分流片对矩形平面磁控溅射阴极磁场的影响

2013-03-22张超群屠友明李险峰

建材世界 2013年4期

张超群，屠友明，李险峰

（中国建材国际工程集团有限公司，上海200063）

磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中最主要的技术之一，适合于大面积玻璃的镀膜［1］。靶材利用率和溅射过程稳定性等是生产中需特别关注的问题，解决以上问题的一个关键环节是对靶的优化设计［1］。矩形平面磁控溅射阴极（下文简称平面阴极）靶面的非均匀剥蚀会严重降低靶材的利用率，改变溅射过程的参数，影响溅射过程的稳定性。为了提高靶材利用率和溅射过程稳定性，文献［2］提出在平面阴极中增加分流片结构，文献［3］认为磁场水平分量Bx（下文简称Bx）应呈马鞍形分布。

在没有分流片结构的阴极中，因为被刻蚀处的水平磁场强度和电场强度将有所增强，这样会加速局部刻蚀，而分流片结构可以有效地实现Bx马鞍形分布，减缓靶材中间部位的快速刻蚀。该文针对实际的阴极模型，利用有限元方法并模拟增加分流片结构后平面阴极的磁场分布，指导阴极磁场的优化设计。

1 分流片的作用及平面阴极模型

在分流片的作用下Bx宽度会增加，通过调整分流片可以使Bx变得更加均匀，更重要的是分流片可以使Bx呈马鞍形分布。该文结合实际的阴极生产模型，探索分流片在不同尺寸、形状、位置下对平面阴极磁场分布的影响。阴极模型如图1，未增加分流片时阴极的Bx分布如图2（图2的X坐标轴对应图1靶材表面直线AB，坐标原点和X＝105mm处分别对应图2中A点和B点，图2、图3、图4、图6、图8都作同样定义）。

内侧和外侧磁铁的截面尺寸为28mm×16mm，24mm×24mm；内、外侧极靴的截面尺寸为5mm×16 mm，9mm×24mm；靶材宽度为210mm，分流片基本尺寸为40mm×2mm。内、外侧磁铁间距（内宽）72 mm；靶材厚度12mm；磁铁和靶材之间通常是平面阴极的冷却结构，而分流片的位置通常也处于此区域，所以分流片可能会放置在冷却回路里面，这就要求分流片可以长期处于冷却水中且不能影响冷却效果。故分流片应满足以下要求：1）导磁率高；2）耐腐蚀；3）导热率高。经筛选，铁素体不锈钢能够满足以上要求。

2 分流片对平面阴极磁场的影响

2.1 分流片的长度对磁场的影响

图3为分流片长度从20mm增加至40mm时，平行于靶材表面的磁场分布。由图3可知，在分流片的作用下，Bx呈马鞍形分布。

随着分流片长度的增加，马鞍形的宽度变大，下凹程度增大，且Bx分布的极值有小幅下降。在分流片长度增加到40mm后，对磁场分布的影响减弱。经分析分流片长度在25～35mm的范围内对磁场的影响力较强，此时中部马鞍形磁场的低点较相同横坐标点的原始磁场强度下降了20%～32%。

2.2 分流片的厚度对平面阴极磁场的影响

图4为分流片厚度从0.2mm增加到6mm时，平行于靶材表面磁场强度的分布。由图4可知，随着厚度的增加，Bx分布的马鞍形下凹程度增大，而且整体下降的幅度比较大。

经分析，分流片的厚度小于0.2mm或者大于4mm对磁场分布的影响减弱。分流片厚度在1～4mm的范围内，对磁场的影响力较强，此时中部马鞍形磁场的低点较相同横坐标点的原始磁场强度下降了16%～43%。由此可见，要获得理想的马鞍形曲线，分流片的厚度是需要重点考虑的参数。

2.3 分流片的形状对平面阴极磁场的影响

分析前预先设置了3种形状的分流片，如图5中的L40H2，Triangle，Triangle2三种形状。其宽度和厚度一致，均为40mm和2mm。

图6为3种分流片对应的平行于靶材表面的磁场强度的分布。由图6可知，3种形状的分流片对应的分布曲线的水平区域宽度基本相同；Triangle2分流片对应的马鞍形磁场的下凹程度稍小于其他两种，但差值小于5%。故3种分流片对应的磁场水平分量的宽度，中部马鞍形部分的下凹程度没有明显的区别，说明分流片在相同厚度和长度的情况下，形状对磁场的影响不大。

2.4 分流片的位置对磁场的影响

预设分流片的截面尺寸为40m×2mm，横向位置位于内、外磁铁内宽正中，其形状和相对极靴上表面的高度位置如图7（图中T表示分流片上表面和极靴上表面的相对高度，其数值从0mm增加到6mm）。Bx分布如图8所示，由图8可知，随着高度的下降（即远离靶材），马鞍形下凹的程度变小，但分布曲线的水平区域宽度基本没有变化。为了考察分流片位置对磁场的影响规律，笔者针对分流片位于靶材和极靴之间的情况也做了磁场模拟（分析过程不做具体说明）。分析模拟结果发现当分流片位于靶材和磁铁1／2高度的范围内，由上至下分流片对磁场的影响逐渐减弱；当分流片在高度方向低于磁铁上表面时，分流片对磁场的影响力已变得很小。

3 模型的优化设计

根据模拟分析结果，通过添加分流片的方法对文中使用的模型进行优化设计。分流片的长度40mm，厚度1.5mm，截面为长方形。Bx分布如图9，从图9中看出加入分流片后磁场的水平宽度从大约45%增加到60%，增大的幅度比较明显，马鞍形磁场的低点较其高点下降了约25%。据此优化设计结果，在实际模型中增加新的分流片结构并在后续的实验中验证靶材的刻蚀情况及其利用率。