樊 濤

（科特萊思科(上海)商貿(mào)有限公司，上海 201203）

磁控濺射鍍膜儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)級(jí)鍍膜生產(chǎn)和材料的表面改性[1，2]，在現(xiàn)代鍍膜工業(yè)生產(chǎn)中，影響鍍膜生產(chǎn)效率主要有兩個(gè)方面原因：鍍膜時(shí)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(fèi)用昂貴，靶材的利用率至關(guān)重要。

工業(yè)生產(chǎn)中，通常對(duì)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(duì)于刻蝕后的靶材進(jìn)行回收利用[6-8]。本文應(yīng)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(chǎng)，分析圓形平面濺射靶的靶材利用率較低的主要原因，針對(duì)原有靶材的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低貴金屬靶材的成本。

1 圓形平面陰極結(jié)構(gòu)

本文涉及的直徑為72mm圓形平面磁控濺射靶應(yīng)用于哈爾濱商業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diào)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(chǎng)強(qiáng)度的釹鐵硼磁鐵，靶槍內(nèi)部采用間接水冷并與磁鐵分離的設(shè)計(jì)，克服直接水冷結(jié)構(gòu)中靶槍磁鐵與靶材等發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的缺點(diǎn)，有效延長(zhǎng)靶槍的使用壽命。

圓形平面磁控濺射陰極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

靶材的基本參數(shù)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(chǎng)模擬計(jì)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(gè)圓形靶槍沿靶槍徑向軸中心對(duì)稱，建立在XY平面坐標(biāo)系中，圖3中坐標(biāo)原點(diǎn)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(nèi)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(jī)構(gòu)物理模型

2.2 ANSYS物理建模的網(wǎng)格劃分

本文采用的圓形磁控濺射陰極由兩個(gè)磁鐵塊組成：中心磁鐵和外磁環(huán)，并且兩個(gè)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(nèi)徑為25mm，高度為12mm。磁鐵材質(zhì)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(wǎng)格模型，將靶槍內(nèi)部各部分零件賦予材料屬性，選擇智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格精度劃分為中級(jí)網(wǎng)格，見圖5。

圖4 磁鐵的特性曲線

圖5 Ansys有限元網(wǎng)格劃分

2.3 磁場(chǎng)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(chǎng)等位線的數(shù)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(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，沿著靶槍表面環(huán)形運(yùn)動(dòng)軌跡束縛并且延長(zhǎng)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(chǎng)的主要作用是改變氬氣離子的運(yùn)行軌跡，因此，靶材表面的磁場(chǎng)強(qiáng)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(shù)據(jù)圖6圓形平面磁控濺射靶材表面磁場(chǎng)等位線結(jié)果表明：在水平磁場(chǎng)方向上，主要集中在圓形靶材表面的中心圓環(huán)內(nèi)，并且中心磁鐵和外環(huán)線磁鐵的之間的中心位置有一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度By為0。豎直磁場(chǎng)強(qiáng)度分布Bx：磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度Bx數(shù)值最大。由于磁控濺射工作原理主要是正交的磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用靶材表面的分布，所以主要考慮的是水平磁場(chǎng)強(qiáng)度By會(huì)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(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7 靶材表面水平方向Bx和By磁場(chǎng)分布云圖

模擬計(jì)算靶材表面水平方向Bx和By磁場(chǎng)分布云圖7，數(shù)據(jù)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(qiáng)度為0，X軸-36mm到-19.8mm靶材磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，Y軸18mm到36mm之間靶材磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.這些數(shù)據(jù)為我們?cè)O(shè)計(jì)靶材提供了非常重要的依據(jù)。

3 新型圓形平面貴金屬靶材的設(shè)計(jì)

3.1 新型圓形平面貴金屬靶材結(jié)構(gòu)

依據(jù)靶材表面水平方向Bx和By磁場(chǎng)分布云圖，和已經(jīng)過刻蝕的靶表面軌道圖8做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)模擬和實(shí)際情況相符：因?yàn)榘袠屩行拇盆F和外磁環(huán)磁鐵上方部位水平磁場(chǎng)強(qiáng)度Bx數(shù)值為零。所以，在整個(gè)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(dá)到與原靶材同樣的使用效果，考慮到整個(gè)靶材在濺射過程中，刻蝕軌跡是從寬到窄，整個(gè)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(jù)靶材表面水平方向Bx和By磁場(chǎng)分布云圖7，可以得出整個(gè)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(duì) 稱，因此，考慮貴金屬靶材部分采用環(huán)裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，外徑為40mm內(nèi)徑為8mm厚度為5mm，貴金屬靶材部分設(shè)計(jì)示意圖9所示。

圖9 貴重金屬靶材設(shè)計(jì)效果

無氧銅背板部分，需要考慮兩個(gè)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(shè)計(jì)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(shù)，要求貴金屬部分和銅背板部分采用間隙配合，銅背板內(nèi)徑和貴金屬部分外徑間隙大于0.05mm，銅背板設(shè)計(jì)效果圖10所示。

圖10 銅背板設(shè)計(jì)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(gè)部件粘合一起，這種新設(shè)計(jì)的靶材嘗試以下三種綁定方式，通過試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)它們的優(yōu)缺點(diǎn)：

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

（2）塑料綁定，這種綁定方式為采用新型有機(jī)低飽和蒸汽壓材料，選用Kurt Lesker公司銀環(huán)氧樹脂膠水型號(hào)KL-325K對(duì)靶材和背板進(jìn)行粘合，價(jià)格成本和銦綁定相當(dāng)，這種環(huán)氧膠水熱傳導(dǎo)為25x10-4W/mK，室溫為25℃時(shí)電阻率為0.001 ohm-cm，測(cè)試發(fā)現(xiàn)這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)有材料熔點(diǎn)溫度高于銦綁定，最大溫度可以達(dá)到240℃，可以在175℃以為長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。貴金屬靶材、有機(jī)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(jī)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(yīng)力作用下變形破裂和脫靶現(xiàn)象[14，15]；

（3）擴(kuò)散綁定，主要優(yōu)點(diǎn)靶材和背板之間通過物理擴(kuò)散方式粘合，在鍍膜工藝過程不會(huì)發(fā)生靶材脫落現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)國內(nèi)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(duì)比試驗(yàn)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(shè)計(jì)金的重量為575g。這會(huì)將整個(gè)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(jié)論

通過ANSYSY模擬，對(duì)直徑72mm圓形平面濺射陰極的靶材表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：圓形平面濺射陰極靶材表面的沿X軸水平磁場(chǎng)分布中靶材軸心位置到靶材邊緣位置之間有一個(gè)最大值磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度為0mT，模擬數(shù)據(jù)與靶槍實(shí)際刻蝕跑道軌跡相符。

根據(jù)這個(gè)模擬計(jì)算結(jié)果，提出一種新的靶材的設(shè)計(jì)方案，將靶材表面磁場(chǎng)Bx為0的部分用無氧銅背板替代，采用新型設(shè)計(jì)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(chǎn)中貴金屬靶材的成本。模擬計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)的優(yōu)化，減少了貴金屬靶材部分80%的浪費(fèi)，為解決工業(yè)生產(chǎn)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。