一種新型磁控濺射貴金屬靶材設計

樊 濤

（科特萊思科(上海)商貿有限公司，上海 201203）

磁控濺射鍍膜儀器已經廣泛應用于工業(yè)級鍍膜生產和材料的表面改性[1，2]，在現(xiàn)代鍍膜工業(yè)生產中，影響鍍膜生產效率主要有兩個方面原因：鍍膜時候的沉積效率和磁控濺射靶材的利用率[3-5]。特別是貴金屬的鍍膜使用過程中，靶材的費用昂貴，靶材的利用率至關重要。

工業(yè)生產中，通常對貴金屬靶材使用以下方式降低成本：①貴金屬靶材與銅背板綁定，減少貴金屬的厚度，降低成本；②對于刻蝕后的靶材進行回收利用[6-8]。本文應用ANSYS有限元方法模擬分析直徑為72mm圓形平面濺射靶槍靶材的表面磁場，分析圓形平面濺射靶的靶材利用率較低的主要原因，針對原有靶材的設計進行優(yōu)化，從而降低貴金屬靶材的成本。

1 圓形平面陰極結構

本文涉及的直徑為72mm圓形平面磁控濺射靶應用于哈爾濱商業(yè)大學實驗室磁控濺射系統(tǒng)，采用單靶位置向上濺射排布，靶槍角度可以調節(jié)，基片位于靶槍上方靶基距120mm位置[9]。

該靶槍采用高磁場強度的釹鐵硼磁鐵，靶槍內部采用間接水冷并與磁鐵分離的設計，克服直接水冷結構中靶槍磁鐵與靶材等發(fā)生電化學反應的缺點，有效延長靶槍的使用壽命。

圓形平面磁控濺射陰極結構圖1所示，主要有靶材、磁控濺射靶槍、靶槍擋板、靶桿、限位塊、電極接線端子六大部分組成。

圖1 直徑為72mm平面磁控濺射陰極結構

靶材的基本參數如下：工業(yè)用靶材φ72mm×8mm，靶材四周通過8-φ4.5mm孔均布固定在靶槍上，防止靶材在工藝過程中受熱變形脫落，如圖2磁控濺射靶材所示。

圖2 磁控濺射靶材

2 圓形平面磁控濺射陰極磁場模擬計算

2.1 圓形平面磁控濺射陰極物理建模

圖3為圓形平面磁控濺射靶槍的物理建模。直徑72mm圓形磁控濺射陰極主要有以下六大部分組成：靶材、靶基座、外磁環(huán)、中心磁鐵、水冷管路、電極接線端子。整個圓形靶槍沿靶槍徑向軸中心對稱，建立在XY平面坐標系中，圖3中坐標原點在靶材上表面圓心位置，X軸在靶槍的徑向方向，Y方向水平靶材表面方向[10]。靶槍內部磁鐵排布為N-S-N，因此，磁力線由中間磁鐵S極出發(fā)，穿過靶材在回歸到外環(huán)磁鐵N極，形成完整的磁力線回路。

圖3 圓形平面磁控濺射陰極機構物理模型

2.2 ANSYS物理建模的網格劃分

本文采用的圓形磁控濺射陰極由兩個磁鐵塊組成：中心磁鐵和外磁環(huán)，并且兩個磁鐵磁性相反。中心磁鐵的半徑為10.5mm，高度12mm，外磁環(huán)外徑為60mm，內徑為25mm，高度為12mm。磁鐵材質選用汝鐵硼，矯頑力為10 0000erteds，其退磁曲線如圖4所示，在Ansysworkbench有限元分析軟件的前處理器中建立網格模型，將靶槍內部各部分零件賦予材料屬性，選擇智能網格劃分，網格精度劃分為中級網格，見圖5。

圖4 磁鐵的特性曲線

圖5 Ansys有限元網格劃分

2.3 磁場模擬分析靶材利用率范圍

圖6 圓形平面磁控靶材表面磁場等位線的數值模擬

磁控濺射的基本原理是腔體中通入氬氣在高電壓陰極的作用下電離，電離后氬離子在靶槍正交的電場和磁場作用下，沿著靶槍表面環(huán)形運動軌跡束縛并且延長氬離子和靶材的碰撞幾率[11，12]，有效的利用電子的能量，其中磁場的主要作用是改變氬氣離子的運行軌跡，因此，靶材表面的磁場強度B值大小和分布直接影響磁控濺射靶刻蝕軌道形狀和刻蝕深度。

從模擬數據圖6圓形平面磁控濺射靶材表面磁場等位線結果表明：在水平磁場方向上，主要集中在圓形靶材表面的中心圓環(huán)內，并且中心磁鐵和外環(huán)線磁鐵的之間的中心位置有一個最大值By為0.5T。外環(huán)磁鐵和中心磁鐵正上方的水平磁場強度By為0。豎直磁場強度分布Bx：磁場強度主要集中在中心磁鐵正上方的靶材表面位置和邊緣環(huán)形磁鐵正上方的靶材表面位置，因此，中心磁鐵和外磁環(huán)正上方的磁場強度Bx數值最大。由于磁控濺射工作原理主要是正交的磁場和電場作用靶材表面的分布，所以主要考慮的是水平磁場強度By會直接影響到磁控濺射靶槍工作過程中氬氣離子在靶材表面的運動軌跡。

圖7 靶材表面水平方向Bx和By磁場分布云圖

模擬計算靶材表面水平方向Bx和By磁場分布云圖7，數據表明：沿著靶材表面Y軸位置-3.6mm到3.6mm之間靶材表面磁鐵強度為0，X軸-36mm到-19.8mm靶材磁場強度為0，Y軸18mm到36mm之間靶材磁場強度為0.這些數據為我們設計靶材提供了非常重要的依據。

3 新型圓形平面貴金屬靶材的設計

3.1 新型圓形平面貴金屬靶材結構

依據靶材表面水平方向Bx和By磁場分布云圖，和已經過刻蝕的靶表面軌道圖8做對比，發(fā)現(xiàn)磁場模擬和實際情況相符：因為靶槍中心磁鐵和外磁環(huán)磁鐵上方部位水平磁場強度Bx數值為零。所以，在整個濺射刻蝕過程中該部位沒有發(fā)生濺射刻蝕損耗。因此，考慮該部分貴金屬可以省略，使用無氧銅背板部分替代，采用綁定的方法將貴金屬靶材和特殊形狀無氧銅背板固定，達到與原靶材同樣的使用效果，考慮到整個靶材在濺射過程中，刻蝕軌跡是從寬到窄，整個刻蝕過程也是由慢到快。因此，貴金屬靶材在厚度方向上的利用率隨著刻蝕深度越來越低。

圖8 刻蝕靶材表面軌道

依據靶材表面水平方向Bx和By磁場分布云圖7，可以得出整個濺射工藝過程中消耗貴金屬靶材的部分范圍尺寸為X軸3.6mm到18mm和-3.6mm到-18mm軸 對 稱，因此，考慮貴金屬靶材部分采用環(huán)裝設計結構，外徑為40mm內徑為8mm厚度為5mm，貴金屬靶材部分設計示意圖9所示。

圖9 貴重金屬靶材設計效果

無氧銅背板部分，需要考慮兩個方面，其一：背板部分需要和靶基座固定，最大面積的接觸靶基座保證水冷效果；其二，新設計的貴金屬部分需要和銅背板粘合在一起，必須考慮粘合公差方面的參數，要求貴金屬部分和銅背板部分采用間隙配合，銅背板內徑和貴金屬部分外徑間隙大于0.05mm，銅背板設計效果圖10所示。

圖10 銅背板設計效果

3.2 新型圓形平面濺射靶材和背板的固定方式

貴金屬材料部分和銅背板部分采用綁定工藝，將兩個部件粘合一起，這種新設計的靶材嘗試以下三種綁定方式，通過試驗測試發(fā)現(xiàn)它們的優(yōu)缺點：

（1）銦綁定，測試后發(fā)現(xiàn)其主要優(yōu)點有成本低，工藝成熟，缺點是銦熔點溫度為150℃，工藝過程中功率增加斜率過大或者靶槍長時間持續(xù)工作，靶材和背板之間的熱膨脹系數不一樣，銦受熱融化，經常有脫靶材現(xiàn)場[13]。

（2）塑料綁定，這種綁定方式為采用新型有機低飽和蒸汽壓材料，選用Kurt Lesker公司銀環(huán)氧樹脂膠水型號KL-325K對靶材和背板進行粘合，價格成本和銦綁定相當，這種環(huán)氧膠水熱傳導為25x10-4W/mK，室溫為25℃時電阻率為0.001 ohm-cm，測試發(fā)現(xiàn)這種方式的主要優(yōu)點有材料熔點溫度高于銦綁定，最大溫度可以達到240℃，可以在175℃以為長時間持續(xù)工作。貴金屬靶材、有機粘合材料層、銅背板三種材料在一起，在鍍膜工藝過程中，隨著溫度的升高，貴金屬靶材和背板之間有較大的變形量，而有機黏合層，起到變形緩沖作用，可以有效防止陶瓷材料、硅材料等易碎材料在工藝過程中在應力作用下變形破裂和脫靶現(xiàn)象[14，15]；

（3）擴散綁定，主要優(yōu)點靶材和背板之間通過物理擴散方式粘合，在鍍膜工藝過程不會發(fā)生靶材脫落現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)國內使用這種工藝不成熟，加工成本高，靶材和背板在刻蝕后很難再次脫離，增加了靶材回收再利用的難度，不適合貴金屬靶材[16]。

圖11 綁定工藝后的靶材的效果

通過對比試驗后發(fā)現(xiàn)，新型的靶材更適合于塑料綁定工藝。綁定工藝后靶材的如效果圖11所示。假如，該貴金屬為常規(guī)工藝用的99.999%純度的金，金靶材部分重量為115g。而無氧銅背板部分重量為144g。之前老式的靶材設計金的重量為575g。這會將整個金靶材部分的成本減低13萬人民幣，提高了貴金屬的利用率。

4 結論

通過ANSYSY模擬，對直徑72mm圓形平面濺射陰極的靶材表面的磁場強度進行了分析，結果表明：圓形平面濺射陰極靶材表面的沿X軸水平磁場分布中靶材軸心位置到靶材邊緣位置之間有一個最大值磁場強度By為0.5T；而靶材表面最中心位置和靶材表面外磁環(huán)所在的正上方位置處，水平方向磁場強度為0mT，模擬數據與靶槍實際刻蝕跑道軌跡相符。

根據這個模擬計算結果，提出一種新的靶材的設計方案，將靶材表面磁場Bx為0的部分用無氧銅背板替代，采用新型設計的無氧銅背板與貴金屬靶材采用塑料綁定的工藝固定粘合，降低了工業(yè)生產中貴金屬靶材的成本。模擬計算結果表明：原靶材貴金屬部分體積為31.266cm3，新型的靶材貴金屬部分的體積為：6.03cm3。由此可見通過圓形平面濺射陰極的靶材設計的優(yōu)化，減少了貴金屬靶材部分80%的浪費，為解決工業(yè)生產過程中貴金屬靶材成本高的缺陷，提高貴金屬材料的利用率提供了新思路。