4.2 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍工艺
4.2.1 真空磁控溅射镀膜的基本原理
阴极溅射现象可以追溯到1852年Grove的发现，但相关研究工作直到20世纪50年代前后才开始。60年代中后期P.D.D.Avidse和L.Holland等人开发了射频溅射技术，可溅射各种介质，在基片上镀膜，这是阴极溅射第一次历史性重大突破。但是沉积速度低，仅数百Å/分钟，而基片升温高达400℃，不适合用来制取薄膜，因为达不到实际应用的目的。自1969年以来，柱状磁控溅射技术得到迅速发展[4]。1971年P.J.Clarke公布了S-枪式磁控溅射源专利。直到1974年年初，J.S.Chapin首次发表了关于平面磁控溅射镀膜的论文，并命名为“磁控溅射”（Magnetron Sputtering）[12]。该技术将沉积速度提高了一个数量级，并能将基片温度降至100℃，因此又称为“低温高速磁控溅射”。磁控溅射的特别之处在于，靶材表面建立了与电场正交的磁场，所谓磁控原理是采用正交电磁场的特殊分布，控制电场中电子运动的轨迹，使电子在正交电磁场中作摆线运动，从而显著增加了与气体分子碰撞的概率[13]。这样的结构更有利于制作大面积的溅射源，适合非金属材料的金属化[14,15]。由于磁控溅射优点多，在短短的十余年里得到了飞速发展，各种类型的磁控溅射装置相继出现[4]，并因此赢得了“表面技术划时代的创举”和“20世纪70年代最重大的科技成果之一”的美誉。
自20世纪80年代以来，磁控溅射技术发展迅猛，其应用领域得到了极大的扩展。磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位。随着工业生产和科学研究领域对高质量、特殊性能薄膜的需求日益增长，磁控溅射在技术创新的时代，其工艺技术推陈出新的优势和创新潜力备受青睐。
随着科技创新的深入和拓展，创新项目的层出不穷和创新领域的交汇融合，可以预料，诸如电阻薄膜、超大电容薄膜、超导薄膜、智能线路板的线路图配线膜、集成电路线路的阻抗膜、聚光膜、液晶显示元件中的透明电极膜、太阳能电池的光电转换膜、各类传感器上的特性机能膜，以及在它们基础上不断推出的新成果已经和可能在新能源、新材料、生物工程、大规模集成电路、新一代计算机、航天航空、人工智能等领域建功立业，潜在的创新能力和成果令人期待[16]。
真空磁控溅射镀镍法是在真空环境下以磁控溅射镀膜技术为核心，对聚氨酯海绵模芯进行导电化处理的技术应用。
真空磁控溅射镀膜过程是溅射镀膜技术的一种优化应用。溅射镀膜的过程是利用带电离子在电场中加速获得动能后，将其引向由待镀材料制成的靶材。当离子动能足够时，就能够在与靶材表面原子的碰撞过程中将其溅射出来。这些被溅射出来的原子具有入射离子传递来的动能，它们能够沿着一定方向射向衬底并沉积在其表面，从而实现薄膜的沉积。在一般的溅射镀膜方法基础上，引入阴极靶表面磁场，利用磁场对带电离子的约束达到提高等离子体密度目的，从而提高溅射效率和膜的沉积效率的方法就是磁控溅射镀膜技术。必须说明的是，未进入磁控溅射工序之前，对作为衬底的材料，本书称之为“聚氨酯海绵”，简称“海绵”；海绵进入磁控溅射工序后，成为工件，即真空磁控溅射镍在制品。有关磁控溅射工序在制品及制成品名称表述说明见2.3.3节。
从膜层品质出发，磁控溅射镀膜的优势主要表现在膜层厚度重现性和可控性好、薄膜与基材的附着力强、膜层的纯度高等方面。由于磁控溅射的专业设备运行稳定、自动化程度高、生产工艺参数锁定，因此制作过程处于稳态，其膜层厚度的重复性得到了保障；制造条件如氩气流量、给定电流、镀膜室温度等可以精确控制，膜层厚度的可控性高。但是，膜层成膜速度低、装置结构复杂、设备一次性投资大。
4.2.2 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍工艺流程
采用真空磁控溅射镀膜技术在聚氨酯海绵上均匀镀覆一定厚度的镍层，是泡沫镍生产制造过程的重要环节之一。不同规格的海绵在真空磁控溅射镀膜设备中经过导电化处理，形成符合要求的、电铸前的海绵模芯。真空磁控溅射镀镍工艺的生产流程如图4-1所示。磁控溅射在制品带材处于真空环境中，匀速地从两侧已配置镍板阴极靶的磁控溅射室中间位置通过，靶电源通电后阴极靶面在高压和强电场的作用下产生放电现象，致使阴极靶面的镍原子溅射出来，沉积到磁控溅射室中间的在制品上，使作匀速运动的在制品均匀地吸附镍原子形成膜层，完成真空磁控制溅射镀镍后，成为该工序的制成品，即模芯。模芯最后以匀速运动走带到收卷室被卷绕成边缘相对整齐的模芯卷。
图4-1 真空磁控溅射镀镍工艺流程
聚氨酯海绵模芯真空磁控溅射镀镍的关键生产步骤如下。
（1）复卷：将约几百米长的聚氨酯海绵边缘整齐地复卷在备用的收卷辊上。
（2）装料：将聚氨酯海绵卷放在放卷室，通过导向辊把磁控溅射室中间的引带布与放卷室的海绵连接；启动卷绕系统，将海绵与引带布的接头牵引至磁控溅射室下方导向辊处。
（3）抽真空：确认每个阴极靶面干净后检测其绝缘性能，清洁真空室体，开启真空机组，按照真空泵的工作范围，从粗抽到精抽逐级启动各种真空泵。
（4）镀膜：待真空度达到本底真空度后，按照设定的工艺参数，充入惰性气体（氩气），依次开启靶电源、张力控制系统、走带控制系统等开始实施镀膜。
（5）复卷检测：完成镀膜工艺后，得到磁控溅射的制成品，即磁控溅射镀镍模芯，几百米长的模芯带材在收卷室卷被绕成模芯卷材。在真空室体内充入洁净空气后，将模芯卷材移出收卷室，在专用的复卷机上对模芯实施产品性能检测、复卷（分卷）并裁边成端面整齐的模芯卷材，然后包装、存放。
4.2.3 真空磁控溅射工艺中镍靶的设计
如前所述，真空磁控溅射技术应用于聚氨酯海绵的导电化处理是行之有效的方法。在此过程中，合理设计和正确使用镍靶材至关重要。
1．靶材的制备方法
靶材是真空磁控溅射镀镍的主要耗材，使用量大，且其质量关系到聚氨酯海绵导电化处理的工艺水平，是决定海绵模芯质量性能的关键因素。因此，必须严格控制靶材的质量[17]。
根据不同的生产工艺，磁控溅射靶材的制备方法可分为两类：熔融铸造法和粉末冶金法[18]。为了保证靶材质量，在靶材制备过程中，除纯度、致密度以及结晶取向之外，对热处理工艺等后续加工条件也须严格控制。真空磁控溅射靶材的一般制造流程如图4-2所示。
图4-2 真空磁控溅射靶材的一般制造流程
2．靶材的质量标准
大量实验表明，纯度、密度、晶粒尺寸及其分布、结晶取向和结构均匀性等性质是影响靶材质量的主要因素[17]。靶材的纯度越高，溅射沉积的镍层薄膜的性能越好。通常，镍靶中的杂质和靶材气孔中的氧和水分是溅射沉积镍层薄膜的主要污染源。表4-4给出了实际生产中常用镍靶的纯度质量指标[17]，即镍靶杂质允许含量（质量百分数）。
表4-4 镍靶杂质允许含量（质量百分数）
为了减少镍耙中的气孔并改善溅射沉积镍层薄膜的性能，通常要求镍靶材具有较高的致密度。镍靶材的致密度不仅影响溅射时的沉积速率、溅射膜的密度，还影响溅射沉积薄膜的电学性能。镍靶材的致密度主要取决于制备工艺，通常，熔融铸造法制备的靶材致密度高，而粉末冶金法制备的靶材致密度则相对较低。镍靶材的晶粒分布也会影响沉积镍层性能，晶粒细小的靶溅射速率要比晶粒大的靶快；而晶粒分布均匀，尺寸差距较小的靶，沉积的镍厚度分布也较均匀。由于在溅射时靶材原子容易沿着最紧密排列的方向优先溅射出来，因此，可通过改变镍靶材的晶体结构来增加溅射速率[17]。图4-3是常用平面镍靶的实物照片，其表面光滑且均匀。
图4-3 常用平面镍靶的实物照片
3．磁控溅射靶的类型及靶的结构
在磁控溅射装置中，有各种类型的靶，如矩形平面靶、S-枪靶、同轴圆柱形靶、旋转式圆柱形靶等。它们的结构主要由水冷系统、阴极体、法兰、屏蔽罩、靶材、极靴、永磁体、压紧螺母、压环、密封件、绝缘件及螺栓等连接件组成。其中，旋转式圆柱形靶的阴极体具有旋转和密封结构；S-枪靶中设置了用于引弧的辅助阳极等结构，使之具有不同的特点[5]。