RU236736U1

RU236736U1 - Composite target for magnetron sputtering

Info

Publication number: RU236736U1
Application number: RU2024140147U
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Бабуев; Виктор Васильевич Овчинников; Надежда Владимировна Учеваткина; Елена Владимировна Лукьяненко; Светлана Викторовна Якутина; Ирина Александровна Курбатова
Filing date: 2024-12-27
Publication date: 2025-08-19

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к производству распыляемых мишеней для изготовления тонкопленочных композитов на основе систем несмешивающихся компонентов. Составная мишень для получения композитов на основе систем несмешивающихся компонентов при магнетронном распылении включает два распыляемых материала, расположенных в зоне магнетронного распыления, первый из которых с высокой температурой плавления выполнен в виде диска с диаметром, превышающим наружный диаметр зоны распыления, а второй распыляемый материал с низкой температурой плавления выполнен в виде двух дуг сектора шириной, равной разности между внешним и внутренним радиусами зоны интенсивной эрозии мишени, при этом угол сектора выбирается в диапазоне 25–30°. Такая конструкция составной мишени позволяет стабилизировать и обеспечить однородность распыления за счет устранения деформации мишени, а также получать композиционные пленки требуемого состава по компонентам. 3 ил. The utility model relates to mechanical engineering, namely to the production of sputtering targets for the manufacture of thin-film composites based on immiscible component systems. A composite target for obtaining composites based on immiscible component systems during magnetron sputtering includes two sputtering materials located in the magnetron sputtering zone, the first of which has a high melting point and is made in the form of a disk with a diameter exceeding the outer diameter of the sputtering zone, and the second sputtering material with a low melting point is made in the form of two sector arcs with a width equal to the difference between the outer and inner radii of the intense erosion zone of the target, wherein the sector angle is selected in the range of 25–30°. Such a design of the composite target makes it possible to stabilize and ensure sputtering homogeneity by eliminating target deformation, as well as to obtain composite films of the required composition by components. 3 fig.

Description

Полезная модель относится к магнетронному оборудованию и может быть использована в качестве его распыляемой составной мишени – катода для качественного и экономичного осаждения на подложку многокомпонентного композиционного материала на основе несмешивающихся компонентов в виде пленки.The utility model relates to magnetron equipment and can be used as its sputtered composite target - a cathode for high-quality and economical deposition of a multicomponent composite material on a substrate based on immiscible components in the form of a film.

Тонкопленочные покрытия из многокомпонентных композиционных материалов на основе несмешивающихся компонентов получают путем распыления составных мишеней, что обусловлено трудностью или невозможностью формирования таких композитов непосредственным прессованием или спеканием компонентов. Поэтому использование составных мишеней, позволяющих получать пленки многокомпонентных композиционных материалов на основе несмешивающихся компонентов с заданным химическим составом, представляет прекрасную альтернативу традиционным способам.Thin-film coatings of multicomponent composite materials based on immiscible components are obtained by sputtering composite targets, which is due to the difficulty or impossibility of forming such composites by direct pressing or sintering of components. Therefore, the use of composite targets, which allow obtaining films of multicomponent composite materials based on immiscible components with a given chemical composition, is an excellent alternative to traditional methods.

Известны способы изготовления составных мишеней магнетронного источника: по авторскому свидетельству СССР №1025754 «Способ изготовления мишени магнетронного источника», по патенту на изобретение РФ №2068886 «Способ изготовления и реставрации мишени для магнетронного распыления в вакууме», по патенту на изобретение РФ 2392686 «Составная мишень для распыления и способ ее получения». Они включают выполнение углубления в основе мишени путем распыления материала основы в магнетронном источнике и заполнение углубления материалом покрытия с разнородными физико-химическим свойствам по отношению к основе путем литья либо заполнения углубления распыленным материалом, а распыляемый материал укладывают в углубление, нагревают вместе с основой до определенной температуры и запрессовывают в углубление.Methods for manufacturing composite targets of a magnetron source are known: according to USSR Author's Certificate No. 1025754 "Method for Manufacturing a Target of a Magnetron Source", according to Russian Federation Patent for Invention No. 2068886 "Method for Manufacturing and Restoring a Target for Magnetron Sputtering in a Vacuum", according to Russian Federation Patent for Invention 2392686 "Composite Target for Sputtering and Method for Obtaining It". They include making a recess in the target base by sputtering the base material in a magnetron source and filling the recess with a coating material with dissimilar physical and chemical properties in relation to the base by casting or filling the recess with the sputtered material, and the sputtered material is placed in the recess, heated together with the base to a certain temperature and pressed into the recess.

Недостатком указанных выше составных мишеней является несоблюдение требуемого состава тонкопленочных покрытий, особенно в тех случаях, когда распыляются два компонента с большой разницей в температуре плавления, например, медь и свинец.The disadvantage of the above-mentioned composite targets is the failure to comply with the required composition of thin-film coatings, especially in cases where two components with a large difference in melting temperature are sprayed, for example, copper and lead.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является составная мишень для магнетронного распыления [РФ №2352684, C23C 14/35, H01J 23/00, 20.04.2009 Бюл. № 11], представляющая собой диск из распыляемого материала, в котором, в распыляемой зоне, по двум концентрическим окружностям в шахматном порядке высверлены отверстия и в них прессовой посадкой закреплены литые цилиндрические вставки из других распыляемых материалов.The closest in technical essence to the proposed utility model is a composite target for magnetron sputtering [RF No. 2352684, C23C 14/35, H01J 23/00, 20.04.2009 Bulletin No. 11], which is a disk made of a material to be sputtered, in which, in the sputtering zone, holes are drilled in a checkerboard pattern along two concentric circles and cast cylindrical inserts made of other materials to be sputtered are secured in them by a press fit.

К недостаткам такой конструкции относится возникновение механических напряжений в мишени при ее нагреве в процессе магнетронного распыления, что приводит к деформации вставок и неоднородности распыления. При существенной разнице в температурах плавления, если из легкоплавкого компонента изготовлены вставки, наблюдается их частичное оплавление, что приводит к преимущественному осаждению данного компонента в покрытии.The disadvantages of such a design include the occurrence of mechanical stresses in the target when it is heated during magnetron sputtering, which leads to deformation of the inserts and non-uniform sputtering. With a significant difference in melting temperatures, if the inserts are made of a low-melting component, their partial melting is observed, which leads to the predominant deposition of this component in the coating.

Техническим результатом, получаемым в предлагаемой полезной модели, является получение тонкой композиционной пленки из монотектического сплава Cu-Pb.The technical result obtained in the proposed utility model is the production of a thin composite film from a monotectic Cu-Pb alloy.

Указанный технический результат достигается тем, что составная мишень для получения композиционного материала на основе системы несмешивающихся компонентов представляет собой медный диск с вплавленным свинцом для магнетронного распыления, которая также содержит кольцеобразный трек, сформированный на поверхности медного диска, при этом внутренний и внешний диаметры упомянутого трека являются границами зоны распыления составной мишени, между двумя дугами указанного кольцеобразного трека выполнены две канавки, в секторе с углом 25° каждая, при этом в упомянутые две кольцевые канавки, выполненные глубиной 1,5 мм и шириной, равной разности между наружным и внутренним диаметрами кольцеобразного трека, вплавлен свинец. The specified technical result is achieved in that the composite target for obtaining a composite material based on a system of immiscible components is a copper disk with fused lead for magnetron sputtering, which also contains an annular track formed on the surface of the copper disk, wherein the inner and outer diameters of said track are the boundaries of the sputtering zone of the composite target, between two arcs of said annular track two grooves are made, in a sector with an angle of 25° each, wherein lead is fused into said two annular grooves, made with a depth of 1.5 mm and a width equal to the difference between the outer and inner diameters of the annular track.

Основными составляющими магнетронной системы являются катод-мишень, анод и магнитная система. Принципиальная схема и принцип работы кольцевого планарного магнетрона приведена на фиг. 1. На фиг. 1: 1, 3 – уплотнительные прокладки, 2 – изолирующее кольцо, 4 – фланец камеры, 5 – зона плазмы, 6 – подложка, 7 – пленка, получаемая при распылении, 8 – зона распыления, 9, 11 – электрическое и магнитные поля, 10 – анод, 12, 15 – периферийные и центральный магниты, 13 – основание магнитного блока, 14, 17 – трубки подачи и слива воды, 16 – зажим, 18 – корпус, 19 – мишень-катод.The main components of the magnetron system are the cathode-target, the anode and the magnetic system. The basic diagram and the operating principle of the ring planar magnetron are shown in Fig. 1. In Fig. 1: 1, 3 – sealing gaskets, 2 – insulating ring, 4 – chamber flange, 5 – plasma zone, 6 – substrate, 7 – film obtained by sputtering, 8 – sputtering zone, 9, 11 – electric and magnetic fields, 10 – anode, 12, 15 – peripheral and central magnets, 13 – magnetic block base, 14, 17 – water supply and drain tubes, 16 – clamp, 18 – housing, 19 – target-cathode.

В кольцевом планарном магнетроне все элементы смонтированы в корпусе 18, присоединенном к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень-катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. Напряжение подается на катод через зажим 16 и составляет 300–700 В.In the ring planar magnetron, all elements are mounted in a housing 18, connected to the working chamber through an intermediate insulating ring 2 and a flange 4 with vacuum sealing gaskets 1 and 3. The disk-shaped target-cathode 19 is cooled by running water through tubes 14 and 17. Voltage is supplied to the cathode through clamp 16 and is 300–700 V.

Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и периферийных 12 постоянных магнитов, закрепленных на основании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создает магнитное поле 11 (порядка 200-500 Гс). Составляющая поля параллельна плоскости катода. Анод 10 расположен над катодом и может находится либо под потенциалом земли, либо под напряжением 30–100 В относительно катода и обеспечивает образование электрического поля 9. Составляющая этого поля перпендикулярна плоскости катода.Under the cathode there is a magnetic block consisting of a central 15 and peripheral 12 permanent magnets fixed on the base of the block 13 made of a soft magnetic material. The magnetic block creates a magnetic field 11 (about 200-500 Gs). The field component is parallel to the plane of the cathode. The anode 10 is located above the cathode and can be either at ground potential or at a voltage of 30-100 V relative to the cathode and ensures the formation of an electric field 9. The component of this field is perpendicular to the plane of the cathode.

При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области образуется зона скрещенного магнитного и электрического полей. Находящиеся там электроны, совершая сложные движения под действием полей, ионизируют газ. В результате возникает разряд и над поверхностью катода образуется кольцеобразная (торообразная) зона плазмы 5, сопровождающаяся световым излучением. При этом положительные ионы рабочего газа ускоряются в направлении катода, бомбардируя и распыляя его поверхность в зоне 8, называемой зоной эрозии или зоной распыления. Атомы материала, выбитые с поверхности мишени, осаждаются в виде пленки 7 на подложке 6, а также частично рассеиваются молекулами остаточных газов и осаждаются на стенках рабочей камеры.When a negative potential is applied to the cathode, a zone of crossed magnetic and electric fields is formed in the cathode region. The electrons located there, performing complex movements under the action of the fields, ionize the gas. As a result, a discharge occurs and a ring-shaped (torus-shaped) plasma zone 5 is formed above the cathode surface, accompanied by light emission. In this case, the positive ions of the working gas are accelerated in the direction of the cathode, bombarding and sputtering its surface in zone 8, called the erosion zone or sputtering zone. The atoms of the material knocked out of the target surface are deposited in the form of a film 7 on the substrate 6, and are also partially scattered by the molecules of the residual gases and are deposited on the walls of the working chamber.

На фиг. 2 представлена схема составной мишени, где 19 – диск из материала с высокой температурой плавления; 20 – дуга из материала с низкой температуры плавления; 21 – зона интенсивной эрозии мишени; D_э1 – внешний диаметр зоны интенсивной эрозии мишени; D_э2 – внутренний диаметр зоны интенсивной эрозии мишени.Fig. 2 shows a diagram of a composite target, where 19 is a disk made of a material with a high melting point; 20 is an arc made of a material with a low melting point; 21 is a zone of intense erosion of the target; _Dэ1 is the outer diameter of the zone of intense erosion of the target; _Dэ2 is the inner diameter of the zone of intense erosion of the target.

В качестве реализации заявляемой составной мишени можно привести следующий пример. Для получения композиционного материала из несмешивающихся компонентов системы Cu–Pb качестве первого распыляемого материала взят диск меди М1 (содержание меди 99,9%; суммарное содержание примесей металлов олова, цинка, никеля не более 0,1%) в виде диска диаметром 60 мм и толщиной 5 мм. Наружный (D_э1) и внутренний (D_э2) диаметры зоны распыления определены экспериментально путем тестового распыления данного медного диска. В результате этого процесса на поверхности меди сформирован кольцеобразный трек, определяющий границы зоны распыления (фиг. 3). При рабочем давлении газа (аргон) в камере 1 Па они составляют D_э1 = 40 мм и D_э2 = 30 мм. The following example can be given as an implementation of the claimed composite target. To obtain a composite material from immiscible components of the Cu–Pb system, a copper disk M1 (copper content 99.9%; total content of impurities of metals tin, zinc, nickel no more than 0.1%) in the form of a disk with a diameter of 60 mm and a thickness of 5 mm is taken as the first sputtered material. The outer (D _e1 ) and inner (D _e2 ) diameters of the sputtering zone are determined experimentally by test sputtering of this copper disk. As a result of this process, a ring-shaped track is formed on the copper surface, defining the boundaries of the sputtering zone (Fig. 3). At an operating gas pressure (argon) in the chamber of 1 Pa, they are D _e1 = 40 mm and D _e2 = 30 mm.

В качестве второго распыляемого материала был взят свинец (содержание свинца 99,99%), который был вплавлен в две кольцевые канавки глубиной 1,5 мм, выполненные согласно фиг. 2. The second sprayed material was lead (lead content 99.99%), which was fused into two annular grooves 1.5 mm deep, made according to Fig. 2.

Процесс магнетронного распыления данной составной мишени выполнен при давлении аргона в камере 1 Па и мощности на мишени 400 Вт в течение 5 мин. В результате на подложке из титанового сплава ВТ6, закрепленной на аноде напылительной камеры, получена пленка композита на основе несмешивающихся компонентов Cu–Pb толщиной 250 нм. Анализ состава полученного тонкопленочного композита по методу энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показал, что в слое пленки присутствует монотектический сплав меди со свинцом состав 64% Cu – 36% Pb. The magnetron sputtering process of this composite target was performed at an argon pressure of 1 Pa in the chamber and a power of 400 W on the target for 5 min. As a result, a composite film based on immiscible Cu–Pb components with a thickness of 250 nm was obtained on a substrate made of titanium alloy VT6, fixed to the anode of the sputtering chamber. Analysis of the composition of the obtained thin-film composite by the energy-dispersive X-ray spectroscopy method showed that the film layer contains a monotectic copper-lead alloy of 64% Cu – 36% Pb.

Следует отметить, что соотношение меди и свинца в тонкой пленке композиционного материала на поверхности подложки из титанового сплава ВТ6 существенно зависит от величины угла сектора. В случае снижения угла сектора мишени менее 25° наблюдается уменьшение содержания свинца в тонкой пленке композита на подложке до 30–31 мас.%.It should be noted that the ratio of copper and lead in the thin film of the composite material on the surface of the substrate made of titanium alloy VT6 depends significantly on the value of the sector angle. In the case of a decrease in the sector angle of the target to less than 25°, a decrease in the lead content in the thin film of the composite on the substrate to 30–31 wt.% is observed.

Claims

A composite target in the form of a copper disk with fused lead for magnetron sputtering, containing an annular track formed on the surface of the copper disk, wherein the inner and outer diameters of said track are the boundaries of the sputtering zone of the composite target, between two arcs of said annular track two grooves are made, in a sector with an angle of 25° each, wherein lead is fused into said two annular grooves, wherein said two grooves are made with a depth of 1.5 mm and a width equal to the difference between the outer and inner diameters of the annular track.