缩配合以进行接合。这就产生了具有良好热接触的坚固接头，以进行操作。

图5C是一米长的径向磁控管靶材结合的电极在与内部磁性组件和冷却剂流动结构装配之前的照片。替代实施例包括使用轴向电极作为靶材材料，使用弹性体或铟键合介质，钎焊等。此外，使用冷喷涂、大气等离子体喷涂和其他烧结/压制技术的传统圆柱形旋转阴极结构也适用于此。

图6A说明性地描绘了在没有磁体-靶材旋转的情况下通过溅射靶材材料表面形成深“V”形槽。溅射V形槽6033被突出显示，其是由致密等离子体6009在溅射区域6032上的撞击对靶材材料6013的侵蚀而形成的，导致溅射分布6034仅部分地通过溅射V形凹槽6033逸出，从而导致溅射发射角6035。随着时间的推移，这种作用随时间限制了粒子通量6010到达待镀膜的基板(未示出)。磁通密度在更靠近主溅射/蚀刻永磁体组件(未示出)的靶材材料6013内部增加，促进更大的电离和侵蚀，导致了更深的溅射V形槽6033，从而导致更短的靶寿命。溅射V形槽6033越深，材料逸出的立体角越小，并且发生的材料回收量越高，降低了系统的整体沉积效率。对于多个跑道，有些跑道可能比其他跑道有更深的跑道凹槽。这加快了维护周期。

图6B是在没有磁体-靶材旋转的情况下操作后的径向磁控管的照片，显示了靶材侵蚀和不均匀性的深“跑道”图案。

图6C说明性地描绘了由磁体-靶材旋转(致密等离子体区域和溅射靶材材料之间的相对运动)和溅射V形槽6033到轴向靶材边缘的最小化而导致的靶材表面上的更均匀的靶材材料侵蚀图案以获得更好的利用率和工艺均匀性。应当注意，溅射发射角6035在近似正态溅射分布6034的情况下明显更大。这不仅大大提高了靶材的利用率，而且由于侵蚀不会在靶材中磨损出越来越深的凹槽，因此随着靶材老化，等离子体操作条件更加稳定。

图6D是在磁体-靶材旋转的情况下操作后的径向磁控管的照片，显示了均匀的靶材侵蚀轮廓6036、深“V”形槽的消除以及增加的靶材利用率。比较图6B和图6D，显示了本发明在侵蚀图案和实用性方面的相对差异。通过磁场相对于靶材的旋转或轴向调节，能够实现改进的均匀性和溅射V形槽6033，以获得更大的立体角发射和靶材利用率。

图7A是现有技术的照片，显示了铜电镀包括用于低温粒子加速器应用由于来自电镀溶液在不锈钢液压成形真空波纹管上的嵌入缺陷和杂质而引起的褪色。图7A是波纹管结构的示例，其使用用于电镀用于RF加速器的不锈钢低温波纹管的现有技术方法进行表面处理/形成。在图7A中提供的图像中，可以观察到铜镀层的质量参差不齐，由于掩膜和镍冲击层困难，无法在真空波纹管部分的侧壁上沉积镀层材料。通过使用本公开的沉积/溅射操作可以替换现有技术方法，从而获得更好的表面处理/电镀的有益结果。

图7B来自现有技术，描绘了大型超导RF粒子加速器低温模块中可能使用高纯度PVD镀膜的区域，即长轴、短波纹管、长波纹管、束线部分、SRF椭圆腔等。图7B示例性地描绘了现有技术中包括多个线轴、波纹管和需要特定的材料特性的RF腔的超导RF加速器部分的布置。本公开涉及具有广泛应用的多个部分。

本文公开的径向磁控管能够在加速器表面(包括RF腔、RF密封件、波纹管和实际叶片尖端、I-H结构、电介质负载结构、调谐元件和电极)上实现共形镀膜。针对给定径向磁控管配置来调整+Positive Kick^TM的属性，能够在Thornton/Anders结构区图周围调整材料属性，使其具有不同电学、热学、晶粒结构、机械和化学计量/组成。针对加速器的需求，能够在高应力位置沉积并良好粘附诸如次级电子发射、光滑和高场发射极限材料之类的属性，而能够在需要低电阻的区域对高导电性大块材料镀膜。对于线轴、直管段和波纹管，能够获得具有高RRR的优质铜。类似地，对于SRF腔，优选取向的Cu基底层能够被沉积具有薄绝缘NbN层，其中主Nb镀膜在顶部，以优化超导性能。径向磁控管可以有其他组合、材料、复合结构和位置。对于线性电子束腔，前缘圆盘孔径镀有用于高场区域的一类镀膜，并且腔区镀有不同类型的膜结构。例如，叶片尖端上的超光滑、纳米晶体或非晶高梯度材料，以及空腔区中的优选取向高导电性铜。

图7C来自现有技术，示出了由于电镀铜的导电性差而导致的RF功率损失和热耗散，示出针对两个不同RRR值在低温冷却的真空波纹管部分中的温度升高与镀膜厚度的关系，突出显示了对高纯度薄膜进行镀膜的需要。图7C说明性地描绘了现有技术的性能属性，其示出了由于电镀铜的导电性差而导致的RF功率损耗和热耗散。膜的厚度既确定了RF损耗的大小，也确定了结构向外传导沉积热能的能力。这不仅对加速器腔很重要，而且对波纹管部分、传输管和其他波束结构也很重要。陷波RF模式是存在于诸如波纹管之类的加速器结构中的发热源。对于保持在液态He温度下的超导加速器冷沉淀模块，此处沉积的任何热能都将仅经由沿波纹管表面到其边缘的传导而被去除。为了最大限度地减少加热，这些应用非常需要厚度>10μm的接近纯铜(例如高RRR)的膜。Starfire的+PositiveKick^TM技术通过实现对沉积膜中的应力控制来解决这一问题。这使得工艺工程师能够沉积具有很少或没有内应力的膜，这对于厚的、大面积膜是至关重要的。

图7D是包括嵌入缺陷和电镀铜溶液中的杂质以及对不锈钢波纹管的影响的结构的现有技术相关照片。根据现有技术处理过的表面在传统铜电镀中显示出表面缺陷、侵蚀、截留材料、夹杂物和表面粗糙，从而导致较差的加速器性能。+PositiveKick^TM和Super Kick^TM模式控制净沉积、蚀刻或同时进行平滑/粗糙度填充。重新平整表面有利于高梯度(即，抗火花或耐火花)加速器膜。最初的抗火花性导致了光滑性，但总体公差更多地来自于通过在逐原子工艺中沉积受控膜而不是批量铸造和机加工所提供的夹杂物的缺失。在第一个圆弧之后，局部曲面将不再平滑。因此，薄膜杂质/缺陷/夹杂物决定了处理后表面的性能。

图7E是在粒子加速器应用中使用的典型电镀铜中的缺陷材料和尺寸的现有技术概述，其对较低的RRR、在高电场下能够导致火花和电子发射的表面缺陷以及较差的性能有一定促成作用。图7E是根据现有技术处理的表面的性能的说明性概述。本概述通过尺寸和材料杂质显示了电镀铜中的夹杂物的存在。根据本公开，本文所述的表面处理和形成操作以及结构能够在逐个原子的基础上控制材料的沉积，极大地限制了夹杂物的尺寸和组成，从而抑制局部场增强以及次级电子倍增和火花。

所提出的说明性示例使用共形电离物理气相沉积取代了湿式化学电镀(例如，Cu)，用于加速器结构上使用的不锈钢波纹管和特种真空部件。湿式化学电镀由于其破坏性的环境影响、危险化学品的处理、高昂的成本以及该领域缺乏经验丰富的商人，正在逐步淘汰。在EU(欧盟)，提出在未来几年完全淘汰所有电镀的建议和时间表，这使得对替代技术的投资变得重要。目前已知的问题有：表面光洁度/粗糙度(包括电镀层中肉眼可见的条纹)、夹杂物、电镀铜本身的颗粒以及电镀或后续表面光滑步骤(例如，钼毛抛光或喷丸)中可能引入的颗粒。

图8A说明性地描绘了传统DC磁控溅射(小电流、低电离)、脉冲DC(小电流，低电离但更适用于反应性气体)、传统HiPIMS(大电流，高电离但低沉积速率)和+Positive Kick^TM(大电流、更高的电离率和更高的沉积率)的比较。通常，HiPIMS等离子体电流密度约为0.3A/cm²。使用在Positive Kick脉冲之后的超快脉冲能够超过3A/cm²，具有良好的膜属性，并被用作设计反向磁控管结构的因素，以获得更强烈电离、共形等离子体蚀刻和沉积的高峰值功率。

图8B是说明性脉冲波形8040，其突出显示了+Positive Kick^TM的具体特征，特别是生成显著靶材溅射和靶材电离的强烈的大主脉冲电流8041、主脉冲负电压8042区域，和Positive Kick^TM电压8045的反转，其以高能离子的形式将等离子体从靶区磁场中排出(短踢8043)并将大块等离子体传输到基板(长踢8044)——示波器波形是在20微秒内实现2kA峰值电流的Cu等离子体，随后是+200V正脉冲持续50微秒。超快/>技术能够常规地推动电流密度>10A/cm2(这是标准HiPIMS的10倍以上)，从而使定向iPVD的电离率>90％。极高的电流大小要求与脉冲电流传播的物理区域进行硬电气接触。径向磁控管具有固定的轴向电极，该电极具有高表面积，用于硬金属接触，其能够处理IMPULSE脉冲电流。图2A和图4A中的径向磁控管示出了启用的硬的大电流触点4023。此外，颗粒生成由于以下事实而被进一步最小化：没有面向真空的表面/部件移动，只有没看到真空的径向磁控管内部磁体组件在旋转或移动。

继续参考图8B，在示波器波形8040上提供了额外的细节，包括在超快HiPIMS阶段期间在20微秒内实现2kA峰值电流的Cu溅射等离子体，其中随后的+200V正脉冲显示出短踢和长踢阶段。用于-750V、2kA峰值电流HiPIMS脉冲的电压波形8042和电流波形8041在具有+200V、125A峰值电流(突出显示短踢8043和长踢8044)的正踢脉冲的铜溅射靶材的圆柱形磁控管上实现5A/cm2的等离子体电流密度。本文所述的技术在高dI/dt下驱动等离子体生成，以实现快速电离，用于随后的电压反转和Positive Kick^TM，从而加速离子和等离子体进入基板，实现出色的清洁、蚀刻、优选取向沉积和具有应力和形态控制的沉积。如US20180358213A1中所教导的，该技术还允许与脉冲DC偏置电源同步，用于时间窗口加速到基板中，以进行附加控制。

取决于诸如预电离、靶材材料、磁场、压力、几何曲率、溅射气体、表面化学、吸附气体等局部因素，电压波形8042上的主负脉冲通常在-400V到-1200V的范围内。使用超快开关拓扑，典型的大电流脉冲宽度小于100usec，其中典型范围为20-50usec。电压波形8045上的Positive Kick^TM振幅通常在+0-600V的范围内。对于不希望短踢离子群被加速远离溅射靶材(如用于短踢8043的电流波形所)示的用户，正踢的起始延迟将被设置为在该时间段之后，该时间段通常被设置为20-40usec。溅射靶材附近的电离率和等离子体密度与有效电流密度高度耦合。取决于材料，有效电流密度通常在0.1-10A/cm²的范围内。

本文提供的本公开的一个方面是，在本文所述的装置的操作期间控制沉积/冲击到基板上的离子的通量和能量的能力，以制备和沉积具有工程属性的薄膜。图9A描绘了在IMPULSE操作期间的3个阶段中的第1个阶段的示意图——超快HiPIMS阶段。图9A改编自美国申请公开US20180358213A1，并且说明性地描绘了超快高功率脉冲磁控溅射以及溅射靶材和基板之间的电势分布。

图9B描绘了在操作期间的3个阶段中的第2个阶段的示意图——短踢阶段。图9B改编自US20180358213A1，并且说明性地描绘了靶材电极上的超快切换和正电压反转成正电压，以及跨靶材电极附近的磁约束区域的电势分布的演变——短踢加速离子从致密HiPIMS等离子体区域远离靶材电极，通常垂直于磁场线。

图9C描绘了在操作期间的3个阶段中的第3个阶段的示意图——长踢阶段。图9C改编自US20180358213A1，并说明性地描绘了正电势演化到长踢阶段，在那里大块等离子体电势增加，并且在基板和大块等离子体被交换的其他表面上形成共形鞘。

通过将超快大电流脉冲与快速正电压反转与圆柱形磁控管配置相结合，提供了高水平的定制，从而实现了出色的新型薄膜，包括先进的纳米层复合材料和具有特定属性的功能梯度材料，包括高电气梯度间距、高压耐受性，高导电性、超光滑表面、抗氧化性、热断裂韧性、抗裂特征、扩散屏障和耐磨、防腐、韧性与刚度、润滑性能等。具体而言，具有低整体温度的超导体-绝缘体-超导体层的沉积受到超导导线、磁带、RF腔和加速器工程师的高度追捧。

图10描绘了在没有破坏真空、中断或分段的情况下使用+PositiveKick^TM调节IMPULSE参数10054的连续过程的示意图。就基板10030的界面质量和清洁度而言，这是重要的。在2e-6Torr的基本压力(高真空系统的典型基本压力)下，一个单层原子将在1秒内大致覆盖表面。从清洁到蚀刻再到注入再到整体沉积，只需要极少的停顿，大大提高了镀膜和表面改性的保真度。在结合清洁10046、蚀刻10047、离子注入10048、粘合控制10049、应力管理10050、整体材料沉积10051、扩散屏障或绝缘层10052以及反应/覆盖层10053沉积方面具有核心优点。通过精确的离子能量控制，具有正电压反转的超快能够去除表面污染物，蚀刻近表面损伤，逐渐形成混合界面用于良好的粘合层，以支持一个或多个应力控制层，从而使整体膜能够通过合适的界面和一个或多个覆盖层一起生长。

图11A是描绘在表现出+Positive Kick^TM在3D或高纵横比特征的基板上的效果的示意图，包括来自短踢阶段的高能离子轰击、基板浸入大块等离子体膨胀中以及随后的准共形性和来自长踢阶段的离子轰击。使用本文讨论的径向磁控管配置，超快高功率脉冲磁控管溅射(HiPIMS)技术能够被用于生成致密金属等离子体和超快电压反转，以执行Positive Kick^TM和Super Kick^TM技术，从而将离子和等离子体加速到基板进行改性。图11A描绘了使用/>+Positive Kick^TM对基板进行共形镀膜的示例的图示。在HiPIMS脉冲期间，电流能够比传统的DC溅射高10-1000倍。结合超快脉冲技术，可以实现<<100usec的峰值功率密度，从而产生非常高的等离子体密度。Positive Kick^TM电压反转和正偏压将离子和等离子体推离磁控管上的密集磁场区域，以在脉冲期间增加基板附近的局部等离子体密度。这种来自正踢11056的高密度大块等离子体膨胀将具有较短的德拜长度，其允许3D结构等离子体穿透11059到基板11030。施加正踢最初会加速来自磁约束区的离子，其定向能量11055遵循梯度B，并最终使体等离子体电势上浮，使得共形鞘11057将出现在基板11030周围并加速附加离子11058到达基板。如果特征件大于几个德拜长度，则将产生共形沉积。Positive Kick的另一个结果是离子捕获效率的提高，这从经济角度来看是重要的。

图11B是用Radial Magnetron^TM++Positive Kick^TM处理过的传统W和Ω形状的高纵横比不锈钢波纹管部分的照片，其表现出准共形Cu覆盖，具有高强度并经受低温浸渍、热处理、塑性变形拉伸和循环疲劳，而不会发生屈曲、分层或膜失效，以取代不锈钢低温加速器波纹管的传统电镀和湿式电化学。在前景中，待镀膜的波纹管结构试片11060由适用于低温应用的液压成形不锈钢制成。将收到的材料插入圆柱形磁控管系统，并且应用/>其中Positive Kick^TM用于粘合和表面吸附原子迁移率，并且SuperKick^TM用于蚀刻/清洁。连续的薄膜/厚膜在形成波纹管膨胀通道的高纵横比特征件11061的深处是共形的。粘合和薄膜质量足以经受400℃的空气烘烤和立即浸入LN₂中，而不会出现剥落、分层或材料失效。材料循环通过>1000个全范围膨胀-压缩冲程，而不会使膜失效。

图11C是使用+Positive Kick^TMHiPIMS蚀刻和沉积的可插入径向磁控管对不锈钢液压成形波纹管部分11062在内径上镀膜的照片。图11D是图11A中同一波纹管的内孔11063的另一张照片，突出显示了覆盖的均匀性。图11E是对铜镀膜进行横截切割的线切割机床破坏性测试的照片，显示了连续覆盖且无材料失效。径向磁控管++Positive Kick^TM可靠性证明了执行原位清洁/蚀刻和浅注入以实现优异的膜的粘合性。需要线切割机床进行横截切割11061来检查膜的属性和横截面，因为它无法在不破坏零件的情况下与不锈钢基板分离。

本公开允许非常厚的、应力控制的、完全致密的、高导电性的、粘合良好的镀膜来解决波纹管和SRF挑战。在没有导致层间相互扩散的较高整体温度的情况下，使用PositiveKick和IMPUSLE的低温沉积允许更高的有效T*和E*，从而获得正确的取向。增加了启动电压/持续时间的旋钮是有意义的。在无需直接加热基板的情况下更改Thornton区域图上的T*。较低的实际基板温度防止了纳米层材料(例如，SIS结构)中的扩散。对于低缺陷，可调节表面迁移率对于SC膜是至关重要的。

图12描绘了具有脉冲模块和电源的薄膜沉积、蚀刻和表面改性系统的高层示意图。图12是示意性框图，其示出了溅射靶材电极、返回电极、基板、真空环境中的等离子体和一个或多个/>HiPIMS脉冲模块(其主电源和反冲电源)以及任何偏置脉冲模块电源之间的电气部件/电路布置的说明性示例。图12中的示意框图概述了用于沉积和蚀刻的/>系统的一般设置。从外部脉冲功率模块通过适当的绝缘和低阻抗连接来将高压电脉冲直接提供给溅射靶材。通过旋转磁性组件，这允许与溅射靶材支撑件的低阻抗电气连接，以实现有效的功率传输和耦合。/>模块被设计用于并行同步和异步操作。因此，多个单元能够并行脉冲，为溅射靶材电极配置输送所需的功率、上升时间和等离子体密度。

下面显示了典型的径向磁控管系统设置。图13A是脉冲模块和相关电源的照片。图13B是用于使用/>对真空波纹管和加速器部件进行表面改性、蚀刻和沉积的单个径向磁控管内联沉积系统13064的示意图。图13C是用于超导镀膜的示例Cu腔的表面改性、蚀刻和沉积的多个径向磁控管内联沉积系统13065的示意图，该超导镀膜由不止一种材料组成，例如径向磁控管A和径向磁控管B。该示意图反映了具有特定于径向磁控管设置类型(单个、多个、端盖、直通等)的附加细节的图12。对于图13C，特别是对于多个径向磁控管，一个径向磁控管能够被主要用于初始基板清洁和蚀刻步骤，以收集蚀刻/去除的材料。用于去除非挥发性杂质的附加手段是将它们埋进室壁、牺牲阳极或其他电极中，或者使杂质落在蚀刻径向磁控管的非活性区域上，并在沉积步骤期间被掩埋。在图13C中突出显示的示例配置中，铜径向磁控管能够在基板上沉积干净、纯净的界面层，以产生已知的电学、物理和形态属性(诸如在其上生长Nb的优选Cu取向)，并且然后第二径向磁控管能够沉积用于超导属性的铌或氮化物层，诸如NbN。这说明了SRF腔的镀膜。

将加工范围扩大到腔体、波纹管或套管/管道镀膜的简单的内联系统之外，径向磁控管能够被扩展用于批量镀膜应用。图14A示出了包括真空室14068、至少一个径向磁控管14029和介于径向磁控管和真空室之间的至少一个基板安装结构14067的径向磁控管批量沉积系统14066的侧面轮廓示意图，其中基板14030用在径向磁控管14029处或附近生成14010的等离子体和材料进行蚀刻或沉积。径向磁控管批量沉积系统14066的主要优点是，一个或多个靶材材料源能够穿插在基板14030和安装结构14067内以获得更大的靶材利用率，真空室壁14068能够远离安装结构14067和基板14030，使得在批量镀膜机上重复沉积和排气循环之后形成的特定的碎片14077能够最小化。与在容器外壁上采用平面磁控管和旋转圆柱形磁控管的传统批量镀膜机相比，这是一个附加的好处。基板通常位于靠近壁的位置，其中颗粒碎片14077能够在此堆积。

图14B是径向磁控管批量沉积系统14066的示意图，突出显示了一个或多个径向磁控管14029、多个基板安装结构14067、辅助阳极14069和真空室边界14068的放置。

图14C是径向磁控管批量沉积系统14066的侧面轮廓示意图，突出显示了用于插入/取出多个径向磁控管14029、屏蔽盖14074和辅助阳极14069的交换系统14070。屏蔽盖14074能够用于两种用途，即在存在一种磁控管靶材材料的情况下保护另一种磁管靶材材料，以及在环境等离子体或电势偏置中用于阳极电流回流。径向磁控管批量沉积系统14066为多路复用基板安装结构14067提供了大体积批量处理的可能，以处理大体积的基板14030。与+Positive Kick^TM结合时，由多个径向磁控管协同操作而生成的大块等离子体能够导致增强的等离子体浸没，以实现近似共形沉积和蚀刻。

图15是将径向磁控管应用于传统的内联输送基板处理站的示意图，突出显示了+Positive Kick^TM对基板的增强型等离子体传输。径向磁控管15029被放置在具有离散输送的基板15076的内联输送装置上。由于其来自/>操作引起的高电离率，粒子通量15010的一部分能够通过适当的电场取向、偏置和真空室接地平面位置将引导15077朝向离散的输送基板15076。

图16A是用于内联的卷对卷式卷绕镀膜的径向磁控管的应用的示意图，其中基板相对于径向磁控管进行传送并且能够被引导到接近径向磁控管以获得更高的利用效率。在图16A中，径向磁控管16029位于卷对卷式基板系统16071之间，该卷对卷式基板系统16071沿卷绕镀膜机路径16075引导基板16030，其中运动16072靠近径向磁控管16029以将粒子通量16010引导到基板16030上，以产生表面改性和薄膜镀膜16031。

图16B进一步描绘了多个径向磁控管16029的应用，以提供高速率连续的卷对卷式薄膜的镀膜16031，并且潜在地添加了用于绝缘或大面积基板的辅助阳极16070返回电极。

图16C进一步描绘了围绕单个径向磁控管16029路由柔性基板16030的卷绕镀膜机路径16075，以最大限度地利用溅射材料，并且能够与附加径向磁控管以菊花链方式进行连接，以用于多层镀膜和内联径向磁控管交换。图16C所示的系统可被扩展到更多的径向磁控管，用于塑料、玻璃、金属等薄膜的大规模印刷和镀膜应用。

图17说明性地描绘了具有有效温度(T*)和有效溅射粒子能量(E*)的两个独立轴的示例结构区图，其可用和Positive Kick^TM来解决。图19是经由Andre-Anders改进的用于广义能量凝聚的Thornton结构区域图的图示，而扩展了对薄膜微观结构和形态的控制。针对给定基板到溅射靶材距离、磁场几何形状和磁场分布对HiPIMS脉冲振幅、脉冲宽度、定时、峰值电流密度、重复速率和压力的调整，允许了控制近似为热尖峰的主脉冲粒子通量(T*)。在更短时段内的带有更高颗粒负载的更强烈的短脉冲具有高温效应，以允许沉积材料达到平衡，并朝向纤维状过渡晶粒(区域T)、柱状晶粒(区域2)和再结晶晶粒结构(区域3)调整。对于给定磁场、尖点磁零几何结构、压力和由主/>HiPIMS脉冲产生的可用等离子体，对正踢脉冲振幅、短/长踢脉冲、起始延迟和任何用于类似RF振荡的超踢效应的调整将允许调整有效能量(E*)，并调整薄膜微观结构和形态。从本质上控制/>和正踢允许在整个Anders/Thornton SZD上的移动，甚至实现了具有低温低能离子辅助外延生长的优选取向和区域的细粒度纳米晶体膜以及致密的非晶玻璃膜。工艺工程师可以在SZD周围移动，以实现拉伸/压缩应力控制、柱状生长与具有优选取向的纳米晶体的关系等。

鉴于本公开的原理可以应用于许多可能的实施例，应当认识到，本文中关于附图描述的示例仅是说明性的，而不应当被视为限制本公开的范围。例如，本领域的技术人员将认识到，以功能块和所描绘的结构中描绘的说明性示例的元素可以在如本领域技术人员所理解的各种各样的电子电路和物理结构中实现。因此，在不脱离本发明的精神的情况下，说明性示例能够在布置和细节上进行修改。因此，如本文所述的本发明考虑了落入以下权利要求及其等价物的范围内的所有这样的实施例。

本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，均以引用方式并入本文，其程度与各参考文献单独且明确指出以引用方式并入，并在本文中完整阐述的程度相同。

在描述本发明的上下文(尤其是在以下权利要求的上下文中)中使用术语“一”、“一个”以及“该”和类似的指代物应被解释为涵盖单数和复数，除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)。除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的叙述仅旨在作为单独指代该范围内的每个单独数值的速记方法，并且每个单独数值被并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述一样。除非本文另有说明或上下文另有明确矛盾，否则本文所述的所有方法均可按任何适当顺序执行。使用本文中提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)仅旨在更好地说明本发明，并且除非另有要求，否则不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何非权利要求保护的元素对本发明的实施至关重要。

示例性实施例在本文中被描述为发明人已知的用于实施本发明的实施例。通过阅读前述描述，本领域普通技术人员来说可以发现这些实施例的变体。本发明人期望熟练的技术人员适当地采用这样的变体，并且本发明人打算以不同于本文具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括适用法律允许的本发明所附权利要求中所述主题内容的所有修改和等价物。此外，除非本文中另有指示或以其他方式与上下文明显矛盾，否则上述元素在其所有可能的变体中的任何组合都包含在本发明中。

Claims

1.一种径向磁控管系统，用于多维结构的等离子体表面改性和高质量镀膜沉积，所述径向磁控管包括：

轴向电极；

靶材材料，所述靶材材料被设置在所述轴向电极的一部分上；

来自外部电源的被施加电势；

大电流触点，所述大电流触点被附接到所述轴向电极以用于所述被施加电势；

主永磁体组件，所述主永磁体组件包括各个磁性材料元件，其被配置为在向所述轴向电极施加所述被施加电势的情况下产生用于生成霍尔效应致密等离子体区域的靶区磁场；

磁体基板，所述磁体基板在所述轴向电极内支撑所述主永磁体组件；

其中，所述磁体基板被配置为提供用于冷却所述主永磁体组件和所述轴向电极的通道。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：至少一个开槽套管，所述开槽套管保持所述主永磁体组件相对于所述轴向电极的同心定向。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述磁体基板被配置为允许所述主永磁体组件的旋转。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述磁体基板被配置为允许所述主永磁体组件的轴向-纵向位移。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：次级内部永磁体组件，所述次级内部永磁体组件被耦合到所述磁体基板，并被配置为允许来自次级外部磁体组件的被施加运动。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括：隔离支撑件，所述隔离支撑件被配置为将所述主永磁组件与所述次级内部永磁组件电流隔离。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括端盖，其中所述端盖被配置为可旋转地支撑所述磁体基板。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括端盖，其中所述端盖被配置为容纳冷却剂回流通道。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述轴向电极实质上是中空的圆柱形容器。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主永磁体组件由沿所述轴向电极的外周的离散的各个永磁磁场源之间的间隙分割。

11.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统支持所述主永磁体组件的进程内的旋转。

12.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统支持所述主永磁体组件的进程内的轴向-纵向位移。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述外部电源还包括场发生电子电路，其被配置为执行：

利用施加到所述轴向电极的大电流负直流(DC)脉冲来生成高功率脉冲等离子体磁控管放电，以及

在终止负DC脉冲之后，生成提供给所述轴向电极的可配置的持续正电压踢脉冲；并且

其中，在所述生成期间，程序处理器配置的逻辑电路发出控制信号以控制所述持续正电压踢脉冲的至少一个踢脉冲属性，所述踢脉冲属性取自于由起始延迟、持续时间、振幅和包括其调制的频率组成的组。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述系统被配置为在单个连续生产过程期间通过材料蚀刻和材料沉积对表面进行改性。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括：真空室、气体管理、泵送、用于相对于径向磁控管保持待镀膜的基板的夹具、热管理系统和控制电子设备。

16.根据权利要求15所述的系统，还包括：致动器，用于影响径向磁控管相对于所述真空室的位置。

17.一种批量镀膜系统，用于在多个表面处理结构上沉积高质量膜，所述系统包括：

真空室组件，包括真空室、气体管理系统和真空泵送系统；

径向磁控管，包括靶材材料；

外部电源，以及

安装结构，用于保持多个表面处理结构；

其中，所述安装结构介于所述径向磁控管和所述真空室之间，

其中，在操作期间，所述多个表面处理结构使用在靠近所述径向磁控管的等离子体生成区中生成的等离子体来处理，

其中，所述外部电源还包括场发生电子电路，其被配置为执行：

利用施加到轴向电极的大电流负直流(DC)脉冲来生成高功率脉冲等离子体磁控管放电，以及

18.一种卷对卷式卷绕镀膜系统，用于从单个径向磁控管在多个柔性基板表面上同时沉积高质量膜，所述系统包括：

真空室组件，包括真空室、气体管理系统和真空泵送系统；

径向磁控管，包括靶材材料；

外部电源；以及

卷对卷式卷绕输送系统，用于同时将基板输送到等离子体处理区中，

其中，在操作中，所述径向磁控管生成用于产生所述等离子体处理区的等离子体场，