RU2841367C1 - Sputtered magnetron assembly for the v-nb-mo-ta medium-entropy four-component alloy films deposition - Google Patents
Sputtered magnetron assembly for the v-nb-mo-ta medium-entropy four-component alloy films deposition Download PDFInfo
- Publication number
- RU2841367C1 RU2841367C1 RU2024133720A RU2024133720A RU2841367C1 RU 2841367 C1 RU2841367 C1 RU 2841367C1 RU 2024133720 A RU2024133720 A RU 2024133720A RU 2024133720 A RU2024133720 A RU 2024133720A RU 2841367 C1 RU2841367 C1 RU 2841367C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetron
- entropy
- medium
- plates
- sputtering
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Узел магнетрона относится к устройствам, используемым для синтеза пленок четырехкомпонетных сплавов в атомной промышленности, машиностроении, автомобилестроении и др.The magnetron unit is a device used for synthesizing films of four-component alloys in the nuclear industry, mechanical engineering, automotive industry, etc.
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]. Traditional metal alloys most often contain one main element. Twenty years ago, it was proposed to form alloys containing several metals in equimolar or nearly equimolar concentrations [doi:10.1016/j.msea.2003.10.257]. Such alloys, containing 3-4 metals, were called "medium-entropy". Medium-entropy alloys, with a unique compositional configuration, acquire high strength, excellent corrosion resistance, strong resistance to hydrogen embrittlement, etc. Films of these alloys are potential candidates for modifying the surface of materials operating under conditions of extremely high temperatures, increased radiation, chemical and mechanical effects. Films of alloys containing, for example, transition metals such as V, Nb, Ta, etc., have an excellent combination of strength and ductility both at room and cryogenic temperatures and have outstanding corrosion resistance [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 сплавовA magnetron with a sandwich target is effectively used for deposition of alloy films. For example, a magnetron described in the patent for utility model of the Russian Federation No. 207556 is known. The sputtering unit in it contains a target and a cooling plate. The target is made of two metal plates parallel to each other, located on the same axis with the cooling plate and rigidly attached to it. The inner plate is made of iron, and the outer one is made of nickel. In the erosion zone of the outer plate, slots are made, located symmetrically relative to its center. The technical result achieved is the creation of a unit that allows increasing the range of films obtained with a uniform chemical composition over the entire area, allowing deposition of films from ferromagnetic binary alloys.
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 Ni0,60Co0,3Fe0,1». 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.The closest to the proposed device in terms of the set of essential features is the sputtering unit described in the patent for invention of the Russian Federation No. 2808293 "Sputtering unit of a magnetron for deposition of composite multicomponent films of Ni 0.60 Co 0.3 Fe 0.1 ". This unit contains a target rigidly attached to the magnetron coaxially with it, and an additional lower cooled copper plate. The target contains three plates made of different metals (iron, cobalt and nickel). The four plates mentioned are located in parallel and mounted on the same axis. In the emission zones of the two upper plates, slits are made in the form of holes located symmetrically relative to their center. The achieved technical result is the creation of such a design of the sputtering unit of the magnetron, which will allow the formation of flows of components of the deposited Ni0.60Co0.3Fe0.1 film with identical energy spectrum and an increase in the total heat flow emitted by the target.
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. The disadvantage of the known device is that its design does not allow deposition of films of equimolar composition. To solve this problem, it is necessary to ensure identical sprayed metal flows generated by each plate. With any total area of the slits in the outer plate, the metal flow it generates will be greater than the flows from the underlying plates.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит осаждать пленки среднеэнтропийного четырехкомпонетного сплава V0,25Nb0,25Mo0,25Ta0,25. The problem, which the claimed invention is aimed at solving, is the creation of such a design of the sputtering unit of the magnetron, which will allow the deposition of films of the medium-entropy four-component alloy V 0.25 Nb 0.25 Mo 0.25 Ta 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 RMo, RNb и RV.The stated problem is solved due to the fact that the sputtering unit of the magnetron for depositing films of the medium-entropy four-component alloy V-Nb-Mo-Ta, like the known unit, contains parallel-arranged sputtering metal plates installed on the same axis with the magnetron and rigidly attached to it, and an additional lower cooled copper plate, wherein the unit is placed in plasma-forming argon, characterized in that it consists of four sputtering metal plates, the inner one is made of tantalum in the form of a solid disk, the other three are made of Mo, Nb and V, for a magnetron having an annular sputtering zone, they are rings with internal radii R Mo , R Nb and R V .
Достигаемым техническим результатом является создание такой конструкции распыляемого узла магнетрона, которая позволит осаждать пленки среднеэнтропийного четырехкомпонетного сплава V0,25Nb0,25Mo0,25Ta0,25.The achieved technical result is the creation of such a design of the sputtering unit of the magnetron that will allow the deposition of films of the medium-entropy four-component alloy V 0.25 Nb 0.25 Mo 0.25 Ta 0.25 .
фиг. 1 - конструкция распыляемого узла магнетрона; Fig. 1 - design of the sputtering unit of the magnetron;
фиг. 2 - зависимости от тока разряда плотности потоков металлов Ji, i = Ta, Mo, Nb, V, которые генерируют пластины мишени; Fig. 2 - dependences on the discharge current of the flux density of metals J i , i = Ta, Mo, Nb, V, which are generated by the target plates;
фиг. 3 - зависимости от тока разряда потоков металлов Qi, i = Ta, Mo, Nb, V и суммарного потока ΣQi.Fig. 3 - dependences on the discharge current of the metal flows Q i , i = Ta, Mo, Nb, V and the total flow 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 RMo толщиною 1 мм - из молибдена, 5 -кольцевая с внутренним радиусом RNb толщиною 1 мм - из ниобия, 6 -кольцевая с внутренним радиусом RV 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.Let us consider an example of the implementation of the sputtering unit of the magnetron (Fig. 1). The model of the proposed invention was implemented on the basis of a balanced cylindrical magnetron 1, on which the authors performed experiments. The sputtering unit contains on one axis an internal water-cooled plate 2 with a thickness of 4 mm, made of copper. Then the sputtering plates are installed: 3 - solid, 1 mm thick - made of tantalum, 4 - ring with an internal radius R Mo 1 mm thick - made of molybdenum, 5 - ring with an internal radius R Nb 1 mm thick - made of niobium, 6 - ring with an internal radius R V 1 mm thick - made of vanadium. The entire structure is rigidly fastened with bolts 7 to the magnetron body and placed in a gaseous medium consisting of plasma-forming argon. Washers 8 1 mm thick are installed between the plates, providing a gap between them. The annular spray area is limited by radii R 01 = 20 mm and R 02 = 40 mm. The lower copper plate 2 functions as a cooler, removing excess heat from the sprayed unit, and is not subject to spraying. Plates 3-6 operate in a free thermal mode, i.e. they are cooled by radiation and thermal conductivity of the fastening elements.
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: The erosion zones 9, 10, 11 and 12 of the solid tantalum plate 3, the ring molybdenum 4, niobium 5 and vanadium ring plates 6, respectively, have the shape of rings with an area of:
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. The device operates as follows (see Fig. 1). The process is carried out in an argon environment. At an argon pressure of 4-8 mTorr, a direct current gas discharge is initiated in a vacuum chamber using a magnetron, maintaining it in the range of 1.0 to 5.0 A. The magnetron used is balanced. This means that the magnetic field configuration in it provides an annular zone of intense target sputtering with internal and external radii R 01 and R 02 , respectively. Further, we will assume that the current density is distributed uniformly in this area. Along with the discharge current and argon pressure, the internal radii of the annular plates are independent variables of the device.
Каждая пластина за счет воздействия потока ионов аргона становится генератором потока соответствующего металла: QTa, QMo, QNb и QV, плотности которых равныEach plate, due to the effect of the argon ion flow, becomes a generator of the flow of the corresponding metal: Q Ta , Q Mo , Q Nb and Q V , the densities of which are equal to
где STa, SNb, SMo и SV - коэффициенты распыления металлов; j - плотность тока разряда; e = 1.6⋅10-19 Кл - заряд электрона; γTa, γNb, γMo и γV - 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 ai, i =Ta, Mo, Nb, V введены для сокращения записи. Формулы для этих величин можно представить в общем виде where S Ta , S Nb , S Mo and S V are the metal sputtering coefficients; j is the discharge current density; e = 1.6⋅10- 19 C is the electron charge; γ Ta , γ Nb , γ Mo and γ V are the ion-electron emission coefficients of metals. Expressions (5)-(8) take into account only the flows that arise due to sputtering with argon ions. The flows possible due to evaporation of the plates are neglected. In (5)-(8), the notations a i , i = Ta, Mo, Nb, V are introduced to shorten the notation. The formulas for these quantities can be presented in the general form
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:To solve the problem of depositing a film of a medium-entropy four-component alloy, it is necessary to determine the internal radii of the ring-shaped plates of the target. If we take into account that each of the plates generates a metal flow:
то условием формирования эквимолярной пленки является равенство потоков (10): then the condition for the formation of an equimolar film is the equality of flows (10):
Систему уравнений (11) удобнее выразить в относительной форме:It is more convenient to express the system of equations (11) in relative form:
В развернутом виде система уравнений (12) принимает вид:In expanded form, the system of equations (12) takes the form:
Решением системы (13) являются значения радиусов кольцеобразных пластин RV, RNb и RMo, которые обеспечивают решение поставленной задачи. В общем виде решение системы (13) запишем в виде, удобном для интерпретации:The solution to system (13) is the values of the radii of the ring-shaped plates R V , R Nb and R Mo , which provide the solution to the problem. In general, we write the solution to system (13) in a form convenient for interpretation:
Решение (14) получено с использованием значений физических параметров материалов пластин, приведенных в табл. 1Solution (14) is obtained using the values of the physical parameters of the plate materials given in Table 1.
Исходя из (14) запишем формулы для вычисления внутренних радиусов пластин в видеBased on (14), we write the formulas for calculating the internal radii of the plates in the form
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. From (15) it is evident that the radii of the ring-shaped target plates are uniquely related to the parameters of the ring-shaped sputtering region. They are the hypotenuses of right triangles whose legs are proportional to the inner and outer radii of this region.
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.We use solution (15) to analyze the particular case of the magnetron used in our experiments. The design of the magnetic system of this device provides a ring-shaped sputtering region with inner and outer radii of 2.0 and 4.0 cm, respectively. The area of this region is , Then the discharge current density in the accepted current range of 1-5 A changes from 0.03 to 0.13 A/cm 2 .
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.The values of the target plate radii calculated using formulas (15) and the corresponding areas of the sputtered regions (1)-(4) are shown in Table 2. Fig. 2 shows the dependences of the metal flux density calculated using formulas (5)-(8). The difference in values observed in Fig. 2 is due to the obvious difference in the physical parameters of the materials indicated in Table 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. Fig. 3 shows the dependences of the metal flows that generate different plates, calculated from the curves in Fig. 2 taking into account (10), and the dependence of the total flow that forms the alloy film.
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.Fig. 3 shows that the set goal has been achieved. The proposed magnetron unit with the given parameters allows depositing films of medium-entropy alloys containing four components, since the metal flows generated by different target plates are equal to each other in the entire observed range of discharge currents. Experimental studies with a sputtering unit, the plates of which were manufactured in accordance with formulas (15), confirmed the results of the analysis performed.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2841367C1 true RU2841367C1 (en) | 2025-06-06 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040074770A1 (en) * | 2002-07-02 | 2004-04-22 | George Wityak | Rotary target |
US20160053365A1 (en) * | 2014-08-20 | 2016-02-25 | Honeywell International Inc. | Encapsulated composite backing plate |
RU2751017C1 (en) * | 2017-07-26 | 2021-07-07 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Application of a coating with diamond-like carbon by the magnetronic pecvd method |
RU2761278C2 (en) * | 2017-07-26 | 2021-12-06 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Hardenable coatings with diamond-like carbon |
RU2808293C1 (en) * | 2023-07-31 | 2023-11-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбТЭТУ "ЛЭТИ") | SPUTTERED MAGNETRON ASSEMBLY FOR DEPOSITION OF COMPOSITE MULTICOMPONENT FILMS Ni0.60Co0.3Fe0.1 |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040074770A1 (en) * | 2002-07-02 | 2004-04-22 | George Wityak | Rotary target |
US20160053365A1 (en) * | 2014-08-20 | 2016-02-25 | Honeywell International Inc. | Encapsulated composite backing plate |
RU2751017C1 (en) * | 2017-07-26 | 2021-07-07 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Application of a coating with diamond-like carbon by the magnetronic pecvd method |
RU2761278C2 (en) * | 2017-07-26 | 2021-12-06 | Сэн-Гобэн Гласс Франс | Hardenable coatings with diamond-like carbon |
RU2808293C1 (en) * | 2023-07-31 | 2023-11-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбТЭТУ "ЛЭТИ") | SPUTTERED MAGNETRON ASSEMBLY FOR DEPOSITION OF COMPOSITE MULTICOMPONENT FILMS Ni0.60Co0.3Fe0.1 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Valente-Feliciano | Superconducting RF materials other than bulk niobium: a review | |
Kauffmann et al. | Combinatorial exploration of the high entropy alloy system Co-Cr-Fe-Mn-Ni | |
Holliday | Investigation of the carbon K and metal emission bands and bonding for stoichiometric and nonstoichiometric carbides | |
FI70256C (en) | JAERN-NICKEL-KOBOLTLEGERINGAR OCH DERAS ANVAENDNING | |
Al-Hatab et al. | Cyclic oxidation kinetics and oxide scale morphologies developed on alloy 617 | |
RU2841367C1 (en) | Sputtered magnetron assembly for the v-nb-mo-ta medium-entropy four-component alloy films deposition | |
Abbas et al. | Study of microstructural variation with annealing temperature of Ti–Al–C films coated on stainless steel substrates | |
Song et al. | High-throughput preparation and electrochemical screening of nanocrystalline Fe-Cr-Ni material libraries with homogeneous element distribution | |
Rashidi et al. | Effect of aluminizing on the high-temperature oxidation behavior of an alumina-forming austenitic stainless steel | |
Mahdavinejad et al. | Fabrication and experimental investigation of arc erosion behavior in W/Cu functionally graded composites | |
Kosari Mehr et al. | Magnetron sputtering issues concerning growth of magnetic films: A technical approach to background, solutions, and outlook | |
Swan-Wood et al. | Vibrational entropy of spinodal decomposition in FeCr | |
RU2210620C1 (en) | Process of ion-plasma deposition of multicomponent film coats , mosaic target for its implementation and process of manufacture of target | |
RU2808293C1 (en) | SPUTTERED MAGNETRON ASSEMBLY FOR DEPOSITION OF COMPOSITE MULTICOMPONENT FILMS Ni0.60Co0.3Fe0.1 | |
Zainal et al. | Oxide Growth Behaviour of 800H and HR-120 Series Ni-based Alloys on Isothermal Oxidation | |
Rahman et al. | High temperature oxidation behaviour of Cr/Co–Al coated superalloy | |
Zhu et al. | Characterisation of AlCrCuFeMo x high entropy alloys for nuclear fuel cladding | |
Dasgupta et al. | Pulsed plasma nitriding of large components and coupons of chrome plated SS316LN stainless steel | |
RU207556U1 (en) | Sputtered magnetron assembly for deposition of a FexNi1-x binary alloy film in the range 0.23 <x <0.27 | |
Zhang et al. | Structural, mechanical, and oxidation resistance properties of double glow plasma TaW alloys | |
Ezaki et al. | Prediction of the Occurence of the [sgrave] phase in Fe [sbnd] Cr [sbnd] Ni alloys | |
Laktarashi et al. | Deposition of AlN on Nimonic 75 by PFD device | |
McManus | Short‐Range Order in some Nickel‐Base Alloys | |
RU2784453C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING A FILM OF PERMALLOY NITRIDE FeXNi1-XN | |
Nicholls et al. | Vapour phase alloy design of corrosion-resistant overlay coatings |