从平面基片到复杂曲面：磁控溅射镀膜均匀性控制策略的范式转变——基于多靶非对称布局与气压精细调控的工业级异形零件表面工程解决方案

前言

磁控溅射是一种物理气相沉积技术，因其低温、高效、膜层质量好等诸多优点被广泛应用于工业镀膜中。磁控溅射镀膜质量受多种工艺参量的影响，其中工作气体的压力是很重要的一项，会影响薄膜的沉积速率、形貌、结构，进而影响薄膜的性能。由于溅射过程涉及多物理场问题，复杂程度高，目前没有完整的溅射理论，通常通过实验来确定沉积速率与工艺参数之间的关系。

邢晓帅等[1]采用直流磁控溅射技术在硅衬底上制备钨薄膜，研究了气压对钨薄膜沉积速率、电阻率的影响，结果表明沉积速率随溅射气压的增加先达到峰值，然后下降，薄膜的电阻率随溅射气压的增加而增加。张玉宝等[2]采用反应磁控溅射技术在Al₂O₃陶瓷基底上制备了TaN薄膜，研究了不同工作气压对薄膜微观结构、粗糙度、沉积速率、膜基结合力、电学性能的影响，发现在工作气压为0.4Pa时，薄膜的膜基结合力和沉积速率最高、导电性和致密度最好。宋鸿佳等[3]采用射频磁控溅射技术分别在玻璃和硅基底上沉积了Ta₂O₅薄膜，发现薄膜的沉积速率随着沉积气压的增大而减小，在可见光区薄膜的平均透射率随着沉积气压的增大而增大。黄士勇等[4]用Monte-Carlo法模拟磁控溅射的厚度分布，分别计算了靶长、压强和靶基距对膜厚均匀性的影响，并用实际测量结果进行了验证，实验表明压强的变化对膜厚的影响明显，这是由于随着压强的增大，溅射粒子在输运中碰撞的次数增多，从而影响溅射粒子的溅射速率与空间分布。

在通常的薄膜沉积科学研究中，基体多是平片样品，靶材与基体平行放置，因而沉积薄膜的厚度均匀性较好。但在工程应用中，很多异形零件需要镀膜，如头罩、凸轮、模具等。刘怀远[5]在球形工件内表面采用磁控溅射技术制备钛及氮化钛薄膜并研究了靶基距、沉积时间、入射角度、工作气压对薄膜结构及性能均匀性的影响。胡天时等[6]针对高功率脉冲磁控溅射技术在细长管内壁沉积Cr膜，探究了工作气压对Cr靶的放电等离子体输运特性和管内Cr膜沉积的影响规律，并优化沉积工艺参数，显著改善了内壁膜层的均匀性。张健等[7]通过调节直流磁控溅射的气压与温度，优化了异形工件复杂内腔结构镀Au膜的膜厚均匀性。顾宏宇[8]针对飞行器光学成像设备上常用的多曲面共体反射镜沉积薄膜均匀性的难点，仿真靶基相对运动，采用高功率脉冲磁控溅射技术寻找最佳的膜层均匀性工艺。异形结构不可避免地导致在工件不同位置发生斜入射沉积，由于“阴影效应”导致工件不同位置膜层厚度、微结构和性能的差异[9,10]。在工件服役过程中，薄膜的薄弱处容易失效、脱落，致使基体遭受破坏。因此研究异形工件镀膜均匀性具有十分重要的意义。为此，本工作针对工业常见的曲面工件，研究了不同氩气气压对磁控溅射镀膜均匀性的影响;为了验证不同气压条件下的成膜机理进行了相应的物理仿真。

1、实验

1.1 工件及陪衬样准备

曲面工件外直径约200mm，内直径约180mm，材质为不锈钢。

为了测量曲面工件不同位置处的镀层厚度，将双面抛光(001)晶向的矩形平面小硅片(尺寸约15 mm×20mm)作为陪衬样用导电铜胶带粘贴在曲面工件内、外形面不同角度位置(内0°、内45°、内90°、外0°、外45°、外90°)，如图1所示，胶带粘贴部位对镀膜形成了阻挡。镀膜完毕取下硅片用丙酮去除残余胶带，这样在硅片上胶带覆盖位置与未覆盖位置形成台阶，通过台阶仪进行测量从而获得镀层厚度。使用Bruker Dektak XT台阶仪对硅片上的膜层台阶高度进行测量。每个位置测量3个点取平均值,该台阶仪的垂直分辨率优于0.1 nm,重复性<0.5 nm,以确保厚度数据的可靠性。

1.2 镀膜工艺参数

曲面工件与陪衬样经酒精与丙酮清洗后放入真空室内,铝靶纯度优于99.9%,靶体布局如图2所示,其中上靶靶基距300 mm;下靶靶基距100mm;左靶靶基距200 mm;右靶靶基距200 mm。首先进行抽真空,本底真空度优于5×10⁻⁴ Pa后, 100℃烘烤30 min,之后进行辉光放电清洗,清洗完毕后进行镀膜。镀膜总时长30 min,工件加载脉冲偏压为-300V。采用恒靶电流模式,靶电流设置为:上靶电流1.5A;下靶电流2.5A;左靶电流2.0A;右靶电流2.0A。充入高纯氩气,氩气压力分别为0.3、0.6、0.9、1.2Pa进行4轮实验。

1.3 镀层平均厚度测试方法

镀层的平均厚度通过增重法进行计算取得,计算公式如下:

式中, T为镀层厚度; m 2 是工件镀后质量; m 1 是工件镀前质量; Δm是辉光放电清洗过程中的质量损失,该损失量可以通过简单的清洗实验得出,主要参数为清洗气压2.0 Pa、偏压-900 V、清洗时长30 min,4轮实验的辉光放电清洗均在此条件下进行; S是工件镀膜总表面积; ρ是铝镀层密度。

1.4 镀层厚度均匀性测试方法

镀层的厚度均匀性通过式(2)进行计算

式中, H是厚度均匀性; T max 是不同角度位置台阶仪测量厚度的最大值; T min 是不同角度位置台阶仪测量厚度的最小值; T ˉ是不同角度位置台阶仪测量厚度的平均值。 H值越接近1表明镀层厚度均匀性越好。

2 物理仿真

2.1 模型的建立

磁控溅射镀膜过程中,会在靶面形成类似跑道形的等离子体溅射区域,溅射出的原子或分子主要集中于该区域,如图3a所示。图3b为磁控溅射靶表面轮廓曲线,根据该曲线可以获得较为精确的溅射位置。由于工件在镀膜过程中是绕竖直轴转动的,在转动的各个方向上靶对工件的贡献是均匀的,因此三维几何模型可以用二维轴对称几何模型代替。

2.2 物理过程

磁控溅射镀膜过程中,在电场作用下,电子获得能量与氩原子碰撞,若电子能量足够会让氩原子电离出氩离子和新电子。在电场作用下,新电子飞向基片,氩离子飞向靶,并以高能量轰击靶表面,使靶发生溅射。在溅射粒子中,中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。主要考虑如下模型:

电子密度方程:

其中, n e 是电子密度; t是时间; Γ e 是电子密度通量; R e 是电离率; u是气体速度,考虑为0。

其中, μ e 是电子迁移率; E是电场; n e 是电子密度; D e 是电子扩散系数。

电子能量密度方程:

其中, n ε 是电子能量密度; Γ ε 是电子能量密度通量; S en 是电子能量产生率。

其中, μ ε 是电子能量的迁移率; D ε 是电子能量的扩散系数。

静电场方程:

其中, D是极化矢量; ρ e 是电荷密度。

电场:

其中， Ｅ 是电场强度； Ｖ 是电势。

离子密度演化方程:

其中, ρ是氩粒子密度; w是离子浓度; j是离子流密度; R j 是电离率。

离子漂移速度:

其中, V d 是离子漂移速度; D j,m 是离子的扩散系数; z j 是离子电荷; u m 是离子的迁移率。

边界电子密度通量:

其中, n是壁的法向矢量; r e 是电子在壁上的反射系数; v e, th 是电子的热速度。

边界电子能量密度通量:

粒子运动方程

其中, m p 是粒子质量; v是粒子速度; F是粒子总受力。

发射粒子的速度分布:

其中, φ是方位角; θ是极角。

粒子碰撞概率模型:

其中, n是气体数密度; v是粒子速度; v g 是单个原子或分子的速度,考虑为0。

弹性碰撞模型

其中, m g 是氩原子质量; m p 粒子质量; g是相对速度, g =  v −  v g ; g ′是碰撞后的相对速度, g ′ =  ∣g∣R, R是随机单位矢量。

在上述模型中,采用有限元方法求解等离子体场相关的方程,可以获得在特定工艺参数下的等离子体环境参数,包括真空室内、靶面附近的等离子体密度等信息。在此基础上,使用粒子方法模拟靶面上的靶原子发射、与背景气体的碰撞、空间输运等过程,并获得基片表面沉积的靶原子的通量,由此可以计算沉积膜层的厚度。

在这个过程中,一方面,靶面上的原子溅射速率与靶面附近的等离子体密度呈正比;另一方面,靶原子在空间中的输运过程中与背景气体的碰撞概率与真空室内的气压呈正比。

使用上述模型，在不同的工艺参数下，获得了基片上的膜层的厚度分布。

3、结果与讨论

3.1 镀层平均厚度

不同氩气气压镀膜的镀层平均厚度结果列于表1中，图4是不同氩气气压对应的镀层平均厚度曲线。从图中可以看出镀层平均厚度随着氩气气压的变大呈现出先增大后减小的变化趋势，这说明存在最佳气压对应最大的镀膜速率。由表中数据可以看出当氩气气压在0.6Pa附近时镀层平均厚度取得最大值，约为5.29μm。

表1 不同氩气气压镀膜的平均厚度

3.2 镀层厚度均匀性

表2是不同氩气气压时镀膜后陪衬样的台阶仪数据。

表2 不同氩气气压镀膜厚度分布 μm

图5是不同氩气气压下镀层厚度与位置关系曲线图。内形面的厚度分布按照90°→45°→0°逐渐变大，这主要受下靶与内形面不同位置的距离影响，距离越近，镀层厚度越厚。外形面的厚度受靶基距与靶电流的共同影响，没有明显规律。图6是通过式(2)计算得到的厚度均匀性与氩气气压关系曲线，在氩气0.6Pa时曲面工件厚度均匀性最佳。

3.3 外形面不同位置处镀层厚度与氩气气压关系

图7是外形面不同位置处镀层厚度与氩气气压关系曲线图,图7a为实测值与三阶多项式拟合图;图7b为有限元分析仿真结果。随着氩气气压的增大镀层厚度均表现出先增大后减小的趋势,为了获得镀层厚度取得最大值时对应的氩气气压，对数据进行了三阶多项式拟合,结果如下:外0°位置在0.54Pa时取得最大厚度4.52μm;外45°位置在0.77 Pa时取得最大厚度4.51μm;外90°位置在0.59Pa时取得最大厚度4.56μm。不同位置在不同气压下的结果与靶状态

由气体分子运动论可知,气体分子平均自由程与压强有如下关系[11]:

其中, λ是气体分子的平均自由程; k是波尔兹曼常数; T是气体温度; σ是气体分子直径; P是压强。由上式可以得知,在保持气体温度与气体种类不变时,气体分子的平均自由程随压强的增大而减小,溅射原子与气体分子的相互碰撞次数随之增加,二次电子发射随之增强。

由气体放电理论可知[12],电流密度 j与汤生第三电离系数 γ和阴极位降区厚度 d的关系如下式描述:

其中, ε 0 是真空中的介电常数; μ i 是离子的迁移率; V是阴极位降。从上述分析可知,压强增大时,二次电子发射会增强,那么 γ就增大,同时 d将随之减小,由式(18)可知,电流密度将增大,因此沉积速率会增大。

工作气压过大时,沉积速率会减小,其原因如下:(1)由于气体分子的平均自由程变小,溅射原子的背反射和受气体分子散射的几率增大,并且该影响超过了放电增强的影响。经多次碰撞后部分溅射原子会脱离沉积区域，而导致沉积速率降低。(2)随着单位体积内氩气分子的增多，溅射原子与其碰撞次数将大量增加，导致溅射原子的能量在碰撞过程中损失很多，使得粒子抵达基片的数目减少，沉积速率下降。

因此，随着氩气气压逐渐增大，外形面不同位置处镀层厚度均表现出先增大后减小的趋势。

下面分析曲面工件外形面不同位置最大镀层厚度对应的“最佳气压”偏差的可能原因。对于曲面工件的外形面,不同位置相对于各个靶源的入射角度不同。在外45°这样的倾斜位置相较于正对靶源的位置(外0°、外90°),溅射粒子的飞行路径更长,与背景气体碰撞的几率更大。当气压升高时,碰撞加剧,对于倾斜入射的位置,粒子可能经历更复杂的散射过程。可能存在一个“竞争机制”:在较低气压(如0.3~0.6 Pa),放电增强(电流密度增大)带来的正面效应主导,所有位置沉积速率增加;当气压继续升高,碰撞散射导致的粒子能量损失和路径偏转效应开始凸显,且这种效应对不同入射角度的敏感度不同。对于外45°位置,其“最佳气压窗口”可能因其特殊的几何位置,且同时受到上左右三靶共同作用而右移(即需要更高的气压来平衡因角度带来的额外散射损失),从而导致图7a中其厚度峰值出现在比外0°和外90°更高的气压下。

3.4 内形面不同位置处镀层厚度与氩气气压关系

图8是内形面不同位置处镀层厚度与氩气气压关系曲线图,图8a为实测值;图8b为有限元分析仿真结果。随着氩气气压逐渐增大镀层厚度均表现出减小的趋势。曲面内形面作为一个半封闭的空间，在实验气压范围内，更容易发生如下现象:随着氩气气压增大，气体分子的平均自由程减小，碰撞频率增大，而导致溅射原子的能量损失、反射和散射几率变大，这些均会降低沉积速率。

物理仿真结果(图7b,8b)与实验测量值(图7a，8a)的变化趋势基本一致。各位置均有一定的偏差，以0.6Pa时外0°位置为例，仿真预测厚度为4.48μm,实验值为4.50μm,相对偏差小于0.5%。对于内形面，仿真整体上略微高估了沉积厚度，在0.3Pa时内0°位置的相对偏差约为5%。这种偏差可能源于仿真模型中对靶面刻蚀区域形貌简化、忽略了溅射过程中靶面状态(如粗糙度变化)对溅射产额和粒子角分布的影响，以及将三维旋转工件简化为二维轴对称模型所带来的近似。尽管如此，仿真成功复现了内外形面沉积行为对气压响应的差异，验证了理论分析。

4、结论

本研究系统考察了氩气工作气压(0.3，0.6，0.9，1.2Pa)对不锈钢曲面工件磁控溅射镀铝工艺的影响。实验结果表明:镀层的平均厚度与整体均匀性均随气压升高呈现先增后减的趋势，并在0.6Pa附近达到最佳值。

研究进一步揭示了曲面几何带来的复杂影响:工件外形面各处的镀层厚度随气压变化呈先增后减;而内形面的厚度则随气压升高单调下降。这种差异源于气压通过调控溅射粒子的平均自由程和碰撞频率，同时产生“放电增强”(提升沉积速率)与“碰撞散射”(降低沉积速率)2种竞争效应。对于开放的外形面，两种效应竞争形成峰值;对于半封闭的内形面，散射损失始终占主导。物理仿真的结果与实验趋势基本吻合，验证了理论分析的可靠性。

该工作明确指出，对于异形结构工件，由于其表面各点靶基距与粒子入射角等边界条件不一致，导致对同一工艺参数(如气压)的响应不同，这是实现均匀镀膜的主要挑战。本研究明确了特定工艺下优化气压的量化区间(~0.6Pa)和深入的理论机理解释。

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（注，原文标题：氩气气压对磁控溅射镀膜厚度与均匀性的影响_程义卫）

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