圓筒式柱面磁控濺射靶的磁場設計與仿真研究

楊欣蕾，彌 謙，龔立榕，周鳳琳

(西安工業大學光電工程學院,陜西省光學先進制造工程技術研究中心,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上發展起來的一種技術[1]。通過在靶材陰極表面引入磁場并利用磁場對帶電粒子的約束來增加等離子體密度，從而解決普通濺射鍍膜沉積速率低的問題[2-3]。磁控濺射一直被應用于生產各類薄膜涂層，如光學、表面改性或裝飾性薄膜等[4-5]。現階段對于磁控濺射技術的研究包括：鍍膜工藝參數對薄膜性能和微觀結構的影響；靶材形狀和磁場排布等設備參數的優化改進[6]。

在類似太陽能真空集熱管等長直管或類管狀工件外表面薄膜的生產技術中，目前國內外常采用星型轉動鍍膜；靶材立置，工件臥置，直線運行鍍膜；利用移動靶裝置鍍膜等方式[7-10]。這些設備會存在裝配基材架、整體機械設備復雜笨重，靶材加工工藝限制待鍍件尺寸，真空腔室不足以容納過長管件等問題，設備通用性有待提升[11]。通過改變傳統平面靶、圓柱旋轉靶的濺射方向，將磁體置于靶材外部實現向心鍍膜，可以有效減小真空室體積，適應大尺寸工件外表面鍍膜，還可以根據目標薄膜的材料和層數需求通過多個陰極靶聯級擴展應用，提高整體靶結構的適應性[12]。

目前管狀內腔式的鍍膜方式受到了廣泛關注。王君等[13]設計的管狀磁控濺射源，利用磁體沿鍍膜空間的周向分布產生周向延伸的磁力線，實現管狀內部濺射，但由于磁場周向不連續可能會引起腔內等離子體區域不均勻影響膜層均勻性。錢進等[14]研究設計一種空心陰極磁控濺射靶，靶內磁場由環形磁鐵和交替固定安裝的鐵軛形成，環形磁體磁極徑向分布，這類環形磁鐵的尺寸會受到制造工藝的限制，一定程度上限制了靶內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的等離子體環。

磁控濺射陰極靶作為對整體濺射過程起決定作用的部件，靶面磁場分布直接影響到等離子體區域的分布，進而反映出靶材刻蝕形貌、濺射穩定性和靶材利用率等特性[15]。因此對于靶內的磁場計算設計研究尤為重要。目前對于磁控靶磁場的研究集中于常用平面圓形、矩形靶和旋轉圓柱靶[16-17]，對于這類圓筒式、內腔式靶的磁場研究[18]還有待進一步深入。

本文基于這類圓筒式柱面靶的工作原理，運用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件，構建磁控靶結構模型，通過仿真計算進行磁場分布的理論研究。探究不同結構參數對環靶面磁場大小和分布情況的影響規律，確定結構參數。

1 圓筒式柱面磁控濺射靶的工作原理

本文所研究的靶結構基于傳統柱面磁控濺射的運行機理，保證靶面濺射區的大部分磁路與靶面平行，同時構成封閉的環形跑道[19]。整體磁控靶屬于平衡式磁控濺射，結構原理如圖1所示，由靶材、磁路、冷卻等主要部分構成。靶材呈圓筒狀，外圍永磁鐵環配合磁軛提供濺射所需磁場，通過陰極接負偏壓陽極接地形成電場，從而形成由外圍到內部方向的濺射。利用磁場和電場的交互作用，使電子在靶表面附近呈螺線狀運行，使氣體發生電離，形成高密度等離子體環[20]，通過氣體離子轟擊靶材使靶材原子發生濺射進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—陽極框6—工件 7—磁場 8—等離子區圖1 圓筒式柱面磁控濺射工作原理圖Fig.1 Schematic of cylinder magnetron sputtering working principle

根據其工作原理，可以實現從磁控靶源向靶筒內長直管工件的外表面材料膜層制備。在使用過程中，配套真空室設置在靶筒內部，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，再通過專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備的真空腔室體積，提高抽氣效率。在進行單根工件鍍膜過程中只需要配合工件軸向運動裝置就可以完成表面均勻鍍膜，同時可根據目標膜層的材料以及層數進行陰極靶的串聯擴充，圖2所示為圓筒式柱面磁控濺射設備的示意簡圖。

圖2 圓筒式柱面磁控濺射設備簡圖Fig.2 Diagram of cylinder magnetron sputtering equipment

2 磁控濺射靶磁場的三維模擬

根據圓筒式柱面磁控濺射靶的工作原理，采用圖1所示結構，以垂直于電場的磁場分量By作為研究對象，針對濺射工作區的磁場分布特性，應用COMSOL有限元分析軟件進行模擬計算與分析。選擇三維模型進行研究，計算過程中適當簡化結構模型，如圖3所示。

在進行靶內磁場仿真的過程中，應用COMSOL5.5進行三維有限元分析的主要步驟有：(1)添加靜磁、無電流(mfnc)物理場，選擇穩態研究；(2)建立三維模型，材料庫內選取對應部件材料物理參數；(3)設置邊界條件；(4)進行分區域梯度網格劃分，局部細化；(5)計算；(6)后處理，繪制磁場分析圖樣。

利用SOLIDWORKS三維繪圖軟件建立初始物理模型，通過COMSOL5.5中LiveLink插口進行模型導入，并添加所研究的靜磁物理場。在采用有限元法對磁控靶源磁場進行分析時，需要對以下幾個部分進行計算：永磁體、磁軛、靶材以及真空環境。

結構內主要部件材料特性參數如表1所示，結構內裝配零件、冷卻、絕緣、密封等部件的材料特性，對整體磁路分析基本不會產生影響。在實際研究中可以通過簡化這些結構適當減小網格數量降低運算復雜度[21]。完成結構部件材料特性參數的內置，并根據三維簡化模型(見圖3)，設置邊界條件，包括：零磁標量勢、磁通量守恒、磁絕緣等條件。隨后選擇自由四面體網格進行模型劃分，根據結構尺寸階梯式選擇網格大小，以獲得準確計算結果，圖4所示網格劃分結果。

圖3 三維模型簡圖Fig.3 3D model sketc

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

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

完成初始條件設置后進行求解運算，得到模型對應的磁通密度分布云圖、矢量分布圖以及磁力線分布圖，分別對應圖5、圖6、圖7。圖8為濺射靶物理簡化模型截面圖，其中:a為環形磁體半徑差；b為環形磁體長度；d為磁軛高度；h為磁軛厚度；l為磁軛伸出臂長度；q為靶面-磁鐵間距。在后續研究中，通過對比不同結構參數下的運算結果，如：平行于靶面方向的磁感應強度分布、磁力線分布等指標，分析并總結出磁場的變化規律。

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

3 不同結構參數對磁場的影響規律

對于陰極靶內磁場的模擬計算，為討論靶面平行分量磁場的磁感應強度，應將XY方向的磁感應強度換算成靶面切線方向的磁感應強度By[22]。在磁控濺射過程中，由于輝光放電存在陰極暗區，對應在靶表面一定距離范圍內等離子體密度最高。因此計算結果應選取距離靶表面有一定距離的圓周上的磁場分布，在本次研究中均選取靶面上方5 mm處的磁場分布進行討論。

3.1 磁環截面積

考慮類磁環徑向尺寸的變化對靶面水平磁感應強度的影響，計算結果如圖9所示，其中橫坐標為靶材的縱向整體尺寸(Y=0～120 mm)，縱坐標表示相對于靶面的水平磁通密度By。選取磁環直徑差2a=10 mm、20 mm、30 mm、40 mm進行計算，隨著磁環內外直徑差的增大，靶面的最大水平磁感應強度在濺射區內近似線性增長。選取結構尺寸時需避免過大的磁環直徑差，否則會造成部分區域刻蝕過深，降低靶材利用率。依據曲線變化規律，結合靶面水平磁感應強度的范圍，選擇磁環直徑差2a=30 mm更適宜。

圖9 不同磁環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

在平面磁控濺射結構中，高導磁材料片置于磁鐵底部與磁鐵構成完整磁路。而在圓筒式柱面結構中，將磁軛置于磁鐵兩側通過高導磁材料擴展磁場范圍并使靶面磁感應強度進一步滿足濺射形成有效束縛的磁場閾值。研究磁軛間隙大小對靶面水平磁場的影響，首先對磁軛間隙做量化處理，設k為磁軛間隙與磁鐵長度b之間的比值。

變量k的表達式為：

(1)

式中：b為磁鐵長度；h為磁軛厚度；l為磁軛伸出臂長度。

選取不同k進行計算研究，結果如圖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，利用磁軛伸出臂結構擴展磁路，不僅可以增大靶面磁場水平分布區域，同時By,max的值也會發生變化。當k=1.0時靶面水平區域范圍最廣，但由于磁軛伸出臂的長度為零，通體磁路分布無差別，導致整體磁通密度減小。對k取不同值時By,max的變化進行研究，如圖11所示，發現當k=0.6和0.7時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，選取k=0.7作為磁路內計算磁軛間隙的參數依據，以獲得平行靶面磁場區域更大的結構。

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By最大值變化趨勢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影響到磁鐵間流過的磁通量大小[23]并使磁場分布發生變化。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取不同數值平行于靶面的磁場分量By的分布情況。由仿真計算結果來看，磁軛厚度h以5 mm為單位遞增時，磁場分布的變化主要表現在靶兩側區域，而最大水平磁感應強度變化小于0.3%，基本不受影響。所以在磁軛厚度的選擇上，考慮到整體結構尺寸，同時保證結構的機械強度，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

類比平面磁控濺射靶進行不同極靴形狀的研究[11]，本文對靶結構中磁鐵兩側的磁軛端部形狀對于磁場分布的影響進行分析闡述。選取平端、下三角、上三角、尖端四種形狀，如圖13所示，實際結構選取k=0.7的磁軛伸出臂長度基礎上改變形狀。由圖14可以看出，靶面水平方向的磁感應強度分布呈現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置冷卻結構，所以在研究磁軛高度時應預留固定的磁軛-靶間距，符合實際陰極靶結構。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，相對于靶面水平的磁感應強度By分量逐漸減小，平行于靶面的磁路區域基本不變，靶面上整體磁場的分布更加平緩。這是由于當磁軛高度增加時，磁鐵-靶間距增加，磁路變長，相應靶面磁感應強度減小，磁力線分布情況如圖17所示。綜合四個尺寸結果曲線，分析出磁鐵-靶間距主要影響靶面磁感應強度的大小，鑒于平行靶面磁感應強度的最佳取值范圍(20～50 mT)，一般在磁控靶結構設計中應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

結合靶內各部件選取的尺寸計算得到平行靶面最大磁感應強度約為35 mT，同時平行靶面均勻區域范圍占完整靶面的35%～40%，滿足磁控濺射的磁場基本要求。

4 結 論

本文提出一種基于柱面磁控濺射原理改進的圓筒式磁控濺射靶結構，通過管內向心濺射易于實現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，通過建立陰極靶的三維模型來減小在采用二維模型研究中忽略的磁鐵結構間相互作用對計算精度的影響，利用COMSOL Multiphysics軟件內置的靜磁物理場對其磁場進行精確的有限元分析；

(2)探究磁控靶內結構參數對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行模擬計算。對比結果分析，磁體尺寸對靶面磁通密度數值變化的影響較大，磁軛間距的擴大可以有效增大靶表面磁場均勻分布范圍；

(3)參考結構對磁場影響的規律，選擇圓筒式柱面磁控濺射靶內磁路的主要參數：磁環徑差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。計算得到平行靶面最大水平磁場強度約35 mT，平行靶面磁場的均勻區域達到35%～40%；

(4)結合本文提出的磁控濺射靶結構，配合磁場仿真模擬研究進行結構參數選定可為工程中利用磁控濺射進行管狀工件外表面鍍膜提供可參考的新型結構，應用這類靶通過組合聯級各類靶材實現可制備薄膜材料體系的擴展，提高鍍膜設備的適應性。同時作為磁控濺射的核心元件，研究這類型靶源配合真空管腔可以減小真空室體積，有助于大尺寸長直管鍍膜設備的小型化改進。