PL234256B1 - Sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego - Google Patents
Sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego Download PDFInfo
- Publication number
- PL234256B1 PL234256B1 PL416557A PL41655716A PL234256B1 PL 234256 B1 PL234256 B1 PL 234256B1 PL 416557 A PL416557 A PL 416557A PL 41655716 A PL41655716 A PL 41655716A PL 234256 B1 PL234256 B1 PL 234256B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- magnetron
- target
- pure
- gallium
- metal
- Prior art date
Links
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 title abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010951 brass Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 claims description 3
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical group [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 17
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 15
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 abstract description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 4
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 abstract 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 abstract 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910000938 samarium–cobalt magnet Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BWGNESOTFCXPMA-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen disulfide Chemical compound SS BWGNESOTFCXPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical group [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000012776 electronic material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego oraz magnetron do osadzania takich warstw. Cienkie warstwy tego typu przeznaczone są głównie do zastosowań w fizyce, inżynierii materiałowej oraz nanotechnologii, a zwłaszcza do wytwarzania cienkich warstw stopów magnetokalorycznych Heuslera z potrójnego układu równowagi Ni-Mn-Ga. Proces rozpylania magnetronowego prowadzony jest z wykorzystaniem jednego magnetronu wyposażonego w target złożony z dwóch różnych czystych metali w stanie stałym oraz czystego galu w postaci ciekłej. Zawartość procentowa poszczególnych pierwiastków w nanoszonych warstwach jest proporcjonalna do stosunku powierzchni czystych metali w stanie stałym i powierzchni ciekłego galu. Magnetron posiada cylindryczną obudowę (1) i denko (2), na którym osadzony jest target składany, posiadający dysk (3) wykonany z pierwszego czystego metalu w stanie stałym, na którym znajduje się co najmniej jedna płytka (6) z drugiego czystego metalu w stanie stałym oraz co najmniej jedno naczynie grafitowe (4), zawierające czysty ciekły gal (5). Dodatkowo target składany wyposażony jest w pierścieniowy nabiegunnik zewnętrzny (7) i centralny magnes wspomagający (8) w osłonie (9). We wnętrzu podstawy (1) magnetronu znajduje się główny magnes składany (10) umieszczony w puszcze mosiężnej (11) podtrzymywanej teflonową oprawką (13).
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest magnetron do jednoczesnego rozpylania materiałów w stanie stałym i ciekłym, przeznaczony zwłaszcza do osadzania cienkich warstw stopów metali z galem. Cienkie warstwy tego typu przeznaczone są głównie do zastosowań w fizyce, inżynierii materiałowej oraz nanotechnologii, a zwłaszcza do wytwarzania cienkich warstw stopów magnetokalorycznych Heuslera z potrójnego układu równowagi Ni-Mn-Ga.
Ferromagnetyczne stopy Heuslera z układu Ni-Mn-Ga dzięki swoim właściwościom magnetycznym jak silna magnetostrykcja czy gigantyczny efekt magnetokaloryczny cieszą się dużym zainteresowaniem w wielu dziedzinach nauki i techniki takich jak, między innymi, budowa mikro-elektromechanicznych urządzeń czy też kriotechnika.
Dostępnych jest także wiele technik wytwarzania tychże stopów zarówno w postaci materiałów objętościowych jak i cienkich warstw. Jedną z najpopularniejszych i najczęściej wykorzystywanych metod wytwarzania cienkich warstw stopów Heuslera jest rozpylanie katodowe (sputtering) ze wspomagającym udziałem pola magnetycznego czyli rozpylanie magnetronowe (sputtering magnetronowy) - technika znana powszechnie już od wielu lat i szeroko udokumentowana.
W literaturze przedmiotu, jak na przykład w pracy ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 44, No. 10, 2015, opisane są różne procesy wytwarzania cienkich warstw stopów z układu Ni-Mn-Ga realizowanych poprzez rozpylanie magnetronowe materiału źródłowego (targetu) w postaci gotowego stopu wieloskładnikowego o określonej, stałej zawartości procentowej poszczególnych pierwiastków. Jest to rozwiązanie najprostsze jednakże bardzo kosztowne i wymaga zastosowania wysokotemperaturowych, łukowych pieców odlewniczych oraz czasochłonnych procesów obróbki termicznej i mechanicznej. Dodatkowo wykorzystanie takiego stopowego materiału źródłowego uniemożliwia produkowanie warstw o innym niż target składzie.
Znane są także procesy, w których zmiana składu osadzanych warstw jest realizowana poprzez napylanie z kilku targetów stopowych o różnych składach, tak jak zostało to opisane w pracy ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 2012, 14, No. 8, niemniej jednak powoduje to zwielokrotnienie kosztów ich produkcji bądź zakupu.
Między innymi z pracy Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324 (2012) 1882-1886 znane są także sposoby wytwarzania cienkich warstw o różnych składach z wykorzystaniem kilku targetów pracujących jednocześnie w konfiguracji konfokalnej czyli takiej, w której strumienie materii rozpylane z kilku magnetronów krzyżują się w jednym punkcie, w którym znajduje się podłoże, na którym osadzana jest warstwa. Taka metoda nazywana jest co-sputteringiem i wykorzystywane są w niej różne zestawy materiałów źródłowych zawierające zarówno gotowe stopy potrójne o różnych składach jak również stopy dwuskładnikowe a także czyste pierwiastki. Niezależne sterowanie intensywnością rozpylania poszczególnych targetów pozwala na dowolne komponowanie docelowego składu wytwarzanej warstwy. Jednakże do realizacji takiego rozpylania konfokalnego niezbędna jest rozbudowana, skomplikowana i droga aparatura.
W literaturze naukowej znaleźć można wiele przykładów wykorzystania ciekłego galu w procesach sputteringu magnetronowego jak chociażby praca Materials Science in Semiconductor Processing 39 (2015) 702-710, jednakże dotyczą one wyłącznie wytwarzania materiałów dwuskładnikowych z układu Ga-N, w których to drugi składnik - azot - dostarczany jest w postaci gazowej w procesie osadzania reaktywnego. Ciekły gal natomiast umieszczany jest w metalowym naczyniu, które zastępuje litą tarczę targetu w standardowej konstrukcji magnetronu płaskiego.
Ze zgłoszenia US 2015/0060262 A1, znany jest sposób otrzymywania cienkich warstw stopów metali z galem na dużych powierzchniach, wykorzystujący składniki w postaci ciekłej lub ciekłej i stałej. Opisany w tym zgłoszeniu magnetron płaski zaopatrzony jest w metalowe naczynia na ciekłe metale, takie jak gal, rtęć, cez oraz ciekłe stopy metali o niskiej temperaturze topienia, jak również dodatkowe opcjonalne magnetrony wyposażone w obrotowe targety cylindryczne z metali w stanie stałym, jak ind oraz miedź. Proces osadzania cienkich warstw metali z galem może być więc realizowany z jednego magnetronu płaskiego z naczyniem wypełnionym ciekłym stopem galowo-indowym lub z dwóch magnetronów płaskich, przy czym w jednym magnetronie znajduje się ciekły gal a w drugim magnetronie znajduje się inny pierwiastek w stanie ciekłym lub stałym. Można również realizować pośredni proces napylania ze źródła z ciekłym galem na obracający się cylinder wykonany z pierwiastka w stanie stałym, który to z kolei jest dalej rozpylany w stronę podłoża, na którym osadzana jest warstwa stopowa. Zgodnie z opisywanym w tym zgłoszeniu rozwiązaniem, cały proces można
PL 234 256 B1 wzbogacić jeszcze o dodatkowy magnetron z obrotowym targetem cylindrycznym wykonanym z dodatkowego pierwiastka w stanie stałym oraz o źródło kolejnego pierwiastka (w tym przypadku siarki lub selenu) w postaci parownika. Opisane rozwiązanie jest przeznaczone głównie do wytwarzania cienkich warstw dwusiarczku- lub dwuselenku-miedziowo-indowo-galowego absorbujących światło w komórkach ogniw słonecznych, jest rozwiązaniem skomplikowanym, wymagającym tym więcej dodatkowych źródeł magnetronowych im więcej składników będzie zawierał wytwarzany stop. Ponadto, z uwagi na duże gabarytowo podłoża, niezbędne jest stosowanie mechanizmów przesuwu liniowego nad zestawem magnetronów.
Zamieszczone w opisie ww. patentu przykłady nanoszenia cienkich warstw w procesie rozpylania magnetronowego ciekłego galu nie uwzględniają zjawiska polegającego na chemicznym reagowaniu atomów galu z metalowym materiałem naczynia, w którym znajduje się gal. Wynika to z faktu oddziaływania jonów gazu tworzącego plazmę z atomami ciekłego galu, zwiększającego ich aktywność chemiczną i prowadzącego do tworzenia się niepożądanych zanieczyszczeń stopowych na powierzchni galu zawierających pierwiastki trzecie pochodzące ze wspomnianego naczynia. W przypadku wytwarzania cienkich warstw stopów Heuslera, taka obecność zanieczyszczeń - zwykle magnetycznego żelaza ze stali, z której wykonuje się naczynia - wpływa na właściwości magnetyczne stopu i jest niedopuszczalna.
Celem wynalazku jest opracowanie magnetronu do jednoczesnego rozpylania materiałów w stanie stałym i ciekłym, z targetem składanym umożliwiającym osadzanie jednorodnych cienkich warstw stopów metali z galem.
Magnetron według wynalazku posiada obudowę, wewnątrz której znajduje się źródło pola magnetycznego oraz target składany. Target umieszczony jest poziomo na denku zamykającym od góry cylindryczną obudowę magnetronu. Target składa się z dysku wykonanego z pierwszego czystego metalu w stanie stałym, pełniącego rolę podstawy oraz z posadowionej na nim co najmniej jednej płytki wykonanej z drugiego czystego metalu w stanie stałym i co najmniej jednego naczynia grafitowego zawierającego czysty ciekły gal. Korzystnie jest jeżeli dysk wykonany jest z niklu, żelaza lub kobaltu, a umieszczona na nim płytka z manganu, cyrkonu, niobu, molibdenu, hafnu, tantalu, wolframu, lub renu. Dysk osadzony jest w pierścieniowym nabiegunniku zewnętrznym na centralnym magnesie wspomagającym przykrytym osłoną, przy czym nab iegunnik i osłona wykonane są z takiego samego metalu jak dysk. Natomiast pod targetem, wewnątrz obudowy, znajduje się główny magnes składany umieszczony w ochronnej puszcze, korzystnie mosiężnej, podtrzymywanej oprawką. Wokół tego magnesu znajduje się kanał wężownicy oraz kanały doprowadzające i odprowadzające czynnik chłodzący.
Dzięki temu, że magnetron posiada specjalną konstrukcję, możliwe jest uzyskane cienkich warstw stopów metali z galem o ściśle określonym składzie i odpowiedniej jakości.
Target tego magnetronu ma konstrukcję prostą, zwartą, niewymagającą stosowania rozbudowanych i kosztownych systemów próżniowych ani dużych, przesuwanych liniowo podłoży. Zastosowanie czystych pierwiastków jako elementów tego targetu eliminuje potrzebę produkcji lub zakupu kosztownych targetów stopowych. Sterowanie składem nanoszonych cienkich warstw stopów, jest łatwe, ponieważ realizowane jest poprzez zmianę ilości i/lub rozmiarów płytek wykonanych z drugiego metalu oraz średnicy i/lub ilości naczyń grafitowych zawierających gal, umieszczanych na podstawie z dysku wykonanego z pierwszego metalu. W miejscach gdzie umiejscowione są płytki drugiego metalu i naczynia grafitowe z galem, podłoże z pierwszego metalu jest osłaniane przed oddziaływaniem jonów plazmy i tym samym obszary te nie uczestniczą w procesie rozpylania, a wypadkowa zawartość procentowa poszczególnych pierwiastków w strumieniu rozpylanego materiału jest proporcjonalna do stosunku pól powierzchni różnych materiałów składanego targetu wystawionych na trawiące oddziaływanie plazmy.
Korzystnym jest również fakt, iż zastosowane w wynalazku naczynie (lub kilka naczyń) zawierające ciekły gal jest wykonane z czystego grafitu czyli alotropowej postaci węgla. Grafit jest materiałem przewodzącym prąd elektryczny co jest niezbędne w procesie rozpylania magnetronowego, a dodatkowo węgiel w odróżnieniu od metali jest nie zwilżalny przez ciekły gal oraz jest słabo rozpylany w procesie trawienia jonowego i tym samym nie prowadzi do zanieczyszczenia przechowywanego w nim czystego galu jak również osadzanej warstwy stopu.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania cienkiej warstwy Ni/Mg/Ga za pomocą magnetronu pokazanego na rysunku. Fig. 1 rysunku pokazuje magnetron w przekroju, a Fig. 2 widok z góry przykładowego targetu składanego.
PL 234 256 B1
Magnetron ten posiada cylindryczną obudowę 1 wykonaną ze stali kwasoodpornej, która jednolicie połączona jest z denkiem 2 wykonanym z miedzi i stanowi szczelną przegrodę oddzielającą zewnętrzne środowisko próżniowe od wnętrza podstawy magnetronu wystawionego na działanie ciśnienia atmosferycznego i czynnika chłodzącego. Denko 2 pełni także rolę oprawki, w której jest umieszczona podstawa/dysk 3 targetu składanego wykonana z pierwszego czystego metalu (w tym przypadku z niklu). Na dysku 3 znajduje się jedno cylindryczne naczynie grafitowe 4 wypełnione ciekłym galem 5. Na dysku tym znajduje się również płytka 6, o z drugiego czystego metalu (w tym przypadku jest to mangan). Zewnętrzną część targetu składanego stanowi pierścień nabiegunnika 7. W centralnym otworze dysku 3 targetu znajduje się walcowy magnes samarowo-kobaltowy 8 zabudowany w osłonie 9. We wnętrzu obudowy 1 magnetronu znajduje się główny magnes składany 10 zamknięty w szczelnej puszcze mosiężnej 11 zabezpieczającej ten magnes przed działaniem czynnika chłodzącego. Mosiężna puszka 11 ma wyfrezowany kanał wężownicy 12 zapewniający równomierne chłodzenie denka 2 przepływającym czynnikiem chłodzącym. Dodatkowo puszka 11 jest osadzona w oprawce 13 wykonanej z politetrafluoroetylenu zapewniającej docisk puszki 11 do denka 2, oraz wyposażonej w centralny kanał doprowadzający czynnik chłodzący 14 i kanał odprowadzający 15. Tak zamontowany główny magnes 10 wraz z zewnętrznym nabiegunnikiem pierścieniowym 7 i centralnym magnesem wspomagającym 8 wyprowadzają linie sił pola magnetycznego 16 nad powierzchnię targetu składanego, dzięki czemu w procesie rozpylania dochodzi do jonizacji plazmy i pojawienia się zjawiska rozpylania jonowego generującego strumień rozpylonych atomów 17 pierwiastków tworzących target.
W przykładowej realizacji, magnetron zamontowany został w cylindrycznej komorze próżniowej, za pośrednictwem standardowej flanszy z ceramicznym, izolującym elektrycznie przepustem, szczelnie połączonym z rurową podstawą magnetronu. Target składany ma dysk o średnicy zewnętrznej 45 mm, wykonany z czystego niklu (99,99%) oraz ułożonej na nim płytki z czystego manganu (99,8%) o grubości około 2 mm i powierzchni 600 mm2 i jednego naczynia grafitowego o średnicy zewnętrznej 10 mm, wewnętrznej 8 mm i głębokości 4 mm wypełnionego czystym galem (99,99%) w postaci ciekłej. Do komory próżniowej doprowadzono gaz roboczy argon utrzymując stałe jego ciśnienie na poziomie p = 7*10’4 mBar. Nad magnetronem, w odległości 55 mm, zawieszono płytkę podłożową z SiO2 o wymiarach 20 x 20 x 0,5 mm, na obracającym się z szybkością 70 obrotów/min standardowym manipulatorze. Temperatura podłoża była zbliżona do temperatury pokojowej. Do podstawy magnetronu podłączono źródło zasilania prądem stałym o natężeniu I = 300 mA i napięciu U = 315 V. Pojawienie się pola elektrycznego nad targetem, w połączeniu z polem magnetycznym wytwarzanym przez magnesy magnetronu, spowodowało jonizację gazu roboczego i utworzenie toroidalnego obszaru plazmy tuż nad powierzchnią składanego targetu. Bombardowanie powierzchni targetu jonami Ar zainicjowało proces rozpylania składników targetu i osadzanie ich na docelowym podłożu. Po upływie 300 minut odłączono źródło zasilania i zakończono proces napylania. W efekcie uzyskano warstwę stopu Ni44Mn41Ga15 o grubości 1,4 μm.
Ponieważ w procesie rozpylania magnetronowego niezbędne jest zastosowanie, wspomagającego proces tworzenia się plazmy, pola magnetycznego konstrukcja magnetronu wyposażona jest cylindryczny magnes składany dwóch magnesów - zewnętrznego pierścieniowego i wewnętrznego walcowego - zorientowanych współosiowo i połączonych z jednej strony magnetowodem w postaci krążka wykonanego z czystego żelaza. Taka konstrukcja magnesu sprawia, iż linie sił pola magnetycznego wychodzącego z zewnętrznego bieguna przenikają przez target, następnie są nad nim zaginane w kierunku do osi magnetronu i znów przenikając przez target wnikają do centralnego bieguna.
Dysk targetu składanego może być wykonamy z dowolnego pierwiastka, także z takiego który obniża natężenie pola magnetycznego przezeń przenikającego. Dlatego, w rozwiązaniu zastosowano znaną powszechnie modyfikację polegającą na włączeniu w konstrukcję targetu składanego dodatkowego zewnętrznego nabiegunnika i dodatkowego centralnego magnesu trwałego, wystających nad powierzchnię podstawy targetu składanego. Zewnętrzny nabiegunnik ma postać pierścienia wykonanego z tego samego metalu co dysk targetu (w przykładzie z niklu). Centralny walcowy magnes samarowo-kobaltowy osadzony jest w otworze przelotowym wykonanym w środku dysku targetu i zaopatrzony jest w osłonę wykonaną również z tego samego pierwiastka co dysk, ekranującą magnes od erozyjnego oddziaływania plazmy. Zastosowanie dodatkowego zewnętrznego nabiegunnika oraz centralnego magnesu, pełniącego funkcję wzmacniającego magnetowodu i jednocześnie centralnego nabiegunnika zapewnia odpowiednie natężenie i korzystny rozkład linii sil pola nad składanym targetem.
PL 234 256 B1
Magnetron według wynalazku wyposażony jest również w system chłodzenia cieczą (w przykładzie wodą), oddzielony od wnętrza komory próżniowej s/czelną przegrodą wykonaną z rury' stalowej i denka wykonanego z miedzi, w celu zapewnienia temperatury elementów składowych targetu, a zwłaszcza centralnego magnesu wspomagającego, niższej niż maksymalna temperatura pracy magnesu samarowo-kobaltowego.
Claims (2)
1. Magnetron do jednoczesnego rozpylania materiałów w stanie stałym i ciekłym, zwłaszcza do osadzania cienkich warstw stopów metali z galem, posiadający obudowę wewnątrz, której znajduje się źródło pola magnetycznego, oraz target składany, znamienny tym, że na denku (2) zamykającym od góry cylindryczną obudowę (1) magnetronu ma umieszczony poziomo target składany, przy czym target ten składa się z dysku (3) pełniącego rolę podstawy targetu i wykonanego z pierwszego czystego metalu w stanie stałym oraz z posadowionej na nim co najmniej jednej płytki (6) wykonanej z drugiego czystego metalu w sianie stałym i co najmniej jednego naczynia grafitowego (4) zawierającego czysty ciekły gal (5), dysk (3) osadzony jest w pierścieniowym nabiegunniku zewnętrznym (7) na centralnym magnesie wspomagającym (8) przykrytym osłoną (9); przy czym nabiegunnik (7) i osłona (9) wykonane są z takiego samego metalu jak dysk (3), natomiast pod targetem, wewnątrz obudowy (1), znajduje się główny magnes składany (10) umieszczony w ochronnej puszcze (11), korzystnie mosiężnej, podtrzymywanej oprawką (13), wokół którego znajduje się kanał wężownicy (12) oraz kanały doprowadzające (14) i odprowadzające (15) czynnik chłodzący.
2. Magnetron według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszym czystym metalem w stanie stałym z którego wykonany jest dysk (3) targetu jest nikiel, żelazo bądź kobalt, natomiast drugim czystym metalem w stanie stałym z którego wykonana jest płytka (6) jest mangan, cyrkon, niob, molibden, hafn, tantal, wolfram, lub ren.
PL 234 256 Β1
Rysunki
Fig.1
PL 234 256 Β1
Fig.2
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL416557A PL234256B1 (pl) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL416557A PL234256B1 (pl) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL416557A1 PL416557A1 (pl) | 2017-09-25 |
| PL234256B1 true PL234256B1 (pl) | 2020-01-31 |
Family
ID=59897548
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL416557A PL234256B1 (pl) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL234256B1 (pl) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4283011B1 (en) * | 2022-05-26 | 2024-08-21 | Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk | Magnetron device for sputtering target |
-
2016
- 2016-03-21 PL PL416557A patent/PL234256B1/pl unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4283011B1 (en) * | 2022-05-26 | 2024-08-21 | Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk | Magnetron device for sputtering target |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL416557A1 (pl) | 2017-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Electron beam evaporation deposition | |
| US4094764A (en) | Device for cathodic sputtering at a high deposition rate | |
| Bohlmark et al. | Guiding the deposition flux in an ionized magnetron discharge | |
| Schneider et al. | Recent developments in plasma assisted physical vapourdeposition | |
| KR101374488B1 (ko) | 아크식 증발원 및 이것을 사용한 피막의 제조 방법 | |
| CN105154839B (zh) | 一种平面阴极 | |
| Selinder et al. | Resputtering effects on the stoichiometry of YBa2Cu3O x thin films | |
| KR20130061030A (ko) | 다수의 타깃과 자석을 갖는 증착 챔버가 구비된 ｐｖｄ 장치 및 방법 | |
| US3330752A (en) | Method and apparatus for cathode sputtering including suppressing temperature rise adjacent the anode using a localized magnetic field | |
| JPWO2017030087A1 (ja) | ナノクラスター分散液、ナノクラスター膜、ナノクラスター分散体、ナノクラスター分散液の製造方法およびナノクラスター分散液の製造装置 | |
| Tan et al. | High-rate deposition of ultra-thick silver film by hollow cathode magnetron sputtering | |
| WO2011007830A1 (ja) | 成膜装置 | |
| TWI284361B (en) | Titanium nitride thin film formation on metal substrate by chemical vapor deposition in a magnetized sheet plasma source | |
| JP2021528815A (ja) | 単一ビームプラズマ源 | |
| PL234256B1 (pl) | Sposób wytwarzania cienkich warstw stopów metali z galem metodą rozpylania magnetronowego | |
| Williams | Vacuum coating with a hollow cathode source | |
| Zolotukhin et al. | Deposition of dielectric films on silicon using a fore-vacuum plasma electron source | |
| PL232163B1 (pl) | Magnetron do osadzania cienkich warstw stopów metali z galem | |
| CN109881160A (zh) | 一种沉积装置 | |
| Yushkov et al. | Deposition of boron coatings on surfaces by electron-beam evaporation in forevacuum | |
| Beilis et al. | Thin film deposition by plasma beam of a vacuum arc with refractory anodes | |
| RU2379378C2 (ru) | Способ ионно-плазменного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий и установка для его осуществления | |
| Su et al. | Oxidation of copper during physical sputtering deposition: mechanism, avoidance and utilization | |
| WO2008013469A1 (en) | Method for ion-plasma application of film coatings and a device for carrying out said method | |
| Leith | Development of novel superconducting thin films for use in superconducting radio frequency cavities |