Распыляемый узел магнетрона для осаждения композиционных многокомпонентных пленок NiCoFe Российский патент 2023 года по МПК C23C14/35 C23C14/14 

Узел магнетрона относится к устройствам, используемым для синтеза многокомпонентных композиционных пленок в электронике, оптоэлектронике, атомной промышленности, машиностроении, автомобилестроении и др.

Большое внимание уделяют устройствам с гигантским магнитосопротивлением (ГМС), которые работают на квантово-механическом эффекте, наблюдаемом в тонкопленочных структурах, состоящих из чередующихся композиционных многокомпонентных ферромагнитных пленок (в системах Fe-Cr, Ni-Fe, Ni-Co-Fe и др.). Установлено, что наиболее эффективны в устройствах ГМС пленки в системе Ni-Co-Fe, в частности пленка с химическим составом Ni_0.60Co_0.3Fe_0.1.

Одним из распространенных методов осаждения композиционных многокомпонентных слоев служит магнетронное распыление. Часто для этих целей используют несколько магнетронов с эффективно охлаждаемыми мишенями из разных металлов, которые расположены рядом друг с другом (патент США № 6361668 B1, С23С 14/35

Известен магнетрон с распыляемым узлом, описанный в патенте на полезную модель РФ № 207556 «Распыляемый узел магнетрона для осаждения пленки бинарного сплава Fe_xNi_1-x в диапазоне 0.23 < x < 0.27». В этом устройстве распыляемый узел для осаждения композиционных пленок содержит мишень, состоящую из параллельно расположенных металлических пластин, жестко прикрепленных к магнетрону. Причем внутренняя пластина выполнена охлаждаемой и изготовлена из железа, а внешняя – из никеля и работает в горячем режиме. В зоне эрозии внешней пластины выполнены прорези, расположенные симметрично относительно ее центра. Достигаемым техническим результатом является создание узла, позволяющего увеличить номенклатуру получаемых пленок с однородным химическим составом по всей площади, позволяющего осаждать пленки из бинарных сплавов.

В качестве наиболее близкого аналога выбран распыляемый узел магнетрона для осаждения композиционной многокомпонентной пленки из никеля, железа и кобальта, содержащий мишень, состоящую из металлических пластин (SU1707085 МПК С23С14/32)

Недостатком известного устройства является то, что его конструкция предусматривает работу пластин сэндвич мишени в разных тепловых режимах. Если внешняя и средняя пластины работают в горячем режиме, то внутренняя пластина, охлаждаемая проточной водой, работает в холодном режиме. Это приводит к тому, что потоки частиц, которые генерирую разные пластины, могут иметь разные энергетические спектры. Потоки, которые генерируют пластины, работающие в горячем режиме, могут, кроме распыленных частиц, содержать испаренные частицы, имеющие среднюю энергию сотые-десятые доли электрон-вольта. И в дополнение к этому такие пластины могут излучать тепловые потоки, нагревающие подложку. Внутренняя пластина, работающая в холодном режиме, является источником только распыленных частиц со средней энергией несколько единиц электронвольт. Указанное различие потоков может привести к различию условий формирования компонентов в пленке твердого раствора. Кроме этого, суммарный тепловой поток в такой конструкции, излучаемый сэндвич мишенью и влияющий на формирование пленки, уменьшается за счет отвода тепла в воду от внутренней распыляемой пластины.

Задача, на решение которой направлена заявляемое изобретение, является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит формировать идентичные по энергетическому спектру потоки компонентов осаждаемой пленки Ni_0.60Co_0.3Fe_0.1 и повысит суммарный тепловой поток, излучаемый мишенью.

Поставленная задача решается за счет того, что распыляемый узел магнетрона для осаждения композиционных многокомпонентных пленок Ni_0.60Co_0,3Fe_0.1, как и известный узел, содержит мишень, состоящую из металлических пластин, но в отличие от известного он выполнен с возможностью жесткого прикрепления к магнетрону соосно с ним и дополнительно содержит нижнюю пластину, выполненную охлаждаемой и изготовленную из меди, при этом указанная мишень содержит первую пластину, выполненную из железа, вторую пластину – из кобальта и внешнюю пластину – из никеля, при этом упомянутые четыре пластины расположены параллельно и установлены на одной оси, причем в зонах эмиссии второй и внешней пластин выполнены прорези, расположенные на одной оси симметрично относительно их центра, причем для внешней пластины площадь зоны, с которой осуществляется эмиссия частиц никеля равна sNi=s-s_прNi_, для второй пластины из кобальта суммарная площадь зоны, с которой осуществляется эмиссия частиц кобальта, равна sCo=s_прNi-s_прCo, а суммарная площадь зоны на первой пластине из железа, с которой осуществляется эмиссия частиц железа, равна sFe=s_прCo, причем s - площадь зоны эмиссии пластины из никеля в виде кольца, s_прNi - суммарная площадь прорезей в виде отверстий, расположенных симметрично относительно центра зоны эмиссии внешней пластины из никеля, s_прCo - суммарная площадь прорезей, расположенных симметрично относительно центра зоны эмиссии второй пластины из кобальта.

Достигаемым техническим результатом является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит сформировать идентичные по энергетическому спектру потоки компонентов осаждаемой пленки Ni_0.60Co_0.3Fe_0.1 и повысить суммарный тепловой поток, излучаемый мишенью.

фиг. 1 – конструкция узла магнетрона из медной, никелевой, кобальтовой и железной пластин;

фиг. 2 – зависимости от тока разряда температуры пластин сэндвич мишени;

фиг. 3 – зависимости величины x_Ni от тока разряда, полученные с помощью выражений (6) и (7) при разных значениях α;

фиг. 4 –зависимости величины x_Fe от тока разряда, полученные с помощью выражений (7) и (8) при α = 0.53 и разных значениях β.

Рассмотрим пример выполнения распыляемого узла магнетрона (фиг. 1). Модель предлагаемого изобретения была реализована на базе цилиндрического магнетрона, на котором авторы выполняли эксперименты. Распыляемый узел содержит на одной оси внутреннюю охлаждаемую водой пластину 1 толщиною 4 мм, изготовленную из меди, первую среднюю толщиною 1 мм – из железа 2, вторую среднюю пластину толщиною 1 мм – из кобальта 3 и внешнюю толщиною 1 мм – из никеля 4. Вся конструкция жестко скреплена болтами с корпусом магнетрона и размещена в газовой среде, состоящей из плазмообразующего аргона. Между пластинами установлены шайбы толщиною 1 мм, обеспечивающие зазор между ними. Последние три пластины работают в горячем режиме, нагреваясь каждая до температуры, соответствующей доле ионного тока, распыляющего ее.

Зона эрозии 5 внешней никелевой пластины 4 имеет форму кольца площадью s. В этой зоне выполнены восемь прорезей 6 расположенных симметрично относительно ее центра в виде отверстий. Они имеют суммарную площадь s_прNi. Для внешней пластины площадь зоны, с которой происходит эмиссия частиц никеля, равна sNi = s – s_прNi. Прорези 6 задают зону 7 на второй средней кобальтовой пластине 3, которую бомбардируют ионы аргона. Часть этой зоны занимают восемь прорезей 8 с суммарной площадью s_прCo, поэтому суммарная площадь, с которой происходит эмиссия частиц кобальта, равна sCo = s_прNi – s_прСо, а суммарная площадь зоны на первой средней железной пластине 2, с которой происходит эмиссия частиц железа равна sFe = s_прСо. Нижняя медная пластина 1 выполняет функцию холодильника, отводящего избыточное тепло от распыляемого узла.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Распыление первой и второй средних, а также верхней пластин происходит в среде аргона при токе разряда от 0.5 до 5.0 А и давлении 2–8 мТорр. Наряду с током разряда и давлением аргона независимыми переменными устройства являются относительные суммарные площади прорезей во внешней и второй средней пластине:

; (1) , (2)

соответственно. Для рассматриваемого магнетрона диаметром 130 мм существуют ограничения на величины (1) и (2). Область распыления, внешней пластины, имеющая площадь 36.5 см², представляет собой кольцо шириною 20 мм. Поэтому технически можно изготовить прорези в форме отверстий диаметром не более 18 мм, что ограничивает величину α значением не более 0.56. Кроме этого очевидно, что физически корректно β < α.

Процессы распыления пластин инициируют соответствующие потоки металлов Q_Niрасп, Q_Coрасп и Q_Feрасп. Кроме этого нагревание каждой пластины приводит к появлению значимых потоков испаренных металлов Q_Niисп, Q_Coисп и Q_Feисп. Полные потоки от пластин Q_Niполн, Q_Coполн и Q_Feполн состоят из распыленного и испаренного потоков. Для определения величин Q_Niисп, Q_Coисп и Q_Feисп были использованы оценки температуры каждой пластины в форме экспонент (фиг. 2). Из рис. 2 видно, что суммарный поток тепла в предлагаемом устройстве повышается за счет нагревания первой средней железной пластины.

Соотношение компонентов в пленке Ni_0.6Co_0.3Fe_0.1 зададим величины:

; (3) ; (4) , (5)

которые, исходя из химической формулы Ni_0.6Co_0.3Fe_0.1, должны быть равны x_Ni = 0.6, x_Co = 0.3, x_Fe = 0.1.

Одновременно с этим каждый из компонентов в (3)–(5) известным образом зависит от величин (1) и (2). В нашем случае, например, полный поток никеля равен:

, с^–1, (6)

где j – плотность тока разряда, А/см²; e = 1.6 · 10^–19 Кл – заряд электрона и для никеля: S_Ni – коэффициент распыления; γ_Ni – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A_Ni и B_Ni – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m_Ni – масса атома; T_Ni – температура никелевой платины; k = 1.38 · 10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Поток кобальта по аналогии с (6) зададим выражением:

, с^–1, (7)

где для кобальта: S_Сo – коэффициент распыления; γ_Сo – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A_Co и B_Co – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m_Co – масса атома; T_Co – температура кобальтовой платины.

Наконец, поток железа выразим формулой:

, с^–1, (8)

где железа S_Fe – коэффициент распыления; γ_Fe – коэффициент ионно-электронной эмиссии; A_Fe и B_Fe – постоянные, задающие давление насыщенного пара; m_Fe – масса атома; T_Fe – температура железной платины. Полные потоки (6)–(8) идентичны по энергетическому спектру, поскольку содержат распыленные и испаренные частицы.

Последующие расчеты были направлены на установление диаметров прорезей в пластинах, которые обеспечат осаждение пленки заданного химического состава Ni_0.6Co_0.3Fe_0.1. Расчет был выполнен в два этапа. На первом был установлен диаметр прорезей во внешней пластине, который обеспечит значение x_Ni = 0.6, x_Co = 0.4 при отсутствии прорезей в кобальтовой пластине (β = 0). В этом случае внутренняя железная пластина не распыляется (x_Fe = 0) и выражение (3) принимает вид

. (9)

Из (9) следует, что при x_Fe = 0 величина x_Co = 0.4. На фиг. 3 даны зависимости величины x_Ni от тока разряда, полученные с помощью выражений (6) и (7) при разных значениях α. Из фиг. 3 видно, что равенству (9) соответствует значение α = 0.53. Это значение получается в диапазоне тока разряда 1–3 А при диаметре прорезей во внешней пластине 17.6 мм.

На втором шаге был установлен диаметр прорезей в кобальтовой пластине, который обеспечит значения x_Co = 0.3 и x_Fe = 0.1. В этом случае внутренняя железная пластина распыляется и выражения (4) и (5) принимают вид

; (10) , (11)

На фиг. 4 даны зависимости величины x_Fe от тока разряда, полученные с помощью выражений (7) и (8) при α = 0.53 и разных значениях β. Из фиг. 4 видно, что равенству (11) а значит и (10) соответствует значение β = 0.1. Это значение получается при диаметре прорезей в кобальтовой пластине 7.6 мм.

Фиг. 2, формулы (6)-(8), фиг. 3 и 4 свидетельствуют о том, что поставленная цель достигнута. Предложенная конструкция распыляемого узла магнетрона позволяет формировать идентичные по энергетическому спектру потоки компонентов осаждаемой пленки и повышает суммарный тепловой поток, излучаемый мишенью. Она позволяет синтезировать композиционные пленки Ni_0.6Co_0.3Fe_0.1 при токе разряда в диапазоне 1-3 А и диаметре прорезей в никелевой и кобальтовой пластинах 17.6 и 7.6 мм, соответственно.

Изобретение относится к распыляемому узлу магнетрона для осаждения композиционных многокомпонентных пленок Ni_0,60Co_0,3Fe_0,1. Упомянутый узел магнетрона содержит мишень, выполнен с возможностью жесткого прикрепления к магнетрону соосно с ним и дополнительно содержит нижнюю пластину, выполненную охлаждаемой и изготовленную из меди. Мишень содержит первую пластину, выполненную из железа, вторую пластину – из кобальта и внешнюю пластину – из никеля. Упомянутые четыре пластины расположены параллельно и установлены на одной оси. В зонах эмиссии второй и внешней пластин выполнены прорези, расположенные на одной оси симметрично относительно их центра. Для внешней пластины площадь зоны, с которой осуществляется эмиссия частиц никеля, равна sNi=s-s_прNi. Для второй пластины из кобальта суммарная площадь зоны, с которой осуществляется эмиссия частиц кобальта, равна sCo=s_прNi-s_прCo. Суммарная площадь зоны на первой пластине из железа, с которой осуществляется эмиссия частиц железа, равна sFe=s_прCo. Причем s - площадь зоны эмиссии пластины из никеля в виде кольца, s_прNi - суммарная площадь прорезей в виде отверстий, расположенных симметрично относительно центра зоны эмиссии внешней пластины из никеля, s_прCo - суммарная площадь прорезей, расположенных симметрично относительно центра зоны эмиссии второй пластины из кобальта. Обеспечивается получение конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволяет сформировать идентичные по энергетическому спектру потоки компонентов осаждаемой пленки Ni_0,60Co_0,3Fe_0,1 и повысить суммарный тепловой поток, излучаемый мишенью. 4 ил., 1 пр.

Распыляемый узел магнетрона для осаждения композиционных многокомпонентных пленок Ni_0,60Co_0,3Fe_0,1, содержащий мишень, состоящую из металлических пластин, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью жесткого прикрепления к магнетрону соосно с ним и дополнительно содержит нижнюю пластину, выполненную охлаждаемой и изготовленную из меди, при этом указанная мишень содержит первую пластину, выполненную из железа, вторую пластину – из кобальта и внешнюю пластину – из никеля, при этом упомянутые четыре пластины расположены параллельно и установлены на одной оси, причем в зонах эмиссии второй и внешней пластин выполнены прорези, расположенные на одной оси симметрично относительно их центра, причем для внешней пластины площадь зоны, с которой осуществляется эмиссия частиц никеля, равна sNi=s-s_прNi, для второй пластины из кобальта суммарная площадь зоны, с которой осуществляется эмиссия частиц кобальта, равна sCo=s_прNi-s_прCo, а суммарная площадь зоны на первой пластине из железа, с которой осуществляется эмиссия частиц железа, равна sFe=s_прCo, причем s - площадь зоны эмиссии пластины из никеля в виде кольца, s_прNi - суммарная площадь прорезей в виде отверстий, расположенных симметрично относительно центра зоны эмиссии внешней пластины из никеля, s_прCo - суммарная площадь прорезей, расположенных симметрично относительно центра зоны эмиссии второй пластины из кобальта.