DD272665A1

DD272665A1 - Verfahren zur herstellung quasikristalliner ausscheidungen in duennen, metallischen schichten

Info

Publication number: DD272665A1
Application number: DD31542288A
Authority: DD
Inventors: Viton Heera; Bernd Rauschenbach
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-05-05
Filing date: 1988-05-05
Publication date: 1989-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung quasikristalliner Ausscheidungen in duennen, metallischen Schichten. Moegliche Anwendungsgebiete sind die Grundlagenforschung, die Oberflaechenveredlung metallischer Werkstoffe und die Elektronik. Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von quasikristallinen Ausscheidungen in duennen Metallschichten gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass abwechselnd duenne Schichten von Aluminium und 3d-Uebergangsmetallen (Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel) durch Aufdampfen (VD) oder aehnliche Verfahren auf ein Substrat (z. B. NaCl oder Silicium) im Vakuum abgeschieden werden und durch Beschuss mit Edelgasionen (Ionenenergien 10 KeV-1 MeV) vermischt und in den quasikristallinen oder amorphen Zustand ueberfuehrt werden. Die Gesamtdicke der abgeschiedenen Schichten muss dabei in der Groessenordnung der Ionenreichweite liegen. Die Implantationsparameter muessen so gewaehlt werden, dass eine zur Amorphisierung ausreichende Energie von den Ionen auf die Targetatome uebertragen wird und die Targettemperatur einen kritischen Wert von etwa 300C nicht ueberschreitet. Ein anschliessendes Aufheizen der amorphen Al-3d-Uebergangsschichten bis zu einer Temperatur von max. 200C fuehrt zur Bildung quasikristalliner Ausscheidungen bis zu einer Groesse von 1 mm.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung Mögliche Anwendungsgebiete sind die Grundlagenforschung, die Oberflächenveredlung metallischer Werkstoffe und die Elektronik. Quasikristalle sind aperiodische, aber langreichweltig geordnete Festkörperstrukturen, die sich damit wesentlich von den amorphen und kristallinen Festkörpern unterscheiden. Ihr Kennzeichen sind Elektronen· oder Röntgenbeugungsbilder mit kristallographisch verbotenen Punktsymrnetrien, wie z.B. der Ikosaedersymmetrie. Infolge der besonderen Struktur können Quasikristalle exotische, mechanische und elektronische Eigenschaften besitzen. Sie können in der Grundlagenforschung als Modellsubstanz für inkommensurable Festkörper dienen. Die Elektronenstruktur der Quasikristalle hat Ähnlichkeiten zur Elektronenstruktur der Supergitter, die zur Zeit die Grundlage für die Entwicklung schneller Schaltkreise bilden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Folgende Verfahren zur Herstellung quasikristalliner Ausscheidungen sind bekannt: /T. Janssen, A. Janna, AdW. in Phys., 1987, Vol.36, S.519; D. S. Schechtman u.a., Phys. Rev. Lett., 53,1984, S.1851/Schnellabschrecken aus der Schmelze und thermisch induzierte Festkörperreaktionen. Als hauptsächliches Schnellabschreckverfahren wird das sogenannte Schmelzspinnen angewendet, bei dem ein dünner Strahl der Schmelze auf ein schnell rotierendes Kupferrad auftrifft. In Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Rades können unterschiedliche Kühlraten eingestellt werden, die zu amorphen Legierungen, quasikristallinen und kristallinen Phasen führen. Bei den thermisch induzierten Festkörperreaktionen stellt man zunächst durch normale Erstarrung der Schmelze übersättigte Mischkristalle her, die anschließend einer thermischen Behandlung unterzogen wei den. Die Herstellung der Quasikristalle ist nur für bestimmte Legierungszusammensetzungen möglich und hängt empfindlich von den thermodynamischen Parametern des Herstellungsprozesses ab.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, dünne metallische Schichten mit nuasikristallinon Ausscheidungen herzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von quasikristallinen Ausscheidungen im dünnen Metallschichten zu erarbeiten.

Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von quasikristallinen Ausscheidungen in dünnen Metallschichten gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß abwechselnd dünne Schichten von Aluminium und 3d-Übergangsmetallen (Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nicke t) durch Aufdampfen {VD) oder ähnliche Verfahren auf ein Substrat (z. B. NaCI oder Silicium) im Vakuum abgeschieden werden und durch Beschuß mit Edelgasionen (lonenenergien 10KeV-1 MeV) vermischt und in den quasikristallinen oder amorphen Zustand überführt werden. Die Gesamtdicke der abgeschiedenen Schichten muß dabei in der Größenordnung der lonenreichweite liegen. Die Implantationsparameter müssen so gewählt werden, daß eine zur Amorphisierung ausreichende Energie von den Ionen auf die Targetatome übertragen wird und die Targettemperatur einen kritischen Wert von etwa 300°C nicht überschreitet. Ein anschließendes Aufheizen der amorphen A1-3d Übergangsmetallschichten bis zu einer Temperatur von max. 200°C führt zur Bildung quasikristalliner Ausscheidungen bis zu einer Größe von 1 pm.

Ausführungsbeispiel

Auf ein Säliciumsubstrat werden im Hochvakuum (<10'eTorr) abwechselnd 5 Aluminium-und 5 Eisenschichten abgeschieden. Die Dicke der Aluminiumschichten beträgt 17,5nm und die Dicke der Eisenschichten etwa 2,5 nm. Dadurch wird etwa ein mittlerer Stoffmengenanteil von 20% Eisen in dem 200nm dicken Multischichtsystem realisiert. Dieses Schichtsystem wird durch » Beschuß mit 10,e Xe^-lonen/cm’ vermischt und die Stromdichte ungefähr 3pA/cmJ. Nach der lonenbestrahlung wird die amorphe Schicht mit einer Heizrate von 10°C/min auf200°Cerwärmt und bei dieserTemperatur 20min gehalten. Dadurch bilden sich in einer kristallinen Aluminiummatrix zahlreiche quasikristalline Al-Fe Ausscheidungen mit einem Durchmesser von einigen nm bis zu 1 μ.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung dünner Schichten mit quasikristallinen Ausscheidungen, dadurch gekennzeichnet, daß alternierendo Schichtsysteme aus Al und 3d-Übergangsmetallen so auf einem Substrat abgeschieden werden, daß der Stoffmengenanteil an 3d-Übergangsmetall im Schichtsystem 17,5-25% beträgt, und daß dieses Sc'nichtsystem anschließend einer Mischung durch Edelgas-Ionenbestrahlung einer Energie zwischen 10 KeV und 1 MeV und einer Dosis zwischen 1 x 10¹³und 1 χ 10" Ionen/cm² unterzogen wird.

-1- 272 Patentanspruch:

2. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtsysteme nach oder während eier lonenbestrahlung einerthermischen Behandlung bei Aufheizrate <20°C/min, einer Endtemperatur zwischen 180 und 250⁰C und Temperzeiten zwischen 10 und 60min. unterzogen werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Mögliche Anwendungsgebiete sind die Grundlagenforschung, die Oberflächenveredlung metallischer Werkstoffe und die Elektronik. Quasikristalle sind aperiodische, aber langreichweitig geordnete Festkörperstrukturen, dia sich damit wesentlich von den amorphen und kristallinen Festkörpern unterscheiden. Ihr Kennzeichen sind Elektronen- oder Röntgenbeugungsbilder mit kristallographisch verbotenen Punktsymrnetrien, wie z.B. der tkosaedersymmetrie. Infolge der besonderen Struktur können Quasikristalle exotische, mechanische und elektronische Eigenschaften besitzen. Sie können in der Grundlagenforschung als Modellsubstanz für inkommensurable Festkörper dienen. Die Elektronenstruktur der Quasikristalle hat Ähnlichkeiten zur Elektronenstruktur der Supergitter, die zur Zeit die Grundlage für die Entwicklung schneller Schaltkreise bilden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Folgende Verfahren iur Herstellung quasikristalliner Ausscheidungen sind bekannt: /T. Janssen, A. Janna, AdW. in Phys., 1987, Vol.36, S.519; D. S. Schechtman u.a., Phys. Rev. Lett., 53,1984, S. leöl/Schneilabschrecken aus der Schmelze und thermisch induzierte Festkörperreaktionen. Als hauptsächliches Schnellabschreckverfahren wird das sogenannte Schmelzspinnen angewendet, bei dem ein dünner Strahl der Schmelze auf ein schnell rotierendes Kupferrad auftrifft. In Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Rades können unterschiedliche Kühlraten eingestellt werden, die ?.u amorphen Legierungen, quasikristallinen und kristallinen Phasen führen. Bei den thermisch induzierten Festkörperreaktionen stellt man zunächst durch normale Erstarrung der Schmelze übersättigte Mischkristalle her, die anschließend einer thermischen Behandlung unterzogen weiden. Die Herstellung der Quasikristalle ist nur für bestimmte Legierungszusammensetzungen möglich und hängt empfindlich von den thermodynamischen Parametern des Herstellungsprozesses ab.

Ziel der Erfindung

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von quasikristallinen Ausscheidungen in dünnen Metallschichten gefunden, das dadurch gekennzeichnet äst, daß abwechselnd dünne Schichten von Aluminium und 3d-Übergangsmetallen (Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel) durch Aufdampfen (VD) oder ähnliche Verfahren auf ein Substrat (z. B. NaCI oder Silicium) im Vakuum abgeschieden werden und durch Beschüß mit Edelgasionen (lonenenergien 1OKeV-I MeV) vermischt und in den quasikristallinen oder amorphen Zustand überführt werden. Die Gesamtdicke der abgeschiedenen Schichten muß dabei in der Größenordnung der lonenreichweite liegen. Die Implantationsparameter müssen so gewählt werden, daß eine zur Amorphisierung ausreichende Energie von den Ionen auf die Targetatome übertragen wird und die Targettemperatur einen kritischen Wert von etwa 300⁰C nicht überschreitet. Ein anschließendes Aufheizen der amorphen A1-3d Übergangsmetallschichten bis zu einer Temperatur von max. 200⁰C führt zur Bildung quasikristalliner Ausscheidungen bis zu einer Größe von 1 pm.

Ausführungsbeispiel

Auf ein Siliciumsubstrat werden im Hochvakuum i<10"⁶Toir) abwechselnd 5 Aluminium-und 5 Eisenschichten abgeschieden. Die Dicke der Aluminiumschächten beträgt 17,5nm und die Dicke der Eisenschichten etwa 2,5 nm. Dadurch wird etwa ein mittlerer Stoffmengenanteil von 20% Eisen in dem 200nm dicken Multischichtsystem realisiert. Dieses Schichtsystem wird durch Beschüß mit 10¹⁸ Xe*-lonen/cm² vermischt und die Stromdichte ungefähr 3μΑ/αη². Nach der lonenbestrahlung wird die amorphe Schicht mit einer Heizrate von 10°C/min auf 2Q0°Cerwärmt und bei dieserTemperatur 20min gehalten. Dadurch bilden sich in einer kristallinen Aluminiummatrix zahlreiche quasikristalline Al-Fe Ausscheidungen mit einem Durchmesser von einigen nm bis zu 1μ.