RU2784453C1 - METHOD FOR OBTAINING A FILM OF PERMALLOY NITRIDE FeXNi1-XN - Google Patents

METHOD FOR OBTAINING A FILM OF PERMALLOY NITRIDE FeXNi1-XN Download PDF

Info

Publication number
RU2784453C1
RU2784453C1 RU2022109242A RU2022109242A RU2784453C1 RU 2784453 C1 RU2784453 C1 RU 2784453C1 RU 2022109242 A RU2022109242 A RU 2022109242A RU 2022109242 A RU2022109242 A RU 2022109242A RU 2784453 C1 RU2784453 C1 RU 2784453C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
target
range
nitride
vacuum chamber
Prior art date
Application number
RU2022109242A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Иванович Шаповалов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2784453C1 publication Critical patent/RU2784453C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: magnetic films production.
SUBSTANCE: invention relates to a method for producing magnetic films used in spintronics and magnonics devices. The method for obtaining a film of permalloy nitride FexNi1-xN, with 0.23≤x≤0.27, includes deposition of the said film on the substrate by the method for reactive magnetron sputtering of the target. A target consisting of two plates is used. A magnetron is installed in the vacuum chamber, on the body of which the inner target plate of iron and the outer target plate of nickel are rigidly fixed with slots in the form of holes with a total area in the range (0.95-1.71)⋅10-3 m2, and fixed substrate with ensuring the distance to the target in the range (33-38)⋅10-3 m. The vacuum chamber is evacuated to a residual pressure of (1-5)⋅10-6 Torr, the plasma-forming argon gas is introduced to ensure pressure in the vacuum chamber (3–6)⋅10-3 Torr. Then, a nitrogen flow is introduced into the vacuum chamber at a rate in the range of 3–10 cm3/min and the magnetron discharge current density is provided in the range (350–700) A/m2 for reactive magnetron sputtering with argon ions of iron and nickel nitrides formed on iron and nickel plates at a temperature of the said plates, which is 1800-2000 K.
EFFECT: obtaining on the substrate a film of permalloy nitride Fe x Ni1– x N, which has a coercive force of less than 1 Oe.
1 cl, 9 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам получения на произвольной подложке методом реактивного магнетронного распыления магнитных пленок, применяемых в устройствах спинтроники и магноники. Эти способы содержит последовательность действий, основным из которых является непосредственно осаждение пленок при работе магнетрона. The invention relates to methods for producing magnetic films on an arbitrary substrate by reactive magnetron sputtering, used in spintronics and magnonics devices. These methods contain a sequence of actions, the main of which is the direct deposition of films during the operation of the magnetron.

Пленки нитрида железа (Fe–N) привлекали большое внимание из-за их превосходных магнитных свойств и способности улучшать поверхностную твердость и износостойкость для применения в магнитных устройствах [N. Pandey, M. Gupta, R. Rawat et al., Phys. B: Cond. Matter. 572 (2019) 36-41]. Однако они обладали плохой термической стабильностью, которая приводила к исчезновению высоких магнитных свойств при повышении температуры. Добавление третьего элемента в Fe–N с образованием бинарных твердых растворов нитридов, например, Fe–Me–N (где М – атом переходного металла) позволило решить эту проблему [L. L. Wang, W. T. Zheng, T. An et al., J. Alloys Comp. 495 (2010) 265–267]. Среди подобных пленок большой интерес вызывал нитрид пермаллоя Fe x Ni1– x N, обладающий высокими магнитными свойствами [R. Loloe, J. Appl. Phys. 112 (2012) 023902]. В некоторых публикациях указано на то, что минимальной коэрцитивной силой H c < 1 Э обладают пленки нитрида пермаллоя Fe x Ni1– x N при 0.23 < x < 0.27 толщиною более 200 нм.Iron nitride (Fe–N) films have attracted much attention due to their excellent magnetic properties and ability to improve surface hardness and wear resistance for magnetic device applications [N. Pandey, M. Gupta, R. Rawat et al., Phys. B: Cond. Matter. 572 (2019) 36-41]. However, they had poor thermal stability, which led to the disappearance of high magnetic properties with increasing temperature. The addition of a third element to Fe–N with the formation of binary solid solutions of nitrides, for example, Fe–Me–N (where M is a transition metal atom) made it possible to solve this problem [LL Wang, WT Zheng, T. An et al., J. Alloys Comp. 495 (2010) 265–267]. Among such films, permalloy nitride Fe x Ni 1– xN , which has high magnetic properties, was of great interest [R. Loloe, J. Appl. Phys. 112 (2012) 023902]. Some publications indicate that permalloy nitride films Fe x Ni 1– xN at 0.23 < x < 0.27 with a thickness of more than 200 nm have the minimum coercive force H c < 1 Oe.

Известны способы получения пленок бинарных твердых растворов нитридов, основанные на реактивном магнетронном распылении. Осаждение пленок нитридов с помощью магнетронных систем заключается в распылении необходимых металлов в смеси аргона и азота при пониженном давлении. Распыление осуществляется ионами инертного газа, образующимися в аномальном тлеющем разряде при наложении на него скрещенных электрического и магнитного полей. Known methods for producing films of binary solid solutions of nitrides based on reactive magnetron sputtering. The deposition of nitride films using magnetron systems consists in sputtering the necessary metals in a mixture of argon and nitrogen at reduced pressure. Sputtering is carried out by inert gas ions formed in an anomalous glow discharge when crossed electric and magnetic fields are applied to it.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ, который изложен в работе [X. F. Wang, P. Wu, X. L. Li, et al., J. Magn. Magn. Mater. 312 (2007) 147–152]. В этой работе непосредственно для осаждения пленок использовано реактивное магнетронное распыление мишени в смеси аргона и азота. The closest in technical essence to the claimed solution is the method described in [X. F. Wang, P. Wu, X. L. Li, et al., J. Magn. Magn. mater. 312 (2007) 147–152]. In this work, reactive magnetron sputtering of a target in a mixture of argon and nitrogen was used directly for film deposition.

Способ заключается в том, что в вакуумной камере, где установлен магнетрон, на предметном столе закрепляют подложки. Мишень представляет собой пластину из железа, на поверхности которой закреплены пластинки из никеля. Химически состав пленки определяется суммарной площадью этих пластинок. Далее камеру закрывают и откачивают, создавая в ней высокий вакуум. Затем в камеру вводят плазмообразующий газ аргон и доводят его давление до рабочего значения. На следующем шаге в камеру вводят азот. Далее к магнетрону подключают источник постоянного тока. После возникновения разряда ток доводят до рабочего значения и устанавливают парциальное давление азота на уровне 5 – 10 % от общего давления газовой смеси Ar + N2. Непосредственно процесс осаждения проводят в течение заданного интервала времени, который позволяет сформировать пленку заданной толщины, имеющей необходимые магнитные свойства. Затем магнетрон выключают и образцы после выдержки примерно в течение одного часа в вакууме извлекают из камеры.The method consists in the fact that in the vacuum chamber where the magnetron is installed, the substrates are fixed on the object table. The target is an iron plate, on the surface of which nickel plates are fixed. The chemical composition of the film is determined by the total area of these plates. Next, the chamber is closed and pumped out, creating a high vacuum in it. Then the plasma-forming gas argon is introduced into the chamber and its pressure is brought to the working value. In the next step, nitrogen is introduced into the chamber. Next, a DC source is connected to the magnetron. After the onset of the discharge, the current is brought to the operating value and the partial pressure of nitrogen is set at the level of 5–10% of the total pressure of the Ar + N 2 gas mixture. The deposition process itself is carried out for a predetermined time interval, which makes it possible to form a film of a predetermined thickness having the necessary magnetic properties. Then the magnetron is turned off and the samples, after exposure for about one hour in a vacuum, are removed from the chamber.

Способ, который реализован в прототипе, имеет ряд недостатков:The method implemented in the prototype has a number of disadvantages:

• получаемые пленки имеют нестабильную однородность по химическому составу, отличающуюся изменением стехиометрического коэффициента x в формуле Fe x Ni1– x N в течение осаждения;• the obtained films have unstable uniformity in chemical composition, characterized by a change in the stoichiometric coefficient x in the formula Fe x Ni 1– x N during deposition;

• равномерность пленок по толщине не превышает значения 0.95. • film thickness uniformity does not exceed 0.95.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа получения на произвольной подложке пленки нитрида пермаллоя Fe x Ni1– x N, обладающей коэрцитивной силой менее 1 Э, что достигается при стабильно однородном химическом составе в диапазоне 0.23 x 0.27 и высокой относительной равномерности, которая не должна выходить за пределы интервала 0.99 ≤ L l /L 0 ≤ 1.01. Здесь L l – толщина пленки в самой удаленной от центра точке на краю подложки, L 0 – толщина пленки в центре подложки.The problem to be solved by the invention is to create a method for obtaining on an arbitrary substrate a film of permalloy nitride Fe x Ni 1– x N, which has a coercive force of less than 1 Oe, which is achieved with a stably homogeneous chemical composition in the range of 0.23 x 0.27 and a high relative uniformity, which should not go beyond the interval 0.99 ≤ L l / L 0 ≤ 1.01. Here L l is the film thickness at the point on the edge of the substrate furthest from the center, and L 0 is the film thickness at the center of the substrate.

Поставленная задача решается за счет того, что в отличие от известного способа получения пленки нитрида пермаллоя, включающем ее осаждение на произвольную подложку в газовой смеси аргона и азота методом реактивного магнетронного распыления мишени, изготовленной из железа и никеля, в предлагаемом способе мишень выполнена из двух пластин, работающих в горячем режиме, внутренняя из них изготовлена из железа, а во внешней из никеля выполнены прорези в форме отверстий с суммарной площадью в диапазоне (0.95 – 1.71)⋅10–3 м2 и расположенной на расстоянии от мишени до подложки в диапазоне (33 – 38)⋅10–3 м при значении плотности тока в диапазоне (350 – 700) А/м2.The problem is solved due to the fact that, unlike the known method for obtaining a permalloy nitride film, which includes its deposition on an arbitrary substrate in a gas mixture of argon and nitrogen by reactive magnetron sputtering of a target made of iron and nickel, in the proposed method the target is made of two plates operating in hot mode, the inner one is made of iron, and the outer one is made of nickel with slots in the form of holes with a total area in the range (0.95 – 1.71)⋅10 –3 m 2 and located at a distance from the target to the substrate in the range ( 33 - 38)⋅10 -3 m at a current density value in the range (350 - 700) A / m 2 .

Достигаемым техническим результатом является создание способа получения на произвольной подложке пленки нитрида пермаллоя Fe x Ni1– x N, обладающей коэрцитивной силой менее 1 Э, что достигается при стабильно однородном химическом составе в диапазоне 0.23 x 0.27 и высокой относительной равномерности, которая не должна выходить за пределы интервала 0.99 ≤ L l /L 0 ≤ 1.01.The achieved technical result is the creation of a method for obtaining on an arbitrary substrate a film of permalloy nitride Fe x Ni 1– x N, which has a coercive force of less than 1 Oe, which is achieved with a stably homogeneous chemical composition in the range of 0.23 x 0.27 and high relative uniformity, which should not go beyond the interval 0.99 ≤ L l / L 0 ≤ 1.01.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The essence of the invention is illustrated by drawings:

фиг. 1 конструкция мишени; fig. 1 target design;

фиг. 2 зависимости температуры внешней T Ni и внутренней T Fe пластин от плотности тока; fig. 2 temperature dependences of external T Ni and internal T Fe plates on current density;

фиг. 3 зависимости потоков нитрида железа Q FeNsp, Q FNeev и Q FeNtot от плотности тока при α = s 2/s = 0.5; fig. 3- dependences of iron nitride fluxesQ FeNsp,Q FNeev andQ FeNtot on the current density at α =s 2/s = 0.5;

фиг. 4 зависимости потоков нитрида никеля Q NiNsp, Q NiNev и Q NiNtot от плотности тока при α = s 2/s = 0.5; fig. four- nickel nitride flux dependenciesQ NiNsp,Q NiNev andQ NiNtot on the current density at α =s 2/s = 0.5;

фиг. 5 – зависимости стехиометрического коэффициента x в пленке Fe x Ni1– x N от площади прорезей s 2 и плотности тока;fig. 5 – dependences of the stoichiometric coefficient x in the Fe x Ni 1– x N film on the area of the slits s 2 and the current density;

фиг. 6 – область на плоскости независимых переменных js 2, которая соответствует осаждению стабильно однородных по химическому составу пленок Fe x Ni1– x N при 0.23 x 0.27. Штриховая линия соединяет точки режимов, при которых осаждается стабильно однородная пленка состава Fe0.25Ni0.75N. Значениям j = 525 А/м2 и s 2 = 0.00133 м2 соответствует центр области, отмеченный точкой;fig. 6 – area on the plane of independent variables js 2 , which corresponds to the deposition of Fe x Ni 1 x N films with stable chemical composition at 0.23 x 0.27. The dashed line connects the points of regimes at which a stably homogeneous film of composition Fe 0.25 Ni 0.75 N is deposited.

фиг. 7 – зависимость коэрцитивной силы H c от толщины пленки L;fig. 7 - dependence of the coercive force H c on the film thickness L ;

фиг. 8 – зависимость коэрцитивной силы H c от времени осаждения t;fig. 8 – dependence of the coercive force H c on the deposition time t ;

фиг. 9 – зависимости относительной равномерности пленки от геометрических факторов.fig. 9 - dependences of the relative uniformity of the film on geometric factors.

В предлагаемом решении технический результат достигается тем, что для реализации способа получения пленки нитрида пермаллоя создана специализированная система реактивного распыления. Она включает вакуумную систему с камерой, на которой закреплен магнетрон с мишенью, состоящей из двух пластин, жестко закрепленных на корпусе магнетрона и работающих в горячем режиме. Внутренняя пластина изготовлена из железа, внешняя – из никеля и в ней сделаны прорези в форме отверстий, через которые распыляется внутренняя пластина. В вакуумную камеру предусмотрен ввод газовой смеси Ar + N2, необходимой для получения пленки нитрида методом реактивного магнетронного распыления. Кроме этого предусмотрено, что остаточное давление в камере может быть доведено до (1–5)⋅10–6 Торр; парциальное давление аргона может быть установлено в диапазоне (3–6)⋅10–3 Торр; плотность тока разряда магнетрона может быть установлена в диапазоне (350–700) А/м2, поток азота, вводимый в камеру, можно изменять в диапазоне (3–10) см3/мин; стабильно однородная по химическому составу пленка с высокой равномерностью по толщине может быть получена за счет выбора независимых параметров системы распыления, к которым относятся плотность тока разряда, площадь прорезей во внешней пластине и расстояние между мишенью и подложкой. In the proposed solution, the technical result is achieved by the fact that a specialized reactive sputtering system has been created to implement the method for producing a permalloy nitride film. It includes a vacuum system with a chamber on which a magnetron is fixed with a target consisting of two plates rigidly fixed on the magnetron housing and operating in a hot mode. The inner plate is made of iron, the outer plate is made of nickel and has slots in the form of holes through which the inner plate is sprayed. The vacuum chamber is provided with the input of the gas mixture Ar + N 2 necessary to obtain a nitride film by reactive magnetron sputtering. In addition, it is provided that the residual pressure in the chamber can be increased to (1–5) ⋅10–6 Torr; the partial pressure of argon can be set in the range (3–6) ⋅10–3 Torr; the magnetron discharge current density can be set in the range (350–700) A/ m2 , the nitrogen flow introduced into the chamber can be changed in the range (3–10) cm3 /min; A film that is stably uniform in chemical composition and highly uniform in thickness can be obtained by choosing independent parameters of the sputtering system, which include the discharge current density, the area of slots in the outer plate, and the distance between the target and the substrate.

Изобретение базируется на следующих физических явлениях:The invention is based on the following physical phenomena:

• магнетронное распыление происходит при работе обеих пластин в мишени в горячем режиме, при котором их температура может быть доведена до 1800–2000 К, поэтому на процесс осаждения могут влиять испарение пластин и термоэлектронная эмиссия;• magnetron sputtering occurs when both plates are in the target in a hot mode, in which their temperature can be brought up to 1800–2000 K, so the deposition process can be affected by plate evaporation and thermionic emission;

• в самом общем случае при работе магнетрона на поверхности каждой пластины конкурируют процессы формирования пленки нитрида и ее удаление за счет распыления и испарения;• in the most general case, during the operation of the magnetron on the surface of each plate, the processes of formation of a nitride film and its removal due to sputtering and evaporation compete;

• при осаждении пленки обе пластины должны стационарно работать в нитридном режиме, при котором их поверхности покрыты соответствующим нитридом (железа или никеля). Этот режим для каждой из них возникает при совокупности значений основных независимых параметров процесса осаждения, которые обеспечивают более высокую скорость роста пленки на ее поверхности;• during film deposition, both plates must operate stationary in the nitride mode, in which their surfaces are coated with the corresponding nitride (iron or nickel). This mode for each of them arises at a set of values of the main independent parameters of the deposition process, which provide a higher film growth rate on its surface;

• пленка нитрида пермаллоя на подложке формируется за счет потоков нитридов железа и никеля, которые ионы аргона распыляют с поверхности соответствующих мишеней;• a permalloy nitride film on the substrate is formed due to flows of iron and nickel nitrides, which are sputtered by argon ions from the surface of the corresponding targets;

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В вакуумной камере с установленным магнетроном, на предметном столе закрепляют подложки из заданного материала. Он удален от мишени на заданное расстояние h. Мишень содержит внутреннюю пластину из железа и внешнюю из никеля, работающие в горячем режиме. При этом прорези во внешней мишени могут иметь суммарную площадь в диапазоне (0.008–0.0018) м2. Далее камеру закрывают и откачивают, создавая в ней высокий вакуум с остаточным давлением (0.5–1.0)⋅10–5 Торр. Затем в камеру вводят плазмообразующий газ аргон и доводят его давление до рабочего значения (3–5)⋅10–3 Торр. На следующем шаге в камеру вводят азот и устанавливают его поток в диапазоне 4–6 см3/мин. Далее к магнетрону подключают источник постоянного тока. После возникновения разряда плотность тока разряда магнетрона доводят до рабочего значения в диапазоне (300–800) А/м2. Процесс осаждения проводят в течение заданного интервала времени, который позволяет сформировать пленку заданной толщины, имеющей необходимые магнитные свойства. После этого магнетрон выключают и после выдержки в течение примерно одного часа в вакууме образцы извлекают из камеры.The proposed method is carried out as follows. In a vacuum chamber with an installed magnetron, substrates of a given material are fixed on the object table. It is removed from the target at a given distance h . The target contains an inner plate made of iron and an outer plate made of nickel, operating in a hot mode. In this case, cuts in the outer target can have a total area in the range (0.008–0.0018) m2 . Next, the chamber is closed and pumped out, creating a high vacuum in it with a residual pressure of (0.5–1.0) ⋅10–5 Torr. Then the plasma-forming gas argon is introduced into the chamber and its pressure is brought to the working value (3–5) ⋅10–3 Torr. At the next step, nitrogen is introduced into the chamber and its flow is set in the range of 4–6 cm3/min. Next, a DC source is connected to the magnetron. After the discharge occurs, the magnetron discharge current density is adjusted to the operating value in the range (300–800) A/m 2 . The deposition process is carried out for a predetermined time interval, which makes it possible to form a film of a predetermined thickness having the required magnetic properties. After that, the magnetron is turned off and after exposure for about one hour in a vacuum, the samples are removed from the chamber.

Рассмотрим пример использования способа получения стабильно однородной по химическому составу и равномерной по толщине пленки нитрида пермаллоя Fe x Ni1– x N при 0.23 x 0.27. Пример основан на численном моделировании процесса. При моделировании использован цилиндрический сбалансированный магнетрона диаметром 130 мм. Распыляемый узел (фиг. 1) с помощью болтов закреплен на корпусе магнетрона 1, охлаждаемом проточной водой. Узел содержит на одной оси охлаждающую пластину 2 толщиною 4 мм и мишень, состоящая из двух пластин: внутренняя 3 изготовлена из Fe, внешняя 4 – из Ni. Толщина каждой равна 1 мм. Между пластинами установлены шайбы толщиною 1 мм, обеспечивающие зазор между ними. Такая конструкция обеспечивает отвод тепла от обеих пластин только за счет излучения и по элементам крепления. Зона эрозии 5 никелевой пластины имеет форму кольца с площадью s = 36 см2. Ее внешний радиус равен 3.9 см, внутренний – 1.9 см. В этой зоне выполнены прорези в форме отверстий 6, расположенные симметрично относительно центра мишени. 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 независимым параметром процесса, который влияет на скорость роста, химический состав пленки и ее равномерность по толщине.Let us consider an example of using the method of obtaining a film of permalloy nitride Fe x Ni 1– x N stably homogeneous in chemical composition and uniform in thickness at 0.23 x 0.27. The example is based on a numerical process simulation. In the simulation, a cylindrical balanced magnetron with a diameter of 130 mm was used. The sputtered assembly (Fig. 1) is bolted to the magnetron housing 1 cooled by running water. The unit contains on one axis a cooling plate 2 4 mm thick and a target consisting of two plates: the inner 3 is made of Fe, the outer 4 is made of Ni. The thickness of each is 1 mm. Washers 1 mm thick are installed between the plates, providing a gap between them. This design provides heat removal from both plates only due to radiation and through the fastening elements. The erosion zone 5 of the nickel plate has the shape of a ring with an area of s = 36 cm 2 . Its outer radius is 3.9 cm, and its inner radius is 1.9 cm. Slots in the form of holes 6 are made in this zone, located symmetrically with respect to the center of the target. The total area of the slots s 2 specifies the area of the erosion zone of the inner iron plate 7 . For a nickel plate, the area of a similar region is s 1 = s - s 2 . The value of s 2 is an independent process parameter that affects the growth rate, the chemical composition of the film, and its thickness uniformity.

Процесс осаждения пленки протекает следующим образом (см. фиг. 1). Устанавливая необходимые значения плотности тока разряда магнетрона и потока азота, обе пластины переводят в нитридный режим. При этом температуры пластин принимают значения T Fe и T Ni. Поверхности пластин становится источниками потоков нитридов, которые, осаждаясь на подложке, формируют пленку необходимого состава. Внутренняя пластина 3 через прорези 6 в никелевой пластине 4, имеющие площадь s 2, генерирует поток нитрида железа Q FeNtot, состоящий из испаренного Q FeNev и распыленного Q FeNsp компонентов. Внешняя пластина 4 генерирует поток нитрида никеля Q NiNtot, тоже состоящий из испаренного Q NiNev и распыленного Q NiNsp компонентов. The process of film deposition proceeds as follows (see Fig. 1). By setting the required values of the current density of the magnetron discharge and the flow of nitrogen, both plates are transferred to the nitride mode. In this case, the temperatures of the plates take on the values T Fe and T Ni . The surfaces of the plates become sources of nitride flows, which, deposited on the substrate, form a film of the required composition. The inner plate 3 through the slots 6 in the nickel plate 4 having an area s 2 generates a flow of iron nitride Q FeNtot consisting of evaporated Q FeNev and pulverized Q FeNsp components. The outer plate 4 generates a flow of nickel nitride Q NiNtot , also consisting of vaporized Q NiNev and sputtered Q NiNsp components.

Для определения величин Q FeNtot и Q NiNtot были использованы оценки температур обеих пластин в форме экспонент, приведенных на фиг. 2. Соотношение компонентов FeN и NiN в пленке Fe x Ni1– x N задает величина:To determine the values of Q FeNtot and Q NiNtot , the temperature estimates of both plates were used in the form of exponentials shown in Figs. 2. The ratio of the FeN and NiN components in the Fe x Ni 1– x N film sets the value:

Figure 00000001
.
Figure 00000001
. (1)(one)

Одновременно с этим каждый из компонентов в (1) известным образом зависит от величины s 2. Например, поток нитрида железа Q FeNtot, состоящий из двух компонентов, равен:At the same time, each of the components in (1) in a known way depends on the value of s 2 . For example, the flow of iron nitride Q FeNtot , consisting of two components, is equal to:

Figure 00000002
, с–1,
Figure 00000002
, s –1 , (2)(2)

где для нитрида железа: S FeN – коэффициент распыления; γFeN – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A FeN и B FeN – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m FeN – масса молекулы; k = 1.38 · 10–23 Дж/К – постоянная Больцмана; j – плотность тока разряда на мишени, А/м2; e = 1.6 · 10–19 Кл – заряд электрона. where for iron nitride:S FeN – spray coefficient; γFeN is the coefficient of ion-electron emission;A FeN andB FeN are constants that specify the pressure of saturated steam;m FeN is the mass of the molecule;k = 1.38 10-23 J/K is the Boltzmann constant;j is the discharge current density on the target, A/m2;e= 1.6 10-19 Cl is the electron charge.

Поток нитрида никеля Q NiNtot, тоже состоящий из двух компонентов, равенThe nickel nitride flux Q NiNtot , also consisting of two components, is equal to

Figure 00000003
, с–1,
Figure 00000003
, s –1 , (3)(3)

где для нитрида никеля: S NiN – коэффициент распыления; γNiN – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A NiN и B NiN – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m NiN – масса молекулы. where for nickel nitride:S NiN – spray coefficient; γNiN is the coefficient of ion-electron emission;A NiN andB NiN are constants that specify the pressure of saturated steam;m NiN is the mass of the molecule.

На фиг. 3 и 4 даны примеры зависимостей потоков FeN и NiN от плотности тока, которые получены при α = s 2/s = 0.5 с помощью выражений (2) и (3), соответственно. Из фиг. 3 и 4 видно, что существуют области, в которых влиянием процесса испарения каждой пластин можно пренебречь. Такие области будут существовать при любых значениях α. In FIG. Figures 3 and 4 give examples of the dependences of the FeN and NiN fluxes on the current density, which were obtained at α = s2/s = 0.5 using expressions ( 2 ) and (3), respectively. From FIG. 3 and 4, it can be seen that there are areas in which the effect of the evaporation process of each plate can be neglected. Such regions will exist for any values of α.

Выражения (1) – (3) были использованы для дальнейшего анализа. На фиг. 5 представлены зависимости x = f(s 2, j). Из него следует, что химическим составом пленки Fe x Ni1– x N можно однозначно управлять, варьируя плотность тока разряда и параметр s 2. Кроме кривых x = f(s 2, j) на фиг. 5 штриховыми линиями отмечены уровни составов Fe0.23Ni0.77N, и Fe0.27Ni0.73N. Точки пересечения линий x = f(s 2, j) с линиями x = 0.23 и x = 0.27 задали область на плоскости независимых переменных js 2, которая соответствует осаждению пленок Fe x Ni1– x N при 0.23 ≤ x ≤ 0.27 (см. сплошные линии на фиг. 6). По плотности тока j область ограничена значениями 350 и 700 А/м2. При j = 350 А/м2 площадь прорезей s 2 ограничена значениями 0.95 ⋅ 10–3 и 1.04 ⋅ 10–3. При j = 350 А/м2 – 1.6 ⋅ 10–3 и 1.71 ⋅ 10–3. Штриховая линия на фиг. 6 объединяет условия осаждения пленок Fe0.25Ni0.75N. Точкой при значениях j = 525 А/м2 и s 2 = 0.00137 м2 отмечен центр области. Expressions (1) - (3) were used for further analysis. In FIG. Figure 5 shows the dependencies x = f ( s 2 , j ). It follows from this that the chemical composition of the Fe x Ni 1– x N film can be uniquely controlled by varying the discharge current density and the parameter s 2 . In addition to the curves x = f ( s 2 , j ) in FIG. The dashed lines in Fig. 5 mark the composition levels of Fe 0.23 Ni 0.77N and Fe 0.27 Ni 0.73 N. The points of intersection of the x = f ( s 2 , j ) lines with the x = 0.23 and x = 0.27 lines set the region on the plane of the independent variables js 2 , which corresponds to the deposition of Fe x Ni 1– x N films at 0.23 ≤ x ≤ 0.27 (see solid lines in Fig. 6). The current density j region is limited by values of 350 and 700 A/m 2 . At j = 350 A/ m2 , the slot area s2 is limited to 0.95 ⋅ 10–3 and 1.04 ⋅ 10–3 . At j = 350 A/ m2 , 1.6 ⋅ 10–3 and 1.71 ⋅ 10–3 . The dashed line in Fig. 6 combines the conditions for the deposition of Fe 0.25 Ni 0.75 N films. The dot at j = 525 A/m 2 and s 2 = 0.00137 m 2 marks the center of the region .

Модель предлагаемого устройства была использована для оценки магнитных свойств пленок Fe0.25Ni0.75N. На фиг. 7 приведена зависимость коэрцитивной силы H c от толщины пленки L. Точки отражают эксперимент, сплошной линий показан результат аппроксимации в видеA model of the proposed device was used to evaluate the magnetic properties of Fe 0.25 Ni 0.75 N films. FIG. Figure 7 shows the dependence of the coercive force H c on the film thickness L . The dots represent the experiment, the solid line shows the result of the approximation in the form

Figure 00000004
, Э.
Figure 00000004
, E. (4)(four)

Из фиг. 7 следует, что коэрцитивная сила пленок при увеличении толщины уменьшается до асимптотического значения 0.17 Э. При скорости осаждения пленки, полученной численным моделированием процесса осаждения, равной 0.250 нм/с, как видно из фиг. 8, это значение достигается в течение примерно 10 мин.From FIG. It follows from Fig. 7 that the coercive force of the films decreases to an asymptotic value of 0.17 Oe with increasing thickness. 8, this value is reached within about 10 minutes.

Фиг. 9 отражает влияние геометрических факторов на равномерность пленки по толщине, которую задаем отношением L l / L 0, где толщину пленки L l в самой удаленной от центра точке на краю подложки задает выражение Fig. 9 reflects the effect of geometric factors on the uniformity of the film over the thickness, which is set by the ratio L l / L 0 , where the film thickness L l at the point farthest from the center on the edge of the substrate is given by the expression

Figure 00000005
,
Figure 00000005
, (4)(four)

M 0 = 4π(R 1 2R 2 2)J m t – масса вещества, осажденного на подложку; ρ – плотность материала пленки; h – расстояние между мишенью и подложкой; l – координата на подложке; R 1 – радиус внешней окружности зоны эрозии на внешней пластине; R 2 – радиус внутренней окружности зоны эрозии на внешней пластине.– Толщину пленки в центре подложки L 0 получим из (4) , подставив в него l = 0: M 0 = 4π( R 1 2R 2 2 ) J m t is the mass of the substance deposited on the substrate; ρ is the density of the film material; h is the distance between the target and the substrate; l is the coordinate on the substrate; R 1 is the radius of the outer circumference of the erosion zone on the outer plate; R 2 is the radius of the inner circle of the erosion zone on the outer plate. The film thickness at the center of the substrate L 0 is obtained from (4) by substituting l = 0 into it:

Figure 00000006
.
Figure 00000006
. (5)(5)

Штриховыми линиями на фиг. 9 указаны заданные границы равномерности 0.99 ≤ L l /L 0 ≤ 1.01 осаждаемых пленок. Наилучшая равномерность достигается при отношении R/h = 1.1. При внешнем радиусе распыляемой области рассматриваемого магнетрона 3.9 см это отношение приводит к расстоянию между мишенью и подложкой, равному 3.5 см. При бóльших расстояниях (R/h < 1.1) на подложке будет осаждаться выпуклая пленка, у которой в центре подложки будет максимальная толщина. При меньших расстояниях (R/h > 1.1) пленка будет вогнутой. Из фиг. 9 следует, что при h = 3.5 см пленку, удовлетворяющую условию 0.99 ≤ L l /L 0 ≤ 1.01 можно получить на подложке, размер которой задает неравенство l/h ≤ 0.58. Учитывая, что полный размер подложки равен 2l, окончательно получаем значение наибольшего размера подложки, которое равно 4.1 см. The dashed lines in Fig. 9 shows the specified uniformity limits 0.99 ≤ L l / L 0 ≤ 1.01 of the deposited films. The best uniformity is achieved with the ratio R / h = 1.1. With an outer radius of the sputtered region of the considered magnetron of 3.9 cm, this ratio leads to a distance between the target and the substrate equal to 3.5 cm. At larger distances ( R / h < 1.1), a convex film will be deposited on the substrate, which will have a maximum thickness in the center of the substrate. At smaller distances ( R / h > 1.1) the film will be concave. From FIG. It follows from Table 9 that, at h = 3.5 cm, a film satisfying the condition 0.99 ≤ L l / L 0 ≤ 1.01 can be obtained on a substrate whose size specifies the inequality l / h ≤ 0.58. Considering that the total size of the substrate is 2 l , we finally obtain the value of the largest substrate size, which is 4.1 cm.

Фиг. 5 – 9 свидетельствуют о том, что поставленная цель достигнута. Поскольку суммарная площадь прорезей во внешней пластине, плотность тока разряда и расстояние между мишенью и подложкой неизменны в течение осаждения, предлагаемый способ позволяет получать пленки стабильно однородные по химическому в диапазоне 0.23 x 0.27, имеющие высокую относительную равномерность, которая не может выходить за пределы интервала 0.99 ≤ L l /L 0 ≤ 1.01.Fig. 5 - 9 indicate that the goal has been achieved. Since the total area of the slots in the outer plate, the discharge current density, and the distance between the target and the substrate remain unchanged during deposition, the proposed method makes it possible to obtain films that are chemically uniform in the range 0.23 x 0.27 and have a high relative uniformity that cannot go beyond interval 0.99 ≤ L l / L 0 ≤ 1.01.

Claims (1)

Способ получения пленки нитрида пермаллоя FexNi1-xN, причем 0,23≤x≤0,27, включающий осаждение упомянутой пленки на подложку методом реактивного магнетронного распыления мишени, отличающийся тем, что используют мишень, состоящую из двух пластин, при этом в вакуумной камере устанавливают магнетрон, на корпусе которого жестко закрепляют внутреннюю пластину мишени из железа и внешнюю пластину мишени из никеля с прорезями в виде отверстий, имеющих суммарную площадь в диапазоне (0,95-1,71)⋅10-3 м2, и закрепляют подложку с обеспечением расстояния до мишени в интервале (33-38)⋅10-3 м, откачивают вакуумную камеру до остаточного давления (1-5)⋅10-6 Торр, вводят плазмообразующий газ аргон с обеспечением давления в вакуумной камере (3-6)⋅10-3 Торр, затем в вакуумную камеру вводят поток азота со скоростью в диапазоне 3-10 см3/мин и обеспечивают плотность тока разряда магнетрона в диапазоне (350-700) А/м2 для реактивного магнетронного распыления ионами аргона формирующихся на пластинах из железа и никеля нитридов железа и никеля при температуре упомянутых пластин, составляющей 1800-2000 К.A method for producing a film of permalloy nitride Fe x Ni 1-x N, moreover, 0.23≤x≤0.27, including deposition of the said film on the substrate by the method of reactive magnetron sputtering of the target, characterized in that a target consisting of two plates is used, while a magnetron is installed in the vacuum chamber, on the body of which the inner target plate made of iron and the outer target plate made of nickel are rigidly fixed with slots in the form of holes having a total area in the range (0.95-1.71)⋅10 -3 m 2 , and the substrate is fixed to ensure the distance to the target in the range (33-38)⋅10 -3 m, the vacuum chamber is pumped out to a residual pressure of (1-5)⋅10 -6 Torr, the plasma-forming gas argon is introduced to ensure the pressure in the vacuum chamber (3- 6)⋅10 -3 Torr, then a nitrogen flow is introduced into the vacuum chamber at a rate in the range of 3-10 cm 3 /min and the magnetron discharge current density is provided in the range (350-700) A/m 2 for reactive magnetron sputtering with argon ions of the emerging on plates from iron and nickel of iron and nickel nitrides at the temperature of the mentioned plates, which is 1800-2000 K.
RU2022109242A 2022-04-07 METHOD FOR OBTAINING A FILM OF PERMALLOY NITRIDE FeXNi1-XN RU2784453C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2784453C1 true RU2784453C1 (en) 2022-11-24

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5108846A (en) * 1990-07-12 1992-04-28 Helmut Steininger Protective layers of germanium ceramics
JP3101202B2 (en) * 1996-04-11 2000-10-23 株式会社赤城商会 Foundation or retaining wall construction materials
US20080121516A1 (en) * 2006-11-29 2008-05-29 Jaydeep Sarkar Method and apparatus for treating sputtering target to reduce burn-in time and sputtering targets made thereby
RU2569293C1 (en) * 2014-07-11 2015-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Target to receive functional coatings and method of its manufacturing
RU2608858C2 (en) * 2015-06-17 2017-01-25 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" (ОАО "РКК "Энергия") Glass with optically transparent protective coating and method of its production

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5108846A (en) * 1990-07-12 1992-04-28 Helmut Steininger Protective layers of germanium ceramics
JP3101202B2 (en) * 1996-04-11 2000-10-23 株式会社赤城商会 Foundation or retaining wall construction materials
US20080121516A1 (en) * 2006-11-29 2008-05-29 Jaydeep Sarkar Method and apparatus for treating sputtering target to reduce burn-in time and sputtering targets made thereby
RU2569293C1 (en) * 2014-07-11 2015-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Target to receive functional coatings and method of its manufacturing
RU2608858C2 (en) * 2015-06-17 2017-01-25 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" (ОАО "РКК "Энергия") Glass with optically transparent protective coating and method of its production

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Prieto P. et al., Mossbauer spectroscopic study of iron-nickel nitrides thin films prepared by ion beam assisted deposition, 30.08.2011, Springer Science+Business Media B.V., p. 47-55. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR960002632B1 (en) The method and the equipment for plasma-energized magnetron sputtering vapor deposition
US5234560A (en) Method and device for sputtering of films
US6787010B2 (en) Non-thermionic sputter material transport device, methods of use, and materials produced thereby
Helmersson et al. Ionized physical vapor deposition (IPVD): A review of technology and applications
USRE33530E (en) Process and apparatus for the coating of shaped articles by cathode sputtering
Metel et al. Source of metal atoms and fast gas molecules for coating deposition on complex shaped dielectric products
CN110205597A (en) Multisection type bipolar pulse high-power impulse magnetron sputtering method
Spalvins Survey of ion plating sources
RU2784453C1 (en) METHOD FOR OBTAINING A FILM OF PERMALLOY NITRIDE FeXNi1-XN
EP0413291B1 (en) Method and device for sputtering of films
RU207556U1 (en) Sputtered magnetron assembly for deposition of a FexNi1-x binary alloy film in the range 0.23 &lt;x &lt;0.27
Zuo et al. The influence of superimposed DC current on electrical and spectroscopic characteristics of HiPIMS discharge
KR20140110186A (en) Method for manufacturing cubic boron nitride thin film with reduced compressive residual stress and cubic boron nitride thin film manufactured using the same
JP4521174B2 (en) Cluster manufacturing apparatus and cluster manufacturing method
RU2808293C1 (en) SPUTTERED MAGNETRON ASSEMBLY FOR DEPOSITION OF COMPOSITE MULTICOMPONENT FILMS Ni0.60Co0.3Fe0.1
KR20190119274A (en) Sputter gun and sputtering deposition apparatus having the same
Liu et al. Enhancements of substrate deposition rate and target erosion profile in a dc magnetron sputtering system
RU204777U1 (en) Sputtered magnetron unit for deposition of composite films TixMoyCr1-x-yN
Zykov et al. Discharge characteristics of combined low energy ion source–magnetron sputtering system
Bugaev et al. DEPOSITION OF PURE BORON COATINGS BY MAGNETRON SPUTTERING AND INVESTIGATION OF THEIR PROPERTIES
Tian et al. Flexible system for multiple plasma immersion ion implantation-deposition processes
JPH02254153A (en) Object having titanium nitride film on surface
Hoshi et al. High‐rate, low‐temperature sputtering method of facing‐targets type and its application for deposition of magnetic films
Schultrich et al. Activated Sputter Deposition of ta-C Films
Frey Cathode Sputtering