試談磁控濺射鍍膜技術的研究及發(fā)展趨勢

摘 要：本文概述磁控濺射鍍膜及其工作原理，著重探討當前現(xiàn)有的鍍膜工藝，包括平衡及非平衡磁控、脈沖磁控、反應磁控等，進一步分析此類技術未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：磁控濺射鍍膜;非平衡磁控;脈沖磁控

引言：磁控濺射鍍膜工藝的出現(xiàn)，已經(jīng)獲得優(yōu)異的成績，并被廣大相關專業(yè)人士關注，在鍍膜行業(yè)中展現(xiàn)出非凡的發(fā)展速度。其出現(xiàn)之初，僅能在表面平整的工件上達到較好的處理效果。

一、磁控濺射鍍膜

此項技術是基于特定的物理反應，實行與氣相沉積相似的一項工藝。鍍膜需在真空環(huán)境下，將電量兩極導入磁場，在電場及磁場的雙重作用下，完成濺射。該種濺射方式彌補常規(guī)濺射技術的部分不足，并合理開拓其他運用領域。在陰極靶材之上構建電磁場，在此范圍內，若因濺射出現(xiàn)加速成高能電子的情況，不會直接撞擊陽極，會受到磁場的“指引”，進行擺動，借助擺動的力會沖擊氣體分子，由此將帶有的能量傳送至氣體分子，進而出現(xiàn)電力，沖擊的一方便又回到原本的低能狀態(tài)。之后會跟隨磁力線的移動，達到距離陰極較近的輔助陽極處，而被吸入。此過程能有效降低高能電子產(chǎn)生的沖擊力，對基材起到保護的作用，并展現(xiàn)出低溫濺射的特征。同時，高能電子的持續(xù)擺動，需經(jīng)過較長的距離才進入陽極，但受到電子量級的影響，電離度偏高，所以放電的概率相對提升，離子的電流密度有所增大，由此濺射的速度快，反而展現(xiàn)出高速濺射的特征。

二、常見的磁控濺射鍍膜工藝

（一）平衡磁控

此項工藝屬于一項相對常規(guī)的濺射工藝，其利用永磁體及電磁圈，引導電子活動。電磁場能把控電子的活動軌跡，讓其和氣體分子相互接觸并產(chǎn)生反應，由此確保濺射的質量及最終的沉淀速度。由于二次電子與靶材相距不遠，再加上等離子的密度偏高，且密度會隨著與靶材的距離拉長逐漸降低，鍍膜的質量也隨之下降，因此，該項工藝對加工構件的大小有限制。實際應用平衡濺射時，飛出的電子一般是低能狀態(tài)，難以滿足加工的實際標準，而提升溫度能優(yōu)化鍍膜的質量，但需考量加工構件本身可以承受的溫度。

（二）非平衡磁控

該種非平衡是針對強度而言，處于不同部位的磁場強度會有差異，其借助的電磁圈及永磁體便存在區(qū)別，利用多種組合方式達到。此類系統(tǒng)涉及到兩類結構，即芯部高于其他部分的磁場強度，此時的磁力線未能處于閉合的情況，整體朝著真空腔體的方向。但實際加工工作中，該項結構由于其在運轉時的等離子濃度可能出現(xiàn)不足的情況，因此，實際的使用概率偏低。而另一種與其正好相反，芯部是低于其他部分的，此種完全相反的狀態(tài)基本可以彌補上一種的不足，優(yōu)化沉積的質量及效率，讓鍍膜范圍的等離子密度有所提升，不僅切實加快沉積環(huán)節(jié)，還能有效清除處理構件表面的氧化層。但若使用想相對復雜的基板，若完全依靠此項工藝核實后鍍膜，基本無法使表面薄膜均勻度滿足既定標準。而離子密度與磁場強度呈正比，為處理此類不良現(xiàn)象，由此衍生出多靶的非平衡工藝?？山Y合對應磁場內的磁極實際布局狀況，把系統(tǒng)整體分成兩類，根據(jù)實踐應用結果可得，多靶型的非平衡工藝可以呈現(xiàn)較好的加工效果，沉積速度高，薄膜的質量可以達到應用需要，因此，此項技術的運用頻率相對偏高。

（三）脈沖磁控

脈沖包括單向和雙向兩種。其中的雙向脈沖運動存在周期性，且在不同的正負運作空間內也呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。通常情況下，電壓處于四百之五百伏的范圍內時，會形成方波脈沖，振動的頻率處于中間水平，通常處于二十至二百千赫茲，能合理規(guī)避部分不良反應。同時，使其中的負偏壓施加于襯底，能實現(xiàn)把控此空間內電流密度的目的，正是有該項工藝有此種性質，才能借此實現(xiàn)對薄膜質量的提升，以縮短對于襯底方面的處理周期[1]。

（四）高速頻磁控及自濺射

此類鍍膜工藝在近幾年的應用前景較佳，并得到鍍膜領域的關注。此項工藝施展的要求相對偏低，且最后呈現(xiàn)的處理效果較好。在實際處理期間，基本在不借助惰性氣體的情況下，也能實現(xiàn)對薄膜的合理性優(yōu)化，切實提升鍍膜工序的質量。同時由于惰性氣體的使用量大幅度降低，所以也能起到控制污染的作用，降低對自然生態(tài)的破壞程度。另外，因為此項工藝可加工出全膜的材料，所以由此衍生出更為完善的鍍膜技術?；诟咚兕l濺射及自濺射，由于對應氣體無過高的標準，在部分加工項目中完全無需使用，所以運用的系統(tǒng)內部壓強和其他工藝下的壓強相比遠遠不足，而為確保系統(tǒng)運作期間可以一直放電，便需保證壓強不能小于0.1Pa，尤其應當關注的是，在此期間基體的溫度會有所提高，因此，要做好冷卻措施。

（五）反應磁控

現(xiàn)如今，此項工藝在表面處理項目中的運用頻率較高，其實施是利用靶材和氣體接觸發(fā)生反應，由此形成薄膜。此過程中會出現(xiàn)的濺射現(xiàn)象存在危險性，其中的部分材料難以一次完成濺射。同時，此過程中的反應現(xiàn)象會被其他因素干擾，而正位電和陰極區(qū)域的電位具有此消彼長的關系，甚至可能會出現(xiàn)零的狀態(tài)。造成濺射運動暫停。

（六）中頻磁控

通過調整直流電，借助交流電實施濺射反應。在特定的情況下，電源頻率和實際可獲取的能量呈反比，正離子可在真空空間中進行高速運動，由此便會干擾到濺射的情況。因此，應當管控電源的產(chǎn)出頻率，以維護系統(tǒng)的工作的穩(wěn)定性。實際的常見應用有孿生靶，切實保證濺射期間的平穩(wěn)程度。

三、磁控濺射鍍膜工藝的發(fā)展趨勢

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)標準持續(xù)體系，且磁控的鍍膜新工藝也有所開發(fā)，各類低壓濺射、脈沖技術已經(jīng)是鍍膜行業(yè)相關人士分析探索的重點之一。在傳統(tǒng)的濺射鍍膜工藝中，低壓濺射主要的不足體現(xiàn)在氣體分子和電子直接接觸的機率不高，難以保證靶材的表面達到既定標準，造成后續(xù)的沉積工序無法推進。但借助合理的磁場設計，能擴大電子的運動范圍，即上文提到的非平衡工藝，能達到于10-2帕的真空環(huán)境中完成濺射沉積。同時，借助外部的電磁場調整電子活動狀態(tài)，能達到在壓強偏低的環(huán)境下完成所需的濺射沉積。而高速沉積能控制氣體的使用量，保證加工效率的同時，還能形成新的薄膜。現(xiàn)如今，此類沉積已然達到系統(tǒng)內等離子濃度高于每平方厘米100W，沉積的速度也高于每分鐘 [2]。由此可見，此項工藝能夠替代常規(guī)的鍍膜工藝，擁有較好的發(fā)展前景。

磁控型的鍍膜工藝和其他類型的表面項目工藝相融合是此類技術未來的發(fā)展趨勢之一。即使當前實際運用的工藝本身具備較多優(yōu)勢，但從行業(yè)整體的角度來看，應用比例偏小，以往的鍍膜工藝依舊占據(jù)大多數(shù)的份額。另外，制約此類技術廣泛應用的關鍵點在于有色金屬，如銅、鈦鎢等，難以達到較高的硬度，一旦基底過軟，便無法承擔系統(tǒng)運轉中的壓力。此方面需加以優(yōu)化改良。

結束語：現(xiàn)如今，磁控濺射工藝已然得到較好的改進，但若想達到新時代對工業(yè)生產(chǎn)的標準，仍有進步的空間。例如，應用設施的造價和工作狀態(tài)的持續(xù)性等方面需要進一步優(yōu)化。希望此項技術得以深度發(fā)展，使部分工業(yè)項目實現(xiàn)更大提升。

參考文獻：

[1]張恒，嚴由春，姜文，等.磁控濺射鍍膜技術在鋁合金制品裝飾鍍中的應用[J].現(xiàn)代制造工程，2018（06）：86-90.

[2]王德山，陳尤旭，胡兵兵.復雜腔體件表面磁控濺射鍍膜關鍵技術的研究[J].現(xiàn)代機械，2018（01）：80-83.

作者簡介：

姓名（孫毅）性別（男）出生年（1989.03.20），籍貫到市（安徽省蚌埠市）民族（漢）職稱（助理工程師）學歷（?？疲┭芯糠较颍ù趴貫R射鍍膜）

（中電科儀器儀表有限公司 ?山東省青島市 266555）