CN211497773U - 一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，属于真空镀膜技术领域。绝缘套筒可拆卸套装在水冷箱上，压紧套可拆卸套装在绝缘套筒上并将靶压紧贴附于水冷箱上面，连接板可拆卸设置在水冷箱下部，绝缘垫位于连接板与连接套筒之间且三者可拆卸连接，磁轭筒与连接套筒可拆卸连接，磁轭柱可拆卸设置在磁轭筒内，内线圈设置在磁轭柱与磁轭筒之间，外线圈套装在磁轭筒上，水冷箱上紧密套装有绝缘环和真空室，真空室侧壁和靶分别连接HiPIMS电源的阳极和阴极，内线圈与内线圈电源连接，外线圈与外线圈电源连接，匹配单元用于调控HiPIMS电源与外线圈电源和内线圈电源之间的脉冲相位，在电源单元作用下，在HiPIMS脉冲电压持续期间在靶表面获得磁力线。本实用新型用于真空镀膜中。
Description
技术领域
本实用新型属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置。
背景技术
目前，薄膜材料已经成为国家制造业中的一种重要材料，优异性能的薄膜材料能够显著地提高零部件使用性能，具有巨大的经济效益，是全球经济迅速增长的源动力之一，被广泛地应用于航空、航天、能源及生物等领域，它的发展将在很大程度上影响我国制造业的快速进步。
制备薄膜材料的方法较多，其中高功率脉冲磁控溅射（High Power ImpulseMagnetron Sputtering,HiPIMS）技术结合了传统直流磁控溅射（DCMS）和多弧离子镀的优点，作为物理气相沉积法（PVD）家族的新成员，HiPIMS具有显著的高离化率、薄膜结构可控且致密、膜基结合力高等特点，自发现以来即受到了国内外专家的广泛关注，近些年来，逐渐成为 PVD领域的研究热点之一。
与直流磁控溅射（DCMS）相比，HiPIMS的离化率较高，高达70-100%（DCMS为1%）。但是，由于HiPIMS的溅射靶离子向着靶的反向运动（回吸效应），运动至工件表面溅射粒子数目较少，HiPIMS沉积速率仅仅是DCMS沉积速率的30-85%（平均功率相等情况下）。也就说是，虽然HiPIMS离化率可以达到多弧离子镀的数量级，但是HiPIMS的溅射粒子可控运动较弱，运动至靶表面的溅射粒子远远低于多弧离子镀技术。目前，主要从三个方面改变HiPIMS粒子运动：优化HiPIMS放电参数、改变靶面磁场强度、复合放电模式。但，HiPIMS靶面离子运动仍需改善。
发明内容
本实用新型的目的是为了有效控制HiPIMS放电时靶表面区域离子运动，避免HiPIMS溅射靶离子回吸，增加运动至工件表面溅射粒子数目，提供一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置。
本实用新型采用电磁线圈磁场结构，在磁控靶前构建可调制的脉冲磁场，靶表面的脉冲磁场只在HiPIMS脉冲电压持续期间存在，HiPIMS非脉冲阶段时靶表面的磁场强度为零，实现HiPIMS非脉冲放电阶段有效释放并加速溅射粒子远离靶表面运动，增强工件区域溅射离子密度，提高HiPIMS沉积速率。
实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，包括靶；所述脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置还包括电源单元、真空室、磁轭筒、内线圈、外线圈、水冷箱、绝缘套筒、压紧套、绝缘环、连接板、绝缘垫、连接套筒及磁轭柱；所述电源单元包括匹配单元、HiPIMS电源、外线圈电源及内线圈电源；
所述绝缘套筒可拆卸套装在水冷箱外侧，所述压紧套可拆卸套装在绝缘套筒外侧，压紧套上端将所述靶压紧并紧密贴附于水冷箱上表面，水冷箱侧壁的下部设有进水口和回水口，所述连接板设置在水冷箱下部且二者可拆卸连接，所述绝缘垫位于连接板与连接套筒之间，连接板与绝缘垫及连接套筒可拆卸连接，所述磁轭筒上端设置在连接套筒内且二者可拆卸连接，所述磁轭柱沿竖向设置在磁轭筒内且二者可拆卸连接，所述内线圈设置在磁轭柱与磁轭筒之间，所述外线圈套装在磁轭筒上，水冷箱外侧由内至外依次紧密套装有绝缘环和真空室，真空室侧壁和靶分别连接HiPIMS电源的阳极和阴极，所述内线圈与内线圈电源连接，所述外线圈与外线圈电源连接，所述匹配单元用于调控HiPIMS电源与外线圈电源和内线圈电源之间的脉冲相位，在电源单元作用下，在HiPIMS脉冲电压持续期间在靶表面获得磁力线。
本实用新型相对于现有技术的有益效果是：本实用新型提出了一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，在靶面获得脉冲磁场强度，避免HiPIMS非脉冲放电阶段靶面溅射离子回吸，释放并加速溅射粒子远离靶表面运动，满足HiPIMS有效控制离子运动的科研和工业需求。
附图说明
图1是本实用新型的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置的结构示意图。
图中涉及到的部件名称及标号如下：
真空室1、靶2、磁轭筒3、内线圈4、外线圈5、磁力线6、匹配单元7、HiPIMS电源8、外线圈电源9、内线圈电源10、水冷箱11、绝缘套筒12、压紧套13、绝缘垫14、连接板15、绝缘环16、连接套筒17、磁轭柱18、进水口19、回水口20。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式披露了一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，包括靶2；所述脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置还包括电源单元、真空室1、磁轭筒3、内线圈4、外线圈5、水冷箱11、绝缘套筒12、压紧套13、绝缘环16、连接板15、绝缘垫14、连接套筒17及磁轭柱18；所述电源单元包括匹配单元7、HiPIMS电源8、外线圈电源9及内线圈电源10；
所述绝缘套筒12可拆卸套装在水冷箱11外侧（绝缘套筒12与水冷箱11之间螺纹连接），所述压紧套13可拆卸套装在绝缘套筒12外侧（绝缘套筒12与压紧套13之间螺纹连接），压紧套13上端将所述靶2压紧并紧密贴附于水冷箱11上表面（压紧套13上端为环形结构），水冷箱11侧壁的下部设有进水口19和回水口20，所述连接板15设置在水冷箱11下部且二者可拆卸连接（水冷箱11下端面中部设有内螺纹凹槽，连接板15上端面中部设有与所述内螺纹凹槽螺纹连接的外螺纹柱），所述绝缘垫14位于连接板15与连接套筒17之间，连接板15与绝缘垫14及连接套筒17可拆卸连接（连接套筒17侧壁中部沿连接套筒17圆周方向均布设有多个连接孔，所述多个连接孔均沿连接套筒17轴向开设，连接板15和绝缘垫14上均对应开设有多个通孔，所述多个通孔与多个连接孔均一一对应同轴设置，连接套筒17与绝缘垫14及连接套筒17通过多个螺栓可拆卸连接），所述磁轭筒3上端设置在连接套筒17内且二者可拆卸连接（连接套筒17与磁轭筒3通过螺纹连接），所述磁轭柱18沿竖向设置在磁轭筒3内且二者可拆卸连接（磁轭柱18与磁轭筒3之间螺纹连接），所述内线圈4设置在磁轭柱18与磁轭筒3之间，所述外线圈5套装在磁轭筒3上，水冷箱11外侧由内至外依次紧密套装有绝缘环16和真空室1（绝缘环16实现真空室1与水冷箱11之间的电绝缘），真空室1侧壁和靶2分别连接HiPIMS电源8的阳极和阴极，所述内线圈4与内线圈电源10连接，所述外线圈5与外线圈电源9连接，所述匹配单元7用于调控HiPIMS电源8与外线圈电源9和内线圈电源10之间的脉冲相位，在电源单元作用下，在HiPIMS脉冲电压持续期间在靶2表面获得磁力线6。
进一步的是，所述绝缘套筒12、绝缘环16及绝缘垫14均由聚四氟乙烯材料制成。
进一步的是，所述磁轭筒3及磁轭柱18均由工业纯铁材料制成。
进一步的是，所述水冷箱11、压紧套13、连接板15及连接套筒17均由不锈钢材料制成。
进一步的是，所述靶2表面中心区域磁场强度为5-300 mT。
进一步的是，所述磁轭柱18直径为2-50mm。
进一步的是，所述磁轭筒3壁厚为2-10mm。
本实用新型工作过程如下：
步骤一、通过抽真空系统使得真空室1内气压≤10-3Pa；
步骤二、将工作气体（Ar或N2）注入至真空室1内，在HiPIMS电源8作用下，靶2与真空室1侧壁之间发生辉光放电，工作气体离化为等离子体并溅射靶2；
步骤三、在匹配单元7与外线圈电源9、内线圈电源10、HiPIMS电源8共同协调作用下，在HiPIMS脉冲电压持续期间在靶2表面获得磁力线6，进而获得靶2离子，在HiPIMS的非脉冲电压阶段不约束靶2离子，实现HiPIMS非脉冲放电阶段有效释放并加速溅射粒子远离靶2表面运动；
步骤四、通过调节HiPIMS电源8的参数，获得不同特性的辉光等离子体。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，包括靶（2）；其特征在于：所述脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置还包括电源单元、真空室（1）、磁轭筒（3）、内线圈（4）、外线圈（5）、水冷箱（11）、绝缘套筒（12）、压紧套（13）、绝缘环（16）、连接板（15）、绝缘垫（14）、连接套筒（17）及磁轭柱（18）；所述电源单元包括匹配单元（7）、HiPIMS电源（8）、外线圈电源（9）及内线圈电源（10）；
所述绝缘套筒（12）可拆卸套装在水冷箱（11）外侧，所述压紧套（13）可拆卸套装在绝缘套筒（12）外侧，压紧套（13）上端将所述靶（2）压紧并紧密贴附于水冷箱（11）上表面，水冷箱（11）侧壁的下部设有进水口（19）和回水口（20），所述连接板（15）设置在水冷箱（11）下部且二者可拆卸连接，所述绝缘垫（14）位于连接板（15）与连接套筒（17）之间，连接板（15）与绝缘垫（14）及连接套筒（17）可拆卸连接，所述磁轭筒（3）上端设置在连接套筒（17）内且二者可拆卸连接，所述磁轭柱（18）沿竖向设置在磁轭筒（3）内且二者可拆卸连接，所述内线圈（4）设置在磁轭柱（18）与磁轭筒（3）之间，所述外线圈（5）套装在磁轭筒（3）上，水冷箱（11）外侧由内至外依次紧密套装有绝缘环（16）和真空室（1），真空室（1）侧壁和靶（2）分别连接HiPIMS电源（8）的阳极和阴极，所述内线圈（4）与内线圈电源（10）连接，所述外线圈（5）与外线圈电源（9）连接，所述匹配单元（7）用于调控HiPIMS电源（8）与外线圈电源（9）和内线圈电源（10）之间的脉冲相位，在电源单元作用下，在HiPIMS脉冲电压持续期间在靶（2）表面获得磁力线（6）。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，其特征在于：所述绝缘套筒（12）、绝缘环（16）及绝缘垫（14）均由聚四氟乙烯材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，其特征在于：所述磁轭筒（3）及磁轭柱（18）均由工业纯铁材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，其特征在于：所述水冷箱（11）、压紧套（13）、连接板（15）及连接套筒（17）均由不锈钢材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，其特征在于：所述靶（2）表面中心区域磁场强度为5-300 mT。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，其特征在于：所述磁轭柱（18）直径为2-50mm。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲磁场调控HiPIMS放电靶装置，其特征在于：所述磁轭筒（3）壁厚为2-10mm。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112080728A (zh) * | 2020-08-12 | 2020-12-15 | 北京航空航天大学 | HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法 |
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2020
- 2020-02-05 CN CN202020153139.0U patent/CN211497773U/zh active Active
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