專利名稱：多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜制備領(lǐng)域，具體地說是一種利用旋轉(zhuǎn)磁場控制弧斑運(yùn)動的脈 寬調(diào)制疊加調(diào)幅的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，用 以改善弧斑的放電形式，控制弧斑的運(yùn)動，提高靶材刻蝕均勻性，減少或抑制靶 材大顆粒的發(fā)射，用以制備髙質(zhì)量的薄膜。
背景技術(shù)：
電弧離子鍍是工業(yè)鍍膜生產(chǎn)以及科學(xué)研究中最重要的技術(shù)之一，由于其結(jié)構(gòu)
簡單，離化率高(70%-80%)，入射粒子能量高，繞射性好，可實(shí)現(xiàn)低溫沉積等 一系列優(yōu)點(diǎn)，使電弧離子鍍技術(shù)得到快速發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)用，展示出很大的經(jīng) 濟(jì)效益和工業(yè)應(yīng)用前景。
電弧離子鍍是基于氣體放電等離子體物理氣相沉積原理的鍍膜技術(shù)。這種技 術(shù)依靠在真空鍍膜室中陰極靶材表面上產(chǎn)生的電弧斑點(diǎn)的局部高溫，使作為靶材 的陰極材料瞬時(shí)蒸發(fā)和離化，產(chǎn)生電離度高而且離子能量大的等離子體，在工件 上加上負(fù)電位，即可在工件加熱溫度比較低的條件下，在工件表面鍍上一層硬度 高、組織致密而且結(jié)合性好的各種硬質(zhì)薄膜。
真空電弧的行為由陰極斑點(diǎn)所控制。真空弧光放電實(shí)際上是一系列電弧事件, 由于其快速地連續(xù)發(fā)生，以至于給人運(yùn)動電弧的印象，陰極斑點(diǎn)及弧根的運(yùn)動決 定了整個(gè)電弧的運(yùn)動，相鄰弧斑的次第燃起和熄滅構(gòu)成了弧斑的運(yùn)動。電弧離子 鍍陰極斑點(diǎn)的尺寸很小(100~200,2),電流密度很高(105~107A/cm2)，具有非 常高的功率密度(l(^W/m2),因此陰極斑點(diǎn)在作為強(qiáng)烈的電子，金屬原子、離子 和高速(1000m/s)金屬蒸汽發(fā)射源的同時(shí)，也不斷的噴射金屬液滴(大顆粒)。
電弧離子鍍技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于電弧離子鍍中大顆粒的存在，嚴(yán) 重影響了涂層和薄膜的性能和壽命。因此有關(guān)如何解決陰極電弧鍍中大顆粒問題 對陰極電弧的發(fā)展影響很大，成為后期發(fā)展的主要論題，也成為阻礙電弧離子鍍 技術(shù)更深入廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。
電弧離子鍍的進(jìn)一步發(fā)展要求在工藝設(shè)計(jì)中考慮對大顆粒的去處或抑制，目
前應(yīng)用較多的是磁過濾技術(shù)，主要是利用大顆粒與金屬離子質(zhì)荷比的差別將大顆 粒完全阻擋在沉積區(qū)外，這種方法雖然可以滿足制備高質(zhì)量薄膜的要求，但是磁 過濾技術(shù)降低了等離子的傳輸效率，大大降低了沉積速率，同時(shí)需要增加額外的 設(shè)備，占用很大的設(shè)備空間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)大面積沉積這個(gè)工業(yè)要求，成 本很高，不利于應(yīng)用推廣。更重要的是磁過濾技術(shù)考慮的是等離子體傳輸過程中 將大顆粒排除掉的方法，是等癥狀出現(xiàn)以后用來治標(biāo)而不治本的方法，因此是一 種消極的方法。
更為積極的辦法是考慮從源頭解決問題的措施。改善弧斑的放電形式，提高 弧斑的運(yùn)動速率，降低放電功率在陰極斑點(diǎn)處的集中，使放電功率分布在整個(gè)靶 面上，從而減少大顆粒的發(fā)射甚至沒有顆粒的發(fā)射。
國內(nèi)外一直在致力于這方面的工作。由于真空電弧的物理特性，外加電磁場 是控制弧斑運(yùn)動的有效方法，不同磁場分量對弧斑的運(yùn)動影響規(guī)律不同，當(dāng)施加
平行于陰極靶面的磁場時(shí)(橫向磁場，見圖l(a)),電弧斑點(diǎn)做逆安培力的反向運(yùn) 動(Retrograde motion),也就是運(yùn)動方向和電流力的方向相反(-I x B ),見圖1 (b )。
弧斑的運(yùn)動速度和橫向磁場的強(qiáng)度成拋物線關(guān)系，因此可以用來提高弧斑的運(yùn)動
速度。當(dāng)磁場與陰極表面相交呈一定角度e的時(shí)候(尖角磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度B，
見圖l(c)),則電弧斑點(diǎn)l在反向運(yùn)動上還疊加一個(gè)漂移運(yùn)動(Robson drift),漂 移運(yùn)動的方向指向磁力線于陰極靶面所夾的銳角6b區(qū)域，這就是銳角法則(Acute angle principle),圖1 (d)。圖l(d)中，OR代表弧斑運(yùn)動的方向和磁力線與靶面相 交線之間的夾角，eB oR。銳角法則可以用來限制弧斑的運(yùn)動方向，控制弧斑在 靶面上的出現(xiàn)的位置，此法則對弧斑運(yùn)動的控制、靶材刻蝕得均勻性非常重要。 上述規(guī)律是磁場對弧斑運(yùn)動影響的基本規(guī)律，也是磁場設(shè)計(jì)必須考慮的規(guī)律。
國際上在電弧離子鍍弧源的設(shè)計(jì)上幾乎都離不開磁場的設(shè)計(jì)，雖然磁場的形 式多種多樣，但都離不開對這兩種規(guī)律的綜合運(yùn)用。其中應(yīng)用最多最常見的方式 有俄羅斯弧源和受控弧源結(jié)構(gòu)，這也是國外比較流行兩種電弧離子4刻莫技術(shù)。雖 然這些結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對弧斑的有效控制，限制弧斑的運(yùn)動軌跡，但是并沒有有效 的改善弧斑的放電形式，達(dá)到比較滿意的效果。其中俄羅斯弧源在靶材利用方面
比較有效,但是由于磁場位形與靶材結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并不能很好的抑制顆粒的發(fā)射; 而受控弧源在減少顆粒發(fā)射方面也是有限的，因?yàn)樗鼈儾]有改變冷陰極弧斑電 弧斑點(diǎn)的放電形式，而且長時(shí)間刻蝕會在靶面形成刻蝕軌道，浪費(fèi)靶材。
所有的磁場設(shè)計(jì)都是考慮在靶面上形成一定的磁場位形，利用銳角法則限制 弧斑的運(yùn)動，禾擁橫向分量提高弧斑的運(yùn)動速度。 一方面盡可能擴(kuò)大橫向向量的
面積與強(qiáng)度， 一方面限制弧斑的運(yùn)動。要達(dá)到比較滿意的效果是很困難的。而且 所有的磁場設(shè)計(jì)都是靜態(tài)的或者準(zhǔn)靜態(tài)的，磁場本身的變化(頻率，速度)對弧 斑的影響考慮不多，因此是很難突破相互之間的影響的限制。
Ramalingam在專利WO8503954和US4,673,477中提出了 一種動態(tài)的磁場設(shè) 計(jì)思路，可以基本實(shí)現(xiàn)弧斑在結(jié)構(gòu)簡單的大面積靶材上的均勻刻蝕，這種方法是 靠永磁體在耙背后的機(jī)械轉(zhuǎn)動來改變磁場在耙面的分布，從而影響弧斑在靶面的 刻蝕位置的。但是這種方法需要增加一套復(fù)雜的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)；同時(shí)，磁場的位 性固定、強(qiáng)度難以調(diào)解，只是一種機(jī)械的運(yùn)動引起磁場的分布的改變，可調(diào)性差，
不能有效地改善弧斑的放電，抑制顆粒的發(fā)射；而且涉及到密封、冷卻等諸多問
題，因此難以推廣應(yīng)用。需要一種創(chuàng)新的、突破限制的、并且有效且易于推廣的 動態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍沉積裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于突破傳統(tǒng)的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的磁場設(shè)計(jì)以及機(jī)械式的動態(tài)磁 場設(shè)計(jì)思路，提供一種新型的、可調(diào)速調(diào)幅的、多模式可編程調(diào)制的、旋轉(zhuǎn)橫向 磁場控制弧斑運(yùn)動的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置， 用以改善弧斑的放電形式和工作穩(wěn)定性，控制弧斑的運(yùn)動軌跡，提高靶材刻蝕均 勾性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發(fā)射，用以制備高質(zhì)量的薄膜以及功能薄 膜，拓展電弧離子鍍的應(yīng)用范圍。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)要求是
1. 根據(jù)不同磁場分量對弧斑運(yùn)動的影響規(guī)律，為了提高弧斑的運(yùn)動速度、降 低放電功率在陰極斑點(diǎn)處的集中，本發(fā)明必須能夠提供可以調(diào)解的平行于靶面的 橫向磁場分量。
2. 為了提高弧斑的放電穩(wěn)定性，保持放電的連續(xù)性，提高利用率，本發(fā)明必 須能夠保持弧斑在靶面內(nèi)運(yùn)動而不會跑到靶面外造成熄弧。
3. 為了提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，本發(fā)明必須能夠使得弧斑在整個(gè) 乾面刻蝕而不是限制在特定的位置處形成刻蝕軌道。
4. 為了滿足要求l、 3，降低放電功率集中，使放電功率分散的分布在整個(gè)乾 面上，本發(fā)明必須能夠提供盡可能覆蓋大面積靶面的橫向磁場分量。
5. 為了在滿足上述要求的同時(shí)，不降低沉積速率和沉積均勻性，本發(fā)明必須 能夠提供改善等離子體傳輸效率的輔助聚焦磁場。
為了滿足上述要求，本發(fā)明提出了控制弧斑運(yùn)動的可調(diào)速調(diào)幅的多模式可編 程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場的設(shè)計(jì)思路。
本發(fā)明的技術(shù)原理是
通過設(shè)計(jì)一種合理的旋轉(zhuǎn)磁場結(jié)構(gòu)，在靶面形成合理的旋轉(zhuǎn)磁場位形，旋轉(zhuǎn) 磁場在運(yùn)動過程中，會對陰極斑點(diǎn)前的空間電荷層，離子云的分布進(jìn)行作用，使 得離子云的密度最大處(弧斑存在或者重燃的關(guān)鍵)隨著磁場的分布而分布，運(yùn) 動而運(yùn)動，從而使得弧斑的位置也發(fā)生同步的改變。在磁場的頻率，強(qiáng)度達(dá)到一 定的程度時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)離子云在整個(gè)靶面的均勻分布，使具有陰極斑點(diǎn)的分立 式的電弧轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降碾娀　?br> 旋轉(zhuǎn)磁場的設(shè)計(jì)原理是
一般情況下，在空間相差一定均勻角度的幾個(gè)(4n或者3n, n》l)磁極，且磁 極上裝有幾(2或者3 )組勵(lì)磁線圈繞組，當(dāng)勵(lì)磁線圏中通過幾組相差一定相位(90 °或者120° )的勵(lì)磁電流時(shí)，這幾個(gè)磁極所包圍的空間內(nèi)就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場， 如圖2;其中，圖中的U、 U、 V、 V'、 W、 W分別為三相交流電的首尾端，圖中 (a)—(e)表示不同時(shí)刻磁場的分布圖，可以看出磁場隨著電流的周期變化在不斷的 旋轉(zhuǎn)。磁場的形態(tài)由勵(lì)磁線圈的安裝位置決定，磁場的旋轉(zhuǎn)頻率取決于勵(lì)磁線圈 的勵(lì)磁轉(zhuǎn)換頻率，而場強(qiáng)的大小則由勵(lì)磁電流的大小來調(diào)節(jié)。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，該電弧離子 鍍裝置設(shè)有靶材、旋轉(zhuǎn)磁場裝置、電磁線圈、絕緣套、法蘭、真空室、基體夾座， 真空室內(nèi)設(shè)置基體夾座、靶材，靶材正面與基體夾座相對，靶材背面設(shè)有電磁線 圈，置于真空室外的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置套在圍繞于靶材之外的法蘭套或者爐傳:管 道上，與法蘭套或者爐傳:管道之間通過絕緣保護(hù)。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，法蘭套或 者爐體管道釆用不導(dǎo)磁的不銹鋼制作，法蘭套或者爐體管道為空心結(jié)構(gòu)，通冷卻 水保護(hù)；旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材三者之間同軸，旋轉(zhuǎn)磁 場發(fā)生裝置在法蘭套或者爐體管道上的位置可調(diào)。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，旋轉(zhuǎn)磁場 發(fā)生裝置為釆用相差一定均勻角度、相互連接在一起的幾個(gè)磁極均勻布在同一圓 周上，磁極數(shù)量為4n或者3n, n>l，形成一個(gè)整體的電磁回路骨架，勵(lì)磁線圈 套在磁極上或者嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)，釆用相位差90。的兩相或者相位差 120°的三相勵(lì)磁順序供電，在磁極包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生可調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，旋轉(zhuǎn)磁場 發(fā)生裝置為磁極均勻的分布在圓形封閉的主體導(dǎo)磁通道上，形成一個(gè)整體的電磁
回路骨架，骨架的材料用高磁導(dǎo)率的材料電工純鐵或者疊加的沖壓硅鋼片制作， 磁極的形狀為方形或者圓形，磁極的頂端端部為直邊或者弧形，對稱的指向靶材 表面中心；疊加的沖壓硅鋼片制作的骨架釆用鐵損小、導(dǎo)磁性能好、厚度為
0.35 0.5mm的硅鋼片沖槽疊壓而成，硅鋼片的表面涂有絕緣漆，內(nèi)圓表面沖有均 勻分布的槽，繞組線圈嵌放在槽中，槽形有開口、半開口或半閉口形式。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，勵(lì)磁線圈 套在磁極上時(shí)勵(lì)磁線圈分為兩組，磁極數(shù)量為4n， n>l,相對的勵(lì)磁線圈為一 組，同組的勵(lì)磁線圏串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，同組相對的勵(lì)磁線圈的電流同向或者 反向；或者，勵(lì)磁線圈分為三組，磁極數(shù)量為3n, nM,相對的勵(lì)磁線圈為一組， 同組的勵(lì)磁線圈串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，同組相對的勵(lì)磁線圈的電流反向。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，兩組或者 三組的勵(lì)磁線圈分別釆用相位差為90。的兩相交流電或者相位差為120°的三相 交流電源激勵(lì)；兩組勵(lì)磁線圈的一端接到兩相勵(lì)磁電流的公共端，兩相勵(lì)磁電流 通過單相電裂相90。而成，或者通過斯考特變壓器引出；三組勵(lì)磁線圈用Y型 或者三角形接法；交流電的波形不受限制。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，嵌在相鄰 磁極之間槽隙內(nèi)的勵(lì)磁線圈，按電機(jī)定子繞組分布規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙 內(nèi)，繞組的勵(lì)磁電流釆用相位差為120°的三相交流電源激勵(lì)，繞組用Y型或者
三角形接法；在槽隙的布置釆用單層、雙層或單雙層混合布置，繞組端部的接線
方式釆用疊式或者波式，繞組的端部形狀釆用鏈?zhǔn)?、交叉式、同心式或疊式，不 同的嵌線方式產(chǎn)生不同極數(shù)和形態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場。 所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，旋轉(zhuǎn)磁場
發(fā)生裝置中，電流的頻率，大小以及波形通過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行
調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生速度 可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào)
解，強(qiáng)度通iti磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進(jìn) 行調(diào)解。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，通過PLC 可編程控制器控制變頻器調(diào)解，使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以PLC編程所設(shè)定的程序運(yùn)行；
使旋轉(zhuǎn)橫向磁場在不同的時(shí)間階段以不同的速度程式運(yùn)行；使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以固 定的旋轉(zhuǎn)速度、強(qiáng)度運(yùn)行；或者，以單次加速減速模式運(yùn)行；或者，以循環(huán)模式 運(yùn)行。
所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，基體夾座
背面設(shè)置聚焦線圈，聚焦線圈釆用QZY-2高溫漆包線制作，絕緣材料釆用F或者 H級耐高溫材料。
本發(fā)明的動態(tài)旋轉(zhuǎn)控制磁場發(fā)生裝置有以下特點(diǎn)
1. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生通過在靶材周圍空間(真空室外)，釆用相差一 定均勻角度、相互連接在一起的幾個(gè)(4n, n> 1或者3n, n> l)磁極(高磁導(dǎo)率材料) 均勻分布在同一圓周上，并對套在磁極上或者嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)的勵(lì)磁 線圈(繞組)釆用兩相(相位差90。)交流或者三相(相位差120° )交流勵(lì)磁 順序供電，電流的頻率、大小以及波形通過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行調(diào) 解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生速度可 調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào)解， 強(qiáng)度通過勵(lì)磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進(jìn)行調(diào) 解。本發(fā)明通過可調(diào)速調(diào)幅的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制弧斑的運(yùn)動， 可以改善弧斑的放電形式和工作穩(wěn)定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減 少靶材大顆粒的發(fā)射，用以制備高質(zhì)量的薄膜以及功能薄膜，拓展電弧離子鍍的 應(yīng)用范圍。
旋轉(zhuǎn)磁場的形態(tài)由勵(lì)磁線圈和磁極(骨架)的安裝位置決定，本發(fā)明的磁極 之間連接在一起形成整體的磁路通道，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置套在圍繞于靶材之外的 法蘭套或者爐體管道上。勵(lì)磁線圈可以套在磁極上(主要對于極數(shù)較少的設(shè)計(jì)) 或者按照一定規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)形成各種布線形式的繞組。不同的 方式的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置具有不同的特點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)有條件選擇。
2. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置外觀為圓形或者方形，放置于靶材的周圍，與 靶材同軸，磁場有效區(qū)域圍繞靶面，裝置放置于真空室外、套在圍繞于靶材之外 的法蘭套或者爐體管道上。磁極的形狀為圓柱或者方體，磁極的端部形狀為直邊 或者弧形。
3. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的磁極個(gè)數(shù)是4n或者3n( n > l)個(gè)，磁極對稱 均勻的分布在連接磁環(huán)上，磁極與磁環(huán)形成一個(gè)整體的電磁回路骨架，骨架的材 料用高磁導(dǎo)率的材料(電工純鐵或者疊加的沖壓硅鋼片)制作，骨架的大小(內(nèi) 徑，外徑，磁極的大小)根據(jù)靶材尺寸、磁極個(gè)數(shù)和安裝方式設(shè)計(jì)，骨架的厚度 不受限制，以能夠產(chǎn)生有效地磁場區(qū)域?yàn)楹谩ＰD(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的磁極的尺寸根 據(jù)個(gè)數(shù)及旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置與法蘭之間的空間大小決定。
4. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的勵(lì)磁線圈可以套在磁極上(對于極數(shù)較少，
空間允許的情況)或者按電機(jī)定子繞組分布規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)(對
于極數(shù)較多的情況， 一般為6n， n>2)。對于極數(shù)較多的骨架一般采用鐵損小、 導(dǎo)磁性能好、厚度為0.35~0.5mm的硅鋼片沖槽疊壓而成，硅鋼片的表面涂有絕 緣漆，內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽，繞組線圈嵌放在槽中。槽形有開口、半開口、 半閉口等形式。
5. 對于勵(lì)磁線圈套在磁極上的情況，線圈分為兩組(對于磁極個(gè)數(shù)為4n, n > 1情況)或者三組(對于磁極個(gè)數(shù)為3n, n》l情況)，相對的線圈為一組，同組的 線圈串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路。同組相對的線圈的電流同向或者反向(對于分為三組 的線圈只有反向)，但必須保證不同組的串聯(lián)方式一樣，也就是不同組的相對的線 圈的電流方向都是同向或者反向(對于分為三組的線圈都是反向)。兩組或者三組 的勵(lì)磁線圈分別釆用相位差為90。的兩相交流電或者相位差為120°的三相交流 電源激勵(lì)；對于按電機(jī)定子繞組分布規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)情況，繞組 的勵(lì)磁電流釆用相位差為120°的三相交流電源激勵(lì)；交流電的波形不受限制。 分為三組的線圈和嵌在槽隙內(nèi)繞組可以用Y型或者A (三角形)接法。
6. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的勵(lì)磁線圏釆用漆包線纏繞或者嵌線制作，套 在磁極上的纏繞線圈形狀和磁極的形狀一致，線圈的線徑、大小、匝數(shù)不受限制， 根據(jù)空間允許制作，線圈的厚度小于磁極的長度。嵌在磁極槽中的繞組線圈可以 單根或者并繞嵌線，繞組的線徑、大小、匝數(shù)不受限制，以在槽內(nèi)固定不松動為 好。線圈與骨架之間通過絕緣保護(hù)。
7. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置位置可以調(diào)解，電流的頻率，大小以及波形通 過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在 磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生速度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn) 橫向磁場，速度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào)解，強(qiáng)度通過勵(lì)磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式 通過PLC可編程控制器以及變頻器進(jìn)行調(diào)解。
8. 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置通過PLC可編程控制器控制變頻器調(diào)解，可 以使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以PLC編程所設(shè)定的程序運(yùn)行；可以使旋轉(zhuǎn)橫向磁場在不同的 時(shí)間階段以不同的速度程式運(yùn)行，可以使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以固定的旋轉(zhuǎn)速度、強(qiáng)度 運(yùn)行，或者以單次加速減速模式運(yùn)行，或者以循環(huán)模式運(yùn)行。
9. 對于按電機(jī)定子繞組分布規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)情況，繞組嵌線 的形式不受限制，在槽隙的布置可以釆用單層、雙層、單雙層混合等布置；繞組
端部的接線方式可以釆用疊式或者波式；繞組的端部形狀可以釆用鏈?zhǔn)?、交叉式?br> 同心式以及疊式等。不同的嵌線方式可以產(chǎn)生不同極數(shù)和形態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場。
10.本發(fā)明旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置套在圍繞于靶材之外的法蘭套或者爐體管道 上，與法蘭套或者爐體管道之間通過絕緣保護(hù)，法蘭套或者爐體管道釆用不導(dǎo)磁 的不銹鋼制作，法蘭套或者爐體管道為空心結(jié)構(gòu)，通冷卻水保護(hù)。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生 裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材三者之間同軸，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在法蘭套或 者爐體管道上的位置可調(diào)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的弧源磁場設(shè)計(jì)以及機(jī)械式的動態(tài)磁場 設(shè)計(jì)思路，提供了一種新型的、可調(diào)速調(diào)幅的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場 控制弧斑運(yùn)動的電弧離子鍍裝置，實(shí)現(xiàn)了改善弧斑的放電形式和工作穩(wěn)定性，控 制弧斑的運(yùn)動軌跡和速度，提高了靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少了靶材大 顆粒的發(fā)射，滿足了制備高質(zhì)量的薄膜以及功能薄膜的需求，拓展了電弧離子鍍 的應(yīng)用范圍。
2、 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的實(shí)現(xiàn)形式和方案豐富，按電機(jī)定子繞組分布 規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)的線圈的嵌線方式多，能夠制作出不同極數(shù)、不 同形態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場，實(shí)現(xiàn)控制弧斑運(yùn)動的多樣性，為探索電弧離子鍍新的應(yīng)用和 開發(fā)不同結(jié)構(gòu)的弧源裝置提供了方便。
3、 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置能夠提供覆蓋整個(gè)靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，結(jié)合 一定幾何結(jié)構(gòu)的靶材，可以實(shí)現(xiàn)弧斑保持在靶面內(nèi)運(yùn)動而不會跑到靶面外造成熄 弧的同時(shí)，使得弧斑在整個(gè)乾面刻蝕而不是限制在特定的位置處形成刻蝕軌道。 而且降低了放電功率的集中，使放電功率分散的分布在整個(gè)靶面上，實(shí)現(xiàn)了分布 式電弧放電，突破了傳統(tǒng)電弧離子鍍的磁場結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)和應(yīng)用的限制，取得了新的 進(jìn)展和各種可能性。
4、 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置通過一套PLC可編程控制器控制的調(diào)頻調(diào)壓 控制電源供電，電流頻率、大小和波形可進(jìn)行編程調(diào)制，提供了旋轉(zhuǎn)速度和大小 都可單獨(dú)或者協(xié)和的調(diào)解，并且以多種模式運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)磁場，為控制弧斑的運(yùn)動 提供了多種可能性。
5、 本發(fā)明中放置于真空室外的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置位置可調(diào)，法蘭通冷卻水保 護(hù)避免了高溫的限制。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置與法蘭之間獨(dú)立制作，安裝拆卸容易， 用的時(shí)候只需套上即可。
6、 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍裝置配合施加在樣品上脈沖偏壓、樣 品附近的用于增加離子密度的聚焦磁場共同使用，可以擴(kuò)大調(diào)節(jié)參數(shù)的范圍，為 制備不同性能的薄膜提供條件。同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)達(dá)到制備高質(zhì)量薄膜的要求。
7、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍裝置的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置成本低廉, 外形美觀，操作簡便，通用性強(qiáng)，控制可靠，參數(shù)可調(diào)范圍大，易于科研領(lǐng)域和 工業(yè)生產(chǎn)的推廣應(yīng)用。


圖1 (a)-圖1 (d)是不同磁場分量對弧斑運(yùn)動的影響示意圖。其中，圖1 (a)為施加平行于陰極靶面的橫向磁場；圖1 (b)為橫向磁場對弧斑的運(yùn)動的 影響(反向運(yùn)動)；圖l (c)為施加與陰極表面相交呈一定角度尖角磁場；圖l(d) 為尖角磁場對弧斑的運(yùn)動的影響(尖角法則)。
圖2為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理示意圖。
圖3(a)-圖3(c)是實(shí)施例1旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍沉積設(shè)備及繞組嵌線分 布示意圖。其中，圖3(a)為旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍沉積設(shè)備示意圖；圖3(b) 為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的繞組嵌線分布示意圖；圖3(c)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的繞組 接線示意圖。
圖4(a)-圖4(b)是實(shí)施例l旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的示意圖。其中，圖4(a)是旋轉(zhuǎn) 磁場發(fā)生裝置、法蘭套與靶材三者之間形成的夾心結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(b)是圖4(a)
、圖5是實(shí)施例2旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍沉積設(shè)備示意圖。 圖6是兩相旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的控制電路示意圖。
圖7 (a)-圖7 (b)是實(shí)施例3旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍弧源的示意圖。 其中，圖7 (a)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置示意圖；圖7 (b)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置與靶 材之間位置的示意圖。
圖8 (a)-圖8 (d)是實(shí)施例3旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同時(shí) 刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖。
圖9是實(shí)施例4旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置示意圖。
圖10 (a)-圖10 (d)是實(shí)施例4旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同 時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖。
圖11是實(shí)施例5旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置示意圖。
圖12 (a)-圖12 (d)是實(shí)施例5旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在半個(gè)電流周期內(nèi)不同 時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖。
圖13 (a)-圖13 (b)是實(shí)施例6、 7旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的示意圖。其中，圖 13 (a)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的骨架示意圖；圖13 (b)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生的原理示
圖14 (a)-圖14 (b)是實(shí)施例6、 7旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的繞組嵌線分布示意 圖。其中，圖14 (a)為實(shí)施例6的24槽2極單層同心式繞組布接線圖；圖14 (b)為實(shí)施例7的24槽4極單層鏈?zhǔn)嚼@組布接線圖。
圖15 (a)-圖15 (f)是實(shí)施例6旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同
圖16是三相旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的控制電路示意圖。
圖17(a)-圖17(b)是旋轉(zhuǎn)橫向磁場下弧斑的運(yùn)動軌跡示意圖；其中，圖17(a) 弧斑的螺旋擴(kuò)展運(yùn)動軌跡；圖17(b)弧斑的螺旋收縮運(yùn)動軌跡。
圖18是旋轉(zhuǎn)橫向磁場磁力線與靶材靶沿相交形成的指向靶面的銳角示意圖。
圖19 (a)-圖19 (f)是實(shí)施例7旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同 時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖。
圖中，l電弧斑點(diǎn)；2靶材；3法蘭；4磁極；5線圈；6旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置； 7槽隙；8弧斑運(yùn)動軌跡；9出水管；10引弧線圏；11出水口； 12進(jìn)水口； 13 電磁線圈；14鍍鎳純鐵；15進(jìn)水管；16絕緣套；17聚焦線圈；18引弧針；19 螺栓；20真空室；21基體夾座。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例以及旋轉(zhuǎn)磁場的分布圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 實(shí)施例1:
電弧離子鍍有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是弧斑放電在其附近形成高溫區(qū)，同時(shí)會輻 射到真空室的其他地方，而且真空室的空間有限，靶材周圍的空間也是有限的， 因此在進(jìn)行弧源設(shè)計(jì)的時(shí)候如果把思路局限于真空室內(nèi)有限的空間內(nèi)將很難突 破。特別對于控制弧斑運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)磁場設(shè)計(jì)，將旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置放置于真空室 內(nèi)靶材周圍的話，會涉及到尺寸、材料等的限制，雖然在條件允許的情況下能夠 取得比較好的效果，但是對于工業(yè)生產(chǎn)需要大面積沉積，長期工作的情況下，將 會受到限制。面對更廣泛簡單的應(yīng)用，需要新的創(chuàng)新和突破。
圖3(a)-3 (c)是本發(fā)明實(shí)施例1旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍沉積設(shè)備示意圖。 可以清楚地看出旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置、法蘭套與靶材之間的位置關(guān)系，而且三者獨(dú) 立制作，安裝拆卸容易，用的時(shí)候只需套上即可。具體結(jié)構(gòu)如下
電弧離子鍍沉積設(shè)備主要包括靶材2、旋轉(zhuǎn)磁場裝置6、出水管9、引弧線圈 10、出水口 11、進(jìn)水口 12、電磁線圈13、鍍鎳純鐵14、進(jìn)水管15、絕緣套16、 法蘭3、引弧針18、螺栓19、真空室20、基體夾座21，真空室20內(nèi)設(shè)置基體夾
座21、靶材2、引弧針18，靶材2正面與基體夾座21相對，靶材2背面設(shè)有電 磁線圈13，在電磁線圈13中間安裝鍍鎳純鐵14，循環(huán)水通過進(jìn)水口 12、出水口 11進(jìn)行循環(huán)，對靶材2進(jìn)行冷卻，鍍鎳純鐵14與電磁線圈13安裝于冷卻水內(nèi)； 引弧針18連至真空室1外的引弧線圈10,引弧線圈10帶動引弧針18與靶材2 接觸進(jìn)行引?。恍D(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6套在圍繞于靶材2之外的法蘭3上，法蘭3 通過進(jìn)水管15、出水管9進(jìn)行冷卻水循環(huán)；旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6與法蘭3之間安 裝絕緣套16，螺栓19連接法蘭3與靶材底座和真空室20。
如圖4(a)-圖4(b)所示，本發(fā)明實(shí)施例1中的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6的骨架有 24個(gè)磁極4和槽隙7，在靶材底座與真空室管道壁之間加一法蘭3，法蘭3釆用 不導(dǎo)磁的不銹鋼制作，法蘭3為空心的管狀結(jié)構(gòu)，外徑和耙材2底座的外徑一致， 內(nèi)徑和真空室管道的內(nèi)徑一致，法蘭3通冷卻水保護(hù)。將旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6套 在圍繞于靶材2之外的法蘭3上，與法蘭套之間通過絕緣保護(hù)。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝 置、法蘭套與靶材三者之間同軸，形成如圖4(a)所示的夾心結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生 裝置在法蘭套上的位置可調(diào)。
本發(fā)明實(shí)施例l釆用旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的骨架結(jié)構(gòu)，骨架內(nèi)徑230mm，外徑 310mm,厚度70mm。骨架釆用鐵損小、導(dǎo)磁性能好、厚度為035mm的硅鋼片 沖槽疊壓而成，硅鋼片的表面涂有絕緣漆，內(nèi)圓表面沖有均勻分布的24個(gè)槽，繞 組線圏嵌放在槽中，槽形為半閉口。本發(fā)明實(shí)施例1釆用繞組嵌線的形式是24 槽4/2極A/2Y(『10)雙速繞組的分布規(guī)則，嵌線釆用的是雙層交疊法，如圖3(b) 所示。本實(shí)施例1繞組是倍極比正規(guī)分布、A/2Y接法的雙速繞組。每相由2個(gè) 六聯(lián)組構(gòu)成，2極為60相帶顯極布線，兩相之間極性相反；將其中一半線圈組反 向獲得120相帶的4極繞組，即4極時(shí)所有線圈極性相同，并用一路A形連接， 如圖3(c)中的接線方法所示。繞組引出線為6根、釆用2極旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)，三相中 間抽頭的端線2U、 2V、 2W空置不接，電源從4U、 4V、 4W進(jìn)入；釆用4極旋 轉(zhuǎn)磁場時(shí)，則將4U、 4V、 4W連成星點(diǎn)，接為2Y,電源從2U、 2V、 2W接入。 由于磁場發(fā)生裝置放在真空室外，沒有高溫的限制，因此線圈的材料為普通的漆 包線，線徑為lmm,釆用兩根并繞，每個(gè)線圈為20匝，雙層交疊的嵌線，分為 六個(gè)相組。釆用本發(fā)明實(shí)施例l所用的繞組規(guī)則能夠在同一裝置實(shí)現(xiàn)兩種形態(tài)的 旋轉(zhuǎn)磁場，雙速繞組還可以采用8/2極，6/4極，8/4極，8/6極，12/4極，12/6極， 16/4極等方法，不同的方法所需的骨架槽數(shù)會有所不同，根據(jù)具體的需要制作。
供電釆用附圖16所示的三相旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的控制電路。三相正弦交流勵(lì) 磁電流通過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助
調(diào)解，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生相位差為120° ，速度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào) 的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào)解，強(qiáng)度通過勵(lì)
磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進(jìn)行調(diào)解。
繞組可以釆用Y型或者A接法，剩余的三個(gè)接頭通過頻率可調(diào)，幅值可調(diào)、 相位差為120°的多模式可編程調(diào)制交流電供電，通過調(diào)解就可以得到速度可調(diào)， 強(qiáng)度可調(diào)的均勻的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)對弧斑的有效控制。 通過PLC可編程控制器控制變頻器調(diào)解，可以使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以PLC編程所設(shè) 定的程序運(yùn)行；可以使旋轉(zhuǎn)橫向磁場在不同的時(shí)間階段以不同的速度程式運(yùn)行， 可以使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以固定的旋轉(zhuǎn)速度、強(qiáng)度運(yùn)行，或者以單次加速減速模式運(yùn) 行，或者以循環(huán)模式運(yùn)行。
本發(fā)明的磁場發(fā)生裝置也與靶材同軸，產(chǎn)生的磁場完全覆蓋并且平行于整個(gè) 靶面，也就是磁場是均勻的完全覆蓋靶面的平行于靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場(2極或者 4極)。橫向磁場在不斷的旋轉(zhuǎn)，而且速度、強(qiáng)度大小以及運(yùn)行模式可以調(diào)節(jié)，能 夠使弧斑在整個(gè)革巴面上螺旋運(yùn)動，圖17(a)-圖17(b)是旋轉(zhuǎn)橫向磁場下弧斑的運(yùn)動 軌跡示意圖；其中，圖17(a)弧斑的螺旋擴(kuò)展運(yùn)動軌跡(弧斑運(yùn)動軌跡8);圖17(b) 弧斑的螺旋收縮運(yùn)動軌跡(弧斑運(yùn)動軌跡8 ),分別對應(yīng)與旋轉(zhuǎn)磁場的前半周和后 半周?；“哌\(yùn)動的速度可以由磁場的旋轉(zhuǎn)速度和磁場的大小調(diào)節(jié)控制。本發(fā)明實(shí) 現(xiàn)了弧斑在整個(gè)乾面的刻蝕運(yùn)動，提高了耙材刻蝕均勾性和利用率。同時(shí)，有效 地改善了弧斑的放電形式，如果控制得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)新的放電形式，有效地分散 了放電的集中，減少了液滴大顆粒的發(fā)射。
本發(fā)明所用的靶材結(jié)構(gòu)具有一定的靶沿,產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)橫向磁場會與靶沿相交, 形成指向靶面的銳角，圖18是旋轉(zhuǎn)橫向磁場磁力線與靶材2的靶沿相交形成的指 向靶面的銳角a示意圖。由不同磁場分量對弧斑運(yùn)動的影響規(guī)律(銳角法則)可 知，弧斑將會被限制在靶面內(nèi)而不至于跑到靶面外造成滅弧。因此，本發(fā)明的綜 合作用滿足了靶材利用，弧斑放電以及應(yīng)用的各種要求。同時(shí)由于磁場發(fā)生裝置 放置于真空室外，加上法蘭通冷卻水保護(hù)，避免了電弧高溫以及真空室內(nèi)有限空 間的限制，而且其位置可調(diào)，所以能夠獲得更大的調(diào)節(jié)范圍，滿足更廣泛的應(yīng)用 需求。本發(fā)明實(shí)施例1可以廣泛的應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的需要提高薄膜質(zhì) 量以及有效控制弧斑運(yùn)動的各個(gè)領(lǐng)域，是目前我們正在實(shí)施并且準(zhǔn)備推廣的發(fā)明 實(shí)施例。
實(shí)施例2:
由于電弧離子鍍主要靠靶面上的陰極斑點(diǎn)的放電來沉積所需薄膜的，因此是
一種點(diǎn)狀源，因此存在等離子在傳輸空間分布的不均勻的問題，造成薄膜沉積的 不均勻。實(shí)施例2與實(shí)施例1相同，不同的是在基體夾座背后附近施加一聚焦磁 場，用以改善等離子在傳輸空間分布，增加基體處離子的密度，提高沉積速率和
沉積均勻性。圖5是實(shí)施例2旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍沉積設(shè)備示意圖。具體 結(jié)構(gòu)如下
電弧離子鍍沉積設(shè)備主要包括靶材2、旋轉(zhuǎn)磁場裝置6、出水管9、引弧線圈 10、出水口 11、進(jìn)水口 12、電磁線圈13、鍍鎳純鐵14、進(jìn)水管15、絕緣套16、 法蘭3、引弧針18、螺栓19、真空室20、基體夾座21、聚焦線圈17，真空室20 內(nèi)設(shè)置基體夾座21、靶材2、引弧針18,靶材2正面與基體夾座21相對，靶材2 背面設(shè)有電磁線圈13，在電磁線圈13中間安裝鍍鎳純鐵14，循環(huán)水通過進(jìn)水口 12、出水口 ll進(jìn)行循環(huán)，對靶材2進(jìn)行冷卻，鍍鎳純鐵14與電磁線圈13安裝于 冷卻水內(nèi)；引弧針18連至真空室1外的引弧線圈10,引弧線圈10帶動引弧針18 與靶材2接觸進(jìn)行引弧;旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6套在圍繞于靶材2之外的法蘭3上， 法蘭3通過進(jìn)水管15、出水管9進(jìn)行冷卻水循環(huán)；旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6與法蘭3 之間安裝絕緣套16,螺栓19連接法蘭3與靶材底座和真空室20,基體夾座21 背面設(shè)置聚焦線圈17，用于提高等離子在空間的分布和傳輸效率。
實(shí)施例2在實(shí)現(xiàn)實(shí)施例l功能的同時(shí)，可以提高等離子在空間的分布和傳輸 效率，進(jìn)一步提高沉積速率和沉積均勻性，控制離子向基體運(yùn)動的軌跡，是一種 綜合性能比較好的實(shí)施例，可滿足不同的需求。本發(fā)明實(shí)施例2可以廣泛的應(yīng)用 于科學(xué)研究制備功能薄膜和工業(yè)生產(chǎn)的需要提高薄膜質(zhì)量及沉積速率和均勻性的 各W頁域。
下面通過實(shí)施例以及旋轉(zhuǎn)磁場的分布圖對本發(fā)明中所用的旋轉(zhuǎn)磁場控制的電 弧離子鍍弧源及磁場發(fā)生裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 實(shí)施例3:
與實(shí)施例l或2不同之處在于
圖7 (a)-圖7 (b)是實(shí)施例3旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍弧源的示意圖。 其中，圖7 (a)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6示意圖。實(shí)施例3是兩相電控制的旋轉(zhuǎn)磁 場發(fā)生裝置，四個(gè)磁極4均勻的分布在圓形封閉的主體導(dǎo)磁通道上，形成一個(gè)整 體的電磁回路骨架，磁極的形狀為方形或者圓形，大小根據(jù)主體導(dǎo)磁通道與靶材 2之間的空間的大小決定，骨架的材料用高磁導(dǎo)率的材料(電工純鐵或者疊加的 沖壓硅鋼片)制作。磁極4的頂端端部為直邊或者弧形，對稱的指向靶材2表面 中心。圖7 (b)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6與靶材2之間位置的示意圖。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)
生裝置6與靶材2同軸放置，位置可以調(diào)解，以在靶面形成有效的旋轉(zhuǎn)磁場區(qū)域 為宜。
本發(fā)明實(shí)施例3四個(gè)線圈5安裝在四個(gè)磁極4上，形狀和磁極的形狀一致，
線圏的線徑、大小、匝數(shù)不受限制，根據(jù)空間允許制作，線圈的厚度小于磁極的 長度，線圈與骨架之間通過絕緣保護(hù)。相對的磁極和線圈為一組，同組的線圈串 聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，使得同組相對的線圈的電流同向或者反向(對應(yīng)不同的磁場 分布)，但必須保證不同組的串聯(lián)方式一樣，也就是不同組的相對的線圈的電流方
向都是同向或者反向。釆用圖6所示的兩相旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的控制電路，通過 單相正弦交流電裂相(電容裂相)90。，通過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行 調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生相位 差為90° ，速度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過 勵(lì)磁電流頻率調(diào)解，強(qiáng)度通過勵(lì)磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編程控制 器以及變頻器進(jìn)行調(diào)解。幅值可調(diào)的兩相電。兩組線圏的一端接到兩相勵(lì)磁電流 的公共端。通過調(diào)解就可以得到速度可調(diào)，強(qiáng)度可調(diào)的2極(相對的線圈的電流 反向)或者4極尖角磁場(相對的線圈的電流同向)。從而實(shí)現(xiàn)對弧斑的有效控制。
圖8 (a)-圖8 (d)是實(shí)施例3旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同時(shí) 刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖。圖中是2極磁場，可以看出磁場隨著電流的周期變化 不斷的在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。但是磁場的分布也是不均勻的，某些時(shí)刻磁極處的磁場強(qiáng)度 大于靶材中心的磁場強(qiáng)度，而且不同時(shí)刻磁場的形態(tài)不同，但這種旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生 裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與靶面平行，形成覆蓋靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，只是橫向磁場 分布不均勾，形態(tài)多變。可以用于科研領(lǐng)域研究分布不均的旋轉(zhuǎn)橫向磁場對沉積 工藝的影響或者要求不高的工業(yè)領(lǐng)域。
實(shí)施例4:
與實(shí)施例l或2不同之處在于
圖9是本發(fā)明的實(shí)施例4旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置示意圖。實(shí)施例4也是兩相電控 制的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置，八個(gè)磁極4均勻的分布在圓形封閉的主體導(dǎo)磁通道上， 形成一個(gè)整體的電磁回路骨架。磁極的形狀、大小、骨架的材料、旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生 裝置骨架與靶材之間的位置等都與實(shí)施例3相同。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6與靶材2 也是同軸放置，位置可以調(diào)解，以靶面形成有效的旋轉(zhuǎn)磁場區(qū)域?yàn)橐恕４艠O4的 頂端端部為直邊或者弧形，對稱的指向靶材2表面中心。線圈的線徑、大小、匝 數(shù)、材料、形狀、絕緣保護(hù)的要求和實(shí)施例3相同。
與實(shí)施例3不同的是有八個(gè)線圈5安裝在八個(gè)磁極4上，線圈與骨架之間通
過絕緣保護(hù)。相鄰的兩個(gè)磁極和線圈(八個(gè)磁極和線圏分成4對)串聯(lián)在一起，
使得線圈的電流同向，產(chǎn)生同樣極性的磁場。4對磁極和線圈分為兩組，相對的2
對磁極和線圏為一組，同組的線圈串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，使得同組相對的線圈的 電流同向或者反向(對應(yīng)不同的磁場分布)，但必須保證不同組的串聯(lián)方式一樣，
也就是不同組的相對的線圈的電流方向都是同向或者反向。同樣釆用圖6所示的
兩相旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的控制電路，兩相正弦交流勵(lì)磁電流通過單相正弦交流電
裂相(電容裂相)90。，通過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行調(diào)解，電壓的大 小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生相位差為90。，速度 可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào) 解，強(qiáng)度通iti磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進(jìn) 行調(diào)解。兩組線圈的一端接到兩相勵(lì)磁電流的公共端。通過調(diào)解就可以得到速度 可調(diào)，強(qiáng)度可調(diào)的2極(相對的線圈的電流反向)或者4極尖角磁場(相對的線 圈的電流同向)，從而實(shí)現(xiàn)對弧斑的有效控制。
圖10 (a)-圖10 (d)是實(shí)施例4旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同 時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖。圖中是2極磁場，可以看出磁場隨著電流的周期變 化不斷的在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而且與實(shí)施例3不同的是磁場的分布比較均句，磁極處的 磁場強(qiáng)度和靶材中心的磁場強(qiáng)度相差不大，不同時(shí)刻磁場的形態(tài)基斜目同，實(shí)施 例4旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場也與靶面平行，形成覆蓋靶面的旋轉(zhuǎn)橫向 磁場，橫向磁場分布比較均勻，如果尺寸做的比較大、使得靶材位于均勻的橫向 磁場區(qū)域中，就可以產(chǎn)生比較均勾的覆蓋靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場?？梢杂糜诳蒲蓄I(lǐng) 域研究旋轉(zhuǎn)橫向磁場對沉積工藝的影響或者某些工業(yè)領(lǐng)域。
實(shí)施例5:
與實(shí)施例l或2不同之處在于
圖11是本發(fā)明實(shí)施例5旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的示意圖。與實(shí)施例3、 4不同， 實(shí)施例5是三相電控制的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置。實(shí)施例5有六個(gè)磁極均勻的分布在 圓形封閉的主體導(dǎo)磁通道上，形成一個(gè)整體的電磁回路骨架。磁極的形狀、大小、 骨架的材料、旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置骨架與靶材之間的位置等都與實(shí)施例3相同。旋 轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6與靶材2也是同軸放置，位置可以調(diào)解，以靶面形成有效的旋 轉(zhuǎn)磁場區(qū)域?yàn)橐恕４艠O4的頂端端部為直邊或者弧形，對稱的指向靶材表面中心。 線圈的線徑、大小、匪數(shù)、材料、形狀、絕緣保護(hù)的要求和實(shí)施例3相同。
與實(shí)施例3不同的是有六個(gè)線圈5安裝在六個(gè)磁極4上，線圈與骨架之間通 過絕緣保護(hù)。相對的磁極和線圈為一組，六個(gè)磁極和線圈分為三組，同組的線圈
串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，使得同組相對的線圈的電流反向，產(chǎn)生極性相反的磁場， 不同組的串聯(lián)方式一樣，也就是不同組的相對的線圈的電流方向反向。三組線圈 可以釆用Y型或者A接法，乘除的三個(gè)接頭通過PLC可編程控制器控制變頻器 進(jìn)行調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生
相位差為120° ,速度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速 度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào)解，強(qiáng)度通過勵(lì)磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編 程控制器以及變頻器進(jìn)行調(diào)解。
圖12 (a)-圖12 (d)是實(shí)施例5旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在半個(gè)電流周期內(nèi)不同 時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖?？梢钥闯?，圖中是2極磁場，磁場隨著電流的周期 變化不斷的在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而且與實(shí)施例3、 4不同的是磁場的分布更加均勻，特別 是在旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的中心、靶材的位置，磁場形態(tài)幾乎不變，分布均勻。實(shí)施例5旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與靶面平行，形成覆蓋靶面的均勻的旋 轉(zhuǎn)橫向磁場?？梢杂糜诳蒲蓄I(lǐng)域研究旋轉(zhuǎn)橫向磁場對沉積工藝以及薄膜性能的影 響或者大部分工業(yè)領(lǐng)域。
實(shí)施例6:
與實(shí)施例l或2不同之處在于
分析比較實(shí)施例3、 4、 5的旋轉(zhuǎn)磁場模擬結(jié)果，可以看出旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置 的磁極數(shù)對磁場的分布均勻性有很大的影響，磁極越多，分布越緊密均勻，產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)磁場也越均勻。采用相位差為120。的三相正弦交流電供電比相位差為90 °的兩相正弦交流電供電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場均勻，相位差為90。的兩相電需要單相 裂相(斯考特變壓器不需要，但成本高)，存在很大的誤差，使得產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場 形態(tài)多變、不均勻。相位差為120°的三相正弦交流電可以直接取于電網(wǎng)，分布 對稱，滿足了產(chǎn)生均勻旋轉(zhuǎn)磁場的條件。
本發(fā)明進(jìn)一步創(chuàng)新，提出了頻率相同而相位不同的三相正弦交流電控制的多 極(一般為6n， n^2)旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)思路并付諸于實(shí)踐。對于極數(shù)比 較多的情況，釆用纏繞線圏套在磁極上的方案是不可行的，必須釆用按電機(jī)定子 繞組分布規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)。
圖13 (a)是實(shí)施例6旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置示意圖。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置6與靶 材2也是同軸放置，位置可以調(diào)解，以靶面形成有效的旋轉(zhuǎn)磁場區(qū)域?yàn)橐?。本發(fā) 明實(shí)施例6中的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的骨架有24個(gè)磁極4和槽隙7。骨架一般采用 鐵損小、導(dǎo)磁性能好、厚度為0.35~0.5mm的硅鋼片沖槽疊壓而成，硅鋼片的表 面涂有絕緣漆，內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽，繞組線圈嵌放在槽隙7中。槽形有 開口、半開口、半閉口等形式(圖中為開口 )。將繞組嵌入圖13 (a)所示的骨架 中，繞組嵌線的形式很多，在槽隙的布置可以采用單層、雙層、單雙層混合等布
置；繞組端部的接線方式可以釆用疊式或者波式；繞組的端部形狀可以釆用鏈?zhǔn)健?交叉式、同心式以及疊式等。不同的嵌線方式可以產(chǎn)生不同極數(shù)(2、 4、 6， 8極) 和形態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場。圖14 (a)-圖14 (b)分別為兩種不同的繞組嵌線方式。本 發(fā)明實(shí)施例6釆用的是圖14(a)所示的24槽2極單層同心式繞組布接線法，同一 極相組內(nèi)繞組由節(jié)距不等的數(shù)個(gè)大小線圈組成，極相組內(nèi)的各個(gè)線圈環(huán)繞著同一 圓心。圖16是三相旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的控制電路示意圖。三相正弦交流勵(lì)磁電流 通過PLC可編程控制器控制變頻器進(jìn)行調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解， 在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生相位差為120° ，速度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模 式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵(lì)磁電流頻率調(diào)解，強(qiáng)度通過勵(lì)磁電流 大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進(jìn)行調(diào)解。繞組可以釆用 Y型或者A接法，剩余的三個(gè)接頭通過頻率可調(diào)，幅值可調(diào)、相位差為120°的 三相交流電供電，通過調(diào)解就可以得到速度可調(diào)，強(qiáng)度可調(diào)的均勻的旋轉(zhuǎn)磁場， 從而實(shí)現(xiàn)對弧斑的有效控制。
圖13 (b)為旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生的原理示意圖。可以看出當(dāng)三相繞組中通入三相 對稱電流時(shí)，在旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的骨架內(nèi)就會產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)三相對稱 電流完成一個(gè)周期(對2極磁場而言)的變化時(shí)，它們所產(chǎn)生的合成磁場在空間 也就旋轉(zhuǎn)了一周。顯然，三相電流隨時(shí)間周而復(fù)始的變化，而由三相電流所產(chǎn)生 的合成磁場也就在不停的旋轉(zhuǎn)。
圖15 (a)-圖15 (f)是實(shí)施例6旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同 時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖?？梢钥闯鲭S著電流周期性的變化，在骨架的空間內(nèi) 可以產(chǎn)生非常均勻、形態(tài)不變的旋轉(zhuǎn)磁場。而且由于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置 與靶材同軸，產(chǎn)生的磁場完全覆蓋并且平行于整個(gè)靶面，也就是該磁場是均勻的 完全覆蓋靶面的平行于靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場。由不同磁場對弧斑的影響規(guī)律可知， 橫向磁場可以使弧斑做逆安培力的反向運(yùn)動，由于本發(fā)明實(shí)施例6中的橫向磁場 在不斷的旋轉(zhuǎn)，而且速度和強(qiáng)度大小可以調(diào)節(jié)，因此能夠使弧斑在整個(gè)乾面上螺 旋運(yùn)動，圖17(a)-圖17(b)是旋轉(zhuǎn)橫向磁場下弧斑的運(yùn)動軌跡示意圖；其中，圖17(a) 弧斑的螺旋擴(kuò)展運(yùn)動軌跡(弧斑運(yùn)動軌跡8);圖17(b)弧斑的螺旋收縮運(yùn)動軌跡 (弧斑運(yùn)動軌跡8)，分別對應(yīng)與旋轉(zhuǎn)磁場的前半周和后半周?；“哌\(yùn)動的逸度可 以由磁場的旋轉(zhuǎn)速度和磁場的大小調(diào)節(jié)控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了弧斑在整個(gè)靶面的刻 蝕運(yùn)動，提高了靶材刻蝕均勻性和利用率，同時(shí)，有效地改善了弧斑的放電形式，
如果控制得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)新的放電形式，有效地分散了放電的集中，減少了液滴 大顆粒的發(fā)射。
本發(fā)明所用的靶材結(jié)構(gòu)具有一定的靶沿,產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)橫向磁場會與靶沿相交, 形成指向靶面的銳角，圖18是旋轉(zhuǎn)橫向磁場磁力線與靶材2的靶沿相交形成的指
向靶面的銳角a示意圖。由不同磁場分量對弧斑運(yùn)動的影響規(guī)律(銳角法則)可 知，弧斑將會被限制在靶面內(nèi)而不至于跑到靶面外造成滅弧。因此，本發(fā)明的綜 合作用滿足了靶材利用，弧斑放電以及應(yīng)用的各種要求。
本發(fā)明實(shí)施例6的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置與靶材同軸，磁場有效區(qū)域圍繞靶面。 本發(fā)明實(shí)施例6的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置磁極4和槽隙7個(gè)數(shù)為6n(n^2)個(gè)，本實(shí)施 例為24個(gè)。本發(fā)明實(shí)施例6的繞組線圈可以單根或者并繞嵌線，繞組的線徑、大 小、匝數(shù)不受限制，以在槽內(nèi)固定不松動為好。線圈與骨架之間通過絕緣保護(hù)。 置于真空室外的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置沒有限制。本發(fā)明實(shí)施例6的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝 置位置可以移動。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置套在圍繞于靶材之外的法蘭套或者爐體管道 上，與法蘭套或者爐體管道之間通過絕緣保護(hù)，法蘭套或者爐體管道釆用不導(dǎo)磁 的不銹鋼制作，法蘭套或者爐體管道為空心結(jié)構(gòu)，通冷卻水保護(hù)。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生 裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材三者之間同軸，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在法蘭套或 者爐體管道上的位置可調(diào)。
本發(fā)明實(shí)施例6可以廣泛的應(yīng)用與科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的需要提高薄膜質(zhì)量 以及有效控制弧斑運(yùn)動的各個(gè)領(lǐng)域。
實(shí)施例7:
與實(shí)施例l或2不同之處在于
與實(shí)施例6相同，釆用同樣的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的骨架結(jié)構(gòu)，如圖13(a)所
示，同樣的材料(骨架、線圏、絕緣)要求，同樣的供電方式和控制電路，同樣
的安裝方式等。所不同的是實(shí)施例7釆用附圖14(b)所示的24槽4極單層鏈?zhǔn)嚼@
組布接線法，繞組是由具有相同寬度和形狀的單層線圈組成，其端部如套取得端
環(huán)。由于不同的嵌線方式會形成不同形態(tài)的磁場，圖19 (a)-圖19 (f)是實(shí)施
例7旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在一個(gè)電流周期內(nèi)不同時(shí)刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖?？梢?br> 看出，本實(shí)施例7產(chǎn)生的是一個(gè)可調(diào)速調(diào)幅的旋轉(zhuǎn)的4極磁場，磁場分布內(nèi)疏外
密，形態(tài)不變，完全覆蓋于整個(gè)靶面并且與靶面平行，只是在靶面的分布是內(nèi)疏
外密的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，可以實(shí)現(xiàn)弧斑的不同的運(yùn)動方式和形態(tài)的控制，可以應(yīng)用 于科學(xué)研究該形式的磁場對弧斑放電及沉積工藝的影響和工業(yè)生產(chǎn)的某些領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1、一種多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，其特征在于該電弧離子鍍裝置設(shè)有靶材、旋轉(zhuǎn)磁場裝置、電磁線圈、絕緣套、法蘭、真空室、基體夾座，真空室內(nèi)設(shè)置基體夾座、靶材，靶材正面與基體夾座相對，靶材背面設(shè)有電磁線圈，置于真空室外的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置套在圍繞于靶材之外的法蘭套或者爐體管道上，與法蘭套或者爐體管道之間通過絕緣保護(hù)。
2、 按照權(quán)利要求1所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于法蘭套或者爐體管道釆用不導(dǎo)磁的不銹鋼制作，法蘭套或 者爐體管道為空心結(jié)構(gòu)，通冷卻水保護(hù)；旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置、法蘭套或者爐體管 道與靶材三者之間同軸,旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置在法蘭套或者爐體管道上的位置可調(diào)。
3、 按照權(quán)利要求1所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置為釆用相差一定均勻角度、相互連接在 一起的幾個(gè)磁極均勻布在同一圓周上，磁極數(shù)量為4n或者3n, n>l，形成一個(gè) 整體的電磁回路骨架，勵(lì)磁線圈套在磁極上或者嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)，釆 用相位差90。的兩相或者相位差120。的三相勵(lì)磁順序供電，在磁極包圍的空間 內(nèi)產(chǎn)生可調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場。
4、 按照權(quán)利要求3所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置為磁極均勻的分布在圓形封閉的主體導(dǎo) 磁通道上，形成一個(gè)整體的電磁回路骨架，骨架的材料用高磁導(dǎo)率的材料電工純 鐵或者疊加的沖壓硅鋼片制作，磁極的形狀為方形或者圓形，磁極的頂端端部為 直邊或者弧形，對稱的指向靶材表面中心；疊加的沖壓硅鋼片制作的骨架釆用鐵 損小、導(dǎo)磁性能好、厚度為0.35~0.5mm的硅鋼片沖槽疊壓而成，硅鋼片的表面 涂有絕緣漆，內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽，繞組線圏嵌放在槽中，槽形有開口、 半開口或半閉口形式。
5、 按照權(quán)利要求3所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于，勵(lì)磁線圈套在磁極上時(shí)勵(lì)磁線圏分為兩組，磁極數(shù)量為 4n， n>l，相對的勵(lì)磁線圈為一組，同組的勵(lì)磁線圈串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，同組 相對的勵(lì)磁線圈的電流同向或者反向；或者，勵(lì)磁線圈分為三組，磁極數(shù)量為3n， n>l,相對的勵(lì)磁線圈為一組，同組的勵(lì)磁線圈串聯(lián)成一個(gè)導(dǎo)電回路，同組相對 的勵(lì)磁線圈的電流反向。
6、 按照權(quán)利要求5所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，其特征在于兩組或者三組的勵(lì)磁線圈分別釆用相位差為90°的兩相交 流電或者相位差為120°的三相交流電源激勵(lì)；兩組勵(lì)磁線圈的一端接到兩相勵(lì) 磁電流的公共端，兩相勵(lì)磁電流通過單相電裂相90。而成，或者通過斯考特變壓 器引出；三組勵(lì)磁線圈用Y型或者三角形接法；交流電的〗0F》不受限制。
7、 按照權(quán)利要求3所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于嵌在相鄰磁極之間槽隙內(nèi)的勵(lì)磁線圈，按電機(jī)定子繞組分 布規(guī)律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內(nèi)，繞組的勵(lì)磁電流釆用相位差為120°的三相 交流電源激勵(lì)，繞組用Y型或者三角形接法；在槽隙的布置釆用單層、雙層或單 雙層混合布置，繞組端部的接線方式釆用疊式或者波式，繞組的端部形狀釆用鏈 式、交叉式、同心式或疊式，不同的嵌線方式產(chǎn)生不同極數(shù)和形態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場。
8、 按照權(quán)利要求3所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置中，電流的頻率，大小以及波形通過PLC 可編程控制器控制變頻器進(jìn)行調(diào)解，電壓的大小通過調(diào)壓器輔助調(diào)解，在磁極包 圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生速度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁 場，速度通itM磁電流頻率調(diào)解，強(qiáng)度通iti磁電流大小調(diào)解，運(yùn)行模式通過PLC 可編程控制器以及變頻器進(jìn)行調(diào)解。
9、 按照權(quán)利要求8所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子 鍍裝置，其特征在于通過PLC可編程控制器控制變頻器調(diào)解，使旋轉(zhuǎn)橫向磁場 以PLC編程所設(shè)定的程序運(yùn)行；使旋轉(zhuǎn)橫向磁場在不同的時(shí)間階段以不同的速度 程式運(yùn)行；使旋轉(zhuǎn)橫向磁場以固定的旋轉(zhuǎn)速度、強(qiáng)度運(yùn)行；或者，以單次加速減 速模式運(yùn)行；或者，以循環(huán)模式運(yùn)行。
10、 按照權(quán)利要求l所述的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置，其特征在于基體夾座背面設(shè)置聚焦線圈，聚焦線圈釆用QZY-2高溫 漆包線制作，絕緣材料釆用F或者H級耐高溫材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及薄膜制備領(lǐng)域，具體地說是一種利用旋轉(zhuǎn)磁場控制弧斑運(yùn)動的多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置。該電弧離子鍍裝置設(shè)有靶材、旋轉(zhuǎn)磁場裝置、電磁線圈、絕緣套、法蘭、真空室、基體夾座，真空室內(nèi)設(shè)置基體夾座、靶材，靶材正面與基體夾座相對，靶材背面設(shè)有電磁線圈，置于真空室外的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置套在圍繞于靶材之外的法蘭套或者爐體管道上，與法蘭套或者爐體管道之間通過絕緣保護(hù)。本發(fā)明通過多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制弧斑的運(yùn)動，可以改善弧斑的放電形式和工作穩(wěn)定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發(fā)射，用以制備高質(zhì)量的薄膜以及功能薄膜，拓展電弧離子鍍的應(yīng)用范圍。
文檔編號C23C14/35GK101363116SQ20081001076
公開日2009年2月11日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者超 孫, 駿 宮, 肖金泉, 趙彥輝, 郎文昌, 聞立時(shí) 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所