闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术简介
磁控溅射镀膜技术综合介绍
一.磁控溅射电镀上世纪80年代开始, 磁控溅射技术得到迅猛的发展, 其应用领域得到了极大的推广。
现在磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位, 在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。
正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长的需要使磁控溅射不断的发展。
在许多方面, 磁控溅射薄膜的表现都比物理蒸发沉积制成的要好；并且在同样的功能下采用磁控溅射技术制得的可以比采用其他技术制得的要厚。
因此, 磁控溅射技术在许多应用领域涉及制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要是影响。
磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。
其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,涉及各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,特别适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且反复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。
1.磁控溅射工作原理:磁控溅射属于辉光放电范畴, 运用阴极溅射原理进行镀膜。
膜层粒子来源于辉光放电中, 氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。
氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到元件表面形成所需膜层。
磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹, 使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动, 因而大大增长了与气体分子碰撞的几率。
用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶), 使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。
非平衡磁控溅射技术在刀具涂层上的应用
干式切削技术在我国不断推广与发展 ， 对刀具涂层的要求
也在不断的提高 ， 针对 不同的工作环境 ， 一涂 层材 料难 以满 单 足干式切 屑加工对涂层的要求 ， 刀具涂层也趋向于纳米层状结
构 和 化 学 组 分 多元 化 等 方 向发 展 ， 疑 ， 些 薄 膜 技 术 的研 究 无 这
同时用 Ｃ作为基体还 可以加人Ａ， ， ｉＶ ｒ １Ｍｏ Ｔ， 和Ｙ等多种元 素来改变涂层 的化学组成 ， 从而形成多层复合纳米涂层来调节
的使用性能要求， 涂层设 计 由三部分组成 ： 金属ｃ 底层 ， 作 保证
涂 层 与 基体 附着 良好 ； ＣＮ 成 过 渡 层 ， 善 涂 层 的抗 振 性 用 ｒ构 以改
层， 通过优化 它们 的晶格结构 ， 来降低涂层 间内应力 ， 使之具有
很高 的硬度和耐磨性 ，中部渐进的氮化铬涂层作 为隔热层 ； 通 过抑制从切削区到刀片 的热传导来 降低热冲击 ； 同时还可在外 层镀上低摩擦系数 的Ｍ Ｓ等减少摩擦力及摩擦热 ，可实现 固 ｏ２
ｒ ｎ ｅ ｓｔ ｎ ｔ ｅ ａ ｈ ｓｏ ｎ ｔ ｃ ｕ ｅ ｏ ｏ ｔ ｇ ｄ — ｅ ｔ ｄ ｎ ｉ ｏ ｈ ｄ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｓｒ ｔ ｒ ｃ ａ ｎ ｅ ｙ ｕ ｆ ｉ
涂层化学成分 硬度 （咖 ｍ ） ｋ ２
Ｃ Ａ１ ｒ Ｎ
ＣＩ ｒ Ｎ Ｉ
中性离子发生 碰撞 ， 一步提 高镀 膜空间 的离 子体 密度 ， 进 同时
由于 系统 内相 邻 的靶 间的磁力线是 闭合 的 。封闭 的磁 力线分 布可大大减少飞 向气壁 的离子损失 ，传递强离子流到衬底 ， 并 在衬底附 近也 保持一个厚 的等离子体 区 。通过优化磁 控靶 材 设计和对 脉冲偏压 的改 变能够 明显 的改善衬底 的预溅 射清洗 效率 ， 使涂层 的结合力得 到明显的提高 。我们采用新型闭合场 非平衡磁 控溅射Ｃ Ｕ Ｓ Ｕ Ｐ ５ （ 图 １ ，它的离子 电流 密 Ｆ Ｍ Ｄ ８０ 如 ） 度和薄膜沉积 速率较传统 平面磁控溅射 技术提高 １ｏ 以上 ， ０倍
镀膜的方式有很多种
镀膜的方式有很多种，主要分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积(CVD)。
我公司采用的非平衡磁控溅射技术属于PVD的范畴。
PVD的镀膜方式主要又分为蒸发和离子镀两种。
蒸发沉积速度快，但是相对来说形成的膜层质量比较差。
离子镀一般有阴极弧和磁控溅射。
阴极弧形成的膜层有明显金属液滴。
闭合场非平衡磁控溅射离子镀膜系统（CFUBMSIP）由英国Teer镀层公司发明，并经过20多年的工业应用和科技研发，完善形成。
该系统易于优化镀膜条件，得到拥有良好结合力的致密硬质膜层；可以工业规模生产先进的复合、纳米、多层及非晶镀层；并可实现低温沉积，在塑料等器件上镀膜。
和阴极弧镀相比，所形成的镀层不存在金属液滴，表面粗糙度低。
溅射的原理是在充有氩气的真空条件下，采用辉光放电技术使得电子在电场的作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。
氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子和离子。
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高离化率。
反应磁控溅射就是通入一定量的反应气体，溅射出的靶材离子与通入真空室中的反应气体发生反应，生成反应沉积物到基体上。
传统的磁控溅射镀膜的优点是工艺较易控制，膜层表面光滑，缺点是离化率低，膜的致密度低，膜基结合力差。
经研究改进，在平衡磁控溅射基础上发展了非平衡磁控溅射，再从非平衡磁控溅射发展到闭合场非平衡磁控溅射，即本公司使用技术。
Teer公司现用的新型闭合场非平衡磁控溅射系统的离子流是传统磁控溅射离子流的100倍，是该公司早期的非平衡磁控溅射离子流的2.5倍。
所谓非平衡磁控溅射是将某一磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱，这就导致了磁场分布的“非平衡”。
在保证靶面水平磁场分量有效地约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，可以使逃逸出靶面飞向镀膜区域。
这些飞离靶面的电子还会与中性粒子产生碰幢电离，进一步提高镀膜空间的离子体密度，有利于提高沉积速率，更有利于沉积高品质的镀层。
非平衡磁控溅射技术的应用与展望
离子轰击材料表面 ， 使被轰击出的粒子沉积在基
体表面的技术 。 它包括二级溅射 、 平衡磁控溅射 和非平衡磁控溅射等。 二级溅射是所有溅射技术
的基础 ， 二级溅射结构简单， 但是要求工作气压 高 （ ａ ， ＞ｌ ）还存在基体温升高和沉积速率低等 Ｐ
１８ ３
８
Ｔｈ ｎ Ｓ ｌ ｌ ，１ ９ ， ９ ￣ ９１ ３ ９ ｉ ｏ ｉ Ｆｉ ｄ ｍｓ ９ ６ ２ ０ ２ ３ ：
Ｆａ ｈ ｒ ｃ Ｐ ， Ｇｏ ｄ ｃ ｅ ｅ ｉｋ Ｋ’ Ｗ ｉ ｋ ｅ ｎ ｌ ｒ Ｔ Ａｄ ａ ｔ ｇ ｏ ｓ ｖ ｎａ ｅ ｕ
Ｐ ｓｉｉ ｔ ｓ ｏ ｓ ｌ ｉ ，Ｄｅ ｉ ｎ ｂ ｉｅ ｓｇ Ａｓ ｅ ｔ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｃ ｌ Ｕｓ ｆ ｐ ｃ ｓ ａ ｅ ｈ ｉ ａ ｅ ｏ ｎ
随着机械 、电源和控制等相关技术 的进步， 磁控溅射技术将得到进一步发展。最近， 由于稀 土永久磁铁 的应用， 过去靶材表面的磁场强度只 有 ３０ ０ ｓ 现在已经提高到 ｌ Ｇ ， ０ ￣５０Ｇ ， ｓ 使得磁 ｋ
考 文
献
Ｋｅｌ Ｐ Ｊ Ａｒ ｅｌ ｌｙ ， ｎｌ Ｒ Ｄ．Ｍ ａ ｎ ｗｏ Ｓ ｕ ｔｒｎ ： ａ ｇ ｅ ｎ ｐ ｔ ｉｇ ｅ Ｒｅ ｉｗ ｏ ｃ ｎ Ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｎ Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ． ｖｅ ｆ Ｒｅ ｅ ｔ ｖ ｌｐ ｎ ａ ｄ ｐｉ ｔ ｓ ｃ ｏ Ｖ ｃ ｕ ２ ｏ ， ６ １６ ａ ｕ ｍ， ｏ ０ ５ ： ５
控溅射系统可 以产生非常理想 的离子沉积环境，
因此可 以制备高密度 、 高强度和与基片结合性能 极其优秀的薄膜 。 两个或两个以上的非平衡磁控
磁控溅射离子镀
磁控溅射离子镀磁控溅射离子镀随着科技的不断发展，材料表面处理技术也越来越受到人们的关注。
其中，磁控溅射离子镀技术是一种非常先进的表面处理方法。
本文将从原理、工艺、应用等方面详细介绍磁控溅射离子镀技术。
一、磁控溅射离子镀技术的原理磁控溅射离子镀技术是一种利用磁场控制离子运动的表面处理技术。
其主要原理是：在真空环境下，将制品作为阴极，利用高速电子轰击产生的离子在磁场作用下被聚集和加速，从而沉积在制品表面形成薄膜。
这种薄膜具有高硬度、高耐磨、耐腐蚀性好、不易脱落等优点。
二、磁控溅射离子镀技术的工艺流程1. 处理前的准备工作要先将制品表面进行清洗，去除表面的油污、灰尘等。
2. 真空排气将加工件、目标和溅射室等装置放置在真空室内，打开真空系统进行排气，直至达到所需真空度。
3. 溅射物的加热将制品和目标加热至一定温度，使其表面温度达到一定的范围，有助于提高溅射效率和薄膜质量。
4. 溅射室充气将惰性气体注入溅射室中作为离子的载体，从而形成离子束。
5. 磁场建立通过磁铁制成的磁场使得离子束向阴极开展自动运动，溅射出的物质在阴极表面沉积形成一层薄膜。
6. 增加反应气体通过向溅射过程通入反应气体，使沉积物质形成化学反应并调控膜层成分。
7. 薄膜形成及整体清洗经过多次溅射后，薄膜形成，清洗处理后即可使用。
三、磁控溅射离子镀技术的应用磁控溅射离子镀技术在工业界有着广泛应用，主要应用于以下领域：1. 电子工业用于制造电子元器件、半导体器件和显示器件中的各种金属及合金薄膜。
2. 光学工业制造反射膜、半反射膜、介质膜和滤光片等。
3. 机械工业制造模具、刀具、轴承、涡轮叶片等。
4. 生物医学制造医疗器械、人工关节、高品质耗材。
总之，磁控溅射离子镀技术具有高效、高质、低污染的特点，在工业生产中的应用越来越广泛。
闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在切削刀具上的应用
Ｃｌ ｓ ｄ Ｆｉｌ ｎ ａ ａ ｃ ｄ Ｍ ａ ｎ ｔｏ ｐ ｔｅ ｒ ｎ Ｐｌ ｔｎｇ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ ｏ ｅ ｅｄ Ｕ ｂ ｌ ｎ ｅ ｇ ｅｒ ｎ Ｓ ｕ ｔｒＩｏ ａ ｉ ｃ ｉ ｅ ａ ｄ ｉ’ ｎ ｔ ｓＡｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｔ ｔｉ ｇ Ｔｏ ｌ ｌｃ ｔｏ ｏ Ｃｕ ｔｎ ｏ ｓ
摘 要 ：闭合 场非 平衡磁 控溅 射 离子镀 技 术 制膜 时镀 层设 计 不受 元 素化 合 价 及相 图 的 限制 ， 艺控 工 制 简单 ， 以方便 地设 计镀 层 的成 分和 结构 ， 可 且膜 ／ 结合 性 能 突 出。研 究 了用该 技 术 制备 的硬 质 基
Ｃ Ｔｉ Ｎ 梯 度膜 ， 膜具 有 良好 的结合 力和 韧 性 ， 无 润 滑切 削条 件 下 ， 用 不 同 的切 削方 式 ： ｒ ＡＩ 该 在 适 对 于普 通 高速 钢钻 头提 高寿命 数 十倍 ， 同时扩展 工件 材 料 至 高 强度 钢 ； 断 续式 的 铣 削黄铜 ， 对 可提 高 寿命 ２ ５倍 ； 于加 工 Ｐ 对 ＶＣ板 的微 钻 ， 寿命 仍可提 高 ４倍 以上 。
文 章 编 号 ： ０ ６４ １ （ ０ ６ ０ — ０ ００ １ ０ —７０ ２ ０ ） １ ２—４ ０
闭合 场 非 平 衡 磁 控 溅 射 离 子 镀 技 术 在 切 削 刀 具 上 的应 用
白力静 ，李 玉 庆 ，肖继 明 ，蒋 百灵
（ 安 理 工 大 学 材 料 科 学 与工 程学 院 ， 械 制 造 与 精 密 仪 器 学 院 ， 西 西 安 ７ ０ ４ ） 西 机 陕 １ ０８
《磁控溅射镀膜技术》课件
要点二
溅射参数与工艺条件
溅射参数和工艺条件对磁控溅射镀膜的沉积速率、膜层质 量、附着力等有着重要影响。主要的溅射参数包括工作气 压、磁场强度、功率密度等，工艺条件包括基材温度、气 体流量和组成等。通过对这些参数的优化和控制，可以获 得具有优异性能的膜层。
磁控溅射镀膜设备
03
与系统
磁控溅射镀膜设备的组成
多元靶材磁控溅射
技术
研究多种材料同时溅射的工艺技 术，实现多元材料的复合镀膜， 拓展镀膜材料的应用范围。
磁控溅射与其他技术的结合应用
磁控溅射与脉冲激光沉积技术结合
01
通过结合两种技术，实现快速、大面积的镀膜，提高生产效率
。
磁控溅射与化学气相沉积技术结合
02
利用化学气相沉积技术在磁控溅射的基础上进一步优化镀膜性
磁控溅射机制
在磁场的作用下，电子的运动轨迹发生偏转，增加与气体分子的碰撞概率，产 生更多的离子和活性粒子，从而提高了溅射效率和沉积速率。
磁控溅射镀膜的工艺流程
要点一
工艺流程概述
磁控溅射镀膜的工艺流程包括前处理、溅射镀膜和后处理 三个阶段。前处理主要是对基材进行清洗和预处理，确保 基材表面的清洁度和粗糙度符合要求；溅射镀膜是整个工 艺的核心部分，通过控制溅射参数和工艺条件，实现膜层 的均匀、致密和附着力强的沉积；后处理主要包括对膜层 的退火、冷却和清洗等处理，以优化膜层性能。
纳米薄膜的制备与应用
总结词
纳米薄膜因其独特的物理和化学性质在许多 领域具有巨大的应用潜力。
详细描述
磁控溅射技术可以用于制备纳米级别的薄膜 ，如纳米复合材料、纳米陶瓷、纳米金属等 ，这些薄膜在催化剂、传感器、电池等领域 有广泛应用。
其他领域的应用研究
闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀离化特性研究
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀离化特性研究
应用闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀系统，研究了溅射靶电流、偏压和Ar 流量对偏流密度的影响。
结果表明，偏流密度随着偏压和靶电流的升高而增大，但随偏压的提高偏流密度的增加趋势趋于平缓；偏流密度随着Ar 流量的增大而出现峰值。
磁控溅射离子镀（MS
离化率是指被电离的原子占全部溅射原子的百分比，是磁控溅射离子镀
过程中的一个重要指标。
特别是在活性反应离子镀时，离化率直接反映等离子体的活化程度。
溅射原子和反应气体的离化程度对镀层的各种性质，如附着力、硬度、耐热耐蚀性、结晶结构等，都产生直接的影响。
如何提高等离子体的密度或电离度，以降低气体放电的阻抗，从而在相
同的放电功率下获得更大的电流，也就是获得更多的离子轰击靶材和基体，关键在于如何充分的利用电子的能量，使其最大限度地用于电离。
不同离子镀方法因电离和激发方式不同，其离化率也差别较大。
闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术是在普通磁控溅射技术基础上发展起来的一种新型磁控溅射镀膜技术，它是对普通磁控溅射技术进行设备改良和工艺完善的产物。
一块磁控靶的N 极对应另一块靶的S 极，即闭合式结构，闭合式结构将靶系统边缘上的磁力线闭合在两块靶之间，构成逃逸电子的闭合阱，等离子体区域被有效限制在真空室中间区域，即基体所在区域，这样一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基片表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基片，起到离子束辅助沉积的作用，极大地改善了薄膜质量。
因此，不仅具有普通磁控溅射（MS）过程稳定、控制方便和大面积膜厚均匀性的特点，而且克服了基片附近离子密度。
磁控溅射镀膜工艺介绍
磁控溅射镀膜工艺介绍
磁控溅射镀膜工艺是一种常用的表面涂层技术，也被称为磁控溅射
蒸镀。
其原理是利用高速电子束轰击靶材，使靶材表面的原子脱离，然后沉积在基底材料上，形成一层均匀的薄膜。
磁控溅射镀膜工艺主要包括以下几个步骤：
1. 准备工作：选取合适的靶材和基底材料，并确保其表面清洁和光
洁度达到要求。
2. 真空处理：将工作室内部抽空，使环境达到一定的真空度，以防
止污染和氧化。
3. 靶材激活：通常情况下，靶材需要通过预热和轰击来激活。
预热
可以提高靶材表面的活性，轰击则能够使靶材表面的原子脱离。
1
4. 沉积过程：在激活的靶材表面形成原子或分子流，通过准直系统控制沉积的方向和位置，最终将原子或分子沉积在基底材料上，形成一层薄膜。
5. 膜层控制：通过控制溅射功率、气压和沉积时间等参数，可以控制薄膜的成分、厚度和结构，以及表面的光洁度。
6. 薄膜检测：对沉积后的薄膜进行各种测试和检测，以确保其质量和性能符合要求。
磁控溅射镀膜工艺具有很多优点，如沉积速度快、薄膜均匀、沉积材料范围广、能够沉积复杂的多层结构等。
因此，在生产和科研领域都有广泛的应用，如制备光学薄膜、涂层保护和功能改性等。
2。
磁控溅射介绍
在玻璃上贴膜，这种膜的透光性非常高，以至于 看不出有任何改变，就能达到夏季隔热、冬季保 温、居住安全的目的。
在光学存储领域,光盘存储自推出以来技术不断更新, 磁控溅射也从镀制CD2ROM的Al及CD2R的Au或Ag 的光反射层,到CD2RW中镀制ZnS2SiO2/GeSbTe(或 AgInSbTe)/ZnS2SiO2/Al多层结构光记录媒介膜。 目前随着对光存储的需求大幅度的增加,磁控溅射在 光学存储领域将发挥更大的作用
磁控溅射镀膜技术 的发展和应用
刘永
随着材料科学的发展，近年来薄膜材料作为一种重 要的分支从过去体材料一统天下的局面脱颖而出。如 过去需要纵多体材料组合才能实现的功能，现在仅需 几块电路板或一块集成电路板就能完成。薄膜技术将 各种不同的材料灵活的复合在一起，具有异特性的复 杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免优单一 材料局限性。薄膜的应用越来越广，因此薄膜的制备 研究非常重要。 薄膜的制备方法有物理、化学法。物理法指在真空 下，采用各种物理方法将固态镀膜材料转化为原子、 分子或离子的气相物质后再沉积于基体表面，从而形 成固体薄膜的一类薄膜制备方法。由于粒子发射可以 采用不同的方式，因而物理气相沉积技术可以呈现出 不同的形式，主要有 真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子 镀膜，束流沉积等几种形式。
磁控溅射:：
磁控溅射的优点 ：
a)
b)
c)
d)
由于电子运动路径大大延长，显著提高阴极位降区 的电子密度，所以使溅射气压降低，且降低了薄膜 污染的可能性； 电子运动路径变长，Ar原子电离率增大，溅射速率 高 电子只有能量耗尽时才运动到基片，基片温度升高 不大，可以减少衬底损伤，降低沉积温度； 易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积射和自溅射技术因其具 备很大的潜力而被业界所重视。究其原因就是高速 率溅射和自溅射中，其溅射材料具有较高的离化率； 溅射材料的大量电离可以减少，甚至消除对惰性气 体的需求，从而大大改善了沉积膜层的结构：可以 大大缩短薄膜形成的时间，从而提高工业应用的效 率。 在高速率溅射系统中如果不存在惰性气体，就 称为自溅射。自溅射过程中由于没有惰性气体的参 与，在 很大程度上影响了膜层的生长过程以及其结 构成分；并且在制取合金或混 合物薄膜时，自溅射 还可以促进溅射 粒子化学反应的进行。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CrTiAlN 钻孔实验
实验条件 工具: 6.35mm (¼ inch) 直径钻头 工件: 20mm 碳钢板 要求: 通孔 速度: 4050 rpm (＝ 81m/min) 进刀速率: 0.945 m/min
钻头的处理 无镀层 TiN镀层 CrTiAlN镀层 工件的硬度 (HV) 153 钻孔数量 <1 104 225
前 言 世界表面处理技术的发展过程
1960 1970 1980
渗氮/渗碳处理 热处理 热喷涂 电镀处理 化学气相沉积 物理气相沉积
等离子体
激光
真空 蒸发镀
磁控 溅射
电弧 离子镀
磁控溅射 离子镀
前
言
磁控溅射离子镀
磁控溅射离子镀（MSIP）是指基体带有负偏压的 磁控溅射镀膜工艺，它把磁控溅射的优点(成膜速率高、 源为大平面源，有利于膜层厚度均匀)和离子镀过程的 优点（能改变膜基界面的结合形式，提高膜基附着力， 膜层组织致密等）结合在一起，形成了一种新的镀膜 技术。
Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter Ion Plating (CFUMSIP)
闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术简介
报告人：贾克辉
上海梦溪机电设备有限公司
目
录
前言 磁控溅射离子镀 闭合场非平衡磁控溅射离子镀原理 闭合场非平衡磁控溅射离子镀工艺 小结
CrTiAlN 镀层磨损性能测试
测试条件 :干燥环境下， 用φ5mm 的WC球 以 200mm/s 速度在工件表面滑动1h。
金属层
CrAlTiN镀层
磨损 痕迹
240 μm
n 基体和镀层在严厉的磨损条件下发生了塑性变形而没有失效，表明 其具有高韧性。 n 无可测量的磨损量表明镀层具有极高的抗磨损性能。
Hongkong
闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备
英国专利号 2258343
已获专利
美国专利号 5554519 欧洲专利号 0521045
闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备原理
闭合场非平衡磁控溅射离子镀 设备的独特之处在于该设备 至少包含两个磁控管， 这使磁力线可以从 S 一个磁控管直接 N 延伸到另一个 磁控管。形成 S 封闭的磁阱。可 以有效阻止电子逃逸。 从而提高溅射效率和离化率。
CrTiAlN 应用
高速加工 冷变形工具 挤压工具 易磨损件
MoSTTM (MoS2 / Ti ) 镀层工艺 MoS2 设备：CFUMSIP 靶材：3 MoS2 and 1 Ti 气氛： Ar
2
MoS2
MoS2
基体 Ti
MoSTTM (MoS2 / Ti ) 镀层耐磨损性能
膜层厚度为1um； 极低的摩擦系数，在湿度为45％环境里摩擦系数 介于0.02（受力100牛顿）和0.1（受力10牛顿）之 间，在干燥的氮气环境里摩擦系数为0.005 结合力超过120牛顿（标准的刻划测试）。 工作温度可达到500oC 硬度为1000 - 2000HV 随载荷增加，摩擦系数降低 (µ = 0.045 at 100N) 低的磨损速率 4.0×10-17 m3/Nm
小 结
特色、关键技术和工艺
英国Teer公司开发的闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备和工艺
特色：
离化率高， 膜与基体结合强度好，应用于强切削时刀具和高挤压力 模具上的膜也不易剥落； 可做复合及多层膜镀层；
关键技术和工艺：
是在硬膜中掺入减摩材料，并形成纳米结构。有溅射 效率高、离化率高的工艺设备来保证。
磁控溅射离子镀原理
磁控溅射离子镀原理 镀膜室抽至高真空后， 充入氩气，控制真空度在 10-1－10-2Pa，磁控靶施加负 电压，产生辉光放电，氩离 子轰击靶材表面，使靶材原 子从靶表面溅射下来，向基 体迁移．迁移过程中部分被 电离，并在基体负偏压的作 用下沉积于基体，形成所需 膜层。
1-镀膜室；2-磁电管；3-磁控靶阳极； 4-磁控靶；5-磁控电源；6-真空抽气系统； 7-充气系统；8-基体；9-离子镀电源
磁控溅射离子镀存在的问题
稳定性差
可重复性差
均匀衡磁控溅射 离子镀设备和工艺技术则完全解决了上面的问 题，另外还具有很高的灵活性，如可以镀梯度材 料涂层和在同一基体上镀多层涂层等。目前，该 公司的设备和工艺已经被世界许多国家使用。
截至2001年底，购买Teer镀层设备的国家
WC基体上镀MoS2镀层与未镀镀层磨损电镜照片
(a)没有MoS2镀层
(b)有MoS2镀层
磨损速率：250 m/min, 磨损体积：2.7 ×105 mm3
MoSTTM (MoS2 / Ti ) 镀层应用
刀具、模具 易磨损件 干加工工具 冲压工具
闭合场非平衡磁控溅射离子镀其它应用
硅树脂环上的金属镀层
浴室塑料水龙头上 的装饰镀层
小结 现场测试结果
测试地
加工材料
钻床转速 3600n/min 1490n/min 1000n/min
镀前 镀后 钻孔数 钻孔数 1 12 3 60 243 41
提高 倍数 60 20 13
英国 15mm碳钢 Teer公司 台山港资 40mm碳钢 华一厂 深圳港资 港艺厂 40mm 模具钢
2
N
S
N
靶材
S N 磁控管 S
N
S
N
基体
闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备原理
N
S
N
磁控管示意图
为防止溅射导致的靶材温度过高，磁控管中加入了循环水冷却系统
闭合场非平衡磁控溅射离子镀过程示意图
1.靶材表面的原子受到氩离子撞击后脱离基体(即溅射)， 这些溅射的原子不带电，直接脱离磁阱，撞击到工件上 形成镀层。 2.靶材表面同时释放带负电的电子，由于闭合场的存在， 这些电子不能脱离磁 阱，它们的能量可使 更多的氩离子产生， 这意味着撞击靶材表 面的离子会随时得到 补充，即磁控溅射可 以持续进行。
0.3μm 0.2μm
25nm
镀层与基体结合力性能测试
压痕硬度试验 载荷为1500N 刻痕硬度试验 载荷为10 to 60N
压椎: 0.2mm tip Rockwell diamond 距离: 10mm/min
100 μm
60N
实验结果：无严重的裂纹、碎片或分层的现象出现。 表明镀层具有良好的粘结力，高韧性以及抵抗硬材料的刻划能力。
闭合场非平衡磁控溅射离子镀工艺
CrTiAlN MoSTTM (MoS2 / Ti )
CrTiAlN 镀层工艺
Al
设备：CFUMSIP 靶材： 1 Ti, 1 Al, 2 Cr 气氛： Ar
2
Cr
Cr
基体 Ti
CrTiAlN 膜层微观组成观察
纳米层
CrTiAlN CrTiAlN CrN
4μm
梯度层 Cr 基体