磁控濺射靶的磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了提高靶材的利用率,幾十年來(lái),已經(jīng)有了很多優(yōu)秀的解決方案, 如本文開始提到的一些, 但是大都是通過磁體的機(jī)械運(yùn)動(dòng),使磁場(chǎng)在靶面形成的跑道均勻的掃過靶面,實(shí)現(xiàn)靶面均勻刻蝕。由于存在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),勢(shì)必使靶的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。所以通過靜態(tài)磁鋼的合理排列, 而獲得理想的磁場(chǎng)分布是最佳的解決方案。在一些文獻(xiàn)中提到過幾種靜態(tài)的磁場(chǎng)改進(jìn)設(shè)計(jì),想通過改變磁鋼形狀,如想采用磁鋼去角的方法獲得優(yōu)秀的靶面磁場(chǎng)分布。結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。
圖3 磁鋼去角
通過數(shù)值計(jì)算可知,圖3中的磁力線的形狀沒有大的變化, 但是靶面磁場(chǎng)的強(qiáng)度卻相對(duì)減弱, 可見效果并不明顯。由于濺射刻蝕主要發(fā)生在磁力線近似平行于靶材表面的區(qū)域,所以優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法就是使磁力線盡量多的平行于靶面。以下的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法就是基于此原理。在本文中采用的是磁路疊加原理。磁鋼排列如圖4所示。
圖4 改進(jìn)的磁鋼排布
圖4中,在內(nèi)外兩磁路中加入反向磁場(chǎng),保證相鄰磁鋼極性相反。對(duì)于通常的磁場(chǎng)形式, 在跑道的中央,水平磁場(chǎng)強(qiáng)度最大,從中央向兩邊水平磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變小,通過實(shí)際測(cè)量, 當(dāng)?shù)竭_(dá)跑道邊緣磁場(chǎng)的水平分量低于200Gs,刻蝕現(xiàn)象已經(jīng)不明顯。圖4中,反向磁場(chǎng)的作用是使跑道中央的水平磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱, 同時(shí)小磁鋼與相鄰的大磁鋼形成磁路, 結(jié)果把跑道邊緣的水平場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。從圖4 中的磁力線分布情況可以看到反向磁場(chǎng)起到了平滑和寬展靶面磁力線的作用。理想的情況是實(shí)現(xiàn)在靶面的磁力線完全平行于靶面。這可以套用數(shù)學(xué)上的傅立葉級(jí)數(shù)公式加以說明。
由傅立葉變換可知, 對(duì)于矩形波可以由一系列不同頻率的正弦波疊加而成。因?yàn)樽罾硐氲拇艌?chǎng)形式是靶面的磁力線完全平行于靶面, 這樣靶面的磁場(chǎng)可以看成一段矩形波, 在內(nèi)外兩磁路中插入反向磁場(chǎng)相當(dāng)于取兩項(xiàng)展開。如圖5 所示。
在圖4 中, 大磁鋼形成的磁場(chǎng)相當(dāng)于圖5中的展開式1,小磁鋼之間, 及小磁鋼與大磁鋼之間形成的磁場(chǎng)相當(dāng)于圖5 中的展開式2, 根據(jù)磁路疊加, 最后形成的水平磁場(chǎng)是接近于矩形波的雙峰形式。在改進(jìn)的磁路設(shè)計(jì)中就是利用這一原理。從圖4 和圖5 中可以看出, 靶面的磁力線和磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量更加平滑, 能夠有效地增加靶面跑道的寬度, 實(shí)現(xiàn)靶面均勻刻蝕。
圖5 傅立葉變換
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