Page 5 - 《真空与低温》2026年第2期
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124 真空与低温 第 32 卷 第 2 期
0 引言 管道及其表面均匀排列的小孔构成，气体由进气端
导入后经小孔喷出；二元型则为多级对称管路串联
在工业化 PVD 镀膜刀具的批量生产中，除了
结构，气体逐级分配至末端出口。二元型结构对加
薄膜的厚度、硬度、结合力、耐磨性等物性指标外，
工与装配精度要求极高，且在实际运行中容易因为
镀膜刀具的外观一致性也是一个极为重要的指标 [1-3] ，
热变形而破坏对称性，导致气流分布不均匀，因此
是衡量一台 PVD 镀膜设备质量的重要技术参数 。
[4]
工业中平面阴极系统多选用结构较简单的单管喷
薄膜不均匀主要包括薄膜厚度不均匀和薄膜材料
嘴型管路。
成分不均匀。受 PVD 工艺过程中多重因素的影响，
控制刀具镀膜批量生产的均匀性是一项工程性难 出气
[5]
题 。大多数研究者都从沉积温度、阴极磁场布局、放 进气
电参数等方面入手降低色差，但是，这些参数调节 （a）单管喷嘴型
范围有限，甚至会降低薄膜的某些重要力学性能 [4-6] 。
出气
一些多元化合物薄膜，如丝锥表面常用的 TiCN 薄
膜，其成分配比是导致颜色变化的直接诱因 [7-9] 。
PVD 镀膜过程中，影响成分均匀性的关键因素是 进气
（b）二元型
阴极系统的工作气体分布，而布气结构是生产过程
中最容易被忽略的因素 ，然而，相关的研究不够 图 2 两种布气管路示意图
[10]
深入，可操作性不强。为了获得外观均匀一致的高 Fig. 2 Schematic diagrams of two gas distribution configurations
质量薄膜，合理的布气结构设计是非常重要的技术
目前针对单管喷嘴型布气结构的理论研究尚
手段。本文根据阴极靶的具体空间结构分布，采用
不充分，使用者普遍采用等孔径小孔进行气体分配，
有限元仿真计算和实验验证方法，对均匀布气结构
并试图通过缩小孔径或增大管径来改善气体分布
进行研究与优化，以提高刀具薄膜的均匀性。
的均匀性，然而，制备的膜层仍存在明显均匀性缺
1 布气结构原理分析 陷，表明布气效果仍需进一步优化。
布气结构直接影响工作气体在薄膜沉积室内 气体自布气管路小孔流出后，经空间扩散抵达
的分布。图 1 为常用的平面阴极系统的布气结构 阴极靶面。其均匀性主要取决于两个关键因素：
示意图。可以看出，布气管对称布置于平面阴极靶 一是沿气流方向各布气气孔的流量一致性；二是气
两侧。气体自管路流出后，经内部流动及与周围结 体在空间的扩散均匀程度。实现各孔流量一致是
构的碰撞扩散，最终须在阴极靶面轴向均匀分布， 均匀布气的基础。若保持孔径与孔距不变，由于沿
才能保证等离子体对靶材的均匀刻蚀及稳定的离 程压力损失的影响，各孔出口流量将呈现梯度变
子化学反应 [11-12] 。 化 [13-14] 。为此，须沿气流方向，遵循一定的变化规律
逐步调整孔距，以确保各孔气体流出量一致。在此
平面阴极
基础上，还须保证气体在扩散过程中充分混合，以
布气管路 布气管路
实现靶面气流的最终均匀分布。
本文以单管喷嘴型管路为研究对象，模拟渐变
气流方向 气流方向
等离子体 孔距管路的气流分布，通过对布气影响因素的分析，
采用相关结构改变来优化布气。
2 仿真模拟
基材
2.1 管路气体流量仿真建模
图 1 平面阴极系统布气结构示意图 运用有限元方法对单管型气路的气体分布进
Fig. 1 Schematic of gas distribution structure in a planar [15-16]
行流体建模仿真 ，并对孔间距相等和渐变两种
cathode system
结 构 的 气 体 分 布 进 行 对 比 分 析， 采 用 COMSOL
图 2（a）（b）分别为两种典型的布气管路结构： Multiphysic 软件进行仿真计算。选用 COMSOL 软
[13]
单管喷嘴型与二元型 。单管喷嘴型结构由单层 件中的三维层流模块，按照布气管路的尺寸建立
