Составная мишень для получения нанокомпозитов при магнетронном распылении

Полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно, к производству распыляемых мишеней для изготовления тонкопленочных нанокомпозитов.
В технологии производства элементов памяти на основе структур, демонстрирующих эффекты переключения между высокоомным и низкоомным состоянием, используются металл-диэлектрические нанокомпозиты, в которых резистивное переключение связано с образованием/разрушением в диэлектрической матрице металлизированных каналов проводимости под действием электрического поля или тока (Resistive Switching. From Fundamentals of Nanoionic Redox Processes to Memristive Device Applications. Ed. by D. Ielmini and R. Wasser. Wiley-VCH. 755 p. 2015). Тонкопленочные нанокомпозиты изготавливают путем распыления составных мишеней, что обусловлено трудностью или невозможностью получения нанокомпозитов непосредственным спресовыванием и/или спеканием компонентов. Поэтому использование составных мишеней, позволяющих получать пленки нанокомпозитов с заданным химическим составом, представляет прекрасную альтернативу традиционным способам.
Известны способы изготовления составных мишеней магнетронного источника: 1) Авт. св. СССР №1025754 «Способ изготовления мишени магнетронного источника», 2) Патент РФ №2068886 «Способ изготовления и реставрации мишени для магнетронного распыления в вакууме», 3) Патент РФ 2392686 «Составная мишень для распыления и способ ее получения». Они включают выполнение углубления в основе мишени путем распыления материала основы в магнетронном источнике и заполнение углубления материалом покрытия с разнородными физико-химическим свойствам по отношению к основе путем литья, либо заполнения углубления распыленным материалом, а распыляемый материал укладывают в углубление, нагревают вместе с основой до определенной температуры и запрессовывают в углубление.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является составная мишень для магнетронного распыления, описанная в патенте РФ №2352684, представляющая собой диск из распыляемого материала, в котором, в распыляемой зоне, по двум концентрическим окружностям в шахматном порядке высверлены отверстия и в них прессовой посадкой закреплены литые цилиндрические вставки из других распыляемых материалов.
К недостаткам такой конструкции относится возникновение механических напряжений в мишени при ее нагреве в процессе магнетронного распыления, что приводит к деформации вставок и неоднородности распыления.
Техническим результатом, получаемым в предлагаемой полезной модели является стабилизация и обеспечение однородности распыления за счет устранения деформации мишени.
Указанный технический результат достигается тем, что в составной мишени для получения нанокомпозитов при магнетронном распылении, включающей два распыляемых материала, расположенных в зоне магнетронного распыления, первый из которых выполнен в виде диска с диаметром, превышающим наружный диаметр зоны распыления, второй распыляемый материал также выполнен в виде диска, наложенного на диск первого распыляемого материала коаксиально по отношению к распыляемой зоне, при этом диаметр диска второго распыляемого материала меньше наружного диаметра зоны распыления и превышает внутренний диаметр этой зоны.
Принципы и типовая конструкция установки магнетронного распыления. В магнетронных системах используются скрещенные магнитные и электрические поля. Распыление мишени происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномального тлеющего разряда. В сильном магнитном поле достигается локализация плазмы вблизи поверхности распыляемой мишени и увеличивается плотность ионного тока.
Основными составляющими магнетронной системы являются катод-мишень, анод и магнитная система. Принципиальная схема и принцип работы кольцевого планарного магнетрона приведена на фиг. 1 [В.Е. Миначев. Нанесение пленок в вакууме. Серия Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники, книга 6. Изд. Высшая школа, 1989]. На фиг. 1: 1, 3 - уплотнительные прокладки, 2 - изолирующее кольцо, 4 - фланец камеры, 5 - зона плазмы, 6 - подложка, 7 - пленка, получаемая при распылении, 8 - зона распыления, 9, 11 - электрическое и магнитные поля, 10 - анод, 12, 15 - периферийные и центральный магниты, 13 - основание магнитного блока, 14, 17 - трубки подачи и слива воды, 16 - зажим, 18 - корпус, 19 - мишень-катод.
В кольцевом планарном магнетроне все элементы смонтированы в корпусе 18, присоединенном к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень-катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. Напряжение подается на катод через зажим 16 и составляет 300-700 В. Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и периферийных 12 постоянных магнитов, закрепленных на основании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создает магнитное поле 11 (порядка 200-500 Гс). Составляющая поля параллельна плоскости катода. Анод 10 расположен над катодом и может находится либо под потенциалом земли, либо под напряжением 30-100 В относительно катода и обеспечивает образование электрического поля 9. Составляющая этого поля перпендикулярна плоскости катода.
При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области образуется зона скрещенного магнитного и электрического полей. Находящиеся там электроны, совершая сложные движения под действием полей, ионизируют газ. В результате возникает разряд и над поверхностью катода образуется кольцеобразная (торообразная) зона плазмы 5, сопровождающаяся световым излучением. При этом положительные ионы рабочего газа ускоряются в направлении катода, бомбардируя и распыляя его поверхность в зоне 8, называемой зоной эрозии или зоной распыления. Атомы материала, выбитые с поверхности мишени, осаждаются в виде пленки 7 на подложке 6, а также частично рассеиваются молекулами остаточных газов и осаждаются на стенках рабочей камеры.
На Фиг. 2 представлена схема составной мишени, где 19 - диск первого распыляемого материала, 20 - диск второго распыляемого материала, 8 - зона распыления (ее границы обозначены пунктиром).
1
2
1
2
Ниже приведен конкретный пример реализации. Для получения нанокомпозита в качестве первого распыляемого материала взят диск графита (марка МПГ-7, чистота 99,9999) диаметром 100 мм и толщиной 5 мм. Наружный (D) и внутренний (D) диаметры зоны распыления определены экспериментально путем тестового распыления данного диска. В результате этого процесса на поверхности графита сформирован кольцеобразный трек, определяющий границы зоны распыления (типичный вид этой зоны иллюстрирует фиг. 3: 19 - диск распыляемого материала (графит), 8 - зона распыления). При рабочем давлении газа (аргон) в камере 1 Па они составляют D=90 и D=70 мм.
3
В качестве второго распыляемого материала взят диск меди (марка МБЧ, чистота 99,997) диаметром D=75 мм и толщиной 1 мм. Для получения составной мишени этот диск был наложен на графитовый диск коаксиально по отношению к треку 8, сформированному на графитовом диске в процессе тестового распыления.
3
2
1
3
2
2
2
2
Процесс магнетронного распыления данной составной мишени выполнен при давлении аргона в камере 1 Па и мощности на мишени 500 Вт в течение 15 мин. В результате на подложке из стекла, закрепленной на аноде напылительной камеры, получена пленка нанокомпозита (алмазоподобный графит)/Cu толщиной 0,1 мкм. Анализ состава полученного нанокомпозита по методу энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показал, что в алмазоподобном графите присутствует медь в соотношении 0.3/1, что соответствует расчетному значению (D-D)/(D-D)=0.29/1.