DE102005036682B4

DE102005036682B4 - Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes und Schicht-Substrat-Verbund

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Publication number: DE102005036682B4
Application number: DE200510036682
Authority: DE
Inventors: Sebastian Fähler; Karin Leistner; Volker Dr. Neu
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-07-30
Also published as: WO2007012672A1; DE102005036682A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes mit hartmagnetischen Eigenschaften, bei dem eine zu texturierende Schicht, die FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält und die sich noch nicht im tetragonalen L1₀ Gleichgewichtszustand (c/a < 1) befindet, auf ein Substrat aufgebracht und während der Schichtaufbringung oder danach in einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen versetzt wird, und nachfolgend eine Wärmebehandlung oder Ionenbestrahlung zur Umwandlung der Komponenten der Schicht zur Ausbildung einer hartmagnetischen Phase in den tetragonalen L1₀ Gleichgewichtszustand (c/a < 1) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und der Magnetwerkstoffe und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes, wie er beispielsweise für Hochleistungsmagnete in magnetischen, mikrostrukturierten Bauelementen, wie elektromagnetische Motoren, Aktuatoren oder Sensoren, und der magnetischen Datenspeicherung eingesetzt werden kann.
Um die exzellenten hartmagnetischen Eigenschaften moderner Hochleistungsmagnete (basierend auf Nd-Fe-B, Sm-Co, Fe-Pt, Fe-Pd, Co-Pt) effizienter ausnutzen zu können, wird eine Texturierung der Magnetwerkstoffe durchgeführt. Bei einer derartigen Texturierung wird die magnetisch leichte Achse, die für diese Hochleistungsmagnete parallel zur kristallografischen c-Achse liegt, entlang der Anwendungsrichtung ausgerichtet. Eine solche Texturierung erlaubt eine Verdopplung der Remanenz und damit eine Vervierfachung des Energieproduktes BH_max gegenüber isotropen, nicht austauschgekoppelten Permanentmagneten. Mit texturierten Permanentmagneten können deshalb deutlich kleinere, und damit effizientere elektromagnetische Motoren und Aktuatoren gebaut werden.
Die Texturierung ist insbesondere für magnetic Microelectromechanical Systems (mag-MEMS) von Bedeutung, welche nicht aus Massivmaterial sondern aus Schichten aufgebaut werden (S. Fähler, u. a. 18^th Int. Workshop an high performances magnets and their applications 2 (2004) 566).
Auch für die magnetische Datenspeicherung ist eine Texturierung günstig. Durch eine Texturierung der c-Achse senkrecht zum Substrat kann im Rahmen des perpendicular recording die Speicherdichte weiter erhöht werden (M. Plumer u. a. (Edn.), The Physics of Ultra-High-Density Magnetic Recording, Springer Series in Surface Sciences Vol. 41, Springer-Verlag Berlin (2001)).
Bisher konnte eine Texturierung an Schichten durch

I) eine Wachstumstextur,
II) Epitaxie,
III) Rekristallisation oder
IV) Ionenstrahlunterstützte Deposition (IBAD) ( US 2004 0248743 )

In diesen Fällen wird die Texturierung häufig über einen Buffer erreicht ( US 2004 0058196 ).
Die Verfahren I–IV sind mit einigen Nachteilen verbunden.
So muss ein passendes, häufig teures Substrat verwendet werden oder es sind zusätzliche, aufwändige Geräte nötig (z. B. bei IBAD). Wird die Textur durch das Substrat oder den Buffer vermittelt, wächst ein texturiertes Korn im Allgemeinen durchgehend vom Substrat bis zur Oberfläche. Gerade für dicke Schichten, wie sie für mag-MEMS benötigt werden, werden die Körner jedoch so groß, dass es schwierig wird, ein hohes Koerzitivfeld zu erzielen. Außerdem kann eine für die Strukturierung ungünstige, hohe Rauhigkeit entstehen (U. Hannemann, u. a., IEEE Trans. Mag. 38(5) (2002) 2805).
Durch eine Kombination von Texturierung und Austauschkopplung (E. F. Kneller, u. a., IEEE Trans. Mag. 27 (1991) 3588) in hochanisotropen/hochremanenten Schichtpaketen ist eine deutliche Erhöhung des Energieproduktes über die bisher erzielten Werte möglich (R. Skomski, J. Appl. Phys. 76 (10) (1994) 7059). Mit den Texturierungsverfahren I–IV können allerdings nur dünne, zweilagige Schichtaufbauten realisiert werden, da bei Mehrschichtsystemen die Textur der harten Schicht verloren geht.
Lediglich von E. E. Fullerton, u. a. J. Mag. Mag. Mat. 200 (1999) 392 sind bislang texturierte, austauschgekoppelte Vielfachschichten ausschließlich für das System Sm₂Co₇/Co erreicht worden. Diese Materialkombination ist aber bezüglich des erreichbaren Energieprodukts für eine praktische Anwendung uninteressant.
Weiterhin ist nach dem Stand der Technik bekannt, dass bei massiven FePd-Proben durch das Anlegen eines äußeren Druckes eine fast vollständige Texturierung der magnetisch hochanisotropen, geordneten L1₀ Phase erreicht werden kann (K. Tanaka, u. a., Mat. Sci. Eng. A 312 (1-2), (2001) S. 118. Dem äußeren Zwang weicht das System aus, indem sich die kürzere, magnetisch leichte Achse in Richtung des äußeren Druckes ausrichtet. Durch die Texturierung wird die Gesamtenergie des Systems reduziert, ein Effekt der sowohl in der Keimbildungsphase als auch während der Wachstumsphase der L1₀ Phase wirksam ist.
Auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat sowie durch das Schichtwachstum können Spannungen aufgebracht werden (P. Rasmussen et al. Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 191915). Diese Spannungen sind jedoch begrenzt, so dass mit dieser Methode nur sehr geringe Texturgrade erreicht werden (Orientierungskoeffizenten K* = 0.829). Außerdem wird die Auswahl des Substrates durch die Wahl eines geeigneten Ausdehnungskoeffizient eingeschränkt und kann nicht nach ökonomischen Gesichtspunkten erfolgen. Die von Rasmussen beschriebene Lösung geht zudem von dem metastabilen fcc-Ausgangszustand aus. In polykristallinen Schichten wirkt hier auf Körner, deren Elementarzelle schräg zur Spannung liegt, keine einfache tetragonale Verzerrung. Damit ist keine ausreichende Texturierung erreichbar.
Nach der DD 28 626 A ist ein magnetischer Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, der aus dünnen unmagnetischen und dünnen magnetischen Schichten besteht, die abwechselnd auf einem Träger aufgebracht sind. Die Schichten werden auf einen Träger aufgebracht und verformt. Damit sollen die Vorteile magnetischer Schichten mit den Vorteilen der magnetischen Anisotropie verbunden werden.
Weiterhin ist nach der EP 0 428 262 A2 ein Verfahren zur Herstellung von elektromagnetischen Bauteilen bekannt, bei dem während der Aufbringung der Schicht und unter Anwendung eines magnetischen Feldes das Substrat mechanisch belastet wird.
Aus der DE 27 32 282 A1 ist eine magnetische Speicherschicht zur Speicherung von Informationen in Form von ortsstabilen geometrischen Mustern von Domänen mit mindestens zwei unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen bekannt, bei der die Domänenwände durch örtliche Gradienten der magnetischen Eigenschaften fixiert sind, wobei die örtlichen Gradienten Änderungen der Größe, Richtung der magnetischen Anisotropie oder der magnetischen Austauschenergie sind, die durch Änderungen des mechanischen Spannungszustandes oder der Gitterperfektion durch Bestrahlung der magnetischen Schicht durch beschleunigte Ionen hervorgerufen sind.
Und ebenfalls sind aus der GB 2 268 191 A magnetostriktive Materialien bekannt, bei denen eine starke Kopplung der mechanischen und magnetischen Eigenschaften angestrebt wird. Für diese Materialien ist ein weichmagnetisches Verhalten von Vorteil und durch Spannungen ändern sich nur die interatomaren Abstände, so dass spannungsfreie Schichtpakete angestrebt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes, dessen Texturierung weitgehend unabhängig vom Substrat ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes wird eine zu texturierende Schicht, die FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält und die sich noch nicht im tetragonalen L1₀ Gleichgewichtszustand (c/a < 1) befindet, auf ein Substrat aufgebracht und während der Schichtaufbringung oder danach in einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen versetzt, und nachfolgend eine Wärmebehandlung oder Ionenbestrahlung zur Umwandlung der Komponenten der Schicht zur Ausbildung einer hartmagnetischen Phase in den tetragonalen L1₀ Gleichgewichtszustand (c/a < 1) unterzogen.
Vorteilhafterweise werden zwei zu texturierende Schichten oder eine Vielfachschicht aus zwei sich wiederholenden zu texturierenden Schichten aufgebracht.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird in den zu texturierenden Schichten während der Schichtherstellung eine Spannung erzeugt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird das Substrat während der Schichtaufbringung mechanisch verspannt und vor einer Wärmebehandlung entspannt.
Von Vorteil ist auch, wenn während der Wärmebehandlung mechanische Spannungen in dem Schichtmaterial erzeugt werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn das Substrat während der Wärmebehandlung unter Zugspannung oder Biegespannung gesetzt wird.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn ein metallisches oder polymeres Substrat eingesetzt wird.
Es ist auch von Vorteil, wenn mechanischen Spannungen extrinsisch oder intrinsisch erzeugt werden.
Vorteilhaft ist auch, wenn ein teilweiser Spannungsabbau in den Schichten und/oder dem Substrat durch eine Wärmebehandlung oder eine Ionenbestrahlung realisiert wird.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen im amorphen Zustand abgeschieden werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen in einer kubischen Kristallsymmetrie abgeschieden werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Schichtherstellung mittels Sputterdeposition, thermischem Verdampfen, gepulster Laserdeposition, elektrochemischer Deposition oder sol-gel Verfahren durchgeführt wird.
Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Schichtherstellung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die H und/oder O und/oder N und/oder Edelgase enthält oder daraus besteht, die Schichtherstellung in Gegenwart von Lösungsmitteln und/oder von Materialien mit hohem Dampfdruck durchgeführt wird oder die Schichtherstellung in Gegenwart von Wasser, organischen Lösungsmitteln, Halogenen und/oder Mn, Sm, Ga, In, B durchgeführt wird.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Ionenbestrahlung mit leichten Ionen durchgeführt wird.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn während oder nach der Schichtherstellung eine Ionenbestrahlung mit He⁺ durchgeführt wird.
Auch von Vorteil ist es, wenn eine Wärmebehandlung in Abhängigkeit von den jeweils eingesetzten hartmagnetischen Phasen im Bereich von 250 bis 900°C durchgeführt wird, die Wärmebehandlung unter einer reduzierenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird, oder die Wärmebehandlung zur Umwandlung einer Komponente in der zu texturierenden Schicht mit hoher Kristallsymmetrie in eine Komponente mit magnetisch hochanisotropen Eigenschaften und tetragonaler oder hexagonaler Kristallsymmetrie durchgeführt wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Spannung in der zu texturierenden Schicht durch die Extraktion mindestens einer Komponente eingestellt wird.
Vorteilhafterweise wird nach dem Aufbringen von zwei zu texturierenden Schichten eine Wärmebehandlung durchgeführt und nachfolgend zwei weitere zu texturierende Schichten auf die bereits wärmebehandelten Schichten aufgebracht und nachfolgend wiederum eine Wärmebehandlung durchgeführt und dieser Ablauf ein oder mehrmals wiederholt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird in allen aufgebrachten zu texturierenden Schichten Zugspannungen und im Substrat Druckspannung erzeugt.
Der erfindungsgemäße Schicht-Substrat-Verbund besteht aus einem Substrat und mindestens einer zu texturierenden Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält, wobei die Schicht einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen aufweist.
Vorteilhaft ist es, wenn zwei zu texturierende Schichten auf dem Substrat vorhanden sind.
Auch vorteilhaft ist es, wenn eine zu texturierende Vielfachschicht aus mindestens zwei sich wiederholenden Schichten vorhanden ist.
Und auch von Vorteil ist es, wenn eine Schicht der Vielfachschicht Komponenten zur Ausbildung einer magnetisch hochanisotropen Phase und die andere Schicht Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz enthält.
Von Vorteil ist es auch, wenn die zu texturierende Schicht FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält oder wenn in der zu texturierenden Schicht als Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz Fe-Co, Fe, Fe₃Pt und/oder Fe-B enthalten sind, wobei noch vorteilhafterweise eine der zu texturierenden Schichten, die die Komponenten für die Ausbildung der hartmagnetischen Phasen enthält, eine höhere Kristallsymmetrie aufweist, als die magnetisch hochanisotrope Phase.
Die erfindungsgemäße Texturierung basiert auf der Kombination von zwei Schritten, die über verschiedene Verfahrensweisen realisiert werden können. Zuerst wird das Schichtmaterial, aus dem die hartmagnetischen Phase entstehen soll, in einem Zwischenzustand (metastabilen Zustand) als Schicht präpariert, bei dem die atomare Ordnung (bei kristallinen Phasen die Kristallsymmetrie) noch von der gewünschten hartmagnetischen Phase im Endzustand abweicht. Nachfolgend wird die Umwandlung dieser Schicht vom metastabilen Zustand in eine Schicht mit der gewünschten hartmagnetischen Phase unter Einwirkung einer Wärmebehandlung und bei gleichzeitig wirkenden Spannungen durchgeführt. Die Spannungen können entweder extern aufgebracht werden, oder durch das entsprechende Aufbringen der Schichten und/oder durch die Wärmebehandlung im System selbst entstehen (intern). Als Folge dieser zwei Schritte stellt sich eine Textur in der hartmagnetischen Schicht ein. Das beschriebene Verfahren zeigt, wie die Spannungen unabhängig vom gewählten Substrat eingebracht werden können. Wenn dabei vom amorphen Zustand ausgegangen wird, können zusätzlich noch höhere Texturgrade erreicht werden.
Diese prinzipielle Verfahrensweise wird im Folgenden exemplarisch an elektrodeponierten FePt Schichten dargestellt, kann aber auf weitere Materialsysteme und Realisierungsweisen vom Fachmann ohne Weiteres erweitert werden.
Bei der Elektrodeposition von FePt aus wässrigen Lösungen werden nennenswerte Anteile an Sauerstoff in Form von Fe-O-H Phasen (bis zu 30 at.% O) in die Schicht eingebracht. Nach der Herstellung sind die Schichten amorph (d. h. keine Richtung ist ausgezeichnet). Bei der nachträglichen Wärmebehandlung (Auslagerung), die zur Bildung der hochanisotropen L1₀ Phase (mit einer ausgezeichneten Symmetrieachse) notwendig ist, kann durch die Verwendung einer reduzierenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre der Sauerstoffgehalt auf unter 10 at.% gesenkt werden (K. Leistner u. a. J. Mag. Mag. Mat. 280–291 (2005) 1270). Die damit verbundene Volumenreduktion führt einerseits zu einer deutlichen Abnahme der Schichtdicke und andererseits zu großen Zugspannungen, da die aufgebrachte Schicht (1–50 μm) im Allgemeinen deutlich dünner als das Substrat (0,5–2 mm) ist und daher auf diesem fixiert wird. Die bei der Wärmebehandlung gleichzeitig stattfindende Umwandlung von der metastabilen amorphen in die tetragonale L1₀ Gleichgewichtsphase (c/a < 1) bietet die Möglichkeit zur Texturierung im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung. Durch die intrinsischen Zugspannungen richten sich die längeren a, b-Achsen bevorzugt in der Filmebene und folglich die kürzere, magnetisch leichte c-Achse senkrecht zur Substratoberfläche aus. Das gesamte magnetische Moment steht dann in dieser Anwendungsrichtung zur Verfügung.
Ein entscheidender Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Texturierung weitestgehend unabhängig vom Substrat ist, so dass Substrate mit günstigeren mechanischen Eigenschaften und niedrigeren Kosten gewählt werden können. Da die Texturierung nicht über das Substrat sondern gleichmäßig über die Schicht verteilt und somit lokal erzeugt wird, können auch texturierte, austauschgekoppelte Schichtpakete (Vielfachschichten) hergestellt werden. Bei dem Aufbringen der Schichten durch Elektrodeposition erlaubt die Veränderung der angelegten Spannung eine Einstellung der Zusammensetzung, so dass Schichtpakete aus FePt und Fe (oder alternativ Fe₃Pt) hergestellt werden können. Durch die Wärmebehandlung entsteht ein texturiertes, austauschgekoppeltes Schichtpaket, bei dem durch das hohe Koerzitivfeld der L1₀ geordneten FePt Schicht und der hohen Remanenz der Fe-(oder alternativ Fe₃Pt-)Schicht ein deutlich höheres Energieprodukt als in einer Einzelschicht erreicht wird.
Das dargelegte erfindungsgemäße Lösungsprinzip lässt sich auf eine Vielzahl von Systemen übertragen.
Die Voraussetzung einer Änderung der Kristallsymmetrie durch Wärmebehandlung (Auslagerung) ist auch für die hochanisotrope Nd-Fe-B und Sm-Co Phase erfüllt, wenn die Schichten im ersten Schritt der Präparation amorph aufwachsen (durch Deposition auf ungeheizte Substrate) und sich erst während einer Wärmebehandlung bei einigen 100°C in ihre hochanisotrope Gleichgewichtsphase umwandeln.
Das Einbringen der Spannung während der Wärmebehandlung (Auslagerung) ist auf verschiedene, im Weiteren beispielhaft beschriebene Weisen möglich.
Für Seltenerd-Magnete kann eine Volumenvergrößerung durch das Aufbringen (Deposition) unter einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre erreicht werden. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, da der Einfluss und die Extraktion von Wasserstoff in diesen Systemen im Rahmen des HDDR Prozesses gut verstanden ist und mit einer großen Volumenänderung verbunden ist. Als extrahierbare Stoffe können alle Gase (H, O, N, Edelgase), Lösungsmittel (Wasser, organische Lösungsmittel, Halogene) und/oder Materialien mit hohem Dampfdruck (Mn, Sm, Ga, In, B) eingesetzt werden, die zwar während des Aufbringens zuerst einmal in die Schicht mit eingebaut werden, aber nur schwache Bindungen eingehen, sich daher in Folge der Wärmebehandlung wieder lösen.
Neben den physikalischen Depositionsmethoden, die eine einfache Inkooperation von Gasen und Feststoffen erlauben, bieten sich vor allem effiziente chemische Depositionsmethoden an (Elektrodeposition, sol-gel Verfahren etc), bei denen Lösungsmittelbestandteile verwendet werden können.
Neben intrinsischen Spannungen können auch extrinsische Spannungen erzeugt werden, indem die Schichten während der Wärmebehandlung extern unter mechanische Spannung gesetzt werden. Dies kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden und wird vorteilhafterweise auf metallischen oder polymeren oder elastomeren Substraten durchgeführt.
Beispielsweise werden die Substrate während der Wärmebehandlung mechanisch unter Zugspannung gesetzt.
Im Falle einer einachsigen Zugspannung richtet sich die kristallographisch längste Achse entlang der äußeren Kraft aus. Damit lässt sich für c/a > 1 eine uniaxiale Texturierung mit der magnetisch leichten Achse (c-Achse) innerhalb der Schichtebene erzielen. Für c/a < 1 bewirkt eine einachsige Zugspannung, dass die kürzere Achse senkrecht zu der angelegten Spannung ausgerichtet wird. Durch diese Textur erzielt die remanente Magnetisierung bis zu 64% der Sättigungsmagnetisierung (anstatt maximal 50% bei isotropem Gefüge).
Wird das Substrat einer zweiachsigen Zugspannung ausgesetzt, so ist auch für c/a < 1 eine vollständige Ausrichtung der kurzen c-Achse senkrecht zur Substratebene möglich.
Ebenfalls ist es möglich, die Substrate während der Schichtdeposition zu verspannen und vor der Wärmebehandlung zu relaxieren. Damit werden nach dem Herstellen des Schichtaufbaus die Spannungen auf die Schichten übertragen und wirken während der Wärmebehandlung (Auslagerung) texturbildend.
Wird ein Substrat während der Deposition unter eine einachsige Zugspannung gesetzt, kommt es nach der Deposition zu einer einachsigen Druckspannungen innerhalb der Schichtebene. Während der Wärmebehandlung führt dies für c/a < 1 wiederum zu einer vollständigen Ausrichtung der c-Achse entlang dieser Richtung.
Anstatt das Substrat unter eine reine Zugspannung zu setzen, kann es auch gebogen werden (z. B. auf einer 4-Punkt Auflage). Nach Beschichtung und Entspannung des Substrates wirken an einer Substratseite (der Innenseite der Krümmung) Zugspannung und an der anderen Substratseite (der Außenseite der Krümmung) Druckspannungen auf die Schicht. Mit diesem Aufbau sind also sowohl Zugspannungen als auch Druckspannungen realisierbar – je nach Wahl der Substratseite während der Beschichtung.
Eine weitere alternative Möglichkeit der Erzeugung von Spannungen in den Schichten wird durch Ionenimplantation von Edelgasen erreicht, wobei durch die zusätzlichen Ionen in der Schicht Druckspannungen entstehen. Überschreitet diese Druckspannung die Dehngrenze, kommt es zur plastischen Verformung. Bei einer anschließenden Wärmebehandlung erhöht sich die Beweglichkeit der implantierten Ionen und unlösliche Edelgasionen können aus der Schicht herausdiffundieren. Hierdurch wandeln sich die Druck in Zugspannungen um und die kürzere Achse richtet sich senkrecht zum Substrat aus.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung können auch ungeordnete Schichten aus FePt, FePd oder CoPt mit leichten Ionen (z. B. He⁺) bestrahlt werden, wodurch eine Ordnungseinstellung ohne Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen erreicht wird. Somit kann gleichzeitig zu der Ordnungseinstellung eine Textur erreicht werden, bei der die kürzere Achse in der Schichtebene liegt.
Neben einer einfacheren Prozessführung kann so auch das gerade bei der magnetischen Datenspeicherung unerwünschte Kornwachstum vermieden werden, welches bei höheren Wärmebehandlungstemperaturen entstehen kann.
Auch Verfahren, wie die gepulste Laserdeposition und ionenstrahlgestützte Depositionsmethoden sind vielversprechend, da der hochenergetische Ionenanteil zur Subplantation und damit zu großen Druckspannungen schon während der Schichtherstellung führt.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Auf ein Substrat aus Si mit W-Ti Buffer mit den Abmessungen 10 × 20 mm wird mittels Elektrodeposition eine amorphe Schicht aus FePt mit einer Schichtdicke von 700 nm aufgebracht. Nachfolgend wird ein Wärmebehandlung bei 600°C in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Durch die Reduktion der Fe-Hydroxide reduziert sich das Volumen um 15%, so dass Zugspannungen in der Schicht von 2 Gigapascal entstehen.
Nach der Wärmebehandlung liegt ein Schicht-Substrat-Verbund vor, wobei die Schicht mit der leichten Achse senkrecht zur Substratebene texturiert ist. Eine Vorbehandlung des Substrates zur Erreichung oder Verbesserung der Texturierung der Schicht ist nicht erforderlich.
Beispiel 2
Auf einem 0.5 mm dicken, beidseitig polierten Substrat aus Glas mit den Abmessungen 100 × 50 mm wird mittels eines Sol-Gel-Verfahrens eine Schicht aus CoPt mit einer Schichtdicke von 5 μm aufgebracht. Die Schicht auf dem Substrat wird nun extern mit einer Zugspannung beauflagt, indem der mittlere Bereich von 50 mm von zwei Stäben unterstützt werden und die kurzen Seiten nach unten gezogen werden. Die Dehnung der Substratoberfläche wird so auf 2% eingestellt. In diesem Spannungszustand wird das Substrat mit der Schicht einer Wärmebehandlung bei 600°C für 60 Minuten ausgesetzt.
Nach der Wärmebehandlung liegt ein Schicht-Substrat-Verbund vor, wobei die Schicht weitestgehend texturiert ist. Eine Vorbehandlung des Substrates zur Erreichung oder Verbesserung der Texturierung der Schicht ist nicht erforderlich.
Beispiel 3
Auf ein Si-Substrat mit 1 mm Dicke, 3'' Durchmesser und mit einem 30 nm dicken Ta Buffer werden mittels Sputterdeposition eine amorphe Schicht aus Nd-Fe-B mit einer Schichtdicke von 10 nm und dann eine Schicht aus Fe-Co mit einer Schichtdicke von 5 nm aufgebracht. Beide Schichten werden jeweils abwechselnd noch 99 mal aufgebracht, so dass eine Multilayerschicht aus 100 Schichten vorliegt. Die gesamte Schicht wird mit 30 nm Cr abgedeckt.
In diese Multilayerschicht werden mittels Ionenimplantation Ar-Ionen eingetragen, die die Schicht unter Druckspannungen setzen, woraufhin plastische Verformung stattfindet. Nachfolgend erfolgt eine Wärmebehandlung bei 650°C für 5 Minuten, wodurch die implantierten Ar-Ionen aus der Multilayerschicht wieder herausdiffundieren und somit die Schicht nunmehr unter Zugspannung setzen.
Nach der Wärmebehandlung liegt ein Schicht-Substrat-Verbund vor, wobei die Schicht texturiert ist und die ursprüngliche Schichtarchitektur weitestgehend erhalten bleibt. Eine Vorbehandlung des Substrates zur Erreichung oder Verbesserung der Texturierung der Schicht ist nicht erforderlich.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes mit hartmagnetischen Eigenschaften, bei dem eine zu texturierende Schicht, die FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält und die sich noch nicht im tetragonalen L1₀ Gleichgewichtszustand (c/a < 1) befindet, auf ein Substrat aufgebracht und während der Schichtaufbringung oder danach in einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen versetzt wird, und nachfolgend eine Wärmebehandlung oder Ionenbestrahlung zur Umwandlung der Komponenten der Schicht zur Ausbildung einer hartmagnetischen Phase in den tetragonalen L1₀ Gleichgewichtszustand (c/a < 1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei zu texturierende Schichten oder eine Vielfachschicht aus zwei sich wiederholenden zu texturierenden Schichten aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in den zu texturierenden Schichten während der Schichtherstellung eine Spannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat während der Schichtaufbringung mechanisch verspannt und vor einer Wärmebehandlung entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während der Wärmebehandlung mechanische Spannungen in dem Schichtmaterial erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat während der Wärmebehandlung unter Zugspannung oder Biegespannung gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein metallisches oder polymeres Substrat eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mechanischen Spannungen extrinsisch erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mechanischen Spannungen intrinsisch erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein teilweiser Spannungsabbau in den Schichten und/oder dem Substrat durch eine Wärmebehandlung oder eine Ionenbestrahlung realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen im amorphen Zustand abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen in einer kubischen Kristallsymmetrie abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schichtherstellung mittels Sputterdeposition, thermischem Verdampfen, gepulster Laserdeposition, elektrochemischer Deposition oder sol-gel Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schichtherstellung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die H und/oder O und/oder N und/oder Edelgase enthält oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schichtherstellung in Gegenwart von Lösungsmitteln und/oder von Materialien mit hohem Dampfdruck durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schichtherstellung in Gegenwart von Wasser, organischen Lösungsmitteln, Halogenen und/oder Mn, Sm, Ga, In, B durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ionenbestrahlung mit leichten Ionen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während oder nach der Schichtherstellung eine Ionenbestrahlung mit He⁺ durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Wärmebehandlung in Abhängigkeit von den jeweils eingesetzten hartmagnetischen Phasen im Bereich von 250 bis 900°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmebehandlung unter einer reduzierenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmebehandlung zur Umwandlung einer Komponente in der zu texturierenden Schicht mit hoher Kristallsymmetrie in eine Komponente mit magnetisch hochanisotropen Eigenschaften und tetragonaler oder hexagonaler Kristallsymmetrie durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spannung in der zu texturierenden Schicht durch die Extraktion mindestens einer Komponente eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Aufbringen von zwei zu texturierenden Schichten eine Wärmebehandlung durchgeführt wird und nachfolgend zwei weitere zu texturierende Schichten auf die bereits wärmebehandelten Schichten aufgebracht werden und nachfolgend wiederum eine Wärmebehandlung durchgeführt wird und dieser Ablauf ein oder mehrmals wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in allen aufgebrachten zu texturierenden Schichten Zugspannungen und im Substrat Druckspannung erzeugt wird.
Schicht-Substrat-Verbund, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 24, bestehend aus einem Substrat und mindestens einer zu texturierenden Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält, wobei die Schicht einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen aufweist.
Verbund nach Anspruch 25, bei dem zwei zu texturierende Schichten auf dem Substrat vorhanden sind.
Verbund nach Anspruch 25, bei dem eine zu texturierende Vielfachschicht aus mindestens zwei sich wiederholenden Schichten vorhanden ist.
Verbund nach Anspruch 27, bei dem eine Schicht der Vielfachschicht Komponenten zur Ausbildung einer magnetisch hochanisotropen Phase und die andere Schicht Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz enthält.
Verbund nach Anspruch 25, bei dem die zu texturierende Schicht FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält.
Verbund nach Anspruch 28, bei dem in der zu texturierenden Schicht als Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz Fe-Co, Fe, Fe₃Pt und/oder Fe-B enthalten sind.
Verbund nach Anspruch 26 oder 27, bei dem eine der zu texturierenden Schichten, die die Komponenten für die Ausbildung der hartmagnetischen Phasen enthält, eine höhere Kristallsymmetrie aufweist, als die magnetisch hochanisotrope Phase.