磁場(chǎng)分布對(duì)旋轉(zhuǎn)圓柱靶磁控濺射陰極的性能起著決定性作用。本文應(yīng)用ANSYS 有限元方法對(duì)單個(gè)旋轉(zhuǎn)圓柱靶和孿生旋轉(zhuǎn)圓柱靶陰極磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到的磁場(chǎng)分量Bx、By 在靶材表面的二維磁場(chǎng)分布，并利用Bx、By 計(jì)算得到了圓柱靶表面切線方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bτ。通過(guò)調(diào)節(jié)磁鐵的高度、寬度、磁鐵間夾角以及孿生靶間距和靶中心軸旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)分布進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的圓柱磁控濺射陰極的表面切線方向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加了大約40%，所對(duì)應(yīng)的濺射區(qū)磁場(chǎng)面積也增大了大約45%。

　　在現(xiàn)代鍍膜工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)效率主要受薄膜的沉積速率和靶材的利用率兩個(gè)因素的影響。磁控濺射技術(shù)與傳統(tǒng)的蒸發(fā)及各種濕的化學(xué)薄膜沉積法相比，具有寬的膜層均勻性、膜層與基片結(jié)合牢固、可通過(guò)調(diào)節(jié)靶的組分、濺射參數(shù)以及設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)等方法改善膜層的性質(zhì)和不受基片性質(zhì)的影響等優(yōu)點(diǎn)。目前，在國(guó)內(nèi)外大型鍍膜生產(chǎn)設(shè)備中，大都采用傳統(tǒng)的平面磁控濺射靶。但是，平面靶存在靶材利用率低，使用周期短，換靶時(shí)間長(zhǎng)等缺陷。

　　針對(duì)平面靶的上述缺點(diǎn)，新型的旋轉(zhuǎn)圓柱靶引起了廣泛的重視，旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射靶從原理上相當(dāng)于兩個(gè)平面矩形磁控濺射靶，靶的結(jié)構(gòu)是由若干根長(zhǎng)條形永磁體沿靶的軸線方向排列，從而可以產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱分布的細(xì)長(zhǎng)形封閉跑道。它吸收了平面磁控濺射靶的優(yōu)點(diǎn)，利用處于正交電磁場(chǎng)中的電子，以磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向，束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高了電子對(duì)工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量，可以在靶磁場(chǎng)兩側(cè)的大面積平面基片上沉積出膜厚均勻的涂層。為了優(yōu)化磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，人們通常采用各種分析軟件模擬計(jì)算磁場(chǎng)分布，優(yōu)化磁場(chǎng)參數(shù)，改進(jìn)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高靶材的利用率。本文應(yīng)用ANSYS 有限元方法模擬分析單旋轉(zhuǎn)圓柱靶和孿生旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射陰極表面磁場(chǎng)分布規(guī)律。

1、旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射陰極的結(jié)構(gòu)

　　本文涉及的旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射陰極應(yīng)用于深圳市天星達(dá)真空鍍膜設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的弧光輝光協(xié)同共放電真空鍍膜機(jī)，采用多弧圓柱靶與旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射陰極，二者水平分置于基片兩側(cè)，采用高磁場(chǎng)強(qiáng)度的釹鐵硼磁鐵，磁流體密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠密封，從而克服轉(zhuǎn)動(dòng)部分漏水漏氣的缺點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射陰極的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件、安裝法蘭、絕緣密封座、圓柱靶、靶端固定座五部分組成，靶的冷卻采用水冷方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件穿過(guò)安裝法蘭驅(qū)動(dòng)靶旋轉(zhuǎn)。

圖1 旋轉(zhuǎn)圓柱靶的結(jié)構(gòu)示意圖

　　靶的基本參數(shù)如下：工業(yè)用靶Φ70 mm×798 mm，三條磁鐵的寬度(如圖2，同x 軸方向)均為11 mm，高度(同y 軸方向)均為11 mm，長(zhǎng)度(z 軸方向)均為50 mm，中間磁鐵和兩邊磁鐵夾角為60°，磁軛為外徑Φ17.25 mm、內(nèi)徑Φ9.25 mm 的空心管狀，磁鐵與靶材內(nèi)壁間隙為3.5 mm。中間磁鐵、兩邊磁端部磁鐵安裝在磁軛上，通過(guò)磁件固定條固定于進(jìn)水管上，由此組成了固定于靶材管內(nèi)的永磁場(chǎng)。

4、結(jié)論

　　本文通過(guò)ANSYS 模擬和計(jì)算對(duì)旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射靶磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：磁鐵的高度，寬度和分布角度對(duì)于圓柱磁控陰極表面切線方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布都有較大的影響，中間磁鐵高度的增加可以提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和整個(gè)峰區(qū)范圍的增大，寬度的增加，亦可提高磁場(chǎng)分布峰區(qū)的增大，而磁鐵分布角度的增加可大大增加磁場(chǎng)分布峰區(qū)的寬度，但受制于整個(gè)圓柱陰極結(jié)構(gòu)的限制，這種改變不是無(wú)限的，必須在圓柱陰極現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。據(jù)此，我們利用模擬分析改變磁鐵的尺寸和分布來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的磁場(chǎng)分布與初始的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比其Bτ 的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高了大約40%，所對(duì)應(yīng)的濺射區(qū)磁場(chǎng)面積也增大了大約45%，由此可以提高靶材的濺射速率和改進(jìn)薄膜沉積的均勻性。