Page 9 - 《真空与低温》2025年第5期

548 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

经过淬火加 200 ℃ 回火的硬度只有 60 HRC（相当 图 14（c）为中间强磁钢两边弱磁体的非平衡磁场排
于 700 HV）。该技术使传统热处理工模具和耐磨 布示意图。
零件的寿命大幅度提高。近些年，这一技术在我国 图 14（c）是作者首次提出的只安装一条强磁
取得了飞速发展，大幅提高了高端制造业产品的国 钢的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶 [21-22] 的磁钢
际竞争力。 排布图，即在磁钢座上排布一条钕铁硼强磁钢，N
（3）柱状非平衡磁控溅射靶 极朝向靶前方，S 极将磁钢座磁化，整个磁钢座成
旋靶管型柱状磁控溅射靶也可以排布出非平 为 S 极，靶面前形成从 N 到 S 的磁场分布。图 15
衡磁场。图 14 为柱状靶内磁钢的三种排布方式 [1-2] 。 为图 14（c）的原理图，磁钢座是导磁材料，被强磁
其中，图 14（a）为 N-S-N 磁极全部采用强磁钢钕铁 钢的 S 极磁化，但是磁极性低于强磁钢，形成非平
硼的平衡磁场排布示意图。图 14（b）为两边强磁 衡磁场。靶面前磁力线同时向前方更远处和周边
钢（黑）中间弱磁体（红）的非平衡磁场排布示意图。 扩展。

靶材 靶材 磁钢 磁力线
磁力 磁力 靶管
线 N S 磁轴套管 线 N S 磁轴套管 N 靶管
磁轴 S
靶管 S N 靶管 护管 旋转
S
N
磁钢 磁钢
旋转 旋转
磁力 N S 磁力 N S 水管 磁钢座
线 水管 线 水管
磁钢座 磁钢座
（a）全是强磁钢的平衡磁场 （b）两边强磁钢中间弱磁体 （c）中间强磁钢两边弱磁体非平衡磁场
图 14 柱状靶磁钢的三种排布方式
Fig. 14 Three layout patterns of shaped target magnetic steel

1 表 1 在安装不同数量磁钢的磁场中镀膜的质量对比表
2 Tab. 1 Comparison of coating quality in magnetic fields of
3 different quantities of magnetic steel
4 磁钢数 膜层厚 色度 纳米硬
模式
量/条 度/µm L a b 度/GPa
5
恒功率 1 1.110 70.03 0.42 4.67 10.40
6 模式 3 0.898 70～85 0.38 4.56 9.03
1. 靶管；2. 磁钢座；3. 一条磁钢；4. 靶面前磁力线；5. 向周边扩 1 0.705 60.62 0.40 4.24 7.08
恒流模式
展的磁力线；6. 推向前方的磁力线。 3 0.603 55.51 0.42 4.28 6.84

图 15 安装一条强磁钢的柱状非平衡磁控溅射靶原理图
作者还对安装一条强磁钢和三条强磁钢的柱
Fig. 15 Cylindrical unbalanced sputtering target
状磁控溅射靶分别在氩气条件下和氮气条件下进
with a strong magnet
行了放电实验。图 16 为放电形貌照片，图中蓝色
表 1 [23] 为 在 同 一 台 镀 膜 机 上 分 别 采 用 安 装 部分为在氩气中的放电，樱红色部分为通入氮气后
一条强磁钢的非平衡磁场和三条强磁钢的平衡磁 沉积 TiN 的照片。从图 16 可知，两种排布方式的
场条件镀制 CrC 薄膜的性能对比数据。实验采用 放电特性基本相同，说明采用一条磁场的柱状磁控
恒功率模式和恒流模式镀膜工艺，均先镀 3 min Cr 溅射靶的靶面磁场强度和采用三条强磁钢都能满
底层，再镀 27 min CrC 膜。由表中数据可知，分别 足磁控溅射靶的放电要求。
采用这两种磁场时，所镀 CrC 薄膜的质量基本相同。 作者针对直径 1 m 的镀膜室内安装八个非平
对比两种工艺的表面磁感应强度测试结果发现，安 衡柱状磁控溅射靶（每个靶管内仅安装一条强磁钢，
装一条强磁钢的为 27～29 mT，安装三条的为 33～ 且相邻柱状靶的磁极性呈相反排布）的情形开展了
35 mT，都可以满足磁控溅射靶靶面所需磁场强度 计算机仿真模拟 [1-2] ，如图 17 所示。由图 17 可知，
的要求。 安装八个柱状磁控溅射靶，每个靶只有一条强磁钢，