本文采用計算機(jī)FORTRAN 語言自主編程，通過建立通電線圈磁場的數(shù)學(xué)模型，對磁控濺射靶附近由通電線圈產(chǎn)生的磁場分布進(jìn)行了二維數(shù)值模擬計算。計算表明當(dāng)內(nèi)、外線圈加反向電流，增加內(nèi)或外線圈電流，可使通電線圈產(chǎn)生的磁場非平衡度增加，其增加強(qiáng)度由電流增加強(qiáng)度所決定。隨著內(nèi)或外線圈電流增加，真空腔內(nèi)磁場強(qiáng)度分布更均勻。通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外電線圈電流，控制磁場分布，從而控制其對等離子體密度及能量分布，可使等離子體因磁場的均勻分布而在真空腔內(nèi)分布均勻化。另外，這種外加的電磁場還會使磁控裝置本體磁場增強(qiáng)，因此對磁控濺射產(chǎn)生的等離子體有增強(qiáng)作用。此結(jié)果為磁控濺射裝置上磁場配置提供重要參考依據(jù)。

　　磁控濺射技術(shù)作為有效薄膜沉積的一種方法，已成為現(xiàn)在工業(yè)鍍膜過程中主要的生產(chǎn)技術(shù)之一，普遍地應(yīng)用到微電子、光學(xué)薄膜和材料表面處理等領(lǐng)域。磁控濺射系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)是磁控濺射靶的設(shè)計，如磁控靶磁場所配置、柱形磁控靶及可移動矩形磁控靶等。國外在磁控濺射技術(shù)分析和設(shè)計方面優(yōu)勢明顯，已經(jīng)實現(xiàn)了專業(yè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，許多國內(nèi)的磁控濺射設(shè)備制造商磁場設(shè)計較隨機(jī)。

　　基于此，國內(nèi)許多研究者開始在矩形平面靶、圓形靶及柱狀靶的磁場分布及優(yōu)化、外加線圈子改變磁場結(jié)構(gòu)及磁控靶表面刻蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。趙卓等對封閉非平衡磁場的計算表明，外場增強(qiáng)的磁場可與底靶對面的磁場形成一定程度的封閉，從而使磁場有一定程度的空間均勻分布。平面磁控靶中，改變磁子及極靴尺寸和形狀、加導(dǎo)磁片等，可控制磁場的徑向分布，增加水平磁感強(qiáng)度，從而使靶表面的刻蝕跑道變寬。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為增大旋轉(zhuǎn)柱靶的磁子尺寸及磁子間夾角、加孿生柱靶等手段，可提高柱靶表面切線方向磁感強(qiáng)度，增大靶材表面的被濺射面積。

　　值得指出的是，中科院沈陽金屬所對磁控濺射及陰極弧離子鍍膜中，在磁場附近外加磁場的模擬計算及實驗表明，外加磁場可影響磁場的非平衡度，從而改變等離子體輝光放電的特征及等離子體分布。另外數(shù)值模擬計算還表明，控制磁場分布是改善靶表面刻蝕狀況的最佳途徑。因此，利用模擬計算的結(jié)果對磁控裝置設(shè)計能給予一定指導(dǎo)。

　　在磁控靶的設(shè)計中，受永磁材料的限制，永磁場強(qiáng)度的增加是有限的。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為利用通電線圈產(chǎn)生磁場，以增強(qiáng)磁控裝置的磁場強(qiáng)度及改變磁場分布將使磁控濺射磁場分布可調(diào)，場強(qiáng)可調(diào)，將使靶的濺射速率可控、等離子體粒子密度及能量的增強(qiáng)。

　　1、研究對象及物理模型建立

　　磁控濺射系統(tǒng)的真空室為圓柱形腔體。靶材放置在附近纏繞矩形圓線圈的下極板位置，并接通電源，成為濺射的負(fù)電位電極。上極板可接通電源、接地或懸浮，使上極板電位相對于下極板要高。系統(tǒng)內(nèi)部充入氬氣后，調(diào)節(jié)兩極間電壓和系統(tǒng)內(nèi)部氣壓，在兩極板間產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體。利用通電線圈在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的空間磁場，將部分等離子體束縛在基底附近，另一部分較均勻分布在上、下電極間的真空腔內(nèi)部。假定濺射系統(tǒng)腔體電離區(qū)半徑為0.28 m，系統(tǒng)高度為0.5 m。當(dāng)采用柱坐標(biāo)系對系統(tǒng)沿中心軸剖面的物理性質(zhì)進(jìn)行模擬時，假定線圈環(huán)繞在濺射裝置的外圍，并且矩形線圈的截面尺寸為5 cm ×5c m，線圈和極板的距離為1 cm。根據(jù)磁場的邊界條件，可選取濺射系統(tǒng)腔體電離區(qū)半徑2 倍、系統(tǒng)高度3 倍的區(qū)域模擬磁場。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 磁控濺射系統(tǒng)中線圈的位置圖

　　2、結(jié)論

　　本文基于漂移- 擴(kuò)散理論，建立了磁控濺射裝置中磁場的數(shù)學(xué)模型。利用麥克斯韋方程組的求解得到了裝置內(nèi)部的磁場分布數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，磁場強(qiáng)度的分布主要受導(dǎo)電線圈通電電流的不平衡度影響。通電線圈對磁場的貢獻(xiàn)主要集中在線圈內(nèi)部區(qū)域，隨著電流的增大，磁場強(qiáng)度也隨之增大。增大外線圈電流，即增強(qiáng)N 磁極強(qiáng)度，可使磁場空間分布更均勻，場強(qiáng)更強(qiáng)。