为提升铜基部件在严苛环境下的耐久性,常需在其表面沉积一层“防护”薄膜。本次在和用户研究的过程中,利用SD-650MH型高真空磁控溅射镀膜设备,在铜基底表面沉积3μm厚的纯钛薄膜,以显著提高铜件的耐腐蚀性能和膜-基结合力。
上述特点使SD-650MH在薄膜工艺中能够提供一个高纯度、稳定可控的镀膜环境,既保证了膜层质量,又提高了制备效率,满足工程研发人员对工艺重复性和可靠性的要求。
溅射条件/参数/流程
整个镀膜工艺流程包括从基底处理到膜层沉积完成的多个阶段。下面按照实际操作顺序进行说明:
基底预处理:首先对铜基底进行严格的清洗和装夹。采用丙酮和无水乙醇对铜工件分别进行超声清洗(各15分钟),以去除油污和氧化层,随后用高纯氮气吹干表面。清洗后的工件被固定在样品台上,确保溅射表面与钛靶平行,且两者间距保持在80–100 mm范围。充分的洁净和正确的夹持有利于获得高结合力的膜层。
真空抽气:将工件装载于镀膜腔室后,启动真空系统分两步抽气。首先使用机械泵预抽,使腔体压力降至约4 Pa以下;随后切换开启涡轮分子泵,将真空进一步提升至5×10⁻⁴ Pa级别的高真空。这一高真空基底压强为随后溅射提供了洁净环境,减少了残余气体对膜层的影响。
等离子体起辉与预溅射:当腔体达到高真空后,通入高纯氩气将压力调节至约2 Pa,此压力为本工艺设定的起辉真空度。接通直流溅射电源并升至200W功率,在靶材与基底之间建立电场以击穿氩气形成等离子体。起始阶段可观察到腔体内弥漫出紫红色的辉光,这是氩等离子体的典型颜色(源于Ar⁺发射光谱)。在此条件下初始溅射速率约为0.5 Å/s。首先进行约5分钟的预溅射,此时工件被挡板保护不直接沉积。预溅射的目的在于清除靶材表面的自然氧化层和杂质,提高后续正式沉积时膜层的纯净度。
动态真空调节与钛膜沉积:预溅射完成后,移开挡板开始正式沉积钛膜。同时,通过动态调整真空度逐步优化溅射条件。具体而言,在维持电源功率200W不变的情况下,缓慢调节进气阀门以逐步降低腔体压力:将氩气压力从起始的2 Pa 逐步降低至约5×10⁻¹ Pa。在降压过程中,每当压力每降低约0.5 Pa便暂停调整约10秒,以观察放电辉光颜色和溅射速率的变化。随着真空度的提高(压力降低),溅射区域的等离子体逐渐由氩气主导转变为钛原子/离子所主导。当工作压力降至~5×10⁻¹ Pa时,肉眼可见辉光颜色从起始的紫红色过渡为明亮的蓝色,表示钛等离子体占主导,靶材溅射效率达到高点。此时测得溅射沉积速率由初始的0.5 Å/s大幅提升至约5.2 Å/s。实验发现,当进一步提高真空度(低于约3×10⁻¹ Pa)时,等离子体变得不稳定,出现辉光闪烁甚至熄灭,且溅射速率骤降。因此,本工艺将工作压力优化并维持在≈5 Pa左右,以兼顾稳定的等离子体和较高的沉积速率。整个沉积阶段保持基底温度接近室温(<50℃),如温度上升则开启水冷以散热。通过控制溅射时间(约90分钟左右)或借助石英晶体监测,可以精确实现所需的膜厚约3μm。