磁控溅射靶磁场的模拟优化设计

1、磁控溅射靶磁场的模拟优化设计摘要：本文基于磁控溅射的磁场分布水平和磁场强度在镀膜性能与质量上影响 与价值分析，结合磁控靶材的结构及其磁场的计算方法和步骤的探讨，以及利用 ANSYS软件对磁控溅射靶磁场的分布及其相关参数作二维的模拟与分析，对影响 磁控溅射磁场分布和磁场强度的主要素和作用机制作详细的分析，以为优化磁控 溅射靶的设计，达到正常溅射工作对靶材表面磁场分布及大小的要求提供借鉴与 参考。关键词：磁控溅射；靶材；磁场；ANSYS二维模拟；优化设计磁控溅射作为当下最为常见沉积镀膜技术之一，因其薄膜制备牢固、致密的 优势，被广泛应用于材料的表面改性和新材料的开发利用过程之中。但由于磁性 靶材刻

2、蚀不均匀等原因的产生，造成磁控溅射靶的磁场分布、磁性强度和靶材利 用率难以满足正常溅射技术的实施，从而导致镀膜质量和性能的偏差。因此就需 要通过对磁控溅射靶的结构参数和磁场进行计算，并利用专用的模拟软件对磁场 分布进行仿真的模拟，以此才能精准实现从优化磁场分布及磁场强度的靶材设计 与改进层面提高溅射镀膜技术发展水平。1、磁性靶材的结构1.1磁控溅射的实施原理磁控溅射改变了传统溅射方法沉积镀膜速率低、所需工作气压高、放电不易 维持的缺点，其利用磁场来实现对电子运动路径进行延长和束缚，从而有效提升 了电子的离化率，达到了对电子能量更加充分的利用。在此过程中，大量的高能 量正离子以有效的沉积速率轰击

3、靶材，并在正交磁场的束缚作用下，实现电子能 量耗尽后的低温沉积，以带来更加致密、牢固且物理性能良好的溅射薄膜。1.2磁性靶材的结构及利用率磁控溅射靶材的结构包括溅射区域（可以分为主溅射区和次溅射区）和非溅 射区域，其中每一个区域都包含着靶基厚度、靶材刻槽、水平磁通密度、导磁率 等的性能参数，而这些性能参数都会对磁场的分布和磁场强度构成影响，从而影 响磁性靶的刻蚀度和利用率，导致镀膜的厚度与性能存在差别。理论上来说，靶材厚度越薄，厚度分布越均匀，其实现磁场分布、磁性强度 和靶材利用率水平也就越高，但是靶材的厚度影响着靶材的使用寿命，因此在对 磁控溅射靶磁场进行优化的时候，一方面可以通过在靶表面（

4、一般是在非溅射区 域）设置一定形状的槽型图案，实现必要的微观糙化，助力靶材表面上正交磁场 的产生；另一方面可以将靶材的次溅射区相对于主溅射区减薄，并在次溅射区的 边缘与主溅射区之间设置斜坡状的过渡区域，还需在过渡区与主溅射区及次溅射 区的拐点位置引入倒角，以此实现靶材厚度适当削弱的同时，提高靶材的磁性寿 命，并实现磁性溅射靶材表面磁场分布的均匀性，强化磁性靶材的利用率和溅射 性能1。2、磁性靶材的磁场分析模拟与计算2.1磁性靶材的磁场分布分析一般来说，磁性靶材的磁场分布水平与成膜厚度有着正相关的对应关系（不 成比例，甚至在一些变量发生作用时，有时还会出现反相关的关系），也就是在 磁场感应强度大

5、的区域，成膜的厚度会较厚，而在磁场感应强度弱的区域，成膜 的厚度就会呈现较薄的状态。这主要是基于在磁场感应强度分布密集的区域，离 子聚集的密度会高，激发的离子数量和速率也就更大，靶材的利用率也就更充分，实现的镀膜厚度也就更厚。但是在磁场的分布在实现靶材有效溅射的过程中，会面一个磁镜理论的问题， 也就是溅射的靶材点并不能完全对称至镀膜基材的相对应点上，而是以一定的概 率溅射至对应区域的某个任意点上2。在实际的操作中，无论靶材的长度方向还 是宽度方向，都会出现磁镜的现象，不仅会造成电子无法顺畅地实现所在位置的 有效溅射，还会导致某些区域的电子过分聚集（或过分分散），从而严重影响着 镀膜的均匀性及其

6、制备基本性能。2.2 ANSYS磁场模拟与计算由于磁性溅射靶的磁场分布与磁性感应强度对镀膜的性能和质量具有很大程 度的影响，因此相关研究人员和企业始终关注于对柱状、圆形和平面等靶材的磁 场分布优化和靶材的利用率提升等作量化的模拟仿真计算，以充分明确不同变量 对磁性溅射靶磁场分布的水平的影响程度和发生机制，从而指导靶材设计与改进 以及阴极磁场装置的革新。2.2.1磁性靶结构对磁场的影响分析模拟中选择用的靶结构由Fe磁轭（厚度为3mm）、不锈钢腔壁、外磁钢 （非导体）、内磁钢（非导体）、Fe极靴、铜背板、阴极溅射靶材（厚度为 5mm）和导磁片（靶结构的示意图详见图一）图一：靶结构的示意图由靶结构的

7、截面模型分析可知，靶面上的磁场分布规律是以靶中心那界面的 中轴线进行对称分布的，因此只要实现对中心沿半径之把边缘处进行分析磁场的 分布情况就可以实现对整体磁场分布情况的计算与分析。磁性靶磁力分布ANSYS 模拟分析图见图二：图二：磁性靶磁力分布ANSYS模拟分析图2.2.2磁极尺寸对磁场的影响分析对磁极尺寸的改变必然会伴随着靶材表面磁场分布和磁感应强度的改变，结 合内外极尺寸的不同靶材进行模拟分析对比，来了解磁极尺寸对磁场影响的发生 机制。模拟计算选用了磁极尺寸分别为r=6mm，d=7.5mm的靶材A和r=8.5mm， d=8.5mm的靶材B，靶材A的内外极尺寸都要比靶材B的要小，那么其磁场的

8、不 同分布情况可以见图三。由图中显示可知，靶A的Br沿半径起伏的态势要比靶B 的要小一些，二者在横向分布磁场分量Br数值虽相差不大，但在纵向的Bz数值 却有着明显的差异。图三：不同阴极尺寸对磁性分布的影响图四：导磁片的加装模型2.2.3导磁片的长度与厚度对磁场的影响分析在铜背板上加装导磁片是为了均匀改变靶材表面的磁力线分布，从而带来更 加良好的均磁效果，导磁片的加装示意图见图四。图中的颜色填充区域就是导磁 片，其一般加装于距靶材下表面4mm出的地方，那么导磁片的长度和厚度就会 对靶面的的磁线分布水平和磁感应强度具有直接的影响。不同导磁片的长度和厚度对磁感应强度的影响，通过软件分析计算可以得出

9、图五，由图五可以看出，磁感应强度随着导磁片长度的增加先是呈现提升的趋势， 在长度为3-5mm时，磁感应强度最好，但长度超过5mm后，磁感应强度便开始 呈现下降的趋势。而在厚度的图样中显示得知，导磁片的加装对磁感应强度的影 响明显提升，磁场分布均匀态势良好，但随着导磁片厚度超过0.5mm后，磁感应 强度开始出现下降趋势。图五：导磁片的长度和厚度对磁感应强度的影响2.2.4导磁片与内外磁钢的距离对磁场的影响分析除了导磁片的长度和厚度对磁性感应强度具有一定的影响，导磁片与内外磁钢的间距也 是其中重要的影响参数。该模拟试验确定导磁片的长度为3mm，厚度为1mm，其与内外磁 钢的距离影响模拟分析详见图六。由图六可知，导磁片与内外磁钢的间距在不断缩小态势下， 磁感应强度有着明显下降分布，在与内磁钢相距1.5-1.7mm时，与外磁钢相距1.2-1.4mm时， 磁感应强度和磁线分布水平较为良好。图六导磁片与内外磁钢的距离影响模拟分析结语为了提升靶材表面的磁线分布均匀性和磁感应强度水平，需要对靶结构进行必要的加装 导磁片的优化设计，并对靶材的溅射区域和非溅射区域的厚度进行差异处理，达到靶材磁性 分布对靶材利用率的进一