分流片對矩形平面磁控濺射陰極磁場的影響

張超群，屠友明，李險峰

（中國建材國際工程集團有限公司，上海200063）

磁控濺射鍍膜是工業鍍膜生產中最主要的技術之一，適合于大面積玻璃的鍍膜［1］。靶材利用率和濺射過程穩定性等是生產中需特別關注的問題，解決以上問題的一個關鍵環節是對靶的優化設計［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嚴重降低靶材的利用率，改變濺射過程的參數，影響濺射過程的穩定性。為了提高靶材利用率和濺射過程穩定性，文獻［2］提出在平面陰極中增加分流片結構，文獻［3］認為磁場水平分量Bx（下文簡稱Bx）應呈馬鞍形分布。

在沒有分流片結構的陰極中，因為被刻蝕處的水平磁場強度和電場強度將有所增強，這樣會加速局部刻蝕，而分流片結構可以有效地實現Bx馬鞍形分布，減緩靶材中間部位的快速刻蝕。該文針對實際的陰極模型，利用有限元方法并模擬增加分流片結構后平面陰極的磁場分布，指導陰極磁場的優化設計。

1 分流片的作用及平面陰極模型

在分流片的作用下Bx寬度會增加，通過調整分流片可以使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。該文結合實際的陰極生產模型，探索分流片在不同尺寸、形狀、位置下對平面陰極磁場分布的影響。陰極模型如圖1，未增加分流片時陰極的Bx分布如圖2（圖2的X坐標軸對應圖1靶材表面直線AB，坐標原點和X＝105mm處分別對應圖2中A點和B點，圖2、圖3、圖4、圖6、圖8都作同樣定義）。

內側和外側磁鐵的截面尺寸為28mm×16mm，24mm×24mm；內、外側極靴的截面尺寸為5mm×16 mm，9mm×24mm；靶材寬度為210mm，分流片基本尺寸為40mm×2mm。內、外側磁鐵間距（內寬）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構，而分流片的位置通常也處于此區域，所以分流片可能會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。故分流片應滿足以下要求：1）導磁率高；2）耐腐蝕；3）導熱率高。經篩選，鐵素體不銹鋼能夠滿足以上要求。

2 分流片對平面陰極磁場的影響

2.1 分流片的長度對磁場的影響

圖3為分流片長度從20mm增加至40mm時，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，對磁場分布的影響減弱。經分析分流片長度在25～35mm的范圍內對磁場的影響力較強，此時中部馬鞍形磁場的低點較相同橫坐標點的原始磁場強度下降了20%～32%。

2.2 分流片的厚度對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，平行于靶材表面磁場強度的分布。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。

經分析，分流片的厚度小于0.2mm或者大于4mm對磁場分布的影響減弱。分流片厚度在1～4mm的范圍內，對磁場的影響力較強，此時中部馬鞍形磁場的低點較相同橫坐標點的原始磁場強度下降了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考慮的參數。

2.3 分流片的形狀對平面陰極磁場的影響

分析前預先設置了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種分流片對應的平行于靶材表面的磁場強度的分布。由圖6可知，3種形狀的分流片對應的分布曲線的水平區域寬度基本相同；Triangle2分流片對應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種分流片對應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別，說明分流片在相同厚度和長度的情況下，形狀對磁場的影響不大。

2.4 分流片的位置對磁場的影響

預設分流片的截面尺寸為40m×2mm，橫向位置位于內、外磁鐵內寬正中，其形狀和相對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高度，其數值從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（即遠離靶材），馬鞍形下凹的程度變小，但分布曲線的水平區域寬度基本沒有變化。為了考察分流片位置對磁場的影響規律，筆者針對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）。分析模擬結果發現當分流片位于靶材和磁鐵1／2高度的范圍內，由上至下分流片對磁場的影響逐漸減弱；當分流片在高度方向低于磁鐵上表面時，分流片對磁場的影響力已變得很小。

3 模型的優化設計

根據模擬分析結果，通過添加分流片的方法對文中使用的模型進行優化設計。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，馬鞍形磁場的低點較其高點下降了約25%。據此優化設計結果，在實際模型中增加新的分流片結構并在后續的實驗中驗證靶材的刻蝕情況及其利用率。

4 結 論

該文通過對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度分布，并據此總結了分流片對陰極磁場的影響；其中分流片的截面尺寸和位置對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·阿登納真空技術有限公司譯.上海：上海交通大學出版社，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化設計［D］.北京：清華大學電子工程系，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.真空鍍膜技術與設備［M］.沈陽：東北工學院出版社，1992.