DE3619254C2

DE3619254C2 -

Info

Publication number: DE3619254C2
Application number: DE3619254A
Authority: DE
Inventors: Kumio Nara Jp Nago; Masaru Kirakatsuragi Jp Kadono; Tatsushi Yamamoto; Tetsurou Nara Jp Muramatsu; Mitsuhiko Okoma Nara Jp Yoshikawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-06-10
Filing date: 1986-06-07
Publication date: 1990-07-05
Also published as: DE3619254A1; GB2176496B; GB2176496A; GB8614075D0; US4735865A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkopf-Dünnfilm mit hoher Korrosionsbeständigkeit, und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wie in den Patentansprüchen definiert.

Auf dem Gebiet des magnetischen Aufzeichnens hat die zu bewältigende Informationsmenge in Computer-Systemen und anderen Aufzeichnungsmedien zugenommen. Aus diesem Grunde ist es erwünscht, die Aufzeichnungsdichte der Daten zu erhöhen. Zur Erfüllung dieser Forderung sind für einen Magnetkopf-Dünnfilm eine hohe magnetische Permeabilität sowie eine hohe Sättigungsdichte des magnetischen Flusses erforderlich. Außerdem muß ein Magnetkopf-Dünnfilm hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit besitzen.

Die DE-AS 25 39 002 betrifft die Verwendung von abrieb- bzw. verschleißfesten Legierungen hoher Permeabilität aus 3 bis 13% (Prozentangaben beziehen sich jeweils auf das Gewicht) Silicium, 3 bis 13% Aluminium und 0,01 bis 7% mindestens eines Elements aus der aus Yttrium und den Lanthaniden gebildeten Gruppe, Rest Eisen, zur Herstellung von Magnetköpfen. Als Eventualkomponente kann u. a. auch 0 bis 5 Gew.-% Chrom zugegeben werden.

Die vorliegende Erfindung beschreibt dagegen einen Magnetkopf-Dünnfilm, bestehend aus 3 bis 6 Gew.-% Aluminium, 7 bis 12 Gew.-% Silicium, nicht mehr als 3 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest, in dem die Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Dicke im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und 6 bis 12 Gew.-% Silicium liegt.

Folglich lehrt die DE-AS 25 39 002 als Hauptkomponenten neben Aluminium, Silicium und Eisen auch Yttrium oder Metalle aus der Gruppe der seltenen Erdmetalle in Mengen bis zu 7 Gew.-%, laut Beispielen bevorzugt 1,8 bis 3,2 Gew.-%, zu verwenden, also Komponenten, die keine Bestandteile der Magnetkopf-Dünnfilme der vorliegenden Erfindung sind.

Da sich die DE-AS 25 39 002 und die vorliegende Erfindung in mindestens einem Merkmal ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheiden, nimmt die DE-AS 25 39 002 den Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht neuheitsschädlich vorweg. Darüber hinaus ist Chrom in dieser Druckschrift nur eine von vielen möglichen Eventualkomponenten, in der vorliegenden Erfindung allerdings ist es eine notwendige Komponente, die vorzugsweise in einer Größenordnung von 1 bis 3 Gew.-% vorhanden sein sollte, um auf diese Weise Dünnfilme mit hoher Korrosionsfestigkeit zu erhalten.

Schließlich wird in der DE-AS 25 39 002 auch nicht offenbart, daß bei den Magnetkopf-Dünnfilmen die Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Dicke im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und 6 bis 12 Gew.-% Silicium liegt. Dieses Merkmal trägt ebenso wie die allgemeine stoffliche Zusammensetzung der magnetischen Kernmaterialien dazu bei, Dünnfilme bereitzustellen, die über unerwartete gute physikalische Eigenschaften wie hohe magnetische Permeabilität und hohe Sättigungsdichte des magnetischen Flusses sowie hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verfügen, was eine erfinderische Tätigkeit bei der vorliegenden Erfindung belegt.

Die auszugsweise Wiedergabe der Druckschrift von L. I. Maissel und R. Glang aus dem "Handbook of thin film technology", Mc Graw-Hill, New York, N. Y. 1970, S. 1-50 bis 1-54 und Seite 1-73 beschreibt in allgemeiner Weise ein Verfahren zum Verdampfen von Verbindungen, Legierungen und Mischungen im Vakuum mittels Elektronenstrahlen. Dagegen wird im einzelnen nicht offenbart, die in Patentanspruch 1 der vorliegenden Erfindung offenbarte Legierung für Magnetkopfkernmaterialien herzustellen, wobei insbesondere der Temperaturbereich der vorliegenden Erfindung durch die Entgegenhaltung nicht offenbart worden ist, sondern ein um 100°C niedrigerer Wert.

Somit nimmt diese Entgegenhaltung, abgesehen von den dort offenbarten sehr allgemeinen Verfahrensschritten, den Gegenstand des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens weder in allen Merkmalen vorweg, noch legt sie dieses nahe.

Es ist bekannt, daß eine Sendust-Legierung, die aus 9,5 Gew.-% Silicium, 5,5 Gew.-% Aluminium und Eisen als Rest besteht, eine hohe magnetische Permeabilität und eine hohe Sättigungsdichte des magnetischen Flusses besitzt. Die Sendust-Legierung weist auch eine hohe Härte, d. h. eine Vickers-Härte von 450 bis 500, auf und besitzt eine hohe Verschleißfestigkeit. Demgemäß wird sie vielfach verwendet für den Magnetkopf bei Videoband-Aufzeichnungssystemen für den Rundfunk, da dieser Magnetkopf unter höherer Geschwindigkeit relativ zu den Aufzeichnungsbändern eingesetzt wird. Jedoch selbst eine Sendust-Legierung mit einer derartig hohen Verschleißfestigkeit zeigt Schäden unter besonderen Bedingungen, etwa dann, wenn ein Band mit einem hohen Abriebsgrad benutzt wird oder wenn der Kopf in feuchter Luft verwendet wird.

Nunmehr wurde durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß die oben genannten Schäden, insbesondere der Abrieb in feuchter Atmosphäre, sowohl von chemischen Reaktionen als auch von mechanischen Wertminderungen, die in manchen Fällen zwischen einem Magnetkopf und einem Magnetband stattfinden, verursacht werden.

Es ist in besonderem Maße erwünscht, daß eine Sendust-Legierung nicht nur hohe magnetische Permeabilität und hohe Sättigungsdichte des magnetischen Flusses besitzt, sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Die vorliegende Erfindung macht einen Magnetkopf-Dünnfilm mit sehr hoher Korrosionsbeständigkeit verfügbar. Die Erfindung betrifft somit einen Magnetkopf-Dünnfilm,

A. erhalten durch
- I. Verdampfen einer Legierung, bestehend aus 3 bis 6 Gew.-% Aluminium, 20 bis 30 Gew.-% Silicium, nicht mehr als 3 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest, im Vakuum mittels eines Elektronenstrahls,
- II. Abscheiden des gebildeten magnetischen Dünnfilms auf einem Substrat im Vakuum und
- III. Tempern des abgeschiedenen magnetischen Dünnfilms bei Temperaturen von 400°C bis 800°C,
B. wobei dieser Dünnfilm eine Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Dicke im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und 6 bis 12 Gew.-% Silicium aufweist.

Die vorliegende Erfindung macht außerdem ein Verfahren zur Herstellung des Magnetkopf-Dünnfilms verfügbar, bei dem ein Elektronenstrahl im Vakuum auf eine Tablette einer Legierung oder eine Zusammensetzung als Quelle der Verdampfung eingestrahlt wird, die aus 3 bis 6 Gew.-% Aluminium, 20 bis 30 Gew.-% Silicium, nicht mehr als 3 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest besteht, um einen magnetischen Dünnfilm auf einem Substrat abzuscheiden, und der abgeschiedene magnetische Dünnfilm bei einer Temperatur von 400°C bis 800°C getempert wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahl-Verdampfungsapparatur, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Menge Chrom in einer Legierung oder einer Zusammensetzung und der Menge Chrom in dem abgeschiedenen Dünnfilm.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung einer typischen Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Film-Dicke des abgeschiedenen Dünnfilms.

Die Fig. 4 bis Fig. 10 zeigen graphische Darstellungen magnetischer Eigenschaften, einer elektrischen Eigenschaft, physikalischer Eigenschaften und der mittels der Röntgenbeugungsmethode bestimmten Gitterkonstante, die jeweils gegen den Chrom-Gehalt der abgeschiedenen Dünnfilme aufgetragen sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend geschildert:

Eine Heizquelle 2 und ein Substrat 3 sind in dem oberen Teil eines Vakuum-Rezipienten 1 angebracht. Die Heizquelle 2 dient dazu, das Substrat 3 zu erhitzen. Das Substrat 3 besteht aus kristallisiertem Glas, Keramik und dergleichen. Im unteren Teil des Rezipienten 1 ist ein Erhitzungsgefäß 7 angeordnet, und eine Legierung oder Zusammensetzung als Verdampfungsquelle 8, die Eisen, Aluminium, Silicium und Chrom umfaßt, ist in dieses eingesetzt. Eine Verschlußklappe 4 befindet sich zwischen dem Substrat 3 und dem Erhitzungsgefäß 7. Die Legierung oder Zusammensetzung 8 wird mittels eines von einem Elektronenstrahl-Filament 5 ausgesandten Elektronenstrahls 6 bestrahlt. Wenn der Elektronenstrahl 6 auf die Legierung oder Zusammensetzung 8 auftritt, wird ein Dampf der Metalle in der Legierung oder Zusammensetzung gebildet, und dieser erreicht das Substrat 3.

Die Legierung oder Zusammensetzung 8, die für den erfindungsgemäßen Magnetkopf-Dünnfilm eingesetzt wird, enthält 3 bis 6 Gew.-% Aluminium, 20 bis 30 Gew.-% Silicium, nicht mehr als 3 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest. Die Legierung oder Zusammensetzung wird mittels des Elektronenstrahls im Vakuum gebildet, und ein die Metall-Elemente enthaltender Dampf wird gebildet. Die Metall-Elemente werden nur dann auf dem Substrat 3 abgeschieden, wenn die Verschlußklappe 4 geöffnet ist. Die elektrische Leistung des Elektronenstrahls beträgt im allgemeinen 10 kW und wird eine bestimmte Zeitspanne, z. B. etwa 2 bis 10 min, bei geschlossener Verschlußklappe aufrechterhalten. Dann wird die Verschlußklappe 4 geöffnet, um einen Dünnfilm auf dem Substrat abzuscheiden, und nachdem die gewünschte Dicke des Films erreicht ist, wird die Verschlußklappe 4 wieder verschlossen.

Die Menge Chrom in dem Film wird durch Verändern der Menge Chrom in der Legierung oder Zusammensetzung 8 gesteuert. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Menge Chrom in einer Legierung oder Zusammensetzung 8 und der Menge Chrom in dem abgeschiedenen Dünnfilm. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, zeigt der Chrom-Gehalt in dem abgeschiedenen Dünnfilm proportional mit dem Chrom-Gehalt in der Legierung oder Zusammensetzung 8.

Beispielsweise wurde ein Dünnfilm mit einer Dicke von 5 µm, der aus 8,4 Gew.-% Silicium, 4,9 Gew.-% Aluminium, 1,1 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest bestand, dadurch erhalten, daß ein Elektronenstrahl mit einer Leistung von 10 kW auf eine Zusammensetzung aus 27 Gew.-% Silicium, 4 Gew.-% Aluminium, 1 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest eingestrahlt und auf einem Substrat mit einer Temperatur von 300°C während einer Öffnungsdauer der Verschlußklappe 4 von 12 min abgeschieden wurde. Die Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Filmdicke des Dünnfilms wurde zur Auftragung einer graphischen Dreiecks-Darstellung bestimmt, die in Fig. 3 wiedergegeben ist. Die Bestimmung wurde durchgeführt vom Substrat zur Oberfläche des Dünnfilms mittels einer Analyse vom Energie-Dispersions-Typ mit Hilfe eines Abtast-Elektronenmikroskops. Diese zeigt, daß die Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Dicke vorzugsweise auf den Bereich von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und 6 bis 12 Gew.-% Silicium gesteuert wird. Der Dünnfilm wird dann 4 h im Vakuum auf 600°C erhitzt, wodurch ein Magnetkopf-Element mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 87 µΩ cm, einer Koerzitivkraft von 47,75 A/m (0,6 Oe), einer Sättigungsdichte des magnetischen Flusses von 1,2 T (12 000 G) sowie einer effektiven Permeabilität von 2800 bei 1 MHz und von 1200 bei 10 MHz.

Filme mit verschiedenen Chrom-Gehalten wurden mittels der oben beschriebenen Elektronenstrahl-Verdampfungs-Methode hergestellt und einer Wärmebehandlung 8 h bei 600°C im Vakuum unterworfen. Magnetische Eigenschaften, eine elektrische Eigenschaft, physikalische Eigenschaften und die mittels der Röntgenbeugungsmethode bestimmte Gitterkonstante der abgeschiedenen Filme werden über dem Chrom-Gehalt aufgetragen, und die betreffenden Kurven sind in Fig. 4 bis 10 dargestellt. Wie in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, haben die Filme eine effektive Permeabilität von 1000 bis 4000 bei 1 MHz, eine Sättigungsmagnetisierung von 1,19 T (950 E.M.E./cm³, d. h. eine Sättigungsdichte des magnetischen Flusses von 1,2 T (12 000 G), eine Koerzitivkraft von nicht mehr als 120 A/m (1,5 Oe) innerhalb eines Chrom-Gehalts von nicht mehr als 3 Gew.-%. Aus diesen Ergebnissen ist deutlich zu entnehmen, daß die Kennwerte dieser Filme denjenigen der Fe-Si-Al-Filme, die kein Chrom enthalten, nicht nachstehen. Die Vickers-Härte der Filme bleibt bei 600 bestehen, was zeigt, daß sich die Härte nicht mit dem Chrom-Gehalt ändert. Die innere Spannung δ ändert sich nur wenig mit dem Chrom-Gehalt, so daß sich zeigt, daß der Film für die Herstellung eines Magnetkopf-Kerns geeignet ist. Die Gitter-Konstante zeigt ebenfalls den gleichen Wert. Zusätzlich zu diesen Ergebnissen wird die Verteilung der Zusammensetzung in Richtung der Dicke innerhalb des Bereichs von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und 6 bis 12 Gew.-% Silicium gesteuert.

Ein Test der Korrosionsbeständigkeit wurde in der Weise durchgeführt, daß die oben erwähnten Filme 24 h in eine 5-proz. NaCl-Lösung getaucht wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Es wurde gefunden, daß der Zusatz von Chrom in einer Menge von mehr als 1 Gew.-% zu Fe-Si-Al-Filmen die Korrosion der Schnittfläche unterdrückt.

Der Magnetkopf-Dünnfilm der vorliegenden Erfindung besitzt nicht nur hohe magnetische Permeabilität und hohe Sättigungsdichte des magnetischen Flusses, sondern auch hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit selbst unter strengen Bedingungen, z. B. in feuchter Atmosphäre und/oder beim Reiben mit hoher Geschwindigkeit gegen das Magnetband. Die Zuverlässigkeit des Magnetkopf-Dünnfilms ist vergrößert.

Claims

1. Magnetkopf-Dünnfilm,

2. Magnetkopf-Dünnfilm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Chroms in der Ausgangslegierung und im Dünnfilm 1 bis 3 Gew.-% beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkopf-Dünnfilms, bei dem ein Elektronenstrahl im Vakuum auf eine Tablette einer Legierung oder eine Zusammensetzung als Quelle der Verdampfung eingestrahlt wird, die aus 3 bis 6 Gew.-% Aluminium, 20 bis 30 Gew.-% Silicium, nicht mehr als 3 Gew.-% Chrom und Eisen als Rest besteht, um einen magnetischen Dünnfilm auf einem Vakuum-Substrat abzuscheiden, und der abgeschiedene magnetische Dünnfilm bei einer Temperatur von 400°C bis 800°C getempert wird.