RU236736U1 - Составная мишень для магнетронного распыления - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Техническим результатом, получаемым в предлагаемой полезной модели, является получение тонкой композиционной пленки из монотектического сплава Cu-Pb.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.%.

Claims (1)

1. Составная мишень в виде медного диска с вплавленным свинцом для магнетронного распыления, содержащая 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 вплавлен свинец, причем указанные две канавки выполнены глубиной 1,5 мм и шириной, равной разности между наружным и внутренним диаметрами кольцеобразного трека.