磁控溅射靶磁场的有限元模拟分析

　　磁控溅射靶面磁感应强度的水平分布直接关系到靶材的利用率和刻蚀的均匀性，为了寻求更好的磁控靶结构参数，从而实现靶面水平磁感应强度的均匀分布，本文应用COMSOL 软件对JGP450C型磁控溅射镀膜机的圆平面靶表面磁感应强度进行了模拟分析计算，得到了靶面水平磁感应强度较强、分布较均匀的磁铁结构参数。

　　平面磁控溅射由于其广域沉积和溅射速率高等优点被广泛应用于工业生产和科学研究中。在磁控溅射系统中，通常应用一个永磁场来约束靶面附近的电子运动，该磁场直接关系到成膜的质量和成膜速率，因此对磁控靶的研究成为关注的焦点。由于磁场的控制，等离子体被限制在靶材表面的一定区域内，靶面被非均匀刻蚀，这样造成靶材利用率很低。而提高靶材利用率的关键是调整磁场结构，使等离子体存在于更大的靶面范围，实现靶面的均匀溅射。如何提高靶材利用率、如何提高镀膜的均匀性是研究人员特别关心的问题。以前的研究都是通过实物靶实验的方法来改进靶的性能，存在研究费用高、研究周期长等问题，在很大程度上制约了磁控靶的发展。

　　随着计算机技术以及相关应用软件的开发，实物实验逐渐被计算机模拟所替代。本文基于comsol软件，模拟圆平面磁控靶表面的磁感应强度，具体分析不同磁铁结构参数下靶面的磁场分布及其对水平磁感应强度的影响，进而对靶进行优化设计。磁控溅射的磁场是由磁路结构和永磁体的剩磁所决定，并最终表现为阴极靶材表面的磁场强度B 的大小和分布。对于磁控溅射靶来说，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为靶表面的磁感应强度B 对放电等离子体的影响较大，特别是水平磁感应强度Bx 及其大小和分布，更是磁控溅射中一个极其重要的参数。

1、靶结构和磁场分析

　　研究分析认为：一般要求平面磁控溅射靶表面最大水平磁通密度范围是：20 mT~40 mT，最佳值为30 mT。对磁场的分布分析和计算优化选用了软件Comsol。JGP450C 型磁控溅射镀膜机阴极溅射靶结构如图1，CAD 简化物理模型如图2。图2 中靶磁场是由高度为10 mm 的内磁柱和高度为12 mm的外磁环围成的磁铁结构产生的，其各部件的材料、尺寸、参数如表1 所示。

1.压盖；2.磁环；3.靶材；4.铜背板；5.磁柱；6.屏蔽罩；7.屏蔽套；8.磁轭

图1 磁控溅射靶的结构示意图

图2 CAD 简化物理模型

表1 磁控溅射靶不同部件的材料，尺寸，参数

　　靶磁场的分析可以分为以下几个步骤：(1)创建物理环境： 进入软件comsol 3.5a 界面中comsol Multiphysics 中电磁下的静磁，选择进入，准备画二维静态磁场结构；(2) 建立模型后，对各个部件进行定义，设定求解域和边界条件，划分网格，求解，然后进入后处理环境；(3)求解后磁力线分布图，表面磁通密度等。如图3～图6所示。

图3 12-10-12 划分网格后的磁铁模型图　　图4 12-10-12 磁场流线圈

图5 12-10-12 2D 表面磁通密度图　　图6 12-10-12 3D 表面磁通密度图

2、靶磁场模拟分析结果与讨论

　　由于选取的磁控靶靶材压盖和铜背板都是非导磁材料，其导磁率几乎等于1，与空气相差不大， 因此可以忽略材料对磁感应强度的影响，简化后的物理模型以及一些结构参数如图7 所示，由靶材、磁钢(包括磁柱，磁环)和磁轭构成。下面通过改变模型上的一些结构参数来研究水平磁场的变化规律，以寻求更好的磁控靶的结构参数，从而实现靶表面磁感应强度的均匀分布。

d1：磁环宽度；d2：磁柱半径；d3：磁柱与磁环的间距；d4：磁环与靶材的间距；h1：磁轭厚度；h2：磁柱高度；h3：磁环高度

图7 磁控溅射靶的简化物理模型截面图

2.1、平衡场与非平衡场的对比分析

　　这里首先开展平衡与非平衡磁场的简单对比，以表2 所示的3 组数据来说明。

表2 平衡与非平衡磁场数据对比

　　图8 所示3 条曲线从上至下分别对应h2=8，10，12 mm，依次定义为线1，2，3。图中，纵坐标表示水平磁感应强度(T)，横坐标表示离开靶材左端1/4 处往右的尺寸(0～30 mm)，以下各图类似。对比1，2，3 各磁场流线，我们可以看出：在选用剩磁量相同的永磁铁作为磁控溅射靶的磁极且内外磁极等高时，很明显磁力线的分布比较均匀，磁力线基本是闭合的；而当内外磁铁的高度不同时，磁力线会出现向外辐射，这就增强了磁控溅射靶工作区间的磁通量密度，进而约束了大量的粒子分布在工作区域，扩大了等离子区域的宽度，提高了镀膜的性能。这正是目前磁控溅射镀膜的发展方向。与此同时，我们也可以从水平磁感应强度曲线看到，磁感应强度随着磁铁高度的增加而增加；线2 是等高内外磁极的平行磁感应强度， 其最高的磁感应强度是0.032 T，而且相对于线1 和线3，其左右均匀性更好，磁场的分布基本对称。这也就是平衡磁场的特点。通过对比，我们还可以看出，内磁极比外磁极低，磁场的分布均匀性较好，而且最大水平磁感应强度在30 mT 附近。所以在磁控溅射靶的磁铁结构中，我们一般选取内磁柱低于外磁环的排布方式。

图8 三组数据水平磁感应强度对比图

2.2、不同磁轭厚度对磁场的影响

　　当其他参数一定时，改变磁轭厚度，考虑其对磁场的影响。经过多次模拟计算分析，取h1=4，6，8mm 时，其相应的曲线变化如图9(三线基本重合)。

图9 不同磁轭厚度下水平磁感应强度对比图

　　对比各磁场流线可知，随着磁轭厚度的增加，对靶材表面的水平磁感应强度分布的均匀性几乎没有影响，但是磁铁之间的回流性却变好了。从图9 可以看出，不同磁轭厚度对应的水平磁感应强度曲线几乎重合在一起，故不同磁轭厚度对水平磁感应强度也没有影响，考虑整个溅射靶的结构尺寸，我们选取磁轭的厚度为h1=6 mm。

2.3、靶材与磁环间距对磁场的影响

　　选取磁环高度h1=12 mm， 内磁柱高度h2=10 mm，内磁柱半径d2=10 mm，来研究靶材与磁环的间距(d4)变化对靶面的水平磁感应强度的影响。当d4=2.5，2.6，2.7，2.8，2.9，3.0 mm 时，模拟得到的水平磁感应强度曲线如图10 所示。

　　从图中可以看出，随着d4 的增加，靶材表面的最大水平磁感应强度随之减少，但对靶材表面的水平磁感应强度分布的均匀性几乎没有影响；且随着间距的增加，靶面最大水平磁感应强度的位置也有所偏移。考虑到最优水平最大磁感应强度范围是20~40 mT，故而选取d4=3 mm。

图10 靶材与磁环不同间距下水平磁感应强度对比图

2.4、磁环高度对磁场的影响

　　有关研究表明，内外磁钢高度变化对于薄膜宏观形貌的影响并不大。当靶材与磁环的间距d4=3 mm，内磁柱半径d2=10 mm，内磁柱高度h2=10 mm 时，考虑磁环的高度(h3)变化对靶面的水平磁感应强度的影响。给定磁环高度变化为h1=12，16，20，24 mm，模拟得到相对应的磁场流线和水平磁感应强度曲线分布如图11 所示(自下至上对应)。可以看出，随着磁环高度的增加，靶材表面最大水平磁感应强度也增大，且增加的幅度逐渐增大，但对靶材表面的水平磁感应强度分布的均匀性没太大影响。注意到在h3=16~20 mm 时，最大水平磁感应强度最接近最佳值30 mT，故而选取h3=16 mm。

2.5、导磁片长度对磁场的影响

　　为了增加均磁效果，通常选择在铜背板上加装导磁片，导磁片一般选用高导磁率的材料，它能够改变靶材表面的磁力线分布，增加靶材表面水平磁感应强度分布的均匀性。加导磁片后的简化物理模型如图12 所示。

图11 不同磁环高度下水平磁感应强度对比图

图12 加装导磁片的磁控溅射靶的简化物理模型

　　有无导磁片情况下的靶面磁力线分布对比，如图13 所示。由图可知，加装导磁片后，磁力线水平区域增加，均磁效果明显。

图13 有无导磁片靶面的磁力线分布

　　当磁铁其他结构参数不变时，我们改变导磁片长度(L)观察其对磁场的影响，给定导磁片长度L=1，3，5，7 mm 时，模拟得到其相应的磁场流线和水平磁感应强度曲线如图14 所示(自上至下对应)。由两图可知，随着导磁片长度增加，最大水平磁感应强度分布均匀性增加，但是其最大水平磁感应强度却减小，且当L=3，5 mm 时，其水平磁感应强度最接近最优值。故此，我们可以选择导磁片长度L=5 mm。

2.6、其他结构参数对磁场的影响

　　类似上述，我们还研究了内磁柱半径、內磁柱高度、磁柱与磁环间距等结构参数对磁场的影响，分别得到：内磁柱半径d2=12 mm，內磁柱高度h2=10 mm，磁柱与磁环间距d3=8 mm。

图14 不同长度导磁片下水平磁感应强度对比图

3、结束语

　　本文借助comsol 软件建立起了磁控溅射靶磁铁的物理模型，并对每个构件的参数和材料进行了定义与选择；通过对磁场的模拟分析，明确了磁铁结构参数对靶材平行磁场分布规律的影响；最后根据模拟结果确定了磁控溅射靶的主要结构参数：磁轭厚度h1=6 mm，磁柱高度h2=10 mm，磁环高度h3=16 mm，磁环宽度d1=10 mm，磁柱半径d2=12 mm，磁柱与磁环间距d3=8 mm，靶材与磁环间距d4=3 mm。

　　本文所得到的结论，包括磁控溅射靶的主要结构参数、合理选择导磁片长度、平衡磁场和非平衡磁场的区别等，虽是由comsol 软件模拟得出的，但它却具有指导意义。对模拟结果与实验数据进行综合分析，必将有益于磁控溅射靶的优化设计。