试谈磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势

摘 要：本文概述磁控溅射镀膜及其工作原理，着重探讨当前现有的镀膜工艺，包括平衡及非平衡磁控、脉冲磁控、反应磁控等，进一步分析此类技术未来的发展趋势。

关键词：磁控溅射镀膜;非平衡磁控;脉冲磁控

引言：磁控溅射镀膜工艺的出现，已经获得优异的成绩，并被广大相关专业人士关注，在镀膜行业中展现出非凡的发展速度。其出现之初，仅能在表面平整的工件上达到较好的处理效果。

一、磁控溅射镀膜

此项技术是基于特定的物理反应，实行与气相沉积相似的一项工艺。镀膜需在真空环境下，将电量两极导入磁场，在电场及磁场的双重作用下，完成溅射。该种溅射方式弥补常规溅射技术的部分不足，并合理开拓其他运用领域。在阴极靶材之上构建电磁场，在此范围内，若因溅射出现加速成高能电子的情况，不会直接撞击阳极，会受到磁场的“指引”，进行摆动，借助摆动的力会冲击气体分子，由此将带有的能量传送至气体分子，进而出现电力，冲击的一方便又回到原本的低能状态。之后会跟随磁力线的移动，达到距离阴极较近的辅助阳极处，而被吸入。此过程能有效降低高能电子产生的冲击力，对基材起到保护的作用，并展现出低温溅射的特征。同时，高能电子的持续摆动，需经过较长的距离才进入阳极，但受到电子量级的影响，电离度偏高，所以放电的概率相对提升，离子的电流密度有所增大，由此溅射的速度快，反而展现出高速溅射的特征。

二、常见的磁控溅射镀膜工艺

（一）平衡磁控

此项工艺属于一项相对常规的溅射工艺，其利用永磁体及电磁圈，引导电子活动。电磁场能把控电子的活动轨迹，让其和气体分子相互接触并产生反应，由此确保溅射的质量及最终的沉淀速度。由于二次电子与靶材相距不远，再加上等离子的密度偏高，且密度会随着与靶材的距离拉长逐渐降低，镀膜的质量也随之下降，因此，该项工艺对加工构件的大小有限制。实际应用平衡溅射时，飞出的电子一般是低能状态，难以满足加工的实际标准，而提升温度能优化镀膜的质量，但需考量加工构件本身可以承受的温度。

（二）非平衡磁控

该种非平衡是针对强度而言，处于不同部位的磁场强度会有差异，其借助的电磁圈及永磁体便存在区别，利用多种组合方式达到。此类系统涉及到两类结构，即芯部高于其他部分的磁场强度，此时的磁力线未能处于闭合的情况，整体朝着真空腔体的方向。但实际加工工作中，该项结构由于其在运转时的等离子浓度可能出现不足的情况，因此，实际的使用概率偏低。而另一种与其正好相反，芯部是低于其他部分的，此种完全相反的状态基本可以弥补上一种的不足，优化沉积的质量及效率，让镀膜范围的等离子密度有所提升，不仅切实加快沉积环节，还能有效清除处理构件表面的氧化层。但若使用想相对复杂的基板，若完全依靠此项工艺核实后镀膜，基本无法使表面薄膜均匀度满足既定标准。而离子密度与磁场强度呈正比，为处理此类不良现象，由此衍生出多靶的非平衡工藝。可结合对应磁场内的磁极实际布局状况，把系统整体分成两类，根据实践应用结果可得，多靶型的非平衡工艺可以呈现较好的加工效果，沉积速度高，薄膜的质量可以达到应用需要，因此，此项技术的运用频率相对偏高。

（三）脉冲磁控

脉冲包括单向和双向两种。其中的双向脉冲运动存在周期性，且在不同的正负运作空间内也呈现出不同的状态。通常情况下，电压处于四百之五百伏的范围内时，会形成方波脉冲，振动的频率处于中间水平，通常处于二十至二百千赫兹，能合理规避部分不良反应。同时，使其中的负偏压施加于衬底，能实现把控此空间内电流密度的目的，正是有该项工艺有此种性质，才能借此实现对薄膜质量的提升，以缩短对于衬底方面的处理周期[1]。

（四）高速频磁控及自溅射

此类镀膜工艺在近几年的应用前景较佳，并得到镀膜领域的关注。此项工艺施展的要求相对偏低，且最后呈现的处理效果较好。在实际处理期间，基本在不借助惰性气体的情况下，也能实现对薄膜的合理性优化，切实提升镀膜工序的质量。同时由于惰性气体的使用量大幅度降低，所以也能起到控制污染的作用，降低对自然生态的破坏程度。另外，因为此项工艺可加工出全膜的材料，所以由此衍生出更为完善的镀膜技术。基于高速频溅射及自溅射，由于对应气体无过高的标准，在部分加工项目中完全无需使用，所以运用的系统内部压强和其他工艺下的压强相比远远不足，而为确保系统运作期间可以一直放电，便需保证压强不能小于0.1Pa，尤其应当关注的是，在此期间基体的温度会有所提高，因此，要做好冷却措施。

（五）反应磁控

现如今，此项工艺在表面处理项目中的运用频率较高，其实施是利用靶材和气体接触发生反应，由此形成薄膜。此过程中会出现的溅射现象存在危险性，其中的部分材料难以一次完成溅射。同时，此过程中的反应现象会被其他因素干扰，而正位电和阴极区域的电位具有此消彼长的关系，甚至可能会出现零的状态。造成溅射运动暂停。

（六）中频磁控

通过调整直流电，借助交流电实施溅射反应。在特定的情况下，电源频率和实际可获取的能量呈反比，正离子可在真空空间中进行高速运动，由此便会干扰到溅射的情况。因此，应当管控电源的产出频率，以维护系统的工作的稳定性。实际的常见应用有孪生靶，切实保证溅射期间的平稳程度。

三、磁控溅射镀膜工艺的发展趋势

在现代工业生产标准持续体系，且磁控的镀膜新工艺也有所开发，各类低压溅射、脉冲技术已经是镀膜行业相关人士分析探索的重点之一。在传统的溅射镀膜工艺中，低压溅射主要的不足体现在气体分子和电子直接接触的机率不高，难以保证靶材的表面达到既定标准，造成后续的沉积工序无法推进。但借助合理的磁场设计，能扩大电子的运动范围，即上文提到的非平衡工艺，能达到于10-2帕的真空环境中完成溅射沉积。同时，借助外部的电磁场调整电子活动状态，能达到在压强偏低的环境下完成所需的溅射沉积。而高速沉积能控制气体的使用量，保证加工效率的同时，还能形成新的薄膜。现如今，此类沉积已然达到系统内等离子浓度高于每平方厘米100W，沉积的速度也高于每分钟 [2]。由此可见，此项工艺能够替代常规的镀膜工艺，拥有较好的发展前景。

磁控型的镀膜工艺和其他类型的表面项目工艺相融合是此类技术未来的发展趋势之一。即使当前实际运用的工艺本身具备较多优势，但从行业整体的角度来看，应用比例偏小，以往的镀膜工艺依旧占据大多数的份额。另外，制约此类技术广泛应用的关键点在于有色金属，如铜、钛钨等，难以达到较高的硬度，一旦基底过软，便无法承担系统运转中的压力。此方面需加以优化改良。

结束语：现如今，磁控溅射工艺已然得到较好的改进，但若想达到新时代对工业生产的标准，仍有进步的空间。例如，应用设施的造价和工作状态的持续性等方面需要进一步优化。希望此项技术得以深度发展，使部分工业项目实现更大提升。

参考文献：

[1]张恒，严由春，姜文，等.磁控溅射镀膜技术在铝合金制品装饰镀中的应用[J].现代制造工程，2018（06）：86-90.

[2]王德山，陈尤旭，胡兵兵.复杂腔体件表面磁控溅射镀膜关键技术的研究[J].现代机械，2018（01）：80-83.

作者简介：

姓名（孙毅）性别（男）出生年（1989.03.20），籍贯到市（安徽省蚌埠市）民族（汉）职称（助理工程师）学历（专科）研究方向（磁控溅射镀膜）

（中电科仪器仪表有限公司  山东省青岛市 266555）