DE68921838T2

DE68921838T2 - Herstellungsverfahren von amorphen Supergitter-Legierungen.

Info

Publication number: DE68921838T2
Application number: DE68921838T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Asami; Koji Hashimoto; Asahi Kawashima; Hideaki Yoshioka
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1988-10-15
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: BR8905316A; EP0364902B1; US5015352A; DE68921838D1; DE364902T1; CA2000171A1; EP0364902A1; CA2000171C; AU4265189A; JPH02107757A; AU613530B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen amorpher Übergitterlegierungen, die in einer Vielzahl von Gebieten, wie etwa als Materialien mit speziellen magnetischen und chemischen Eigenschaften anwendbar sind.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Bildung einer atomaren Lamellenstruktur, bei der jede Schicht aus unterschiedlichen Reinelementen besteht, war bekannt, und das Verfahren zum Herstellen amorpher Legierungen mittels Sputterns ist ebenfalls bekannt. Ein Verfahren zum Bilden eines amorphen Übergitters auf Grundlage der Wiederholung zweier amorpher Schichten verschiedener Zusammensetzung ist jedoch nicht bekannt.
Das Verfahren zum Bilden eines Übergitters durch abwechselndes Sputtern von zwei Arten von Metallen oder Legierungen ist gut bekannt. Anstelle des abwechselnden Sputterns zweier Arten von Metallen oder Legierungen wurde das Herstellen amorpher Übergitterlegierungen mittels kontinuierlichen herkömmlichen Sputterns nicht ausgeführt. Es gab jedoch ein starkes Bedürfnis für die Entwicklung eines neuen Verfahrens zum Bilden neuer Übergitterlegierungen, d.h. für die Herstellung amorpher Übergitterlegierungen durch kontinuierliches herkömmliches Sputtern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines kontinuierlichen Verfahrens zum Herstellen einer aus Lamellen auf Grundlage einer periodischen Änderung in der Zusammensetzung bestehenden Übergitterlegierung mittels Sputterns.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst:
(1) Ein Verfahren zur Sputterpräparation einer aus Lamellen bestehenden, amorphen, auf Grundlage periodischer Zusammensetzungsänderungen gebildeten Übergitterlegierung, wobei das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens eines aus Metall oder Legierungsstücken, die auf einem Abtragungsgebiet einer weiteren Metall- oder Legierungsscheibe angeordnet oder darin eingebettet sind, bestehenden Targets, des fortlaufenden Sputterns des Targets auf Substrate, wobei die Substrate in einer sich parallel zur Targetf läche erstreckenden Ebene angeordnet sind, und des periodischen Änderns der Position der Substrate bezüglich des Targets durch Drehen der Substrate in der Ebene um eine sich senkrecht zum Zentrum der Substrate erstreckende erste Achse und umlaufendes Kreisen der Substrate in der Ebene um eine parallel zur ersten Achse und in einem Abstand davon laufende zweite Achse, so daß die erste Achse der Substrate sich auf einer sich senkrecht zum Zentrum der Fläche des Targets erstreckenden Linie befindet, wenn die Substrate mittels des kreisenden Umlaufens um die zweite Achse zu einer sich gerade oberhalb des Targets befindlichen Position gelangen.
(2) Verfahren zur Sputterpräparation einer aus Lamellen bestehenden, amorphen, auf Grundlage periodischer Zusammensetzungsänderungen gebildeten Übergitterlegierung, wobei das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens mehrerer Targets, die jeweils aus in Abtragungsgebieten einer Scheibe aus einem weiteren Metall oder einer weiteren Legierung angeordneten oder darin eingebetteten Metall- oder Metallegierungsstücken bestehen, wobei die Targets in einer Sputtervorrichtung gegeneinander schräg angestellt sind und die Normalen auf die Zentren der Targets sich in einem Punkt schneiden, des fortlaufenden Sputterns der Targets auf die Substrate, wobei die Substrate in einer Ebene angeordnet sind, und des periodischen Änderns der Position der Substrate bezüglich der mehreren Targets durch Drehen der Substrate in der Ebene um eine sich senkrecht zum Zentrum der Substrate erstreckende erste Achse und auch durch umlaufendes Kreisen der Substrate in der Ebene um eine parallel zur ersten Achse und in einem Abstand davon verlaufende zweite Achse, so daß die erste Achse der Substrate auf dem Schnittpunkt der Normalen auf den Targets zu liegen kommt, wenn die Substrate durch umlaufendes Kreisen um die zweite Achse gerade über die schräg angestellten Targets gelangen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele für bei erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer amorphen Übergitterlegierung eingesetzte Apparate.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Targetanordnung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfindung befaßt sich mit der Bereitstellung eines kontinuierlichen Verfahrens zum Herstellen einer aus Lamellen auf Grundlage einer periodischen Zusammensetzungsänderung bestehenden, amorphen Übergitterlegierung mittels Sputterns.
Es ist allgemein bekannt, daß eine Legierung im festen Zustand eine kristalline Struktur aufweist. Eine Legierung mit einer speziellen Zusammensetzung wird jedoch durch Verhindern der Ausbildung einer Fernordnungsstruktur während der Erstarrung, bspw. durch rasches Erstarren aus dem flüssigen Zustand, Sputterabscheiden oder Beschichten unter besonderen Bedingungen amorph; oder durch Zerstören der Fernordnungsstruktur der festen Legierung durch Ionenimplantation, die auch zum Übersättigen mit notwendigen Elementen wirksam ist. Die so gebildete amorphe Legierung ist eine homogene, einphasige, übersättigte Feststofflösung, die ausreichende Mengen an unterschiedlichen legierenden Elementen enthält, welche bei der Bereitstellung spezieller Eigenschaften, wie etwa einer hohen Korrosionsbeständigkeit, einer hohen mechanischen Festigkeit und einer hohen Zähigkeit nützlich sind.
Die Erfinder führten eine Serie von Untersuchungen aus, bei denen den Herstellungsverfahren und den herausragenden Eigenschaften amorpher Legierungen Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Sie fanden heraus, daß aus hohe Schmelzpunkte aufweisenden Metallen und niedrige Schmelzpunkte aufweisenden Metallen bestehende amorphe Legierungen mittels eines Sputterabscheidungsverfahrens hergestellt werden können, das nicht das mischen metallischer Elemente durch Schmelzen erfordert. Darüber hinaus fanden die Erfinder heraus, daß eine aus Lamellen auf Grundlage einer periodischen Änderung der Zusammensetzung bestehende, amorphe Übergitterlegierung durch periodisches Ändern der Position des Substrats bezüglich des Targets zum Sputtern hergestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auf Grundlage dieser Erkenntnis erhalten.
Das Sputtern wird im allgemeinen unter Verwendung eines gesinterten oder legierten kristallinen Targets aus mehreren Phasen, dessen mittlere Zusammensetzung gleich derjenigen der herzustellenden amorphen Legierung ist, ausgeführt. Sputtern wird auch unter Verwendung eines aus einem Metallblatt eines der Bestandteile der herzustellenden amorphen Legierung und anderer auf dem Metallblatt angeordneter Metallbe';tandteile bestehenden Targets ausgeführt.
Die Erfindung wurde durch Verbesserungen dieser Verfahren wie folgt ausgeführt:
Wie in Fig. 3 dargestellt, bestehen Targets 4 (oder 5) aus Metall- oder Legierungsstücken B (oder D), die auf dem Abtragungsgebiet einer weiteren Metall- oder Legierungsscheibe A (oder C) angeordnet oder darin eingebettet sind. Ein Beispiel der Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Positionen der Substrate, die um eine erste Achse 7 gedreht werden, welche parallel zur zweiten oder zentralen Achse 1 verläuft, bezüglich eines Targets 3 werden durch kreisendes Umlaufen der Substrate 2 um die zweite Achse 1, die sich von der Normalen auf das Zentrum des Targets 3 unterscheidet, in einer Sputterkammer 6 periodisch geändert. Das Sputtern mittels dieses Vorgangs ermöglicht die Ausbildung einer aus A (oder C) und B (oder D) bestehenden, amorphen Legierung, in der sich die Konzentrationen von A (oder C) und B (oder D) periodisch ändern.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung kann ebenfalls eingesetzt werden. Beispielsweise besteht ein Target 4 aus Metallen oder Legierungen A und B, welche die amorphe Legierung bilden und ein weiteres Target 5 besteht aus Metallen oder Legierungen C und D, welche die amorphe Legierung bilden. Diese beiden Targets 4 und 5 sind in der Sputterkammer 6 schräg gegeneinander angestellt, so daß der Schnittpunkt der Normalen auf die Zentren dieser beiden Targets auf der Umlaufbahn des Zentrums bzw. der Achse 7 der eine zentrale Achse 1 der Sputterkammer 6 kreisend umlaufenden Substrate 2 schneidet. Die Positionen der Substrate 2 bezüglich des Schnittpunkts der Normalen auf die Zentren dieser beiden Targets 4 und 5 werden durch das Drehen und kreisende Umlaufen der Substrate 2 periodisch geändert. Das Sputtern mit diesem Verfahren ermöglicht die Ausbildung einer aus A, B, C und D bestehenden amorphen Legierung, in der sich die Konzentrationen von A, B, C und D periodisch ändern.
Die mittlere Zusammensetzung der amorphen Legierung kann auf einfache Weise geändert werden, bspw. durch Ändern des auf A angeordneten Gebietes B.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die folgenden Beispiele veranschaulicht:

Beispiel 1

Die Targets bestanden aus 4 Ta-Scheiben mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 1 mm, die symmetrisch auf einer Al-Scheibe mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Dicke von 6 mm angeordnet wurden, so daß die Zentren der Ta- Scheibe auf einem konzentrischen Kreis mit einem Durchmesser von 58 mm auf der Oberfläche der Al-Scheibe angeordnet waren. Der in Fig. 1 dargestellte Sputterapparat wurde benutzt. Als Substrate wurden eine Al-Scheibe und zwei Gläser eingesetzt, die gedreht oder zum kreisenden Umlaufen gebracht wurden mit einer Geschwindigkeit von 6,26 Sek/pro Umlauf um die zentrale Achse der Sputterkammer. Das Sputtern wurde mit einer Leistung von 240 bis 200 Watt unter einem Strom von 15 ml/Min. aus gereinigtem Ar bei einem Vakuum von 2 x 10&supmin;&sup4; Torr ausgeführt.
Die Röntgenbeugung der so hergestellten Sputterabscheidung offenbarte die Ausbildung einer amorphen Legierung. Eine Elektrodensonde-Mikroanalyse zeigte, daß die amorphe Legierung aus einer Al-22 at% Ta-Legierung bestand.
Nach Schneiden der Legierung mit einem Ultramikrotom wurde der Legierungsschnitt mit einem Transmissions- Elektronenmikroskop betrachtet. Die Elektrommikroskopie offenbarte, daß die Legierung eine amorphe Übergitterlegierung ist, die aus einer Aneinanderreihung von Lamellen mit einer Dicke von 3 nm besteht.

Beispiel 2

Wie in Tab. 1 dargestellt, waren die eingesetzten Targets aus verschiedenen Anzahlen unterschiedlicher Scheiben, die auf derselben, bereits in Beispiel 1 beschriebenen Al-Scheibe angeordnet waren, zusammensetzt. Das Sputtern wurde ähnlich wie in Beispiel 1 ausgeführt. Die Röntgenbeugung der so hergestellten Sputterabscheidungen offenbarte die Ausbildung amorpher Legierungen. Die Anzahl der auf der Al-Scheibe angeordneten Scheiben, die Umlaufgeschwindigkeit der Substrate, die mittlere Zusammensetzung der gebildeten amorphen Übergitterlegierung und die Dicke der jeweiligen Lamellen sind in Tab. 1 dargestellt. Tabelle 1 Zusammensetzung und Periodizität amorpher Übergitterlegierungen Metallscheibe auf Al Scheibenzahl auf Al Umlaufgeschwindigkeit des Substrates (Sek/Umlauf) mittlere Zusammensetzung der amorphen Legierung (at%) Lamellendicke (nm)
Bei diesen beiden Beispielen wurde der in Fig. 1 dargestellte Apparat eingesetzt. Ähnliche amorphe Übergitterlegierungen werden auch bei Einsatz des in Fig. 2 dargestellten Apparates erzeugt.

Claims

1. Verfahren zur Sputterpräparation einer aus Lammellen bestehenden, amorphen auf Grundlage periodischer Zusammensetzungsänderungen gebildeten Übergitterlegierung, wobei das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens eines aus Metall oder Legierungsstücken, die auf einem Abtragungsgebiet einer weiteren Metall- oder Legierungsscheibe angeordnet oder darin eingebettet sind, bestehenden Targets (3), des fortlaufenden Sputterns des Targets auf Substrate, wobei die Substrate (2) in einer sich parallel zur Targetfläche ausdehnenden Ebene angeordnet sind, und des periodischen Änderns der Position der Substrate bezüglich des Targets durch Drehen der Substrate in der Ebene um eine sich senkrecht zum Zentrum der Substrate (2) erstreckende erste Achse (7) und umlaufendes Kreisen der Substrate in der Ebene um eine parallel zur ersten Achse und in einem Abstand davon verlaufende zweite Achse (1), so daß die erste Achse (7) der Substrate (2) sich auf einer sich senkrecht zum Zentrum der Fläche des Targets erstreckenden Linie befindet, wenn die Substrate mittels des kreisenden Umlaufens um die zweite Achse (1) zu einer sich gerade oberhalb des Targets befindlichen Position gelangen.

2. Verfahren zur Sputterpräparation einer aus Lammellen bestehenden, amorphen auf Grundlage periodischer Zusammensetzungsänderungen gebildeten Übergitterlegierung, wobei das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens mehrerer Targets (4, 5), die jeweils aus in Abtragungsgebieten einer Scheibe aus einem weiteren Metall oder einer weiteren Legierung angeordneten oder darin eingebetteten Metall- oder Metallegierungsstücken bestehen, wobei die Targets in einer Sputtervorrichtung gegeneinander schräg angestellt sind und die Normalen auf die Zentren der Targets sich in einem Punkt schneiden, des fortlaufenden Sputterns der Targets auf die Substrate (2), wobei die Substrate (2) in einer Ebene angeordnet sind, und des periodischen Änderns der Position der Substrate bezüglich der mehreren Targets durch Drehen der Substrate in der Ebene um eine sich senkrecht zum Zentrum der Substrate erstreckende erste Achse (7) und auch durch umlaufendes Kreisen der Substrate in der Ebene um eine parallel zur ersten Achse und in einem Abstand davon verlaufende zweite Achse (1), so daß die erste Achse (7) der Substrate (2) auf dem Schnittpunkt der Normalen auf den Targets zu liegen kommt, wenn die Substrate (2) durch ihr umlaufendes Kreisen um die zweite Achse (1) gerade über die schräg angestellten Targets gelangen.