平面磁控濺射靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度對靶材刻蝕均勻性及其利用率等有著重要作用。為了提高靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻性，在傳統(tǒng)磁控濺射平面靶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了一種采用加裝兩導(dǎo)磁片的結(jié)構(gòu)，通過ANSYS軟件模擬，得出采用不同尺寸及位置的導(dǎo)磁片時的靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁片厚度、導(dǎo)磁片間距及導(dǎo)磁片與內(nèi)外磁鋼距離時，能有效改善靶面的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻性，提高靶材的利用率。同時，通過模擬分析了距靶面不同距離的截面磁場強(qiáng)度分布對靶材刻蝕輪廓的影響。

　　磁控濺射技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過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(tǒng)仍存在一系列問題，如：由于靶面水平磁場不均勻分布，靶材刻蝕呈現(xiàn)逆高斯分布輪廓，導(dǎo)致靶材利用率低等。因此有必要對磁控濺射靶的磁場分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　關(guān)于提高靶材利用率的磁控濺射靶優(yōu)化設(shè)計(jì)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類型：一是動態(tài)改變靶面的磁場分布；二是從結(jié)構(gòu)上改變靶表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。然而第一種類型由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用價值有限；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(jù)磁控濺射靶的特點(diǎn)，基于ANSYS軟件模擬了二維磁控濺射靶磁場的分布，提出一種采用兩磁導(dǎo)片結(jié)構(gòu)來改善磁控濺射靶面水平磁場分布的方法。

1、平面磁控濺射靶的磁場分布及模擬

　　1.1、磁場分析

　　磁控濺射靶的磁場分布對靶材利用率、濺射速率與沉積薄膜的性能及質(zhì)量有著重要的影響，因而通過軟件模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)得到磁場的合理分布對整個磁控濺射鍍膜工藝來說是可行且有意義的。

　　由于磁場與電場分布的特性，高能電子主要被約束在水平磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的區(qū)域，研究表明與電場正交的呈高斯分布的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量是使靶材刻蝕輪廓呈現(xiàn)逆高斯分布的主要原因。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)使呈高斯分布的水平磁感應(yīng)強(qiáng)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(xiàn)尖銳的逆高斯輪廓。

　　水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小對濺射速率及薄膜性能也有著重要影響。在一定范圍內(nèi)，在相同濺射速率下，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，所需要的電源功率越高，高的功率會產(chǎn)生更多的熱，可能導(dǎo)致靶材碎裂等問題。而水平磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，對電子的約束能力越強(qiáng)，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(yīng)強(qiáng)度成反比，超過一定范圍后，電子回旋半徑縮小，電子對加強(qiáng)電離化的貢獻(xiàn)降低，從而使濺射功率效率不再增大，甚至?xí)��?dǎo)致靶材利用率下降。綜合以上因素，靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度選擇30~60mT比較合適。

　　同時，隨著濺射的進(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(yīng)強(qiáng)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磁場模擬

　　這里以水平磁感應(yīng)強(qiáng)度作為研究對象，提出加裝兩導(dǎo)磁片來改善靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。通過改變導(dǎo)磁片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布變化規(guī)律。

　　在傳統(tǒng)磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中，將兩導(dǎo)磁片加裝于內(nèi)外磁軛之間緊貼銅背板下表面的位置，導(dǎo)磁片安裝位置如圖1所示。

　　導(dǎo)磁片采用高磁導(dǎo)率材料，用于調(diào)整靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，提高其分布的均勻性。本文基于ANSYS軟件主要從導(dǎo)磁片的厚度、導(dǎo)磁片間距及導(dǎo)磁片與磁鋼的距離出發(fā)分析其對靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度及其均勻性的影響。

圖1 導(dǎo)磁片安裝位置

3、結(jié)論

　　通過對磁控濺射靶結(jié)構(gòu)的磁場進(jìn)行ANSYS模擬分析，結(jié)果顯示，當(dāng)沒加裝導(dǎo)磁片時，模擬結(jié)果很好的符合實(shí)際的靶材刻蝕逆高斯輪廓。在此基礎(chǔ)上提出了加裝兩導(dǎo)磁片的新型磁控濺射靶結(jié)構(gòu)，在保持靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足濺射要求的條件下，能有效的提高其均勻性。同時解決了加裝一塊較寬導(dǎo)磁片時出現(xiàn)的導(dǎo)磁片中間區(qū)域水平磁感應(yīng)強(qiáng)度嚴(yán)重下降的問題。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)磁片厚度能有效調(diào)節(jié)靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小；而通過調(diào)整導(dǎo)磁片間距及導(dǎo)磁片與內(nèi)外磁鋼的距離能有效地改善靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的均勻性問題。

　　綜上所述，在加裝兩導(dǎo)磁片的平面磁控濺射靶結(jié)構(gòu)中，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁片厚度、導(dǎo)磁片間距及導(dǎo)磁片與內(nèi)外磁鋼的距離時，能有效地改善靶材的水平磁場強(qiáng)度分布，從而大幅提高靶材利用率，使靶材利用率能達(dá)到60%。