СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНИ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к технологии изготовления мишеней для катодного, ионно-плазменного и магнетронного распыления материалов и может быть использовано при нанесении покрытий, применяемых в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике и других отраслях народного хозяйства.

Существует способ изготовления мишени [1] заключающийся в нанесении распыляемого материала на пластину из тугоплавкого металла с высокой теплопроводностью и жесткостью и их соединение посредством пайки.

Однако пайка разнородных материалов с сильно различающимися коэффициентами линейного расширения приводит к возникновению высоких механических напряжений в зоне соединения, появлению сколов, растрескиванию и отслаиванию материала мишени от охлаждаемой основы. В результате этого нарушается тепловой контакт, наблюдается локальный перегрев мишени и появление дугообразования, что в конечном счете приводит к возникновению термического и капельного распыления, снижающего выход годных элементов.

Кроме того, проведение высококачественной пайки, получение большой сплошности соединения для ряда материалов, например керамических, оказывается сложной, не всегда выполнимой задачей.

Известен также способ получения тонких пленок [2] в котором в качестве многокомпонентного катода используется порошкообразная смесь распыляемых веществ, насыпанная тонким слоем (2-5 мм) на проводящую подложку. Состав смеси при этом регулируется в соответствии со скоростями распыления компонентов. К недостаткам этого способа следует отнести невысокое качество используемого катодного узла: низкую механическую прочность, плохую теплопроводность, большую пористость смеси распыляемых материалов. Перечисленные недостатки известного способа снижают качество мишеней и уменьшают выход годных изделий при напылении.

Целью изобретения является повышение качества мишени.

Цель достигается тем, что в известном способе изготовления мишени, включающем нанесение слоя распыляемого материала на металлическую основу, операции нанесения материала и соединения его с основой осуществляют посредством подачи порошка дисперсностью 50-100 мкм в поток низкотемпературной плазмы, нагрева до температур, на 50-200К превышающих температуру плавления материала, разгона расплавленных частиц до скоростей 200-350 м/с и их последующего осаждения на охлаждаемое основание с температурой поверхности 280-350К.

Пример 1. Тщательно перемешанную смесь порошков кобальта и никеля (соответственно в весовых процентах 17 и 29%), дисперсностью 50<d<80 мкм подавали в поток аргоновой плазмы, нагревая при этом частицы до температур 1860-2000К. Последующее осаждение расплавленных частиц, движущихся со скоростью 250-300 м/с, проводили на охлаждаемое проточной водой медное основание в виде диска d 250 мм. Полученная мишень имела слой с толщиной 1-5 мм, специально увеличенной вдоль осевой линии зоны разряда, и была использована для магнитронного распыления на установке "Аратория 5". Напыленные магнитные диски имели следующие характеристики: намагниченность насыщения J_s ≈0,1 Тл, коэрцитивная сила H_c ≈36-48 кА/м, коэффициент прямоугольности ≈0,9.

Пример 2. Железо-диспрозиевый сплав с соотношением компонентов Fe 64% Dy 36% после помола в порошок дисперсностью 80<d<100 мкм распылялся в потоке аргоновой плазмы. Нагретые до температур 1400-1600К частицы расплавленного материала со скоростью 220-260 м/с осаждались на охлаждаемое проточной водой прямоугольное медное основание 100х100 мм с температурой поверхности 320К. Толщина равномерно нанесенного материала мишени составила 3 мм. Полученная таким образом мишень использовалась для получения дисков с магнитооптической записью информации. Распыление мишени проводилось на установке типа УРМЗ-3-279-050. Намагниченная насыщенность J_s ≈0,008-0,01 Тл, коэрцитивная сила H_с ≈160-240 кА/м, коэффициент прямоугольности ≈0,8.

Пример 3. Исходным материалом для приготовления мишени служила керамика YBa₂Cu₃O_7-b, синтезированная из окислов Y₂O₃, BaO,CuO. Порошок указанной керамики дисперсностью 63<d<100 мкм подавался в поток аргоновой плазмы, нагревался до температур 1500-1700К и осаждался со скоростью 320-350 м/с в форме купола на прямоугольную медную основу, охлаждаемую проточной водой до температуры поверхности 280-300К.

Приготовленная мишень использовалась для напыления тонких пленок состава YBa₂Cu₃O_7-b со сверхпроводящими свойствами. Температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_кр 98К.

Пример 4. Порошок кобальтового феррита (CoFe₂O₄) дисперсностью 50<d<80 мкм, полученный после первичной ферритизации соединения из окислов CoO и Fe₂O₃, вводился в поток аргоновой плазмы и нагревался до температур 1935-2100К. Затем расплавленные частицы, скорость которых составляла 200-300 м/с, осаждались на алюминиевое основание в виде диска ( d 250 мм) с температурой поверхности 300К. Толщина слоя распыляемого материала изготовленной таким образом мишени составила 3 мм. Мишень была использована для получения пленок кобальтового феррита при магнетронном распылении.

Пример 5. Порошок гексаферрита бария (BaFe₁₂O₁₉) дисперсностью 63-80 мкм вводился в поток аргонно-водородной плазмы, нагревался до температур 1965-2000К и разгонялся до скоростей 250-300 м/с. Осаждение расплавленных частиц осуществлялось на медное основание размером 100х100 мм при температуре поверхности 350К. Полученные мишени имели куполообразную форму и использовались для получения тонких магнитных пленок при ионно-плазменном распылении. Магнитные характеристики таких пленок имели следующие значения: остаточная индукция Br ≈0,18-0,2 Тл, коэрцитивная сила BH_c ≈200-240 кА/м, максимальная магнитная энергия (BH_c)_max ≈(2 + 2,4) 10^-2Тл•н/м
Пример 6. Частицы иттриевого феррита-гранита Y₂Fe₅O₁₂ размером 50-80 мкм вводились в поток аргонно-кислородной плазмы, нагревались до температур 1878-1920К, разгонялись до скорости 200-230 м/с, а затем осаждались на медное основание с температурой поверхности 280К. Полученная мишень имела форму диска (d 250 мм) с профилированной поверхностью, имеющей утолщение ≈5мм на расстоянии, равном 1/4 диаметра диска. При магнитном распылении такой мишени были получены тонкие пленки феррита Y₂Fe₅O₁₂, применяемые в магнитооптических устройствах.

Пример 7. Мишень для ионно-плазменного напыления магнитожестких пленок изготавливалась из самарий-кобальтового сплава. Частицы порошка сплава SmCo подавались в поток аргонно-водородной плазмы, нагревались до температуры 1950-2000К, разгонялись до скорости 320-350 м/с и осаждались на алюминиевое основание, температура которого поддерживалась равной 350К. Мишень имела размеры 100х100 мм с толщиной распыляемого материала 4 мм.

Изобретение относится к технологии изготовления мишеней для катодного распыления материалов и может быть использовано при нанесении покрытий, применяемых в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике и других отраслях народного хозяйства. В изобретении используется высокоскоростной нагрев порошка распыляемого материала в потоке низкотемпературной плазмы до температур на 50-200К, превышающих его температуру плавление, что снижает вероятность окисления и выгорания элементов, а дальнейший разгон материала в плазменном потоке до скоростей 200-350 м/с способствует увеличению плотности покрытия, заполнению микронеровностей поверхности расплавленными частицами, что обеспечивает прочное сцепление покрытия с основанием мишени и высокую механическую прочность при термоударах и термоциклировании, а поддержание температуры основания мишени при осаждении расплавленных частиц в интервале 280-350К уменьшает внутренние напряжения в нанесенном слое и приводит к увеличению толщины слоя распыляемого материала в местах наиболее интенсивного износа, что обеспечивает увеличение коэффициента использования материала мишени.

Способ изготовления мишени, включающий послойное нанесение распыляемого материала на металлическое основание, отличающийся тем, что, с целью повышения качества мишени, нанесение ведут потоком низкотемпературной плазмы путем подачи в поток материала в виде частиц с дисперсностью 50 100 мкм, в потоке частицы нагревают до температуры, на 50 200 К превышающей температуру плавления распыляемого материала, затем разгоняют до скорости 200 350 м/с и осаждают на основание, температуру которого поддерживают в процессе нанесения при 280 350 К.