降低无气体（真空）磁控管在直流模式下的自溅射阈值

《Vacuum》：Reducing the self-sputtering threshold of a gasless (vacuum) magnetron in DC mode

该研究通过降低磁控溅射系统的轨道直径、提高放电电压（减弱磁场）以及使用高溅射效率材料，成功将真空DC模式下自溅射的阈值电流降低至原值的1.2-1.5倍，解决了传统真空磁控溅射启动电流高的问题，提升了涂层质量和沉积效率。

　　近年来，磁控溅射技术在材料表面改性领域得到了广泛应用。其核心在于利用磁控放电过程，通过高能离子轰击靶材表面，使材料原子或分子脱离并沉积在基底上，形成高质量的薄膜。传统磁控溅射系统通常需要引入工作气体（如氩气），以维持放电过程并促进溅射效应。然而，随着研究的深入，人们开始探索在无气体（真空）条件下运行的磁控溅射系统，这种系统被称为真空磁控溅射。与常规磁控溅射相比，真空磁控溅射具有更高的离子轰击效率和更低的气体污染，因此在某些高精度制造领域展现出独特优势。

真空磁控溅射的实现依赖于两个关键因素：一是放电电流密度，二是靶材的溅射产率。电流密度指的是单位长度上的放电电流，通常以安培每厘米（A/cm）为单位衡量。提高电流密度可以增强放电过程中的离子轰击强度，从而更有效地促使靶材进入自溅射模式。自溅射模式意味着放电过程不再依赖外部气体离子，而是主要由靶材本身的金属离子维持。这种模式不仅提高了涂层的质量，还减少了气体杂质的引入，使得沉积过程更加清洁。

然而，真空磁控溅射的电流阈值通常较高，达到几安培的范围。这限制了其在某些低功率应用中的使用，同时也增加了系统的热负荷。为了维持稳定的放电和良好的热管理，必须确保靶材能够有效散热。在实验中，通常采用直接水冷方式，通过在靶材表面设置多个冷却接口，将冷却水循环导入，以控制温度。这种冷却方式对于高功率放电尤为重要，因为高温可能导致靶材材料的不稳定或损坏。

研究人员发现，通过调整磁控溅射系统的结构参数，可以有效降低真空模式下的电流阈值。例如，减小环形轨道（racetrack）的直径，同时保持电流密度不变，有助于减少放电电流的最小值，从而实现稳定的自溅射。此外，提高放电电压，通过降低磁场强度，也可以增强金属离子的轰击能力，使放电更容易进入自溅射状态。这种方法在某些材料上表现尤为显著，特别是那些具有较高溅射产率的金属，如铜、银、金和镍。这些材料在真空条件下能够产生更多的金属离子，从而降低放电电流的需求。

相比之下，一些金属的溅射产率较低，如铌（γ = 0.65 atoms/ion at E_i = 600 eV），在尝试将其用于真空磁控溅射系统时，即使采用脉冲模式，也未能成功实现稳定的自溅射。这表明，材料的溅射产率对真空磁控溅射的可行性具有重要影响。因此，在选择靶材时，必须考虑其溅射产率和热导率等因素，以确保系统能够在无气体条件下稳定运行。

此外，实验结果还表明，增加靶材的溅射产率可以显著提高沉积速率。在一些实验中，研究人员使用了铜-钛和铜-铝的拼接靶材，这些材料的溅射产率高于纯铜，因此在相同放电条件下，能够实现更高的沉积速率。这进一步验证了材料选择在磁控溅射系统中的重要性，同时也为真空磁控溅射技术的优化提供了新的思路。

研究还指出，真空磁控溅射系统的运行不仅依赖于电流密度和电压，还与靶材的物理特性密切相关。例如，靶材的厚度、表面粗糙度以及材料的热导率都会影响放电的稳定性和沉积质量。在实验中，研究人员采用了不同厚度的铜、黄铜和铝作为靶材，以观察这些因素对系统性能的影响。结果表明，适当调整靶材厚度可以在一定程度上优化放电过程，提高沉积效率。

为了进一步提高真空磁控溅射系统的性能，研究人员还尝试了多种方法。例如，通过改变磁控溅射系统的几何结构，如增加靶材的表面积，可以增强放电的均匀性，减少局部放电现象。这不仅有助于提高沉积速率，还能改善涂层的均匀性和表面质量。此外，优化磁场分布和放电电压的调节方式，也可以有效控制放电过程，使其更加稳定。

研究还强调了真空磁控溅射技术在工业应用中的潜力。相比传统的真空电弧技术，真空磁控溅射具有更高的沉积效率和更低的气体污染，因此在某些高精度制造领域具有明显优势。然而，真空电弧技术在某些情况下仍然不可替代，因为它能够提供较低的放电电压，使得系统运行更加节能。因此，如何在不同应用场景中选择合适的放电模式，成为研究的一个重要方向。

总体而言，真空磁控溅射技术的优化需要综合考虑多个因素，包括电流密度、电压、磁场分布、靶材材料和结构等。通过调整这些参数，可以有效降低放电电流的阈值，提高系统的稳定性，同时保持较高的沉积速率和涂层质量。这种技术的发展不仅有助于提高材料表面改性的效率，还可能推动新型涂层材料的开发和应用。