DE112017005990T5

DE112017005990T5 - Element für physikalischen Dampfniederschlag, Sputter-Element und Verfahren zur Erzeugung eines physikalisch Dampfniedergeschlagenen Filmes und Schichtstruktur

Info

Publication number: DE112017005990T5
Application number: DE112017005990.9T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Kubo; Kohei Kawabe; Atsuyuki Mitani; Sousuke Yokoyama; Masanobu Takasu
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd; Ube Material Industries Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd; Ube Material Industries Ltd
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN109996903A; JPWO2018096992A1; WO2018096992A1; TW201829811A; KR20190085948A

Abstract

Ein Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Element für physikalischen Dampfniederschlag anzugeben, bei dem eine Verschlechterung einer Unterschicht durch Oxidation bei der Bildung eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes gering ist, worin wenige Mängel bei einem Kontakt zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht auftreten, die Gitteranpassung zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht gut ist und eine weitere Verschlechterung der Qualität durch Hydratisierung des Elementes selbst oder des physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes, der gebildet werden soll, gering ist. Das Element für physikalischen Dampfniederschlag enthält Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten, worin das molare Verhältnis von Mg zu M, ausgedrückt als Oxide von MgO und MO, 70:30 bis 10:90 ist.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Element bzw. Teil für physikalischen Dampfniederschlag und ein Sputter-Element ebenso wie Verfahren zur Erzeugung eines physikalischen Dampf-niedergeschlagenen Filmes und eine Schichtstruktur.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren hat ein magnetisches Tunnel-Kontaktelement (MTJ) Aufmerksamkeit als magnetisches Aufzeichnungselement erregt, das die Aufzeichnungsdichte einer magnetischen Aufzeichnungsanlage verbessert. Ein MTJ-Element hat eine Struktur, worin eine Tunnel-Sperrschicht zwischen zwei ferromagnetischen Schichten gelegt ist, denn es hat eine Drei-Schicht-Struktur einer ferromagnetischen Schicht/Tunnel-Sperrschicht/ferromagnetischen Schicht. Als konventionelle Tunnel-Sperrschicht wird ein Al-Oxidfilm (amorpher AlO_X-Film) mit einer amorphen Struktur oder ein (001) orientierter kristalliner MgO-Film verwendet. Jedoch ist der amorphe AlO_X-Film nicht geeignet für die Tunnel-Sperrschicht eines MTJ-Elementes, weil er einen hohen Kontaktwiderstand mit einer ferromagnetischen Schicht und eine große Grenzflächenrauhigkeit mit der ferromagnetischen Schicht aufweist, unter Erhalt einer großen Dispersion der Eigenschaften, und hat ein kleines Tunnel-Magnetoresistenz-Verhältnis (TMR-Verhältnis). Auf der anderen Seite ist der kristalline MgO-Film geeignet für die Tunnel-Sperrschicht eines MTJ-Elementes, weil er eine kleinere Tunnelresistenz (TR) in bezug auf eine ferromagnetische Substanz mit einer bcc-Kristallstruktur wie Fe oder FeCo aufweist und ein großes TMR-Verhältnis hat. Daher kann erwartet werden, daß die Leistung eines MTJ-Elementes verbessert wird, um das MTJ-Element kleiner zu machen und um weiter die Aufzeichnungsdichte einer Magnetaufzeichnungsanlage zu verstärken, die mit dem MTJ-Element versehen ist. Weil das MgO leicht hydratisiert wird, kann es mit Feuchtigkeit in der Atmosphäre reagieren oder dergleichen, unter Bildung eines Hydroxides auf der Oberfläche, und daher gibt es eine Befürchtung, daß der kristalline MgO-Film oder ein MgO-Sputter-Element zur Bildung des gleichen verschlechtert werden kann.
Patentdokument 1 beschreibt einen MgAl₂O₄-Film mit Spinell-Struktur, worin Al zu einem kristallinen MgO-Film gegeben wird. Der Film aus der MgAl₂O₄-Spinell-Struktur wird sehr stark als Tunnel-Sperrschicht eines MTJ-Elementes erwartet, weil gefunden wurde, daß sein TR 10-mal oder mehr niedriger ist als der eines amorphen AlO_X-Filmes, ein höheres TMR-Verhältnis kann erhalten werden, und der Film in der Lage ist, einen epitaxialen Tunnelkontakt mit wenigen Mängeln zu bilden, weil eine Gitteranpassung in bezug auf eine ferromagnetische Substanz wie eine vollständige Heusler-Legierung auf Co-Basis oder eine CoFe-Legierung ist besser als die eines kristallinen MgO-Filmes.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: JP-B-5586028
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Das Verfahren zur Erzeugung des MgAl₂O₄-Filmes mit Spinell-Struktur gemäß Patentdokument 1 ist wie folgt. Das heißt eine Plasma-Oxidationsbehandlung wird durchgeführt, nachdem ein Mg-Film und ein Al-Film übereinander durch Sputtern einer ferromagnetischen Unterschicht gelegt sind, oder eine Plasma-Oxidationsbehandlung wird durchgeführt, nachdem ein MgAl₂O₄-Legierungsfilm auf einer ferromagnetischen Unterschicht gebildet ist, indem eine MgAl₂-Schicht gesputtert wird, so daß der Metallfilm oder der Legierungsfilm oxidiert und kristallisiert wird, unter Bildung eines MgAl₂O₄-Filmes mit Spinell-Struktur.
In bezug auf das Verfahren zur Erzeugung eines MgAl₂O₄-Filmes mit Spinell-Struktur, das im Patentdokument 1 beschrieben ist, muß, weil eine Plasma-Oxidationsbehandlung durchgeführt wird, nachdem ein Metallfilm oder ein Legierungsfilm gebildet wird, ein Abbau aufgrund der Oxidation der ferromagnetischen Unterschicht befürchtet werden. Ebenfalls wird die Erzeugung von Mängeln befürchtet, weil als Ergebnis der Oxidation und Kristallisation des Metallfilmes oder des Legierungsfilmes das Eindringen von Sauerstoffatomen in den Metallfilm oder den Legierungsfilm und eine Umlagerung der Metallatome in dem Metallfilm oder dem Legierungsfilm notwendig ist. Aus diesem Grund kann eine Entfernung von Defekten von dem MgAl₂O₄-Film mit Spinell-Struktur oder eine epitaxiale Tunnelverbindung nicht ausreichend sein, und es wird befürchtet, daß es eine Grenze beim Kleinermachen eines MTJ-Elementes oder bei der Verdichtung einer Magnet-Aufzeichnungsanlage gibt.
Ziele des ersten und des zweiten Aspektes dieser Erfindung sind, ein Element bzw. Teil für physikalischen Dampfniederschlag und ein Sputter-Element anzugeben, worin die Verschlechterung einer Unterschicht aufgrund der Oxidation bei der Bildung eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes gering ist, daß wenige Mängel bei einem Kontakt zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht auftreten, die Gitteranpassung zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht gut ist und weiterhin eine Verschlechterung der Qualität aufgrund einer Hydratisierung gering ist aufgrund einer geringen Hydratisierungstendenz der Elemente und des physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes. Ein Ziel eines dritten Aspektes dieser Erfindung ist, einen physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film anzugeben, worin die Verschlechterung einer Unterschicht aufgrund der Oxidation gering ist, wenige Mängel bei einem Kontakt mit der Unterschicht auftreten, die Gitteranpassung mit der Unterschicht gut ist und weiterhin eine Verschlechterung der Qualität aufgrund der Hydratisierung gering ist. Ein Ziel eines vierten Aspektes dieser Erfindung ist, eine Schichtstruktur anzugeben, für die eine kleinere Größe erwartet werden kann durch Verbesserung bei dem TMR-Verhältnis, weil eine Verschlechterung einer Unterschicht aufgrund der Oxidation gering ist, wenige Mängel bei einem Kontakt zwischen einem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht auftreten, die Gitteranpassung zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht gut ist und weiterhin eine Verschlechterung der Qualität aufgrund der Hydratisierung gering ist.
Lösung des Problems
(1) Gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Element bzw. Teil für physikalischen Dampfniederschlag angegeben, das Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten enthält, worin
ein molares Verhältnis von Mg zu M als Oxide von MgO bzw. M₂O₃ 70:30 bis 10:90 ist.
Ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, der physikalisch auf einer Unterschicht unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag niedergeschlagen ist, das Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten enthält, erfordert keine Oxidationsbehandlung nach der Filmbildung, weil notwendiger Sauerstoff (O) von dem Element für physikalischen Dampfniederschlag zugeführt wird. Als Konsequenz ist die Verschlechterung der Unterschicht aufgrund der Oxidation gering. Weil die Oxidation oder Kristallisation eines Metallfilmes oder eine Legierungsfilmes nicht notwendig ist, ist es weiterhin möglich, die Erzeugung von Mängeln in einem Kontakt zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenem Film und der Unterschicht zu reduzieren. Zusätzlich kann ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film mit einer guten Gitteranpassung mit der Unterschicht durch physikalischen Dampfniederschlag auf der Unterschicht unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gebildet werden, worin das molare Verhältnis von Mg zu M, ausgedrückt als Oxide von MgO und M₂O₃, 70:30 bis 10:90 ist. Weil das Element für physikalischen Dampfniederschlag und der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film nicht MgO sind, ist eine Verschlechterung der Qualität aufgrund der Hydratisierung gering, und die Stabilität wie Hydratisierungsresistenz kann ausgezeichnet sein.
(2) Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung wird ein Element für physikalischen Dampfniederschlag angegeben, enthaltend Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten und enthaltend eine Kristall-Phase mit einer Spinell-Struktur.
Ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, der auf einer Unterschicht unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag Dampf-niedergeschlagen ist, das Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten enthält, erfordert keine Oxidationsbehandlung nach der Filmbildung, weil notwendiger Sauerstoff (O) von dem Element für physikalischen Dampfniederschlag zugeführt wird. Als Folge dessen ist die Verschlechterung der Unterschicht aufgrund von Oxidation gering. Weil die Oxidation oder Kristallisation eines Metallfilmes oder eines Legierungsfilmes nicht notwendig ist, ist es möglich, die Erzeugung von Mängel bei einem Kontakt zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht zu reduzieren. Weiterhin kann ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, der eine gute Gitteranpassung mit der Unterschicht entfaltet, durch physikalischen Dampfniederschlag auf der Unterschicht unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gebildet werden, das eine Kristallphase mit einer Spinell-Struktur enthält. Weil das Element für physikalischen Dampfniederschlag und der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film nicht MgO sind, ist die Verschlechterung der Qualität aufgrund der Hydratisierung gering, und die Stabilität wie Hydratisierungsresistenz kann ausgezeichnet sein.
(3) Im ersten oder im zweiten Aspekt dieser Erfindung ist M bevorzugt eines oder zwei, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al und Ga. Ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film mit einer besseren Gitteranpassung mit der Unterschicht kann gebildet werden durch physikalischen Dampfniederschlag auf einer Unterschicht unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag, worin M eins oder zwei ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al und Ga.
(4) Im ersten oder zweiten Aspekt dieser Erfindung ist die Licht-Transmissionsfähigkeit für eine Dicke von 2 mm bevorzugt 60 % oder weniger. Als Verwendung der Zusammensetzung, die Mg, M (insbesondere Al) und O als Hauptkomponenten enthält, ist ein Fenstermaterial für elektrische Anlagen oder ein Produktionsbehälter gut bekannt. Das Element für physikalischen Dampfniederschlag erfordert keine Licht-Transmissionsfähigkeit, die so hoch ist wie die eines Fenstermaterials. Durch Konfigurieren des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag, der eine Licht-Transmissionsfähigkeit für eine Dicke von 2 mm von 60 % oder weniger ermöglicht, kann ein Element für physikalischen Dampfniederschlag einfacher und kostengünstig hergestellt werden.
(5) Im ersten oder zweiten Aspekt dieser Erfindung ist der dielektrische Verlust bei 10 GHz bevorzugt 45 000 GHz oder mehr, ausgedrückt als f-Q-Wert. Der dielektrische Verlust des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag bei 10 GHz, ausgedrückt als F-Q-Wert, von 45 000 GHz oder mehr, reflektiert die Tatsache, daß es geringe Mängel und unvermeidbare Verunreinigungen im Element für physikalischen Dampfniederschlag gibt. Wenn der physikalische Dampfniederschlag unter Verwendung eines solchen Elementes für physikalischen Dampfniederschlag durchgeführt wird, kann ein gleichmäßig physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, bei dem weniger Mängel und unvermeidbare Verunreinigungen existieren, gebildet werden.
(6) Im ersten oder zweiten Aspekt dieser Erfindung ist der Weißgrad bevorzugt 30 oder mehr. Der Weißgrad von 30 oder mehr reflektiert die Tatsache, daß wenige unvermeidbare Verunreinigungen und Mängel im Element für physikalischen Dampfniederschlag existieren. Wenn der physikalische Dampfniederschlag unter Verwendung eines solchen Elementes für physikalischen Dampfniederschlag durchgeführt wird, kann ein gleichmäßiger physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film gebildet werden, bei dem weniger unvermeidbare Verunreinigungen und Mängel existieren.
(7) Im ersten oder zweiten Aspekt dieser Erfindung ist ein Element für physikalischen Dampfniederschlag geeignet für ein Sputter-Element.
(8) Der dritte Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes, enthaltend das physikalische Dampfniederschlagen des physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes auf einer Unterschicht unter Verwendung des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt.
Ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, der physikalisch auf einer Unterschicht unter Verwendung des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt Dampf-niedergeschlagen ist, erfordert keine Oxidationsbehandlung nach der Filmbildung, weil notwendiger Sauerstoff (O) von dem Element für physikalischen Dampfniederschlag zugeführt wird. Als Folge dessen ist die Verschlechterung der Unterschicht aufgrund der Oxidation gering. Weil die Oxidation oder Kristallisation eines Metallfilmes oder Legierungsfilmes nicht notwendig ist, ist es weiterhin möglich, die Erzeugung von Mängeln in einem Kontakt zwischen dem physikalischen Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht zu reduzieren. Weiterhin kann ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, der eine gute Gitteranpassung mit der Unterschicht entfaltet, durch physikalischen Dampfniederschlag auf der Unterschicht unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gebildet werden, worin das molare Verhältnis von Mg zu M, ausgedrückt als Oxide von MgO bzw. M₂O₃, 70:30 bis 10:90 ist, oder indem ein Element für physikalischen Dampfniederschlag verwendet wird, der eine Kristallphase mit einer Spinell-Struktur enthält. Weil der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film nicht MgO ist, ist die Verschlechterung der Qualität durch Hydratisierung gering, und die Stabilität wie eine Hydratisierungsresistenz ist ausgezeichnet.
(9) Der vierte Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schichtstruktur, enthaltend physikalisches Dampfniederschlagen eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes auf einer Unterschicht unter Verwendung des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt, und Bilden einer ferromagnetischen Schicht auf dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film, worin die Unterschicht eine ferromagnetische Schicht ist und der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film eine Tunnel-Sperrschicht ist.
Ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film, der auf einer Unterschicht unter Verwendung des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt physikalisch Dampf-niedergeschlagen ist, erfordert keine Oxidationsbehandlung nach der Filmbildung, weil notwendiger Sauerstoff (O) von dem Element für physikalischen Dampfniederschlag zugeführt wird. Als Folge dessen verschlechtert sich die Unterschicht gering aufgrund der Oxidation. Weil die Oxidation oder Kristallisation des Metallfilmes oder des Legierungsfilmes nicht notwendig ist, ist es möglich, die Erzeugung von Mängeln im Kontakt zwischen dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film und der Unterschicht zu reduzieren. Weiterhin kann ein physikalisch Dampf-niedergeschlagener Film mit guter Gitteranpassung mit der Unterschicht gebildet werden durch physikalischen Dampfniederschlag unter Verwendung eines Elementes für physikalischen Dampfniederschlag, worin das molare Verhältnis von Mg zu M, ausgedrückt als Oxide von MgO bzw. M₂O₃, 70:30 bis 10:90 ist, oder indem ein Element für physikalischen Dampfniederschlag verwendet wird, das eine Kristallphase mit einer Spinell-Struktur enthält. Wenn die Unterschicht eine ferromagnetische Schicht ist und der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film eine Tunnel-Sperrschicht ist, wird eine Schichtstruktur gebildet, worin die Tunnel-Sperrschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten angeordnet ist. Weil die Schichtstruktur das TMR-Verhältnis verbessert, ist es möglich, ein magnetisches Tunnel-Kontaktelement zu erzeugen, das kleiner ist als das konventionelle. Weil der physikalische Dampf-niedergeschlagene Film nicht MgO ist, ist eine Verschlechterung der Qualität aufgrund der Hydratisierung gering, und die Stabilität wie eine Hydratisierungsresistenz ist ausgezeichnet.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Das Element für physikalischen Dampfniederschlag der Erfindung kann für ein bekanntes physikalisches Dampfniederschlagsverfahren wie Resistenzerwärmungs-Verdampfungsverfahren, Sputter-Verfahren, Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren, Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, Ionenplattier-Niederschlagsverfahren und Laser-Ablationsverfahren verwendet werden. Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun ein Sputter-Element beschrieben, das für ein Sputter-Verfahren verwendet wird. Das unten beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt den Inhalt dieser Erfindung, die in den Ansprüchen beschrieben ist, nicht notwendigerweise, und nicht alle Komponenten, die im Ausführungsbeispiel beschrieben sind, sind notwendig für die Lösung des zu lösenden Problems.
Sputter-Element
Ein Sputter-Element dieses Ausführungsbeispiels enthält Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten. Das Sputter-Element kann eine Subkomponente zusätzlich zu den Hauptkomponenten enthalten. Ein Sputter-Film, gebildet durch Sputtern eines Sputter-Elementes, das Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten enthält, erfordert keine Oxidationsbehandlung nach der Filmbildung, weil notwendiger Sauerstoff (O) von dem Sputter-Element zugeführt wird. Als Folge dessen ist die Verschlechterung der Unterschicht aufgrund der Oxidation gering. Weil die Oxidation oder Kristallisation eines Metallfilmes oder eines Legierungsfilmes nicht notwendig ist, ist es möglich, Mängel, die in einem Kontakt zwischen dem Sputter-Film und der Unterschicht erzeugt werden können, zu reduzieren. Weil das Sputter-Element und der Sputter-Film nicht MgO sind, ist eine Verschlechterung der Qualität aufgrund der Hydratisierung gering, und die Stabilität wie Hydratisierungsresistenz ist ausgezeichnet.
Das molare Verhältnis von Mg zu M, das im Sputter-Element enthalten ist, ausgedrückt als Oxide von MgO bzw. M₂O₃, ist bevorzugt 70:30 bis 10:90, mehr bevorzugt 65:35 bis 20:80, weiter bevorzugt 60:40 bis 30:70 und besonders bevorzugt 55:45 bis 40:60. Durch Einstellen des molaren Verhältnisses von Mg und M, die im Sputter-Element enthalten sind, ausgedrückt als Oxide von MgO bzw. M₂O₃, kann die Kristallphase oder die Gitterkonstanten des Sputter-Filmes eingestellt werden. Daher kann ein Sputter-Film mit guter Gitteranpassung mit der Unterschicht gebildet werden.
Das Sputter-Element enthält bevorzugt eine Kristallphase mit einer Spinell-Struktur. Durch Sputtern eines Sputter-Elementes mit einer Kristallphase mit einer Spinell-Struktur kann ein Sputter-Film mit guter Gitteranpassung mit der Unterschicht gebildet werden.
M, das im Sputter-Element enthalten ist, ist bevorzugt eins oder zwei, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al und Ga. Durch Sputtern des Sputter-Elementes, worin M eins oder zwei ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al und Ga, kann ein Sputter-Film mit einer bessern Gitteranpassung mit der Unterschicht gebildet werden.
Das Licht-Transmissionsvermögen des Sputter-Elementes für eine Dicke von 2 mm ist bevorzugt 60 % oder weniger und mehr bevorzugt 45 % oder weniger. Als Verwendung einer Zusammensetzung, die Mg, M (insbesondere Al) und O als Hauptkomponenten enthält, ist ein Fenstermaterial für eine elektrische Anlage oder ein Produktionsreaktor bekannt. Jedoch erfordert das Sputter-Element kein Licht-Transmissionsvermögen, das so hoch ist wie das von dem Fenstermaterial. Durch Regulieren des Licht-Transmissionsvermögens auf den obigen Bereich, kann ein Sputter-Element einfacher und kostengünstig erzeugt werden.
Der Gehalt der unvermeidbaren Verunreinigungen im Sputter-Element ist maximal 0,5 mass%, bevorzugt 0,1 mass% oder weniger und mehr bevorzugt 0,01 mass% oder weniger. Durch Sputtern eines Sputter-Elementes, das wenig unvermeidbare Verunreinigungen enthält, kann ein gleichmäßiger gesputterter Film mit weniger unvermeidbaren Verunreinigungen und Mängeln gebildet werden.
Der dielektrische Verlust eines Sputter-Elementes bei 10 GHz, ausgedrückt als f-Q-Wert, ist bevorzugt 45 000 GHz oder mehr, mehr bevorzugt 50 000 GHz oder mehr, weiter bevorzugt 70 000 GHz oder mehr und besonders bevorzugt 80 000 GHz oder mehr. Ein großer f-Q-Wert des dielektrischen Verlustes reflektiert, daß es wenige Mängel und unvermeidbare Verunreinigungen im Sputter-Element gibt. Durch Sputtern eines solchen Sputter-Elementes kann ein gleichmäßiger Sputter-Film, bei dem weniger Mängel und unvermeidbare Verunreinigungen existieren, gebildet werden. Der dielektrische Verlust wird durch tan δ oder dem Umgekehrten, nämlich einem Qualitätsfaktor-Q-Wert (= 1/tan δ) ausgedrückt und variiert mit der Frequenz. Daher wird ein f-Q-Wert, der das Produkt der Frequenz f und des Q-Wertes ist, ebenfalls verwendet. Je größer der f-Q-Wert ist, um so kleiner ist der dielektrische Verlust.
Der Weißgrad des Sputter-Elementes ist bevorzugt 30 oder mehr, mehr bevorzugt 50 oder mehr, weiter bevorzugt 60 oder mehr und besonders bevorzugt 65 oder mehr. Ein hoher Weißgrad reflektiert, daß wenige unvermeidbare Verunreinigungen und Mängel im Sputter-Element existieren. Durch Sputtern eines solchen Sputter-Elementes kann ein gleichmäßiger Sputter-Film gebildet werden, bei dem weniger Mängel und unvermeidbare Verunreinigungen existieren. Als Weißgrad wird L* im System von CIE 1976 (L*, a*, b*) verwendet. Ein Weißgrad, der eng bei 100 liegt, bedeutet eine größere Nähe zu reinem Weiß.
Die Oberflächenrauhigkeit des Sputter-Elementes ist bevorzugt 5 µm oder weniger, mehr bevorzugt 2 µm oder weniger und weiter bevorzugt 1 µm oder weniger. Wenn die Oberflächenrauhigkeit eines Sputter-Elementes kleiner wird, mit anderen Worten wenn die Oberfläche glatter wird, kann die Oberfläche des Sputter-Elementes gleichmäßiger gesputtert werden, zur Bildung eines gleichmäßigen Sputter-Filmes, der weniger Mängel aufweist.
Die Dicke und der Durchmesser des Sputter-Elementes kann auf eine gewünschte Dicke und Durchmesser entsprechend einer Sputter-Anlage geändert werden, und als Beispiel kann die Dicke 2,0 mm oder weniger sein.
Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des Materials des Sputter-Elementes, solange das Material gleichmäßig und dicht ist, und es setzt sich bevorzugt aus einem Sinterkörper zusammen. Hierdurch kann ein gleichmäßiges und dichtes Sputter-Element einfacher und kostengünstig erzeugt werden als durch andere Fest-Herstellverfahren wie Schmelz-Verfestigungsverfahren.
Die relative Dichte des Sinterkörpers ist bevorzugt 95 mass% oder mehr, mehr bevorzugt 98 mass% oder mehr, weiter bevorzugt 99 mass% oder mehr und besonders bevorzugt 99,5 mass% oder mehr. Wenn die relative Dichte des Sinterkörpers höher wird, wird das Sputter-Element dichter und gleichmäßig, zur Bildung eines gleichmäßigen Sputter-Filmes, der weniger Mängel enthält.
Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers ist bevorzugt 230 MPa oder mehr, mehr bevorzugt 250 MPa oder mehr, weiter bevorzugt 300 MPa oder mehr und besonders bevorzugt 320 MPa oder mehr. Wenn die Bindefestigkeit des Sinterkörpers höher wird, wird das Sputter-Element dichter und gleichmäßiger, zur Bildung eines gleichmäßigen Sputter-Filmes, der weniger Mängel aufweist. In dieser Beziehung wird JIS R1601 als Verfahren zur Messung der Drei-Punkt-Biegefestigkeit verwendet.
Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des durchschnittlichen Korndurchmessers der Kristallkörner, die den Sinterkörper konstituieren, solange der Sinterkörper gleichmäßig und dicht gemacht werden kann, und der durchschnittliche Korndurchmesser ist bevorzugt 1 bis 100 µm, mehr bevorzugt 2 bis 80 µm, weiter bevorzugt 2 bis 60 µm und besonders bevorzugt 2 bis 50 µm, wenn ein Heywood-Äquivalentdurchmesser, der erhalten wird durch Umwandeln der Fläche eines Kornes in einen Kreis, als Korndurchmesser verwendet wird. Durch Sputtern eines gleichmäßigen und dichten Sputter-Elementes kann ein gleichmäßiger Sputter-Film gebildet werden, der weniger Mängel aufweist.
Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich D90/D10 bei den Kristallkörnern, die den Sinterkörper ausmachen, solange der Sinterkörper gleichmäßig und dicht gemacht werden kann, und D90/D10 ist bevorzugt 4 oder weniger, mehr bevorzugt 3 oder weniger, weiter bevorzugt 2,5 oder weniger und insbesondere bevorzugt 2,3 oder weniger. Durch Sputtern eines gleichmäßigen und dichten Sputter-Elementes kann ein gleichmäßiger Sputter-Film, der weniger Mängel enthält, gebildet werden.
Die Korndurchmesser von 200 Kristallkörnern werden gemessen, und der Wert (D50) der Korndurchmesser-Verteilung bei 50 % (bezogen auf die Zahl) wird als durchschnittlicher Korndurchmesser verwendet. Gleichermaßen werden als D10 und D90 die Werte der Korndurchmesser-Verteilung bei 10 % bzw. 90 % (bezogen auf die Zahl) verwendet.
Verfahren zur Erzeugung des Sputter-Elementes
Ein Verfahren zur Erzeugung eines Sputter-Elementes dieser Erfindung enthält einen Ausgangsmaterial-Mischschritt, bei dem Pulver von Ausgangsmaterialien gewogen und gemischt werden, zur Herstellung einer Aufschlämmung; einen Trocknungs- und Granulationsschritt zum Trocknen und Granulieren der Aufschlämmung, unter Erhalt eines granulierten Pulvers, einen Formschritt zum Formen des granulierten Pulvers, unter Erhalt eines Formkörpers, einen Sinterschritt zum Sintern des Formkörpers, unter Erhalt eines Sinterkörpers; und einen Konturen-Verarbeitungsschritt zum Verarbeiten der Kontur des Sinterkörpers, unter Erhalt eines Sputter-Elementes. Das Verfahren zur Erzeugung eines Sputter-Elementes wird unten detailliert beschrieben.
Mischschritt der Ausgangsmaterialien
Als Ausgangsmaterialien für ein Sputter-Teil können Pulver von MgO und M₂O₃ (M ist ein trivalentes Metallelement) verwendet werden. M ist bevorzugt ein oder zwei, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al und Ga. Das Ausgangsmaterial kann MgO und M₂O₃ als Hauptkomponenten enthalten und kann nach Bedarf eine Subkomponente enthalten. Es ist bevorzugt, daß die Reinheit der Pulver der Ausgangsmaterialien möglichst hoch ist und zumindest 99,5 mass% oder mehr, bevorzugt 99,9 mass% oder mehr, mehr bevorzugt 99,99 mass% oder mehr und weiter bevorzugt 99,999 mass% oder mehr ist. Wenn ein Ausgangsmaterial-Pulver mit einer hohen Reinheit verwendet wird, kann ein Sputter-Element erhalten werden, das nur eine kleine Menge von unvermeidbaren Verunreinigungen enthält. Durch Sputtern dieses Sputter-Elementes kann ein gleichmäßiger Sputter-Film gebildet werden, der weniger unvermeidbare Verunreinigungen oder Defekte aufweist.
Wenn der durchschnittliche Korndurchmesser (D50) des Ausgangsmaterial-Pulvers kleiner wird, wird das Sintern gefördert und ein gleichmäßigeres und dichtes Sputter-Element wird erhalten, und daher ist er zumindest 100 µm oder weniger, bevorzugt 1 µm oder weniger und mehr bevorzugt 0,5 µm oder weniger, ausgedrückt als Heywood-Äquivalentdurchmesser, der erhalten wird durch Umwandeln der Fläche eines Kornes in einen Kreis.
Das Ausgangsmaterial für das Sputter-Element ist nicht beschränkt auf die Oxide von MgO und M₂O₃, und es ist auch möglich, eine Verbindung zu verwenden, die in ein Oxid in einem Produktionsverfahren umgewandelt werden kann, wie ein Carbonat und ein Nitrat.
Die Pulver der Ausgangsmaterialien werden gewogen. Das molare Verhältnis von Mg zu M, ausgedrückt als Oxide von MgO bzw. M₂O₃, ist bevorzugt 70:30 bis 10:90, mehr bevorzugt 65:35 bis 20:80, weiter bevorzugt 60:40 bis 30:70 und besonders bevorzugt 55:45 bis 40:60. Durch Einstellen des molaren Verhältnisses von Mg zu M ist es möglich, die Kristallphase und die Gitterkonstanten eines Sputter-Filmes einzustellen. Daher kann ein Sputter-Film gebildet werden, der eine gute Gitteranpassung mit der Unterschicht entfaltet.
Pulver der Ausgangsmaterialien werden vermischt, zur Erzeugung einer Aufschlämmung. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des Mischverfahrens, solange die Pulver der Ausgangsmaterialien gleichmäßig gemischt werden können, und beispielsweise ist ein Naß-Kugel-Mahlen geeignet. Beim Naß-Kugel-Mahlen werden die Pulver der Ausgangsmaterialien, ein Dispersionsmedium und Kugeln in einem Reaktor angeordnet und gemischt (Naß-Vermischung). Als Dispersionsmedium kann Wasser oder ein organisches Lösungsmittel wie Alkohol und Methanol verwendet werden. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des Massenverhältnisses der Ausgangsmaterialien zum Dispersionsmedium, solange die Pulver aus den Ausgangsmaterialien gleichmäßig gemischt werden können, und das Massenverhältnis ist allgemein häufig 15:85 bis 75:25. Damit die Pulver aus den Ausgangsmaterialien gleichmäßig gemischt werden können, kann ein Dispergiermittel weiter zugegeben werden. Es gibt keine besondere Beschränkung beim Dispergiermittel, solange das Dispergiermittel abgebaut und in einem Entfettungs- oder Sinterschritt, die später beschrieben werden, entfernt wird. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich der Mischzeit, solange die Pulver aus den Ausgangsmaterialien gleichmäßig vermischt werden können, und die Mischzeit ist bevorzugt 10 Stunden oder mehr. Wenn die Pulver aus den Ausgangsmaterialien nicht gleichmäßig vermischt werden, kann eine Ungleichmäßigkeit bei der Zusammensetzung oder Dichte im Sputter-Element auftreten, wodurch die Festigkeit vermindert wird. Wenn ein solches Sputter-Element gesputtert wird, kann eine abnormale elektrische Entladung bei dem Sputtern auftreten, und ein nicht gleichmäßig gesputterter Film mit vielen Mängeln kann gebildet werden.
Der Ausgangsmaterial-Mischschritt kann weiterhin einen Trocknungsschritt zum Trocknen der Aufschlämmung nach Mischen der Pulver der Ausgangsmaterialien enthalten, unter Erhalt eines trockenen Pulvers; einen Wärmebehandlungsschritt zum Wärmebehandeln des trockenen Pulvers, unter Erhalt eines wärmebehandelten Pulvers, bei dem ein Teil oder alle Ausgangsmaterialien sich aus einem Verbundoxid zusammensetzen; und einen Mahlschritt zum Anordnen des wärmebehandelten Pulvers, Methanol als Dispersionsmedium und Alumina-Kugeln in einem Reaktor, und Naß-Mahlen des Inhaltes unter Erhalt einer Aufschlämmung. Weil die Reaktion aus den Pulvern der Ausgangsmaterialien durch die Wärmebehandlung fortschreitet, kann das Sputter-Element, das im anschließenden Sinterschritt erhalten wird, eine Kristallphase mit einer Spinell-Struktur enthalten. Der Korndurchmesser des wärmebehandelten Pulvers ist bevorzugt möglichst klein, um das Sintern im anschließenden Sinterschritt zu fördern. Aus diesem Grund kann der MahlSchritt weiterhin das Trockenmahlen vor dem Naß-Mahlen beinhalten.
Trocknungs- und Granulationsschritt
Die Aufschlämmung, hergestellt im Ausgangsmaterial-Mischschritt, wird getrocknet und granuliert, unter Erhalt eines granulierten Pulvers, das zum Formgeben geeignet ist. Falls notwendig kann eine Formhilfe zu der Aufschlämmung vor dem Trocknen gegeben werden. Es gibt keine besondere Beschränkung bei der Formhilfe, und allgemein werden häufig Poly(vinylalkohol) (PVA), Poly(ethylenglykol) (PEG), Selosol, Paraffin oder dergleichen verwendet. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des Trocknungsverfahrens, und geeignete Beispiele davon enthalten einen Rotationsverdampfer und einen Sprühtrockner. Die Reinheit des granulierten Pulvers ist bevorzugt möglichst hoch und ist zumindest 99,5 mass%, mehr bevorzugt 99,9 mass% und weiter bevorzugt 99,99 mass% oder mehr.
Formschritt
Das granulierte Pulver wird geformt, unter Erhalt eines Formkörpers mit einer bestimmten Form. Als Formverfahren können bekannte Formgebungsverfahren wie uniaxiales Formen unter Verwendung einer Form- und CIP-(kaltes isostatisches Pressen)-Formen alleine oder in Kombination verwendet werden. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich des Formdrucks, solange ein guter Formkörper erhalten werden kann, und der Formdruck ist allgemein bevorzugt 100 MPa oder mehr. Wenn HP (heißes uniaxiales Preß-)Sintern oder HIP (heißes isostatisches Preß-)Sintern beim später beschriebenen Sinterschritt durchgeführt wird, kann der Formschritt weggelassen werden, oder der Formdruck kann reduziert werden.
Sinterschritt
Der Formkörper wird gesintert, unter Erhalt eines Sinterkörpers. Durch Sintern kann ein gleichmäßiges und dichtes Sputter-Element einfacher und kostengünstiger erzeugt werden als durch die anderen Fest-Herstellverfahren. Als Sinterverfahren können bekannte Sinterverfahren wie druckloses Sintern, HP-Sintern oder HIP-Sintern alleine oder in Kombination durchgeführt werden. Es gibt keine besondere Beschränkung bei der Sinter-Temperatur, solange ein Sinterkörper erhalten werden kann, und die Sinter-Temperatur ist bevorzugt 1800°C oder weniger, weil das drucklose Sintern in der Atmosphäre durchgeführt werden kann. Durch HP-Sintern oder HIP-Sintern kann ein Sinterkörper mit hoher Dichte bei einer Sinter-Temperatur erhalten werden, die niedriger ist als beim drucklosen Sintern. Wenn ein Dispergiermittel oder eine Formhilfe im granulierten Pulver enthalten ist, ist es bevorzugt, ein Entfetten vor dem Sintern durchzuführen, um diese Additive abzubauen und zu entfernen. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich der Entfettungs-Temperatur, und eine Temperatur und eine Temperatur-Erhöhungsrate, bei der das Dispergiermittel und die Formhilfe vollständig abgebaut und entfernt werden, sind bevorzugt. Bezüglich des Verfahrens zur Erzeugung eines Sputter-Elementes kann ein anderes Fest-Produktionsverfahren wie Schmelzverfestigung verwendet werden, solange ein gleichmäßiges und dichtes Sputter-Element bzw. -Teil erzeugt werden kann.
Kontur-Verarbeitungsschritt
Der Sinterkörper wird zu einer gewünschten Form verarbeitet, unter Erhalt eines Sputter-Elementes. Bekannte Verfahren wie Schneiden, Mahlen und Polieren können als Verfahren zum Konturverarbeiten verwendet werden. Das Sputter-Element wird mit einer Rückplatte verbunden und zum Sputtern als Sputter-Element verwendet.
Anwendung des Sputter-Elementes
Als Anwendungsbeispiel des Sputter-Elementes dieses Ausführungsbeispiels wird eine Schichtstruktur beschrieben, worin eine Tunnel-Sperrschicht zwischen zwei ferromagnetischen Schichten gelegt wird, nämlich ein MTJ-Element mit einer Drei-Schicht-Struktur aus der ferromagnetischen Unterschicht/Tunnel-Sperrschicht/oberen ferromagnetischen Schicht.
Ein MTJ-Element wird auf einer Unterschicht gebildet. Als Unterschicht kann beispielsweise ein Spinell-MgAl₂O₄-Einkristall, ein Si-Einkristall, ein GaAs-Einkristall oder thermisch oxidiertes Si verwendet werden. Auf der Oberfläche der Unterschicht kann, falls erforderlich, eine Pufferschicht gebildet werden, die sich zum Beispiel aus MgO zusammensetzt.
Eine ferromagnetische Unterschicht (Unterschicht), eine Tunnel-Sperrschicht und eine obere ferromagnetische Schicht werden aufeinanderfolgend auf der Unterschicht gebildet. Die ferromagnetische Unterschicht, die Tunnel-Sperrschicht und die obere ferromagnetische Schicht können beispielsweise durch Sputtern einer vollständigen Heusler-Legierung auf Co-Basis (zum Beispiel CO₂FeAl_0,5Si_0,5), des Sputter-Elementes dieses Ausführungsbeispiels und einer CoFe-Legierung (zum Beispiel Co₇₅Fe₂₅le) gebildet werden. Eine Tunnel-Sperrschicht (Sputter-Film), gebildet durch Sputtern des Sputter-Elementes dieses Ausführungsbeispiels, erfordert keine Oxidationsbehandlung nach der Filmbildung, weil notwendiger Sauerstoff (O) von dem Sputter-Element zugeführt wird. Als Folge dessen ist die Verschlechterung der ferromagnetischen Unterschicht aufgrund von Oxidation gering. Weil die Oxidation oder die Kristallisierung der Tunnel-Sperrschicht nicht notwendig ist, ist es möglich, Mängel zu reduzieren, die in einem Kontakt zwischen der Tunnel-Sperrschicht und der ferromagnetischen Unterschicht erzeugt sind. Weiterhin entfaltet die Tunnel-Sperrschicht eine gute Gitteranpassung mit der ferromagnetischen Unterschicht, die sich aus der vollständigen Heusler-Legierung auf Co-Basis und der oberen ferromagnetischen Schicht zusammensetzt, die sich aus der CoFe-Legierung zusammensetzt. Als Folge dessen wird das TMR-Verhältnis eines MTJ-Elementes mit der ferromagnetischen Unterschicht/Tunnel-Sperrschicht/oberen ferromagnetischen Schicht verbessert, und daher kann ein MTJ-Element mit einer Größe erzeugt werden, die kleiner ist als die des konventionellen Elementes. Eine Magnet-Aufzeichnungsanlage, die mit dem MTJ-Element versehen ist, kann weiterhin die Aufzeichnungsdichte erhöhen. Weil die Tunnel-Sperrschicht nicht MgO ist, ist die Verschlechterung der Qualität durch Hydratisierung gering, und die Stabilität wie Hydratisierungsresistenz ist ausgezeichnet.
Der Fachmann wird leicht verstehen, daß die Verwendung des Sputter-Elementes dieses Ausführungsbeispiels nicht auf das Sputter-Verfahren beschränkt ist und für ein bekanntes physikalischen Dampfniederschlags-Verfahren verwendet werden kann, wie Resistenz-Erwärmungs-Verdampfungsverfahren, Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren, Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, Ionenplattier-Niederschlagsverfahren und Laser-Ablationsverfahren.
Beispiele
Beispiele dieser Erfindung werden detailliert unten beschrieben.
Produktion des Sputter-Elementes
Beispiel 1
Als Ausgangsmaterialien wurden ein Pulver aus MgO mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,2 µm und einer Reinheit von 99,98 mass% und ein Pulver von Al₂O₃ mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,15 µm und einer Reinheit von 99,99 mass% verwendet. Sie wurden gewogen, so daß das molare Verhältnis von MgO zu Al₂O₃ 50:50 wurde. Methanol als Dispersionsmedium, die Pulver der Ausgangsmaterialien und Nylon-Kugeln wurden in einem KugelMahlbehälter aus Harz angeordnet und 15 Stunden gemischt (Naßmischen), unter Erhalt einer Aufschlämmung. Die Aufschlämmung wurde getrocknet (Trocknungsschritt), wobei ein Rotationsverdampfer verwendet wurde, und das erhaltene getrocknete Pulver wurde bei 1000°C in der Atmosphäre wärmebehandelt (Wärmebehandlungsschritt), unter Erhalt eines wärmebehandelten Pulvers. Das wärmebehandelte Pulver wurde trocken-gemahlen und dann in einen Kugelmahlbehälter aus Harz zusammen mit Methanol als Dispersionsmedium, dem trockengemahlenen wärmebehandelten Pulver und Alumina-Kugeln gegeben, und ein Naß-Mahlen (Mahlschritt) wurde durchgeführt, unter Erhalt einer Aufschlämmung (Ausgangsmaterial-Mischschritt). Die Aufschlämmung wurde getrocknet unter Verwendung eines Rotationsverdampfers und das erhaltene getrocknete Pulver wurde zerstoßen und granuliert, unter Erhalt eines granulierten Pulvers (Trocknungs- und Granulationsschritt).
Das granulierte Pulver wurde in einer Ar-Atmosphäre bei 1500°C und unter einem Druck von 20 MPa HP-gesintert, unter Erhalt eines HP-Sinterkörpers. Der HP-Sinterkörper wurde weiterhin in einer Ar-Atmosphäre in einem Temperaturbereich von 1400 bis 1550°C und unter einem Druck von 100 MPa HIPgesintert, unter Erhalt eines HIP-Sinterkörpers (Sinterschritt). Weil der HIP-Sinterkörper durch Sintern in einer Inertgasatmosphäre reduziert wurde, wurde eine Oxidationsbehandlung in einer Sauerstoff-haltigen Atmosphäre bei 1500°C unter normalem Druck 5 Stunden durchgeführt, unter Erhalt eines Sinterkörpers. Der Sinterkörper wurde zu einer gewünschten Form (Kontur-Verarbeitungsschritt) verarbeitet und die erhaltene Probe für die Auswertung verwendet.
Beispiele 2 und 3
Jede Probe wurde durch die gleichen Schritte wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß das molare Verhältnis von MgO:Al₂O₃ in 40:60 oder 30:70 geändert wurde, und wurde der Auswertung unterworfen.
Beispiel 4
Die gleichen Ausgangsmaterial-Pulver wie bei Beispiel 1 wurden gewogen, so daß das molare Verhältnis von MgO:Al₂O₃ 20:80 wurde. Das gleiche Naß-Mischen wie bei Beispiel 1 wurde durchgeführt, unter Erhalt einer Aufschlämmung (Ausgangsmaterial-Mischschritt). Die Aufschlämmung wurde unter Verwendung eines Rotationsverdampfers getrocknet, unter Erhalt eines getrockneten Pulvers. Das getrocknete Pulver wurde zerstoßen und granuliert ohne Wärmebehandlung, unter Erhalt eine granulierten Pulvers (Trockungs- und Granulationsschritt). Das granulierte Pulver wurde bei einem Druck von 100 MPa (Formschritt) geformt und dann in der Atmosphäre bei 1750°C unter normalem Druck 3 Stunden gesintert, unter Erhalt eines Sinterkörpers (Sinterschritt). Der Sinterkörper wurde zu einer gewünschten Form (Kontur-Verarbeitungsschritt) verarbeitet und die erhaltene Probe einer Auswertung unterworfen.
Beispiele 5 bis 7
Jede Probe wurde durch die gleichen Schritte wie bei Beispiel 4 hergestellt, mit der Ausnahme, daß das molare Verhältnis von MgO:Al₂O₃ auf 10:90, 60:40 oder 70:30 geändert wurde, und wurde einer Auswertung unterworfen.
Beispiel 8
Die gleichen Ausgangsmaterial-Pulver wie bei Beispiel 1 wurden gewogen, so daß das molare Verhältnis von MgO:Al₂O₃ 50:50 wurde. Das gleiche Naß-Mahlen wie bei Beispiel 1 wurde durchgeführt, unter Erhalt einer Aufschlämmung. Die Aufschlämmung wurde unter Verwendung eines Rotationsverdampfers getrocknet, unter Erhalt eines getrockneten Pulvers. Das getrocknete Pulver wurde bei 1000°C in der Atmosphäre wärmebehandelt, unter Erhalt eines wärmebehandelten Pulvers. Das wärmebehandelte Pulver wurde als granuliertes Pulver so wie es war ohne Zerstoßen verwendet. Das granulierte Pulver wurde dem gleichen HP-Sintern und HIP-Sintern wie bei Beispiel 1 unterworfen, unter Erhalt eines Sinterkörpers. Der Sinterkörper wurde zu einer gewünschten Form verarbeitet und die erhaltene Probe einer Auswertung unterworfen.
Beispiel 9
Eine Probe wurde durch die gleichen Schritte wie bei Beispiel 4 hergestellt, mit der Ausnahme, daß das molare Verhältnis von MgO:Al₂O₃ in 30:70 geändert wurde, und wurde einer Auswertung unterzogen.
Beispiel 10
Der gleiche Ausgangsmaterial-Mischschritt (einschließlich dem Trocknungsschritt, Wärmebehandlungsschritt und Mahlschritt) und Trocknungs- und Granulierschritt wie bei Beispiel 1 wurden durchgeführt, unter Erhalt eines granulierten Pulvers. Das granulierte Pulver wurde einer Oxidationsbehandlung in einer Sauerstoff-haltigen Atmosphäre bei 1700°C und normalem Druck 5 Stunden unterworfen. Das Oxidations-behandelte Pulver wurde als granuliertes Pulver so wie es war ohne zerstoßen zu werden, verwendet und dem gleichen Sinterschritt (HP-Sintern, HIP-Sintern und Oxidationsbehandlung) und Kontur-Verarbeitungsschritt wie bei Beispiel 1 unterworfen. Die erhaltene Probe wurde ausgewertet.
Auswertungsverfahren
Die folgenden Parameter wurden mit den erhaltenen Proben ausgewertet.
Relative Dichte
Die Dichte einer Probe kann beispielsweise durch das Archimedes-Verfahren bestimmt werden. Die relative Dichte der Probe kann durch das Verhältnis der tatsächlich gemessenen Dichte der Probe zu der theoretischen Dichte, die der Zusammensetzung der Probe entspricht (das Gesamte der Produkte der jeweiligen theoretischen Dichten der Kristallphasen, die die Probe ausmachen, und der jeweiligen Volumenverhältnisse), ausgedrückt werden.
Bestandteilsphase, Spinell-Phase-Volumenverhältnis, Spinell-Phasen-Gitterkonstante und Spinell-PhasenZusammensetzung
Die Kristallphase (Bestandteilsphase), die eine Probe ausmacht, das Volumenverhältnis der Bestandteils-Spinell-Phase und die Gitterkonstante der Spinell-Phase kann von einem Röntgenbeugungsmuster bestimmt werden. Das Volumenverhältnis und die Gitterkonstante der Spinell-Phase werden unter Verwendung der Rietveld-Analyse-Software (TOPAS, hergestellt von Bruker AXS GmbH) von dem Röntgenbeugungsmuster berechnet, erhalten unter Verwendung einer XRD-Anlage (D8 ADVANCE, hergestellt von Bruker AXS GmbH). Weiterhin wird x von der Zusammensetzung Mg_XAl_2-2xO_3-2x der Spinell-Phase von der Gitterkonstante bestimmt.
Durchschnittlicher Korndurchmesser und D90/D10
Der Korndurchmesser eines Kristallkornes, der eine Probe ausmacht, kann bestimmt werden durch eine Bildanalyse eine Kristallkornes in einer Spiegel-polierten Oberfläche der Probe. Als Korndurchmesser eines Kristallkornes wird ein Heywood-Äquivalentdurchmesser verwendet, der erhalten wird durch Umwandeln der Fläche eines Kristallkornes in der Spiegel-polierten Oberfläche. Die Korndurchmesser von 200 Kristallkörnern werden gemessen und der Wert (D50) der Korndurchmesserverteilung von 50 % (bezogen auf die Zahl) wird als durchschnittlicher Korndurchmesser verwendet. Gleichermaßen werden als D10 und D90 die Werte der Korndurchmesserverteilung bei 10 % bzw. 90 % verwendet.
Weißgrad
Als Weißgrad einer Probe wird L* im System von CIE 1976 (L*, a*, b*) verwendet. Ein Weißgrad-Wert, der enger bei 100 liegt, bedeutet eine größere Nähe zu reinem Weiß. Eine Probe mit einer Dicke von 2 mm wird durch ein Reflexionsverfahren (JIS Z-8722) unter Verwendung eines Farb-Meßgerätes (ZE 6000, hergestellt von Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.) gemessen und der daraus berechnete Wert wird verwendet.
Licht-Transmissionsvermögen
In bezug auf das Licht-Transmissionsvermögen einer Probe wird das gesamte Licht-Transmissionsvermögen einer Probe mit einer Dicke von 2 mm mit einem Spektrophotometer (V-670. hergestellt von JASCO) unter Verwendung einer integrierenden Sphäre gemessen, und das durchschnittliche Licht-Transmissionsvermögen in einem Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm wird verwendet.
Dielektrischer Verlust
Der dielektrische Verlust einer Probe kann durch ein Wellenleiter-Verfahren bestimmt werden. Der Qualitätsfaktor-Q-Wert wird gemessen durch Anordnung der Probe in einem Wellenleiter und unter Verwendung eines Netzwerk-Analysegerätes (8720ES, Agilent Technologies, Inc.) bei einer Meßfrequenz von 10 GHz. Ein f-Q-Wert (GHz), der das Produkt der Meßfrequenz f (GHz) und des Q-Wertes ist, wird als Index für den dielektrischen Verlust verwendet. Ein größerer f-Q-Wert bedeutet, daß der dielektrische Verlust kleiner ist.
Festigkeit
Als Festigkeit einer Probe wird die Drei-Punkt-Biegefestigkeit (JIS R1601) verwendet.
Filmbildungs-Test
Die erhaltene Probe wird mit einer Cu-Rückplatte unter Verwendung von In gebunden und in einer Sputter-Anlage (CSL, hergestellt von ULVAC, Inc.) als Sputter-Element angeordnet und es wird beobachtet, ob eine abnormal elektrische Entladung auftritt oder nicht.
Unvermeidbare Verunreinigungen
Eine induktiv gekuppelte Plasma(ICP)-Analyse wird in bezug auf die Konzentration von unvermeidbaren Verunreinigungen durchgeführt, die in einer Probe enthalten sind.
Auswertungsergebnisse

Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Beispiel	Gesamtzusammensetzung MgO:Al₂O₃ (molares Verhältnis)	Wärmebehandlung vor Granulierung	Sinterverfahren	Relative Dichte (mass %)	Bestandteilsphase	Volumenverhältnis der Spinell-Phase (%)	Gitterkonstante der Spinell-Phase (Å)
1	50:50	Ja	HP, HIP	99,8	Spinell	100	8,083
2	40:60	Ja	HP, HIP	99,6	Spinell	100	8,037
3	30:70	Ja	HP, HIP	99,6	Spinell	100	8,000
4	20:80	Nein	normaler Druck	99,9	Spinell, Al₂O₃	36	8,073
5	10:90	Nein	normaler Druck	100	Spinell, Al₂O₃	16	8,076
6	60:40	Nein	normaler Druck	99,5	Spinell, MgO	88	8,082
7	70:30	Nein	normaler Druck	99,6	Spinell, MgO	73	8,083
8	50:50	Ja	HP, HIP	99,8	Spinell	100	8,083
9	30:70	Nein	normaler Druck	96,5	Spinell	100	8,000
10	50:50	Ja	HP, HIP	99,8	Spinell	100	8,083

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Beispiel	Zusammensetzung der Spinell-Phase x	Durchschnittlicher Korndurchmesser (µm)	D90/D10	Weißgrad L*	Licht-Transmissionsvermögen (%)	f-Q (GHz)	Festigkeit (MPa)	Filmbildungseigenschaften
1	0,5	2,4	3,6	66	45	80000	345	O
2	0,4	2,3	2,4	75	40	74000	335	O
3	0,3	2,1	2,7	73	42	89000	320	O
4	0,48	5,3	2,8	82	27	107000	340	O
5	0,48	6,5	2,2	82	27	96000	385	O
6	0,5	5,2	3,2	77	36	88000	355	O
7	0,5							O
8	0,5	-	-	30	1	48000	-	Δ
9	0,5	1,6	2,6	98	4	-	230	Δ
10	0,5	12						O

Beispiele 1 bis 3
In den Beispielen 1 bis 3 waren die relativen Dichten 99,6 bis 99,8 mass%. In bezug auf die Bestandteilsphase war das Volumenverhältnis der Spinell-Phase 100 %, und die Zusammensetzung der Spinell-Phase war x = 0,5 bis 0,3 (Mg_0,5-0,3Al_1-1,4O_2-2,4), was ein molares Verhältnis von MgO zu Al₂O₃ der Ausgangsmaterialien von 50:50 bis 30:70 reflektiert. Es wird angenommen, daß das obige Ergebnis erhalten wurde, weil die Reaktion zwischen den Ausgangsmaterialpulver durch den Wärmebehandlungsschritt vor der Granulierung gefördert wurde. Der durchschnittliche Korndurchmesser (D50) des Sinterkörpers war 2,1 bis 2,4 µm und D90/D10 war 2,4 bis 3,6. Der Weißgrad war 66 bis 75, was eine weiße Farbe anzeigt, und das Licht-Transmissionsvermögen war 40 bis 45 %. Weiterhin war der f-Q-Wert 74 000 bis 89 000 GHz, was einen geringen dielektrischen Verlust anzeigt. Die Biegefestigkeit war 320 bis 345 MPa, was als Festigkeit für ein Sputter-Element ausreichend war. Die abnormale elektrische Entladung trat beim Sputtern kaum auf und eine gute Filmbildung konnte durchgeführt werden.
Beispiele 4 bis 7
In den Beispielen 4 bis 7 war die relative Dichte 99,5 bis 100 mass%. In bezug auf die Bestandteilsphasen war das Volumenverhältnis der Spinell-Phase 16 bis 88 %, in den Beispielen 4 und 5 wurde die Al₂O₃-Phase zusätzlich beobachtet, und in den Beispielen 6 und 7 wurde die MgO-Phase beobachtet. Die Zusammensetzung der Spinell-Phase war x = 0,48 bis 0,5 (Mg_0,48-0,5Al_1,04-1O₂,04-2). Der durchschnittliche Korndurchmesser (D50) des Sinterkörpers war 5,2 bis 6,5 µm, was größer war als bei den Beispielen 1 bis 3. Es wird überlegt, daß Körner aufgrund einer hohen Sintertemperatur gewachsen sind. Der Wert von D90/D10 war 2,2 bis 3,2. Der Weißgrad war 77 bis 82, was eine weiße Farbe anzeigt, und das Licht-Transmissionsvermögen war 27 bis 36 %, was niedriger war als bei den Beispielen 1 bis 3. Der f-Q-Wert war 88 000 bis 107 000 GHz, was einen geringen dielektrischen Verlust anzeigt, und die Biegefestigkeit war 340 bis 385 MPa, was ausreichend für ein Sputter-Element war. Die abnormale elektrische Entladung trat beim Sputtern kaum auf, und eine gute Filmbildung konnte durchgeführt werden.
Beispiel 8
Bei Beispiel 8 war die relative Dichte 99,8 mass%, das Volumenverhältnis der Spinell-Phase war 100 % und die Zusammensetzung der Spinell-Phase war x = 0,5 (Mg_0,5AlO₂). Der Weißgrad war 30, was eine schwarze Farbe anzeigte, und das Licht-Transmissionsvermögen war 1 %. Der f-Q-Wert war 48 000 GHz.
Beispiel 9
In Beispiel 9 war die relative Dichte 96,5 mass%, das Spinell-Phasen-Volumenverhältnis war 100 % und die Zusammensetzung der Spinell-Phase war x = 0,5 (Mg_0,5AlO₂). Der durchschnittliche Korndurchmesser (D50) des Sinterkörpers war 1,6 µm und der Wert von D90/D10 war 2,6. Der Weißgrad war 98, was eine weiße Farbe anzeigt, das Licht-Transmissionsvermögen war 1 % und der f-Q-Wert war 48 000 GHz.
Beispiel 10
Bei Beispiel 10 war die relative Dichte 99,8 mass%, das Volumenverhältnis der Spinell-Phase war 100 % und die Zusammensetzung der Spinell-Phase war x = 0,5 (Mg_0,5AlO₂). Der durchschnittliche Korndurchmesser (D50) des Sinterkörpers war 12 µm.
Unvermeidbare Verunreinigungen
Alle Konzentrationen der unvermeidbaren Verunreinigungen in den Beispielen 1 bis 10 waren von mehreren ppm bis unterhalb der Meßgrenze.
Obwohl die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung oben detailliert beschrieben wurden, wird der Fachmann leicht verstehen, daß verschiedene Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne wesentlich von dem neuen Gegenstand und den Wirkungen dieser Erfindung abzuweichen. Daher sind solche Modifizierungen vollständig im Umfang der Erfindung enthalten. Beispielsweise kann irgendein Ausdruck, der zumindest einmal zusammen mit einem breiteren oder synonymen, anderen Ausdruck in der Beschreibung beschrieben ist, durch den anderen Ausdruck an irgendeiner Stelle in dieser Beschreibung ersetzt werden. Darüber hinaus sind die Konfiguration oder Wirkung des Elementes für den physikalischen Dampfniederschlag, der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film, die Schichtstruktur, etc. nicht auf solche beschränkt, die in diesen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, sondern können verschiedene Modifizierungen enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 5586028 B [0004]

Claims

Element für physikalischen Dampfniederschlag, enthaltend Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten, worin ein molares Verhältnis von Mg zu M, ausgedrückt als Oxide, von MgO und M₂O₃, 70:30 bis 10:90 ist.
Element für physikalischen Dampfniederschlag, enthaltend Mg, M (M ist ein trivalentes Metallelement) und O als Hauptkomponenten und enthaltend eine Kristallphase mit einer Spinell-Struktur.
Element für physikalischen Dampfniederschlag nach Anspruch 1 oder 2, worin M 1 oder 2 ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al und Ga.
Element für physikalischen Dampfniederschlag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin ein Licht-Transmissionsvermögen für eine Dicke von 2 mm 60 % oder weniger ist.
Element für physikalischen Dampfniederschlag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin ein dielektrischer Verlust bei 10 GHz 45 000 oder mehr ist, ausgedrückt als f-Q-Wert.
Element für physikalischen Dampfniederschlag nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin ein Weißgrad 30 oder mehr ist.
Sputter-Element, enthaltend das Element für physikalischen Dampfniederschlag nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Erzeugung eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes, enthaltend das physikalisch Dampfniederschlagen eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes auf einer Unterschicht unter Verwendung des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Erzeugung einer Schichtstruktur, enthaltend: physikalisches Dampfniederschlagen eines physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Filmes auf einer Unterschicht unter Verwendung des Elementes für physikalischen Dampfniederschlag nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und Bilden einer ferromagnetischen Schicht auf dem physikalisch Dampf-niedergeschlagenen Film, worin die Unterschicht eine ferromagnetische Schicht ist, und der physikalisch Dampf-niedergeschlagene Film eine Tunnel-Sperrschicht ist.