分流片對矩形平面磁控濺射陰極磁場的影響

張超群，屠友明，李險峰

（中國建材國際工程集團有限公司，上海200063）

磁控濺射鍍膜是工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最主要的技術(shù)之一，適合于大面積玻璃的鍍膜［1］。靶材利用率和濺射過程穩(wěn)定性等是生產(chǎn)中需特別關(guān)注的問題，解決以上問題的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對靶的優(yōu)化設(shè)計［1］。矩形平面磁控濺射陰極（下文簡稱平面陰極）靶面的非均勻剝蝕會嚴重降低靶材的利用率，改變?yōu)R射過程的參數(shù)，影響濺射過程的穩(wěn)定性。為了提高靶材利用率和濺射過程穩(wěn)定性，文獻［2］提出在平面陰極中增加分流片結(jié)構(gòu)，文獻［3］認為磁場水平分量Bx（下文簡稱Bx）應(yīng)呈馬鞍形分布。

在沒有分流片結(jié)構(gòu)的陰極中，因為被刻蝕處的水平磁場強度和電場強度將有所增強，這樣會加速局部刻蝕，而分流片結(jié)構(gòu)可以有效地實現(xiàn)Bx馬鞍形分布，減緩靶材中間部位的快速刻蝕。該文針對實際的陰極模型，利用有限元方法并模擬增加分流片結(jié)構(gòu)后平面陰極的磁場分布，指導(dǎo)陰極磁場的優(yōu)化設(shè)計。

1 分流片的作用及平面陰極模型

在分流片的作用下Bx寬度會增加，通過調(diào)整分流片可以使Bx變得更加均勻，更重要的是分流片可以使Bx呈馬鞍形分布。該文結(jié)合實際的陰極生產(chǎn)模型，探索分流片在不同尺寸、形狀、位置下對平面陰極磁場分布的影響。陰極模型如圖1，未增加分流片時陰極的Bx分布如圖2（圖2的X坐標軸對應(yīng)圖1靶材表面直線AB，坐標原點和X＝105mm處分別對應(yīng)圖2中A點和B點，圖2、圖3、圖4、圖6、圖8都作同樣定義）。

內(nèi)側(cè)和外側(cè)磁鐵的截面尺寸為28mm×16mm，24mm×24mm；內(nèi)、外側(cè)極靴的截面尺寸為5mm×16 mm，9mm×24mm；靶材寬度為210mm，分流片基本尺寸為40mm×2mm。內(nèi)、外側(cè)磁鐵間距（內(nèi)寬）72 mm；靶材厚度12mm；磁鐵和靶材之間通常是平面陰極的冷卻結(jié)構(gòu)，而分流片的位置通常也處于此區(qū)域，所以分流片可能會放置在冷卻回路里面，這就要求分流片可以長期處于冷卻水中且不能影響冷卻效果。故分流片應(yīng)滿足以下要求：1）導(dǎo)磁率高；2）耐腐蝕；3）導(dǎo)熱率高。經(jīng)篩選，鐵素體不銹鋼能夠滿足以上要求。

2 分流片對平面陰極磁場的影響

2.1 分流片的長度對磁場的影響

圖3為分流片長度從20mm增加至40mm時，平行于靶材表面的磁場分布。由圖3可知，在分流片的作用下，Bx呈馬鞍形分布。

隨著分流片長度的增加，馬鞍形的寬度變大，下凹程度增大，且Bx分布的極值有小幅下降。在分流片長度增加到40mm后，對磁場分布的影響減弱。經(jīng)分析分流片長度在25～35mm的范圍內(nèi)對磁場的影響力較強，此時中部馬鞍形磁場的低點較相同橫坐標點的原始磁場強度下降了20%～32%。

2.2 分流片的厚度對平面陰極磁場的影響

圖4為分流片厚度從0.2mm增加到6mm時，平行于靶材表面磁場強度的分布。由圖4可知，隨著厚度的增加，Bx分布的馬鞍形下凹程度增大，而且整體下降的幅度比較大。

經(jīng)分析，分流片的厚度小于0.2mm或者大于4mm對磁場分布的影響減弱。分流片厚度在1～4mm的范圍內(nèi)，對磁場的影響力較強，此時中部馬鞍形磁場的低點較相同橫坐標點的原始磁場強度下降了16%～43%。由此可見，要獲得理想的馬鞍形曲線，分流片的厚度是需要重點考慮的參數(shù)。

2.3 分流片的形狀對平面陰極磁場的影響

分析前預(yù)先設(shè)置了3種形狀的分流片，如圖5中的L40H2，Triangle，Triangle2三種形狀。其寬度和厚度一致，均為40mm和2mm。

圖6為3種分流片對應(yīng)的平行于靶材表面的磁場強度的分布。由圖6可知，3種形狀的分流片對應(yīng)的分布曲線的水平區(qū)域?qū)挾然鞠嗤籘riangle2分流片對應(yīng)的馬鞍形磁場的下凹程度稍小于其他兩種，但差值小于5%。故3種分流片對應(yīng)的磁場水平分量的寬度，中部馬鞍形部分的下凹程度沒有明顯的區(qū)別，說明分流片在相同厚度和長度的情況下，形狀對磁場的影響不大。

2.4 分流片的位置對磁場的影響

預(yù)設(shè)分流片的截面尺寸為40m×2mm，橫向位置位于內(nèi)、外磁鐵內(nèi)寬正中，其形狀和相對極靴上表面的高度位置如圖7（圖中T表示分流片上表面和極靴上表面的相對高度，其數(shù)值從0mm增加到6mm）。Bx分布如圖8所示，由圖8可知，隨著高度的下降（即遠離靶材），馬鞍形下凹的程度變小，但分布曲線的水平區(qū)域?qū)挾然緵]有變化。為了考察分流片位置對磁場的影響規(guī)律，筆者針對分流片位于靶材和極靴之間的情況也做了磁場模擬（分析過程不做具體說明）。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)當分流片位于靶材和磁鐵1／2高度的范圍內(nèi)，由上至下分流片對磁場的影響逐漸減弱；當分流片在高度方向低于磁鐵上表面時，分流片對磁場的影響力已變得很小。

3 模型的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)模擬分析結(jié)果，通過添加分流片的方法對文中使用的模型進行優(yōu)化設(shè)計。分流片的長度40mm，厚度1.5mm，截面為長方形。Bx分布如圖9，從圖9中看出加入分流片后磁場的水平寬度從大約45%增加到60%，增大的幅度比較明顯，馬鞍形磁場的低點較其高點下降了約25%。據(jù)此優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，在實際模型中增加新的分流片結(jié)構(gòu)并在后續(xù)的實驗中驗證靶材的刻蝕情況及其利用率。

4 結(jié) 論

該文通過對平面陰極增加分流片后磁場的模擬分析，得到了分流片在不同尺寸，形狀和位置下的靶材表面磁場水平分量的強度分布，并據(jù)此總結(jié)了分流片對陰極磁場的影響；其中分流片的截面尺寸和位置對磁場分布的影響較大，以分流片的厚度影響最大，分流片的形狀幾乎對磁場沒有影響。

［1］ Hans Joachim Glasser.大面積玻璃鍍膜［M］.德國馮·阿登納真空技術(shù)有限公司譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.

［2］ Eiji Shidoji.Magnetron Plasma Structure with Strong Magnetic Field［J］.Thin Solid Films，2003，442（8）：27－31.

［3］ 劉翔宇.磁控濺射鍍膜中靶的優(yōu)化設(shè)計［D］.北京：清華大學(xué)電子工程系，2004.

［4］ German J R.Magnetron Shunt for Enhanced Performance of Sputter Targets［J］.IBM Technical Disclosure Bulletin，1993，36（11）：414－418.

［5］ 李云奇.真空鍍膜技術(shù)與設(shè)備［M］.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1992.