close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4682

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 4682
(13)
C1
(51)
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
(19)
7
H 01L 21/00,
C 23C 14/34,
H 01J 37/32,
H 01J 37/34
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЫЛЯЕМЫХ МИШЕНЕЙ
ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
(21) Номер заявки: a 19990598
(22) 1999.06.15
(46) 2002.09.30
(71) Заявители: Колешко В.М.; Гулай А.В.;
Шевченок А.А.; Полынкова Е.В. (BY)
(72) Авторы: Колешко В.М.; Гулай А.В.; Шевченок
А.А.; Полынкова Е.В. (BY)
(73) Патентообладатели:
Колешко
Владимир
Михайлович; Гулай Анатолий Владимирович;
Шевченок Александр Аркадьевич; Полынкова
Елена Владимировна (BY)
(56)
L.E. Murr et. al. Effect of Shock Pressure on Superconductivity in Explosively Fabricated Y-Ba-Cu-O/Metal
Matrix Composites. Phus. St. Sol. (a), 123, 507, 1991, RU 2068886 C1, 1996, RU 2091501 C1, 1997, SU 1494559
A1, 1996, JP 4946501, 1990, JP 4814053, 1989, US 4607193 A, 1986, US 5236632 A, 1993, US 4390460 A, 1983.
(57)
1. Способ получения распыляемых мишеней для осаждения тонких пленок, заключающийся в том, что
распыляемый материал припрессовывают к металлическому теплоотводящему основанию, отличающийся
тем, что первоначально на теплоотводящее основание, преимущественно из меди, наносят слой гранул из
материала на основе меди, причем толщину данного слоя выбирают много меньшей толщины слоя распыляемого материала, затем проводят термическую обработку полученной композиции, а припрессовывание
распыляемого материала к основанию осуществляют поверх нанесенного слоя гранул, при этом распыляемый материал используют в виде порошка или в виде предварительно сформированного из него плоского
диска.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве распыляемого материала используют смесь графита с иттрием или редкоземельным элементом при следующем соотношении компонентов, мас. %:
иттрий или редкоземельный элемент
0,10-4,0
графит
остальное.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве распыляемого материала используют смесь графита с соединением иттрия или редкоземельного элемента при следующем соотношении компонентов, мас. %:
соединение иттрия или редкоземельного элемента
0,10-6,40
графит
остальное.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента
взят оксид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,11-5,03 мас. %.
5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента
взят фторид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,13-6,40 мас. %.
6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента
взят гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,10-4,13 мас. %.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве распыляемого материала используют смесь графита с соединениями иттрия или редкоземельного элемента при следующем соотношении компонентов,
мас. %:
соединения иттрия или редкоземельного элемента
0,10-6,40
графит
остальное.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве соединений иттрия или редкоземельного элемента
взяты оксид иттрия или редкоземельного элемента и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,06-2,53 и 0,05-2,07 мас. % соответственно.
BY 4682 C1
9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве соединений иттрия или редкоземельного элемента
взяты фторид иттрия или редкоземельного элемента и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,07-3,24 и 0,05-2,07 мас. % соответственно.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве распыляемого материала используют смесь графита с иттрием или редкоземельным элементом и соединением иттрия или редкоземельного элемента при
следующем соотношении компонентов, мас. %:
иттрий или редкоземельный элемент
0,05-2,0
соединение иттрия или редкоземельного элемента
0,05-3,24
графит
остальное.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента взят оксид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,06-2,53 мас. %.
12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента взят фторид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,07-3,24 мас. %.
13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента взят гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,05-2,07 мас. %.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве распыляемого материала используют смесь графита с иттрием или редкоземельным элементом и соединениями иттрия или редкоземельного элемента при
следующем соотношении компонентов, мас. %:
иттрий или редкоземельный элемент
0,05-2,0
соединения иттрия или редкоземельного элемента
0,05-3,24
графит
остальное.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что в качестве соединений иттрия или редкоземельного элемента взяты оксид иттрия или редкоземельного элемента и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в
количестве 0,03-1,27 и 0,03-1,03 мас. %.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что в качестве соединений иттрия или редкоземельного элемента взяты фторид иттрия или редкоземельного элемента и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в
количестве 0,03-1,63 и 0,03-1,03 мас. % соответственно.
Настоящее изобретение относится к технологии микроэлектроники и микромеханики и может быть использовано при разработке технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, микросенсоров и микроэлектромеханических систем.
Известен способ получения мишеней для распыления в вакууме при осаждении тонких пленок, заключающийся в том, что порошок распыляемого материала, состав которого соответствует составу формируемых пленок, подвергают статическому прессованию [1]. Недостатком использования данного способа для
получения мишеней из графитового порошка является то, что формируемые мишени имеют сравнительно
высокую пористость, в результате чего недостаточно высока их механическая прочность, что приводит к
быстрому разрушению мишеней в процессе воздействия плазменного потока в реакционной камере.
Значительному снижению пористости в образцах мишеней способствует использование метода импульсного прессования [2]. Однако получение графитовых мишеней по данному способу ограничивается тем, что
формируемые образцы имеют склонность к трещинообразованию за счет резкой разгрузки после воздействия взрывного импульса. В конечном итоге это также приводит к снижению механической прочности и долговечности мишеней, особенно в условиях воздействия высоких температур в реакционной камере при
распылении мишени.
Существенно уменьшить температуру мишени и градиенты температуры в объеме мишени можно путем
спрессовывания графитового порошка с металлическим теплоотводящим основанием. Однако при этом необходимо применение специальных приемов увеличения прочности крепления порошковой композиции к
металлическому основанию, чтобы мишень не разрушалась при повышенных температурах. Например, известен способ впрессовывания порошковой композиции в основание из меди [3] (прототип). Недостаток
данного способа заключается в том, что он используется для впрессовывания сравнительно небольших (по
площади и по объему) количеств порошкового материала в металлическую матрицу относительно большой
площади и объема. Этот способ неприемлем для формирования распыляемых мишеней, так как в процессе
распыления плазменное облако будет воздействовать не только на участки впрессованного порошка, но и на
соседние участки металлического основания, что приведет к распылению металла и загрязнению получаемой пленки.
Более того, при использовании данного способа не предусматривается повышение прочности механического сцепления частиц графитового порошка с металлическим основанием, а также частиц графита между
собой в объеме распыляемого слоя. Кроме того, известный способ не содержит технологических операций
по модификации параметров распыляемого материала, что приводило бы к формированию тонких углеродных пленок с уникальными свойствами.
2
BY 4682 C1
Целью настоящего изобретения является повышение механической прочности, срока службы порошковых мишеней и качества тонких пленок, получаемых при распылении данных мишеней.
Указанная цель достигается тем, что первоначально на теплоотводящее основание, преимущественно из
меди, наносят слой гранул из материала на основе меди, причем толщину данного слоя выбирают много
меньшей толщины слоя распыляемого материала, затем проводят термическую обработку полученной композиции, а припрессовывание распыляемого материала к основанию осуществляют поверх нанесенного слоя
гранул. При этом распыляемый материал используют в виде порошка или в виде предварительно сформированного из него плоского диска. В качестве распыляемого материала мишеней используют смесь графита с
иттрием или редкоземельным элементом при следующем соотношении компонентов, мас. %:
иттрий или редкоземельный элемент
0,1-4,0
графит
остальное,
или смесь графита с соединением иттрия или соединениями редкоземельного элемента при следующем соотношении компонентов, мас. %:
соединение иттрия или редкоземельного элемента
0,10-6,40
графит
остальное.
В качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента может быть взят оксид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,11-5,03 мас. %, фторид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,13-6,40 мас. %, а также гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,10-4,13 мас. %. В
качестве распыляемого материала может быть использована также смесь графита с соединениями иттрия
или редкоземельного элемента при следующем соотношении компонентов, мас. %:
соединения иттрия или редкоземельного элемента
0,10-6,40
графит
остальное.
В данном случае в качестве соединений иттрия или редкоземельного элемента могут быть взяты совместно оксид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,06-2,53 мас. % и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,05-2,07 мас. %, а также фторид иттрия или редкоземельного элемента в
количестве 0,07-3,24 мас. % и гидрид иттрия или редкоемельного элемента в количестве 0,05-2,07 мас. %.
В качестве распыляемого материала мишеней может быть использована смесь графита с иттрием или
редкоземельным элементом и соединением иттрия или редкоземельного элемента при следующем соотношении компонентов, мас. %:
иттрий или редкоземельный элемент
0,05-2,00
соединение иттрия или редкоземельного элемента
0,05-3,24
графит
остальное.
В данном случае в качестве соединения иттрия или редкоземельного элемента может быть взят оксид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,06-2,53 мас. %, фторид иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,07-3,24 мас. %, а также гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве
0,05-2,07 мас. %.
В качестве распыляемого материала может быть использована смесь графита с иттрием или редкоземельным элементом и соединениями иттрия или редкоземельного элемента при следующем соотношении
компонентов, мас. %:
иттрий или редкоземельный элемент
0,05-2,0
соединения иттрия или редкоземельного элемента
0,05-3,24
графит
остальное.
В качестве соединений иттрия или редкоземельного элемента могут быть взяты совместно оксид иттрия
или редкоземельного элемента и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве соответственно
0,03-1,27 и 0,03-1,03 мас. %, а также фторид иттрия или редкоземельного элемента и гидрид иттрия или редкоземельного элемента в количестве соответственно 0,03-1,63 и 0,03-1,03 мас. %.
Авторы не обнаружили известные технические решения, содержащие совокупность отличительных признаков, представленных в предлагаемом решении.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что между теплоотводящим основанием, например из меди, и распыляемым материалом создается промежуточный слой с развитой поверхностью составляющих его частиц. Материал этих частиц не вступает в химическое взаимодействие с графитом, а
создание дополнительного промежуточного слоя способствует прочному механическому сцеплению графитового порошка и теплоотводящего основания. В свою очередь, частицы порошка иттрия (редкоземельного
элемента) или соединения иттрия (соединения редкоземельного элемента), имеющие достаточно развитую
поверхность, заполняют пустоты между частицами порошка графита и повышают прочность сцепления последних и плотность мишени.
Для получения мишеней используют иттрий (Y) или редкоземельные элементы (Ln), а также соединения
иттрия или соединения редкоземельных элементов, например оксиды (Y2O3, Ln2O3), фториды (YF3, LnF3),
гидриды: тригидриды (YH3, LnH3) и дигидриды (YH2, LnH2), а также гидриды состава Ln2H3 и LnH. Применение Y или Ln, Y2O3 или Ln2O3, YF3 или LnF3, YH3 или LnH3, YH2 или LnH2 не является альтернативным
3
BY 4682 C1
друг другу решением, т.к. в данном случае эти элементы и их соединения проявляют идентичность свойств, а
тонкие пленки, полученные с использованием Y, Y2O3, YF3, YH3, YH2, идентичны по свойствам и изоструктурны пленкам, полученным с применением Ln, Ln2O3, LnF3, LnH3, LnH2. Дигидриды при нормальных условиях образуют все редкоземельные элементы. В случае Eu и Yb дигидриды являются наиболее
водородосодержащими фазами (тригидриды не образуются), что обусловлено стабильностью двухвалентных
состояний в этих элементах. Остальные редкоземельные элементы поглощают водород вплоть до состава,
приближающегося к LnH3 или достигающего этой стехиометрии. Гадолиний и церий кроме этого образуют
соединения состава Gd2H3 и CeH.
Получение мишеней в соответствии с заявляемым способом осуществляется следующим образом. Из
медного листа вырезают пластины необходимого размера, служащие теплоотводящим основанием для графитовой мишени (фиг. 1). Затем на пластины наносят гранулы из материала на основе меди (фиг. 2). Диаметр гранул может быть равен 0,2-0,8 мм, толщина слоя гранул ∼1 мм. Полученная композиция подвергается
термической обработке с целью прочного припекания гранул к медному основанию (фиг. 3). На основание
поверх слоя гранул наносится графитовый порошок и подвергается прессованию (фиг. 4). Из графитового
порошка предварительно может быть сформирован плоский диск (фиг. 5), который затем припрессовывается
к медному основанию со стороны нанесенного слоя гранул (фиг. 6).
Толщину слоя гранул выбирают много меньшей толщины графитовой мишени с той целью, чтобы графит
надежно покрывал гранулы и в процессе распыления мишени в реакционной камере не происходила эрозия
материала гранул и неконтролируемое загрязнение данным материалом получаемых тонких углеродных
пленок.
Выбор концентрации иттрия или редкоземельного элемента в материале мишени (0,1-4,0 мас. %) обусловлен следующими причинами. При концентрации меньше 0,1 мас. % положительный эффект не достигается, т.е. повышение механической прочности мишеней не происходит. При введении в материал
графитовых мишеней добавок редкоземельных элементов с концентрацией более 4 мас. % тонкие углеродные пленки, получаемые путем распыления данных мишеней, содержат достаточно крупные (размером 1-5
мкм) включения, особенно в случае введения гидридов редкоземельных элементов, обладающие квазиметаллическими свойствами и, в частности, относительно высоким коэффициентом термического расширения
(KTP) ∼10-20 · 10-6 К-1. Поскольку углерод имеет значительно более низкий KTP, равный ∼1 · 10-6 К-1, то даже при небольших изменениях температуры (∼100 град.), связанных с процессом формирования пленки, изза высокой разницы величин KTP материала пленки и включений возникают большие термические напряжения на их границе σT = E∆α∆T, где E - модуль Юнга (∼1012 Па); ∆α - разность KTP материала пленки и
включения; ∆T - изменение температуры. Для рассматриваемого случая величина термических напряжений
составляет ∼1-2 · 109 Па, в результате чего получаемая тонкая пленка растрескивается.
Таким образом, оптимальная концентрация добавок редкоземельных элементов выбирается в диапазоне
0,1-4,0 мас. %. В случае применения добавок соединений редкоземельных элементов (оксидов, фторидов,
гидридов) их концентрация выбирается такой, чтобы содержание редкоземельных элементов находилось в
вышеуказанном диапазоне. При этом концентрация К1 добавок соединений редкоземельных элементов определяется формулой:
К1 = 100K(A + N)/(100A + KN) %,
где К - необходимая концентрация редкоземельного элемента;
А - атомная масса редкоземельного элемента; N = 3Ao/2≈24 в случае Y2O3, Ln2O3, Ao - атомная масса кислорода; N = 3AF≈57 в случае YF3, LnF3, AF - атомная масса фтора; N = 3Ан≈3 в случае YH3, LnH3, N = 2AH≈2
случае YH2 LnH2, N = 3Ан/2≈1,5 в случае Gd2 H3, N = AH≈l в случае CeH, Ан - атомная масса водорода. При
выборе концентрации иттрия или редкоземельного элемента в количестве 0,1-4,0 мас. % объем вводимых
добавок соединений иттрия или соединений редкоземельных элементов лежит в пределах 0,10-6,40 мас. %
(табл. 1: Y2O3, Ln2O3 - 0,11-5,03 мас. %; YF3, LnF3 - 0,13-6,40 мас. %; YH3, LnH3 - 0,10-4,13 мас. %; YH2, LnH2
- 0,10-4,09 мас. %; в случае Gd2H3 - 0,10-4,04 мас. %; CeH - 0,10-4,03 мас. %). Если в качестве соединений
иттрия или соединений редкоземельных элементов используются совместно их оксиды и гидриды или фториды и гидриды, концентрация данных соединений выбирается в соответствии с табл. 2 в пределах: Y2O3,
Ln2O3 - 0,06-2,53 мас. %; YF3, LnF3 - 0,07-3,24 мас. %; YH3, LnH3 - 0,05-2,07 мас. %; YH2, LnH2 - 0,05-2,04
мас. %; в случае Gd2 H3 - 0,05-2,02 мас. %; CeH - 0,05-2,02 мас. %.
4
BY 4682 C1
Таблица 1
К1, %
Y, Ln
Оксиды
Y2O3, Ln2O3
Фториды
YF3, LnF3
1
Y
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Ду
Но
Er
Tm
Yb
Lu
2
0,13-5,03
0,12-4,66
0,12-4,65
0,12-4,65
0,12-4,63
0,12-4,63
0,12-4,61
0,12-4,60
0,12-4,58
0,12-4,58
0,11-4,56
0,11-4,56
0,11-4,55
0,11-4,54
0,11-4,53
0,11-4,52
0,11-5,03
3
0,16-6,40
0,14-5,55
0,14-5,54
0,14-5,53
0,14-5,49
0,14-5,49
0,14-5,43
0,14-5,42
0,14-5,37
0,14-5,36
0,14-5,33
0,13-5,31
0,13-5,29
0,13-5,28
0,13-5,25
0,13-5,23
0,13-6,40
Гидриды
тригидриды
YH3, LnH3
4
0,10-4,13
0,10-4,08
0,10-4,08
0,10-4,08
0,10-4,08
0,10-4,08
0,10-4,08
0,10-4,07
0,10-4,07
0,10-4,07
0,10-4,07
0,10-4,07
0,10-4,07
0,10-4,07
дигидриды
YH2, LnH2
5
0,10-4,09
0,10-4,06
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,05
0,10-4,04
0,10-4,04
0,10-4,13
Таблица 2
К1, %
Y, Ln
Оксиды
Y2O3, Ln2O3
Фториды
YF3, LnF3
1
Y
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Ду
Но
Er
Tm
Yb
Lu
2
0,06-2,53
0,06-2,34
0,06-2,33
0,06-2,33
0,06-2,33
0,06-2,32
0,06-2,31
0,06-2,31
0,06-2,30
0,06-2,30
0,06-2,29
0,06-2,28
0,06-2,28
0,06-2,28
0,06-2,27
0,06-2,27
0,06-2,53
3
0,08-3,24
0,07-2,80
0,07-2,79
0,07-2,79
0,07-2,77
0,07-2,76
0,07-2,74
0,07-2,73
0,07-2,71
0,07-2,70
0,07-2,68
0,07-2,67
0,07-2,66
0,07-2,66
0,07-2,64
0,07-2,63
0,07-3,24
Гидриды
тригидриды
YH3, LnH3
4
0,05-2,07
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,04
0,05-2,03
0,05-2,03
дигидриды
YH2, LnH2
5
0,05-2,04
0,05-2,03
0,05-2,03
0,05-2,03
0,05-2,03
0,05-2,03
0,05-2,03
0,05-2,03
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,02
0,05-2,07
5
BY 4682 C1
Таблица 3
К1, %
Y, Ln
1
Y
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Ду
Но
Er
Tm
Yb
Lu
Оксиды
Y2O3, Ln2O3
Фториды
YF3, LnF3
2
0,03-1,27
0,03-1,17
0,03-1,17
0,03-1,17
0,03-1,16
0,03-1,16
0,03-1,16
0,03-1,16
0,03-1,15
0,03-1,15
0,03-1,15
0,03-1,14
0,03-1,14
0,03-1,14
0,03-1,14
0,03-1,14
0,03-1,27
3
0,04-1,63
0,04-1,40
0,04-1,40
0,04-1,40
0,03-1,39
0,03-1,39
0,03-1,37
0,03-1,37
0,03-1,36
0,03-1,35
0,03-1,35
0,03-1,34
0,03-1,34
0,03-1,33
0,03-1,33
0,03-1,32
0,03-1,63
Гидриды
тригидриды
YH3, LnH3
4
0,03-1,03
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
0,03-1,02
дигидриды
YH2, LnH2
5
0,03-1,02
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,01
0,03-1,03
При использовании в качестве добавок смеси чистых редкоземельных элементов в количестве 0,05-2,0
мас. % и их соединений концентрация данных соединений выбирается также в соответствии с данными табл.
2 в пределах 0,05-3,24 мас. % (Y2O3, Ln2O3 - 0,06-2,53 мас. %; YF3, LnF3 - 0,07-3,24 мас. %; YH3, LnH3 - 0,052,07 мас. %; YH2, LnH2 - 0,05-2,04 мас. %; в случае Gd2H3 - 0,05-2,02 мас. %; CeH - 0,05-2,02 мас. %). В данном случае также возможно совместное применение соединений редкоземельных элементов: оксида (0,031,27 мас. %) и гидрида (0,03-1,03 мас. %) или фторида (0,03-1,63 мас. %) и гидрида (0,03-1,03 мас. %) - см.
данные табл. 3 (для Gd2H3 и CeH концентрация выбирается в пределах 0,03-1,01 мас. %). Во всех указанных
случаях применения соединений РЗЭ суммарная концентрация редкоземельных элементов находится в пределах 0,1-4,0 мас. %.
Технический результат, получение которого обеспечивается применением разработанного способа получения мишеней, заключается в повышении их механической прочности и срока службы. За счет наличия между теплоотводящим основанием и графитом промежуточного слоя гранул увеличивается поверхность
контакта графита с теплоотводящим основанием, улучшаются условия сцепления графитовой композиции с
основанием. Дело в том, что в процессе прессования часть графитового порошка проникает в пространство
между нанесенными гранулами. При этом сильно развитая поверхность слоя гранул способствует сцеплению
графитового порошка с гранулами по всей толщине слоя гранул, то есть по сравнительно большой площади.
При этом в процессе распыления мишени, то есть в условиях интенсивного воздействия на мишень плазменного потока, улучшаются условия отвода тепла от графита через медное основание в водоохлаждаемый мишенедержатель. Указанные факторы приводят к тому, что в объеме мишени уменьшаются механические
напряжения, снижается вероятность ее разрушения в процессе распыления при формировании тонких графитоподобных и алмазоподобных пленок.
Более того, применение распыляемых мишеней из графита с добавками редкоземельных элементов позволяет эффективно модифицировать свойства получаемых тонких пленок за счет достаточно большой разницы между объемами атомов углерода и атомов редкоземельных элементов. Так, например, если
межатомное расстояние (2R, где R - радиус атома) для углерода составляет 1,421 А, то для редкоземельных
элементов оно в 2,42-2,79 раза больше и равно: для Y-3,554A, La-3,733A, Nd-3,658A, Pm-3,633A, Sm-3,588A,
Eu-3,965A, Gd-3,583A, Tb-3,525A, Dy-3,506A, Ho-3,486A, Er-3,470A, Tm-3,537A, Yb-3,876A, Lu-3,434A.
Дополнительным положительным фактором при легировании углеродных мишеней гидридом редкоземельного элемента является то, что при их распылении в состав тонких пленок вводится водород, который
позволяет изменять в требуемом направлении дефектно-примесную структуру материала пленок. Это происходит вследствие эффективной пассивации водородом вакансионных дефектов несмотря на то, что они значительно более стабильны по сравнению с междоузельными дефектами. Насыщение оборванных связей
атомами водорода ведет к удалению локальных уровней вакансии и дивакансии в запрещенной зоне. Проис6
BY 4682 C1
ходит также взаимодействие атомов водорода с собственными междоузельными атомами в тетраэдрическом
положении, что модифицирует структуру их электронных уровней, хотя пассивация указанных дефектов в
данном случае не происходит. Пассивация вакансионных дефектов атомами водорода является эффективным
способом изменения электронной структуры углеродных пленок и, следовательно, дает возможность управлять электрическими и оптическими свойствами тонких пленок.
Предлагаемый способ позволяет получать пленки, обладающие уникальной совокупностью свойств, которые отвечают параметрам алмаза, графита или C-H полимера. Такое разнообразие свойств пленок обусловливается сложностью и вариативностью их фазового состава, включающего: 1) аморфную
алмазоподобную фазу (с Sp3 - гибритизацией углеродных связей); 2) аморфную графитоподобную фазу (Sp2 гибритизация); 3) аморфную полимероподобную фазу (Sp1 - гибритизация).
Разработанный способ, в отличие от способа-прототипа, может быть использован при получении мишеней относительно большой площади и объема, что особенно важно в условиях изготовления микроэлектронных изделий на сверхбольших полупроводниковых подложках и при применении высокопроизводительного
автоматизированного оборудования для нанесения тонких пленок.
Пример реализации предлагаемого способа. Получали мишени диаметром 92, 120, 150, 180, 200 мм и
толщиной ∼3,5-6 мм для распыления с помощью магнетрона на постоянном токе и ВЧ магнетрона. В качестве основания мишени использовали пластины из меди марки M-1 толщиной 0,5 мм и диаметром, соответствующим диаметру получаемой мишени. На пластины наносили гранулы материала БРОФ-10-1 (бронза с
добавками олова 10 % и фосфора 1 %), толщина слоя гранул составляла ∼0,8-1,0 мм, диаметр гранул равен
∼0,3-0,5 мм. Затем гранулы промежуточного слоя припекались к меди в проходной печи при температуре
820-840 °C в течение 2-4 час. в среде эндогаза (не полностью сожженный природный газ). Соединение графитового порошка с полученным композитным основанием проводили в пресс-форме холодным статическим прессованием при давлении 2,0-7,0 Т/см2. В данном случае использовали порошок природного графита
марки ГСМ-1 (графит специальный малозольный, ГОСТ 18191-78) выпуска Завальевского графитового комбината. Формировали мишени из чистого порошка графита, а также из графита с добавками редкоземельных
элементов и их соединений. Порошок редкоземельного элемента получали механическим способом из литого металла, а используемые порошки соединений редкоземельных элементов соответствовали квалификации
хч.
Смесь графита с редкоземельными элементами или их соединениями гомогенизировали и измельчали
всухую в барабанном смесителе в течение 7 час. По предлагаемому способу получали мишени как диаметром 92 мм, так и относительно большого диаметра - 120, 150, 180 и 200 мм. При применении добавок с концентрацией в оптимальном диапазоне, а также при использовании промежуточного слоя гранул между
порошком графита и медным теплоотводящим основанием плотность получаемых мишеней достигает 8595 % от теоретической и составляет 1,8-2,1 г/см3, а мишени выдерживают до 220-230 часов распыления, т.е.
не происходит их механическое разрушение практически до полного распыления графита (табл. 4). Мишени,
полученные по известному способу (прессование порошка графита без добавок и без промежуточного слоя
гранул), выдерживают не более 30-35 часов распыления.
7
Таблица 4
Толщина
мишени,
мм
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
4,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
4,5
4,5
4,5
4,5
5,0
5,0
5,0
5,0
Наличие
промежуточн. слоя
имеется
-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-
Добавки
Концентрация,
мас. %
Плотность, %
Пористость, %
Наработка до
разруш., час
Y
Но
Y2O3
YF3
Но + Но2О3
Y
Y
Y
Но
Но
Y2O3
YF3
Но + Но2О3
Но + Но2О3
HoH3
Ду + ДуF3
Но + НоН3
Ho2O3+HoH3
ДуF3 + ДуН3
Но + Но2О3 + HoH3
Ho + HoF3 + HoH3
0,05
0,05
0,06
0,08
0,1
1,0
4,0
0,1
3,0
1,27
1,64
1,0 + 1,14
1,0 + 1,14
2,04
1,0 + 1,35
1,0 + 1,02
1,14 + 1,02
1,35 + 1,02
1,0 + 1,14 + 1,02
1,0 + 1,35 + 1,02
85
87
84
86
87
81
80
93
94
95
94
95
95
94
95
88
90
90
92
87
88
89
89
17
13
16
14
13
19
20
7
6
5
6
5
5
6
5
12
10
10
8
13
12
11
11
22
25
19
29
23
32
10
81
127
213
77
221
215
202
211
196
206
189
198
219
223
221
218
Примечания
Мишени требуют тщательного обращения, специальных методов упаковки, хранения и крепления на
мишенедержателе
Мишени имеют достаточно высокую
механическую прочность; не разрушаются практически до полного распыления; плотность материала
мишеней близка к теоретической.
BY 4682 C1
8
Диаметр
мишени,
мм
92
92
92
92
92
92
150
92
92
92
92
92
92
92
92
150
150
150
150
200
200
200
200
BY 4682 C1
При ВЧ магнетронном распылении мишеней в процессе осаждения тонких углеродных пленок наблюдается
устойчивое возбуждение плазменного облака, не происходит нагрев мишени до высокой температуры. Применение добавок в оптимальном диапазоне концентраций позволяет избежать возникновения в тонких пленках
больших механических напряжений и предотвратить их растрескивание (табл. 5). На основе тонких пленок, полученных путем распыления мишеней, изготовленных по разработанному способу, были сформированы МДПструктуры с достаточно высокими электрофизическими параметрами (табл. 6). Получаемые углеродные пленки
хорошо зарекомендовали себя в качестве защитных и стабилизирующих покрытий, активных элементов звукопроводов поверхностных акустических волн из монокристаллического кварца, ниобата лития, кремния, арсенида галлия, слоистых структур стекло/пленка ZnO для микроэлектромеханических систем; защитных покрытий
печатных плат электронных наручных часов и компьютеров, пассивирующ и антистатических покрытий интегральных микросхем, элементов поглощающих покрытий СВЧ и ВЧ диапазонов, оптических покрытий CDдисков.
Разработанный способ получения мишеней для осаждения углеродных пленок используется при выполнении
научных проектов по Республиканской научно-технической программе "Алмазы".
Таблица 5
Концентрация добавок в материале мишени,
мас. %
Параметры тонких углеродных пленок
Y : 0,l; 1,0; 4,0;
Y2O3 : 1,27;
YF3 : 1,64;
Величина средних внутренних напряжений в углеродных пленках, МПа
Плотность тонких углеродных
пленок, г/см2
Но + Но2О3 : 1,0 + 1,14;
Показатель преломления
(в видимом диапазоне длин волн)
1,46-2,31
Коэффициент экстинкции
(в видимом диапазоне длин волн)
0,002-0,812
Но2О3 + НоН3 : 1,14 + 1,02;
Удельное электрическое
сопротивление, Ом · см
4,5-6,3 · 108
DyF3 + DyH3 : 1,35 + 1,02;
Ho + HoO3 + HoH3 : 1,0 + 1,14 + 1,02;
Но + НоF3 + HoH3 : 1,0 + 1,35 + 1,02;
Твердость (по Виккерсу)
850-2420
Но + НоН3 : 1,0 + 1,02;
Dy + DyF3 : 1,0 + 1,35;
Y : 5,0;
Y2O3 : 6,27;
YF3 : 7,95;
не более 200-250
Шероховатость, %
1,3-2,7
∼2
Величина средних внутренних
∼1900-2450
напряжений в углеродных пленках, МПа
Пленки растрескиваются и многослойные структуры на их основе не могут быть использованы
Таблица 6
Характеристики графитовых мишеней
1.
2.
3.
4.
Диаметр
Толщина
Добавка Y
Диаметр
Толщина
Добавка Y2O3
Диаметр
Толщина
Добавка YF3
Диаметр
Толщина
Добавка Ho
HO2O3
92 мм,
3,5 мм,
1,0 мас. %
92 мм,
3,5 мм,
1,27 мас. %
92 мм,
3,5 мм,
1,64 мас. %
150 мм,
4,5 мм,
1,0 мас. %
1,14 мас. %
Параметры МДП-структур на основе кремния
МДП-структура: алюминий - углеродная пленка - кремний
Толщина углеродной пленки 1 мкм
Напряжение плоских зон 0,1-0,3 В
Эффективная плотность заряда на границе раздела с кремнием ∼1010 см-2
9
BY 4682 C1
Источники информации:
1. Гиро А.М., Шевченок А.А. и др. Новые материалы для тонкопленочных функциональных элементов электронной техники. - Мн.: Навука i тэхнiка, 1994. - С. 6-8.
2. Шевченок А.А., Барай С.Г., Колешко В.М., Гулай А.В. Исследование материала мишеней на основе графита для формирования тонких пленок // Порошковая металлургия. - Вып. 21. - 1998. - С. 55-58.
3. Murr L.E. et. al. Effect of Shock Pressure on Superconductivity in Explosively Fabricated Y-Ba-Cu-O/Metal Matrix Composites. Phus. St. Sol. (a), 123, 507 (1991) (прототип).
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
239 Кб
Теги
патент, by4682
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа