RU207556U1

RU207556U1 - Распыляемый узел магнетрона для осаждения пленки бинарного сплава FexNi1-x в диапазоне 0,23 < x < 0,27

Info

Publication number: RU207556U1
Application number: RU2021123806U
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Шаповалов
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2021-11-01

Abstract

Полезная модель относится к распыляемому узлу магнетрона для осаждения пленки бинарного сплава FexNi1–xв диапазоне 0,23 <x< 0,27 и может быть использована в электронике, оптоэлектронике, машиностроении, автомобилестроении и др. Узел содержит мишень и охлаждающую пластину. Мишень выполнена из двух металлических пластин, параллельных друг другу, расположенных на одной оси с охлаждающей пластиной и жестко к ней прикрепленных. Внутренняя пластина изготовлена из железа, а внешняя – из никеля. В зоне эрозии внешней пластины выполнены прорези, расположенные симметрично относительно ее центра. Достигаемым техническим результатом является создание узла, позволяющего увеличить номенклатуру получаемых пленок с однородным химическим составом по всей площади, позволяющего осаждать пленки из ферромагнитных бинарных сплавов. 8 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам, используемым для осаждения пленок из ферромагнитных бинарных сплавов Fe_xNi_1– _x в электронике, оптоэлектронике, машиностроении, автомобилестроении и др. Установлено, что среди магнитомягких бинарных сплавов Fe_xNi_1– _x максимальную стабильность структуры имеют сплавы при 0.23 < x < 0.27 с температурой Кюри около 776 К.

Для осаждения пленок бинарных сплавов обычно применяют два магнетрона с эффективно охлаждаемыми мишенями из разных металлов, которые расположены рядом друг с другом (в патенте США № 6361668 B1, С23С 14/34) или магнетрон со сплавной мишенью [Milyaev M. A., Bannikova N. S., Naumova L. I. et al. Phys. Met. Metallogr. 120 (2019) 831–837].

Известен магнетрон с распыляемым блоком, описанный в патенте РФ № 2699702 «Распыляемый блок магнетрона для осаждения пленок твердых растворов Ti_xW_1- _xO₃». В этом устройстве распыляемый блок магнетрона для осаждения пленок бинарных твердых растворов реализован на базе цилиндрического магнетрона и содержит мишень, которая выполнена из двух металлических пластин, расположенных на одной оси с магнетроном параллельно друг другу и жестко прикрепленных к нему, причем внутренняя пластина выполнена охлаждаемой, а в зоне ее эрозии внешней пластины выполнены прорези, расположенные симметрично относительно ее центра.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является распылительный блок магнетрона для осаждения фотокаталитических пленок, описанный в патенте № 2664009 «Распылительный блок магнетрона для осаждения пленок твердых растворов FexTi(1–x)O2 в диапазоне 0 < x < 0.6», который реализован на базе цилиндрического магнетрона и содержит мишень и охлаждающую пластину. Мишень выполнена в виде двух металлических пластин, параллельных друг другу, расположенных на одной оси с охлаждающей пластиной и жестко к ней прикрепленных, причем внутренняя пластина выполнена из железа, а внешняя из титана, и в зоне ее эрозии изготовлены прорези, расположенные симметрично относительно центра охлаждающей пластины.

Достоинством известного устройства является то, что его конструкция позволяет получать пленки твердых растворов с однородным химическим составом по всей площади

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание конструкции узла магнетрона, позволяющего осаждать пленки ферромагнитных бинарных сплавов Fe_xNi_1– _x при 0.23 < x < 0.27 с однородным химическим составом по всей площади.

Распыляемый узел магнетрона для осаждения пленок Fe_xNi_1– _x в диапазоне 0.23 < x < 0.27, как и известный блок, содержит мишень и охлаждающую пластину. Мишень выполнена в виде двух металлических пластин, параллельных друг другу, расположенных на одной оси с охлаждающей пластиной и жестко к ней прикрепленных, причем внутренняя пластина изготовлена из железа, а внешняя из титана, и в зоне ее эрозии изготовлены прорези, расположенные симметрично относительно центра охлаждающей пластины. Но, в отличие от известного блока в предлагаемом устройстве внешняя пластина изготовлена из никеля.

Достигаемым техническим результатом является создание узла, позволяющего увеличить номенклатуру получаемых пленок с однородным химическим составом по всей площади, позволяющего осаждать пленки из ферромагнитных бинарных сплавов Fe_xNi_1– _x при 0.23 < x < 0.27.

фиг. 1 – конструкция блока магнетрона;

фиг. 2 – зависимости температуры внешней T _Ni и внутренней T _Fe пластин от плотности тока;

фиг. 3 – зависимости потоков железа Q _Fesp, Q _Feev и Q _Fetot от плотности тока при α = 0.5;

фиг. 4 – зависимости потоков никеля Q _Nisp, Q _Niev и Q _Nitot от плотности тока при α = 0.5;

фиг. 5 – зависимости стехиометрического коэффициента x в пленке Fe_xNi_1– _x от площади прорезей s ₂ и плотности тока;

фиг. 6 – область на плоскости независимых переменных j–s ₂, которая соответствует осаждению пленок Fe_xNi_1– _x при 0.23 < x < 0.27. При значениях j = 350 А/м² и s ₂ = 0.001365 м² в центре области (отмечено точкой в пересечении штриховых линий) осаждается пленка Fe_0.25Ni_0.75;

фиг. 7 – зависимость намагниченности насыщения М от толщины пленки h;

фиг. 8 – зависимость коэрцитивной силы H _c от толщины пленки h;

Рассмотрим пример выполнения распыляемого узла магнетрона (фиг.1). Предлагаемая полезная модель была реализована на базе цилиндрического сбалансированного магнетрона 1 диаметром 130 мм, на котором авторы выполняли эксперименты. Распыляемый узел содержит на одной оси охлаждающую пластину 2 толщиною 4 мм и мишень. Мишень состоит из двух пластин: внутренняя 3 изготовлена из Fe, внешняя 4 - из Ni. Толщина каждой равна 1 мм. Вся конструкция жестко скреплена с помощью болтов. Между пластинами установлены шайбы толщиною 1 мм, обеспечивающие зазор между ними. Зона эрозии 5 никелевой пластины имеет форму кольца с площадью s = 36 см². В этой зоне выполнены прорези 6, расположенные симметрично относительно центра мишени. Прорези выполнены в виде отверстий. Суммарная площадь прорезей s ₂ задает площадь зоны эрозии внутренней железной пластины 7. Для никелевой пластины площадь аналогичной области равна s ₁=s – s ₂. Величина s ₂ является параметром устройства, который влияет на скорость роста и химический состав пленки.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Распыление металлических пластин происходит в среде Ar при суммарном давлении 2–8 мТорр. Управляя током разряда, железную и никелевую пластины доводят до температур T _Fe и T _Ni, соответственно (см. фиг. 2). При этом поверхности пластин подвергаются бомбардировке ионами аргона, образующимися в разряде. В результате пластины становится источниками потоков металлов, которые, осаждаясь на подложке, формируют пленку бинарного сплава. Внутренняя пластина 3 через прорези 6 в никелевой пластине 4, имеющие площадь s ₂, генерирует поток железа Q _Fetot, состоящий из испаренного Q _Feev и распыленного Q _Fesp компонентов. Внешняя пластина 4 генерирует поток никеля Q _Nitot, тоже состоящий из испаренного Q _Niev и распыленного Q _Nisp компонентов. Площадь, с которой генерируется этот поток, равна s ₁ = s – s ₂.

Для рассматриваемого магнетрона диаметром 130 мм существует ограничение на величину s ₂. Область распыления, внешней пластины, имеющая площадь 36 см², представляет собой кольцо шириною 17 мм. Поэтому технически возможно изготовить прорези в форме отверстий диаметром не более 17 мм, что ограничивает величину s ₂ значением не более 18 см².

Для определения величин Q _Fetot и Q _Nitot были использованы оценки температур обеих пластин в форме экспонент, приведенные на фиг. 2. Соотношение компонентов в пленке Fe_xNi_1– _x задает величина:

Одновременно с этим каждый из компонентов в (1) известным образом зависит от величины s ₂. В нашем случае, например, поток железа, состоящий из двух компонентов, равен:

где для железа: S _Fe – коэффициент распыления; γ_Fe – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A _Fe и B _Fe – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m _Fe – масса молекулы; k = 1.38 · 10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана; j – плотность тока разряда на мишени, А/см²; e = 1.6 · 10^–19 Кл – заряд электрона.

Поток никеля, тоже состоящий из двух компонентов, задает выражение

где для никеля: S _Ni – коэффициент распыления; γ_Ni – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A _Ni и B _Ni – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m _Ni – масса молекулы.

На фиг. 3 и 4 даны зависимости потоков Fe и Ni от плотности тока, полученные с помощью выражений (2) и (3), соответственно. Эти зависимости были использованы для изучения влияния величины s ₂ и плотности тока на химический состав пленки Fe_xNi_1– _x. Результаты в виде кривых x = f(s ₂, j) представлены на фиг. 5. Как следует из фиг 5 химическим составом пленки можно однозначно управлять, варьируя плотность тока разряда и параметр s ₂.

Одновременно с этим на фиг. 5 штриховыми линиями отмечены уровни составов Fe_0.23Ni_0.77, и Fe_0.27Ni_0.73. Точки пересечения кривых x = f(s ₂, j) с линиями x = 0.23 и x = 0.27 задали область на плоскости независимых переменных j–s ₂, которая соответствует осаждению пленок Fe_xNi_1– _x при 0.23 < x < 0.27 (см. фиг. 6). При значениях j = 350 А/м² и s ₂ = 0.001365 м² в центре области (отмечено точкой в пересечении штриховых линий) осаждается пленка Fe_0.25Ni_0.75.

Модель предлагаемого устройства была использована для оценки магнитных свойств пленок. На фиг. 7 и 8 приведены зависимости намагниченности насыщения M и коэрцитивной силы H _c от толщины пленки.

Фиг. 5-8 свидетельствуют о том, что поставленная цель достигнута. Предлагаемый узел магнетрона, позволяет осаждать пленки бинарного ферромагнитного бинарного сплава Fe_xNi_1– _x в диапазоне 0.23 ≤ x ≤ 0.27. При толщине пленки в диапазоне 0.5–1.0 мкм намагниченность насыщения изменяется в диапазоне 0.1–0.3 о.е., а коэрцитивная сила – 45–65 Э.

Claims

Распыляемый узел магнетрона для осаждения пленки бинарного сплава Fe_xNi_1– _x , где 0,23 < x < 0,27, содержащий мишень и охлаждающую пластину, при этом мишень выполнена из двух металлических пластин, расположенных параллельно друг другу на одной оси с охлаждающей пластиной и жестко к ней прикрепленных, причем внутренняя пластина изготовлена из железа, а внешняя пластина выполнена из никеля и в зоне эрозии внешней пластины выполнены прорези, расположенные симметрично относительно ее центра.