Распыляемый узел магнетрона для осаждения пленок среднеэнтропийного четырехкомпонентного сплава V-Nb-Mo-Ta Российский патент 2025 года по МПК C23C14/35 C23C14/14 

Узел магнетрона относится к устройствам, используемым для синтеза пленок четырехкомпонетных сплавов в атомной промышленности, машиностроении, автомобилестроении и др.

Традиционные металлические сплавы чаще всего содержат один основной элемент. Двадцать лет назад было предложено формировать сплавы, содержащие нескеолько металлов в эквимолярных или почти эквимолярных концентрациях [doi:10.1016/j.msea.2003.10.257]. Такие сплавы, содержащие 3-4 металла, получили название «среднеэнтропийных». Cреднеэнтропийные сплавы, с уникальной конфигурацией состава, приобретают высокую прочность, отличную коррозионную стойкость, сильную стойкость к водородному охрупчиванию и т. д. Пленки этих сплавов являются потенциальными кандидатами для модифицирования поверхности материалов, работающих в условиях экстремально высоких температур, повышенных радиационных, химических и механических воздействий. Пленки сплавов, содержащих, например, такие переходные металлы, как V, Nb, Ta и др., обладают превосходным сочетанием прочности и пластичности как при комнатной, так и при криогенной температуре, имеют выдающуюся коррозионную стойкость [doi:10.1016/j.msea.2021.141908].

Для осаждения пленок сплавов эффективно применяют магнетрон с сэндвич мишенью. Например, известен магнетрон, описанный в патенте на полезную модель РФ № 207556. Распыляемый узел в нем содержит мишень и охлаждающую пластину. Мишень выполнена из двух металлических пластин, параллельных друг другу, расположенных на одной оси с охлаждающей пластиной и жестко к ней прикрепленных. Внутренняя пластина изготовлена из железа, а внешняя - из никеля. 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 ферромагнитных бинарных сплавов

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является распыляемый блок, описанный в патенте на изобретение РФ № 2808293 «Распыляемый узел магнетрона для осаждения композиционных многокомпонентных пленок Ni_0,60Co_0,3Fe_0,1». Этот узел содержит мишень, жестко прикрепленная к магнетрону соосно с ним, и дополнительную нижнюю охлаждаемую медную пластину. Мишень содержит три пластины, выполненные из разных металлов (железа, кобальта и никеля). Упомянутые четыре пластины расположены параллельно и установлены на одной оси. В зонах эмиссии двух верхних пластин выполнены прорези в форме отверстий, расположенных симметрично относительно их центра. Достигаемым техническим результатом является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит сформировать идентичные по энергетическому спектру потоки компонентов осаждаемой пленки Ni0.60Co0.3Fe0.1 и повысить суммарный тепловой поток, излучаемый мишенью.

Недостатком известного устройства является то, что его конструкция не позволяет осаждать пленки эквимолярного состава. Для решения этой задачи необходимо обеспечить одинаковые распыленные потоки металлов, которые генерирует каждая пластина. При любой суммарной площади прорезей во внешней пластине поток металла, который она генерируют будет больше, чем потоки от ниже лежащих пластины.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит осаждать пленки среднеэнтропийного четырехкомпонетного сплава V_0,25Nb_0,25Mo_0,25Ta_0,25.

Поставленная задача решается за счет того, что распыляемый узел магнетрона для осаждения пленок среднеэнтропийного четырехкомпонентного сплава V-Nb-Mo-Ta, как и известный узел, содержит параллельно расположенные распыляемые металлические пластины, установленные на одной оси с магнетроном и жестко прикрепленные к нему, и дополнительную нижнюю охлаждаемую медную пластину, при этом узел размещен в плазмообразующем аргоне, отличающийся тем, что он состоит из четырех распыляемых металлических пластин, внутренняя выполнена из тантала в виде сплошного диска, остальные три выполненные из Mo, Nb и V, для магнетрона, имеющего кольцевую зону распыления, представляют собой кольца с внутренними радиусами R_Mo, R_Nb и R_V.

Достигаемым техническим результатом является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит осаждать пленки среднеэнтропийного четырехкомпонетного сплава V_0,25Nb_0,25Mo_0,25Ta_0,25.

фиг. 1 - конструкция распыляемого узла магнетрона;

фиг. 2 - зависимости от тока разряда плотности потоков металлов J_i, i = Ta, Mo, Nb, V, которые генерируют пластины мишени;

фиг. 3 - зависимости от тока разряда потоков металлов Q_i, i = Ta, Mo, Nb, V и суммарного потока ΣQ_i.

Рассмотрим пример выполнения распыляемого узла магнетрона (фиг. 1). Модель предлагаемого изобретения была реализована на базе сбалансированного цилиндрического магнетрона 1, на котором авторы выполняли эксперименты. Распыляемый узел содержит на одной оси внутреннюю охлаждаемую водой пластину 2 толщиною 4 мм, изготовленную из меди. Далее установлены распыляемые пластины: 3 - сплошная толщиною 1 мм - из тантала, 4 -кольцевая с внутренним радиусом R_Mo толщиною 1 мм - из молибдена, 5 -кольцевая с внутренним радиусом R_Nb толщиною 1 мм - из ниобия, 6 -кольцевая с внутренним радиусом R_V толщиною 1 мм - из ванадия. Вся конструкция жестко скреплена болтами 7 с корпусом магнетрона и размещена в газовой среде, состоящей из плазмообразующего аргона. Между пластинами установлены шайбы 8 толщиною 1 мм, обеспечивающие зазор между ними. Кольцевая область распыления ограничена радиусами R₀₁ = 20 мм и R₀₂ = 40 мм. Нижняя медная пластина 2 выполняет функцию холодильника, отводящего избыточное тепло от распыляемого узла, и не подвержена распылению. Пластины 3-6 работают в свободном тепловом режиме, т.е. охлаждаются за счет излучения и теплопроводности элементов крепления.

Зоны эрозии 9, 10, 11 и 12 сплошной танталовой пластины 3, кольцевых молибденовой 4, ниобиевой 5 и ванадиевой кольцевых пластин 6, соответственно, имеют форму колец площадью:

(1) (2) (3) (4)

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Процесс проводят в среде аргона. При давлении аргона 4-8 мТорр в вакуумной камере с помощью магнетрона инициируют газовый разряд постоянного тока, поддерживая его в диапазоне1,0 до 5,0 А. Применяемый магнетрон является сбалансированным. Это означает, что конфигурация магнитного поля в нем обеспечивает кольцеобразную зону интенсивного распыления мишени с внутренним и внешним радиусами R₀₁ и R₀₂, соответственно. Далее будем считать, что плотность тока распределена в этой области равномерно. Наряду с током разряда и давлением аргона независимыми переменными устройства являются внутренние радиусы кольцеобразных пластин.

Каждая пластина за счет воздействия потока ионов аргона становится генератором потока соответствующего металла: Q_Ta, Q_Mo, Q_Nb и Q_V, плотности которых равны

(5) (6) (7) (8)

где S_Ta, S_Nb, S_Mo и S_V - коэффициенты распыления металлов; j - плотность тока разряда; e = 1.6⋅10-¹⁹ Кл - заряд электрона; γ_Ta, γ_Nb, γ_Mo и γ_V - коэффициенты ионно-электронной эмиссии металлов. В выражениях (5)-(8) учтены только потоки, возникшие вследствие распыления ионами аргона. Потоками, возможными за счет испарения пластин, пренебрегаем. В (5)-(8) обозначения a_i, i =Ta, Mo, Nb, V введены для сокращения записи. Формулы для этих величин можно представить в общем виде

(9)

Для решения поставленной задачи осаждения пленки среднеэнтропийного четырехкомпонентного сплава необходимо определить внутренние радиусы кольцеобразных пластин мишени. Если учесть, что каждая из пластин генерирует поток металла:

(10)

то условием формирования эквимолярной пленки является равенство потоков (10):

(11)

Систему уравнений (11) удобнее выразить в относительной форме:

(12)

В развернутом виде система уравнений (12) принимает вид:

(13)

Решением системы (13) являются значения радиусов кольцеобразных пластин R_V, R_Nb и R_Mo, которые обеспечивают решение поставленной задачи. В общем виде решение системы (13) запишем в виде, удобном для интерпретации:

(14)

Решение (14) получено с использованием значений физических параметров материалов пластин, приведенных в табл. 1

Таблица 1 Параметр Металл (i) Ta Mo Nb V S_i 0,40 0,60 0,45 0,65 γ_i 0,057 0,036 0,044 0,050 a_i 2,37⋅10¹⁸ 3,62⋅10¹⁸ 2,69⋅10¹⁸ 3,78⋅10¹⁸

Исходя из (14) запишем формулы для вычисления внутренних радиусов пластин в виде

(15)

Из (15) видно, что радиусы кольцеобразных пластин мишени однозначно связаны с параметрами кольцеобразной области распыления. Они представляют собой гипотенузы прямоугольных треугольников, катеты которых пропорциональны внутреннему и внешнему радиусам этой области.

Используем решение (15) для анализа частного случая магнетрона, который использован в наших экспериментах. Конструкция магнитной системы этого устройства обеспечивает кольцеобразную область распыления, имеющей внутренний и внешний радиусы 2.0 и 4.0 см, соответственно. Площадь этой области равна , Тогда плотность тока разряда в принятом диапазоне токов 1-5 А изменяется от 0,03 до 0,13 А/см².

Таблица 2 Параметр Металл (i) Ta Mo Nb V R_i, cм - 2,8 3,2 3,7 s_i, cм² 12.0 7,8 10,5 7,3

Значения радиусов пластин мишени, вычисленные по формулам (15), и соответствующие им площади распыляемых областей (1)-(4) показаны в табл. 2. На фиг. 2 приведены зависимости плотности потоков металлов, вычисленные по формулам (5)-(8). Различие величин, наблюдаемое на фиг. 2, связано с очевидным отличием физических параметров материалов, указанных в табл. 1.

На фиг. 3 даны зависимости потоков металлов, которые генерируют разные пластины, вычисленные по кривым на фиг. 2 учетом (10), и зависимость суммарного потока, который формирует пленку сплава.

Фиг. 3 свидетельствует о том, что поставленная цель достигнута. Предлагаемый узел магнетрона с заданными параметрами, позволяет осаждать пленки среднеэнтропийных сплавов, содержащих четыре компонента, поскольку потоки металлов, которые генерируют разные пластины мишени, равны между собой во всем наблюдаемом диапазоне токов разряда. Экспериментальные исследования с распыляемым узлом, пластины которого были изготовлены в соответствие с формулами (15), подтвердили результаты выполненного анализа.

Предложен распыляемый узел магнетрона для осаждения пленок среднеэнтропийного четырехкомпонентного сплава V_0,25Nb_0,25Mo_0,25Ta_0,25. Указанный узел содержит параллельно расположенные распыляемые металлические пластины, выполненные с возможностью установки на одной оси с магнетроном и жестко прикрепленные к нему, и дополнительную нижнюю охлаждаемую медную пластину. Распыляемый узел состоит из четырех распыляемых металлических пластин. Внутренняя пластина выполнена из тантала в виде сплошного диска. Остальные три пластины последовательно выполнены из молибдена, ниобия и ванадия и представляют собой кольца, внутренние радиусы которых обеспечивают равные потоки тантала, молибдена, ниобия и ванадия. Магнетрон имеет кольцевую зону распыления. Создана конструкция распыляемого узла магнетрона, которая обеспечивает осаждение пленки среднеэнтропийного четырехкомпонентного сплава V_0,25Nb_0,25Mo_0,25Ta_0,25. 3 ил., 2 табл.

Распыляемый узел магнетрона для осаждения пленок среднеэнтропийного четырехкомпонентного сплава V_0,25Nb_0,25Mo_0,25Ta_0,25, содержащий параллельно расположенные распыляемые металлические пластины, выполненные с возможностью установки на одной оси с магнетроном и жестко прикрепленные к нему, и дополнительную нижнюю охлаждаемую медную пластину, при этом узел размещен в плазмообразующем аргоне, отличающийся тем, что он состоит из четырех распыляемых металлических пластин, внутренняя выполнена из тантала в виде сплошного диска, остальные три, последовательно выполненные из молибдена, ниобия и ванадия для магнетрона, имеющего кольцевую зону распыления с внутренним и внешним радиусами R₀₁ и R₀₂, соответственно, представляют собой кольца, внутренние радиусы которых, обеспечивающие равные потоки тантала, молибдена, ниобия и ванадия, определяются соотношениями: