Plc可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備的製作方法

2023-05-16 19:28:16 2

專利名稱：Plc可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及薄膜製備領域，具體地說是一種利用旋轉磁場控制弧斑運動 的脈寬調製疊加調幅的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備,用以改善 弧斑的放電形式，控制弧斑的運動，提高靶材刻蝕均勻性，減少或抑制靶材大顆 粒的發射，用以製備髙質量的薄膜。
背景技術：
電弧離子鍍是工業鍍膜生產以及科學研究中最重要的技術之一，由於其結構 簡單，離化率高(70%-80%),入射粒子能量高，繞射性好，可實現低溫沉積等 一系列優點，使電弧離子鍍技術得到快速發展並獲得廣泛應用，展示出很大的經 濟效益和工業應用前景。
電弧離子鍍是基於氣體放電等離子體物理氣相沉積原理的鍍膜技術。這種技 術依靠在真空鍍膜室中陰極靶材表面上產生的電弧斑點的局部高溫，使作為靶材 的陰極材料瞬時蒸發和離化，產生電離度高而且離子能量大的等離子體，在工件 上加上負電位，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、組織緻密而且結合性好的各種硬質薄膜。
真空電弧的行為由陰極斑點所控制。真空弧光放電實際上是一系列電弧事件， 由於其快速地連續發生，以至於給人運動電弧的印象，陰極斑點及弧根的運動決 定了整個電弧的運動，相鄰弧斑的次第燃起和熄滅構成了弧斑的運動。電弧離子 鍍陰極斑點的尺寸很小(100 200pm2)，電流密度很高(105~107A/cm2),具有非 常髙的功率密度(10"W/m2),因此陰極斑點在作為強烈的電子，金屬原子、離子 和高速(1000m/s)金屬蒸汽發射源的同時，也不斷的噴射金屬液滴(大顆粒)。
電弧離子鍍技術雖然有很多優點，但是由於電弧離子鍍中大顆粒的存在，嚴 重影響了塗層和薄膜的性能和壽命。因此有關如何解決陰極電弧鍍中大顆粒問題 對陰極電弧的發展影響很大，成為後期發展的主要論題，也成為阻礙電弧離子鍍 技術更深入廣泛應用的瓶頸問題。
電弧離子鍍的進一步發展要求在工藝設計中考慮對大顆粒的去處或抑制，目 前應用較多的是磁過濾技術，主要是利用大顆粒與金屬離子質荷比的差別將大顆粒完全阻擋在沉積區外，這種方法雖然可以滿足製備髙質量薄膜的要求，但是磁 過濾技術降低了等離子的傳輸效率，大大降低了沉積速率，同時需要增加額外的 設備，佔用很大的設備空間，結構複雜，不能實現大面積沉積這個工業要求，成 本很高，不利於應用推廣。更重要的是磁過濾技術考慮的是等離子體傳輸過程中 將大顆粒排除掉的方法，是等症狀出現以後用來治標而不治本的方法，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 弧斑的運動速率，降低放電功率在陰極斑點處的集中，使放電功率分布在整個乾 面上，從而減少大顆粒的發射甚至沒有顆粒的發射。
國內外一直在致力於這方面的工作。由於真空電弧的物理特性，外加電磁場 是控制弧斑運動的有效方法，不同磁場分量對弧斑的運動影響規律不同，當施加
平行於陰極靶面的磁場時(橫向磁場，見圖l(a)),電弧斑點做逆安培力的反向運 動(Retrograde motion),也就是運動方向和電流力的方向相反(-I x B ),見圖1 (b )。
弧斑的運動速度和橫向磁場的強度成拋物線關係，因此可以用來提高弧斑的運動
速度。當磁場與陰極表面相交呈一定角度e的時候(尖角磁場，磁感應強度B， 見圖l(c)),則電弧斑點1在反向運動上還疊加一個漂移運動(Robson drift),漂 移運動的方向指向磁力線於陰極靶面所夾的銳角eB區域，這就是銳角法則(Acute angle principle),圖1 (d)。圖l(d)中，。R代表弧斑運動的方向和磁力線與乾面相 交線之間的夾角，eB oR。銳角法則可以用來限制弧斑的運動方向，控制弧斑在 靶面上的出現的位置，此法則對弧斑運動的控制、靶材刻蝕得均勻性非常重要。 上述規律是磁場對弧斑運動影響的基本規律，也是磁場設計必須考慮的規律。
國際上在電弧離子鍍弧源的設計上幾乎都離不開磁場的設計，雖然磁場的形 式多種多樣，但都離不開對這兩種規律的綜合運用。其中應用最多最常見的方式 有俄羅斯弧源和受控弧源結構，這也是國外比較流行兩種電弧離子鄉莫技術。雖 然這些結構可以實現對弧斑的有效控制，限制弧斑的運動軌跡，但是並沒有有效 的改善弧斑的放電形式，達到比較滿意的效果。其中俄羅斯弧源在靶材利用方面
比較有效，但是由於磁場位形與靶材結構的特點，並不能很好的抑制顆粒的發射;
而受控弧源在減少顆粒發射方面也是有限的，因為它們並沒有改變冷陰極弧斑電 弧斑點的放電形式，而且長時間刻蝕會在靶面形成刻蝕軌道，浪費靶材。
所有的磁場設計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 弧斑的運動，禾擁橫向分量提高弧斑的運動速度。 一方面儘可能擴大橫向分量的 面積與強度， 一方面限制弧斑的運動。要達到比較滿意的效果是很困難的。而且 所有的磁場設計都是靜態的或者準靜態的，磁場本身的變化(頻率，速度)對弧斑的影響考慮不多，因此是糹^佳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 一種動態的磁場設 計思路，可以基本實現弧斑在結構簡單的大面積靶材上的均勻刻蝕，這種方法是
靠7乂磁體在靶背後的機械轉動來改變磁場在靶面的分布，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複雜的機械控制機構；同時，磁場的位 性固定、強度難以調解，只是一種機械的運動引起磁場的分布的改變，可調性差， 不能有效地改善弧斑的放電，抑制顆粒的發射；而且涉及到密封、冷卻等諸多問 題，因此難以推廣應用。需要一種創新的、突破限制的、並且有效且易於推廣的 動態旋轉磁場控制的電弧離子鍍設備。
實用新型內容
本實用新型的目的在於突破傳統的靜態或準靜態的磁場設計以及機械式的動 態磁場設計思路，提供一種新型的、可調速調幅的、多模式可編程調製的、旋轉 橫向磁場控制弧斑運動的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備,用以改 善弧斑的放電形式和工作穩定性，控制弧斑的運動軌跡，提高靶材刻蝕均勻性和 靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，用以製備高質量的薄膜以及功能薄膜，拓 展電弧離子鍍的應用範圍。
為了實現上述目的，本實用新型的技術要求是
1. 根據不同磁場分量對弧斑運動的影響規律，為了提高弧斑的運動速度、降 低放電功率在陰極斑點處的集中，本實用新型必須能夠提供可以調解的平行於靶 面的橫向磁場分量。
2. 為了提高弧斑的放電穩定性，保持放電的連續性，提高利用率，本實用新 型必須能夠保持弧斑在靶面內運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，本實用新型必須能夠使得弧斑在 整個草巴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耙 面上，本實用新型必須能夠提供儘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，不降低沉積速率和沉積均勻性，本實用新型 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，本實用新型提出了控制弧斑運動的可調速調幅、多模式 可編程調製、PLC可控的旋轉橫向磁場的設計思路。 本實用新型的技術原理是
通過設計一種合理的旋轉磁場結構，在靶面形成合理的旋轉磁場位形，旋轉 磁場在運動過程中，會對陰極斑點前的空間電荷層，離子云的分布進行作用，使得離子云的密度最大處(弧斑存在或者重燃的關鍵)隨著磁場的分布而分布，運 動而運動，從而使得弧斑的位置也發生同步的改變。在磁場的頻率，強度達到一 定的程度時，有可能實現離子云在整個靶面的均勻分布，使具有陰極斑點的分立 式的電弧轉變為分布式的電弧。 旋轉磁場的設計原理是
一般情況下，在空間相差一定均勻角度的幾個(4n或者3n， n》l)磁極，且磁 極上裝有幾(2或者3 )組勵磁線圈繞組，當勵磁線圈中通過幾組相差一定相位(90 °或者120° )的勵磁電流時，這幾個磁極所包圍的空間內就會產生旋轉的磁場， 如圖2;其中，圖中的U、 U1、 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。磁場的形態由勵磁線圈的安裝位置決定，磁場的旋轉頻率取決於勵磁線圈 的勵磁轉換頻率，而場強的大小則由勵磁電流的大小來調節。
根據上述原理，本實用新型的技術方案是
一種PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備,該電弧離子鍍設備設有 靶材、旋轉磁場裝置、電磁線圈、絕緣套、法蘭、真空室、基體夾座，真空室內 設置基體夾座、靶材，靶材正面與基體夾座相對，靶材背面設有電磁線圈，置於 真空室外的旋轉磁場發生裝置套在圍繞於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。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，法蘭套或者爐體管道 釆用不導磁的不鏽鋼製作，法蘭套或者爐體管道為空心結構，通冷卻水保護；旋 轉磁場發生裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材三者之間同軸，旋轉磁場發生裝置 在法蘭套或者爐體管道上的位置可調。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，旋轉磁場發生裝置為 釆用相差一定均勻角度、相互連接在一起的幾個磁極均勻布在同一圓周上，磁極 數量為4n或者3n， n>l，形成一個整體的電磁迴路骨架，勵磁線圈套在磁極上 或者嵌在相鄰磁極之間的槽隙內，釆用相位差90。的兩相或者相位差120。的三 相勵磁順序供電，在磁極包圍的空間內產生可調旋轉磁場。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備,旋轉磁場發生裝置為 磁極均勻的分布在圓形封閉的主體導磁通道上，形成一個整體的電磁迴路骨架， 骨架的材料用高磁導率的材料電工純鐵或者疊加的衝壓矽鋼片製作，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； 疊加的衝壓矽鋼片製作的骨架釆用鐵損小、導磁性能好、厚度為0.35~0.5mm的 矽鋼片衝槽疊壓而成，矽鋼片的表面塗有絕緣漆，內圓表面衝有均勻分布的槽，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PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備,勵磁線圈套在磁極上
時勵磁線圈分為兩組，磁極數量為4n， n>l,相對的勵磁線圈為一組，同組的 勵磁線圈串聯成一個導電迴路，同組相對的勵磁線圈的電流同向或者反向；或者， 勵磁線圈分為三組，磁極數量為3n， n>l，相對的勵磁線圈為一組，同組的勵磁 線圈串聯成一個導電迴路，同組相對的勵磁線圈的電流反向。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，兩組或者三組的勵磁 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；兩組勵磁線圈的一端接到兩相勵磁電流的公共端，兩相勵磁電流通過單相電 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PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，嵌在相鄰磁極之間槽 隙內的勵磁線圈，按電機定子繞組分布規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內，繞組的 勵磁電流釆用相位差為120°的三相交流電源激勵,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 產生不同極數和形態的旋轉磁場。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，旋轉磁場發生裝置 中，電流的頻率，大小以及^^通過PLC可編程控制器控制變頻器進行調解，電 壓的大小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生速度可調、強 度可調的多模式可編程調製的旋轉橫向磁場，速度通過勵磁電流頻率調解，強度 通iti磁電流大小調解，運行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進行調解。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，通過PLC可編程控 制器控制變頻器調解，使旋轉橫向磁場以PLC編程所設定的程序運行；使旋轉橫 向磁場在不同的時間階段以不同的速度程式運行；使旋轉橫向磁場以固定的旋轉 速度、強度運行；或者，以單次加速減速模式運行；或者，以循環模式運行。
所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備,基體夾座背面設置聚 焦線圈，聚焦線圈釆用QZY-2高溫漆包線製作，絕緣材料釆用F或者H級耐高 溫材料。
本實用新型的PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置有以下特點 1.本實用新型的旋轉磁場的產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(4n， n》l或者3n, n》)磁極(高磁導率 材料)均勻分布在同一圓周上，並對套在磁極上或者嵌在相鄰磁極之間的槽隙內的勵磁線圏(繞組)釆用兩相(相位差90。)交流或者三相(相位差120。)交流
勵磁順序供電，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
行調解，電壓的大小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生速
度可調、強度可調、多模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫向磁場，速度通iii 磁電流頻率調解，強度通iti磁電流大小調解，運行模式通過PLC可編程控制器 以及變頻器進行調解。本實用新型通過可調速調幅、多模式可編程調製、PLC可 控的旋轉橫向磁場控制弧斑的運動，可以改善弧斑的放電形式和工作穩定性，提 髙靶材刻蝕均勾性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，用以製備高質量的薄 膜以及功能薄膜，拓展電弧離子鍍的應用範圍。
旋轉磁場的形態由勵磁線圈和磁極(骨架)的安裝位置決定，本實用新型的 磁極之間連接在一起形成整體的磁路通道，旋轉磁場發生裝置套在圍繞於靶材之 外的法蘭套或者爐體管道丄勵磁線圈可以套在磁極上(主要對於極數較少的設 計)或者按照一定規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內形成各種布線形式的繞組。不 同的方式的旋轉磁場發生裝置具有不同的特點，可根據現有條件選擇。
2. 本實用新型的旋轉磁場發生裝置外觀為圓形或者方形，放置於靶材的周 圍，與靶材同軸，磁場有效區域圍繞靶面，裝置放置於真空室外、套在圍繞於靶 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. 本實用新型的旋轉磁場發生裝置的磁極個數是4n或者3n(n》l)個，磁極 對稱均勻的分布在連接磁環上，磁極與磁環形成一個整體的電磁迴路骨架，骨架 的材料用高磁導率的材料(電工純鐵或者疊加的衝壓矽鋼片)製作，骨架的大小
(內徑，外徑，磁極的大小)根據靶材尺寸、磁極個數和安裝方式設計，骨架的 厚度不受限制，以能夠產生有效地磁場區域為好。旋轉磁場發生裝置的磁極的尺 寸根據個數及旋轉磁場發生裝置與法蘭之間的空間大小決定。
4. 本實用新型的旋轉磁場發生裝置的勵磁線圈可以套在磁極上(對於極數較 少，空間允許的情況)或者按電機定子繞組分布規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內
(對於極數較多的情況， 一般為6n, n>2)。對於極數較多的骨架一般採用鐵損 小、導磁性能好、厚度為035~0.5mm的矽鋼片衝槽疊壓而成，矽鋼片的表面塗 有絕緣漆，內圓表面衝有均勾分布的槽，繞組線圈嵌放在槽中。槽形有開口、半 開口、半閉口等形式。
5. 對於勵磁線圈套在磁極上的情況，線圈分為兩組(對於磁極個數為4n, n > 1情況)或者三組(對於磁極個數為3n, nM情況)，相對的線圈為一組，同組的 線圈串聯成一個導電迴路。同組相對的線圈的電流同向或者反向(對於分為三組的線圈只有反向)，但必須保證不同組的串聯方式一樣，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(對於分為三組的線圈都是反向)。兩組或者三組 的勵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；對於按電機定子繞組分布規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內情況，繞組
的勵磁電流釆用相位差為120°的三相交流電源激勵；交流電的波形不受限制。 分為三組的線圈和嵌在槽隙內繞組可以用Y型或者A (三角形)接法。
6. 本實用新型的旋轉磁場發生裝置的勵磁線圈採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、匝數不 受限制，根據空間允許製作，線圈的厚度小於磁極的長度。嵌在磁極槽中的繞組 線圈可以單根或者並繞嵌線，繞組的線徑、大小、匝數不受限制，以在槽內固定 不鬆動為好。線圈與骨架之間通過絕緣保護。
7. 本實用新型的旋轉磁場發生裝置位置可以調解，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行調解，電壓的大小通過調壓器輔助調 解，在磁極包圍的空間內、耙面上產生速度可調、強度可調、多模式可編程調製 的PLC可控旋轉橫向磁場，速度通iti磁電流頻率調解，強度通iti磁電流大小 調解，運行模式通過PLC可編程控制器以及變頻器進行調解。
8. 本實用新型的旋轉磁場發生裝置通過PLC可編程控制器控制變頻器調解， 可以使旋轉橫向磁場以PLC編程所設定的程序運行；可以使旋轉橫向磁場在不同 的時間階段以不同的速度程式運行，可以使旋轉橫向磁場以固定的旋轉速度、強 度運行，或者以單次加速減速模式運行，或者以循環模式運行。
9. 對於按電機定子繞組分布規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內情況，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式、交叉式、 同心式以及疊式等。不同的嵌線方式可以產生不同極數和形態的旋轉磁場。
10. 本實用新型旋轉磁場發生裝置套在圍繞於靶材之外的法蘭套或者爐^^管 道上，與法蘭套或者爐體管道之間通過絕緣保護，法蘭套或者爐體管道釆用不導 磁的不鏽鋼製作，法蘭套或者爐體管道為空心結構，通冷卻7K保護。旋轉磁場發 生裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材三者之間同軸，旋轉磁場發生裝置在法蘭套 或者爐體管道上的位置可調。
本實用新型具有以下優點
1、本實用新型突破了傳統的靜態或準靜態的弧源磁場設計以及機械式的動態 磁場設計思路，提供了一種新型的、可調速調幅的、多模式可編程調製的、旋轉 橫向磁場控制弧斑運動的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，實現了改善弧斑的放電形式和工作穩定性，控制弧斑的運動軌跡和速度，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射，滿足了製備高質量的薄膜以 及功能薄膜的需求，拓展了電弧離子鍍的應用範圍。
2、 本實用新型的PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置的實現形式和方案豐富, 按電機定子繞組分布規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內的線圏的嵌線方式多，能夠 製作出不同極數、不同形態的旋轉磁場，實現控制弧斑運動的多掙眭，為探索電 弧離子鍍新的應用和開發不同結構的弧源裝置提供了方便。
3、 本實用新型的PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置能夠提供覆蓋整個乾面 的旋轉橫向磁場，結合一定幾何結構的靶材，可以實現弧斑保持在靶面內運動而 不會跑到靶面外造成熄弧的同時，使得弧斑在整個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 個靶面上，實現了分布式電弧放電，突破了傳統電弧離子鍍的磁場結構缺點和應 用的限制，取得了新的進展和各種可能性。
4、 本實用新型的PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置通過一套PLC可編程控 制器控制的調頻調壓控制電源供電，電流頻率、大小和t^可進行編程調製，提 供了旋轉速度和大小都可單獨或者協和的調解，並且以多種模式運行的旋轉磁場, 為控制弧斑的運動提供了多種可能性。
5、 本實用新型中放置於真空室外的PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置位置 可調，法蘭通冷卻水保護避免了髙溫的限制。旋轉磁場發生裝置與法蘭之間獨立 製作，安裝拆卸容易，用的時候只需套上即可。
6、 本實用新型的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備配合施加在 樣品上脈衝偏壓、樣品附近的用於增加離子密度的聚焦磁場共同使用，可以擴大 調節參數的範圍，為製備不同性能的薄膜提供條件。同時，可以通過調節參數達 到製備高質量薄膜的要求。
7、 本實用新型的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備的旋轉磁場 發生裝置成本低廉，外形美觀，操作簡便，通用性強，控制可靠，參數可調範圍 大，易於科研領域和工業生產的推廣應用。


圖1 (a)-圖1 (d)是不同磁場分量對弧斑運動的影響示意圖。其中，圖1 (a)為施加平行於陰極靶面的橫向磁場；圖1 (b)為橫向磁場對弧斑的運動的 影響(反向運動)；圖1 (c)為施加與陰極表面相交呈一定角度尖角磁場；圖1 (d) 為尖角磁場對弧斑的運動的影響(尖角法則)。 圖2為產生旋轉磁場的原理示意圖。圖3(a)-圖3(c)是實施例1中PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍沉積設 備及繞組嵌線分布示意圖。其中，圖3(a)為PLC可控的旋轉橫向磁場輔助的電弧 離子鍍沉積設備示意圖；圖3(b)為旋轉磁場發生裝置的繞組嵌線分布示意圖；圖 3(c)為旋轉磁場發生裝置的繞組接線示意圖。
圖4(a)-圖4(b)是實施例l旋轉磁場發生裝置的示意圖。其中，圖4(a)是旋轉 磁場發生裝置、法蘭套與靶材三者之間形成的夾心結構示意圖；圖4(b)是圖4(a) 的側視圖。
圖5是實施例2中PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍沉積設備示意圖。
圖6是兩相旋轉磁場發生裝置的控制電路示意圖。
圖7 (a)-圖7 (b)是實施例3中PLC可控的旋轉橫向磁場控制的電弧離子 鍍弧源的示意圖。其中，圖7(a)為旋轉磁場發生裝置示意圖；圖7(b)為旋轉 磁場發生裝置與靶材之間位置的示意圖。
圖8 (a)-圖8 (d)是實施例3旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同時 刻的瞬態磁場分布模擬圖。
圖9是實施例4中PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置示意屈。
圖10 (a)-圖10 (d)是實施例4旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同 時刻的瞬態磁場分布模擬圖。
圖11是實施例5中PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置示意圖。
圖12 (a)-圖12 (d)是實施例5旋轉磁場發生裝置在半個電流周期內不同 時刻的瞬態磁場分布模擬圖。
圖13 (a)-圖13 (b)是實施例6、 7中PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置 的示意圖。其中，圖13 (a)為旋轉磁場發生裝置的骨架示意圖；圖13(b)為旋 轉磁場發生的原理示意圖。
圖14 (a)-圖14 (b)是實施例6、 7旋轉磁場發生裝置的繞組嵌線分布示意 圖。其中，圖14 (a)為實施例6的24槽2極單層同心式繞組布接線圖；圖14 (b)為實施例7的24槽4極單層鏈式繞組布接線圖。
圖15 (a)-圖15 (f)是實施例6旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同 時刻的瞬態磁場分布模擬圖。
圖16是三相旋轉磁場發生裝置的控制電路示意圖。
圖17(a)-圖17(b)是旋轉橫向磁場下弧斑的運動軌跡示意圖；其中，圖17(a) 弧斑的螺旋擴展運動軌跡；圖17(b)弧斑的螺旋收縮運動軌跡。
圖18是旋轉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)是實施例7旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同
時刻的瞬態磁場分布模擬圖。
圖中，l電弧斑點；2靶材；3法蘭；4磁極；5線圈；6旋轉磁場發生裝置; 7槽隙；8弧斑運動軌跡；9出水管；10引弧線圈；11出水口； 12進水口； 13 電磁線圈；14鍍鎳純鐵；15進水管；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。
具體實施方式
下面通過實施例以及旋轉磁場的分布圖對本實用新型作進一步詳細說明。 實施例1:
電弧離子鍍有一個重要的特點就是弧斑放電在其附近形成高溫區，同時會輻 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， 因此在進行弧源設計的時候如果把思路局限於真空室內有限的空間內將很難突 破。特別對於控制弧斑運動的旋轉磁場設計，將旋轉磁場發生裝置放置於真空室 內靶材周圍的話，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，但是對於工業生產需要大面積沉積，長期工作的情況下，將 會受到限制。面對更廣泛簡單的應用，需要新的創新和突破。
圖3(a)- 3 (c)是本實用新型實施例1中PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離 子鍍沉積設備示意圖。可以清楚地看出旋轉磁場發生裝置、法蘭套與靶材之間的 位置關係，而且三者獨立製作，安裝拆卸容易，用的時候只需套上即可。具體結 構如下
電弧離子鍍沉積設備主要包括靶材2、旋轉磁場裝置6、出水管9、引弧線圈 10、出水口 11、進水口 12、電磁線圈13、鍍鎳純鐵14、進水管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內設置基體夾 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背面設有電 磁線圈13，在電磁線圈13中間安裝鍍鎳純鐵14,循環水通過進水口 12、出水口 11進行循環，對靶材2進行冷卻，鍍鎳純鐵14與電磁線圈13安裝於冷卻水內； 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 接觸進行引弧；旋轉磁場發生裝置6套在圍繞於靶材2之外的法蘭3上，法蘭3 通過進水管15、出水管9進行冷卻水循環；旋轉磁場發生裝置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，本實用新型實施例1中的旋轉磁場發生裝置6的骨 架有24個磁極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 釆用不導磁的不鏽鋼製作，法蘭3為空心的管狀結構，外徑和靶材2底座的外徑一致，內徑和真空室管道的內徑一致，法蘭3通冷卻水保護。將旋轉磁場發生裝
置6套在圍繞於靶材2之外的法蘭3上，與法蘭套之間通過絕緣保護。旋轉磁場 發生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，形成如圖4(a)所示的夾心結構，旋轉磁 場發生裝置在法蘭套上的位置可調。
本實用新型實施例1釆用旋轉磁場發生裝置的骨架結構，骨架內徑230mm, 外徑310mm，厚度70mm。骨架釆用鐵損小、導磁性能好、厚度為0.35mm的矽 鋼片衝槽疊壓而成,矽鋼片的表面塗有絕緣漆，內圓表面衝有均勻分布的24個槽， 繞組線圈嵌放在槽中，槽形為半閉口。本實用新型實施例l釆用繞組嵌線的形式 是24槽4/2極A/2Y(y^0)雙速繞組的分布規則，嵌線釆用的是雙層交疊法，如圖 3(b)所示。本實施例1繞組是倍極比正規分布、A/2Y接法的雙速繞組。每相由2 個六聯組構成，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極時所有線圈極性相同，並用一路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極旋轉磁場時，三相中 間抽頭的端線2U、 2V、 2W空置不接，電源從4U、 4V、 4W進入；釆用4極旋 轉磁場時，則將4U、 4V、 4W連成星點，接為2Y,電源從2U、 2V、 2W接入。 由於磁場發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，釆用兩根並繞，每個線圈為20匝，雙層交疊的嵌線，分為 六個相組。釆用本實用新型實施例l所用的繞組規則能夠在同一裝置實現兩種形 態的旋轉磁場，雙速繞組還可以釆用8/2極，6/4極，8/4極，8/6極，12/4極，12/6 極，16/4極等方法，不同方法所需的骨架槽數會有所不同，根據具體的需要製作。
供電釆用附圖16所示的三相旋轉磁場發生裝置的控制電路。三相正弦交流勵 磁電流通過PLC可編程控制器控制變頻器進行調解，電壓的大小通過調壓器輔助 調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生相位差為120° ,速度可調、強度可調、 多模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫向磁場，體通iti磁電流頻率調解，強 度通過勵磁電流大小調解，運行模式通過PLC可編程控制器及變頻器進行調解。
繞組可以釆用Y型或者A接法，剩佘的三個接頭通過頻率可調，幅值可調、 相位差為120。的多模式PLC可編程調製交流電供電，通過調解就可以得到速度 可調，強度可調、均勻、多模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫向磁場，從而實 現對弧斑的有效控制。通過PLC可編程控制器控制變頻器調解，可以使旋轉橫向 磁場以PLC編程所設定的程序運行；可以使旋轉橫向磁場在不同的時間階段以不 同的速度程式運行，可以使旋轉橫向磁場以固定的旋轉速度、強度運行，或者以 單次加速減速模式運行，或者以循環模式運行。
本實用新型的磁場發生裝置也與靶材同軸，產生的磁場完全覆蓋並且平行於
14整個靶面，也就是磁場是均句的完全覆蓋耙面的平行於靶面的旋轉橫向磁場(2極 或者4極)。橫向磁場在不斷的旋轉，而且速度、強度大小以及運行模式可以調節，
能夠使弧斑在整個靶面上螺旋運動，圖17(a)-圖17(b)是旋轉橫向磁場下弧斑的運 動軌跡示意圖；其中，圖17(a)弧斑的螺旋擴展運動軌跡(弧斑運動軌跡8);圖 17(b)弧斑的螺旋收縮運動軌跡(弧斑運動軌跡8 )，分別對應與旋轉磁場的前半周 和後半周。弧斑運動的速度可以由磁場的旋轉速度和磁場的大小調節控制。本實 用新型實現了弧斑在整個耙面的刻蝕運動，提高了靶材刻蝕均勻性和利用率。同 時，有效地改善了弧斑的放電形式，如果控制得當，可以實現新的放電形式，有 效地分散了放電的集中，減少了液滴大顆粒的發射。
本實用新型所用的靶材結構具有一定的靶沿，產生的旋轉橫向磁場會與靶沿 相交，形成指向靶面的銳角，圖18是旋轉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動的影響規律(銳角法 則)可知，弧斑將會被限制在乾面內而不至於跑到靶面外造成滅弧。因此，本實 用新型的綜合作用滿足了靶材利用，弧斑放電以及應用的各種要求。同時由於磁 場發生裝置放置於真空室外，加上法蘭通冷卻水保護，避免了電弧高溫以及真空 室內有限空間的限制，而且其位置可調，所以能夠獲得更大的調節範圍，滿足更 廣泛的應用需求。本實用新型實施例1可以廣泛的應用於科學研究和工業生產的 需要提高薄膜質量以及有效控制弧斑運動的各個領域，是目前我們正在實施並且 準備推廣的實用新型實施例。
實施例2:
由於電弧離子鍍主要靠靶面上的陰極斑點的放電來沉積所需薄膜的，因此是 一種點狀源，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。實施例2與實施例1相同，不同的是在基體夾座背後附近施加一聚焦磁 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是實施例2中PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍沉積設 備示意圖。具體結構如下
電弧離子鍍沉積設備主要包括靶材2、旋轉磁場裝置6、出水管9、引弧線圈 10、出水口 11、進水口 12、電磁線圈13、鍍鎳純鐵14、進7jt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 內設置基體夾座21、靶材2、引弧針18，靶材2正面與基體夾座21相對，靶材2 背面設有電磁線圈13,在電磁線圈13中間安裝鍍鎳純鐵14，循環水通過進水口 12、出水口 ll進行循環，對靶材2進行冷卻，鍍鎳純鐵14與電磁線圈13安裝於 冷卻水內；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接觸進行引弧;旋轉磁場發生裝置6套在圍繞於靶材2之外的法蘭3上, 法蘭3通過進水管15、出水管9進行冷卻水循環；旋轉磁場發生裝置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 背面設置聚焦線圈17，用於提高等離子在空間的分布和傳輸效率。
實施例2在實現實施例1功能的同時，可以提高等離子在空間的分布和傳輸 效率，進一步提高沉積速率和沉積均勾性，控制離子向基體運動的軌跡，是一種 綜合性能比較好的實施例，可滿足不同的需求。本實用新型實施例2可以廣泛的 應用於科學研究製備功能薄膜和工業生產的需要提高薄膜質量及沉積速率和均勻 性的各^4頁域。
下面通過實施例以及旋轉磁場的分布圖對本實用新型中所用的旋轉磁場控制 的電弧離子鍍弧源及磁場發生裝置作進一步詳細說明。 實施例3:
與實施例l或2不同之處在於
圖7 (a)-圖7 (b)是實施例3中PLC可控的旋轉橫向磁場控制的電弧離子 鍍弧源的示意圖。其中，圖7 (a)為旋轉磁場發生裝置6示意圖。實施例3是兩 相電控制的旋轉磁場發生裝置，四個磁極4均勾的分布在圓形封閉的主體導磁通 道上，形成一個整體的電磁迴路骨架，磁極的形狀為方形或者圓形，大小根據主 體導磁通道與革巴材2之間的空間的大小決定，骨架的材料用高磁導率的材料(電 工純鐵或者疊加的衝壓矽鋼片)製作。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)為旋轉磁場發生裝置6與靶材2之間位置的示 意圖。旋轉磁場發生裝置6與靶材2同軸放置，位置可以調解，以在靶面形成有 效的旋轉磁場區域為宜。
本實用新型實施例3四個線圈5安裝在四個磁極4上，形狀和磁極的形狀一 致，線圈的線徑、大小、匝數不受限制，根據空間允許製作，線圈的厚度小於磁 極的長度，線圈與骨架之間通過絕緣保護。相對的磁極和線圈為一組，同組的線 圈串聯成一個導電迴路，使得同組相對的線圏的電流同向或者反向(對應不同的 磁場分布)，但必須保證不同組的串聯方式一樣，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所示的兩相旋轉磁場發生裝置的控制電路， 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 進行調解，電壓的大小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生 相位差為90° ,速度可調、強度可調、多模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫 向磁場，速度通過勵磁電流頻率調解，強度通過勵磁電流大小調解，運行模式通 過PLC可編程控制器以及變頻器進行調解。幅值可調的兩相電。兩組線圈的一端接到兩相勵磁電流的公共端。通過調解就可以得到速度可調，強度可調的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)。從而實現對 弧斑的有效控制。
圖8 (a)-圖8 (d)是實施例3旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同時 刻的瞬態磁場分布模擬圖。圖中是2極磁場，可以看出磁場隨著電流的周期變化 不斷的在進行旋轉。但是磁場的分布也是不均勾的，某些時刻磁極處的磁場強度 大於耙材中心的磁場強度，而且不同時刻磁場的形態不同，但這種旋轉磁場發生 裝置產生的旋轉磁場與靶面平行，形成覆蓋靶面的旋轉橫向磁場，只是橫向磁場 分布不均勾，形態多變。可以用於科研領域研究分布不均的旋轉橫向磁場對沉積 工藝的影響或者要求不高的工業領域。
實施例4:
與實施例l或2不同之處在於
圖9是本實用新型的實施例4中PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置示意圖。 實施例4也是兩相電控制的旋轉磁場發生裝置，八個磁極4均勻的分布在圓形封 閉的主體導磁通道上，形成一個整體的電磁迴路骨架。磁極的形狀、大小、骨架 的材料、旋轉磁場發生裝置骨架與靶材之間的位置等都與實施例3相同。旋轉磁 場發生裝置6與靶材2也是同軸放置，位置可以調解，以靶面形成有效的旋轉磁 場區域為宜。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。 線圈的線徑、大小、H數、材料、形狀、絕緣保護的要求和實施例3相同。
與實施例3不同的是有八個線圈5安裝在八個磁極4上，線圈與骨架之間通 過絕緣保護。相鄰的兩個磁極和線圈(八個磁極和線圈分成4對)串聯在一起， 使得線圈的電流同向，產生同樣極性的磁場。4對磁極和線圈分為兩組，相對的2 對磁極和線圈為一組，同組的線圈串聯成一個導電迴路，使得同組相對的線圈的 電流同向或者反向(對應不同的磁場分布)，但必須保證不同組的串聯方式一樣, 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。同樣採用圖6所示的 兩相旋轉磁場發生裝置的控制電路，兩相正弦交流勵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行調解，電壓的大 小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生相位差為90。，速度 可調、強度可調、多模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫向磁場，速度通過勵磁 電流頻率調解，強度通過勵磁電流大小調解，運行模式通過PLC可編程控制器以 及變頻器進行調解。兩組線圈的一端接到兩相勵磁電流的公共端。通過調解就可 以得到速度可調，強度可調的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)，從而實現對弧斑的有效控制。圖10 (a)-圖10 (d)是實施例4旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同 時刻的瞬態磁場分布模擬圖。圖中是2極磁場，可以看出磁場隨著電流的周期變 化不斷的在進行旋轉。而且與實施例3不同的是磁場的分布比較均勻，磁極處的 磁場強度和靶材中心的磁場強度相差不大，不同時刻磁場的形態基本相同，實施 例4旋轉磁場發生裝置產生的旋轉磁場也與靶面平行，形成覆蓋靶面的旋轉橫向 磁場，橫向磁場分布比較均勻，如果尺寸做的比較大、使得靶材位於均勻的橫向 磁場區域中，就可以產生比較均勻的覆蓋靶面的旋轉橫向磁場。可以用於科研領 域研究旋轉橫向磁場對沉積工藝的影響或者某些工業領域。
實施例5:
與實施例l或2不同之處在於
圖11是本實用新型實施例5中PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置的示意圖。 與實施例3、 4不同，實施例5是三相電控制的旋轉磁場發生裝置。實施例5有六 個磁極均句的分布在圓形封閉的主體導磁通道上，形成一個整體的電磁迴路骨架。 磁極的形狀、大小、骨架的材料、旋轉磁場發生裝置骨架與靶材之間的位置等都 與實施例3相同。旋轉磁場發生裝置6與靶材2也是同軸放置，位置可以調解， 以靶面形成有效的旋轉磁場區域為宜。磁極4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、材料、形狀、絕緣保護的要求 和實施例3相同。
與實施例3不同的是有六個線圈5安裝在六個磁極4上，線圈與骨架之間通 過絕緣保護。相對的磁極和線圈為一組，六個磁極和線圈分為三組，同組的線圈 串聯成一個導電迴路，使得同組相對的線圏的電流反向，產生極性相反的磁場， 不同組的串聯方式一樣，也就是不同組的相對的線圏的電流方向反向。三組線圈 可以釆用Y型或者A接法，剩餘的三個接頭通過PLC可編程控制器控制變頻器 進行調解，電壓的大小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生 相位差為120。，速度可調、強度可調、模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫向 磁場，速度通過勵磁電流頻率調解，強度通過勵磁電流大小調解，運行模式通過 PLC可編程控制器以及變頻器進行調解。
圖12 (a)-圖12 (d)是實施例5旋轉磁場發生裝置在半個電流周期內不同 時刻的瞬態磁場分布模擬圖。可以看出，圖中是2極磁場，磁場隨著電流的周期 變化不斷的在進行旋轉。而且與實施例3、 4不同的是磁場的分布更加均勻，特別 是在旋轉磁場發生裝置的中心、靶材的位置，磁場形態幾乎不變，分布均勻。實 施例5旋轉磁場發生裝置產生的旋轉磁場與靶面平行，形成覆蓋靶面的均勻的旋 轉橫向磁場。可以用於科研領域研究旋轉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領域。 實施例6:
與實施例l或2不同之處在於
分析比較實施例3、 4、 5的旋轉磁場模擬結果，可以看出旋轉磁場發生裝置 的磁極數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，產生 的旋轉磁場也越均勻。採用相位差為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生的旋轉磁場均勻，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，使得產生的旋轉磁場 形態多變、不均勻。相位差為120°的三相正弦交流電可以直接取於電網，分布 對稱，滿足了產生均勻旋轉磁場的條件。
本實用新型進一步創新，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)旋轉磁場發生裝置的設計思路並付諸於實踐。對於極 數比較多的情況，釆用纏繞線圈套在磁極上的方案是不可行的，必須釆用按電機 定子繞組分布規律嵌在相鄰磁極之間的槽隙內。
圖13 (a)是實施例6中PLC可控的旋轉橫向磁場發生裝置示意圖。旋轉磁 場發生裝置6與靶材2也是同軸放置，位置可以調解，以靶面形成有效的旋轉磁 場區域為宜。本實用新型實施例6中的旋轉磁場發生裝置的骨架有24個磁極4 和槽隙7。骨架一般釆用鐵損小、導磁性能好、厚度為0.3545,的矽鋼片衝槽 疊壓而成，矽鋼片的表面塗有絕緣漆，內圓表面衝有均勻分布的槽，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 端部形狀可以採用鏈式、交叉式、同心式以及疊式等。不同的嵌線方式可以產生 不同極數(2、 4、 6， 8極)和形態的旋轉磁場。圖14 (a)-圖14 (b)分別為兩 種不同的繞組嵌線方式。本實用新型實施例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 一極相組內繞組由節距不等的數個大小線圈組成， 極相組內的各個線圈環繞著同一圓心。圖16是三相旋轉磁場發生裝置的控制電路 示意圖。三相正弦交流勵磁電流通過PLC可編程控制器控制變頻器進行調解，電 壓的大小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空間內、靶面上產生相位差為120 ° ,速度可調、強度可調、多模式可編程調製的PLC可控的旋轉橫向磁場，速度 通過勵磁電流頻率調解，強度通過勵磁電流大小調解，運行模式通過PLC可編程 控制器及變頻器進行調解。繞組可以釆用Y型或者A接法，剩餘的三個接頭通過 頻率可調，幅值可調、相位差為120°的三相交流電供電，通過調解就可以得到速度可調，強度可調、均勻的PLC可控的旋轉橫向磁場，從而實現對弧斑的有效 控制。
圖13 (b)為旋轉磁場發生的原理示意圖。可以看出當三相繞組中通入三相 對稱電流時，在旋轉磁場發生裝置的骨架內就會產生一個旋轉磁場，當三相對稱
電流完成一個周期(對2極磁場而言)的變化時，它們所產生的合成磁場在空間
也就旋轉了一周。顯然，三相電流隨時間周而復始的變化，而由三相電流所產生 的合成磁場也就在不停的旋轉。
圖15 (a)-圖15 (f)是實施例6旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同 時刻的瞬態磁場分布模擬圖。可以看出隨著電流周期性的變化，在骨架的空間內 可以產生非常均勻、形態不變的旋轉磁場。而且由於本實用新型的旋轉磁場發生 裝置與靶材同軸，產生的磁場完全覆蓋並且平行於整個乾面，也就是該磁場是均 勻的完全覆蓋靶面的平行於靶面的旋轉橫向磁場。由不同磁場對弧斑的影響規律 可知，橫向磁場可以使弧斑做逆安培力的反向運動，由於本實用新型實施例6中
的橫向磁場在不斷的旋轉，而且速度和強度大小可以調節，因此能夠使弧斑在整 個乾面上螺旋運動，圖17(a)-圖17(b)是旋轉橫向磁場下弧斑的運動軌跡示意圖； 其中，圖17(a)弧斑的螺旋擴展運動軌跡(弧斑運動軌跡8);圖17(b)弧斑的螺旋 收縮運動軌跡(弧斑運動軌跡8),分別對應與旋轉磁場的前半周和後半周。弧斑 運動的速度可以由磁場的旋轉速度和磁場的大小調節控制。本實用新型實現了弧 斑在整個耙面的刻蝕運動，提髙了靶材刻蝕均勻性和利用率，同時，有效地改善 了弧斑的放電形式，如果控制得當，可以實現新的放電形式，有效地分散了放電 的集中，減少了液滴大顆粒的發射。
本實用新型所用的靶材結構具有一定的靶沿，產生的旋轉橫向磁場會與靶沿 相交，形成指向靶面的銳角，圖18是旋轉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動的影響規律(銳角法 則)可知，弧斑將會被限制在靶面內而不至於跑到靶面外造成滅弧。因此，本實 用新型的綜合作用滿足了靶材利用，弧斑放電以及應用的各種要求。
本實用新型實施例6的旋轉磁場發生裝置與靶材同軸，磁場有效區域圍繞靶 面。本實用新型實施例6的旋轉磁場發生裝置磁極4和槽隙7個數為6n(n》2)個， 本實施例為24個。本實用新型實施例6的繞組線圈可以單根或者並繞嵌線，繞組 的線徑、大小、匝數不受限制，以在槽內固定不鬆動為好。線圈與骨架之間通過 絕緣保護。置於真空室外的旋轉磁場發生裝置沒有限制。本實用新型實施例6的 旋轉磁場發生裝置位置可以移動。旋轉磁場發生裝置套在圍繞於靶材之外的法蘭 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，法蘭套或者爐體管道釆用不導磁的不鏽鋼製作，法蘭套或者爐體管道為空心結構，通冷卻水保護。 旋轉磁場發生裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材三者之間同軸，旋轉磁場發生裝 置在法蘭套或者爐體管道上的位置可調。
本實用新型實施例6可以廣泛的應用與科學研究和工業生產的需要提高薄膜 質量以及有效控制弧斑運動的各個領域。
實施例7:
與實施例l或2不同之處在於
與實施例6相同，釆用同樣的旋轉磁場發生裝置的骨架結構，如圖13(a)所 示，同樣的材料(骨架、線圈、絕緣)要求，同樣的供電方式和控制電路，同樣 的安裝方式等。所不同的是實施例7釆用附圖14(b)所示的24槽4極單層鏈式繞 組布接線法，繞組是由具有相同寬度和形狀的單層線圏組成，其端部如套取得端 環。由於不同的嵌線方式會形成不同形態的磁場，圖19 (a)-圖19 (f)是實施 例7旋轉磁場發生裝置在一個電流周期內不同時刻的瞬態磁場分布模擬圖。可以 看出，本實施例7產生的是一個可調速調幅的旋轉的4極磁場，磁場分布內疏外 密，形態不變，完全覆蓋於整個靶面並且與靶面平行，只是在靶面的分布是內疏 外密的旋轉橫向磁場，可以實現弧斑的不同的運動方式和形態的控制，可以應用 於科學研究該形式的磁場對弧斑放電及沉積工藝的影響和工業生產的某些領域。
權利要求1、一種PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，其特徵在於該電弧離子鍍設備設有靶材、旋轉磁場裝置、電磁線圈、絕緣套、法蘭、真空室、基體夾座，真空室內設置基體夾座、靶材，靶材正面與基體夾座相對，靶材背面設有電磁線圈，置於真空室外的旋轉磁場發生裝置套在圍繞於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。
2、 按照權利要求1所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於法蘭套或者爐體管道釆用不導磁的不鏽鋼製作，法蘭套或者爐體管 道為空心結構，通冷卻水保護；旋轉磁場發生裝置、法蘭套或者爐體管道與靶材 三者之間同軸，旋轉磁場發生裝置在法蘭套或者爐體管道上的位置可調。
3、 按照權利要求1所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於旋轉磁場發生裝置為釆用相差一定均勻角度、相互連接在一起的幾 個磁極均勻布在同一圓周上，磁極數量為4n或者3n, nM,形成一個整體的電 磁迴路骨架，勵磁線圈套在磁極上或者嵌在相鄰磁極之間的槽隙內，釆用相位差 90°的兩相或者相位差120°的三相勵磁順序供電，在磁極包圍的空間內產生可 調旋轉磁場。
4、 按照權利要求3所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於:旋轉磁場發生裝置為磁極均勻的分布在圓形封閉的主體導磁通道上, 形成一個整體的電磁迴路骨架，骨架的材料用髙磁導率的材料電工純鐵或者疊加 的衝壓矽鋼片製作，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；疊加的衝壓矽鋼片製作的骨架釆用鐵損小、導磁 性能好、厚度為035^.5mm的矽鋼片衝槽疊壓而成，矽鋼片的表面塗有絕緣漆, 內圓表面衝有均勻分布的槽，繞組線圈嵌放在槽中，槽形有開口、半開口或半閉 口形式。
5、 按照權利要求3所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於，勵磁線圈套在磁極上時勵磁線圈分為兩組，磁極數量為4n， n>l, 相對的勵磁線圈為一組，同組的勵磁線圈串聯成一個導電迴路，同組相對的勵磁 線圈的電流同向或者反向；或者，勵磁線圈分為三組，磁極數量為3n, nM，相 對的勵磁線圏為一組，同組的勵磁線圈串聯成一個導電迴路，同組相對的勵磁線 圏的電流反向。
6、 按照權利要求5所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備，其特徵在於兩組或者三組的勵磁線圈分別採用相位差為90°的兩相交流電或者 相位差為120°的三相交流電源激勵；兩組勵磁線圏的一端接到兩相勵磁電流的 公共端，兩相勵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； 三組勵磁線圏用Y型或者三角形接法；交流電的波形不受限制。
7、 按照權利要求3所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於嵌在相鄰磁極之間槽隙內的勵磁線圈，按電機定子繞組分布規律嵌 在相鄰磁極之間的槽隙內，繞組的勵磁電流釆用相位差為120°的三相交流電源 激勵，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，不同的嵌線方式產生不同極數和形態的旋轉磁場。
8、 按照權利要求3所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於旋轉磁場發生裝置中，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行調解，電壓的大小通過調壓器輔助調解，在磁極包圍的空 間內、靶面上產生速度可調、強度可調的多模式可編程調製的旋轉橫向磁場，速 度通過勵磁電流頻率調解，強度通過勵磁電流大小調解，運行模式通過PLC可編 程控制器以及變頻器進行調解。
9、 按照權利要求8所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於通過PLC可編程控制器控制變頻器調解，1fe^轉橫向磁場以PLC 編程所設定的程序運行；使旋轉橫向磁場在不同的時間階段以不同的速度程式運行；使旋轉橫向磁場以固定的旋轉速度、強度運行；或者，以單次加速減速模式 運行；或者，以循環模式運行。
10、 按照權利要求1所述的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備， 其特徵在於:基體夾座背面設置聚焦線圈，聚焦線圈釆用QZY-2高溫漆包線製作, 絕緣材料釆用F或者H級耐高溫材料。
專利摘要本實用新型涉及薄膜製備領域，具體地說是一種利用旋轉磁場控制弧斑運動的PLC可控的旋轉橫向磁場輔助電弧離子鍍設備。該電弧離子鍍設備設有靶材、旋轉磁場裝置、電磁線圈、絕緣套、法蘭、真空室、基體夾座，真空室內設置基體夾座、靶材，靶材正面與基體夾座相對，靶材背面設有電磁線圈，置於真空室外的旋轉磁場發生裝置套在圍繞於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。本實用新型通過PLC可控的多模式可編程調製的旋轉橫向磁場控制弧斑的運動，可以改善弧斑的放電形式和工作穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，用以製備高質量的薄膜以及功能薄膜，拓展電弧離子鍍的應用範圍。
文檔編號C23C14/32GK201162038SQ20082001175
公開日2008年12月10日 申請日期2008年3月26日 優先權日2008年3月26日
發明者華偉剛, 超 孫, 駿 宮, 英 楊, 肖金泉, 趙彥輝, 郎文昌, 聞立時 申請人:中國科學院金屬研究所