旋转圆柱磁控溅射阴极设计和磁场强度分析计算

　　磁场分布对旋转圆柱靶磁控溅射阴极的性能起着决定性作用。本文应用ANSYS 有限元方法对单个旋转圆柱靶和孪生旋转圆柱靶阴极磁场强度进行了模拟计算，得到的磁场分量Bx、By 在靶材表面的二维磁场分布，并利用Bx、By 计算得到了圆柱靶表面切线方向的磁场强度Bτ。通过调节磁铁的高度、宽度、磁铁间夹角以及孪生靶间距和靶中心轴旋转角度等参数对磁场分布进行了优化，优化后的圆柱磁控溅射阴极的表面切线方向磁场强度增加了大约40%，所对应的溅射区磁场面积也增大了大约45%。

　　在现代镀膜工业生产中，生产效率主要受薄膜的沉积速率和靶材的利用率两个因素的影响。磁控溅射技术与传统的蒸发及各种湿的化学薄膜沉积法相比，具有宽的膜层均匀性、膜层与基片结合牢固、可通过调节靶的组分、溅射参数以及设备的机械结构等方法改善膜层的性质和不受基片性质的影响等优点。目前，在国内外大型镀膜生产设备中，大都采用传统的平面磁控溅射靶。但是，平面靶存在靶材利用率低，使用周期短，换靶时间长等缺陷。

　　针对平面靶的上述缺点，新型的旋转圆柱靶引起了广泛的重视，旋转圆柱磁控溅射靶从原理上相当于两个平面矩形磁控溅射靶，靶的结构是由若干根长条形永磁体沿靶的轴线方向排列，从而可以产生两个对称分布的细长形封闭跑道。它吸收了平面磁控溅射靶的优点，利用处于正交电磁场中的电子，以磁场改变其运动方向，束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量，可以在靶磁场两侧的大面积平面基片上沉积出膜厚均匀的涂层。为了优化磁场结构，节约设计成本，人们通常采用各种分析软件模拟计算磁场分布，优化磁场参数，改进磁场结构，提高靶材的利用率。本文应用ANSYS 有限元方法模拟分析单旋转圆柱靶和孪生旋转圆柱磁控溅射阴极表面磁场分布规律。

1、旋转圆柱磁控溅射阴极的结构

　　本文涉及的旋转圆柱磁控溅射阴极应用于深圳市天星达真空镀膜设备有限公司设计的弧光辉光协同共放电真空镀膜机，采用多弧圆柱靶与旋转圆柱磁控溅射阴极，二者水平分置于基片两侧，采用高磁场强度的钕铁硼磁铁，磁流体密封代替传统橡胶密封，从而克服转动部分漏水漏气的缺点。旋转圆柱磁控溅射阴极的结构如图1 所示，主要由驱动电机组件、安装法兰、绝缘密封座、圆柱靶、靶端固定座五部分组成，靶的冷却采用水冷方式，驱动电机组件穿过安装法兰驱动靶旋转。

图1 旋转圆柱靶的结构示意图

　　靶的基本参数如下：工业用靶Φ70 mm×798 mm，三条磁铁的宽度(如图2，同x 轴方向)均为11 mm，高度(同y 轴方向)均为11 mm，长度(z 轴方向)均为50 mm，中间磁铁和两边磁铁夹角为60°，磁轭为外径Φ17.25 mm、内径Φ9.25 mm 的空心管状，磁铁与靶材内壁间隙为3.5 mm。中间磁铁、两边磁端部磁铁安装在磁轭上，通过磁件固定条固定于进水管上，由此组成了固定于靶材管内的永磁场。

4、结论

　　本文通过ANSYS 模拟和计算对旋转圆柱磁控溅射靶磁场强度进行了分析，结果表明：磁铁的高度，宽度和分布角度对于圆柱磁控阴极表面切线方向的磁场强度分布都有较大的影响，中间磁铁高度的增加可以提高磁场强度和整个峰区范围的增大，宽度的增加，亦可提高磁场分布峰区的增大，而磁铁分布角度的增加可大大增加磁场分布峰区的宽度，但受制于整个圆柱阴极结构的限制，这种改变不是无限的，必须在圆柱阴极现有结构的基础上进行优化。据此，我们利用模拟分析改变磁铁的尺寸和分布来进行优化，优化后的磁场分布与初始的磁场结构相比其Bτ 的磁场强度提高了大约40%，所对应的溅射区磁场面积也增大了大约45%，由此可以提高靶材的溅射速率和改进薄膜沉积的均匀性。