CN201190180Y

CN201190180Y - 一种离子镀弧斑控制装置

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Publication number: CN201190180Y
Application number: CNU2008200131101U
Authority: CN
Inventors: 肖金泉; 郎文昌; 孙超; 宫骏; 赵彦辉; 华伟刚; 闻立时
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2018-05-23

Abstract

本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种新型离子镀弧斑控制装置，所述新型离子镀弧斑控制装置的靶材底座后面设有由小型直流电机或者交流电机驱动的旋转磁场发生装置，电机驱动固定在电机转轴上的磁轭带动合理分布在磁轭上的永磁体转动，不同的永磁体分布产生不同位形结构的旋转磁场，实现多控制模式的目的。本实用新型利用简单紧凑的装置结构和不同的永磁体分布方式，产生不同位形的动态旋转磁场，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个离子镀弧斑控制装置上实现多种形式的弧斑控制，满足不同方面的需求，拓展电弧离子镀的应用范围。

Description

一种离子镀弧斑控制装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种新型离子镀弧斑控制装置，利用简单紧凑的结构，产生形式多样的旋转磁场，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个弧斑控制装置上实现多种形式的弧斑控制，拓展电弧离子镀的应用范围。

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，阴极斑点的运动对靶材利用率及靶材刻蚀均匀性，电弧等离子体的物理特性以及随后的镀膜特性有很大的影响。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(100～200μm²)，电流密度很高(10⁵～10⁷A/cm²)，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/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高质量薄膜的要求，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，控制弧斑的运动轨迹，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甚至没有颗粒的发射。因此尽管对弧斑内部结构的过程还没有确切的了解，但是为了更好的提高沉积薄膜的质量和有效的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动进行合理的控制。

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1(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×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θ的时候(尖角磁场，磁感应强度B，见图1(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θ_B区域，这就是锐角法则(Acute angle principle)，图1(d)。图1(d)中，Φ_R代表弧斑运动的方向和磁力线与靶面相交线之间的夹角，θ_B≈Φ_R。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、靶材刻蚀得均匀性非常重要，此法则和弧斑反向运动规律一起决定了弧斑的运动轨迹8。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。

国内外在离子镀弧斑控制装置的设计上几乎都离不开磁场的设计，目前的电弧离子镀技术中靶材附近施加的磁场主要有在小尺寸圆柱靶下加轴向磁场，如CN89200444.4、US3,793,179、US3,625,878等，大的平面靶施加拱形磁场，如CN1157335A，以及俄罗斯弧源结构中的淹没整个靶材的纵向约束磁场。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，而且整个离子镀弧斑控制装置复杂，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。由于这些控制弧斑运动的磁场都是静态或者准静态的，磁场本身的变化(速度、强度)对弧斑的影响考虑不多，因此很难突破相互之间影响的限制。同时在一种离子镀弧斑控制装置中只能实现一种控制模式，不同的控制方式需要不同的离子镀弧斑控制装置，磁场位形单一，弧斑的控制功能少，不利于推广以及满足不同的需求。

需要一种创新的、突破限制的、结构简单紧凑的、多功能多控制模式并且有效且易于推广的动态旋转磁场控制的新型离子镀弧斑控制装置。

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结构复杂功能少弧斑控制模式单一的设计思路，提供一种新型离子镀弧斑控制装置，利用简单紧凑的结构和不同的永磁体分布方式，在靶面形成不同位形结构不同模式的合理的动态旋转磁场位形，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，降低放电功率在阴极斑点处的集中，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个弧斑控制装置上实现多种形式的弧斑控制，满足不同方面的需求，拓展电弧离子镀的应用范围。

本实用新型的技术原理是：

通过设计，在一个结构简单紧凑的离子镀弧斑控制装置上采用多种合理的动态旋转磁场结构，在靶面形成不同模式的合理的动态旋转磁场位形，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。合理的动态旋转磁场可以实现对弧斑的有效控制，使得弧斑在整个靶面上均匀刻蚀而不是限制在特定的位置处形成刻蚀轨道，提高靶材利用率。在磁场的速度，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，降低放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分散的分布在整个靶面上，减少大颗粒的发射。不同的旋转磁场位形结构可以实现对弧斑的不同控制，本实用新型实现了一种简单的弧斑控制结构多种控制模式的多功能装置。

根据上述原理，本实用新型的技术方案是：

一种离子镀弧斑控制装置，所述离子镀弧斑控制装置设有旋转磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，在靶材底座的后面设有旋转磁场发生装置，旋转磁场发生装置由小型直流电机或者交流电机、固定在电机转轴上的磁轭、合理分布在磁轭上的永磁体组成；电机驱动固定在电机转轴上的磁轭带动分布在磁轭上的永磁体转动，不同的永磁体分布便产生不同位形结构的旋转磁场，实现多控制模式的目的。

所述的离子镀弧斑控制装置，旋转磁场发生装置、靶材、靶材底座三者同轴，靶材、靶材底座为圆形，靶材通过靶材底部外螺纹与靶材底座上的内螺纹壁连接安装于靶材底座上，靶材底部与靶材底座紧密接触。靶材端部为与靶面成一定向外倾斜角度的靶沿。

所述的靶材底座采用不导磁的材料(铜合金、铝合金或者不锈钢)制作，靶材底座为空心结构，上层较薄与靶材底部接触，正面置有内螺纹的支撑壁，靶材底座下层较厚，在其边缘对称开有两个水孔，与水孔连接的进水管、出水管和靶材底座上下层之间的空心形成循环冷却水通道。在靶材底座背面两个水孔所在的圆周上均匀分布4个或6个螺杆，旋转磁场发生装置通过螺杆固定在靶材底座的背面。

所述的靶材底座背面的分布在同一圆周的进水管、出水管以及螺杆的外周套有刚性圆筒，靶材底座通过套在圆筒外的绝缘环与套在绝缘环外的环形不锈钢板组成一个整体弧斑控制装置，整个弧斑控制装置通过环形不锈钢边缘的均匀分布的螺纹孔(8个)与真空室连接，通过镶在环形不锈钢真空密封槽内胶圈密封。

所述的旋转磁场发生装置通过固定在驱动电机上的支撑架安装在靶材底座背面的螺杆上，与靶材底座同轴，距离可以调节。驱动电机为小型直流电机或者交流电机，通过调节直流电压改变直流电机转轴的转速，通过调节电流频率和电压大小改变交流电机转轴的转速。通过交流电整流滤波稳压得到直流电压，电压的大小通过调压器或者滑动变阻器调节。通过变频器调节交流电机的电流频率和电压大小。

所述的旋转磁场发生装置中固定在电机转轴上的磁轭为中间有凹槽或者没有凹槽的方形，多边形或者圆形，磁轭由高磁导率的材料(电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片)制作。磁轭与永磁体之间形成一个整体的电磁回路。磁轭的大小以不碰到螺杆为宜，磁轭的厚度不受限制。

所述的旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体形状为方体、圆柱、圆环或者弧形，永磁体在磁轭上的位置可以移动，永磁体的高度以靠近靶材底座为宜，磁体的长度宽度不受限制，以能够形成较大面积的磁场分布为宜。永磁体为高磁场强度的NbFeB材料。永磁体的分布以能够形成闭合的电磁回路为宜，永磁体在磁轭上对称分布或者偏置分布。永磁体的不同分布方式能够形成不同位形结构的磁场。在驱动电机的转轴带动下在靶材表面形成不同的旋转动态磁场分布。永磁体的个数根据永磁体的形状、大小、分布方式、以及预产生的旋转磁场类型选择。

所述的旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体为相互平行且对称分布的n个(n≥2)方体，相邻磁体的极性相反，分别在靶面上形成N-S两极横向磁场，N-S-N三极拱形磁场，N-S-N-S四极叠加拱形磁场或N-S-N-S-N五极叠加拱形磁场等，以此类推至更多极叠加拱形磁场；分布在磁轭上的永磁体为在同一圆周上均匀分布的几个方体或者弧形(2n，n≥2)，分别在靶面上形成N-S两极横向磁场或者N-S相间的多极磁场；通过调节永磁体在磁轭上的位置来改变磁场在靶面上的分布，不同的磁体分布方式在电机驱动下形成覆盖整个靶面的不同的旋转磁场模式。

所述的旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体为中心对称分布的同心的圆柱和圆环，圆柱的个数为1个位于磁轭的中心，圆环的个数为n(n≥1)个，相邻磁体的极性相反，分别在靶面上形成对称的N-S-N(一个圆环永磁体)三极拱形磁场或N-S-N-S-N(两个圆环永磁体)五极叠加拱形磁场等，以此类推至更多极叠加拱形磁场，在电机驱动下形成覆盖整个靶面的不同极数的对称旋转拱形磁场。

所述的旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体为偏置分布的相互平行或者分布在同一圆周上的n个(n≥2)方体或者弧形永磁体或者偏置分布的同心的圆柱和圆环，圆环的个数为n(n≥1)个，其他形状的永磁体个数n≥2，相邻磁体的极性相反，在电机驱动下分别在靶面上形成对称分布的动态多极旋转拱形磁场或者覆盖整个靶面的以磁轭中心为圆心、磁轭中心到圆环中心距离为半径的拱形磁场包络。永磁体在磁轭上的位置可以整体或者分别调节，以达到磁场在靶面上的不同分布状态和不同的弧斑控制模式。

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磁场设计以及结构复杂功能少弧斑控制模式单一的设计思路，提供了一种新型离子镀弧斑控制装置，利用简单紧凑的结构，产生形式多样的旋转磁场，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和速度，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大颗粒的发射，满足了制备高质量的薄膜以及功能薄膜的需求，达到了在一个弧斑控制装置上实现多种形式的弧斑控制，满足不同方面的需求，拓展电弧离子镀的应用范围。

2、本实用新型的离子镀弧斑控制装置结构简单紧凑，所有配件均可独立制作，安装拆卸容易，用的时候只需套上即可，更换磁场装置零件无需拆靶。采用接进水管、出水管与空心靶材底座形成循环冷却水通道的间接水冷结构，为控制弧斑运动的磁场装置提供了空间和避免了永磁体在水中浸泡退磁的影响。

3、本实用新型的旋转磁场的实现形式和方案丰富，多种类型的永磁体在磁轭上能够形成各种不同的分布方式，通过简单的调节永磁体在磁轭上的位置以及改变分布方式就可以改变磁场在靶面上的分布，不同的磁体分布方式在电机驱动下形成覆盖整个靶面的不同的旋转磁场模式。实现在一个弧斑控制装置上控制弧斑运动的多样性，为探索电弧离子镀新的应用提供了方便。

4、本实用新型的旋转磁场发生装置能够提供覆盖整个靶面的多种旋转拱形磁场模式，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，使得弧斑在整个靶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。

5、本实用新型的旋转磁场发生装置操作简单，控制容易，通过调节直流电压改变直流电机转轴的转速或者通过调节电流频率和电压大小改变交流电机转轴的转速，提供了旋转速度可调的旋转磁场，为控制弧斑的运动提供了多种可能性。

6、本实用新型的离子镀弧斑控制装置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、本实用新型的离子镀弧斑控制装置的旋转磁场发生装置材料普遍，制作简单，更换容易，成本低廉，外形美观，操作简便，参数可调范围大，达到了在一个结构简单紧凑的弧斑控制装置上实现多种形式的弧斑控制，在满足不同方面的需求的同时大大降低了成本，易于科研领域和工业生产的推广应用。

附图说明

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向外倾斜角度尖角磁场；图1(d)为尖角磁场对弧斑的运动的影响(尖角法则)。

图2(a)-图2(b)是实施例1两极N-S旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图2(a)是两极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；图2(b)是磁场装置中形成N-S两极磁场分布的两个磁体在磁轭上的俯视分布示意图。

图3是实施例2轴对称磁场耦合的两极磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。

图4(a)-图4(b)是实施例3旋转磁场发生装置中磁体在磁轭上的俯视分布示意图。其中，图4(a)是形成N-S两极磁场分布的四个方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图；图4(b)是形成N-S-N-S四极磁场分布四个方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图。

图5(a)-图5(b)是驱动电机的控制电路示意图。其中，图5(a)为小型直流电机的控制电路示意图；图5(b)为交流电机的变频调压控制电路示意图。

图6(a)-图6(c)是实施例4的N-S-N三极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图6(a)是三极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；图6(b)是磁场装置中形成N-S-N三极磁场分布的三个方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图；图6(c)是磁场装置中形成N-S-N三极磁场分布的两个同心圆柱圆环永磁体在磁轭上的俯视分布示意图。

图7(a)-图7(b)是实施例5的N-S-N-S四极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图7(a)是四极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；图7(b)是磁场装置中形成N-S-N-S四极磁场分布的四个平行方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图。

图8(a)-图8(c)是实施例6的N-S-N-S-N五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图8(a)是五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；图8(b)是磁场装置中形成N-S-N-S-N五极磁场分布的五个平行方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图；图8(c)是磁场装置中形成N-S-N-S-N五极磁场分布的三个同心圆柱圆环永磁体在磁轭上的俯视分布示意图。

图9(a)-图9(b)是实施例7偏置的N-S-N-S-N五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图9(a)是偏置的五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；图9(b)是磁场装置中形成偏置的N-S-N-S-N五极磁场分布的三个同心圆柱圆环永磁体在磁轭上的俯视分布及弧斑运动轨迹示意图。

图中，1靶材；2永磁体；3磁轭；4驱动电机；5靶材底座；6引弧线圈；7引弧针；8弧斑运动轨迹；9屏蔽罩；10环形不锈钢板；11密封胶圈；12螺纹孔；13绝缘环；14进水管；15出水管；16靶沿；17支撑架。

具体实施方式

下面通过实施例以及离子镀弧斑控制装置结构示意图和永磁体在磁轭上的分布图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

图2(a)-图2(b)是本实用新型的实施例1两极N-S旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图2(a)是两极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；图2(b)是磁场装置中形成N-S两极磁场分布的两个磁体在磁轭上的俯视分布示意图。如图2(a)结构所示，直径为100mm的圆柱状靶材1通过靶材1底部外螺纹与靶材底座5上的内螺纹壁连接安装于靶材底座5上，靶材1底部与靶材底座5紧密接触，靶材1端部为与靶面成一定向外倾斜角度(120°≤α≤160°)的靶沿16。靶材底座5采用不导磁的铜合金制作，靶材底座5为空心结构，上层较薄与靶材1底部接触，正面置有内螺纹的支撑壁，靶材底座5下层较厚，在其边缘对称开有两个水孔，接进水管14、出水管15与上下层之间的空心形成循环冷却水通道。分布在同一圆周的进水管14、出水管15外周套有刚性圆筒，靶材底座5通过套在圆筒外的绝缘环13与套在绝缘环外的环形不锈钢板10组成一个整体弧斑控制装置，整个弧斑控制装置通过环形不锈钢边缘的均匀分布的8个螺纹孔12与真空室连接，通过镶在环形不锈钢真空密封槽内密封胶圈11密封。旋转磁场发生装置通过固定在驱动电机4上的支撑架17安装在靶材底座5背面的螺杆上，与靶材底座5同轴，距离可以调节。固定在电机转轴上的磁轭3由高磁导率的材料(电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片)制作，磁轭3与永磁体2之间形成一个整体的电磁回路。两个平行对称分布在磁轭上的方形永磁体2在靶面上形成N-S两极磁场，图2(b)是磁场装置中形成N-S磁场分布的两极磁体在磁轭上的俯视分布示意图。直流电机4驱动固定在电机转轴上的磁轭3带动分布在磁轭3上的平行对称分布的两个永磁体2转动，形成动态的旋转横向磁场，磁场与靶面形成指向靶面中心的夹角，可以约束弧斑的运动使其不会跑到靶面外造成熄弧。循环水通过进水管14、出水管15进行循环，对靶材1进行冷却。引弧针7连至靶材底座5外的引弧线圈6，引弧线圈6带动引弧针7与靶材1接触进行引弧。屏蔽罩9安装于靶材1外侧，其作用是约束弧斑，防止弧斑向靶材侧面跑弧。

本实用新型实施例1中的用来带动磁体转动的驱动电机为小型直流电机或者交流电机。图5(a)-图5(b)是驱动电机的控制电路示意图。其中，图5(a)为常规小型直流电机的控制电路示意图，其结构如下：单相交流电通过全波整流桥D1整流、滤波模块R1、C1滤波得到直流电压，接到滑动变阻器R2的两端，通过调节滑动变阻器R2的中间端子得到可调的直流电压，通过调节直流电压改变直流电机转轴的转速得到速度可调的旋转磁场；图5(b)为常规交流电机的变频调压控制电路示意图，其结构如下：单相或三相交流电通过输入EMC滤波器滤掉电源杂波，通过AC-DC模块整流滤波得到直流电压，然后通过DC-AC变频调压逆变模块得到电压频率可调的交流电，通过输出EMC滤波器滤掉变频逆变过程中产生的杂波，通过调节电流频率和电压大小改变交流电机转轴的转速，得到速度可调的旋转磁场。通过调节电机转轴的转速可以改变N-S分布的横向磁场在靶面的旋转速度，旋转横向磁场在运动过程中，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。合理的动态旋转磁场可以实现对弧斑的有效控制，使得弧斑在整个靶面上均匀刻蚀而不是限制在特定的位置处形成刻蚀轨道，提高靶材利用率。在磁场的速度，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，降低放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分散的分布在整个靶面上，减少大颗粒的发射。

本实用新型实施例1是利用简单紧凑的结构，产生了速度可控的旋转横向磁场来控制弧斑的运动轨迹，是本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置的一种简单有效的磁场位形，可以通过调节驱动电机的转速、产生N-S旋转横向磁场的方形磁体在磁轭上的相对位置，达到靶材更均匀的刻蚀。本实用新型的弧斑控制装置结构简单紧凑，所有配件均可独立制作，安装拆卸容易，用的时候只需套上即可，更换磁场装置零件无需拆靶。采用接进水管、出水管与空心靶材底座形成循环冷却水通道的间接水冷结构，为控制弧斑运动的磁场装置提供了空间和避免了永磁体在水中浸泡退磁的影响。

本实用新型实施例1结构简单、操作简便、成本低廉，可以广泛的用于科研领域研究旋转横向磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

实施例2：

图3是本实用新型实施例2轴对称磁场耦合的两极磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。基本结构、靶材底座结构、安装控制方式以及磁体的分布方式与实施例1相同。所不同的是固定在电机转轴上的磁轭3中间有凹槽，而且在凹槽的上方、靶材底座5背面固定有磁场调节装置，磁场调节装置内为一永磁体，通过螺纹连接在固定装置上，永磁体的高度可以调节。永磁体产生轴对称分布的磁场，与旋转的N-S横向磁场耦合，旋转磁场在旋转过程中可以改变轴对称磁场的分布，使得弧斑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。实现对弧斑的有效控制，使得弧斑在整个靶面上均匀刻蚀，提高靶材利用率，降低放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分散的分布在整个靶面上，减少大颗粒的发射。轴对称磁场的存在提高了弧斑放电稳定性，通过调节其高度可以改变对弧斑的约束能力，使得弧斑能够在靶面收缩或者扩展，实现对弧斑的多种控制模式。

本实用新型实施例2是利用简单紧凑的结构，产生速度可控的旋转横向磁场调节轴对称磁场在靶面的分布，利用耦合磁场来控制弧斑的运动轨迹，是本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置的一种复合的磁场位形，体现了复合磁场的设计思路，可以通过调节驱动电机的转速、产生N-S旋转横向磁场的方形磁体在磁轭上的相对位置、产生轴对称磁场的永磁体的高度来改变磁场在靶面上分布，达到靶材更均匀的刻蚀。本实用新型实施例2也具有结构简单、操作简便、成本低廉的优点，同时具有复合磁场调节的特点，可以广泛的用于科研领域研究复合旋转磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

实施例3：

本实用新型实施例3采用的是和实施例1相同的离子镀弧斑控制装置结构、靶材底座结构、磁轭结构、安装控制方式。所不同的是在磁轭上的永磁体的类型和分布方式，实施例3中分布在磁轭上的永磁体为在同一圆周上均匀分布的几个方体或者有一定角度(45°～135°)的弧形(2n，n≥2)，永磁体分布的圆周的中心与磁轭的中心重合或者偏置，分别在靶面上形成N-S两极横向磁场或者N-S相间的多极磁场；图4(a)-图4(b)是实施例3旋转磁场发生装置中磁体在磁轭上的俯视分布示意图。其中，图4(a)是形成N-S两极磁场分布的四个方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图；图4(b)是形成N-S-N-S四极磁场分布四个方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图。通过整体或者分别调节永磁体在磁轭上的位置来改变磁场在靶面上的分布，不同的磁体分布方式在电机驱动下形成覆盖整个靶面的不同的旋转磁场模式。

本实用新型实施例3是利用简单紧凑的结构，通过简单的整体或者分别调节永磁体在磁轭上的位置以及改变分布方式就可以改变磁场在靶面上的分布，不同的磁体分布方式在电机驱动下形成覆盖整个靶面的、速度可控的不同的旋转磁场模式，是本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置的一种单结构多模式的磁场位形，实现了在一个离子镀弧斑控制装置上控制弧斑运动的多样性，为探索电弧离子镀新的应用提供了方便。同时本实用新型实施例3的弧斑控制装置结构简单紧凑，所有配件均可独立制作，安装拆卸容易，用的时候只需套上即可，更换磁场装置零件无需拆靶。采用接进水管、出水管与空心靶材底座形成循环冷却水通道的间接水冷结构，为控制弧斑运动的磁场装置提供了空间和避免了永磁体在水中浸泡退磁的影响。

本实用新型实施例3结构简单、功能多、操作简便、成本低廉，可以广泛的用于科研领域研究旋转磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

实施例4：

图6(a)-图6(c)是本实用新型实施例4的N-S-N三极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图6(a)是三极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；本实用新型实施例4采用的是和实施例1相同的离子镀弧斑控制装置结构、靶材底座结构、磁轭结构、安装控制方式。所不同的是在磁轭上的永磁体的类型和分布方式，分布在磁轭上的永磁体为相互平行且对称分布的3个方体，相邻磁体的极性相反，在靶面上N-S-N三极拱形磁场，图6(b)是磁场装置中形成N-S-N三极磁场分布的三个方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图；分布在磁轭上的永磁体还可以是中心对称分布的同心的圆柱和圆环，圆柱的个数为1个位于磁轭的中心，圆环的个数为1个，相邻磁体的极性相反，也可以在靶面上形成对称的N-S-N(一个圆环永磁体)三极拱形磁场，图6(c)是磁场装置中形成N-S-N三极磁场分布的两个同心圆柱圆环永磁体在磁轭上的俯视分布示意图；极性相反的相邻磁体之间形成2个拱形，磁体在电机驱动下形成覆盖整个靶面的三极对称旋转拱形磁场。

根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，如果在靶面上形成一定曲率的拱形磁场，在一定的磁场强度下可以将弧斑约束在拱形区域内，弧斑优先刻蚀的地方是靶面纵向磁场为零，横向磁场最大的位置，也就是拱形的顶点位置，在这种磁场位形下弧斑将约束在以这个位置为中心的附近的区域运动。本实用新型实施例4的产生拱形磁场是动态的，同时，通过调节磁体在磁轭上的位置可以调节拱形磁场在靶面的位置，改变其顶点(纵向磁场为零，横向磁场最大)的位置，使其在整个靶面上移动，而不再是固定在特定的位置不变，那么弧斑将会随着磁场的变化而在整个靶面上不同的位置出现，而不是限制在特定的区域，从而实现靶材的均匀刻蚀，在靶材1上形成均匀的刻蚀轨道。

本实用新型实施例4是利用简单紧凑的结构，通过简单调节永磁体在磁轭上的位置可以改变拱形磁场的顶点位置在靶面上的分布，在电机驱动下形成覆盖整个靶面的、速度可控的旋转拱形磁场控制模式，是本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置的一种单结构多模式的动态拱形磁场位形，实现了在一个简单的弧斑控制装置上有效的控制弧斑的运动。同时本实用新型实施例4的弧斑控制装置结构简单紧凑，所有配件均可独立制作，安装拆卸容易，用的时候只需套上即可，更换磁场装置零件无需拆靶。采用接进水管、出水管与空心靶材底座形成循环冷却水通道的间接水冷结构，为控制弧斑运动的磁场装置提供了空间和避免了永磁体在水中浸泡退磁的影响。

本实用新型实施例4结构简单、功能多、操作简便、成本低廉，可以广泛的用于科研领域研究旋转拱形磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

实施例5：

图7(a)-图7(b)是本实用新型实施例5的N-S-N-S四极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图7(a)是四极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；本实用新型实施例5采用的是和实施例4相同的离子镀弧斑控制装置结构、靶材底座结构、磁轭结构、安装控制方式。所不同的是在磁轭上的永磁体的类型和分布方式，分布在磁轭上的永磁体为相互平行且对称分布的4个方体，相邻磁体的极性相反，在靶面上N-S-N-S四极拱形磁场，图7(b)是磁场装置中形成N-S-N-S四极磁场分布的四个平行方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图。极性相反的相邻磁体之间形成3个拱形，磁体在电机驱动下形成覆盖整个靶面的四极对称旋转拱形磁场。

同实施例4，本实用新型实施例5的产生拱形磁场也是动态的，也可以通过调节磁体在磁轭上的位置调节拱形磁场在靶面的位置，改变其顶点(纵向磁场为零，横向磁场最大)的位置，使其在整个靶面上移动，而不再是固定在特定的位置不变，使得弧斑随着磁场的变化而在整个靶面上不同的位置出现，而不是限制在特定的区域，从而实现靶材的均匀刻蚀，在靶材1上形成均匀的刻蚀轨道。不同的是在本实施例5磁场装置中，极性相反的相邻磁体之间形成3个拱形，同时，不仅极性相反的相邻磁体之间形成N-S拱形，相隔两个磁体距离的边缘磁体之间也形成一个N-S大拱形，这些磁场之间相互交叠耦合，在电机驱动下可以在靶面上形成比较均匀的旋转拱形磁场，使得靶材刻蚀的利用率和均匀性提高。

本实用新型实施例5是利用简单紧凑的结构，通过简单调节永磁体在磁轭上的位置可以改变拱形磁场的顶点位置在靶面上的分布，四个磁体之间形成交叠耦合的3个小拱形和一个大拱形磁场，在电机驱动下形成覆盖整个靶面的、速度可控的比较均匀的旋转拱形磁场控制模式，是本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置的一种单结构多模式的四极动态拱形磁场位形，实现了在一个简单的弧斑控制装置上有效的控制弧斑的运动。本实用新型实施例5结构简单紧凑、安装拆卸容易，更换磁场装置零件无需拆靶，磁体使用时间长，功能多、操作简便、成本低廉，可以广泛的用于科研领域研究旋转拱形磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

实施例6：

图8(a)-图8(c)是本实用新型实施例6的N-S-N-S-N五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图8(a)是五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；与实施例5相同，本实用新型实施例6采用相同的离子镀弧斑控制装置结构、靶材底座结构、磁轭结构、安装控制方式。所不同的是在磁轭上的永磁体的类型和分布方式，分布在磁轭上的永磁体为相互平行对称分布的5个方体，相邻磁体的极性相反，在靶面上N-S-N-S-N五极拱形磁场，图8(b)是磁场装置中形成N-S-N-S-N五极磁场分布的五个平行对称方形磁体在磁轭上的俯视分布示意图；分布在磁轭上的永磁体还可以是中心对称分布的同心的圆柱和圆环，圆柱的个数为1个位于磁轭的中心，圆环的个数为2个，相邻磁体的极性相反，也可以在靶面上形成对称的N-S-N-S-N(两个圆环永磁体)五极拱形磁场，图8(c)是磁场装置中形成N-S-N-S-N五极磁场分布的三个同心圆柱圆环永磁体在磁轭上的俯视分布示意图；极性相反的相邻磁体之间形成4个拱形，磁体在电机驱动下形成覆盖整个靶面的五极对称旋转拱形磁场。

同实施例5，本实用新型实施例6的产生拱形磁场也是动态的，也可以通过调节磁体在磁轭上的位置调节拱形磁场在靶面的位置，改变其顶点(纵向磁场为零，横向磁场最大)的位置，使其在整个靶面上移动，而不再是固定在特定的位置不变，使得弧斑随着磁场的变化而在整个靶面上不同的位置出现，而不是限制在特定的区域，从而实现靶材的均匀刻蚀，在靶材1上形成均匀的刻蚀轨道。不同的是在本实施例6磁场装置中，极性相反的相邻磁体之间形成4个小拱形，同时，不仅极性相反的相邻磁体之间形成N-S拱形，相隔两个磁体距离的磁体之间也形成2个N-S大拱形，这些磁场之间相互交叠耦合，在电机驱动下可以在靶面上形成更加均匀的旋转拱形磁场，使得靶材刻蚀的利用率和均匀性提高。

本实用新型实施例6是利用简单紧凑的结构，通过简单调节永磁体在磁轭上的位置可以改变拱形磁场的顶点位置在靶面上的分布，五个磁体之间形成交叠耦合的4个小拱形和2个大拱形磁场，在电机驱动下形成覆盖整个靶面的、速度可控的更加均匀的旋转拱形磁场控制模式，是本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置的一种单结构多模式的五极动态拱形磁场位形，实现了在一个简单的弧斑控制装置上有效的控制弧斑的运动。本实用新型实施例6结构简单紧凑、安装拆卸容易，更换磁场装置零件无需拆靶，磁体使用时间长，功能多、操作简便、成本低廉，可以广泛的用于科研领域研究旋转拱形磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

实施例7：

分析本实用新型的实施例4、5、6，磁体的对称分布使得所产生的旋转磁场是对称的拱形磁场，根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，如果在靶面上形成一定曲率的拱形磁场，在一定的磁场强度下可以将弧斑约束在拱形区域内，弧斑优先刻蚀的地方是靶面纵向磁场为零，横向磁场最大的位置，也就是拱形的顶点位置，在这种磁场位形下弧斑将约束在以这个位置为中心的附近的区域运动。实施例4、5、6中，在磁体的分布确定好以后，电机的带动下产生的磁场的位形是不变的对称拱形，弧斑的轨迹将是有一定半径范围的圆环，为了提高靶材刻蚀均匀性，在具体的工作过程中还需要经常的移动磁体的位置，虽然这些操作比较简单，但还是会对靶材的刻蚀利用造成影响，需要更方便有效的设计突破。从实施例4、5、6可知，多极的拱形磁场耦合可以使弧斑的运动范围扩大一些。如果分布在磁轭上的永磁体为偏置分布的相互平行的n个(n≥3)方体，在电机驱动便在靶面上形成对称分布的动态多拱形(＞4)旋转拱形磁场，会提高靶材的刻蚀均匀性。然而过多的磁体使得安装困难，方形磁体使得产生磁场位形也不封闭和光滑，因此需要新的创新和突破。

本实用新型进一步创新，提出了使弧斑在整个靶面螺旋扫描运动的设计方案。图9(a)-图9(b)是实施例7偏置的N-S-N-S-N五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的示意图。其中，图9(a)是偏置的五极旋转磁控离子镀弧斑控制装置的结构示意图；本实用新型实施例7采用的是和实施例4、5、6相同的离子镀弧斑控制装置结构、靶材底座结构、磁轭结构、安装控制方式。所不同的是在磁轭上的永磁体的类型和分布方式，分布在磁轭上的永磁体为偏置分布的同心的圆柱和圆环，圆环的个数为n(n≥1)个，相邻磁体的极性相反，在驱动电机的带动下产生覆盖整个靶面的以磁轭中心为圆心、磁轭中心到圆环中心距离为半径的拱形磁场包络。同心的圆柱和圆环自身产生一个封闭光滑的拱形磁场，可以约束弧斑的运动，这个封闭的拱形磁场在驱动电机的带动下可以在靶面上作圆形扫描运动，使得弧斑能够在靶面上作快速的螺旋扫描运动。图9(b)是磁场装置中形成偏置的N-S-N-S-N五极磁场分布的三个同心圆柱圆环永磁体在磁轭上的俯视分布及弧斑运动轨迹8的示意图。

本实用新型实施例7利用简单紧凑的结构，通过驱动电机带动在磁轭上偏置分布的形成闭合拱形磁场的同心的圆柱和圆环，可以形成连续的分布整个靶面的拱形磁场包络，永磁体在磁轭上的位置可以整体或者分别调节，以改变拱形磁场包络的分布。通过调节电机的转速可以改变闭合拱形磁场的旋转速度，调节弧斑在靶面上的螺旋扫描运动速度。本实用新型实施例7实现了弧斑在整个靶面的螺旋刻蚀运动，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。本实用新型实施例7结构简单紧凑、安装拆卸容易，更换磁场装置零件无需拆靶，磁体使用时间长，功能多、操作简便、成本低廉，可以广泛的用于科研领域研究旋转拱形磁场对沉积工艺的影响或者在工业领域推广应用。

本实用新型一种新型离子镀弧斑控制装置，突破了传统的静态或准静态的磁场设计以及结构复杂功能少弧斑控制模式单一的设计思路，利用简单紧凑的结构和不同的永磁体分布方式，在靶面形成不同位形结构不同模式的合理的动态旋转磁场位形，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，降低了放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分散的分布在整个靶面上，减少或抑制了靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜。不同的旋转磁场位形结构可以实现对弧斑的不同控制，本实用新型提供了多种有效的磁场位形，实现了一种简单的弧斑控制装置结构多种弧斑控制模式的多功能装置，满足了不同方面的需求，拓展了电弧离子镀的应用范围。

Claims

1、一种离子镀弧斑控制装置，其特征在于：所述离子镀弧斑控制装置设有旋转磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，在靶材底座的后面设有旋转磁场发生装置，旋转磁场发生装置由驱动电机、固定在电机转轴上的磁轭、分布在磁轭上的永磁体组成。

2、按照权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置、靶材、靶材底座三者同轴，靶材、靶材底座为圆形，靶材通过靶材底部外螺纹与靶材底座上的内螺纹壁连接安装于靶材底座上，靶材底部与靶材底座紧密接触，靶材端部为与靶面成向外倾斜角度的靶沿。

3、按照权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：靶材底座采用不导磁的材料制作，靶材底座为空心结构，上层较薄与靶材底部接触，正面置有内螺纹的支撑壁，靶材底座下层较厚，在其边缘对称开有两个水孔，与水孔连接的进水管、出水管和靶材底座上下层之间的空心形成循环冷却水通道；在靶材底座背面两个水孔所在的圆周上均匀分布4个或6个螺杆，旋转磁场发生装置通过螺杆固定在靶材底座的背面。

4、按照权利要求3所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：靶材底座背面的分布在同一圆周的进水管、出水管以及螺杆的外周套有刚性圆筒，靶材底座通过套在圆筒外的绝缘环与套在绝缘环外的环形不锈钢板组成一个整体弧斑控制装置，整个弧斑控制装置通过环形不锈钢边缘的均匀分布的螺纹孔与真空室连接，通过镶在环形不锈钢真空密封槽内胶圈密封。

5、按照权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置通过固定在驱动电机上的支撑架安装在靶材底座背面的螺杆上，与靶材底座同轴，距离可调，驱动电机为直流电机或者交流电机。

6、按照权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置中固定在电机转轴上的磁轭为中间有凹槽或者没有凹槽的方形、多边形或者圆形，磁轭由高磁导率的材料制作；磁轭与永磁体之间形成一个整体的电磁回路，磁轭的大小以不碰到螺杆为宜，磁轭的厚度不受限制。

7、按照权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体形状为方体、圆柱、圆环或者弧形，永磁体在磁轭上的位置可调，永磁体的高度以靠近靶材底座为宜，磁体的长度宽度不受限制，以能够形成较大面积的磁场分布为宜，永磁体为高磁场强度的NbFeB材料；永磁体的分布以能够形成闭合的电磁回路为宜，永磁体的在磁轭上对称分布或者偏置分布。

8、按照权利要求7所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体为相互平行且对称分布的n个方体，n≥2，相邻磁体的极性相反，分别在靶面上形成N-S两极横向磁场、N-S-N三极拱形磁场、N-S-N-S四极叠加拱形磁场或N-S-N-S-N五极叠加拱形磁场，以此类推至更多极叠加拱形磁场；分布在磁轭上的永磁体为在同一圆周上均匀分布的几个方体或者弧形，个数为2n，n≥2，分别在靶面上形成N-S两极横向磁场或者N-S相间的多极磁场。

9、按照权利要求7所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体为中心对称分布的同心的圆柱和圆环，圆柱的个数为1个位于磁轭的中心，圆环的个数为n，n≥1，相邻磁体的极性相反，分别在靶面上形成对称的一个圆环永磁体N-S-N三极拱形磁场或两个圆环永磁体N-S-N-S-N五极叠加拱形磁场，以此类推至更多极叠加拱形磁场，在电机驱动下形成覆盖整个靶面的不同极数的对称旋转拱形磁场。

10、按照权利要求7所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于：旋转磁场发生装置中分布在磁轭上的永磁体为偏置分布的相互平行或者分布在同一圆周上的n个方体或者弧形永磁体或者偏置分布的同心的圆柱和圆环，圆环的个数为n≥1，其他形状的永磁体个数n≥2，相邻磁体的极性相反。