楊欣蕾，彌 謙，龔立榕，周鳳琳

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院,陜西省光學(xué)先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心,西安 710021)

0 引 言

磁控濺射是為提高成膜速率而在濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)[1]。通過(guò)在靶材陰極表面引入磁場(chǎng)并利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的約束來(lái)增加等離子體密度，從而解決普通濺射鍍膜沉積速率低的問(wèn)題[2-3]。磁控濺射一直被應(yīng)用于生產(chǎn)各類(lèi)薄膜涂層，如光學(xué)、表面改性或裝飾性薄膜等[4-5]?，F(xiàn)階段對(duì)于磁控濺射技術(shù)的研究包括：鍍膜工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響；靶材形狀和磁場(chǎng)排布等設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)[6]。

在類(lèi)似太陽(yáng)能真空集熱管等長(zhǎng)直管或類(lèi)管狀工件外表面薄膜的生產(chǎn)技術(shù)中，目前國(guó)內(nèi)外常采用星型轉(zhuǎn)動(dòng)鍍膜；靶材立置，工件臥置，直線運(yùn)行鍍膜；利用移動(dòng)靶裝置鍍膜等方式[7-10]。這些設(shè)備會(huì)存在裝配基材架、整體機(jī)械設(shè)備復(fù)雜笨重，靶材加工工藝限制待鍍件尺寸，真空腔室不足以容納過(guò)長(zhǎng)管件等問(wèn)題，設(shè)備通用性有待提升[11]。通過(guò)改變傳統(tǒng)平面靶、圓柱旋轉(zhuǎn)靶的濺射方向，將磁體置于靶材外部實(shí)現(xiàn)向心鍍膜，可以有效減小真空室體積，適應(yīng)大尺寸工件外表面鍍膜，還可以根據(jù)目標(biāo)薄膜的材料和層數(shù)需求通過(guò)多個(gè)陰極靶聯(lián)級(jí)擴(kuò)展應(yīng)用，提高整體靶結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性[12]。

目前管狀內(nèi)腔式的鍍膜方式受到了廣泛關(guān)注。王君等[13]設(shè)計(jì)的管狀磁控濺射源，利用磁體沿鍍膜空間的周向分布產(chǎn)生周向延伸的磁力線，實(shí)現(xiàn)管狀內(nèi)部濺射，但由于磁場(chǎng)周向不連續(xù)可能會(huì)引起腔內(nèi)等離子體區(qū)域不均勻影響膜層均勻性。錢(qián)進(jìn)等[14]研究設(shè)計(jì)一種空心陰極磁控濺射靶，靶內(nèi)磁場(chǎng)由環(huán)形磁鐵和交替固定安裝的鐵軛形成，環(huán)形磁體磁極徑向分布，這類(lèi)環(huán)形磁鐵的尺寸會(huì)受到制造工藝的限制，一定程度上限制了靶內(nèi)空間以及待鍍件尺寸。本文所研究的圓筒式磁控濺射靶是將環(huán)形磁鐵的徑向磁極排布改為軸向排布，從而有利于在管狀工件外表面形成均勻連續(xù)的等離子體環(huán)。

磁控濺射陰極靶作為對(duì)整體濺射過(guò)程起決定作用的部件，靶面磁場(chǎng)分布直接影響到等離子體區(qū)域的分布，進(jìn)而反映出靶材刻蝕形貌、濺射穩(wěn)定性和靶材利用率等特性[15]。因此對(duì)于靶內(nèi)的磁場(chǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)研究尤為重要。目前對(duì)于磁控靶磁場(chǎng)的研究集中于常用平面圓形、矩形靶和旋轉(zhuǎn)圓柱靶[16-17]，對(duì)于這類(lèi)圓筒式、內(nèi)腔式靶的磁場(chǎng)研究[18]還有待進(jìn)一步深入。

本文基于這類(lèi)圓筒式柱面靶的工作原理，運(yùn)用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件，構(gòu)建磁控靶結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)仿真計(jì)算進(jìn)行磁場(chǎng)分布的理論研究。探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)環(huán)靶面磁場(chǎng)大小和分布情況的影響規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 圓筒式柱面磁控濺射靶的工作原理

本文所研究的靶結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)柱面磁控濺射的運(yùn)行機(jī)理，保證靶面濺射區(qū)的大部分磁路與靶面平行，同時(shí)構(gòu)成封閉的環(huán)形跑道[19]。整體磁控靶屬于平衡式磁控濺射，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由靶材、磁路、冷卻等主要部分構(gòu)成。靶材呈圓筒狀，外圍永磁鐵環(huán)配合磁軛提供濺射所需磁場(chǎng)，通過(guò)陰極接負(fù)偏壓陽(yáng)極接地形成電場(chǎng)，從而形成由外圍到內(nèi)部方向的濺射。利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)的交互作用，使電子在靶表面附近呈螺線狀運(yùn)行，使氣體發(fā)生電離，形成高密度等離子體環(huán)[20]，通過(guò)氣體離子轟擊靶材使靶材原子發(fā)生濺射進(jìn)而完成工件外表面鍍膜。

1—磁體 2—磁軛 3—冷卻裝置 4—靶材 5—陽(yáng)極框6—工件 7—磁場(chǎng) 8—等離子區(qū)圖1 圓筒式柱面磁控濺射工作原理圖Fig.1 Schematic of cylinder magnetron sputtering working principle

根據(jù)其工作原理，可以實(shí)現(xiàn)從磁控靶源向靶筒內(nèi)長(zhǎng)直管工件的外表面材料膜層制備。在使用過(guò)程中，配套真空室設(shè)置在靶筒內(nèi)部，真空腔室中的主要部件僅有待鍍工件，整體真空室的徑向尺寸與工件尺寸相當(dāng)，再通過(guò)專(zhuān)用連接裝置保證各部件間的密封，這樣可以有效減小鍍膜設(shè)備的真空腔室體積，提高抽氣效率。在進(jìn)行單根工件鍍膜過(guò)程中只需要配合工件軸向運(yùn)動(dòng)裝置就可以完成表面均勻鍍膜，同時(shí)可根據(jù)目標(biāo)膜層的材料以及層數(shù)進(jìn)行陰極靶的串聯(lián)擴(kuò)充，圖2所示為圓筒式柱面磁控濺射設(shè)備的示意簡(jiǎn)圖。

圖2 圓筒式柱面磁控濺射設(shè)備簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of cylinder magnetron sputtering equipment

2 磁控濺射靶磁場(chǎng)的三維模擬

根據(jù)圓筒式柱面磁控濺射靶的工作原理，采用圖1所示結(jié)構(gòu)，以垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)分量By作為研究對(duì)象，針對(duì)濺射工作區(qū)的磁場(chǎng)分布特性，應(yīng)用COMSOL有限元分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。選擇三維模型進(jìn)行研究，計(jì)算過(guò)程中適當(dāng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

在進(jìn)行靶內(nèi)磁場(chǎng)仿真的過(guò)程中，應(yīng)用COMSOL5.5進(jìn)行三維有限元分析的主要步驟有：(1)添加靜磁、無(wú)電流(mfnc)物理場(chǎng)，選擇穩(wěn)態(tài)研究；(2)建立三維模型，材料庫(kù)內(nèi)選取對(duì)應(yīng)部件材料物理參數(shù)；(3)設(shè)置邊界條件；(4)進(jìn)行分區(qū)域梯度網(wǎng)格劃分，局部細(xì)化；(5)計(jì)算；(6)后處理，繪制磁場(chǎng)分析圖樣。

利用SOLIDWORKS三維繪圖軟件建立初始物理模型，通過(guò)COMSOL5.5中LiveLink插口進(jìn)行模型導(dǎo)入，并添加所研究的靜磁物理場(chǎng)。在采用有限元法對(duì)磁控靶源磁場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)以下幾個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算：永磁體、磁軛、靶材以及真空環(huán)境。

結(jié)構(gòu)內(nèi)主要部件材料特性參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)內(nèi)裝配零件、冷卻、絕緣、密封等部件的材料特性，對(duì)整體磁路分析基本不會(huì)產(chǎn)生影響。在實(shí)際研究中可以通過(guò)簡(jiǎn)化這些結(jié)構(gòu)適當(dāng)減小網(wǎng)格數(shù)量降低運(yùn)算復(fù)雜度[21]。完成結(jié)構(gòu)部件材料特性參數(shù)的內(nèi)置，并根據(jù)三維簡(jiǎn)化模型(見(jiàn)圖3)，設(shè)置邊界條件，包括：零磁標(biāo)量勢(shì)、磁通量守恒、磁絕緣等條件。隨后選擇自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸階梯式選擇網(wǎng)格大小，以獲得準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果，圖4所示網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖3 三維模型簡(jiǎn)圖Fig.3 3D model sketc

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

表1 磁控靶內(nèi)各部件材料特性Table 1 Material characteristics of various parts in the magnetron target

完成初始條件設(shè)置后進(jìn)行求解運(yùn)算，得到模型對(duì)應(yīng)的磁通密度分布云圖、矢量分布圖以及磁力線分布圖，分別對(duì)應(yīng)圖5、圖6、圖7。圖8為濺射靶物理簡(jiǎn)化模型截面圖，其中:a為環(huán)形磁體半徑差；b為環(huán)形磁體長(zhǎng)度；d為磁軛高度；h為磁軛厚度；l為磁軛伸出臂長(zhǎng)度；q為靶面-磁鐵間距。在后續(xù)研究中，通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的運(yùn)算結(jié)果，如：平行于靶面方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、磁力線分布等指標(biāo)，分析并總結(jié)出磁場(chǎng)的變化規(guī)律。

圖5 磁通密度分布云圖Fig.5 Flux density distribution

圖6 磁通密度矢量分布圖Fig.6 Magnetic flux density vector distribution

圖7 磁力流線分布圖Fig.7 Magnetic field lines distribution

圖8 磁控濺射靶物理簡(jiǎn)化模型(截面)Fig.8 Physical simplified model of magnetron sputtering target (cross section)

3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的影響規(guī)律

對(duì)于陰極靶內(nèi)磁場(chǎng)的模擬計(jì)算，為討論靶面平行分量磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，應(yīng)將XY方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度換算成靶面切線方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度By[22]。在磁控濺射過(guò)程中，由于輝光放電存在陰極暗區(qū)，對(duì)應(yīng)在靶表面一定距離范圍內(nèi)等離子體密度最高。因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)選取距離靶表面有一定距離的圓周上的磁場(chǎng)分布，在本次研究中均選取靶面上方5 mm處的磁場(chǎng)分布進(jìn)行討論。

3.1 磁環(huán)截面積

考慮類(lèi)磁環(huán)徑向尺寸的變化對(duì)靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，其中橫坐標(biāo)為靶材的縱向整體尺寸(Y=0～120 mm)，縱坐標(biāo)表示相對(duì)于靶面的水平磁通密度By。選取磁環(huán)直徑差2a=10 mm、20 mm、30 mm、40 mm進(jìn)行計(jì)算，隨著磁環(huán)內(nèi)外直徑差的增大，靶面的最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度在濺射區(qū)內(nèi)近似線性增長(zhǎng)。選取結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)需避免過(guò)大的磁環(huán)直徑差，否則會(huì)造成部分區(qū)域刻蝕過(guò)深，降低靶材利用率。依據(jù)曲線變化規(guī)律，結(jié)合靶面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的范圍，選擇磁環(huán)直徑差2a=30 mm更適宜。

圖9 不同磁環(huán)截面積下靶面的水平磁通密度By分布Fig.9 Distribution of magnetic flux density parallel to target surface(By) with different cross-sectional areas of magnets

3.2 磁軛間隙

在平面磁控濺射結(jié)構(gòu)中，高導(dǎo)磁材料片置于磁鐵底部與磁鐵構(gòu)成完整磁路。而在圓筒式柱面結(jié)構(gòu)中，將磁軛置于磁鐵兩側(cè)通過(guò)高導(dǎo)磁材料擴(kuò)展磁場(chǎng)范圍并使靶面磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)一步滿足濺射形成有效束縛的磁場(chǎng)閾值。研究磁軛間隙大小對(duì)靶面水平磁場(chǎng)的影響，首先對(duì)磁軛間隙做量化處理，設(shè)k為磁軛間隙與磁鐵長(zhǎng)度b之間的比值。

變量k的表達(dá)式為：

(1)

式中：b為磁鐵長(zhǎng)度；h為磁軛厚度；l為磁軛伸出臂長(zhǎng)度。

選取不同k進(jìn)行計(jì)算研究，結(jié)果如圖10所示。隨k值增加，磁軛伸出臂兩端面之間的距離逐漸增大，利用磁軛伸出臂結(jié)構(gòu)擴(kuò)展磁路，不僅可以增大靶面磁場(chǎng)水平分布區(qū)域，同時(shí)By,max的值也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)k=1.0時(shí)靶面水平區(qū)域范圍最廣，但由于磁軛伸出臂的長(zhǎng)度為零，通體磁路分布無(wú)差別，導(dǎo)致整體磁通密度減小。對(duì)k取不同值時(shí)By,max的變化進(jìn)行研究，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)k=0.6和0.7時(shí)By,max取最大值。確定磁鐵高度b為100 mm，在保證磁通密度大小的同時(shí)，選取k=0.7作為磁路內(nèi)計(jì)算磁軛間隙的參數(shù)依據(jù)，以獲得平行靶面磁場(chǎng)區(qū)域更大的結(jié)構(gòu)。

圖10 不同磁軛間距下靶面的水平磁通密度By分布Fig.10 Distribution of magnetic flux density parallel to target surface(By) with different yoke spacing

圖11 k取不同值時(shí)By最大值變化趨勢(shì)Fig.11 By maximum change trend with different k values

3.3 磁軛形狀

(1)磁軛厚度

磁軛厚度作為決定磁軛形狀的尺寸要素之一，研究表明磁軛的厚度常常會(huì)影響到磁鐵間流過(guò)的磁通量大小[23]并使磁場(chǎng)分布發(fā)生變化。選取k=1.0的磁軛間隙并改變磁軛的厚度h=5 mm、10 mm、15 mm，圖12是磁軛厚度h取不同數(shù)值平行于靶面的磁場(chǎng)分量By的分布情況。由仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)看，磁軛厚度h以5 mm為單位遞增時(shí)，磁場(chǎng)分布的變化主要表現(xiàn)在靶兩側(cè)區(qū)域，而最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度變化小于0.3%，基本不受影響。所以在磁軛厚度的選擇上，考慮到整體結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，選取磁軛厚度h=10 mm。

圖12 不同磁軛厚度下靶面的水平磁通密度By分布Fig.12 Distribution of magnetic flux density parallel to target surface(By) with different yoke thicknesses

(2)磁軛伸出臂形狀

類(lèi)比平面磁控濺射靶進(jìn)行不同極靴形狀的研究[11]，本文對(duì)靶結(jié)構(gòu)中磁鐵兩側(cè)的磁軛端部形狀對(duì)于磁場(chǎng)分布的影響進(jìn)行分析闡述。選取平端、下三角、上三角、尖端四種形狀，如圖13所示，實(shí)際結(jié)構(gòu)選取k=0.7的磁軛伸出臂長(zhǎng)度基礎(chǔ)上改變形狀。由圖14可以看出，靶面水平方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布呈現(xiàn)B上三角

圖13 磁軛形狀Fig.13 Magnet yoke shape

圖14 不同磁軛伸出臂形狀下靶面的水平磁通密度By分布Fig.14 Distribution of magnetic flux density parallel to target surface(By) with different pole shoe shapes

圖15 局部磁力線分布圖Fig.15 Local distribution of magnetic field lines

(3)磁軛高度

由于靶材與磁路之間需設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)，所以在研究磁軛高度時(shí)應(yīng)預(yù)留固定的磁軛-靶間距，符合實(shí)際陰極靶結(jié)構(gòu)。固定靶材-磁軛間距x=25 mm(x=q-d)，磁軛厚度h=10 mm，磁軛間隙取k=0.7，伸出臂采用下三角形狀。磁軛高度d分別取25 mm、35 mm、45 mm、55 mm，由圖16得出，隨著磁軛高度的遞增，相對(duì)于靶面水平的磁感應(yīng)強(qiáng)度By分量逐漸減小，平行于靶面的磁路區(qū)域基本不變，靶面上整體磁場(chǎng)的分布更加平緩。這是由于當(dāng)磁軛高度增加時(shí)，磁鐵-靶間距增加，磁路變長(zhǎng)，相應(yīng)靶面磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，磁力線分布情況如圖17所示。綜合四個(gè)尺寸結(jié)果曲線，分析出磁鐵-靶間距主要影響靶面磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，鑒于平行靶面磁感應(yīng)強(qiáng)度的最佳取值范圍(20～50 mT)，一般在磁控靶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)在滿足各組件裝夾的條件下選取盡可能小的磁鐵-靶間距，實(shí)際選取磁軛高度d為35 mm。

圖16 不同磁軛高度下靶面的水平磁通密度By分布(x=25 mm)Fig.16 Distribution of magnetic flux density parallel to the target surface (By) at different yoke heights (x=25 mm)

圖17 局部磁力線分布圖Fig.17 Local distribution of magnetic field lines

結(jié)合靶內(nèi)各部件選取的尺寸計(jì)算得到平行靶面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為35 mT，同時(shí)平行靶面均勻區(qū)域范圍占完整靶面的35%～40%，滿足磁控濺射的磁場(chǎng)基本要求。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于柱面磁控濺射原理改進(jìn)的圓筒式磁控濺射靶結(jié)構(gòu)，通過(guò)管內(nèi)向心濺射易于實(shí)現(xiàn)管狀工件外表面的均勻鍍膜。

(1)基于圓筒式柱面磁控濺射靶的工作原理，通過(guò)建立陰極靶的三維模型來(lái)減小在采用二維模型研究中忽略的磁鐵結(jié)構(gòu)間相互作用對(duì)計(jì)算精度的影響，利用COMSOL Multiphysics軟件內(nèi)置的靜磁物理場(chǎng)對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行精確的有限元分析；

(2)探究磁控靶內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)平行于靶面方向的磁通密度分量By在靶材表面上分布的影響規(guī)律，改變磁體直徑差2a、磁軛間距比k、磁軛厚度h、磁軛高度d以及磁軛端部形狀并分別進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)比結(jié)果分析，磁體尺寸對(duì)靶面磁通密度數(shù)值變化的影響較大，磁軛間距的擴(kuò)大可以有效增大靶表面磁場(chǎng)均勻分布范圍；

(3)參考結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)影響的規(guī)律，選擇圓筒式柱面磁控濺射靶內(nèi)磁路的主要參數(shù)：磁環(huán)徑差2a=30 mm、磁鐵高度b=100 mm、磁軛厚度h=10 mm、磁軛高度d=35 mm、磁軛伸出臂l=25 mm，磁軛端采用下三角形狀。計(jì)算得到平行靶面最大水平磁場(chǎng)強(qiáng)度約35 mT，平行靶面磁場(chǎng)的均勻區(qū)域達(dá)到35%～40%；

(4)結(jié)合本文提出的磁控濺射靶結(jié)構(gòu)，配合磁場(chǎng)仿真模擬研究進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)選定可為工程中利用磁控濺射進(jìn)行管狀工件外表面鍍膜提供可參考的新型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用這類(lèi)靶通過(guò)組合聯(lián)級(jí)各類(lèi)靶材實(shí)現(xiàn)可制備薄膜材料體系的擴(kuò)展，提高鍍膜設(shè)備的適應(yīng)性。同時(shí)作為磁控濺射的核心元件，研究這類(lèi)型靶源配合真空管腔可以減小真空室體積，有助于大尺寸長(zhǎng)直管鍍膜設(shè)備的小型化改進(jìn)。