Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

EXPLOSIVE COMPACTION OF SPUTTERING TARGETS FROM OXIDE POWDERS

Rogozin V.D. 1 Pisarev S.P. 1 Kazak V.F. 1
1 HPE «Volgograd State Technical University»
The possibility of obtaining large sputtering targets from oxide powders without a filler by the method of explosive compaction is shown. The scheme of explosive loading is optimized by computer analysis and the targets from YBa2Cu3O7, ZrO2, MgO, Al2O3 powders with a thickness of 4-8 mm and a diameter of 120-150 mm are obtained. Testing results for targets from YBa2Cu3O7 powder are presented and show a significant reduction in training time and increase of targets resistance.
sputtering targets
explosive compaction
oxide powders

В современных технологиях микроэлектроники сложные радиоэлектронные схемы формируют путем осаждения тонких слоев при распылении мишеней [1] из проводниковых, резистивных, диэлектрических, полупроводниковых и других материалов. К мишеням предъявляется ряд высоких требований, таких как химическая чистота и однородность состава по всей площади мишени, высокая плотность для снижения газосодержания в порах, высокая стойкость в условиях теплосмен и больших перепадов температуры по толщине. Мишени, получаемые традиционными методами порошковой металлургии, во многих случаях не удовлетворяют таким требованиям и в связи с этим в данной работе исследована возможность и условия взрывного прессования [2, 6] крупногабаритных распыляемых мишеней из оксидных порошков без связки.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на порошках промышленного производства, которые использовались в состоянии поставки, без введения связок и пластификаторов (табл. 1).

Для получения распыляемых мишеней в виде дисков толщиной 4–8 мм и диаметром 120–150 мм разработана представленная на рис. 1 схема плоского взрывного прессования порошка в контейнере, располагаемом в передающей среде между плитой-пуансоном и плитой-основанием. Электродетонатор и система детонирующих шнуров обеспечивают плоский фронт детонации заряда взрывчатого вещества, давление продуктов детонации разгоняет плиту-пуансон, создавая ударную волну в передающей среде, что обеспечивает мощный импульс ударного давления в прессуемом порошке и его уплотнение.

Таблица 1

Порошки для взрывного прессования мишеней

Материал частиц

Размер частиц

Начальная плотность

мкм

кг/м3

YВa2Cu3O7

20–30

2900

ZrO2

2–10

2250

MgO

2–5

300/1670*

Al2O3

10–30

1200

Примечание. * – после предварительного прессования и размола.

Результаты исследования и их обсуждение

Для оптимизации схемы разработана компьютерная программа расчета волновой картины взрывного нагружения [3], с помощью которой выявлены существенные особенности процесса прессования и исключено образование трещин и расслоений при больших поперечных размерах, малой толщине и высокой плотности спрессованного керамического материала.

На рис. 2 приведены кривые разгона плиты-пуансона, рассчитанные для средней скорости (1) и для нижней плоскости плиты (2), прилегающей к передающей среде. Видно, что плита испытывает мощные колебания по толщине [4] и как следствие, в верхней части передающей среды возникают множественные отколы и расслоения. По этой причине контейнеры с образцами располагаются в нижней части передающей среды.

pic_26.tif

Рис. 1. Схема взрывного прессования распыляемых мишеней: 1 – электродетонатор; 2 – детонирующие шнуры; 3 – заряд ВВ; 4 – плита-пуансон; 5 – контейнер; 6 – плита-основание; 7 – песок

pic_27.tif

Рис. 2. Вибрация плиты-пуансона: 1 – средняя скорость плиты; 2 – скорость нижней плоскости

pic_28.tif

Рис. 3. Ударный импульс в порошке при различной толщине обкладок контейнера: 1 – без обкладок; 2–5 мм; 3–10 мм; 4–15 мм

Компьютерный анализ показывает (рис. 3), что с увеличением толщины обкладок контейнера максимальное давление в прессуемом порошке существенно увеличивается. Расчетные результаты подтверждаются опытными данными (табл. 2).Эффект объясняется более полным отбором энергии от плиты-пуансона и увеличением времени воздействия на порошок волны, отраженной от плиты-основания.

Таблица 2

Плотность (кг/м3) прессовок в зависимости от толщины обкладок контейнера

Материал порошка

Толщина обкладок, мм

3,5

5,0

6,5

10

ZrO2

4000

4250

4300

4400

YBa2Cu3O7

5000

5200

5500

На рис. 4 сопоставлена форма импульса среднего давления (а) и давлений, действующих на верхней (б) и нижней (в) плоскостях прессуемого порошкового слоя. Как видим, давление в порошке изменяется монотонно, причем локальные отклонения давления от среднего малы и процесс нагрузки и разгрузки происходит практически одновременно по всей толщине прессовки. Такие условия обеспечиваются демпфирующим действием передающей среды, что предотвращает появление трещин в прессовке.

pic_29.tif
                     а                              б                                  в

Рис. 4. Форма ударного импульса в прессовке (а), на ее верхней (б) и нижней (в) плоскостях

В итоге, представленные результаты расчетов и контрольных экспериментов обеспечили получение крупногабаритных высокоплотных распыляемых мишеней из порошков оксидных материалов в виде плоских дисков толщиной 4–8 мм при диаметрах 120–150 мм с относительной плотностью материала 80–90 %.

Испытания спрессованных взрывом мишеней из YBa2Cu3O7 проводились при магнетронном распылении. Сопоставлялись результаты для мишеней, полученных взрывным прессованием (ВП) и полученных по обычной технологии порошковой металлургии (ПМ). Эксперименты показали, что ВП-мишени значительно превосходят ПМ-мишени по важнейшим показателям:

1. Время выхода мишени на расчетный режим (время тренировки). На рис. 5 показана зависимость химсостава осажденных пленок от времени тренировки мишени. Как видим, ПМ-мишени выходят на постоянный состав лишь через 15–20 часов, а ВП-мишени дают стехиометрический состав уже через 3–5 часов, что можно объяснить отсутствием связки и малым газосодержанием в порах высокоплотной структуры.

а pic_30.tif бpic_31.tif

Рис. 5. Зависимость химсоставанапыленных пленок от времени тренировки для ПМ (а) и ВП (б) мишеней

2. Стойкость мишени. В рабочем режиме распыления действует значительный перепад температуры по толщине мишени (примерно 600 К) и кроме того, в установке распыления мишень работает периодически, испытывая многократные теплосмены. В таких условиях ВП-мишени имеют в 2–3 раза больший ресурс работы (150–200 теплосмен), чем ПМ-мишени. Это можно объяснить большей подвижностью межчастичных связей в прессованной структуре ВП-мишени по сравнению с жесткими связями в спеченной структуре ПМ-мишени [5].

Заключение

Таким образом, метод взрывного прессования обеспечивает получение крупногабаритных высокоплотных распыляемых мишеней из труднопрессуемых оксидных керамических порошков без связки, обладающих повышенными служебными свойствами по сравнению с мишенями, получаемыми по традиционной технологии порошковой металлургии.