4.2 聚氨酯海綿真空磁控濺射鍍鎳工藝

4.2.1 真空磁控濺射鍍膜的基本原理

陰極濺射現象可以追溯到1852年Grove的發現，但相關研究工作直到20世紀50年代前后才開始。60年代中后期P.D.D. Avidse和L. Holland等人開發了射頻濺射技術，可濺射各種介質，在基片上鍍膜，這是陰極濺射第一次歷史性重大突破。但是沉積速度低，僅數百?/分鐘，而基片升溫高達400℃，不適合用來制取薄膜，因為達不到實際應用的目的。自1969年以來，柱狀磁控濺射技術得到迅速發展[4]。1971年P.J.Clarke公布了S-槍式磁控濺射源專利。直到1974年年初，J.S. Chapin首次發表了關于平面磁控濺射鍍膜的論文，并命名為“磁控濺射”（Magnetron Sputtering）[12]。該技術將沉積速度提高了一個數量級，并能將基片溫度降至100℃，因此又稱為“低溫高速磁控濺射”。磁控濺射的特別之處在于，靶材表面建立了與電場正交的磁場，所謂磁控原理是采用正交電磁場的特殊分布，控制電場中電子運動的軌跡，使電子在正交電磁場中作擺線運動，從而顯著增加了與氣體分子碰撞的概率[13]。這樣的結構更有利于制作大面積的濺射源，適合非金屬材料的金屬化[14,15]。由于磁控濺射優點多，在短短的十余年里得到了飛速發展，各種類型的磁控濺射裝置相繼出現[4]，并因此贏得了“表面技術劃時代的創舉”和“20世紀70年代最重大的科技成果之一”的美譽。

自20世紀80年代以來，磁控濺射技術發展迅猛，其應用領域得到了極大的擴展。磁控濺射技術已經在鍍膜領域占有舉足輕重的地位。隨著工業生產和科學研究領域對高質量、特殊性能薄膜的需求日益增長，磁控濺射在技術創新的時代，其工藝技術推陳出新的優勢和創新潛力備受青睞。

隨著科技創新的深入和拓展，創新項目的層出不窮和創新領域的交匯融合，可以預料，諸如電阻薄膜、超大電容薄膜、超導薄膜、智能線路板的線路圖配線膜、集成電路線路的阻抗膜、聚光膜、液晶顯示元件中的透明電極膜、太陽能電池的光電轉換膜、各類傳感器上的特性機能膜，以及在它們基礎上不斷推出的新成果已經和可能在新能源、新材料、生物工程、大規模集成電路、新一代計算機、航天航空、人工智能等領域建功立業，潛在的創新能力和成果令人期待[16]。

真空磁控濺射鍍鎳法是在真空環境下以磁控濺射鍍膜技術為核心，對聚氨酯海綿模芯進行導電化處理的技術應用。

真空磁控濺射鍍膜過程是濺射鍍膜技術的一種優化應用。濺射鍍膜的過程是利用帶電離子在電場中加速獲得動能后，將其引向由待鍍材料制成的靶材。當離子動能足夠時，就能夠在與靶材表面原子的碰撞過程中將其濺射出來。這些被濺射出來的原子具有入射離子傳遞來的動能，它們能夠沿著一定方向射向襯底并沉積在其表面，從而實現薄膜的沉積。在一般的濺射鍍膜方法基礎上，引入陰極靶表面磁場，利用磁場對帶電離子的約束達到提高等離子體密度目的，從而提高濺射效率和膜的沉積效率的方法就是磁控濺射鍍膜技術。必須說明的是，未進入磁控濺射工序之前，對作為襯底的材料，本書稱之為“聚氨酯海綿”，簡稱“海綿”；海綿進入磁控濺射工序后，成為工件，即真空磁控濺射鎳在制品。有關磁控濺射工序在制品及制成品名稱表述說明見2.3.3節。

從膜層品質出發，磁控濺射鍍膜的優勢主要表現在膜層厚度重現性和可控性好、薄膜與基材的附著力強、膜層的純度高等方面。由于磁控濺射的專業設備運行穩定、自動化程度高、生產工藝參數鎖定，因此制作過程處于穩態，其膜層厚度的重復性得到了保障；制造條件如氬氣流量、給定電流、鍍膜室溫度等可以精確控制，膜層厚度的可控性高。但是，膜層成膜速度低、裝置結構復雜、設備一次性投資大。

4.2.2 聚氨酯海綿真空磁控濺射鍍鎳工藝流程

采用真空磁控濺射鍍膜技術在聚氨酯海綿上均勻鍍覆一定厚度的鎳層，是泡沫鎳生產制造過程的重要環節之一。不同規格的海綿在真空磁控濺射鍍膜設備中經過導電化處理，形成符合要求的、電鑄前的海綿模芯。真空磁控濺射鍍鎳工藝的生產流程如圖4-1所示。磁控濺射在制品帶材處于真空環境中，勻速地從兩側已配置鎳板陰極靶的磁控濺射室中間位置通過，靶電源通電后陰極靶面在高壓和強電場的作用下產生放電現象，致使陰極靶面的鎳原子濺射出來，沉積到磁控濺射室中間的在制品上，使作勻速運動的在制品均勻地吸附鎳原子形成膜層，完成真空磁控制濺射鍍鎳后，成為該工序的制成品，即模芯。模芯最后以勻速運動走帶到收卷室被卷繞成邊緣相對整齊的模芯卷。

聚氨酯海綿模芯真空磁控濺射鍍鎳的關鍵生產步驟如下。

（1）復卷：將約幾百米長的聚氨酯海綿邊緣整齊地復卷在備用的收卷輥上。

（2）裝料：將聚氨酯海綿卷放在放卷室，通過導向輥把磁控濺射室中間的引帶布與放卷室的海綿連接；啟動卷繞系統，將海綿與引帶布的接頭牽引至磁控濺射室下方導向輥處。

（3）抽真空：確認每個陰極靶面干凈后檢測其絕緣性能，清潔真空室體，開啟真空機組，按照真空泵的工作范圍，從粗抽到精抽逐級啟動各種真空泵。

（4）鍍膜：待真空度達到本底真空度后，按照設定的工藝參數，充入惰性氣體（氬氣），依次開啟靶電源、張力控制系統、走帶控制系統等開始實施鍍膜。

（5）復卷檢測：完成鍍膜工藝后，得到磁控濺射的制成品，即磁控濺射鍍鎳模芯，幾百米長的模芯帶材在收卷室卷被繞成模芯卷材。在真空室體內充入潔凈空氣后，將模芯卷材移出收卷室，在專用的復卷機上對模芯實施產品性能檢測、復卷（分卷）并裁邊成端面整齊的模芯卷材，然后包裝、存放。

4.2.3 真空磁控濺射工藝中鎳靶的設計

如前所述，真空磁控濺射技術應用于聚氨酯海綿的導電化處理是行之有效的方法。在此過程中，合理設計和正確使用鎳靶材至關重要。

1. 靶材的制備方法

靶材是真空磁控濺射鍍鎳的主要耗材，使用量大，且其質量關系到聚氨酯海綿導電化處理的工藝水平，是決定海綿模芯質量性能的關鍵因素。因此，必須嚴格控制靶材的質量[17]。

根據不同的生產工藝，磁控濺射靶材的制備方法可分為兩類：熔融鑄造法和粉末冶金法[18]。為了保證靶材質量，在靶材制備過程中，除純度、致密度以及結晶取向之外，對熱處理工藝等后續加工條件也須嚴格控制。真空磁控濺射靶材的一般制造流程如圖4-2所示。

2. 靶材的質量標準

大量實驗表明，純度、密度、晶粒尺寸及其分布、結晶取向和結構均勻性等性質是影響靶材質量的主要因素[17]。靶材的純度越高，濺射沉積的鎳層薄膜的性能越好。通常，鎳靶中的雜質和靶材氣孔中的氧和水分是濺射沉積鎳層薄膜的主要污染源。表4-4給出了實際生產中常用鎳靶的純度質量指標[17]，即鎳靶雜質允許含量（質量百分數）。

為了減少鎳耙中的氣孔并改善濺射沉積鎳層薄膜的性能，通常要求鎳靶材具有較高的致密度。鎳靶材的致密度不僅影響濺射時的沉積速率、濺射膜的密度，還影響濺射沉積薄膜的電學性能。鎳靶材的致密度主要取決于制備工藝，通常，熔融鑄造法制備的靶材致密度高，而粉末冶金法制備的靶材致密度則相對較低。鎳靶材的晶粒分布也會影響沉積鎳層性能，晶粒細小的靶濺射速率要比晶粒大的靶快；而晶粒分布均勻，尺寸差距較小的靶，沉積的鎳厚度分布也較均勻。由于在濺射時靶材原子容易沿著最緊密排列的方向優先濺射出來，因此，可通過改變鎳靶材的晶體結構來增加濺射速率[17]。圖4-3是常用平面鎳靶的實物照片，其表面光滑且均勻。

3. 磁控濺射靶的類型及靶的結構

在磁控濺射裝置中，有各種類型的靶，如矩形平面靶、S-槍靶、同軸圓柱形靶、旋轉式圓柱形靶等。它們的結構主要由水冷系統、陰極體、法蘭、屏蔽罩、靶材、極靴、永磁體、壓緊螺母、壓環、密封件、絕緣件及螺栓等連接件組成。其中，旋轉式圓柱形靶的陰極體具有旋轉和密封結構；S-槍靶中設置了用于引弧的輔助陽極等結構，使之具有不同的特點[5]。