試談磁控濺射鍍膜技術(shù)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(dāng)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(yīng)磁控等，進一步分析此類技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)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(guān)專業(yè)人士關(guān)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(shù)是基于特定的物理反應(yīng)，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(dǎo)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(shù)的部分不足，并合理開拓其他運用領(lǐng)域。在陰極靶材之上構(gòu)建電磁場，在此范圍內(nèi)，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(dǎo)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(yīng)，由此確保濺射的質(zhì)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(zhì)量也隨之下降，因此，該項工藝對加工構(gòu)件的大小有限制。實際應(yīng)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(zhì)量，但需考量加工構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)由于其在運轉(zhuǎn)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(zhì)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(gòu)件表面的氧化層。但若使用想相對復(fù)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(jié)合對應(yīng)磁場內(nèi)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(yīng)用結(jié)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(zhì)量可以達到應(yīng)用需要，因此，此項技術(shù)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(nèi)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(nèi)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(yīng)。同時，使其中的負偏壓施加于襯底，能實現(xiàn)把控此空間內(nèi)電流密度的目的，正是有該項工藝有此種性質(zhì)，才能借此實現(xiàn)對薄膜質(zhì)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(yīng)用前景較佳，并得到鍍膜領(lǐng)域的關(guān)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(zhì)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(shù)?；诟咚兕l濺射及自濺射，由于對應(yīng)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(nèi)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(yīng)當(dāng)關(guān)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(guān)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(diào)整直流電，借助交流電實施濺射反應(yīng)。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(yīng)當(dāng)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(yīng)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(shù)已經(jīng)是鍍膜行業(yè)相關(guān)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(shè)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(diào)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?，F(xiàn)如今，此類沉積已然達到系統(tǒng)內(nèi)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(shù)未來的發(fā)展趨勢之一。即使當(dāng)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(yīng)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(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)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(dān)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中的壓力。此方面需加以優(yōu)化改良。

結(jié)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(yīng)用設(shè)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(shù)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(shù)在鋁合金制品裝飾鍍中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2018（06）：86-90.

[2]王德山，陳尤旭，胡兵兵.復(fù)雜腔體件表面磁控濺射鍍膜關(guān)鍵技術(shù)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(xué)歷（專科）研究方向（磁控濺射鍍膜）

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