Plc可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备的制作方法

专利名称：Plc可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用旋转磁场控制弧斑运动 的脉宽调制叠加调幅的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备,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，用以制备髙质量的薄膜。
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 200pm2)，电流密度很高(105~107A/cm2),具有非 常髙的功率密度(10"W/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髙质量薄膜的要求，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乾 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l(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 x 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e的时候(尖角磁场，磁感应强度B， 见图l(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eB区域，这就是锐角法则(Acute angle principle),图1 (d)。图l(d)中，。R代表弧斑运动的方向和磁力线与乾面相 交线之间的夹角，eB oR。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、靶材刻蚀得均勻性非常重要。 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鄉莫技术。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，禾拥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，因此是纟^佳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7乂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设备。
实用新型内容
本实用新型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、多模式可编程调制的、旋转 横向磁场控制弧斑运动的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备,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，本实用新型的技术要求是
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，本实用新型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，本实用新 型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，本实用新型必须能够使得弧斑在 整个草巴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l、 3，降低放电功率集中，使放电功率分散的分布在整个耙 面上，本实用新型必须能够提供尽可能覆盖大面积靶面的横向磁场分量。
5. 为了在满足上述要求的同时，不降低沉积速率和沉积均匀性，本实用新型 必须能够提供改善等离子体传输效率的辅助聚焦磁场。
为了满足上述要求，本实用新型提出了控制弧斑运动的可调速调幅、多模式 可编程调制、PLC可控的旋转横向磁场的设计思路。 本实用新型的技术原理是
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》l)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、 U1、 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，本实用新型的技术方案是
一种PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备,该电弧离子镀设备设有 靶材、旋转磁场装置、电磁线圈、绝缘套、法兰、真空室、基体夹座，真空室内 设置基体夹座、靶材，靶材正面与基体夹座相对，靶材背面设有电磁线圈，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。
所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，法兰套或者炉体管道 釆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PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，旋转磁场发生装置为 釆用相差一定均勻角度、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>l，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，釆用相位差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。
所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备,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； 叠加的冲压硅钢片制作的骨架釆用铁损小、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、半开口或半闭口形式。
所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备,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>l,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>l，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PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，两组或者三组的励磁 线圈分别釆用相位差为90。的两相交流电或者相位差为120°的三相交流电源激 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；交流电的波形不受限制。
所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，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 励磁电流釆用相位差为120°的三相交流电源激励,绕组用Y型或者三角形接法； 在槽隙的布置釆用单层、双层或单双层混合布置，绕组端部的接线方式釆用叠式 或者波式，绕组的端部形状釆用链式、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PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，旋转磁场发生装置 中，电流的频率，大小以及^^通过PLC可编程控制器控制变频器进行调解，电 压的大小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调、强 度可调的多模式可编程调制的旋转横向磁场，速度通过励磁电流频率调解，强度 通iti磁电流大小调解，运行模式通过PLC可编程控制器以及变频器进行调解。
所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，通过PLC可编程控 制器控制变频器调解，使旋转横向磁场以PLC编程所设定的程序运行；使旋转横 向磁场在不同的时间阶段以不同的速度程式运行；使旋转横向磁场以固定的旋转 速度、强度运行；或者，以单次加速减速模式运行；或者，以循环模式运行。
所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备,基体夹座背面设置聚 焦线圈，聚焦线圈釆用QZY-2高温漆包线制作，绝缘材料釆用F或者H级耐高 温材料。
本实用新型的PLC可控的旋转横向磁场发生装置有以下特点 1.本实用新型的旋转磁场的产生通过在靶材周围空间(真空室外)，釆用相 差一定均匀角度、相互连接在一起的几个(4n， n》l或者3n, n》)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圏(绕组)釆用两相(相位差90。)交流或者三相(相位差120。)交流
励磁顺序供电，电流的频率、大小以及波形通过PLC可编程控制器控制变频器进
行调解，电压的大小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生速
度可调、强度可调、多模式可编程调制的PLC可控的旋转横向磁场，速度通iii 磁电流频率调解，强度通iti磁电流大小调解，运行模式通过PLC可编程控制器 以及变频器进行调解。本实用新型通过可调速调幅、多模式可编程调制、PLC可 控的旋转横向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 髙靶材刻蚀均勾性和靶材利用率，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，本实用新型的 磁极之间连接在一起形成整体的磁路通道，旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之 外的法兰套或者炉体管道丄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. 本实用新型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，装置放置于真空室外、套在围绕于靶 材之外的法兰套或者炉体管道上。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. 本实用新型的旋转磁场发生装置的磁极个数是4n或者3n(n》l)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。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. 本实用新型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035~0.5mm的硅钢片冲槽叠压而成，硅钢片的表面涂 有绝缘漆，内圆表面冲有均勾分布的槽，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, nM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 的励磁线圈分别釆用相位差为90°的两相交流电或者相位差为120°的三相交流 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
的励磁电流釆用相位差为120°的三相交流电源激励；交流电的波形不受限制。 分为三组的线圈和嵌在槽隙内绕组可以用Y型或者A (三角形)接法。
6. 本实用新型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。
7. 本实用新型的旋转磁场发生装置位置可以调解，电流的频率，大小以及波 形通过PLC可编程控制器控制变频器进行调解，电压的大小通过调压器辅助调 解，在磁极包围的空间内、耙面上产生速度可调、强度可调、多模式可编程调制 的PLC可控旋转横向磁场，速度通iti磁电流频率调解，强度通iti磁电流大小 调解，运行模式通过PLC可编程控制器以及变频器进行调解。
8. 本实用新型的旋转磁场发生装置通过PLC可编程控制器控制变频器调解， 可以使旋转横向磁场以PLC编程所设定的程序运行；可以使旋转横向磁场在不同 的时间阶段以不同的速度程式运行，可以使旋转横向磁场以固定的旋转速度、强 度运行，或者以单次加速减速模式运行，或者以循环模式运行。
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，在槽隙的布置可以釆用单层、双层、单双层混合等布置；绕组 端部的接线方式可以釆用叠式或者波式；绕组的端部形状可以釆用链式、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. 本实用新型旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉^^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釆用不导 磁的不锈钢制作，法兰套或者炉体管道为空心结构，通冷却7K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。
本实用新型具有以下优点
1、本实用新型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、多模式可编程调制的、旋转 横向磁场控制弧斑运动的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，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、 本实用新型的PLC可控的旋转横向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圏的嵌线方式多，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挣眭，为探索电 弧离子镀新的应用和开发不同结构的弧源装置提供了方便。
3、 本实用新型的PLC可控的旋转横向磁场发生装置能够提供覆盖整个乾面 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，使得弧斑在整个乾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、 本实用新型的PLC可控的旋转横向磁场发生装置通过一套PLC可编程控 制器控制的调频调压控制电源供电，电流频率、大小和t^可进行编程调制，提 供了旋转速度和大小都可单独或者协和的调解，并且以多种模式运行的旋转磁场, 为控制弧斑的运动提供了多种可能性。
5、 本实用新型中放置于真空室外的PLC可控的旋转横向磁场发生装置位置 可调，法兰通冷却水保护避免了髙温的限制。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、 本实用新型的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备配合施加在 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、 本实用新型的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备的旋转磁场 发生装置成本低廉，外形美观，操作简便，通用性强，控制可靠，参数可调范围 大，易于科研领域和工业生产的推广应用。


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(c)是实施例1中PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀沉积设 备及绕组嵌线分布示意图。其中，图3(a)为PLC可控的旋转横向磁场辅助的电弧 离子镀沉积设备示意图；图3(b)为旋转磁场发生装置的绕组嵌线分布示意图；图 3(c)为旋转磁场发生装置的绕组接线示意图。
图4(a)-图4(b)是实施例l旋转磁场发生装置的示意图。其中，图4(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4(b)是图4(a) 的侧视图。
图5是实施例2中PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀沉积设备示意图。
图6是两相旋转磁场发生装置的控制电路示意图。
图7 (a)-图7 (b)是实施例3中PLC可控的旋转横向磁场控制的电弧离子 镀弧源的示意图。其中，图7(a)为旋转磁场发生装置示意图；图7(b)为旋转 磁场发生装置与靶材之间位置的示意图。
图8 (a)-图8 (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9是实施例4中PLC可控的旋转横向磁场发生装置示意屈。
图10 (a)-图10 (d)是实施例4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11是实施例5中PLC可控的旋转横向磁场发生装置示意图。
图12 (a)-图12 (d)是实施例5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13 (a)-图13 (b)是实施例6、 7中PLC可控的旋转横向磁场发生装置 的示意图。其中，图13 (a)为旋转磁场发生装置的骨架示意图；图13(b)为旋 转磁场发生的原理示意图。
图14 (a)-图14 (b)是实施例6、 7旋转磁场发生装置的绕组嵌线分布示意 图。其中，图14 (a)为实施例6的24槽2极单层同心式绕组布接线图；图14 (b)为实施例7的24槽4极单层链式绕组布接线图。
图15 (a)-图15 (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16是三相旋转磁场发生装置的控制电路示意图。
图17(a)-图17(b)是旋转横向磁场下弧斑的运动轨迹示意图；其中，图17(a) 弧斑的螺旋扩展运动轨迹；图17(b)弧斑的螺旋收缩运动轨迹。
图18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19 (a)-图19 (f)是实施例7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，l电弧斑点；2靶材；3法兰；4磁极；5线圈；6旋转磁场发生装置; 7槽隙；8弧斑运动轨迹；9出水管；10引弧线圈；11出水口； 12进水口； 13 电磁线圈；14镀镍纯铁；15进水管；16绝缘套；17聚焦线圈；18引弧针；19 螺栓；20真空室；21基体夹座。
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实用新型作进一步详细说明。 实施例1:
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。
图3(a)- 3 (c)是本实用新型实施例1中PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离 子镀沉积设备示意图。可以清楚地看出旋转磁场发生装置、法兰套与靶材之间的 位置关系，而且三者独立制作，安装拆卸容易，用的时候只需套上即可。具体结 构如下
电弧离子镀沉积设备主要包括靶材2、旋转磁场装置6、出水管9、引弧线圈 10、出水口 11、进水口 12、电磁线圈13、镀镍纯铁14、进水管15、绝缘套16、 法兰3、引弧针18、螺栓19、真空室20、基体夹座21,真空室20内设置基体夹 座21、靶材2、引弧针18，靶材2正面与基体夹座21相对，靶材2背面设有电 磁线圈13，在电磁线圈13中间安装镀镍纯铁14,循环水通过进水口 12、出水口 11进行循环，对靶材2进行冷却，镀镍纯铁14与电磁线圈13安装于冷却水内； 引弧针18连至真空室1外的引弧线圈10,引弧线圈10带动引弧针18与靶材2 接触进行引弧；旋转磁场发生装置6套在围绕于靶材2之外的法兰3上，法兰3 通过进水管15、出水管9进行冷却水循环；旋转磁场发生装置6与法兰3之间安 装绝缘套16,螺栓19连接法兰3与靶材底座和真空室20。
如图4(a)-图4(b)所示，本实用新型实施例1中的旋转磁场发生装置6的骨 架有24个磁极4和槽隙7,在靶材底座与真空室管道壁之间加一法兰3，法兰3 釆用不导磁的不锈钢制作，法兰3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3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3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4(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。
本实用新型实施例1釆用旋转磁场发生装置的骨架结构，骨架内径230mm, 外径310mm，厚度70mm。骨架釆用铁损小、导磁性能好、厚度为0.35mm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24个槽， 绕组线圈嵌放在槽中，槽形为半闭口。本实用新型实施例l釆用绕组嵌线的形式 是24槽4/2极A/2Y(y^0)双速绕组的分布规则，嵌线釆用的是双层交叠法，如图 3(b)所示。本实施例1绕组是倍极比正规分布、A/2Y接法的双速绕组。每相由2 个六联组构成，2极为60相带显极布线，两相之间极性相反；将其中一半线圈组 反向获得120相带的4极绕组，即4极时所有线圈极性相同，并用一路A形连接， 如图3(c)中的接线方法所示。绕组引出线为6根、釆用2极旋转磁场时，三相中 间抽头的端线2U、 2V、 2W空置不接，电源从4U、 4V、 4W进入；釆用4极旋 转磁场时，则将4U、 4V、 4W连成星点，接为2Y,电源从2U、 2V、 2W接入。 由于磁场发生装置放在真空室外，没有高温的限制，因此线圈的材料为普通的漆 包线，线径为lmm，釆用两根并绕，每个线圈为20匝，双层交叠的嵌线，分为 六个相组。釆用本实用新型实施例l所用的绕组规则能够在同一装置实现两种形 态的旋转磁场，双速绕组还可以釆用8/2极，6/4极，8/4极，8/6极，12/4极，12/6 极，16/4极等方法，不同方法所需的骨架槽数会有所不同，根据具体的需要制作。
供电釆用附图16所示的三相旋转磁场发生装置的控制电路。三相正弦交流励 磁电流通过PLC可编程控制器控制变频器进行调解，电压的大小通过调压器辅助 调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生相位差为120° ,速度可调、强度可调、 多模式可编程调制的PLC可控的旋转横向磁场，體通iti磁电流频率调解，强 度通过励磁电流大小调解，运行模式通过PLC可编程控制器及变频器进行调解。
绕组可以釆用Y型或者A接法，剩佘的三个接头通过频率可调，幅值可调、 相位差为120。的多模式PLC可编程调制交流电供电，通过调解就可以得到速度 可调，强度可调、均勻、多模式可编程调制的PLC可控的旋转横向磁场，从而实 现对弧斑的有效控制。通过PLC可编程控制器控制变频器调解，可以使旋转横向 磁场以PLC编程所设定的程序运行；可以使旋转横向磁场在不同的时间阶段以不 同的速度程式运行，可以使旋转横向磁场以固定的旋转速度、强度运行，或者以 单次加速减速模式运行，或者以循环模式运行。
本实用新型的磁场发生装置也与靶材同轴，产生的磁场完全覆盖并且平行于
14整个靶面，也就是磁场是均句的完全覆盖耙面的平行于靶面的旋转横向磁场(2极 或者4极)。横向磁场在不断的旋转，而且速度、强度大小以及运行模式可以调节，
能够使弧斑在整个靶面上螺旋运动，图17(a)-图17(b)是旋转横向磁场下弧斑的运 动轨迹示意图；其中，图17(a)弧斑的螺旋扩展运动轨迹(弧斑运动轨迹8);图 17(b)弧斑的螺旋收縮运动轨迹(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。本实 用新型实现了弧斑在整个耙面的刻蚀运动，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。
本实用新型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18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a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，弧斑将会被限制在乾面内而不至于跑到靶面外造成灭弧。因此，本实 用新型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。同时由于磁 场发生装置放置于真空室外，加上法兰通冷却水保护，避免了电弧高温以及真空 室内有限空间的限制，而且其位置可调，所以能够获得更大的调节范围，满足更 广泛的应用需求。本实用新型实施例1可以广泛的应用于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 准备推广的实用新型实施例。
实施例2:
由于电弧离子镀主要靠靶面上的阴极斑点的放电来沉积所需薄膜的，因此是 一种点状源，因此存在等离子在传输空间分布的不均匀的问题，造成薄膜沉积的 不均匀。实施例2与实施例1相同，不同的是在基体夹座背后附近施加一聚焦磁 场，用以改善等离子在传输空间分布，增加基体处离子的密度，提高沉积速率和 沉积均匀性。图5是实施例2中PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀沉积设 备示意图。具体结构如下
电弧离子镀沉积设备主要包括靶材2、旋转磁场装置6、出水管9、引弧线圈 10、出水口 11、进水口 12、电磁线圈13、镀镍纯铁14、进7jt管15、绝缘套16、 法兰3、引弧针18、螺栓19、真空室20、基体夹座21、聚焦线圈17，真空室20 内设置基体夹座21、靶材2、引弧针18，靶材2正面与基体夹座21相对，靶材2 背面设有电磁线圈13,在电磁线圈13中间安装镀镍纯铁14，循环水通过进水口 12、出水口 ll进行循环，对靶材2进行冷却，镀镍纯铁14与电磁线圈13安装于 冷却水内；引弧针18连至真空室1外的引弧线圈10,引弧线圈10带动引弧针18与靶材2接触进行引弧;旋转磁场发生装置6套在围绕于靶材2之外的法兰3上, 法兰3通过进水管15、出水管9进行冷却水循环；旋转磁场发生装置6与法兰3 之间安装绝缘套16,螺栓19连接法兰3与靶材底座和真空室20,基体夹座21 背面设置聚焦线圈17，用于提高等离子在空间的分布和传输效率。
实施例2在实现实施例1功能的同时，可以提高等离子在空间的分布和传输 效率，进一步提高沉积速率和沉积均勾性，控制离子向基体运动的轨迹，是一种 综合性能比较好的实施例，可满足不同的需求。本实用新型实施例2可以广泛的 应用于科学研究制备功能薄膜和工业生产的需要提高薄膜质量及沉积速率和均匀 性的各^4页域。
下面通过实施例以及旋转磁场的分布图对本实用新型中所用的旋转磁场控制 的电弧离子镀弧源及磁场发生装置作进一步详细说明。 实施例3:
与实施例l或2不同之处在于
图7 (a)-图7 (b)是实施例3中PLC可控的旋转横向磁场控制的电弧离子 镀弧源的示意图。其中，图7 (a)为旋转磁场发生装置6示意图。实施例3是两 相电控制的旋转磁场发生装置，四个磁极4均勾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 体导磁通道与革巴材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4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7 (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，以在靶面形成有 效的旋转磁场区域为宜。
本实用新型实施例3四个线圈5安装在四个磁极4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。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，使得同组相对的线圏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。釆用图6所示的两相旋转磁场发生装置的控制电路， 通过单相正弦交流电裂相(电容裂相)90。，通过PLC可编程控制器控制变频器 进行调解，电压的大小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生 相位差为90° ,速度可调、强度可调、多模式可编程调制的PLC可控的旋转横 向磁场，速度通过励磁电流频率调解，强度通过励磁电流大小调解，运行模式通 过PLC可编程控制器以及变频器进行调解。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8 (a)-图8 (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。但是磁场的分布也是不均勾的，某些时刻磁极处的磁场强度 大于耙材中心的磁场强度，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 分布不均勾，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4:
与实施例l或2不同之处在于
图9是本实用新型的实施例4中PLC可控的旋转横向磁场发生装置示意图。 实施例4也是两相电控制的旋转磁场发生装置，八个磁极4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3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4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、H数、材料、形状、绝缘保护的要求和实施例3相同。
与实施例3不同的是有八个线圈5安装在八个磁极4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6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单相正弦交流电 裂相(电容裂相)90。，通过PLC可编程控制器控制变频器进行调解，电压的大 小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生相位差为90。，速度 可调、强度可调、多模式可编程调制的PLC可控的旋转横向磁场，速度通过励磁 电流频率调解，强度通过励磁电流大小调解，运行模式通过PLC可编程控制器以 及变频器进行调解。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10 (a)-图10 (d)是实施例4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3不同的是磁场的分布比较均勻，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4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5:
与实施例l或2不同之处在于
图11是本实用新型实施例5中PLC可控的旋转横向磁场发生装置的示意图。 与实施例3、 4不同，实施例5是三相电控制的旋转磁场发生装置。实施例5有六 个磁极均句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3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4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、匪数、材料、形状、绝缘保护的要求 和实施例3相同。
与实施例3不同的是有六个线圈5安装在六个磁极4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，使得同组相对的线圏的电流反向，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圏的电流方向反向。三组线圈 可以釆用Y型或者A接法，剩余的三个接头通过PLC可编程控制器控制变频器 进行调解，电压的大小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生 相位差为120。，速度可调、强度可调、模式可编程调制的PLC可控的旋转横向 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，运行模式通过 PLC可编程控制器以及变频器进行调解。
图12 (a)-图12 (d)是实施例5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3、 4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5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6:
与实施例l或2不同之处在于
分析比较实施例3、 4、 5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 的旋转磁场也越均勻。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勻，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。
本实用新型进一步创新，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，釆用缠绕线圈套在磁极上的方案是不可行的，必须釆用按电机 定子绕组分布规律嵌在相邻磁极之间的槽隙内。
图13 (a)是实施例6中PLC可控的旋转横向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。本实用新型实施例6中的旋转磁场发生装置的骨架有24个磁极4 和槽隙7。骨架一般釆用铁损小、导磁性能好、厚度为0.3545,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13 (a)所示的骨架中，绕组嵌线的形式很多，在槽隙的布置可以釆用单层、 双层、单双层混合等布置；绕组端部的接线方式可以釆用叠式或者波式；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14 (a)-图14 (b)分别为两 种不同的绕组嵌线方式。本实用新型实施例6釆用的是图14(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16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PLC可编程控制器控制变频器进行调解，电 压的大小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空间内、靶面上产生相位差为120 ° ,速度可调、强度可调、多模式可编程调制的PLC可控的旋转横向磁场，速度 通过励磁电流频率调解，强度通过励磁电流大小调解，运行模式通过PLC可编程 控制器及变频器进行调解。绕组可以釆用Y型或者A接法，剩余的三个接头通过 频率可调，幅值可调、相位差为120°的三相交流电供电，通过调解就可以得到速度可调，强度可调、均勻的PLC可控的旋转横向磁场，从而实现对弧斑的有效 控制。
图13 (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15 (a)-图15 (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。而且由于本实用新型的旋转磁场发生 装置与靶材同轴，产生的磁场完全覆盖并且平行于整个乾面，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，由于本实用新型实施例6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 个乾面上螺旋运动，图17(a)-图17(b)是旋转横向磁场下弧斑的运动轨迹示意图； 其中，图17(a)弧斑的螺旋扩展运动轨迹(弧斑运动轨迹8);图17(b)弧斑的螺旋 收縮运动轨迹(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。本实用新型实现了弧 斑在整个耙面的刻蚀运动，提髙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。
本实用新型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18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a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，本实 用新型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。
本实用新型实施例6的旋转磁场发生装置与靶材同轴，磁场有效区域围绕靶 面。本实用新型实施例6的旋转磁场发生装置磁极4和槽隙7个数为6n(n》2)个， 本实施例为24个。本实用新型实施例6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。置于真空室外的旋转磁场发生装置没有限制。本实用新型实施例6的 旋转磁场发生装置位置可以移动。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釆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。
本实用新型实施例6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7:
与实施例l或2不同之处在于
与实施例6相同，釆用同样的旋转磁场发生装置的骨架结构，如图13(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7釆用附图14(b)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圏组成，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19 (a)-图19 (f)是实施 例7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7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。
权利要求1、一种PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，其特征在于该电弧离子镀设备设有靶材、旋转磁场装置、电磁线圈、绝缘套、法兰、真空室、基体夹座，真空室内设置基体夹座、靶材，靶材正面与基体夹座相对，靶材背面设有电磁线圈，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。
2、 按照权利要求1所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 其特征在于法兰套或者炉体管道釆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。
3、 按照权利要求1所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 其特征在于旋转磁场发生装置为釆用相差一定均匀角度、相互连接在一起的几 个磁极均勻布在同一圆周上，磁极数量为4n或者3n, nM,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，釆用相位差 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。
4、 按照权利要求3所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 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，骨架的材料用髙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；叠加的冲压硅钢片制作的骨架釆用铁损小、导磁 性能好、厚度为035^.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、半开口或半闭 口形式。
5、 按照权利要求3所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 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>l, 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, nM，相 对的励磁线圏为一组，同组的励磁线圈串联成一个导电回路，同组相对的励磁线 圏的电流反向。
6、 按照权利要求5所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备，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°的两相交流电或者 相位差为120°的三相交流电源激励；两组励磁线圏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； 三组励磁线圏用Y型或者三角形接法；交流电的波形不受限制。
7、 按照权利要求3所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 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，绕组的励磁电流釆用相位差为120°的三相交流电源 激励，绕组用Y型或者三角形接法；在槽隙的布置釆用单层、双层或单双层混合 布置，绕组端部的接线方式釆用叠式或者波式，绕组的端部形状釆用链式、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3所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 其特征在于旋转磁场发生装置中，电流的频率，大小以及波形通过PLC可编程 控制器控制变频器进行调解，电压的大小通过调压器辅助调解，在磁极包围的空 间内、靶面上产生速度可调、强度可调的多模式可编程调制的旋转横向磁场，速 度通过励磁电流频率调解，强度通过励磁电流大小调解，运行模式通过PLC可编 程控制器以及变频器进行调解。
9、 按照权利要求8所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 其特征在于通过PLC可编程控制器控制变频器调解，1fe^转横向磁场以PLC 编程所设定的程序运行；使旋转横向磁场在不同的时间阶段以不同的速度程式运行；使旋转横向磁场以固定的旋转速度、强度运行；或者，以单次加速减速模式 运行；或者，以循环模式运行。
10、 按照权利要求1所述的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备， 其特征在于:基体夹座背面设置聚焦线圈，聚焦线圈釆用QZY-2高温漆包线制作, 绝缘材料釆用F或者H级耐高温材料。
专利摘要本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用旋转磁场控制弧斑运动的PLC可控的旋转横向磁场辅助电弧离子镀设备。该电弧离子镀设备设有靶材、旋转磁场装置、电磁线圈、绝缘套、法兰、真空室、基体夹座，真空室内设置基体夹座、靶材，靶材正面与基体夹座相对，靶材背面设有电磁线圈，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。本实用新型通过PLC可控的多模式可编程调制的旋转横向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。
文档编号C23C14/32GK201162038SQ20082001175
公开日2008年12月10日 申请日期2008年3月26日 优先权日2008年3月26日
发明者华伟刚, 超 孙, 骏 宫, 英 杨, 肖金泉, 赵彦辉, 郎文昌, 闻立时 申请人:中国科学院金属研究所