МИШЕНЬ ДЛЯ ДИСПЕНСЕРНОГО КАТОДА НА ОСНОВЕ СКАНДАТА БАРИЯ Российский патент 2017 года по МПК C23C14/08 C23C14/34 H01J1/142 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области производства диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария. В частности, настоящее изобретение относится к материалу мишени для физического осаждения тонких пленок, используемому в производстве диспенсерных катодов на основе скандата бария, к мишени, изготовленной из такого материала мишени, к применению такого материала мишени в получении диспенсерного катода на основе скандата бария, к способу получения диспенсерного катода на основе скандата бария и к способу получения такой мишени для физического осаждения тонких пленок для применения в получении диспенсерных катодов на основе скандата бария.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Диспенсерные катоды с высокоэмиссионным верхним слоем из скандата бария – способные к интенсивной эмиссии электронов – получают с помощью лазерного осаждения из абляционной плазмы (LAD) или другими методами физического осаждения, такими как напыление, с использованием подходящих мишеней, причем, как правило, стремятся иметь дело со стабильными мишенями, обеспечивающими воспроизводимое и надежное изготовление.

Такие диспенсерные катоды применяются или могли бы быть использованы в многообразных электровакуумных приборах, в частности, для электронно-лучевой литографии, но также в электронно-лучевых трубках для телевизоров, в высокочастотных лампах, в СВЧ-лампах, в рентгеновских трубках, в термоэлектронных преобразователях и так далее. Катоды с верхним слоем из скандата бария обычно содержат барий Ва и скандий Sc вместе с кислородом О в форме поверхностного комплекса и в форме диспенсерного соединения на или/и в (в качестве пропитывающего материала) матричной основе (например, из вольфрама W), причем верхнее покрытие дополнительно включает подходящий металл, например рений Re. В таком диспенсерном катоде атомарный Ва генерируется во время реакции на поверхности раздела между пропитывающим материалом и матричной основой, причем генерированный Ва реагирует с частицами Sc₂O₃ в наружном слое при относительно медленной поверхностной диффузии и диффузии через твердую основу.

Способы получения таких катодов, составы и структуры таких катодов, которые способны создавать плотность тока насыщения электронной эмиссии 300-400 А/см² при истинной температуре примерно 1030°С, ранее были описаны, например, в патентных документах EP 0 757 370 A1, DE 198 28 729 A1 и DE 199 61 672 A1.

Проблема, связанная с некоторыми традиционными материалами мишеней для LAD или других сравнимых методов осаждения тонких пленок (создающих ультратонкие частицы или плотные слои), заключается в том, что соответствующие мишени проявляли недостаточную механическую стабильность для воспроизводимого изготовления большого числа вышеуказанных катодов.

Один пример традиционного диспенсерного катода включает первый промежуточный LAD-слой на W-основе, который состоит из 4BaO⋅CaO⋅Al₂O₃⋅ySc₂O₃ (0,2<y<1) (например, смотри патентный документ DE 198 28 729 A1). Известные мишени оказались проблематичными по сравнению с мишенями на основе Re и Sc₂O₃, применяемых для других слоев. Однако создание такого промежуточного слоя является весьма желательным, чтобы получить достаточное количество высокоэмиссионного поверхностного {Ва, Sc, О}-комплекса во время начальной активации катода при повышенных температурах.

Для традиционных диспенсерных катодов предусмотрен процесс активации, во время которого, как правило, в условиях сверхглубокого вакуума и при температурах выше обычной рабочей температуры катода, высокоэмиссионный поверхностный {Ва,Sc,О}-комплекс (более конкретно, поверхностный слой, содержащий (Ва, Sc, О)-включающий комплекс, с толщиной порядка от 10 до 500 нм) генерируется из Sc₂O₃ и атомарного Ва, и/или реакцией Sc₂O₃ и ВаО, присутствующих в промежуточном слое. Например, в случае термоионных катодов на основе рения-скандата бария, относительно длительный период дополнительной активации наблюдается на протяжении приблизительно 100 часов после процесса начальной активации в течение 2 часов, пока не будет достигнута насыщенная эмиссия i_10% на уровне от 300 до 400 А/см².

Вышеуказанная обычная рабочая температура в этом случае составляет приблизительно 965°C_Mo-Br (Mo-Br=светимость молибдена=температура излучения), которую пирометрически измеряют на Mo-крышке катодного блока, причем 965°C_Mo-Br соответствует истинной температуре около 1033°С.

Желательно сократить или вообще полностью устранить период дополнительной активации после процесса начальной активации, то есть для получения оптимальной эмиссии настолько быстро, насколько возможно, в то же время с поддержанием ее на всем протяжении срока службы (>500 часов) катода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В контексте диспенсерных катодов на основе скандата бария задача изобретения состоит в создании промежуточного слоя, обеспечивающего возможность такого сокращения или устранения периода дополнительной активации, тогда как мишень для генерирования такого промежуточного слоя с помощью физического осаждения тонких пленок является достаточно стабильной, в частности, в механическом отношении, и позволяет проводить надежное и воспроизводимое изготовление. В более общем смысле, задача заключается в создании мишени для генерирования слоя из скандата бария с помощью физического осаждения тонких пленок, причем эта мишень является достаточно стабильной, в частности, в механическом плане и обеспечивает надежное и воспроизводимое изготовление.

Эта задача решена с помощью материала мишени для физического осаждения тонких пленок, используемой при получении диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, причем материал мишени содержит смесь или состоит из смеси оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃, причем молярное отношение BaO:CaO:Al₂O₃:Sc₂O₃ составляет «b:c:x:y», с 2≤b≤5, l≤c≤3, 2≤x+y≤b+c и 0,1≤y≤1.

Кроме того, настоящее изобретение представляет применение материала мишени в производстве диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, причем материал мишени содержит смесь или состоит из смеси оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃, причем молярное отношение BaO:CaO:Al₂O₃:Sc₂O₃ составляет «b:c:x:y», с 2≤b≤5, l≤c≤3, 2≤x+y≤b+c и 0,1≤y≤1.

Задача также решена с помощью способа получения диспенсерного катода на основе скандата бария, содержащего стадии, в которых: создают пористый металлический корпус, имеющий поверхность и пропитанный одним или более соединениями для дозирования по меньшей мере бария и скандия на поверхность, получают промежуточный слой, состоящий из или содержащий ВаО, СаО, Al₂O₃ и Sc₂O₃, с помощью физического осаждения тонких пленок на пористом металлическом корпусе и получают наружный металлический слой, причем для физического осаждения тонкой пленки используют материал мишени, содержащий смесь или состоящий из смеси оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃, причем молярное отношение BaO:CaO:Al₂O₃:Sc₂O₃ составляет «b:c:x:y», с 2≤b≤5, l≤c≤3, 2≤x+y≤b+c и 0,1≤y≤1.

Настоящее изобретение также представляет способ получения мишени для физического осаждения тонких пленок, для применения в производстве диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, содержащий стадии, в которых получают смесь из оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃, проводят спекание или плавление смеси для формирования мишени, причем молярное отношение BaO:CaO:Al₂O₃:Sc₂O₃ в мишени составляет «b:c:x:y», с 2≤b≤5, l≤c≤3, 2≤x+y≤b+c и 0,1≤y≤1.

Согласно одному конкретному варианту исполнения материал мишени дополнительно включает один или более оксидов, выбранных из группы, состоящей из оксида стронция SrO, оксида лантана La₂O₃, оксида иттрия Y₂O₃ и оксида европия Eu₂O₃ (то есть SrO, La₂O₃, Y₂O₃ и/или Eu₂O₃), в дополнение к оксиду бария, и/или один или более оксидов одного или более редкоземельных элементов, или смесь оксидов редкоземельных элементов, в дополнение к оксиду скандия.

В частности, добавление окиси европия (оксида европия) и/или окиси иттрия (оксида иттрия) было найдено содействующим, например, продолжительности действия эмиссии полученных катодов. Предпочтительный диапазон количества добавляемого оксида европия, если он присутствует, составляет от 10 млн^-1 до 1% по весу, в расчете на материал мишени в целом. Предпочтительный диапазон количества добавляемого оксида иттрия, если он присутствует, составляет от 10 до 250 млн^-1.

В случае применения La₂O₃, например, в дополнение к ВаО, слой, полученный при осаждении тонкой пленки согласно настоящему изобретению, имеет дефектную структуру, по сравнению с применением только ВаО, например Ba_1,80La_0,13ScAlO₅ вместо Ba₂ScAlO₅. Предпочтительный диапазон количества L добавляемого оксида лантана составляет 0≤L≤y или 0≤L≤0,15. Кроме того, предпочтительный диапазон количества S добавляемого оксида стронция составляет 0≤S≤1.

Авторы настоящего изобретения предполагают, что создание дефектной структуры, как указано выше, ведет к улучшению в том, что касается характеристики высвобождения бария.

Предпочтительный диапазон количества R добавляемых одного или более оксидов одного или более редкоземельных элементов или смеси оксидов редкоземельных элементов, со скандием в качестве основного редкоземельного элемента, в дополнение к оксиду скандия, составляет ≤33%.

В смеси оксидов редкоземельных элементов со скандием в качестве основного редкоземельного элемента, молярное количество скандия является по меньшей мере в 3 раза большим, чем совокупные молярные количества других редкоземельных элементов.

Что касается создания оксидов Sr, La, Y и/или Eu в дополнение к оксиду бария и других редкоземельных элементов в дополнение к оксиду скандия соответственно, то, в зависимости от величины атомного радиуса редкоземельного элемента и щелочноземельного элемента, возможны легирующие примеси или дефекты всех типов в определенных пределах, которые являются понятными квалифицированному специалисту в этой области технологии.

Следует отметить, что значения обсуждаемых выше условных обозначений «b», «c», «x» и «y» не ограничиваются целочисленными величинами, хотя часто традиционно используются примеры, имеющие целочисленные значения для «b», «c» и «x», подобно b=4, с=1, х=1; b=3, с=1, х=1; или b=5, с=3, х=1. Должно быть понятно, что для этих значений возможны также дробные величины, приводящие к желательным эффектам для диспенсерных катодов, при условии, что для катода обеспечивается контакт с материалом стенок пор (например, вольфрамом).

Для получаемых традиционным путем катодов с верхним слоем из скандата бария либо промежуточный слой не имеет желательных характеристик и нуждается в вышеупомянутом периоде дополнительной активации, так как доступные LAD-мишени или материалы мишеней не достигают желательного состава промежуточного слоя, либо их получение не является достаточно надежным и воспроизводимым, поскольку мишени или материалы мишеней не проявляют достаточной (механической) стабильности. Однако настоящее изобретение нацелено на преодоление этих недостатков.

Авторами настоящего изобретения было найдено, что мишень, содержащая смесь BaO, CaO, Al₂O₃ и Sc₂O₃, склонна быть тем более стабильной, чем выше содержание окиси скандия (оксида скандия). Однако повышенное содержание оксида скандия имеет результатом снижение эмиссионной характеристики, поскольку несомненно требуется достаточно высокое соотношение «Ba/Sc». Было найдено, что соотношение «Ba/Sc» предпочтительно должно быть более 1, вероятно, вследствие состава комплекса и также вследствие сильной потери летучего Ва/ВаО во время активации.

Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что причина нестабильности обусловливается реакцией ВаО и СаО с СО₂ и водой в воздухе, которая сопровождается разбуханием зерен и образованием порошка.

Согласно настоящему изобретению дестабилизирующему эффекту реакций ВаО и СаО можно противодействовать с помощью более инертных компонентов Sc₂O₃ и также Al₂O₃, так как авторами настоящего изобретения было дополнительно найдено, что материал стабилизируется не только повышенным содержанием оксида скандия, но увеличенное содержание окиси алюминия (оксида алюминия) также улучшает стабильность.

Таким образом, согласно настоящему изобретению материал мишени, который мог бы быть приготовлен типично в цилиндрической форме либо прессованием, либо спеканием, или из расплава, обеспечивает все же до некоторой степени низкое содержание скандия (для поддержания желательного соотношения «Ba/Sc»), тогда как содержание оксида алюминия возрастает по сравнению с известными материалами мишеней, тем самым с образованием мишеней, более устойчивых к воздействию воздуха и проявляющих в то же время высокое соотношение «Ba/Sc». Соблюдение условий «2≤b≤5, l≤c≤3, 2≤x+y≤b+c и 0,1≤y≤1» для компонентов «b:c:x:y» материала мишени (в последующем сокращенно обозначается «bcxy») обеспечивает желательные характеристики. Например, материал с b=4, с=1 (в последующем сокращенно обозначается «41ху») обеспечивает отношение Ba/Sc>4, пригодное для высокой эмиссии, и также отношение (Ва+Са):(Al+Sc)>5:4, дающее очень стабильные мишени.

Как представляется, для предотвращения или сокращения периода дополнительной активации решающее значение имеет то, чтобы происходила достаточно интенсивная доставка Ва (компенсирующая и пополняющая потери Ва во время начальной активации).

Согласно настоящему изобретению представлен промежуточный слой на матричной основе, имеющий надлежащий состав для обеспечения такой доставки.

Проведенные авторами настоящего изобретения испытания показали следующее.

Сначала были изготовлены мишени из расплавленного пропитывающего 411-материала (4BaO⋅CaO⋅Al₂O₃), объединенного с «y» Sc₂O₃ («y» предпочтительно варьирует в диапазоне от 0,2 до 0,6, в частности y=0,25), чтобы создать повышенное количество излучающего скандата бария ({Ba-Sc-O}-комплекса), полностью без зависимости от Ва, продуцируемого реакцией между пропитывающим материалом и матричной основой (вольфрамом).

Кроме того, были исследованы катоды с верхним слоем из скандата бария с использованием известных скандатов бария типа BaSc₂O₄, Ba₂Sc₂O₅, Ba₃Sc₄O₉ для промежуточного слоя. Все эти соединения имеют атомное соотношение «Ba:Sc», меньшее или равное 1. Было найдено, что эти материалы не ведут к улучшениям как эмиссии, так и срока службы. Напротив, на самом деле было обнаружено значительное ухудшение в отношении характеристик эмиссии.

Кроме того, в ходе исследования поверхности с высоким разрешением на высокоэмиссионных скандатных катодах было найдено, что на поверхности создается комплекс, имеющий соотношение «Ba:Sc» с величиной более 1. Поскольку Ва/ВаО склонен испаряться гораздо быстрее по сравнению со Sc₂O₃, авторам настоящего изобретения стало понятно, что нужен материал мишени, также имеющий соотношение «Ba:Sc» свыше 1.

С помощью мишени 411-0,25, полученной из расплавленного 411-материала (то есть Ba:Sc=8), могли быть получены хорошие результаты в отношении эмиссии. Однако было обнаружено, что такие мишени являются механически нестабильными – несмотря на хранение в сухом состоянии – и в течение короткого времени рассыпались в порошок. 411-0,35-мишени (то есть Ba:Sc≈6) имели все еще достаточные характеристики эмиссии и проявляли слегка лучшую механическую стабильность. Механически стабильными оказались 411y-мишени с y>0,5. Однако характеристики эмиссии полученного катода были по большей части сниженными.

Вышеуказанные обнаруженные факты были подтверждены сравнением характеристик цилиндрических мишеней (в особенности пригодных для LAD), полученных путем плавления (возможно, вплоть до y=0,5) и полученных прессованием и спеканием, которое также показало, что мишени с y=0,5 являются менее стабильными, чем мишени с y=1 (Ba:Sc=2).

Таким образом, увеличение содержания оксида скандия в мишени повышает механическую стабильность мишени, но ухудшает характеристики эмиссии, и наоборот.

Авторы настоящего изобретения попытались выяснить причину недостатка механической стабильности и в конечном итоге найти материалы мишени, имеющие достаточную стабильность, обеспечивающую длительное применение в условиях производства.

Было найдено, что существенной причиной недостаточной механической стабильности является реакция между ВаО и СаО, с одной стороны, и СО₂ и водой, с другой стороны, в окружающей атмосфере, приводящей к образованию ВаСО₃, СаСО₃ и гидроксидов бария и кальция. Эти соединения имеют различную плотность и коэффициент теплового расширения. Вследствие возникающего механического напряжения мишень рассыпается в порошок, то есть разрушается с образованием порошка/гранул. Хотя этот результат является более серьезным в случае прессованных и спеченных мишеней (имеющих пористость), это разрушение также происходит в мишенях, полученных плавлением, вероятно, вследствие слишком крупных кристаллитов.

Al₂O₃ и Sc₂O₃ не реагируют вышеуказанным путем с СО₂ или водой и поэтому оказывают стабилизирующее действие на мишени в целом, которое становится значительным, в частности, в диапазоне количества, возрастающего за пределы отношения (Ba, Ca):Sc=5:2.

С помощью настоящего изобретения достигается стабилизирующий эффект Al₂O₃ и Sc₂O₃, чтобы обеспечить желательное соотношение Ва/Sc (например, >4) (требуемое для высокой эмиссии), причем соотношение (Ва+Са):(Al+Sc) (например, >5:4) позволяет получить очень стабильные мишени.

Стабильность мишеней согласно настоящему изобретению (в частности, также в отношении продолжительностей экспозиции в течение более 1 года) обеспечивает значительное содействие для достижения постоянных условий осаждения и тем самым воспроизводимого изготовления диспенсерных катодов в больших масштабах.

Согласно одному конкретному варианту исполнения материал мишени удовлетворяет отношению 0,1<y<0,5. Было найдено, что более высокое соотношение «Ba:Sc» является благоприятным для высокой эмиссии. Согласно одному дополнительному предпочтительному варианту исполнения благоприятному для высокой эмиссии, материал мишени удовлетворяет условию 0,1<y<0,4. Согласно в особенности предпочтительному варианту исполнения материал мишени удовлетворяет условию y=0,35, или y=0,25.

Согласно одному дополнительному конкретному варианту исполнения материал мишени удовлетворяет условию, что отношение «b:c» составляет одно из 4:1, 3:1 или 5:3. Такие соотношения, как используемые для пропитывающего материала для импрегнированного катода, найдены обеспечивающими хорошее пополнение бария из пор катода на поверхность. Тогда это также способствует доставке бария из содержащего ВаО материала мишени, например, с вольфрамовой основой.

Согласно одному конкретному варианту исполнения материал мишени дополнительно включает один или более оксидов двух или более элементов, выбранных из группы, состоящей из бария, кальция, алюминия и скандия. Такие оксиды могут быть добавлены для улучшения стабильности полученной мишени.

В дополнение к введению добавочных оксидов в материал мишени до изготовления мишени как таковой, изготовление мишени (например, спекание и расплавление) также может иметь результатом дополнительные соединения вследствие внутренних реакций, причем один пример согласно одному дополнительному варианту осуществления изобретения представляет собой Ba₂ScAlO₅, входящий в состав мишени, которая проявляет повышенную стабильность.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и прочие аспекты изобретения будут очевидными и более разъясненными при ссылке на описанные далее варианты исполнения.

В чертежах:

Фиг. 1 показывает альтернативные варианты исполнения способа получения мишени согласно настоящему изобретению,

Фиг. 2 показывает иллюстрацию установки для LAD с использованием мишени согласно настоящему изобретению, и

Фиг. 3 показывает один вариант исполнения способа получения диспенсерного катода на основе скандата бария согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

Фиг. 1 показывает альтернативные варианты исполнения способа получения мишени согласно настоящему изобретению. Исходя из раствора с надлежащими количествами компонентов, растворенных для получения 411-материала (ВаО, СаО, Al₂O₃ в молярном соотношении 4:1:1), формируют осадок (стадия 12) и генерируют оксиды в подходящей печи при температуре 1400°С в атмосфере О₂ или Н₂ (стадии 14 или 14’). Добавляют Sc₂O₃ и Al₂O₃ и смешивают с образованием порошка (стадия 16). В альтернативном варианте, Al₂O₃ и Sc₂O₃ также могут быть добавлены к суспензии.

Альтернативно или дополнительно к вышеизложенному, также возможно проведение разложения осадка (гидроксида/карбонатов) при температуре 1400°С в вакууме или в инертной атмосфере, например, аргона, гелия или N₂.

В случае спекания, смешанный порошок (то есть материал мишени) затем спрессовывают под высоким давлением в цилиндрическую форму (стадия 18) и подвергают спеканию (стадия 20) при температуре в диапазоне от 1650°С до 1700°С.

В альтернативном варианте, материал мишени расплавляют (стадия 22), для чего, однако, требуется более высокая температура сверх 1700°С.

Спекание или расплавление 411y-материала в тиглях из молибдена (Mo) при температуре около 1650°С вплоть до или выше 1700°С должно проводиться в атмосфере, не включающей (или по меньшей мере по существу не включающей) Н₂О или О₂. Во избежание газовых включений (полостей внутри сформированной мишени) предпочтителен Н₂ (также вследствие его восстановительной способности для поддержания тигля неповрежденным). Хороший вариант представляет гелий, так как атомы/молекулы типа Н₂ или Не являются достаточно маленькими для улетучивания.

Хотя могут быть использованы аргон, N₂ или газовые смеси типа N₂/Н₂ или Ar/H₂, предпочтительными являются вышеупомянутые варианты, так как эти последние из названных газы и смеси создают трудности при удалении из спеченной мишени, или же могут приводить к образованию (окси)нитридных соединений. Ввиду летучести ВаО газы Н₂ и Не также являются предпочтительными перед вакуумом.

В зависимости от состава материала мишени, могут быть получены смешанные фазы, например Ba₂ScAlO₅, которые дополнительно улучшают устойчивость к содержащему влагу воздуху и стабильность в его среде.

Если мишень не была снабжена отверстием уже во время проведения вышеуказанных стадий, в полученной мишени проделывают (стадия 24) такое отверстие для монтажа мишени на общей оси с другой мишенью для применения в изготовлении диспенсерного катода с помощью LAD.

В зависимости от обстоятельств, может понадобиться дополнительная механическая обработка мишеней (например, укорочение/разрезание цилиндра) (стадия 26).

Чтобы не причинить ущерба механической стабильности, механическая обработка не должна включать применения воды или влаги. Предпочтительно обработка должна проводиться либо сухим способом, или с использованием иных жидкостей, нежели вода, и не реагирующих с компонентами мишени. Пригодными жидкостями являются изопропанол или декан. Кроме того, при сверлении может быть предусмотрено охлаждение потоком инертного газа.

После обработки в этом варианте исполнения предусмотрена стадия 28 дополнительного обжига (в кислороде (О₂) или сухом воздухе) при температуре приблизительно 1400°С для устранения любых химических изменений на поверхности с возвращением ее в первоначальное состояние.

В случае других методов осаждения, например напылением, отверстие не требуется, поскольку предполагаемый метод осаждения, как правило, обусловливает геометрическую форму мишени.

В одном примере порошок 411-карбоната был смешан с 0,65 части Al₂O₃ и 0,35 части Sc₂O₃ (молярное отношение) и затем преобразован в оксиды при температуре 1400°С. Полученный порошок был спрессован в цилиндрическую форму (включающую центральный штифт) и подвергнут спеканию в атмосфере Н₂ при температуре 1600°С. После охлаждения цилиндрическая мишень была разрезана до должной длины и опять нагрета до температуры от 1000°С до 1400°С в атмосфере О₂ или сухого воздуха. Полученная таким образом мишень была стабильна и не проявляла никакого прироста веса на воздухе.

Фиг. 2 показывает иллюстрацию LAD-установки 50 с использованием мишени согласно настоящему изобретению.

В принципе, квалифицированному специалисту известен метод лазерного осаждения из абляционной плазмы (LAD), и поэтому подробное разъяснение способа и устройства может быть опущено.

LAD-установка 50 согласно Фиг. 2 включает KrF-эксимерный лазер 52 (λ=248 нм) со средней мощностью около 60 Вт и максимальной энергией импульса 6 Джоулей, которая вполне пригодна для LAD тугоплавких металлов, таких как W или Re, благодаря электронному возбуждению вместо термического. Пучок эксимерного лазера 52 направляют в абляционную камеру 54 из нержавеющей стали (со сверхглубоким вакуумом (UHV)) через пропускающее ультрафиолет (UV) кварцевое окошко 56 таким образом, что он падает на вращающуюся цилиндрическую мультимишень 58. Над мишенью образуется плазменный факел 60 с унесенными ультратонкими частицами, и ультратонкие частицы уносятся газообразным носителем (иллюстрированным стрелкой 62) на подложки 64. В Фиг. 2 включен дополнительный вид цилиндрической мультимишени 58, включающей материал 66 мишени согласно настоящему изобретению (41xy), Sc₂O₃-материал 68 и рениевый материал 70.

Фиг. 3 показывает один вариант исполнения способа получения диспенсерного катода на основе скандата бария согласно настоящему изобретению.

В стадии 102 создают пористый металлический корпус, пропитанный одним или более соединениями для дозирования по меньшей мере бария и скандия на поверхность. В стадии 104 с помощью LAD создают промежуточный слой, состоящий из ВаО, СаО, Al₂O₃ и Sc₂O₃ или включающий их, в качестве одного примера физического осаждения тонкой пленки на пористом металлическом корпусе. Кроме того, в стадии 106 создают наружный металлический слой. Наконец, в стадии 108 изготовление диспенсерного катода завершается. Подробности этих стадий соответствуют параметрам общеупотребительных стадий получения диспенсерного катода, за исключением используемой мишени (материала) согласно настоящему изобретению.

Поверхность мишени предпочтительно должна быть гладкой, и – в случае LAD – должна распыляться на постоянном расстоянии до лазерной оптической системы и при постоянных условиях. Это предусматривает равномерную абляцию поверхности мишени с помощью надлежащим образом ориентированного сканирования и удаление участков или порций поверхности, проявляющих химические изменения.

Для целей метода LAD плоская геометрическая форма мишени (мишень в прямоугольной чашке) не является особенно пригодной, так как мишень должна сочетаться с другими – типично цилиндрическими – мишенями, например, для Re и Sc₂O₃, причем, кроме того, цилиндрические мишени при вращении создают значительно большую поверхность для абляции при том же количестве материала. Уменьшенная глубина абляции является предпочтительной в плане пониженной шероховатости поверхности и более длительной пригодности мишени для применения.

Вышеприведенное разъяснение главным образом сосредоточено на 41xy-материале мишени, хотя настоящее изобретение этим не ограничивается. В настоящем изобретении осуществимы также другие составы, например, как обозначенные 53xy или 31xy. В общем, пригодный материал может быть обозначен как «bcxy» (b:BaO, c:CaO, x:Al₂O₃ и y:Sc₂O₃), с «b:c:x:y» при 2≤b≤5, 1≤c≤3, 2≤x+y≤b+c и 0,1≤y≤1, предпочтительно 0,1<y<0,5, в особенности предпочтительно 0,1<y<0,4.

Описанные материалы мишени не ограничиваются вариантами применения LAD для диспенсерных катодов с верхним слоем из скандата бария, но также могут быть использованы в качестве материалов мишеней (или имеющих аналогичный состав) для получения, например, люминофоров, высокотемпературных сверхпроводников или керамических слоев, включающих Ва и/или Са и/или Sr, смешанных с инертным оксидом, например одним или более оксидами из группы скандия (Sc) или редкоземельных элементов, или оксидом магния.

Настоящее описание сосредоточено на физическом осаждении тонких пленок. Другие методы осаждения, например с использованием растворенных солей металлов (центрифугирование/погружение/набрызгивание/химическое осаждение) или металлоорганических соединений (например, CVD (химическое осаждение из газовой фазы)), включающие стадию нагревания в кислородной атмосфере и/или в атмосфере, включающей Н₂О для разложения соединений до оксидов, в настоящий момент представляются непригодными для изготовления диспенсерных катодов на основе скандата бария, поскольку пористый металлический корпус (изготовленный из вольфрама или молибдена) будет подвергаться окислению. Однако, если становится доступным другой метод, который подобен в своем применении современному методу физического осаждения тонких пленок, настоящее изобретение должно пониматься как применимое также и для него.

В то время как изобретение было иллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание должны трактоваться как иллюстративные или примерные и не ограничивающие; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и исполнимы квалифицированными специалистами в этой области технологии при практической реализации заявленного изобретения, после изучения чертежей, описания изобретения и пунктов прилагаемой патентной формулы. В пунктах патентной формулы слово «включающий» не исключает других элементов или стадий, и неопределенный артикль «a» или «an» не исключает множественного числа. Всего лишь тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах патентной формулы, не показывает, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Любые ссылочные позиции в пунктах патентной формулы не должны трактоваться как ограничивающие область изобретения.

Изобретение относится к области изготовления диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, а именно к материалу мишени и мишени для физического осаждения тонких пленок, дисперсному катоду на основе скандата бария и способу его получения и способу получения мишени. Мишень (66) содержит смесь или состоит из смеси оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃. Молярное отношение ВаО:СаО:Al₂O₃:Sc₂O₃ составляет «b:c:x:y», при этом 2≤b≤5, 1≤c≤3, 2≤x+y≤b+с и 0,1≤y≤1. Способ получения катода включает формирование пористого корпуса, пропитанного соединением бария и скандия, получение промежуточного слоя из ВаО, СаО, Al₂O₃ и Sc₂O_3. Способ получения мишени включает получение смеси ВаО, СаО, Al₂O₃ и Sc₂O₃ и спекание или плавление смеси с формированием мишени. Технический результат заключается в том, что дестабилизирующему эффекту реакций ВаО и СаО противодействуют с помощью более инертных компонентов Sc₂O₃ и также Al₂O₃, при этом повышенное содержание оксида скандия не только стабилизирует материал, но увеличенное содержание окиси алюминия (оксида алюминия) улучшает стабильность. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Материал мишени (66), предназначенной для физического осаждения тонких пленок, используемого в изготовлении диспенсерных катодов на основе скандата бария,

содержащий смесь или состоящий из смеси оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃,

причем молярное отношение ВаО:СаО:Al₂O₃:Sc₂O₃ составляет «b:c:x:y», при этом 2≤b≤5, 1≤c≤3, 2≤x+y≤b+с и 0,1≤y≤1.

2. Материал мишени (66) по п. 1, который дополнительно содержит:

- один или более оксидов, выбранных из группы, состоящей из оксида стронция SrO, оксида лантана La₂O₃, оксида иттрия Y₂O₃ и оксида европия Eu₂O₃, в дополнение к оксиду бария, и/или

- один или более оксидов одного или более редкоземельных элементов, или смесь оксидов редкоземельных элементов, со скандием в качестве основного редкоземельного элемента, в дополнение к оксиду скандия.

3. Материал мишени (66) по п. 1, в котором 0,1<y<0,5.

4. Материал мишени (66) по п. 1, в котором отношение «b:с» составляет одно из 4:1, 3:1 или 5:3.

5. Материал (66) мишени по п. 1, который дополнительно содержит один или более оксидов из двух или более элементов, выбранных из группы, состоящей из бария, кальция, алюминия и скандия.

6. Мишень (66) для физического осаждения тонких пленок, отличающаяся тем, что она изготовлена из материала (66) по п. 1.

7. Мишень (66) по п. 6, которая дополнительно содержит Ba₂ScAlO₅.

8. Применение материала мишени (66) по п. 1 в изготовлении диспенсерного катода на основе скандата бария.

9. Применение по п. 8, в котором материал мишени (66) используют на стадии физического осаждения тонкой пленки для формирования промежуточного слоя, состоящего из ВаО, СаО, Al₂O₃ и Sc₂O₃, или содержащего их, в диспенсерном катоде.

10. Способ получения диспенсерного катода на основе скандата бария, включающий стадии, в которых:

формируют (102) пористый металлический корпус, имеющий поверхность и пропитанный по меньшей мере одним из соединений для дозирования по меньшей мере бария и скандия на поверхность,

получают (104) промежуточный слой, состоящий из или содержащий ВаО, СаО, Al₂O₃ и Sc₂O₃, с помощью физического осаждения тонкой пленки на пористом металлическом корпусе, и

получают (106) наружный металлический слой,

причем для физического осаждения тонкой пленки промежуточного слоя используют материал мишени (66), содержащий смесь или состоящий из смеси оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃,

причем молярное отношение ВаО:СаО:Al₂O₃:Sc₂O₃ составляет «b:c:x:y», при этом 2≤b≤5, 1≤с≤3, 2≤x+y≤b+с и 0,1≤y≤1.

11. Способ по п. 10, в котором физическое осаждение тонкой пленки включает лазерное осаждение из абляционной плазмы и/или напыление.

12. Диспенсерный катод на основе скандата бария, полученный способом по п. 10.

13. Способ получения мишени, предназначенной для физического осаждения тонких пленок для применения в изготовлении диспенсерных катодов на основе скандата бария, содержащий стадии, на которых

получают (12, 14, 14', 16) смесь из оксида бария ВаО, оксида кальция СаО, оксида алюминия Al₂O₃ и оксида скандия Sc₂O₃,

проводят спекание (20) или плавление (22) смеси для формирования мишени (66),

причем молярное отношение ВаО:СаО:Al₂O₃:Sc₂O₃ в мишени составляет «b:c:x:y», при этом 2≤b≤5, 1≤с≤3, 2≤x+y≤b+с и 0,1≤y≤1.