磁控濺射靶磁場的有限元模擬分析

　　磁控濺射靶面磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分布直接關(guān)系到靶材的利用率和刻蝕的均勻性，為了尋求更好的磁控靶結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的均勻分布，本文應(yīng)用COMSOL 軟件對JGP450C型磁控濺射鍍膜機(jī)的圓平面靶表面磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了模擬分析計算，得到了靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)、分布較均勻的磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　平面磁控濺射由于其廣域沉積和濺射速率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。在磁控濺射系統(tǒng)中，通常應(yīng)用一個永磁場來約束靶面附近的電子運(yùn)動，該磁場直接關(guān)系到成膜的質(zhì)量和成膜速率，因此對磁控靶的研究成為關(guān)注的焦點(diǎn)。由于磁場的控制，等離子體被限制在靶材表面的一定區(qū)域內(nèi)，靶面被非均勻刻蝕，這樣造成靶材利用率很低。而提高靶材利用率的關(guān)鍵是調(diào)整磁場結(jié)構(gòu)，使等離子體存在于更大的靶面范圍，實(shí)現(xiàn)靶面的均勻?yàn)R射。如何提高靶材利用率、如何提高鍍膜的均勻性是研究人員特別關(guān)心的問題。以前的研究都是通過實(shí)物靶實(shí)驗(yàn)的方法來改進(jìn)靶的性能，存在研究費(fèi)用高、研究周期長等問題，在很大程度上制約了磁控靶的發(fā)展。

　　隨著計算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)逐漸被計算機(jī)模擬所替代。本文基于comsol軟件，模擬圓平面磁控靶表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，具體分析不同磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)下靶面的磁場分布及其對水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，進(jìn)而對靶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。磁控濺射的磁場是由磁路結(jié)構(gòu)和永磁體的剩磁所決定，并最終表現(xiàn)為陰極靶材表面的磁場強(qiáng)度B 的大小和分布。對于磁控濺射靶來說，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為靶表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 對放電等離子體的影響較大，特別是水平磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx 及其大小和分布，更是磁控濺射中一個極其重要的參數(shù)。

1、靶結(jié)構(gòu)和磁場分析

　　研究分析認(rèn)為：一般要求平面磁控濺射靶表面最大水平磁通密度范圍是：20 mT~40 mT，最佳值為30 mT。對磁場的分布分析和計算優(yōu)化選用了軟件Comsol。JGP450C 型磁控濺射鍍膜機(jī)陰極濺射靶結(jié)構(gòu)如圖1，CAD 簡化物理模型如圖2。圖2 中靶磁場是由高度為10 mm 的內(nèi)磁柱和高度為12 mm的外磁環(huán)圍成的磁鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，其各部件的材料、尺寸、參數(shù)如表1 所示。

1.壓蓋；2.磁環(huán)；3.靶材；4.銅背板；5.磁柱；6.屏蔽罩；7.屏蔽套；8.磁軛

圖1 磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 CAD 簡化物理模型

表1 磁控濺射靶不同部件的材料，尺寸，參數(shù)

　　靶磁場的分析可以分為以下幾個步驟：(1)創(chuàng)建物理環(huán)境： 進(jìn)入軟件comsol 3.5a 界面中comsol Multiphysics 中電磁下的靜磁，選擇進(jìn)入，準(zhǔn)備畫二維靜態(tài)磁場結(jié)構(gòu)；(2) 建立模型后，對各個部件進(jìn)行定義，設(shè)定求解域和邊界條件，劃分網(wǎng)格，求解，然后進(jìn)入后處理環(huán)境；(3)求解后磁力線分布圖，表面磁通密度等。如圖3～圖6所示。

圖3 12-10-12 劃分網(wǎng)格后的磁鐵模型圖　　圖4 12-10-12 磁場流線圈

圖5 12-10-12 2D 表面磁通密度圖　　圖6 12-10-12 3D 表面磁通密度圖

2、靶磁場模擬分析結(jié)果與討論

　　由于選取的磁控靶靶材壓蓋和銅背板都是非導(dǎo)磁材料，其導(dǎo)磁率幾乎等于1，與空氣相差不大， 因此可以忽略材料對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，簡化后的物理模型以及一些結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7 所示，由靶材、磁鋼(包括磁柱，磁環(huán))和磁軛構(gòu)成。下面通過改變模型上的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究水平磁場的變化規(guī)律，以尋求更好的磁控靶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)靶表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的均勻分布。

d1：磁環(huán)寬度；d2：磁柱半徑；d3：磁柱與磁環(huán)的間距；d4：磁環(huán)與靶材的間距；h1：磁軛厚度；h2：磁柱高度；h3：磁環(huán)高度

圖7 磁控濺射靶的簡化物理模型截面圖

2.1、平衡場與非平衡場的對比分析

　　這里首先開展平衡與非平衡磁場的簡單對比，以表2 所示的3 組數(shù)據(jù)來說明。

表2 平衡與非平衡磁場數(shù)據(jù)對比

　　圖8 所示3 條曲線從上至下分別對應(yīng)h2=8，10，12 mm，依次定義為線1，2，3。圖中，縱坐標(biāo)表示水平磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)，橫坐標(biāo)表示離開靶材左端1/4 處往右的尺寸(0～30 mm)，以下各圖類似。對比1，2，3 各磁場流線，我們可以看出：在選用剩磁量相同的永磁鐵作為磁控濺射靶的磁極且內(nèi)外磁極等高時，很明顯磁力線的分布比較均勻，磁力線基本是閉合的；而當(dāng)內(nèi)外磁鐵的高度不同時，磁力線會出現(xiàn)向外輻射，這就增強(qiáng)了磁控濺射靶工作區(qū)間的磁通量密度，進(jìn)而約束了大量的粒子分布在工作區(qū)域，擴(kuò)大了等離子區(qū)域的寬度，提高了鍍膜的性能。這正是目前磁控濺射鍍膜的發(fā)展方向。與此同時，我們也可以從水平磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線看到，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著磁鐵高度的增加而增加；線2 是等高內(nèi)外磁極的平行磁感應(yīng)強(qiáng)度， 其最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.032 T，而且相對于線1 和線3，其左右均勻性更好，磁場的分布基本對稱。這也就是平衡磁場的特點(diǎn)。通過對比，我們還可以看出，內(nèi)磁極比外磁極低，磁場的分布均勻性較好，而且最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度在30 mT 附近。所以在磁控濺射靶的磁鐵結(jié)構(gòu)中，我們一般選取內(nèi)磁柱低于外磁環(huán)的排布方式。

圖8 三組數(shù)據(jù)水平磁感應(yīng)強(qiáng)度對比圖

2.2、不同磁軛厚度對磁場的影響

　　當(dāng)其他參數(shù)一定時，改變磁軛厚度，考慮其對磁場的影響。經(jīng)過多次模擬計算分析，取h1=4，6，8mm 時，其相應(yīng)的曲線變化如圖9(三線基本重合)。

圖9 不同磁軛厚度下水平磁感應(yīng)強(qiáng)度對比圖

　　對比各磁場流線可知，隨著磁軛厚度的增加，對靶材表面的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性幾乎沒有影響，但是磁鐵之間的回流性卻變好了。從圖9 可以看出，不同磁軛厚度對應(yīng)的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線幾乎重合在一起，故不同磁軛厚度對水平磁感應(yīng)強(qiáng)度也沒有影響，考慮整個濺射靶的結(jié)構(gòu)尺寸，我們選取磁軛的厚度為h1=6 mm。

2.3、靶材與磁環(huán)間距對磁場的影響

　　選取磁環(huán)高度h1=12 mm， 內(nèi)磁柱高度h2=10 mm，內(nèi)磁柱半徑d2=10 mm，來研究靶材與磁環(huán)的間距(d4)變化對靶面的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。當(dāng)d4=2.5，2.6，2.7，2.8，2.9，3.0 mm 時，模擬得到的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線如圖10 所示。

　　從圖中可以看出，隨著d4 的增加，靶材表面的最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之減少，但對靶材表面的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性幾乎沒有影響；且隨著間距的增加，靶面最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的位置也有所偏移�？紤]到最優(yōu)水平最大磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍是20~40 mT，故而選取d4=3 mm。

圖10 靶材與磁環(huán)不同間距下水平磁感應(yīng)強(qiáng)度對比圖

2.4、磁環(huán)高度對磁場的影響

　　有關(guān)研究表明，內(nèi)外磁鋼高度變化對于薄膜宏觀形貌的影響并不大。當(dāng)靶材與磁環(huán)的間距d4=3 mm，內(nèi)磁柱半徑d2=10 mm，內(nèi)磁柱高度h2=10 mm 時，考慮磁環(huán)的高度(h3)變化對靶面的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。給定磁環(huán)高度變化為h1=12，16，20，24 mm，模擬得到相對應(yīng)的磁場流線和水平磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線分布如圖11 所示(自下至上對應(yīng))�？梢钥闯觯�隨著磁環(huán)高度的增加，靶材表面最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度也增大，且增加的幅度逐漸增大，但對靶材表面的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性沒太大影響。注意到在h3=16~20 mm 時，最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度最接近最佳值30 mT，故而選取h3=16 mm。

2.5、導(dǎo)磁片長度對磁場的影響

　　為了增加均磁效果，通常選擇在銅背板上加裝導(dǎo)磁片，導(dǎo)磁片一般選用高導(dǎo)磁率的材料，它能夠改變靶材表面的磁力線分布，增加靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性。加導(dǎo)磁片后的簡化物理模型如圖12 所示。

圖11 不同磁環(huán)高度下水平磁感應(yīng)強(qiáng)度對比圖

圖12 加裝導(dǎo)磁片的磁控濺射靶的簡化物理模型

　　有無導(dǎo)磁片情況下的靶面磁力線分布對比，如圖13 所示。由圖可知，加裝導(dǎo)磁片后，磁力線水平區(qū)域增加，均磁效果明顯。

圖13 有無導(dǎo)磁片靶面的磁力線分布

　　當(dāng)磁鐵其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時，我們改變導(dǎo)磁片長度(L)觀察其對磁場的影響，給定導(dǎo)磁片長度L=1，3，5，7 mm 時，模擬得到其相應(yīng)的磁場流線和水平磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線如圖14 所示(自上至下對應(yīng))。由兩圖可知，隨著導(dǎo)磁片長度增加，最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻性增加，但是其最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度卻減小，且當(dāng)L=3，5 mm 時，其水平磁感應(yīng)強(qiáng)度最接近最優(yōu)值。故此，我們可以選擇導(dǎo)磁片長度L=5 mm。

2.6、其他結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁場的影響

　　類似上述，我們還研究了內(nèi)磁柱半徑、內(nèi)磁柱高度、磁柱與磁環(huán)間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁場的影響，分別得到：內(nèi)磁柱半徑d2=12 mm，內(nèi)磁柱高度h2=10 mm，磁柱與磁環(huán)間距d3=8 mm。

圖14 不同長度導(dǎo)磁片下水平磁感應(yīng)強(qiáng)度對比圖

3、結(jié)束語

　　本文借助comsol 軟件建立起了磁控濺射靶磁鐵的物理模型，并對每個構(gòu)件的參數(shù)和材料進(jìn)行了定義與選擇；通過對磁場的模擬分析，明確了磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)對靶材平行磁場分布規(guī)律的影響；最后根據(jù)模擬結(jié)果確定了磁控濺射靶的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：磁軛厚度h1=6 mm，磁柱高度h2=10 mm，磁環(huán)高度h3=16 mm，磁環(huán)寬度d1=10 mm，磁柱半徑d2=12 mm，磁柱與磁環(huán)間距d3=8 mm，靶材與磁環(huán)間距d4=3 mm。

　　本文所得到的結(jié)論，包括磁控濺射靶的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理選擇導(dǎo)磁片長度、平衡磁場和非平衡磁場的區(qū)別等，雖是由comsol 軟件模擬得出的，但它卻具有指導(dǎo)意義。對模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，必將有益于磁控濺射靶的優(yōu)化設(shè)計。