RU2664009C1 - Magnetron spraying unit for depositing the films of solid solutions fexti(1-x)o2 within the range of 0<x<0_6 - Google Patents
Magnetron spraying unit for depositing the films of solid solutions fexti(1-x)o2 within the range of 0<x<0_6 Download PDFInfo
- Publication number
- RU2664009C1 RU2664009C1 RU2017130488A RU2017130488A RU2664009C1 RU 2664009 C1 RU2664009 C1 RU 2664009C1 RU 2017130488 A RU2017130488 A RU 2017130488A RU 2017130488 A RU2017130488 A RU 2017130488A RU 2664009 C1 RU2664009 C1 RU 2664009C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- cooling plate
- films
- solid solutions
- plate
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/08—Oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
Abstract
Description
Распылительный блок относится к устройствам, используемым в экологии для изготовления фотокаталитических пленок из твердых растворов двух оксидов на поверхности металлов, стекол и керамики.The spraying unit refers to devices used in ecology for the manufacture of photocatalytic films from solid solutions of two oxides on the surface of metals, glasses and ceramics.
Полупроводниковый фотохимический катализ применяется для решения ряда экологических задач [Шаповалов В.И. Нанопорошки и пленки оксида титана для фотокатализа: Обзор // Физика и химия стекла, - 2010. - Т. 36, №2, - С. 148-193]. Он эффективен для уничтожения бактерий и вирусов для инактивации рака, при фоторасщеплении воды для производства водорода, для связывания азота, для очистки от нефтяных пятен и минерализации широкого круга органических соединений таких, как алканы, алифатические этиловые спирты, алифатические ароматические кислоты, фенолы, поверхностно-активные вещества и пестициды, а также для редуктивного осаждения из водного раствора тяжелых металлов.Semiconductor photochemical catalysis is used to solve a number of environmental problems [Shapovalov V.I. Nanopowders and films of titanium oxide for photocatalysis: Overview // Physics and chemistry of glass, - 2010. - T. 36, No. 2, - S. 148-193]. It is effective for the destruction of bacteria and viruses for the inactivation of cancer, for the photodisintegration of water for the production of hydrogen, for the binding of nitrogen, for the removal of oil stains and the mineralization of a wide range of organic compounds such as alkanes, aliphatic ethyl alcohols, aliphatic aromatic acids, phenols, surface active substances and pesticides, as well as for reductive deposition from an aqueous solution of heavy metals.
В настоящее время установлено, что наиболее эффективным материалом для фотокатализа является диоксид титана TiO2 [Патент РФ 2447190, МПК С23С 14/35].It has now been established that the most effective material for photocatalysis is titanium dioxide TiO 2 [RF Patent 2447190, IPC С23С 14/35].
Кроме этого установлено, что действенным способом увеличения фотокаталитических свойств TiO2 является создание на его основе композита [Gracia F., Holgado J. P., Caballero A., Gonzalez-Elipe A. R. Structural, optical and photoelectrochemical properties of Mn+-TiO2 model thin film // J. Phys. Chem. В 2004. V. 108. N. 45. P. 17466-17476.]. Такой композит, содержащий TiO2 и несколько процентов оксида, например, железа обычно рассматривают как твердый раствор замещения двух оксидов с химическим составом FexTi(1-x)O2. Наиболее часто композиты изготавливают в виде пленок. Если для фотовозбуждения носителей заряда в пленке TiO2 нужен искусственный источник УФ излучения, то для пленки FexTi(1-x)O2 достаточно использовать естественный солнечный свет. Это связано со смещением ее края фундаментального поглощения в длинноволновую область (фиг. 2).In addition, it was found that an effective way to increase the photocatalytic properties of TiO 2 is to create a composite [Gracia F., Holgado JP, Caballero A., Gonzalez-Elipe AR Structural, optical and photoelectrochemical properties of Mn + -TiO 2 model thin film / / J. Phys. Chem. In 2004. V. 108. N. 45. P. 17466-17476.]. Such a composite containing TiO 2 and several percent oxide, for example, iron, is usually considered as a solid substitution solution of two oxides with the chemical composition Fe x Ti (1-x) O 2 . Most often, composites are made in the form of films. If for the photoexcitation of charge carriers in a TiO 2 film, an artificial source of UV radiation is needed, then for the Fe x Ti (1-x) O 2 film, it is sufficient to use natural sunlight. This is due to the shift of its fundamental absorption edge to the long-wavelength region (Fig. 2).
Синтез пленок оксидов выполняют с помощью множества химических и физических методов. Наиболее популярны методы реактивного магнетронного распыления. Типичный плоский магнетронный источник содержит распылительный блок, содержащий мишень, магнитную систему, корпус и систему охлаждения. Известны магнетронные источники, предназначенные для синтеза композиционных пленок [Патент РФ 2371514, С23С 14/35; патент США №2371514, С23С 14/34]. Они содержат два планарных магнетрона, расположенные рядом друг с другом в одной плоскости, и имеют мишени, изготовленные из разных материалов. Между магнетронами помещен магнитный шунт, выполненный из магнитной стали, который перераспределяет магнитные поля, связывая магнетроны между собой. Магнетроны подключены к системе питания с изменяемой полярностью. Когда на магнетроны подается отрицательный потенциал, происходит распыление мишени ионами рабочего газа, а когда положительный - плазменные электроны высаживаются на поверхность и разряжают диэлектрическую пленку, очищая катод.The synthesis of oxide films is carried out using a variety of chemical and physical methods. The most popular methods are reactive magnetron sputtering. A typical planar magnetron source comprises a spray unit containing a target, a magnetic system, a housing, and a cooling system. Known magnetron sources for the synthesis of composite films [RF Patent 2371514, C23C 14/35; US patent No. 2371514, C23C 14/34]. They contain two planar magnetrons located next to each other in the same plane, and have targets made of different materials. Between the magnetrons is placed a magnetic shunt made of magnetic steel, which redistributes the magnetic fields, linking the magnetrons to each other. Magnetrons are connected to a power system with a changeable polarity. When a negative potential is applied to magnetrons, the target is sputtered by ions of the working gas, and when positive, plasma electrons are deposited on the surface and discharge the dielectric film, cleaning the cathode.
Общим недостатком этих магнетронов является трудность обеспечения заданного состава при осаждении фотокаталитической пленки в виде твердого раствора из двух оксидов. Этот недостаток обусловлен сложностью конструкции магнетрона и сложностью электрического питания с изменяемой полярностью. Кроме этого такие магнетроны позволяют получить однородность пленок по площади подложки не более 80%. Однородность определяют как отношение, выраженное в процентах, наименьшего значения по площади подложки стехиометрического коэффициента х в химической формуле FexTi1-xO2 к наибольшему.A common drawback of these magnetrons is the difficulty of providing a given composition during the deposition of a photocatalytic film in the form of a solid solution of two oxides. This disadvantage is due to the complexity of the design of the magnetron and the complexity of the electrical power with variable polarity. In addition, such magnetrons make it possible to obtain film uniformity over the substrate area of not more than 80%. Homogeneity is defined as the ratio, expressed as a percentage, of the smallest value over the substrate area of the stoichiometric coefficient x in the chemical formula Fe x Ti 1-x O 2 to the largest.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков, является мишень магнетрона, описанного в патенте, взятым за прототип [RU 121812 U1, 10.11.2012].Closest to the claimed invention in terms of essential features, is the target of the magnetron described in the patent, taken as a prototype [RU 121812 U1, 10.11.2012].
В патенте предлагается магнетрон, который содержит одиночную охлаждаемую водой мишень. Данное устройство, может быть использовано для осаждения пленок в виде одиночного оксида или нитрида, соответственно.The patent proposes a magnetron that contains a single water-cooled target. This device can be used to deposit films in the form of a single oxide or nitride, respectively.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности осаждать однородные по химическому составу пленки твердого раствора из двух оксидов по всей площади подложки.The disadvantage of the prototype is the lack of the ability to precipitate uniform in chemical composition of the film of a solid solution of two oxides over the entire area of the substrate.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание распылительного блока магнетрона, позволяющего увеличить однородность по химическому составу пленок по всей площади подложки.The problem to which the invention is directed is to create a magnetron spraying unit, which allows to increase the uniformity in the chemical composition of the films over the entire area of the substrate.
Данная задача решается за счет того, что распылительный блок магнетрона для осаждения пленок твердых растворов FexTi(1-x)O2 в диапазоне 0<х<0.6, содержит мишень, так же, как в известном устройстве. Но в отличие от него предлагаемое устройство снабжено охлаждающей пластиной, причем мишень и охлаждающая пластина размещены в реактивной среде, состоящей из плазмообразующего газа в виде аргона и химически активного газа в виде кислорода, а мишень жестко прикреплена к охлаждающей пластине и выполнена в виде двух металлических пластин, параллельных друг другу и расположенных на одной оси с охлаждающей пластиной, причем внутренняя пластина выполнена из железа, а внешняя - из титана, при этом титановая пластина выполнена с прорезями в кольцевой зоне эрозии, расположенными симметрично относительно центра мишени.This problem is solved due to the fact that the magnetron sputtering block for the deposition of films of solid solutions Fe x Ti (1-x) O 2 in the
Достигаемым техническим результатом является увеличение однородности пленок твердых растворов из двух оксидов по всей площади подложки.Achievable technical result is an increase in the uniformity of the films of solid solutions of two oxides over the entire area of the substrate.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
фиг. 1 - конструкция распылительного блока;FIG. 1 - design of the spray unit;
фиг. 2 - оптические спектры пропускания композиционной пленки FexTi(1-x)O2;FIG. 2 - optical transmission spectra of a composite film Fe x Ti (1-x) O 2 ;
фиг. 3 - зависимость химического состава пленки FexTi(1-x)O2 от суммарной площади прорезей.FIG. 3 - dependence of the chemical composition of the film Fe x Ti (1-x) O 2 from the total area of the slots.
Рассмотрим пример выполнения распылительного блока магнетрона (фиг.1). Предлагаемое изобретение было реализовано на базе цилиндрического сбалансированного магнетрона с мишенью диаметром 130 мм, на котором авторы выполняли эксперименты. Распылительный блок содержит на одной оси охлаждающую пластину 1 толщиною 4 мм и мишень. Мишень состоит из двух пластин: внутренняя 2 изготовлена из Fe, внешняя 3 - из Ti. Толщина каждой равна 1 мм. Вся конструкция жестко скреплена с помощью болтов 4. Зона эрозии 5 титановой 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 s2 задает площадь зоны эрозии железной пластины 7. Для титановой пластины площадь аналогичной области равна s1=s-s2. Величина s2 является параметром устройства, который влияет на химический состав пленки.Consider an example of the implementation of the spray unit of the magnetron (figure 1). The present invention was implemented on the basis of a cylindrical balanced magnetron with a target with a diameter of 130 mm, on which the authors performed experiments. The spray block contains on one axis a
Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Распыление мишени происходит в реактивной среде Ar+O2 (Ar - плазмообразующий газ, O2 - химически активный газ) при суммарном давлении 2-8 мТорр. Управляя плотностью тока и расходом кислорода, мишень переводят в оксидный режим работы, при котором поверхность обеих пластин покрыта соответствующим оксидом. Ионы аргона, образующиеся в разряде, бомбардируют поверхности обеих пластин мишени, распыляя поверхностные молекулы оксидов.The device operates as follows (see figure 1). Sputtering of the target occurs in a reactive medium Ar + O 2 (Ar is a plasma-forming gas, O 2 is a chemically active gas) at a total pressure of 2-8 mTorr. By controlling the current density and oxygen flow, the target is transferred to the oxide mode of operation, in which the surface of both plates is coated with the corresponding oxide. Argon ions formed in the discharge bombard the surfaces of both target plates by sputtering surface oxide molecules.
Внутренняя пластина 2 распыляется ионами, которые бомбардируют его через прорези 6 в титановой мишени, создавая область эрозии 7. В результате за счет симметричного расположения прорезей возникают осесимметричные потоки двух оксидов, которые в газовой среде перемешиваются, создавая суммарный поток с однородным распределением молекул в сечениях на расстоянии более 40-60 мм от мишени. Причем соотношение между концентрацией молекул двух оксидов задает суммарная площадь прорезей: при ее увеличении в суммарном потоке возрастает доля молекул оксида железа. Таким образом, на подложку осаждается однородная пленка в виде твердого раствора из двух оксидов. Химическим составом этого раствора можно управлять, варьируя суммарную площадь прорезей 6.The
Таким образом, предлагаемая конструкция распылительного блока магнетрона позволяет получать пленки твердых растворов оксидов с однородным химическим составом по всей площади.Thus, the proposed design of the magnetron spraying unit allows to obtain films of solid solutions of oxides with a uniform chemical composition over the entire area.
Устройство было использовано для осаждения на стекло пленок с химическим составом FexTi(1-x)O2. Для экспериментов была изготовлена партия титановых пластин с отверстиями, имеющими суммарную площадь s2=4, 8, 12 и 16 см2. С помощью каждой из них были получены образцы пленок. Для определения однородности были использованы оптические измерения. Химический состав определяли с помощь вторично-ионной масс-спектрометрии. Однородность пленок по площади подложки в образцах была не ниже 95%, что доказывает достижение технического результата. Экспериментальные зависимости стехиометрического коэффициента x в формуле FexTi(1-x)O2 от площади прорезей s2 представлены на фиг. 3.The device was used to deposit films with the chemical composition Fe x Ti (1-x) O 2 on glass. For experiments, a batch of titanium plates with holes having a total area of s 2 = 4, 8, 12, and 16 cm 2 was made . Using each of them, film samples were obtained. Optical measurements were used to determine uniformity. The chemical composition was determined using secondary ion mass spectrometry. The uniformity of the films over the substrate area in the samples was not lower than 95%, which proves the achievement of the technical result. The experimental dependences of the stoichiometric coefficient x in the formula Fe x Ti (1-x) O 2 on the area of slots s 2 are shown in FIG. 3.
Зависимости на фиг.3 доказывают, что заявляемое устройство позволяет осаждать фотокаталитические пленки в виде твердого раствора из двух оксидов с заданным химическим составом. Управление химическим составом обеспечено в диапазоне 0<х<0.6 изменением суммарной площади прорезей.The dependences in Fig. 3 prove that the inventive device allows the photocatalytic films to be deposited in the form of a solid solution of two oxides with a given chemical composition. The chemical composition is controlled in the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130488A RU2664009C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Magnetron spraying unit for depositing the films of solid solutions fexti(1-x)o2 within the range of 0<x<0_6 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130488A RU2664009C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Magnetron spraying unit for depositing the films of solid solutions fexti(1-x)o2 within the range of 0<x<0_6 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2664009C1 true RU2664009C1 (en) | 2018-08-14 |
Family
ID=63177434
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017130488A RU2664009C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Magnetron spraying unit for depositing the films of solid solutions fexti(1-x)o2 within the range of 0<x<0_6 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2664009C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU207556U1 (en) * | 2021-08-10 | 2021-11-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») | Sputtered magnetron assembly for deposition of a FexNi1-x binary alloy film in the range 0.23 <x <0.27 |
RU2794659C1 (en) * | 2023-01-23 | 2023-04-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" | Method for producing photocatalytic titanium oxide films and device for its implementation |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1986006416A1 (en) * | 1985-05-02 | 1986-11-06 | Hewlett-Packard Company | Method and target for sputter depositing thin films |
RU2026418C1 (en) * | 1991-06-24 | 1995-01-09 | Минский радиотехнический институт | Apparatus for application of coatings in vacuum |
RU2210620C1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-08-20 | Ширяев Сергей Аркадьевич | Process of ion-plasma deposition of multicomponent film coats , mosaic target for its implementation and process of manufacture of target |
RU121812U1 (en) * | 2012-07-02 | 2012-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" | CATHODE-SPRAY ASSEMBLY OF MAGNETRON (OPTIONS) |
-
2017
- 2017-08-28 RU RU2017130488A patent/RU2664009C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1986006416A1 (en) * | 1985-05-02 | 1986-11-06 | Hewlett-Packard Company | Method and target for sputter depositing thin films |
RU2026418C1 (en) * | 1991-06-24 | 1995-01-09 | Минский радиотехнический институт | Apparatus for application of coatings in vacuum |
RU2210620C1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-08-20 | Ширяев Сергей Аркадьевич | Process of ion-plasma deposition of multicomponent film coats , mosaic target for its implementation and process of manufacture of target |
RU121812U1 (en) * | 2012-07-02 | 2012-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" | CATHODE-SPRAY ASSEMBLY OF MAGNETRON (OPTIONS) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU207556U1 (en) * | 2021-08-10 | 2021-11-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») | Sputtered magnetron assembly for deposition of a FexNi1-x binary alloy film in the range 0.23 <x <0.27 |
RU2794659C1 (en) * | 2023-01-23 | 2023-04-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" | Method for producing photocatalytic titanium oxide films and device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bräuer et al. | Magnetron sputtering–Milestones of 30 years | |
Suda et al. | Preparation of high quality nitrogen doped TiO2 thin film as a photocatalyst using a pulsed laser deposition method | |
Konstantinidis et al. | Titanium oxide thin films deposited by high-power impulse magnetron sputtering | |
US10056237B2 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
CA2846177A1 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
Cemin et al. | Low-energy ion irradiation in HiPIMS to enable anatase TiO2 selective growth | |
Ratova et al. | Photocatalytic visible-light active bismuth tungstate coatings deposited by reactive magnetron sputtering | |
Biederman et al. | Nanocomposite and nanostructured films with plasma polymer matrix | |
WO2013018192A1 (en) | Method for forming silicon carbide thin film | |
Surpi et al. | HiPIMS deposition of TiOx in an industrial-scale apparatus: Effects of target size and deposition geometry on hysteresis | |
RU2664009C1 (en) | Magnetron spraying unit for depositing the films of solid solutions fexti(1-x)o2 within the range of 0<x<0_6 | |
Li et al. | Facilitating complex thin film deposition by using magnetron sputtering: a review | |
Sarra-Bournet et al. | Low temperature growth of nanocrystalline TiO2 films with Ar/O2 low-field helicon plasma | |
RU2578336C2 (en) | Perfected procedure of combined spraying of alloys and compounds with application of dual c-mag cathode structure and appropriate unit | |
Šícha et al. | Ion flux characteristics in pulsed dual magnetron discharges used for deposition of photoactive TiO2 films | |
Sirghi | Plasma synthesis of photocatalytic TiOx thin films | |
Chodun et al. | Reactive sputtering of titanium compounds using the magnetron system with a grounded cathode | |
Dave et al. | Synthesis of visible spectrum-active TiO2 thin film induced by RF magnetron sputtering | |
Lecoq et al. | Elaboration of a wide range of TiO2 micro/nanostructures by high power impulse inverted cylindrical magnetron sputtering | |
Ratova et al. | HiPIMS deposition of tungsten-doped titania coatings for photocatalytic applications | |
RU2316613C1 (en) | Zinc oxide films deposition method | |
Vlček et al. | Detailed pathway for a fast low-temperature synthesis of strongly thermochromic W-doped VO2 films with a low transition temperature | |
De Araújo et al. | Deposition of TiO2 on silicon by sputtering in hollow cathode | |
Boivin et al. | Towards control of TiO2 thickness film in R-HiPIMS process with a coupled optical and electrical monitoring of plasma | |
RU2747487C2 (en) | Magnetron sputtering device |