非平衡磁控溅射

非平衡磁控溅射及应用,主要内容,非平衡磁控溅射简介分类特点研究实例,一、非平衡磁控溅射,对于一个磁控溅射靶，其外环磁极的磁场强度与中部磁极的磁场强度相等或相近，则称为“平衡”磁控溅射靶。一旦某一磁极的磁场相对于另一极性相反的部分增强或者减弱，就导致了溅射靶磁场的“非平衡”。,图1非平衡磁控溅射源示意图,二、分类,非平衡磁控溅射系统有两种结构：外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面。芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低；,图2（a）外环磁场强度高于芯部示意图(b)芯部磁场强度高于外环示意图,镜像：由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外弯曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低了电子进而离子的数量。由于镜像磁场方式不能有效地束缚电子，等离子体的溅射效率未得到提高。闭合磁场：非平衡靶对在镀膜区域的纵向磁场是闭合的。只要磁场强度足够，电子就只能在镀膜区域和两个靶之间运动，避免了电子的损失，从而增加了镀膜区域的离子浓度，大幅度提高了溅射效率。,图3（a）双靶闭合磁场磁控溅射（b）双靶镜像磁场磁控溅射,三、特点,优点：1、靶材离化率高，薄膜沉积速率快2、在复杂基体和不同材料上实现了均匀沉积3、涂层附着性好，结合强度高,缺点：设备结构较为复杂，开发、维修、护理等附加成本较高。,四、研究实例（一）,SurfaceModificationofAZ31MgAlloysbyDepositingSiliconNitridesFilms镁合金：密度小，比强度高；耐腐蚀性能差，强度低氮化硅薄膜：优良的机械性能，薄膜硬度很高，耐磨性和抗划伤能力很强,图4不同N2流量比率R(N2)条件下氮化硅薄膜的显微硬度,1#试样表面局部小面积薄膜脱落，2#，3#撑试样仍然没有起皮和薄膜脱落现象发生。这可能是由于l#试样的薄膜比较厚的原因造成的。热震实验结果表明：SiN薄膜与AZ31镁合金基底之间的结合力良好，足以满足应用需要。,表1热震实验参数,四、研究实例（二）,MicrostructuresandCorrosionResistanceofTiBasedFilmsDepositedonDepletedUranium单层膜：微孔和裂纹等缺陷腐蚀介质到达铀基体组成腐蚀电偶而腐蚀缺陷扩展膜层开裂和脱离TiTiN多层膜：各亚层界面之间的反复形核细化晶粒空隙率降低、致密性提高抗腐蚀性改善,图5镀层盐雾腐蚀24h后的表面形貌,在腐蚀电位附近，各样品的极化电流都随极化过电位的增大而快速增加，表明电极化过程受电子转移的电化学活化控制。当阳极极化到弱极化区后。极化电流随极化电位的升高而增大，但极化曲线的斜率愈来愈大，即电极过程的阻力越来越大，电子的转移越来越困难由图可知，当极化电位进一步升高，TiTiN多层膜极化曲线出现转折点，在转折点以上极化电流迅速增加，说明镀层表面出现了局部腐蚀或镀层中原有微观孔隙因腐蚀而贯穿到了铀基体，局部活性点构成了大阴极小阳极的腐蚀电偶对，从而加快了样品的腐蚀。,图6一500V偏压下Ti、TiN单层膜、TiTiN多层膜及铀基体的电化学极化曲线,参考文献,1巩中宣.闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术概述J.内燃机与配件,2013,(1):19-21,24.2李芬,朱颖,刘合等.磁控溅射技术及其发展J.真空电子技术,2011,(3):49-54.3牟宗信,臧海蓉,刘冰冰等.AZ31镁合金基材非平衡磁控溅射镀膜工艺研究J.真空科学与技术学报,2012,32(1):6-10.4朱生发,刘天伟,吴艳萍等.铀表面非平衡磁控溅射离子镀Ti基薄膜的组织结构与腐蚀性能J.真空科学与技术学报,2012,32(3):240-243.5Lin,J.,Moore,J.J.,Pinkas,M.etal.TiBCN:CN_xmultilayercoatingsdepositedbypulsedclosedfieldunbalancedmagnetronsputteringJ.Surface;CoatingsTechnology,2011,206(4):617-622.6ZhifengShi,YingjunWang,NanHuangetal.Microstructure,mechanicalpropertiesandwettingbehaviorofF:Si-C-Nfilmsasbio-mechanicalcoatinggrownbyDCunbalancedmagnetronsputteringJ.JournalofAlloysandCompounds: