磁控溅射离子镀技术因具有沉积温度低、镀层成分易于精确配比、镀层颗粒精细等特点,而使该技术在模具、刃具、光学器件和高档装饰品等工业应用领域中倍受青睐。本文基于镀层厚度在三维空间内分布不匀,即镀料粒子呈不均匀分布状态的运动规律,优化设计了五种非平衡度的非平衡磁控阴极和六种闭合状态的磁控系统,表征了不同磁场组态下 Cr镀层的沉积效果,结合Ansys有限元分析软件对磁场组态的计算结果和Langmuir探针对气体放电等离子体的实测数据,揭示磁场参量在溅射机制范畴内对镀层沉积效果干预作用的局限性,从等离子体物理学角度剖析当前运行于气体辉光放电区间的磁控溅射离子镀技术难以将镀料粒子充分离化的必然性。基于对气体放电伏安特性的深入理解,提出了采用高频脉冲电场将气体放电维持于辉光放电向弧光放电过渡的非稳定临界微弧状态,使镀料脱靶机制发生由“级联碰撞”向“热发射”转变的理论模型,并通过提高瞬时气体放电强度实验结果初步验证了微弧离子镀原理的可行性。本研究主要内容包括：　　⑴磁场参量的设计、测量与模拟。采用非平衡度K值作为非平衡态磁控阴极磁力线发散程度表征参量。通过调整四个磁控阴极内的外沿磁铁的“N”、“S”极性的排列顺序,可使磁控系统获得不闭合态、半闭合态和完全闭合态。经Ansys软件将不同磁场组态的磁力线分布状态进行模拟:磁控阴极的磁力线向远离靶材表面区域的发散程度与K值成正比,不闭合态磁场中相邻磁控阴极之间由于彼此外沿磁铁磁性相斥而形成镜像型磁场,完全闭合态磁场中每对相令B的磁控阴极之间的磁力线均收尾相连形成封闭型磁场,同时也均匀地扩展至远离靶材表面区域的真空腔中央。　　⑵磁场组态对镀层沉积效果表征。非平衡磁控阴极K值的改变未能出现将镀料扩散至远离靶材表面的区域,所以依靠磁场非平衡度的作用功效难以改善镀层厚度的均匀性。磁场非平衡度的改变,仅能因不同的磁控放电伏安特性而产生镀层厚度的差异。不同非平衡度磁场环境对镀层微观形貌的影响效果仅在距离靶材表面较近的60mm范围内有明显体现,随着靶基径向距离的增大,不同非平衡磁场参量下的镀层微观形貌趋于相似,无明显差异特征。磁控系统在不闭合、半闭合和完全闭合状态下,均不能改善镀层厚度沿靶基径向锐减的趋势。不同磁场闭合状态下,随着磁场闭合程度的增加,沉积Cr镀层由稀疏的柱状晶组织转变为致密的柱状晶组织再转变为无明显柱状晶形貌的晶体组织。　　⑶不同磁场组态条件下的等离子体诊断分析。由Langmuir探针对真空腔内不同位置处等离子体分布的实测结果可以证实,随着磁控阴极K值的增大,磁力线发散程度的加强导致了束缚于临近靶材表面区域的等离子体密度显著降低,但向远离靶材表面方向扩展等离子体区域的期望仅在距离靶材表面60mm范围以内易于实现。故有且仅有在此范围内时镀层的沉积效果能受到磁控阴极K值的明显干预。磁场完全闭合态的情况时因为相邻磁控阴极间封闭型磁场的存在,使真空腔内则出现等离子体密度越至腔体中心越高于临近靶材表面区域的现象。封闭的磁控系统可以依靠进一步提高的基片偏流密度消除单一磁控阴极工作时镀层生长的“阴影效应”,且磁力线闭合程度的增强能改变镀层柱状生长模式。　　⑷微弧离子镀电场作用机制的理论推演。由真空腔内实测气体辉光放电等离子体密度分布状态和镀层厚度分布状态的不一致性,证实溅射过程中的镀料粒子属性绝大多数为不受电磁场约束的中性原子。溅射范畴内的镀料粒子离化率低的主要原因是真空腔内的电子、镀料粒子及气体原子三者数量之间存在数量级差异,因而导致电子与镀料粒子的碰撞电离几率极低。提高阴阳极间电场强度,将气体放电维持于辉光放电向弧光放电过渡的非稳定临界微弧状态,可以增大电子密度和电子温度,并有望通过Q=12Rt热效应使镀料脱靶机制发生由“级联碰撞”向“热发射”转变,增大电子与镀料粒子的碰撞几率和潘宁电离在离化行为中的比例,提高镀料粒子的离化率。依靠日趋成熟的高频大功率开关器件构建的脉冲电场,提高瞬时气体放电强度获得与等电通量条件下直流电能供给模式不同微观结构的Cr镀层,初步验证了微弧离子镀原理的可行性。