張超群，屠友明，李險(xiǎn)峰

（中國建材國際工程集團(tuán)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)靶的優(yōu)化設(shè)計(jì)［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(huì)嚴(yán)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(xiàn)［2］提出在平面陰極中增加分流片結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［3］認(rèn)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?yàn)楸豢涛g處的水平磁場強(qiáng)度和電場強(qiáng)度將有所增強(qiáng)，這樣會(huì)加速局部刻蝕，而分流片結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)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(duì)實(shí)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(jì)。

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(huì)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(shí)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(duì)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(shí)陰極的Bx分布如圖2（圖2的X坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)圖1靶材表面直線AB，坐標(biāo)原點(diǎn)和X＝105mm處分別對(duì)應(yīng)圖2中A點(diǎn)和B點(diǎn)，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(huì)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(duì)平面陰極磁場的影響

2.1 分流片的長度對(duì)磁場的影響

圖3為分流片長度從20mm增加至40mm時(shí)，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(duì)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(duì)磁場的影響力較強(qiáng)，此時(shí)中部馬鞍形磁場的低點(diǎn)較相同橫坐標(biāo)點(diǎn)的原始磁場強(qiáng)度下降了20%～32%。

2.2 分流片的厚度對(duì)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(shí)，平行于靶材表面磁場強(qiáng)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(duì)磁場分布的影響減弱。分流片厚度在1～4mm的范圍內(nèi)，對(duì)磁場的影響力較強(qiáng)，此時(shí)中部馬鞍形磁場的低點(diǎn)較相同橫坐標(biāo)點(diǎn)的原始磁場強(qiáng)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(diǎn)考慮的參數(shù)。

2.3 分流片的形狀對(duì)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(duì)應(yīng)的平行于靶材表面的磁場強(qiáng)度的分布。由圖6可知，3種形狀的分流片對(duì)應(yīng)的分布曲線的水平區(qū)域?qū)挾然鞠嗤?；Triangle2分流片對(duì)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(duì)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(duì)磁場的影響不大。

2.4 分流片的位置對(duì)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(duì)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(duì)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(yuǎn)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(duì)磁場的影響規(guī)律，筆者針對(duì)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(dāng)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(duì)磁場的影響逐漸減弱；當(dāng)分流片在高度方向低于磁鐵上表面時(shí)，分流片對(duì)磁場的影響力已變得很小。

3 模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬分析結(jié)果，通過添加分流片的方法對(duì)文中使用的模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(diǎn)較其高點(diǎn)下降了約25%。據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，在實(shí)際模型中增加新的分流片結(jié)構(gòu)并在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證靶材的刻蝕情況及其利用率。

4 結(jié) 論

該文通過對(duì)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(qiáng)度分布，并據(jù)此總結(jié)了分流片對(duì)陰極磁場的影響；其中分流片的截面尺寸和位置對(duì)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(duì)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(jì)［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.