RU153424U1

RU153424U1 - CATHOD TARGET WITH EXTERNAL MAGNETIC UNIT

Info

Publication number: RU153424U1
Application number: RU2014152078/07U
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Горшков; Евгений Сергеевич Демидов; Юрий Исаакович Чигиринский; Татьяна Юрьевна Чигиринская
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2015-07-20

Abstract

1. Катод-мишень с внешним магнитным блоком, изготовленный из распыляемого материала в виде пластины и оснащённый размещённым на её рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным на основе центрального постоянного магнита, отличающийся тем, что внешний магнитный блок имеет периферийный замкнутый магнитопровод, расположенный вдоль края пластины с её рабочей стороны и образующий её боковые стенки.2. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что центральный постоянный магнит внешнего магнитного блока выполнен съёмным.3. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что его пластина изготовлена из магнитного распыляемого материала, а периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока имеет исполнение единого целого с пластиной катода-мишени и изготовлен из её же материала.4. Катод-мишень по п. 3, отличающийся тем, что периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока выполнен с внутренней боковой стенкой высотойгде U - напряжение на катоде-мишени;H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита внешнего магнитного блока.5. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что его пластина изготовлена из немагнитного распыляемого материала, а периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока выполнен накладным и изготовлен из материала с повышенной магнитной проницаемостью.6. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что его пластина имеет круглую или прямоугольную форму.1. The target cathode with an external magnetic unit, made of a sprayed material in the form of a plate and equipped with an external magnetic unit placed on its working surface, made on the basis of a central permanent magnet, characterized in that the external magnetic unit has a peripheral closed magnetic circuit located along the edge plates on its working side and its side walls forming it. 2. The target cathode according to claim 1, characterized in that the central permanent magnet of the external magnetic unit is removable. 3. The target cathode according to claim 1, characterized in that its plate is made of a magnetic atomized material, and the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit is integral with the target cathode plate and is made of its own material. The target cathode according to claim 3, characterized in that the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit is made with an internal side wall where U is the voltage at the target cathode; H is the coercive force of the central permanent magnet of the external magnetic unit. 5. The target cathode according to claim 1, characterized in that its plate is made of non-magnetic atomized material, and the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit is laid on and made of a material with increased magnetic permeability. The target cathode according to claim 1, characterized in that its plate has a round or rectangular shape.

Description

Полезная модель относится к распылительному вакуумному оборудованию и может быть использована в качестве высокотехнологичного в изготовлении и монтаже катода-мишени в магнетронах и установках для катодного осаждения.The utility model relates to spray vacuum equipment and can be used as a high-tech in the manufacture and installation of the target cathode in magnetrons and cathode deposition plants.

Плоский катод-мишень является одним из наиболее распространенных и технологичных в изготовлении типов самой ответственной (распыляемой) детали системы вакуумного распыления, функциональная эффективность которой в современных магнетронах в значительной степени зависит от особенностей ее конструктивного исполнения в катодном узле указанного вакуумного оборудования и материала, из которого ее изготавливают.A flat target cathode is one of the most widespread and technologically advanced types of manufacturing of the most critical (sprayed) part of a vacuum sputtering system, the functional efficiency of which in modern magnetrons largely depends on the features of its design in the cathode assembly of the indicated vacuum equipment and material, of which it is made.

Так пластинчатый катод-мишень, изготовленный из магнитного материала, создает эффект экранирования, ослабляющий магнитную ловушку для электронов, эмитированных под действием ионной бомбардировки с рассеиваемой поверхности катода-мишени и активизирующих ионизацию, из-за экранирования указанным магнитным материалом магнитного поля, создаваемого размещенным под катодом-мишенью внутренним магнитным блоком магнетрона.Thus, a plate-shaped target cathode made of magnetic material creates a screening effect, weakening the magnetic trap for electrons emitted by ion bombardment from the scattered surface of the target cathode and activating ionization due to the screening of the magnetic field created by the magnetic material placed under the cathode - the target is the internal magnetic unit of the magnetron.

Известно техническое решение устройства для магнетронного распыления (магнетрона) магнитных материалов (см. авторское свидетельство СССР №1030423, C23C 15/00, 1983) направленное на уменьшение изложенного эффекта экранирования в результате изготовления нетехнологичного плоского кольцевидного катода-мишени из магнитного материала с возможностью его размещения (усложняющего конструкцию магнетронного устройства) в полости магнитного блока ниже (выступающих наружу) полюсных наконечников постоянных магнитов указанного блока.A technical solution is known for a device for magnetron sputtering (magnetron) of magnetic materials (see USSR author's certificate No. 1030423, C23C 15/00, 1983) aimed at reducing the screening effect as a result of the manufacture of a non-technological flat ring-shaped target cathode from magnetic material with the possibility of its placement (complicating the design of the magnetron device) in the cavity of the magnetic block below (protruding outward) of the pole pieces of permanent magnets of the specified block.

Известно также техническое решение катода-мишени (см. заявку US №20070007130, C23C 14/00, 2007), недостаточно уменьшающее эффект экранирования плоского ферромагнитного катода-мишени в результате нетехнологичной врезки в него снизу (без изменения верхней рассеиваемой поверхности и сохранения верхнего экранирующего слоя ферромагнитного материала катода-мишени) двух дополнительных постоянных магнитов, с обеспечением возможности их расположения над постоянными магнитами внутреннего (нижнего) магнитного блока между последними и ориентации полярности указанных дополнительных магнитов, совпадающей с ориентацией полярности центрального постоянного магнита указанного магнитного блока.A technical solution of the target cathode is also known (see application US No. 20070007130, C23C 14/00, 2007), which does not sufficiently reduce the screening effect of the flat ferromagnetic target cathode as a result of a low-tech insertion into it from below (without changing the upper scattered surface and preserving the upper screening layer ferromagnetic material of the target cathode) of two additional permanent magnets, with the possibility of their location above the permanent magnets of the internal (lower) magnetic block between the latter and the orientation of the polarities and these additional magnets, coinciding with the orientation of the polarity of the Central permanent magnet of the specified magnetic unit.

Более технологично техническое решение катода-мишени (см. патент US №6623610, C23C 14/35, 2003), плоская конструкция которого дополнена внешними постоянными магнитами, размещенными на рассеиваемой поверхности катода-мишени, изготовленного из магнитного материала, и образующими внешний магнитный блок для образования магнитной ловушки, позволяющий обойтись без внутреннего магнитного блока. Такой усложненный катод-мишень с внешним магнитным блоком содержит избыточные внешние магниты, задача которых - замена внутреннего магнитного блока.A more technologically advanced technical solution is the target cathode (see US patent No. 6623610, C23C 14/35, 2003), the flat design of which is supplemented by external permanent magnets placed on the scattering surface of the target cathode made of magnetic material and forming an external magnetic block for the formation of a magnetic trap, which allows you to do without an internal magnetic block. Such a complicated target cathode with an external magnetic block contains redundant external magnets, the task of which is to replace the internal magnetic block.

В качестве прототипа заявляемого катода-мишени с внешним магнитным блоком выбран известный катод-мишень (см. патент US №4370217, С23С15/00, 1983), изготовленный из магнитного распыляемого материала в виде пластины и оснащенный размещенным на ее рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным в виде съемных центрального и периферийного постоянных магнитов.As a prototype of the inventive target cathode with an external magnetic block, a known target cathode (see US patent No. 4370217, C23C15 / 00, 1983), made of a magnetic atomized material in the form of a plate and equipped with an external magnetic block placed on its working surface, was selected made in the form of removable central and peripheral permanent magnets.

К недостаткам прототипа относятся, также как и в случае аналога по патенту US №6623610, избыточность внешних постоянных магнитов в связи с наличием в конструкции усложненного катода-мишени второго периферийного (кольцевого) постоянного магнита для использования такого катода-мишени в магнетроне с внутренним магнитным блоком. Назначение внешнего магнитного блока в прототипе также - замена внутреннего магнитного блока магнетрона.The disadvantages of the prototype include, as in the case of the analogue according to US patent No. 6623610, the redundancy of external permanent magnets due to the presence in the design of the complicated target cathode of the second peripheral (ring) permanent magnet for using such a target cathode in a magnetron with an internal magnetic block . The purpose of the external magnetic unit in the prototype is also the replacement of the internal magnetic unit of the magnetron.

Технический результат заявляемой полезной модели - упрощение конструкции катода-мишени с внешним магнитным блоком за счет исключения из последнего периферийного постоянного магнита и использования в нем вместо последнего периферийного замкнутого магнитопровода, а также повышение технологичности изготовления катода-мишени с внешним магнитным блоком в результате указанного исключения и универсализация его использования в качестве оптимальной базовой сборочной детали, обеспечивающей достаточно эффективное распыление при использовании в устройстве магнетронного распыления магнитных материалов с внутренним магнитным блоком и в устройстве магнетронного распыления магнитных материалов без внутреннего магнитного блока (последний вариант использования можно рассматривать, как использование катода-мишени с внешним магнитным блоком в устройстве катодного осаждения).The technical result of the claimed utility model is to simplify the design of the target cathode with an external magnetic block due to the exclusion from the last peripheral permanent magnet and use instead of the last peripheral closed magnetic circuit, as well as to increase the manufacturability of manufacturing the target cathode with an external magnetic block as a result of this exception and universalization of its use as an optimal basic assembly part, providing sufficiently effective atomization when used in a device for magnetron sputtering of magnetic materials with an internal magnetic block and in a device for magnetron sputtering of magnetic materials without an internal magnetic block (the latter use case can be considered as using a target cathode with an external magnetic block in a cathode deposition device).

Для достижения указанного технического результата в катоде-мишени с внешним магнитном блоком, изготовленном из магнитного распыляемого материала в виде пластины и оснащенном размещенным на ее рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным на основе центрального постоянного магнита, внешний магнитный блок имеет периферийный замкнутый магнитопровод, расположенный вдоль края пластины с ее рабочей стороны и образующий ее боковые стенки.To achieve the specified technical result in the target cathode with an external magnetic block made of a magnetic atomized material in the form of a plate and equipped with an external magnetic block placed on its working surface, made on the basis of a central permanent magnet, the external magnetic block has a peripheral closed magnetic circuit located along the edges of the plate with its working side and its side walls forming it.

В частном случаеIn a particular case

центральный постоянный магнит внешнего магнитного блока может быть выполнен съемным;the central permanent magnet of the external magnetic unit may be removable;

периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока может иметь исполнение единого целого с пластиной катода-мишени и может быть изготовлен из ее же материала;the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic block may be integral with the target cathode plate and may be made of its own material;

периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока может быть выполнен с боковой стенкой высотойthe peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit can be made with a side wall of a height

h=3,2·10^-5U^0,5H^-1 (м),h = 3.2 · 10 ^-5 U ^0.5 H ^-1 (m),

где U - напряжение на катоде-мишени (Вольт);where U is the voltage at the target cathode (Volts);

H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита внешнего магнитного блока (Тл).H is the coercive force of the central permanent magnet of the external magnetic unit (T).

пластина катода-мишени может быть выполнена в виде диска или прямоугольной пластины с закругленными углами.the plate of the target cathode can be made in the form of a disk or a rectangular plate with rounded corners.

На фиг. 1 показан предлагаемый катод-мишень с внешним магнитным блоком с периферийным замкнутым магнитопроводом, имеющим исполнение единого целого с пластиной катода-мишени (см. на фиг. 1а схематический вид сбоку катода-мишени в разрезе в первом указанном исполнении, смонтированного в устройстве магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком) и катод-мишень с внешним магнитным блоком, имеющим исполнение с отдельным периферийным замкнутым магнитопроводом (см. на фиг. 1б схематический вид сбоку катода-мишени в разрезе во втором указанном исполнении).In FIG. 1 shows the proposed target cathode with an external magnetic unit with a peripheral closed magnetic circuit, which is integral with the target cathode plate (see in Fig. 1a, a schematic sectional side view of the target cathode mounted in the first specified embodiment mounted in a magnetron sputtering device with internal magnetic block) and the target cathode with an external magnetic block having a design with a separate peripheral closed magnetic circuit (see in Fig. 1b a schematic side view of the target cathode in section in the second indicated and completion).

Предлагаемый катод-мишень с внешним магнитным блоком содержит в обоих случаях исполнения распыляемую дисковидную или прямоугольную (с закругленными углами) пластину 1, изготовленную, например из никеля и оснащенную съемным центральным, например цилиндрическим постоянным магнитом 2 и периферийным замкнутым магнитопроводом 3, расположенным вдоль края пластины 1 с ее рабочей стороны и образующей ее боковые стенки.The proposed target cathode with an external magnetic block contains, in both cases, an atomized disk-shaped or rectangular (with rounded corners) plate 1 made of, for example, nickel and equipped with a removable central, for example, a cylindrical permanent magnet 2 and a peripheral closed magnetic circuit 3 located along the edge of the plate 1 from its working side and its side walls forming it.

Причем в первом случае (см. фиг. 1а) периферийный замкнутый магнитопровод 3 имеет исполнение единого целого с пластиной 1 и изготовлен из ее же материала, а во втором случае (см. фиг. 1б) магнитопровод 3 выполнен накладным кольцевидным или в виде прямоугольной рамки (с закругленными углами) и изготовлен из материала с повышенной магнитной проницаемостью, например стали с повышенным содержанием железа (Ст3).Moreover, in the first case (see Fig. 1a), the peripheral closed magnetic circuit 3 is integral with the plate 1 and is made of its own material, and in the second case (see Fig. 1b) the magnetic circuit 3 is made as a ring-shaped or rectangular frame (with rounded corners) and is made of a material with increased magnetic permeability, for example, steel with a high iron content (St3).

В обоих случаях катод-мишень с внешним магнитным блоком может быть использован в составе распылительного оборудования устройства магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком, показанного на фиг. 1а и содержащего вакуумную камеру 4, с расположенными в ней предлагаемым катодом-мишенью с внешним магнитным блоком, размещенным на охлаждаемом металлическом магнитопроводящем корпусе 5, и анодом 6.In both cases, the target cathode with an external magnetic block can be used as part of the spraying equipment of the magnetron sputtering device with an internal magnetic block shown in FIG. 1a and containing a vacuum chamber 4, with the proposed target cathode located therein with an external magnetic unit placed on a cooled metal magnetically conductive housing 5, and an anode 6.

В корпусе 5 расположен внутренний магнитный блок, состоящий из центрального внутреннего постоянного магнита 7 и периферийного внутреннего замкнутого постоянного магнита 8, размещенных на магнитопроницаемом основании 9, причем на корпус 5 подается высокое отрицательное высокочастотное или постоянное напряжение.In the housing 5 there is an internal magnetic unit consisting of a central internal permanent magnet 7 and a peripheral internal closed permanent magnet 8 located on the magnetically permeable base 9, and a high negative high-frequency or constant voltage is applied to the housing 5.

Катод-мишень с внешним магнитном блоком в обоих изложенных выше случаях исполнения может быть использован также в устройстве магнетронного распыления без внутреннего магнитного блока, которое может рассматриваться как вакуумная установка катодного осаждения с предлагаемым катодом-мишенью с внешним магнитным блоком (на фигурах не показано).The target cathode with an external magnetic block in both cases described above can also be used in a magnetron sputtering device without an internal magnetic block, which can be considered as a vacuum cathode deposition unit with the proposed target cathode with an external magnetic block (not shown in the figures).

При этом высота h боковой стенки периферийного замкнутого магнитопровода 3 (см. фиг. 1а) внешнего магнитного блока катода мишени определяется выражением: h=3,2·10^-5U^0,5H^-1 (м), где U - напряжение на катоде-мишени (Вольт) и H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита 2 внешнего магнитного блока (Тл), которое выведено заявителем для достижения наибольшей интенсивности распыления, возникающее когда область плазмы магнетронного разряда, эффективный радиус которой определяется соотношением r=H^-1(2mUе^-1)^0,5 (м), где m и e - масса (кг) и заряд (Кл) электрона, непосредственно касается поверхности распыляемого материала (см. Лабораторный практикум «Физика твердого тела» Под ред. проф. А.Ф. Хохлова. М., «Высшая школа», 2001, т. 1, с. 324).The height h of the side wall of the peripheral closed magnetic circuit 3 (see Fig. 1a) of the external magnetic block of the target cathode is determined by the expression: h = 3.2 · 10 ^-5 U ^0.5 H ^-1 (m), where U is the voltage across target cathode (Volt) and H is the coercive force of the central permanent magnet 2 of the external magnetic unit (T), which is derived by the applicant to achieve the highest sputtering intensity, which occurs when the region of the magnetron discharge plasma, the effective radius of which is determined by the ratio r = H ^-1 (2mUе ^-1 ) ^0.5 (m), where m and e are mass (kg) and charge (C) elec ron, directly touches the surface of the sprayed material (see Laboratory Workshop "Solid State Physics" Edited by Prof. AF Khokhlov. M., Higher School, 2001, v. 1, p. 324).

Суммарный объем пластины 1 и магнитопровода 3 V_М задается при использовании предлагаемого катода-мишени в обоих его случаях исполнения в устройстве магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком соотношением: V_M≥V_H, где V_H - объем данного магнитного материала, при котором наступает насыщение магнитной индукции от суммарных полей внутреннего и внешнего магнитных блоков (см. Краткий технический справочник. М., Физматгиз, 1960, т. 1, с. 356).The total volume of the plate 1 and the magnetic circuit 3 V _M is set when using the proposed target cathode in both of its cases in a magnetron sputtering device with an internal magnetic block with the ratio: V _M ≥V _H , where V _H is the volume of this magnetic material at which saturation occurs magnetic induction from the total fields of internal and external magnetic blocks (see. Brief technical guide. M., Fizmatgiz, 1960, v. 1, p. 356).

Функционирует предлагаемый катод-мишень с внешним магнитным блоком в устройстве магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком следующим образом.The proposed target cathode operates with an external magnetic block in a magnetron sputtering device with an internal magnetic block as follows.

При подаче на корпус. 5, например, постоянного высокого отрицательного напряжения (~3 кВ) относительно анода 6 в условиях высокого вакуума (3·10^-3 Торр) и газового наполнения вакуумной камеры аргоном возникает неоднородное электрическое поле

, пересекающееся с магнитным полем

, образуемым центральным внутренним постоянным магнитом 7 и периферийным внутренним замкнутым постоянным магнитом 8 внутреннего магнитного блока и усиленным (в связи с экранирующим эффектом магнитного материала пластины 1) центральным постоянным магнитом 2 и периферийным замкнутым магнитопроводом 3 внешнего магнитного блока катода мишени и возбуждается аномальный тлеющий разряд, и напряжение, подаваемое на корпус 5, падает до 300 В.When applying to the housing. 5, for example, a constant high negative voltage (~ 3 kV) relative to the anode 6 under conditions of high vacuum (3 · 10 ^-3 Torr) and gas filling of the vacuum chamber with argon, an inhomogeneous electric field

intersecting with a magnetic field

formed by the central internal permanent magnet 7 and the peripheral internal closed permanent magnet 8 of the internal magnetic unit and strengthened (due to the shielding effect of the magnetic material of the plate 1) by the central permanent magnet 2 and the peripheral closed magnetic circuit 3 of the external magnetic block of the target cathode and an abnormal glow discharge is excited, and the voltage supplied to the housing 5 drops to 300 V.

Эмитированные с рабочей (распыляемой) поверхности пластины 1 под действием ионной бомбардировки аргоном электроны захватываются упомянутым магнитным полем и оказываются в ловушке, создаваемой, с одной стороны - указанным магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны - рабочей поверхностью пластины 1, отталкивающей электроны.Electrons emitted from the working (sprayed) surface of the plate 1 under the action of ion bombardment with argon are captured by the mentioned magnetic field and are trapped by, on the one hand, the indicated magnetic field returning the electrons to the cathode, and on the other hand, by the working surface of the plate 1, repelling electrons.

В результате электроны совершают сложное циклоидальное движение у рабочей поверхности пластины 1, в процессе которого претерпевают многочисленные столкновения с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки рабочей поверхности пластины 1 и, соответственно, к значительному возрастанию скорости распыления.As a result, the electrons make a complex cycloidal motion near the working surface of the plate 1, during which they undergo numerous collisions with argon atoms, providing a high degree of ionization, which leads to an increase in the ion bombardment intensity of the working surface of the plate 1 and, accordingly, to a significant increase in the sputtering speed.

Использование предлагаемого оптимизированного катода-мишени с внешним магнитным блоком обеспечивает повышение толщины распыляемой пластины 1 с 0,2 мм (без внешнего магнитного блока) до 3 мм (для распыляемого материала пластины 1 - никеля) в расширенной группе установок магнетронного распыления (как с внутренним магнитным блоком, так и без него) на более высокой технологической основе.Using the proposed optimized target cathode with an external magnetic block provides an increase in the thickness of the sprayed plate 1 from 0.2 mm (without an external magnetic block) to 3 mm (for the sprayed material of the plate 1 — nickel) in an expanded group of magnetron sputtering installations (as with internal magnetic block, and without it) on a higher technological basis.

Claims

1. The target cathode with an external magnetic block, made of a sprayed material in the form of a plate and equipped with an external magnetic block placed on its working surface, made on the basis of a central permanent magnet, characterized in that the external magnetic block has a peripheral closed magnetic circuit located along the edge plates on its working side and its side walls forming it.

2. The target cathode according to claim 1, characterized in that the central permanent magnet of the external magnetic unit is removable.

3. The target cathode according to claim 1, characterized in that its plate is made of magnetic sputtering material, and the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit is integral with the target cathode plate and made of its own material.

4. The target cathode according to claim 3, characterized in that the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit is made with an internal side wall of a height

where U is the voltage at the target cathode;

H is the coercive force of the central permanent magnet of the external magnetic unit.

5. The target cathode according to claim 1, characterized in that its plate is made of non-magnetic atomized material, and the peripheral closed magnetic circuit of the external magnetic unit is laid on and made of a material with increased magnetic permeability.

6. The target cathode according to claim 1, characterized in that its plate has a round or rectangular shape.