A „magnetronos” porlasztás hazai története

(Vágó György)

ELŐJÁTÉK

Az 1962-ben a HIKI négyes számú laborjában dogoztam, ami az Egyesült Izzó terültén volt akkor. Ezért számos kérdésben közös munkát is lehetővé tett a két intézmény dolgozói közt.

Ilyen volt, hogy Oldal Endre és Nágel Ferenc közös fejlesztési munkája, ami a Penning [1] vákuummérő kifejlesztése volt.

Már nem emlékszem, hogy miként kerültem kapcsolatba velük, de felajánlottam, hogy a tápegységét megépítem.

Nem tartottak rá igényt, de ettől függetlenül fokozott figyelemmel kísértem munkájukat.

A megépített eszköz semmiképp nem akart működni.

1. ábra

A feszültség bevezető elektróda eredetileg volfrám rúd volt. (A rajz kb.1:0.5 arányú.) A kívánt kisülés tere kicsiny.

A glimm kisülés begyújtása lavina effektussal történik. Kell egyetlen töltéshordozó, ami ezt a folyamatot beindítja.

Feltételeztük, hogy ez igaz a Penning kisülésre is. Ezért a volfrám rudat,  kicserélték tóriummal ötvözött volfrámra — amit az EIVRT-ben egyébként is használtak, — és a tórium, ami enyhén radioaktív, biztosította a begyújtáshoz szükséges „indító” töltés-hordozót.  Így a vákuummérő már kifogástalanul működött.

Ez volt az első találkozásom a Penning kisüléssel.

A második 1974. történt Frankfurt a. M-ben, ahol három hónapos ösztöndíjjal voltam. Itt feladatom volt impulzus üzemű Penning ionforrás tanulmányozása.

BEVEZETŐ

A félvezető gyártás lényeges része az aktív elemek „huzalozása” amit elnevezésem szerint a rossz diák módszerével valósítanak meg. ( A jó diák a műszaki rajzot tussal megrajzolja, míg a rossz, a pausz papírt leönti tussal és a feleslegest kikaparja.)

A félvezető szeletet egészében bevonják alumíniummal, és a felesleget kimaratják. A bevonást elektronsugaras párologtatással végzik, 99,999 %-os tisztaságú alumíniumból. (Ezt nálunk a Fémipari Kutató Intézet állította elő.)

Ez az eljárás tökéletesen megfelelt addig, míg az integráltság foka el nem érte azt a méretcsökkenést, amikor már a „huzalozás” károsodást szenvedett a rajta áthaladó áram, illetve az utólagos hőkezelés miatt.  Ezért az alumíniumot ötvözni kellett először szilíciummal (ez még — nehezen, de ment — elektronsugaras módszerrel), majd rézzel, (itt nem részletezendő kémiai és fizikai okok miatt), de ez már nem volt megoldható a régi eljárásokkal, újat kellet találni. Ez volt a magnetronos porlasztás.

Az 1974-es Temescal katalógusban jelent az első változata a magnetronnak. [2]

(Harcot indítottam — sokkal később — az elnevezés ellen, mert a név már foglalt volt, egy mikrohullámú adócső viselte. Ez van minden mikrohullámú sütőben. Elbuktam. A név maradt!)

Egy kis műszaki bevezetés.

A vákuumporlasztás — mint réteg előállítás — régóta ismert, de ez a félvezető technológiában gyakorlatilag nem használható, mert a porlasztásnál alkalmazott glimm kisülés töltéshordozói károsítják a félvezető struktúrákat.

A magnetron felfedezése az volt, hogy nem glimm, hanem Penning kisülést alkalmaztak. Ez úgy működik, hogy egymásra merőleges villamos és mágnes térben a plazma gyűrű alakot vesz fel. (A Penning kisülés és a katódporlasztás fizikájának részletes leírását mellőzöm.)

2. ábra

A gyűrűben maradnak a töltéshordozók, és abból esetleg kiszóródók már nem okoznak károsodást a forrás közelében elhelyezett félvezető szeletben. (A technológia váltással egyidejűleg áttértek az egyedi szeletmegmunkálásra.) 

Az elektronsugaras párologtatás és a magnetronos porlasztás

összehasonlítása

3. ábra

(A Penning porlasztás elnevezés tőlem származott, de a „magnetron” győzött.)

-------

Nálunk a történet úgy kezdődött, hogy a MEV (Mikroelektronikai Vállalat, a Híradástechnikai Kutató Intézet [HIKI] jogutódja) vezérigazgatója Nemeskéri Iván, részt vett egy nemzetközi kiállításon, ahol találkozott nevezett eszköz egy kivitelével, és hazajövet utasításba adta, nekem, hogy fejlesszem ki a magnetront!

Akkoriban az elektronsugaras párologtatás egy — általam szabadalmazott — egy új eljárással, az „ionos párologtatással” foglalkoztam [3], és nem kívántam abbahagyni!

Itt kell megjegyeznem, hogy elektronsugaras forrásfejlesztéshez szükséges mágnesek alkalmazásához elcsábította az akkori igazgató helyettes dr. Erdélyi János barátját, Kertész Gábort az Izzóból a MEV-be.

Gábor a mágnesek szakértője, az elkövetkező időkben közvetlen munkatársam lett.

(Az idők során kiderül, hogy a szabadalmam akaratlan koppintás volt!)  

Dr. Erdélyi utasítására — a 70-es éve vége felé — abba kellett hagynom minden egyéb tevékenységem és feladatommá tette a magnetron kifejlesztését Kertész Gáborral közösen.

(Elnézését kérek az olvasótól, de negyven valahány év elteltével a pontos dátumokra nem emlékszem!)

Gáborral együtt egy csoportot bíztak rám, melynek tagjai (változó időtartamban): Nemeskéry Géza, Szakály István, Backhausz László, Karányi József, Runge János, Goldmann Róbertné, Nagy György voltak.

Az első lépést Gábor tette. Szerzett négy darab tégla alakú mágnest, melyet a rövidebb oldalán mágnesezett fel. (A mágnesező berendezést is Ő készítette.)

4. ábra

A fenti ábra szerinti elrendezést vas alapra helyezte valamint a vákuumrendszerbe szigetelő alapra helyezte, és egy izzó soron át 1000 voltos tápegységet kapcsolt rá. (Az izzó sor azért kell, mert a kisülés negatív ellenállású. [Áram generátor.])

Lefedte egy vékony alumínium lappal. A vákuum kellő értékre beállítva, a Penning kisülés elindult, és fennmaradt tartósan, bizonyítva, hogy nem boszorkányság a magnetron!

(Bárány István kollégám ezt a jelenséget meglátva, felkiáltott: „ez ilyen egyszerű???”) 

A továbbiakban egyértelműen a katód (target) mindig nagy (max 1kV) negatív feszültségen van az anód föld potenciálon. 

(A korábban említett gyújtási problémát a mindenütt jelenlévő kozmikus sugárzás oldotta meg, mely a kisülési tér kis mérete miatt a vákuumérésnél nem működött.)

Az eredményes munka érdekében a  véletlen szólt közbe. A KFKI egyik részlegében üzembe helyeztek egy amerikai (Varian) vákuum rendszert. A megrendelésben szerepelt az u.n. S-GUN, ami — a Temescalt — kivéve a piacon kapható egyetlen magnetron volt. (A nevét az E-GUN [elektronsugaras párologtató forrás] mintájára kapta, ahol az S a „sputtering” [porlasztás] szót rejti.)

Sajnos ez árucikk a cocom lista első helyei közt szerepelt. (Az 1970-éves vége.)

Természetesen nem szállította a cég!

De! A vákuum kamra első kinyitásakor találtak benne egy részletes munkanaplót, és az S-GUN részletes gépkönyvét. Ezt a géppel dolgozó kolléga — tudva, hogy ennek fejlesztésével én foglakozom — átadta nekem a gépkönyvet, amiben az S-GUN keresztmetszeti képe is benne volt. [4]

5. ábra

A Varian S-gun erdeti rajza. (Henger szimmetrikus)

(A magyar elnevezések már tőlünk származik)

 Nem került nagy fáradságunkba „megfejteni” a rajzot, és ennek alapján megépíteni a magnetron ezt a kivitelét. Gondot csak a speciális formájú mágnesek jelentették.

Ezt a problémát Gábor a KÖVAC kapcsolata lévén legyártatta.  

Az első tápegységet Kertész Gábor építette, a továbbiakat Nemeskéry Géza tervei alapján — erre a célra már korábban létrehozott csoportban — Runge  János és társai építették. (12. Ábra)

A megépített S-gun modellt üzembe helyeztük először alumínium targettel (a target a porlasztandó anyag).

Az alumínium réteget felhasználtuk, majd vizsgáltuk a target kihasználtságát, annak  felhasználása után. 

6. ábra

Az S-gun-al szerzett tapasztalatok az alábbiak voltak:

1.) Nagyon kicsi a target kihasználtság (30 %)

2.) Rossz a rétegvastagság eloszlás

3.) Nem lehet könnyen más anyagból targetet készíteni (szerezni).

(Ez utóbbi egy igazi „hoppá” volt: megrendeltünk a gyártó cégtől egy tantál targetet, de a válasz az volt, „adjuk meg a gyártási számot!” Na ez nem volt.)

Nálunk a szükséges tisztaságú tantál nem volt, de ha lett volna is, ilyen formájúra munkálni, rendkívüli anyag veszteséggel járna.

A szakirodalomból egyértelműen kiderült, hogy a maximális porlasztási sebesség ott valósul meg, ahol a mágneses tér merőleges a targetre. Egy nagyon kis terület, ezzel is magyarázható rossz target kihasználtság.

A rossz rétegvastagság eloszlás pedig a target formájából adódott 

A levont következtetésünk az volt, hogy csak vízszintes targettel és lényegesen módosított mágnes térrel lehet használhatóbb forrást készíteni.  

Azt ötletet — miszerint a mágneses teret úgy kell módosítani, hogy nagyobb területen legyen a tér közel merőleges a targetre , segéd mágnesekkel lehet biztosítani, — szabadalmaztattuk, és a gyakorlatban is alkalmaztuk. [5]

7. ábra

Az ábrán az első — segéd mágnesekkel készült — magnetron vázlatos ábrája látható. A fő- és segéd mágnesek hengeres NiCr.  típusúk. A segéd mágnesek gyűrű szerűen veszik körbe a fő mágnest. A gyakorlati kivitele a 7. ábrán látható.  

8. ábra

Ebben a kivitelben az anódot is hűtöttük. A target hűtést az S-gun megoldásáról másoltuk.

A targetet azért kell hűteni, mert a betáplált teljes villamos energia azon nyelődik el. (A mi általunk tervezett és gyártott források maximális teljesítménye 10 kW volt)

A targetet a peremén hűtöttük.

Ez a forrás már iparilag alkalmazható volt. HIM 10 nevet kapta.

A beüzemelés során egy alkalommal semmiképp nem gyulladt be a kisülés. Az árnyékolást 2 mm-el megemelve a forrás működött. Ebből arra a következtetésre jutottunk, hogy a target felett nem szerencsés föld potenciálon lévő fémet elhelyezni, mikor,  — mint már említettem — a target nagy negatív potenciálon van.

További fejlesztési lehetőséget kínál az a tény, hogy itthon is kifejlesztették a kobalt-szamárium (SmCo) mágneseket a Vasipari Kutató Intézetben.

Gábornak — természetesen — ide is volt kapcsolata, ezért kívánságára legyártották azokat a mágneseket, melyek az előző típusban szerepeltek, az SmCo mágnesek nagyságrenddel nagyobb térerőt gerjesztettek mint a NiCr mágnesek, ezzel lehetőségünk nyílt csökkenteni a forrás méreteit.

Gábor jelentős ötlete volt a pólus saru, mely a mágnes tér irányát optimalizálta.

Pólus saru

9. ábra

Ez olyan jelentős változást okozott, mely a plazma lényeges lokalizálását okozta.

Ezt a tény egy sokkal később gyártott (és segéd mágnes nem tartalmazó) 5 cm target átmérőjű forrás (TORUS 5) plazma képével vázolom:

pólus saru nélkül	pólus saruval

10. ábra

A megépített kísérleti forrás segítségével a félvezetők fémezését mind alumíniummal, mind az Al/Si/Cu ötvözettel megoldottuk. Ebben a munkában szorosan együttműködtünk Glaser Péterrel.

A nagy tisztaság miatt óriás kristályok alakulnak ki. (L.: 11. ábra)

A target kopása is jelentősen növekedett:

Az eredeti és a használt target

11. ábra

A technológia fejlesztés során a következő lépés az „átlátszó vezető” fejlesztésére került sor, melyet a folyadékkristályos kijelzők gyártásának a feltétele. Ebben a  témában segítségemre voltak Ligeti Róbertné a téma vezetője és  Hanusovszki Andrásné. (Porlasztott anyag indium ón ötvözet volt.)

Közben — párhuzamosan — a forrást is fejlesztettük. Több változat is született, de megkímélem az olvasót ezek ismertetésétől.

Az a forrás mellyel az In/Sn ötvözet porlasztást végeztük már lényeges fejlettebb volt, mint az M10.

A történet itt jelentős fordulatot vett.

Strausz Tamás megrendelt — a HIKI-be már korábban beszállító USA lévő cég vezetőjétől Kiss Zoltántól — egy vákuum rendszer,  magnetronnal együtt. A rendszer megérkezett  és személyesen Kiss úr adta át.  Az átadás  során  sűrű  elnézést kért,

mert az embargó miatt az S-Gun-t nem tudja szállítani! Erre Strausz azt válaszolta: „nem baj, nekünk van jobb!” Kiss úr azonnal látni akarta. Megmutattuk. A látogató azonnal elismerte, hogy ez valóban jobb, mint az S-Gun! Sőt, üzleti lehetőséget látott benne.

Ezért felajánlotta, hogy küldjünk ki hozzá egy forrást, tápegységgel együtt, és két hónapra egy dolgozót, aki majd kezeli.

Ekkor Eszes Nándor volt a főnököm, Ő utazott ki üzembe helyezni a rendszert, majd én váltottam, azzal a feladattal, hogy

egyrészt bemutassam a forrást szakértőknek és várható vevőknek, ugyanakkor segítsek kidolgozni „átlátszó vezetőt” napelem céljára.

10 kW-os tápegység [6]

12. ábra

Kiss Zoltán cégét — akkor — Chronar-nak hívták (Princeton, New Jersey), és kvarcórák gyártásával foglalkozott. (Akkor még plazma kijelzőkkel.)

Egyidejűleg folyt a napelem fejlesztés. (A HIKI és utódja a MEV felszámolása után nem sokkal Kiss Zoltán Budapesten napelem gyárat létesített Strausz Tamás igazgatásával.)  

A kitűzött célt nem sikerült teljesítenem. Egyetlen szakember tekintette meg a forrást (J.C.Vossen [7]) aki elismerőleg nyilatkozott a forrásunkról. (Ő és társa volt az első, aki ezen eljárásról publikált, ezért a témának elismert szakembere volt akkor.)

Szerintem rontott az üzleti esélyünkön dr. Erdélyi János, aki a — látogatása során — közös tárgyaláson hangsúlyozta, hogy ez még nem „kiforrott” típus. (Bár — mint később kiderült — igaza volt, de én akkor és ott, legszívesebben megfojtottam volna!).

A kért technológiát a műszaki feltételek hiányosságai miatt, — melyet ottlétem alatt nem orvosoltak — nem tudtam megvalósítani, de mint később kiderült, (a napelem gyár telepítésekor) ez nem okozott problémát. 

A fenti okok és a Chronar profilja miatt Kiss Zoltán azzal szállt ki az üzletből, hogy azt átadta egy profi vákuumtechnikai cégnek a „LESKER VACUUM”-nak.

Ez a váltás sikert hozott, mind a cégemnek, mind nekem, és Leskernek is. Számos változtatást kértek a forráson, míg megszületett a jól forgalmazható és az ipari igényt is kielégítő forrás, mely a „keresztségben” két nevet is kapott. Az USA-ban „TORUS 10” néven futott, (A kisülés formája valójában toroid de a torusz jobban hangzik!).

Itthon a „Pentron 10” nevet kapta.     

TORUS 10 felépítése

13. ábra

és gyakorlati kivitele tartozékaival

14. ábra [8]

A Lesker cég — tápegységet nem vett tőlünk — de forrást számosat.

A MEV felszámolásáig (1989-ben) 23 típust fejlesztettünk ki. Mind olyat, ami a vákuum rendszerbe építhető, illetve arra kívülről szerelhető. A TORUS 10 külső terű változata a 13. ábrán látható:

15. ábra [8]

A TORUS 10 sikerét biztosította, hogy abban az időben jelent meg a nemzetközi piacon, mikor sok helyen tértek át az egyszeletes megmunkálásra, és a szelet méret 10 inch volt. Ebben a tartományban a forrás (a fémezés távolságában) biztosítja a ±10 százalékos réteg egyenletességet. (Ez azért lényeges, mert következő művelet a maratás, amely igényli ezt az opciót.)

További előnye, hogy a target kihasználtság 60%, míg az S-Gun esetében csak 30% volt.

A target kopás

16. ábra [8]

A huszonhárom típusból kettőt emelek ki. Az első a Pentron 20M mely 1984-ben a Lipcsei vásár nagydíját kapta:

17. ábra

A második megemlítendő forrás a TORUS 2U (2cm a target átmérő az U az ultravákuum kivitelt jelenti).

Az ultravákuum (UV) kivitel azért fontos, mert az UV rendszereket 400 C⁰ –ra kelle kifűteni az UV elérése céljából, de az alkalmazott SmCo mánesesek Curie pontja 250 C⁰ ezért belsőterű forrás nem alkalmazható, mert a kifűtés idejére a mágneseket el kell távolítani.

(A érdekesség kedvéért: a fejlesztés időszakában a Leybold cég hazai ügyvezetője lebeszélni kísérelt meg, azzal, hogy a cége csak 5 darab UV forrást tudott csak eladni)

Ugyanakkor a Lesker cég három TORUS 5U alkalmazásával szupravezető rétegek előállításra komplett rendszert hozott létre, melyet még a katalógusának címlapján is szerepeltette:

18.ábra [8]

A gyümölcsöző együttműködésnek fontos feltétele volt a Mechatronika főosztály, mely gyakorlatilag a fejlesztéssel integrált gyártást is magában foglalta, és egy saját épülete volt a MEV területén. (C épület). Vezetője Eszes Nándor volt.

1988-ban az alábbi cégeknél működött a TORUS család valamelyik változat:

IBM Corporation

Hughes Aircraft

TRW Electronics & Defense

Honeywell

Rockwell International

Martin Marietta Energy Systems

Intel Corporation

University of California

Pensylvania State University

Raytheon Company

1984-től 1989-ig — a MEV felszámolásáig — 660 különböző típusú TORUS magnetront szállítottunk a Lesker cégnek, közel 1000000$ értékben.

A felszámolás során felvetődött, hogy a Lesker cég megveszi a Mechatronika főosztályt, de a MEV akkori vezérigazgatója dr. Balogh Béla azzal a feltétellel vállalta volna az „üzletet”, hogy a felszámolás okát okozó vállalati tartozás főosztályunkra eső részt a vevő átvállalja! Na ezt a feltételt Lesker nem kívánta megfizetni, helyette létrehozott Budapesten kereskedelmi kirendeltséget Eszes Nándor vezetésével.

A fejlesztés és a gyártás ekkor átkerült a Lesker céghez ami mind a mai napig tart (2016). [9]

19. ábra [9]

A TORUS 10 ma

UTÓSZÓ

 A 2000-es évek elején a Temscal az összes magnetron gyártót beperelte szabadalom lopás címén, ezért minden magnetron gyártót arra büntették, hogy a target négyzet inchenkén valamilyen (nem csekély [sajnos nem emlékszem mennyit]) összeget fizessenek a Temescalnak. 

A Lesker cég ezt az ítéletet megtámadta, arra hivatkozással, hogy a szabadalomban az a kitétel szerepel, hogy „a mágneses erővonalak a targeten átmennek” feltételnek a TORUS gyártmányok nem felelnek meg, és ezt kísérletileg bizonyította is.

Ennek eredményeként a Lesker cég lett az egyetlen melynek nem kell fizetnie.

IRODALOM

1. Penning, F.M. : US Patent No. 2.146.025 (1939).

2. Tesmescal katalógus (1974).

3. Vágó György: OTH Lajstromszám : 171 905 1973.

4. Varian gépkönyv (S-Gun).

5. Gábor Kertész, György Vágó: USP : 4,282.083 1981.

6. Runge János magán közlés.

7. Vossen, J.L.-Kern, W.: Thin Film Processes. Academic Press, New York, 1978.

8. Lesker katalógus 1987.

9. https://www.lesker.com/newweb/deposition_sources/torus_sputtercathodes_performance.cfm