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摘要：本文根据进口磁控镀膜玻璃生产线使用、维护经验，详细论述了通过调整阴极靶材磁场，如何有效增强靶材利用率。
论文关键词：靶材，利用率，磁控溅射，磁场
有些国产单室磁控溅射设备的厂家采用补焊的方法来延长不锈钢靶的寿命，由于其对镀膜玻璃膜层质量要求不高，该方法效果不错，但使用进口连续生产线的厂家，还没有人采用该方法。
靶材溅射沟较深的几个点，其溅射率最高，不但浪费靶材，还造成镀膜玻璃膜层在横向上不均匀。如果能降低溅射沟较深处几点的磁场，不仅能提高膜层横向均匀度，而且能延长靶材寿命，提高靶材利用率。
1 磁控溅射的工艺原理
在充入少量工艺气体的真空室内，当极间电压很小时，只有少量离子和电子存在，电流密度在10-15A/cm2数量极，当阴极（靶材）和阳极间电压增加时，带电粒子在电场的作用下加速运动，能量增加，与电极或中性气体原子相碰撞，产生更多的带电粒子，直至电流达到10-6A/cm2数量极，当电压再增加时，则会产生负阻效应，即“雪崩”现象。此时离子轰击阴极，击出阴极原子和二次电子，二次电子与中性原子碰撞，产生更多离子，此离子再轰击阴极，又产生二次电子，如此反复。当电流密度达到0.01A/cm2数量级左右时，电流将随电压的增加而增加，形成高密度等离子体的异常辉光放电，高能量的离子轰击阴极（靶材）产生溅射现象。溅射出来的高能量靶材粒子沉积到阳极（玻璃毛坯）上，从而达到镀膜的目的。
在磁场的作用下，电子在向阳极运动的过程中，作螺旋运动，束缚和延长了电子的运动轨迹，从而提高了电子对工艺气体的电离几率，有效地利用了电子的能量，因而在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时受正交电磁场的束缚，电子只有在其能量消耗尽时才能落在玻璃上，从而使磁控溅射具有高速、低温的优点。
2 靶材状况
通过对数套靶从开始使用到报废全过程的观察、记录、分析，我们发现有非常一致性的规律，表1是一套靶报废时的实测参数，其他靶的参数略有不同，但变化很小，规律一致。通过表1的实物测量数据，我们可以看出：
靶材磁场和溅射深度对应表 表1
靶材上半部磁场和溅射深度
位置
左圆弧段磁隙
圆弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
磁场强度（高斯）
111
128
149
128
146
130
151
129
145
130
146
130
溅射深度（mm）
22.1
23.5
22.7
20.1
21.1
19.1
20.8
18.4
19.6
18.2
20.1
17.9
位置
23孔
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
磁场强度（高斯）
150
133
154
138
152
135
158
138
157
138
157
136
溅射深度（mm）
19.8
18.1
20.2
18.2
19.3
17.8
19.7
17.9
19.9
18
19.4
17.8
位置
11孔
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圆弧中部
磁场强度（高斯）
150
135
152
131
151
140
152
140
150
120
溅射深度（mm）
19.3
17.7
19.5
17.5
19.4
17.8
19.6
18.9
21.4
21.6
靶材下半部磁场和溅射深度
位置
圆弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
23孔
磁场强度（高斯）
120
151
133
150
130
148
128
148
130
148
135
148
溅射深度（mm）
21.9
21.8
19.2
20.3
18.6
20.4
18.7
20.1
18.4
20.3
18.8
20.2
位置
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
11孔
磁场强度（高斯）
130
147
127
143
132
152
131
160
130
159
130
153
溅射深度（mm）
18.6
20.3
18.4
19.9
18.8
20.5
18.7
20.9
19.4
21
19.1
21.7
位置
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圆弧段中部
右圆弧段磁隙
磁场强度（高斯）
135
150
131
150
130
149
138
147
120
111
溅射深度（mm）
19.4
21
19.6
22.1
20.5
22.4
21.1
23.3
23.5
22.3
2.1每块磁铁中部的磁场强度小，靶材溅射沟浅；磁铁间缝隙磁场强度大，溅射沟深。
磁铁中部的磁场强度小，缝隙磁场强度大，这一现象是由磁铁的物理属性造成的。磁场强度大的地方溅射沟深，这是因为磁场强度大的区域二次电子和离子密度大；磁场强度小的地方溅射沟浅，这是因为磁场强度大的区域二次电子和离子密度小。
2.2靶材报废时溅射沟中心线不在磁铁N、S极正中间，而是偏向外边即N极12.5㎜左右，新靶溅射沟的中心线，偏向N极8.5㎜左右。
离子在向阴极运动过程中，受到正交电磁场的作用而发生偏转，因此溅射沟中心线不在磁铁N、S极正中间，而是偏向N极，离子体距离新靶的靶面近，离子的偏移量小，因此溅射沟的中心线只偏向N极8.5mm左右，而旧靶的溅射沟距磁铁近，磁场强度大，并且距离子远，偏移量大，因此溅射中心线偏向N极12.5mm左右。 2.3靶材溅射沟随磁中、磁隙呈波浪状起伏，在磁铁中部溅射沟偏向中间，即S极，在磁铁缝隙溅射沟偏向外边，即N极。其原理同上。
2.4靶材两端圆弧段比中间直线段的溅射沟要深一些，约25%。
虽然圆弧段比中间直线段磁场强度要小很多，但因为电子运动到该处受到阻塞，再加上泵抽效应的影响，致使该处的等离子体密度大，溅射效率高，溅射沟深。
2.5 HRC-5100型靶的靶长2695mm而玻璃最大宽度为2134mm，即靶材的两边有（2695-2134）/2=561/2=280.5mm没有有效地沉积到玻璃上。玻璃的边缘约对应靶的第4个孔和第32孔，从（表1）可以看出，溅射沟两端最深处的溅射，基本没有沉积到玻璃上，而该处靶材溅射效率却最高，造成靶材过早地报废。
为了消除边缘效应、泵抽效应，使膜层横向均匀，而人为将靶设计宽一些，同时为满足磁控溅射工艺，将磁场设计成环形，防止电子流失控。
如果我们适当地降低靶材两端的磁铁强度，这样就可以既不影响整板玻璃的横向色差均匀度，又能减少高溅射速率区域的溅射速率，提高靶材寿命。
3.靶材磁场的调整
3.1 找出调整点
根据表1我们不难看出，靶材直线段最深处一般不超过21.0mm，而圆弧段都超过21.0mm，因此我们把深度超过21.0mm的点定为调整点。在靶材的上半部，共有左圆弧段磁隙、圆弧段中部、33孔、31孔、3孔和圆弧段中部六个点的磁场需要调整，在靶材的下半部，共有圆弧段中部、33孔、11孔、7孔、5孔、4孔、3孔、圆弧段中部和右圆弧段磁隙九个点的磁场需要调整。
3.2调整的标准
在表1中我们可以看出，同样的磁场强度，由于所处的位置不同，其左、右磁场强度的不同，都会造成溅射深度的不同。因此很难明确指出应当将调整点的磁场强度调整到某个数值，或降几个百分点，这需要凭经验来摸索。有一点非常关键，在调整圆弧段磁场强度时，如果降得过多，将造成无法保持电子流，无法形成异常辉光放电，也就无法形成溅射。
3.3调整的方法
3.3.1先准备一些低碳钢条，6mm宽，3mm厚，20～100mm长。
3.3.2将磁铁上的压紧铝排拆下，刮干净磁铁上的锈迹。
3.3.3在调整点的磁铁中部放上钢条，模拟靶材表面的实际高度，测量该点的磁场强度，根据测量值，调整钢条的长度，装上铝压排、铜板和新靶材，在这套靶材将要报废时，再次测量靶材磁场强度和溅射深度，作为再次调整磁场强度的依据。
3.3.4调整结果：经过两个周期的使用，我们终于得到了较满意的效果，见表2。
靶材磁场和溅射深度对应表 表2
靶材上半部磁场和溅射深度
位置
左圆弧段磁隙
圆弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
磁场强度（高斯）
101
111
132
125
141
129
152
129
145
131
146
130
溅射深度（mm）
23.2
23.6
23.2
22.7
23.4
21.8
23.4
21.1
22.9
21.1
22.8
20.8
位置
23孔
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
磁场强度（高斯）
149
133
154
138
151
135
158
139
157
138
157
135
溅射深度（mm）
22.4
21
22.8
20.9
23
20.5
22.4
20.5
22.5
21
23.2
20.8
位置
11孔
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圆弧中部
磁场强度（高斯）
150
134
152
131
152
140
151
140
144
109
溅射深度（mm）
22.13
20.5
22.3
20.3
22.1
20.6
22.4
21.5
23.4
23.4
靶材下半部磁场和溅射深度
位置
圆弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
23孔
磁场强度（高斯）
107
139
131
150
130
148
128
148
130
149
135
148
溅射深度（mm）
23.4
23.4
22
23.1
21.3
23.1
21.4
22.9
21.3
23.1
21.6
23.1
位置
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
11孔
磁场强度（高斯）
130
147
127
143
132
152
131
160
130
159
130
145
溅射深度（mm）
20.3
23.1
20.1
22.8
21.5
23.3
21.4
23.3
22.1
23.5
22
23.4
位置
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圆弧段中部
右圆弧段磁隙
磁场强度（高斯）
135
150
131
137
127
134
136
132
104
102
溅射深度（mm）
22.2
23.6
21.3
23.5
22.7
23.5
23.6
23.6
23.6
23.3
4.结果
磁场强度的调整，是一个非常细致，需要耐心和经验的工作，某一点磁场强度的改变，都会造成旁边两个点的磁场强度改变。
通过对调整后几套靶的实际使用效果观察，我们发现一套靶中溅射沟最浅处同比增加2.8mm，一套靶的利用率提高了约11%，按现在每套钛靶4.2万元，每年消耗16套靶，不锈钢靶3.4万元，每年消耗6套计算，每年可节约资金约9.64万元。同时可延长换靶周期11%，增加了有效工作时间。 |
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