x
y
1-x-y
Распыляемый блок магнетрона для осаждения композиционных пленок TiMoCrN

Блок магнетрона относится к устройствам, используемым в электронике, оптоэлектронике, атомной промышленности, машиностроении автомобилестроении и др.
Для синтеза композиционных пленок обычно применяют несколько магнетронов с эффективно охлаждаемыми мишенями из разных металлов, которые расположены рядом друг с другом (в патенте США №6361668 В1, С23С 14/34).
Известен магнетрон с распыляемым блоком, описанный в патенте РФ №2699702. В этом устройстве распыляемый блок для осаждения композиционных пленок реализован на базе цилиндрического магнетрона и содержит мишень, размещенную в реактивной среде, состоящую из плазмообразующего газа аргона и кислорода, мишень выполнена из двух металлических пластин, расположенных на одной оси с магнетроном параллельно друг другу и жестко прикрепленных к нему, причем внутренняя пластина, выполненная охлаждаемой, изготовлена из титана, а внешняя изготовлена из вольфрама и в зоне ее эрозии выполнены прорези расположенные симметрично относительно ее центра.
x
y
1-x-y
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является распыляемый блок магнетрона для осаждения твердых композиционных пленок TiMoCrN (Патент RU 201611», который реализован на базе цилиндрического магнетрона и содержит мишень, размещенную в реактивной среде, состоящей из плазмообразующего газа аргона и азота, а мишень выполнена из двух металлических пластин, расположенных на одной оси с магнетроном и жестко прикрепленных к нему, при этом внутренняя пластина выполнена охлаждаемой, а в зоне эрозии внешней пластины выполнены прорези, а внешняя пластина выполнена из хрома, внутренняя - из молибдена.
Недостатком известного устройства является то, что конструкция известного распыляемого магнетрона позволяет получать нитридные пленки твердостью не более 35 ГПа.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание конструкции блока магнетрона позволяющего увеличить твердость композиционных нитридных пленок до 40-50 ГПа.
x
y
1-x-y
Распыляемый блок магнетрона для осаждения композиционных сверхтвердых пленок TiMoCrN, как и известный блок содержит мишень, состоящую из параллельно расположенных металлических пластин установленных на одной оси с магнетроном, жестко прикрепленных к нему и размещенную в реактивной среде, состоящую из плазмообразующего газа аргона и азота. Но, в отличие от известного блока в предлагаемом устройстве мишень выполнена из трех металлических пластин, причем нижняя пластина выполнена охлаждаемой и изготовлена из хрома, средняя - из молибдена, а внешняя - из титана и в зоне эрозии средней и внешней пластин изготовлены прорези, расположенные на одной оси и симметрично относительно их центра.
x
y
1-x-y
Достигаемым техническим результатом является создание блока магнетрона, позволяющего синтезировать композиционные пленки TiMoCrN, твердость которых достигает 40-50 ГПа.
На фиг. 1 - конструкция блока магнетрона;
на фиг. 2 - зависимости от плотности тока температуры наружной титановой и средней молибденовой пластин;
TiNsp
TiNev
CrNtot
на фиг. 3 - зависимости от плотности тока потоков нитрида титана J, J и J, которые генерируют внешняя титановая пластина;
x
y
1-x-y
на фиг. 4 - зависимости от плотности тока долей нитридов в пленке TiMoCrN при α=0,5 для β=0 (сплошные линии) и β=0,25 (штриховые линии);
x
y
1-x-y
на фиг. 5 - зависимости от параметра Р долей нитридов в пленке TiMoCrN при плотности тока разряда 1200 А/м и значениях α=0,5 (сплошные линии) и а=0,4 (штриховые линии);
x
y
1-x-y
на фиг. 6 - зависимость твердости пленки TiMoCrN от параметров α и β;
x
y
1-x-y
на фиг. 7 - зависимость твердости пленки TiMoCrN от стехиометрического коэффициента х;
x
y
1-x-y
на фиг. 8 - зависимость твердости пленки TiMoCrN от стехиометрического коэффициента у.
s1 Ti
Ti
s1
s1
Мо
Mo
s1Ti
s1Mo
Cr=
s1Mo
_
.
Рассмотрим пример выполнения распыляемого блока магнетрона (фиг. 1). Модель предлагаемого изобретения была реализована на базе цилиндрического сбалансированного магнетрона 1 диаметром 130 мм, на котором авторы выполняли эксперименты. Распыляемый блок содержит на одной оси внутреннюю охлаждаемую водой пластину 2 толщиною 4 мм, изготовленную из хрома, среднюю толщиною 1 мм - из молибдена 3, и внешнюю толщиною 1 мм из титана 4. Вся конструкция жестко скреплена болтами с корпусом магнетрона 1 и размещена в реактивной среде, состоящей из газовой смеси плазмообразующего аргона и химически активного азота. Между пластинами установлены шайбы толщиною 1 мм, обеспечивающие зазор между ними. Зона эрозии 5 внешней пластины имеет форму кольца площадью s. В этой зоне выполнены прорези 6 расположенные симметрично относительно ее центра в виде отверстий. Они имеют суммарную площадь s. Для внешней пластины площадь зоны, с которой происходит эмиссия частиц нитрида титана, равна s=s - s Ti. Прорези 6 задают площадь зоны 7 на средней пластине, которую бомбардируют ионы аргона. Часть этой зоны занимают прорези 8 с суммарной площадью s, поэтому площадь зоны на средней пластине, с которой происходит эмиссия частиц нитрида молибдена равна s=ssСуммарная площадь прорезей 8 на средней пластине задает площадь ss зоны 9, с которой происходит эмиссия частиц нитрида хрома с нижней пластины.
2
CrNsp
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Распыление металлических пластин происходит в реактивной среде Ar+N при суммарном давлении 2-8 мТорр. Управляя плотностью тока разряда и расходом азота, пластины переводят в нитридный режим работы, при котором их поверхности покрыты соответствующими нитридами. Ионы аргона, образующиеся в разряде, бомбардируют эти поверхности. Внутренняя пластина 2 выполнена охлаждаемой, поэтому поток нитрида хрома J формируется только за счет распыления ее поверхности через прорези 8 в молибденовой пластине 3. Наряду с плотностью тока разряда и расходом азота независимыми переменными устройства являются относительные суммарные площади прорезей в наружной и средней пластинах:
2
соответственно. Для рассматриваемого магнетрона диаметром 130 мм существуют ограничения на величины (1) и (2). Область распыления, внешней пластины, имеющая площадь 36,5 см, представляет собой кольцо шириною 17 мм. Поэтому технически возможно изготовить прорези в форме отверстий диаметром не более 17 мм, что ограничивает величину а значением не более 0,5. Кроме этого очевидно, что физически корректно β≤α.
TiNtot
TiNsp
TiNev
MoNtot
MoNsp
MoNev
TiNev
MoNev
Полный поток J нитрида титана от внешней пластины состоит из распыленного J и испаренного потоков J. Полный поток от средней пластины J тоже может состоять из распыленного J и испаренного J потоков, поскольку молибденовая пластина тоже работает в режиме горячей мишени. Для определения величин J и J были использованы оценки температур обеих пластин в форме экспонент:
Ti
Мо
TiNsp
TiNev
TiNev
TiNev
MoHev
2
В зависимостях (3) и (4) плотность тока j задана в амперах на квадратный метр, температура T и Т - в Кельвинах (см. фиг. 2). На фиг. 3 приведены примеры зависимостей потоков J, J и J от плотности тока разряда, из которых следует, что компонент J становится значимым при J>1100 А/м. Поскольку нитрид молибдена обладает существенно меньшим давлением насыщенного пара и температура молибденовой пластины меньше 1500 К, компонентом J в дальнейшем пренебрегаем.
x
y
1-x-y
Соотношение компонентов в пленке TiMoCrN задают величины:
Одновременно с этим каждый из компонентов в (5) и (6) известным образом зависит от величин (1) и (2). В нашем случае, например, распыленный поток нитрида хрома равен:
CrN
CrN
-19
где для нитрида хрома: S - коэффициент распыления; γ - коэффициент ионно-электронной эмиссии; j - плотность тока разряда на мишени, А/см; е=1,6⋅10 Кл - заряд электрона. Поток нитрида молибдена зададим выражением
MoN
MoN
где для нитрида молибдена: S - коэффициент распыления; γ - коэффициент ионно-электронной эмиссии.
Поток нитрида титана, состоящий из двух компонентов, задает выражение
TiN
TiN
TiN
TiN
TiN
Ti
-23
где для нитрида титана: S - коэффициент распыления; γ - коэффициент ионно-электронной эмиссии; A и B - постоянные, задающие давление насыщенного пара; m - масса молекулы; T - температура титановой платины; k=1,38⋅10 Дж/К - постоянная Больцмана.
x
y
1-x-y
На фиг. 4 даны зависимости концентрации нитридов от плотности тока, полученные с помощью выражений (5)-(9). Фиг. 5 содержит зависимости концентрации нитридов от параметров распыляемого блока α и β. Как следует из фиг 4 и фиг. 5 химическим составом пленки TiMoCrN можно однозначно управлять, варьируя плотность тока разряда и параметры α и β.
x
y
1-x-y
x
y
1-x-y
Модель предлагаемого устройства была использована для оценки твердости пленок Н. Зависимость твердости пленок TiMoCrN от относительных суммарных площадей прорезей аир приведена на фиг. 6. Указанным на фиг. 6 изменениям аир, исходя из выражений (5)-(9), соответствуют интервалы изменения стехиометрических коэффициентов 0,4≤х≤0,75 и 0≤у≤0,4. Соответствующие зависимости твердости пленок TiMoCrN от х и у приведены на фиг 7 и 8, соответственно. Из фиг. 6 видно, что при α=0,5 кривая  достигает максимума ~ 45 ГПа примерно при β=0,05, что на фиг 7 и 8 соответствует значениям х=0,62 и y=0,28.
x
y
1-x-y
Фиг. 4-8 свидетельствуют о том, что поставленная цель достигнута. Предлагаемый блок магнетрона, позволяет синтезировать сверхтвердые композиционные пленки TiMoCrN с твердостью выше 40 ГПа с непрерывным изменением стехиометрических коэффициентов 0,4≤х≤0,75 и 0≤у≤0,4 за счет изменения плотности тока и относительных площадей прорезей аир, которые обеспечивают плавное изменение твердости.