基于COMSOL的圓平面磁控濺射靶的磁場(chǎng)研究

李夢(mèng)飛，葉偉，杜鵬飛

（陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

磁控濺射鍍膜技術(shù)具有濺射速率高、基片沉積溫度低、薄膜品質(zhì)好等特點(diǎn)[1-2]，但存在靶材利用率低、磁場(chǎng)均勻性差等一系列的問(wèn)題[3-4]，因此有必要對(duì)磁控濺射靶的磁場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中磁控濺射靶的優(yōu)化設(shè)計(jì)最關(guān)鍵。國(guó)外在該領(lǐng)域起步較早，在靶分析和設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)很明顯，20世紀(jì)末就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。而國(guó)內(nèi)較晚才從事該領(lǐng)域的研究，大多數(shù)仍處于引進(jìn)、模仿、再創(chuàng)新的階段[5]。磁控濺射一直被應(yīng)用于生產(chǎn)各類薄膜，如光學(xué)、表面改性或裝飾性薄膜等[6-7]，在微電子器件、集成器件、光學(xué)薄膜器件、傳感器等的制造中應(yīng)用廣泛，但在首飾行業(yè)中應(yīng)用的報(bào)道相對(duì)較少[8]。隨著科技的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，對(duì)物質(zhì)的需求及其高品質(zhì)的追求也在提高，特別是首飾、手機(jī)等與人體密切接觸的物件，人們更是舍得投資，因此通過(guò)鍍膜來(lái)提升首飾等的品質(zhì)具有巨大的潛力。

在首飾表面沉積防指紋膜(俗稱AF膜)可以有效改善其抗臟污性能[9]。常規(guī)的磁控濺射靶大多為矩形靶，圓柱靶的結(jié)構(gòu)優(yōu)于常規(guī)的矩形靶。由于首飾小巧，而圓柱型靶大多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，因此用圓柱靶對(duì)首飾等進(jìn)行鍍膜實(shí)驗(yàn)是較為合適的，這也為研究首飾等小型物品的鍍膜提供了一種方案。

近年來(lái)磁控濺射技術(shù)主要圍繞鍍膜的均勻性、靶材形狀、磁場(chǎng)分布等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。磁控濺射陰極靶對(duì)整個(gè)濺射過(guò)程起決定性作用，靶面磁場(chǎng)分布直接影響到等離子體區(qū)域的分布，進(jìn)而反映到靶材刻蝕形貌、濺射穩(wěn)定性、靶材利用率等方面[12]。影響薄膜沉積均勻性的因素有濺射靶磁場(chǎng)均勻性、濺射靶與基片之間的相對(duì)位置、濺射氣體及基片溫度分布等[13]。探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下靶面磁場(chǎng)大小和分布的均勻情況有重要意義。

本文所研究的圓筒式圓面磁控濺射靶是中間一個(gè)圓柱形永磁鐵，外環(huán)等距排布長(zhǎng)方體的永恒磁鐵，這使得磁場(chǎng)分布更加均勻，令靶材表面形成均勻連續(xù)的等離子體環(huán)。使用 CATIA建立三維模型，運(yùn)用 COMSOL Multiphysics 5.6有限元分析軟件仿真模擬，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

1 圓筒式圓平面磁控濺射靶的陰極結(jié)構(gòu)

1.1 建立模型

圓平面磁控濺射的應(yīng)用分為2個(gè)層次：直徑大于150 mm的靶為生產(chǎn)型鍍膜設(shè)備，直徑50 ～ 150 mm的靶主要應(yīng)用于高等院校和科研單位[14]。本文用的磁控濺射靶的直徑為113 mm，陰極平面二維結(jié)構(gòu)如圖1所示，磁鐵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 磁控濺射靶陰極結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural sketch of cathode target of magnetron sputtering

圖2 磁控濺射靶陰極磁鐵模型Figure 2 Model of magnet configuration of magnetron sputtering cathode target

1.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)針對(duì)磁控濺射鍍膜用冷卻系統(tǒng)的研究較少，但濺射速率和溫度有關(guān)，溫度越高則濺射速率越低，而且靶材溫度的急劇提高必然會(huì)導(dǎo)致靶材的破壞和失效，因此冷卻系統(tǒng)對(duì)磁控濺射鍍膜來(lái)說(shuō)必不可少[15]。在濺射過(guò)程中，氬離子轟擊靶材所產(chǎn)生的熱量大，70% ～ 80%的熱量需要通過(guò)冷卻水帶走，才能保證濺射過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。

對(duì)靶材的冷卻主要分為直接和間接2種方式：間接冷卻就是在靶材與背板間夾一層無(wú)氧紫銅箔或低熔點(diǎn)導(dǎo)熱薄層材料來(lái)保證靶材與水冷背板的緊密接觸，但是要求靶材背面的平整度較高，并且成本較高；直接冷卻則是將水直接通入陰極空腔內(nèi)，通過(guò)冷卻背板來(lái)實(shí)現(xiàn)靶材降溫，其優(yōu)點(diǎn)在于加工相對(duì)容易，但水會(huì)經(jīng)過(guò)磁軛、內(nèi)外磁鐵等核心部件，腐蝕問(wèn)題不可避免，而且對(duì)靶材與背板的貼合度和密封性要求極高，工藝上較為復(fù)雜[14]。因此，本文采用設(shè)置水箱的直接和間接冷卻相結(jié)合的方式，這樣工藝上較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。冷卻系統(tǒng)由無(wú)氧紫銅做的樣品座和水箱兩部分組成，分別如圖3和圖4所示。

圖3 樣品座結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structural sketch of sample pedestal

圖4 冷卻水箱結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structural sketch of cooling water tank

1.3 磁軛

永磁鐵的尺寸已經(jīng)確定，外磁鐵設(shè)置得比內(nèi)磁鐵低2 mm，此時(shí)的磁通密度分布較為均勻平緩。在靶材和磁路之間需設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)，所以在確定磁軛的高度時(shí)應(yīng)該預(yù)留固定的磁軛-靶間距，以符合實(shí)際的陰極靶結(jié)構(gòu)。

在普通磁控濺射靶結(jié)構(gòu)中，磁軛一般都是一整塊的，這樣適合只有內(nèi)磁鐵而無(wú)外磁鐵的單環(huán)結(jié)構(gòu)或內(nèi)外磁石高度在同一平面上的情況。而本文采用的是內(nèi)外磁鐵不在同一高度的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，因而內(nèi)外磁鐵需配用不同的磁軛，內(nèi)磁軛是與內(nèi)磁鐵同直徑、厚度為5 mm的圓柱，外磁環(huán)的磁軛為外徑80 mm、內(nèi)徑62 mm、厚度9 mm的圓環(huán)，并且倒角45°直角邊為5 mm倒角的下三角形狀。靶面水平方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布呈現(xiàn)“上三角 ＜ 尖端 ＜ 平端 ＜ 下三角”的規(guī)律，由于磁軛材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣，因此采用下三角形狀時(shí)，靶材表面有更多磁通[16]。

1.4 建立模型

為了減少計(jì)數(shù)時(shí)間，假設(shè)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[16]。而在樣品座上方假定設(shè)置5 mm厚的靶材，將其均勻地分成5層，每層厚度為1 mm；在模擬中可以分析每一個(gè)平面下的磁場(chǎng)分布情況，進(jìn)而可以選擇最合適的靶材直徑和厚度。又因?yàn)殛帢O靶外圍磁場(chǎng)是由16個(gè)永磁鐵均勻排布構(gòu)成的，呈軸對(duì)稱，因此可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)化后的靶結(jié)構(gòu)平面圖Figure 5 Plan view of simplified target structure

用Comsol Multiphysics 5.6進(jìn)行磁場(chǎng)模擬分析分以下幾個(gè)步驟：

(1) 選擇二維模型。

(2) 確定物理場(chǎng)：磁場(chǎng)分析，無(wú)電流。

(3) 添加材料物理參數(shù)，列于表1。

表1 磁控靶內(nèi)各部件的材料特性Table 1 Material properties of components in the magnetron target

(4) 添加邊界條件：選擇零勢(shì)面，磁場(chǎng)守恒。

(5) 劃分網(wǎng)格：整體劃分，再局部細(xì)化。

(6) 添加研究：選擇穩(wěn)態(tài)。

(7) 后處理：相關(guān)數(shù)據(jù)分析，再繪制一維圖。

把尺寸和材料的物理性質(zhì)設(shè)置好以后，對(duì)平面模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后局部細(xì)化，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分后的模型Figure 6 Diagram of the model after meshing

網(wǎng)格劃分后進(jìn)行求解，得到磁通密度分布(圖7)、磁場(chǎng)Y分量等直線分布(圖8)、磁標(biāo)勢(shì)分布云(圖9)和磁場(chǎng)模分布云(圖10)。可以看出磁通密度分布情況相對(duì)良好，最大值達(dá)到2.02 × 105mT。實(shí)踐和理論研究表明，影響靶材刻蝕特性的主要因素來(lái)自平行靶面的磁場(chǎng)分布，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)小會(huì)使所需的電源功率加大，從而產(chǎn)生更多的熱量，超過(guò)一定的范圍又會(huì)使濺射功率趨于定值，甚至?xí)?dǎo)致靶材利用率降低。在相同的濺射速率下，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)保持在合適的范圍內(nèi)[17]。因此，選擇水平磁感應(yīng)強(qiáng)度在20 ～ 50 mT較為合適[18]。

圖7 磁通密度分布Figure 7 Distribution of magnetic flux density

圖8 磁場(chǎng)Y分量等值線分布Figure 8 Isolinear distribution of Y component of magnetic field

圖9 磁標(biāo)勢(shì)分布云Figure 9 Cloud image of magnetic scalar potential distribution

圖10 磁場(chǎng)模分布云Figure 10 Cloud image of magnetic field magnitude distribution

磁場(chǎng)的大小也反映出磁通密度的大小，二者有著相似的物理意義，磁標(biāo)勢(shì)可以判斷磁位的高低，它們都可以用于分析磁通密度的分布情況。分布云圖則能很好地從視覺(jué)上展示分布情況。

2 模擬結(jié)果分析

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[16]。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Y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[19]。本文的陰極結(jié)構(gòu)與尋常靶結(jié)構(gòu)不同之處就在于樣品座及內(nèi)外磁鐵的布置。因此本文重點(diǎn)分析此結(jié)構(gòu)下的磁場(chǎng)分布與尋常圓形靶有何不同。

2.1 靶材表面的有關(guān)分析

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)就開(kāi)展了有關(guān)靶材利用率和刻蝕均勻性的研究，得出靶材刻蝕速率與磁場(chǎng)在靶材表面的水平分量的大小成正比[20]。先討論在此結(jié)構(gòu)下靶材表面的磁通密度、磁標(biāo)勢(shì)、磁能密度、應(yīng)力張量Y方向分量、磁場(chǎng)X分量及磁場(chǎng)Y分量的分布情況，如圖11至圖16所示。

圖11 靶材表面磁場(chǎng)密度分布Figure 11 Distribution of magnetic flux density on target surface

圖12 靶材表面磁標(biāo)勢(shì)分布Figure 12 Distribution of magnetic scalar potential on target surface

圖16 磁場(chǎng)Y分量分布Figure 16 Distribution of Y component of magnetic field

從圖11可以看出，直徑在0 ～ 10 mm、25 ～ 55 mm、70 ～ 80 mm這3個(gè)部分的磁通密度分布較為理想，磁通密度在80 ～ 130 mT之間，三部分加起來(lái)占總直徑的62.5%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)靶材利用率的報(bào)道可以得出，靶材利用率可高達(dá)62.5%。然而在這3個(gè)區(qū)間內(nèi)0 mm面的分布和5 mm面的磁場(chǎng)分布還是有一定的差距，因此厚度在2 ～ 4 mm的范圍內(nèi)最佳，相對(duì)磁通密度的分布減小，保守在40% ～ 50%之間。

磁場(chǎng)強(qiáng)度與靶材的厚度成反比，靶材越厚的表面磁通密度越小，但值的分布更加平緩；相反地，靶材厚度越小的表面磁通密度越大，但是分布不平緩，容易發(fā)生靶材擊穿現(xiàn)象，使得靶材使用壽命縮短。因此靶材不應(yīng)該太薄也不能太厚，應(yīng)該控制在合理的范圍之內(nèi)。而靶材表面的磁場(chǎng)分布走向先降低，再升高，然后趨于平緩，再降低，再升高的分布變化。靶材的直徑也應(yīng)控制在合適的范圍之內(nèi)，或者把靶材的形狀加工成與磁場(chǎng)分布趨勢(shì)一致的“駝峰”形狀。從圖11至圖13的變化趨勢(shì)可以看出靶材的最佳厚度和直徑，靶材在1 mm厚時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度最高。但磁通密度分布出現(xiàn)了“凹”現(xiàn)象，這樣就很容易導(dǎo)致靶材擊穿，2 ～ 5 mm厚度時(shí)磁通密度分布就很平緩，但是在5 mm后平緩度明顯不足，因此靶材的最佳厚度為2 ～ 4 mm。

圖13 磁能密度分布Figure 13 Distribution of magnetic energy density

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)。從圖14可以明顯看到在靶材最底部的應(yīng)力是與其他方向相反的，這也恰好說(shuō)明了靶材底部的磁場(chǎng)應(yīng)力是向下的，靶材底部以上的磁場(chǎng)應(yīng)力是向上的，只是方向的問(wèn)題。從圖15和圖16可以看出，磁場(chǎng)在靶材中心兩端分布方向相反，大小基本與磁通密度變化的趨勢(shì)吻合。

圖14 應(yīng)力張量Y方向分量分布Figure 14 Distribution of stress tensor in Y direction

圖15 磁場(chǎng)X分量分布Figure 15 Distribution of X component of magnetic field

2.2 沿靶中心的有關(guān)變化

靶中心軸(陰極結(jié)構(gòu)的中心軸所在直線)是無(wú)窮遠(yuǎn)處到極靴底部向上的，從圖17可以看到磁通密度從無(wú)窮遠(yuǎn)處先直線上升，當(dāng)接近極靴底部時(shí)發(fā)生變化，再?gòu)臉O靴底部先升高，在磁鐵底部達(dá)到峰值601.307 6 mT，在磁鐵內(nèi)部有下降的趨勢(shì)但不明顯，在磁軛中磁通密度則直線下降，變化非常明顯，之后就緩慢下降，趨于平緩，最低12.255 1 mT。

圖17 磁通密度沿中心軸的變化Figure 17 Variation of magnetic flux density along the central axis

在圖18中可以看到沿磁場(chǎng)中心軸的磁勢(shì)變化：從極靴底部開(kāi)始，磁勢(shì)從磁鐵底部到磁鐵頂端呈直線上升，峰值是4 189 786.049 0 mA，在經(jīng)過(guò)磁軛不變后磁勢(shì)開(kāi)始逐漸下降?？梢缘贸鲈诰嚯x40 mm左右時(shí)達(dá)到峰值。

圖18 磁勢(shì)沿中心軸的變化Figure 18 Variation of magnetic scalar potential along the central axis

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

利用CTS27型數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)量靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度，盡量把探頭垂直放在靶材表面。在沿靶材座半徑方向每隔1 mm取1個(gè)讀數(shù)，共9個(gè)點(diǎn)，取5次測(cè)量的平均值，結(jié)果列于表2。

表2 靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值Table 2 Magnetic induction measured horizontally on target surface（單位：mT）

根據(jù)上文所提到的仿真結(jié)果，沿半徑方向每隔1 mm取一個(gè)數(shù)值，可以得到9個(gè)截點(diǎn)上的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)的平均值進(jìn)行對(duì)比，如圖19所示。從中可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與軟件仿真結(jié)果的誤差很小，靶材模型的合理性得到了驗(yàn)證。

圖19 實(shí)驗(yàn)測(cè)量靶材表面沿半徑方向的磁通密度平均值與模擬結(jié)果的對(duì)比Figure 19 Comparison between the average magnetic flux density along the radius of target surface measured and the simulation results

4 結(jié)論

本文基于磁控濺射的原理，設(shè)計(jì)了一種磁控濺射靶陰極結(jié)構(gòu)，提出了一種“內(nèi)圓外方，外圍圓”的排布方式。該排列方式對(duì)于小型磁控濺射靶運(yùn)用有顯著的優(yōu)勢(shì)，并且散熱能力得到進(jìn)一步的提高。冷卻水箱的設(shè)置避免了傳統(tǒng)的直接冷卻方式帶來(lái)的腐蝕磁鐵的弊端，而且冷卻水箱的水通過(guò)進(jìn)出水法蘭，可以在工作期間實(shí)時(shí)通過(guò)換水進(jìn)行冷卻。冷卻水箱和無(wú)氧紫銅共同組成了靶的冷卻系統(tǒng)，可使靶在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)工作。

通過(guò)COMSOL Multiphysics 5.6軟件的磁場(chǎng)-無(wú)電流模塊對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，與利用CTS27型數(shù)字特斯拉計(jì)對(duì)靶平面磁場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果基本一致。經(jīng)過(guò)計(jì)算，靶材利用率可達(dá)40% ～ 50%，與普通結(jié)構(gòu)的靶材30%左右的利用率相比有了一定程度的提升。