平面磁控濺射靶磁場(chǎng)的模擬優(yōu)化設計
平面磁控濺射靶面水平磁感應強度對靶材刻蝕均勻性及其利用率等有著(zhù)重要作用。為了提高靶面水平磁感應強度均勻性，在傳統磁控濺射平面靶結構基礎上，提出了一種采用加裝兩導磁片的結構，通過(guò)ANSYS軟件模擬，得出采用不同尺寸及位置的導磁片時(shí)的靶面水平磁感應強度分布規律。結果表明，當采用適當的導磁片厚度、導磁片間距及導磁片與內外磁鋼距離時(shí)，能有效改善靶面的水平磁感應強度均勻性，提高靶材的利用率。同時(shí)，通過(guò)模擬分析了距靶面不同距離的截面磁場(chǎng)強度分布對靶材刻蝕輪廓的影響。
磁控濺射技術(shù)是當前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最主要的鍍膜技術(shù)之一，由于它具有濺射速率高、基片沉積溫度低、薄膜沉積質(zhì)量好的特點(diǎn)，一直以來(lái)都受到相關(guān)行業(yè)的關(guān)注。由于基片沉積溫度低，因而成為柔性基底鍍膜的主要方案。但平面磁控濺射系統仍存在一系列問(wèn)題，如：由于靶面水平磁場(chǎng)不均勻分布，靶材刻蝕呈現逆高斯分布輪廓，導致靶材利用率低等。因此有必要對磁控濺射靶的磁場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化設計。
關(guān)于提高靶材利用率的磁控濺射靶優(yōu)化設計的研究甚多，研究者也提出了很多的方案，而且各有自己的優(yōu)點(diǎn)，總體上可以分為兩個(gè)類(lèi)型：一是動(dòng)態(tài)改變靶面的磁場(chǎng)分布；二是從結構上改變靶表面水平磁感應強度的分布。然而第一種類(lèi)型由于機械結構復雜，在工業(yè)中實(shí)際應用價(jià)值有限；關(guān)于第二種的研究，靶材利用率仍局限在30%左右。本文根據磁控濺射靶的特點(diǎn)，基于A(yíng)NSYS軟件模擬了二維磁控濺射靶磁場(chǎng)的分布，提出一種采用兩磁導片結構來(lái)改善磁控濺射靶面水平磁場(chǎng)分布的方法。
1、平面磁控濺射靶的磁場(chǎng)分布及模擬
1.1、磁場(chǎng)分析
磁控濺射靶的磁場(chǎng)分布對靶材利用率、濺射速率與沉積薄膜的性能及質(zhì)量有著(zhù)重要的影響，因而通過(guò)軟件模擬優(yōu)化設計得到磁場(chǎng)的合理分布對整個(gè)磁控濺射鍍膜工藝來(lái)說(shuō)是可行且有意義的。
由于磁場(chǎng)與電場(chǎng)分布的特性，高能電子主要被約束在水平磁感應強度較大的區域，研究表明與電場(chǎng)正交的呈高斯分布的磁感應強度水平分量是使靶材刻蝕輪廓呈現逆高斯分布的主要原因。因此，在優(yōu)化設計中應使呈高斯分布的水平磁感應強度的波峰盡可能的寬，且峰值附近下降梯度較小，以防止刻蝕出現尖銳的逆高斯輪廓。
水平磁感應強度的大小對濺射速率及薄膜性能也有著(zhù)重要影響。在一定范圍內，在相同濺射速率下，水平磁感應強度越小，所需要的電源功率越高，高的功率會(huì )產(chǎn)生更多的熱，可能導致靶材碎裂等問(wèn)題。而水平磁感應強度越大，對電子的約束能力越強，從而使電離化率、電源效率與濺射速率變高，但由于電子的回旋半徑與磁感應強度成反比，超過(guò)一定范圍后，電子回旋半徑縮小，電子對加強電離化的貢獻降低，從而使濺射功率效率不再增大，甚至會(huì )導致靶材利用率下降。綜合以上因素，靶面水平磁感應強度選擇30~60mT比較合適。
同時(shí)，隨著(zhù)濺射的進(jìn)行，靶面刻蝕深度的不斷加深，與靶面不同距離的截面水平磁感應強度也不斷變化，對電子的約束能力也在發(fā)生改變，不同截面上刻蝕形狀及濺射速率等也不盡相同。
1.2、ANSYS磁場(chǎng)模擬
這里以水平磁感應強度作為研究對象，提出加裝兩導磁片來(lái)改善靶面水平磁感應強度的分布。通過(guò)改變導磁片的結構參數，分析靶面水平磁感應強度分布變化規律。
在傳統磁控濺射靶的結構基礎中，將兩導磁片加裝于內外磁軛之間緊貼銅背板下表面的位置，導磁片安裝位置如圖1所示。
導磁片采用高磁導率材料，用于調整靶面水平磁感應強度的大小，提高其分布的均勻性。本文基于A(yíng)NSYS軟件主要從導磁片的厚度、導磁片間距及導磁片與磁鋼的距離出發(fā)分析其對靶面水平磁感應強度及其均勻性的影響。
圖1 導磁片安裝位置
3、結論
通過(guò)對磁控濺射靶結構的磁場(chǎng)進(jìn)行ANSYS模擬分析，結果顯示，當沒(méi)加裝導磁片時(shí)，模擬結果很好的符合實(shí)際的靶材刻蝕逆高斯輪廓。在此基礎上提出了加裝兩導磁片的新型磁控濺射靶結構，在保持靶面水平磁感應強度滿(mǎn)足濺射要求的條件下，能有效的提高其均勻性。同時(shí)解決了加裝一塊較寬導磁片時(shí)出現的導磁片中間區域水平磁感應強度嚴重下降的問(wèn)題。通過(guò)調節導磁片厚度能有效調節靶面水平磁感應強度的大��；而通過(guò)調整導磁片間距及導磁片與內外磁鋼的距離能有效地改善靶面水平磁感應強度的均勻性問(wèn)題。
綜上所述，在加裝兩導磁片的平面磁控濺射靶結構中，當采用適當的導磁片厚度、導磁片間距及導磁片與內外磁鋼的距離時(shí)，能有效地改善靶材的水平磁場(chǎng)強度分布，從而大幅提高靶材利用率，使靶材利用率能達到60%。
