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1、非平衡磁控濺射及應(yīng)用 主 要 內(nèi) 容非 平 衡 磁 控 濺 射 簡 介分 類特 點(diǎn)研 究 實(shí) 例 一 、 非 平 衡 磁 控 濺 射 對 于 一 個(gè) 磁 控 濺 射 靶 ， 其外 環(huán) 磁 極 的 磁 場 強(qiáng) 度 與 中 部磁 極 的 磁 場 強(qiáng) 度 相 等 或 相 近 ，則 稱 為 “ 平 衡 ” 磁 控 濺 射 靶 。一 旦 某 一 磁 極 的 磁 場 相 對 于另 一 極 性 相 反 的 部 分 增 強(qiáng) 或者 減 弱 ， 就 導(dǎo) 致 了 濺 射 靶 磁場 的 “ 非 平 衡 ” 。 圖 1 非 平 衡 磁 控 濺 射 源 示 意 圖 二 、 分 類非 平 衡 磁 控 濺 射 系 統(tǒng) 有 兩
2、 種 結(jié) 構(gòu) ： 外 環(huán) 磁 場 強(qiáng) 度 高 于 芯 部 磁 場 強(qiáng) 度 ， 磁 力 線 形 成 閉 合 回 路 ，部 分 外 環(huán) 的 磁 力 線 延 伸 到 基 體 表 面 。 芯 部 磁 場 強(qiáng) 度 比 外 環(huán) 高 ， 磁 力 線 沒 有 閉 合 ， 被 引 向 真 空室 壁 ， 基 體 表 面 的 等 離 子 體 密 度 低 ； 圖 2 （ a） 外 環(huán) 磁 場 強(qiáng) 度 高 于 芯 部 示 意 圖 (b) 芯 部 磁 場 強(qiáng) 度 高 于 外 環(huán) 示 意 圖 鏡 像 ： 由 于 兩 個(gè) 靶 磁 場 的 相 互 排 斥 ， 縱 向 磁 場 都 被 迫 向 鍍 膜 區(qū) 外 彎 曲 ，電 子 被
3、 引 導(dǎo) 到 真 空 室 壁 上 流 失 ， 總 體 上 降 低 了 電 子 進(jìn) 而 離 子 的 數(shù) 量 。 由于 鏡 像 磁 場 方 式 不 能 有 效 地 束 縛 電 子 ， 等 離 子 體 的 濺 射 效 率 未 得 到 提 高 。 閉 合 磁 場 ： 非 平 衡 靶 對 在 鍍 膜 區(qū) 域 的 縱 向 磁 場 是 閉 合 的 。 只 要 磁 場 強(qiáng)度 足 夠 ， 電 子 就 只 能 在 鍍 膜 區(qū) 域 和 兩 個(gè) 靶 之 間 運(yùn) 動(dòng) ， 避 免 了 電 子 的 損 失 ，從 而 增 加 了 鍍 膜 區(qū) 域 的 離 子 濃 度 ， 大 幅 度 提 高 了 濺 射 效 率 。 圖 3 （
4、a） 雙 靶 閉 合 磁 場 磁 控 濺 射 （ b） 雙 靶 鏡 像 磁 場 磁 控 濺 射 三 、 特 點(diǎn)優(yōu) 點(diǎn) ：1、 靶 材 離 化 率 高 ， 薄 膜沉 積 速 率 快2、 在 復(fù) 雜 基 體 和 不 同 材料 上 實(shí) 現(xiàn) 了 均 勻 沉 積3、 涂 層 附 著 性 好 ， 結(jié) 合強(qiáng) 度 高 缺 點(diǎn) ：設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 較 為 復(fù) 雜 ， 開發(fā) 、 維 修 、 護(hù) 理 等 附 加成 本 較 高 。 四 、 研 究 實(shí) 例 （ 一 ）Surface Modification of AZ31 Mg Alloys by Depositing Silicon Nitrides Films鎂 合
5、 金 ： 密 度 小 ， 比 強(qiáng) 度 高 ； 耐 腐 蝕 性 能 差 ， 強(qiáng) 度 低氮 化 硅 薄 膜 ： 優(yōu) 良 的 機(jī) 械 性 能 ， 薄 膜 硬 度 很 高 ， 耐 磨 性 和 抗 劃 傷 能 力 很強(qiáng) 圖 4 不 同 N2流 量 比 率 R(N2)條 件 下 氮 化 硅 薄 膜 的 顯 微 硬 度 1#試 樣 表 面 局 部 小 面 積 薄 膜 脫 落 ， 2#， 3#撐 試 樣 仍 然 沒 有 起 皮 和 薄 膜 脫落 現(xiàn) 象 發(fā) 生 。 這 可 能 是 由 于 l#試 樣 的 薄 膜 比 較 厚 的 原 因 造 成 的 。熱 震 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ： SiN薄 膜 與 AZ3
6、1鎂 合 金 基 底 之 間 的 結(jié) 合 力 良 好 ， 足 以滿 足 應(yīng) 用 需 要 。 表 1 熱 震 實(shí) 驗(yàn) 參 數(shù) 四 、 研 究 實(shí) 例 （ 二 ）Microstructures and Corrosion Resistance of Ti Based Films Deposited on Depleted Uranium單 層 膜 ： 微 孔 和 裂 紋 等 缺 陷 腐 蝕 介 質(zhì) 到 達(dá) 鈾 基 體 組 成 腐 蝕 電 偶 而 腐 蝕 缺 陷 擴(kuò) 展 膜 層 開 裂 和 脫 離 Ti TiN多 層 膜 ： 各 亞 層 界 面 之 間 的 反 復(fù) 形 核 細(xì) 化 晶 粒 空 隙 率
7、 降 低 、 致密 性 提 高 抗 腐 蝕 性 改 善 圖 5 鍍 層 鹽 霧 腐 蝕 24 h后 的 表 面 形 貌 在 腐 蝕 電 位 附 近 ， 各 樣 品 的 極 化 電 流都 隨 極 化 過 電 位 的 增 大 而 快 速 增 加 ，表 明 電 極 化 過 程 受 電 子 轉(zhuǎn) 移 的 電 化 學(xué)活 化 控 制 。 當(dāng) 陽 極 極 化 到 弱 極 化 區(qū) 后 。極 化 電 流 隨 極 化 電 位 的 升 高 而 增 大 ，但 極 化 曲 線 的 斜 率 愈 來 愈 大 ， 即 電 極過 程 的 阻 力 越 來 越 大 ， 電 子 的 轉(zhuǎn) 移 越來 越 困 難由 圖 可 知 ， 當(dāng) 極
8、化 電 位 進(jìn) 一 步 升 高 ，Ti TiN多 層 膜 極 化 曲 線 出 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 折 點(diǎn) ，在 轉(zhuǎn) 折 點(diǎn) 以 上 極 化 電 流 迅 速 增 加 ， 說明 鍍 層 表 面 出 現(xiàn) 了 局 部 腐 蝕 或 鍍 層 中原 有 微 觀 孔 隙 因 腐 蝕 而 貫 穿 到 了 鈾 基體 ， 局 部 活 性 點(diǎn) 構(gòu) 成 了 大 陰 極 小 陽 極的 腐 蝕 電 偶 對 ， 從 而 加 快 了 樣 品 的 腐 蝕 。 圖 6 一 500 V偏 壓 下 Ti、 TiN單 層膜 、 Ti TiN多 層 膜 及 鈾 基 體 的 電化 學(xué) 極 化 曲 線 參 考 文 獻(xiàn)1鞏 中 宣 .閉 合 場 非 平 衡
9、 磁 控 濺 射 離 子 鍍 技 術(shù) 概 述 J.內(nèi) 燃 機(jī) 與 配 件 ,2013,(1):19-21,24.2李 芬 ,朱 穎 ,劉 合 等 .磁 控 濺 射 技 術(shù) 及 其 發(fā) 展 J.真 空 電 子 技 術(shù) ,2011,(3):49-54.3牟 宗 信 ,臧 海 蓉 ,劉 冰 冰 等 .AZ31鎂 合 金 基 材 非 平 衡 磁 控 濺 射 鍍 膜 工 藝 研 究 J.真 空 科 學(xué)與 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) ,2012,32(1):6-10.4朱 生 發(fā) ,劉 天 偉 ,吳 艷 萍 等 .鈾 表 面 非 平 衡 磁 控 濺 射 離 子 鍍 Ti基 薄 膜 的 組 織 結(jié) 構(gòu) 與 腐 蝕 性能
10、 J.真 空 科 學(xué) 與 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) ,2012,32(3):240-243.5Lin, J.,Moore, J.J.,Pinkas, M. et al.TiBCN:CN_x multilayer coatings deposited by pulsed closed field unbalanced magnetron sputteringJ.Surface; Coatings Technology,2011,206(4):617-622. 6Zhifeng Shi,Yingjun Wang,Nan Huang et al.Microstructure, mechanical properties and wetting behavior of F: Si-C-N films as bio-mechanical coating grown by DC unbalanced magnetron sputteringJ.Journal of Alloys and Compounds: An Interdisciplinary Journal of Materials Science and Solid-state Chemistry and Physics,2013,552:111-118. 感 謝 關(guān) 注
非平衡磁控濺射
