JP2003520902A - ナノマテリアル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非磁性物質のクラスタと共に強磁性物質の原子を表面に同時に蒸着することと、非磁性物質のクラスタの周囲に形成される強磁性物質のマトリクスを含む薄膜ナノマテリアルを提供することを、含む、薄膜ナノマテリアルを作成する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、ナノマテリアルに関し、特に薄膜として提供されるナノマテリアル
に関する。

【０００２】 ナノマテリアルは、世界中の多数の研究所でこれまで製作されてきた。多結晶
ナノマテリアルは、粒子サイズが１００ナノメートルかそれより小さいと一般に
考えられている。ナノマテリアルは薄膜として提供することができ、その薄膜は
通常、１００ナノメートルより薄い層のマテリアルを含む。薄膜ナノマテリアル
は、例えば、気化蒸着や原子蒸着を利用して、構成され得る。

【０００３】 ナノマテリアルは、相当量の研究を要する題目である。あるマテリアルがナノ
メートルスケールで構成されると、その特性が相当に変動することはよく知られ
ている。例えば、多結晶マテリアルの粒子サイズがナノメートルスケールまで下
げられると、硬度において劇的な増加が生じる。更に、多結晶半導体のバンドギ
ャップは、半導体結晶の直径が約４ナノメートル以下にまで下がると、増大する
ことが、知られている。

【０００４】 薄膜ナノマテリアルを生成する新しい方法を提供することが、本発明の目的で
ある。

【０００５】 本発明の第１の実施形態によると、ナノマテリアルを作成する方法が提供され
る。該方法は、非磁性物質の原子のクラスタと共に強磁性物質の原子を表面に同
時に蒸着することと、非磁性物質の原子のクラスタにより囲まれた強磁性物質の
粒の多結晶マトリクスを含む薄膜ナノマテリアルを提供することを、含む。

【０００６】 磁性マテリアルの原子と非磁性マテリアルのクラスタとを同時に蒸着すること
で、合成マテリアルの形態が注意深く制御される。

【０００７】 ナノマテリアルは、１００ナノメートル若しくはそれより薄い厚さを通常備え
る薄膜として、提供され得る。

【０００８】 本発明に従い作成されるナノマテリアルは、非磁性物質のクラスタが強磁性物
質の大きい多結晶の粒の形成を防ぐという点で、利点を有する。非磁性クラスタ
は磁気粒を囲み、直接の原子蒸着を利用して物質が生成されるときの粒の大きさ
と比較して、強磁性物質の粒の大きさを制限したものにする。本発明によって、
磁気マテリアルの粒の大きさは、過常磁性限界の近傍まで減少され得る。粒の大
きさの減少にはいくつかの有益な効果があり、特にマテリアルが、例えばデータ
を格納するのに利用される磁気媒体として利用されるときにそうである。

【０００９】 磁性を切り換えるのに要求される磁気モーメントが減少するため、粒の大きさ
が減少することで強磁性物質の各々の粒の磁性をより速く切り換えることができ
る。マテリアルが磁気データ格納媒体として利用されている際には、このことは
より速い読出し／書き込みを実現することになる。粒の大きさが減少して強磁性
粒の密度が増大することにより、格納されるデータの密度も増大することになる
。更に、非磁性クラスタによって磁性粒を分離すると、相当程度にまで近傍の粒
と磁気を分断することになる。

【００１０】 粒の大きさを減少すると、ナノマテリアルの硬度を実質上増加させることにも
なる。このことは、特にマテリアルが薄膜として提供される場合磨耗耐性を増加
させるのにおいて利点がある。例えば、コンピュータハードディスクのデータ格
納媒体として利用されるならば、付加的な保護コーティングは要求されない。

【００１１】 非磁性クラスタは強磁性物質のマトリクスの中に体積比２０％より小さい密度
で埋め込まれるのが好ましく、体積比１０％より小さい密度であることが最も好
ましい。

【００１２】 非磁性クラスタの大部分は、１０ナノメートルより小さい直径、例えば１から
７ナノメートルの間の直径であることが好ましい。

【００１３】 強磁性物質の大部分は、直径２０ナノメートルより小さいのが好ましい。例え
ば、粒サイズは直径１０ナノメートルのオーダであってもよく、最小限サイズは
、特定の利用される磁性物質の過常磁性限界により決定される。

【００１４】 強磁性物質はコバルトであるのが好ましい。しかしながら、他のどの強磁性物
質が利用されてもよく、例えば、鉄でもよい。

【００１５】 非磁性物質は、強磁性物質の中で溶解しない物質であるのが好ましい。強磁性
物質の中で混合し得ない単体非磁性物質であれば何が利用されてもよい。

【００１６】 非磁性物質は銅であるのが好ましい。銅はコバルトの中で溶解しないため好ま
しいが、他の物質が利用されてもよい。

【００１７】 表面は、シリコンや金属のような適切な物質により供給されてもよい。最もど
の適切な物質も利用され得る。薄膜ナノマテリアルは、例えば従来のコンピュー
タハードディスク表面上に直接蒸着されてもよい。

【００１８】 薄膜ナノマテリアルは、多重層マテリアルの単一層を含んでもよい。

【００１９】 強磁性物質の原子と非磁性物質のクラスタは、別個の源で生成されるのが好ま
しい。

【００２０】 強磁性物質の原子は、第１のマグネトロンの中で生成されるのが好ましい。原
子は、アルゴン原子の噴射中で、表面に導かれるのが好ましい。このことが、原
子蒸着である。

【００２１】 非磁性物質の原子は、第２のマグネトロンの中で生成され、一団になって冷却
チャンバ内でクラスタを形成するのが好ましい。クラスタは、アルゴン原子の噴
射の中で、表面に導かれるのが好ましい。

【００２２】 本発明の第２の実施形態によると、非磁性物質原子のクラスタに囲まれた強磁
性粒の多結晶マトリクスを含む、薄膜ナノマテリアルが供給される。

【００２３】 以下、図面を参照しつつ本発明に係る特定の実施形態を説明する。該図面は、
本発明に係る薄膜ナノマテリアルを生成し得る装置を概略示す。

【００２４】 本発明の一つの例では、１．５ナノメートルから７ナノメートルの間の直径を
有する銅クラスタが、強磁性コバルトのマトリクスの中に埋め込まれる。これら
のクラスタは、コバルトが大きい結晶粒を成形するのを防ぐ。結晶粒は、銅クラ
スタが無い場合に形成される直径５０から６０ナノメートルでは無く、直径約２
０ナノメートルより通常小さい。上述の利点に加えて、小さいコバルト粒の更な
る利点は、磁場に晒されると成長しがちな５０から６０ナノメートル直径のコバ
ルト粒に比べて、それらは安定しているということである。

【００２５】 本発明に係る磁性ナノマテリアルは、磁気格納媒体として利用するのに特に適
合的であることである。

【００２６】 上述のように、コバルト粒の濃度が増加することにより格納されるデータの濃
度が増加する。更に、磁気を切り換えるのに要求される磁気モーメントは減少す
るので、粒サイズが減少することにより各々のコバルト粒の磁気がより速く切り
換わることが、おそらくより意味のあることである。

【００２７】 本発明の膜のコバルトと銅の他の利点には、改良された安定性及び硬度が含ま
れる。

【００２８】 コバルトと銅の膜を生成するのに利用され得るマグネトロンスパッタリング装
置は、図１に示される。第１のマグネトロン１は原子コバルト噴射２を与え、第
２のマグネトロン３は銅クラスタ噴射４を与える。

【００２９】 第１のマグネトロン１の内部には、プレートベアリングコバルト（図示せず。
）がある。プレートの背後に位置するマグネット（図示せず。）は、プレートの
前面に磁場を生成する。プレートはカソードを形成し、適宜配置されるべきアノ
ード（図示せず。）はプレートの周囲に位置する。低圧アルゴンガスが、連続流
８でマグネトロンの中に注入される。アルゴンガスは、マグネトロン１の内部で
電場によりイオン化し、アルゴン原子から分離する電子はカソードプレートに衝
突し、よってプレートからコバルト原子を打ち出す。これらのコバルト原子は、
スパッタされた原子である。原子コバルトの噴射２が実際に原子コバルトと原子
アルゴンを含むようにして、コバルト原子はアルゴン原子の噴射によりマグネト
ロンから運ばれる。アルゴンは不活性であるから、噴射２内のアルゴンの存在は
無視され得る。

【００３０】 第２のマグネトロン３は、第１のマグネトロン１と同様に構成されており、こ
こでも低圧アルゴンガス８の一定流がマグネトロン３の中に注入される。しかし
ながら、この場合プレート（図示せず。）は、コバルトではなく銅を運ぶ。

【００３１】 原子コバルトのビーム２は、１０^−３トルの真空内で生成される。これとは対
照的に、第２のマグネトロン３は、０．１から１．５ミリバール（通常は１トル
）の圧力のヘリウムとアルゴンの混合気体を含むチャンバ５の内部に位置する。
チャンバ５は、液体窒素で冷却される。銅原子が、第２のマグネトロン３からチ
ャンバ５の中に放出されるが、ヘリウムとアルゴン原子が存在するため移動度が
制限される。銅原子は、共にドリフトし膠着しがちであるから、ガス凝集として
知られるプロセスでクラスタを形成する。銅クラスタは、超音波噴射で、ヘリウ
ム原子とアルゴン原子を伴うチャンバ５を離れる。スキマ６が設置されヘリウム
をかすめとり、冷却チャンバ５を出るときに急速に膨張し、銅クラスタとアルゴ
ン原子の噴射４とする。ここでも、アルゴンは不活性であるから、噴射４内のア
ルゴン原子は無視され得る。

【００３２】 銅クラスタの噴射４を生成するには、集束レンズは要求されない。その代わり
、適切なファネル状ホール９が利用される。コバルト原子の噴射２と銅クラスタ
の噴射４の両方が、シャッタ１１を利用して止められ得る。

【００３３】 銅クラスタは、真空蒸着として知られるプロセスにより、適切なサブスレート
７上にコバルト原子と共に蒸着される。サブスレートは、不純物がサブトレート
７上に蒸着しないように、１０^−８トルの真空で保持される。

【００３４】 原子コバルト蒸着と銅クラスタ蒸着は同時に生じ、コバルトマトリクスは銅ク
ラスタサイトの周囲で成長する。コバルト原子ビームは、銅クラスタビームより
も略１０倍から２０倍、強い。蒸着速度は、安定振動結晶厚さモニタ（図示せず
。）を利用して、モニタされる。

【００３５】 図１の装置により供給される銅クラスタの大きさは、装置の適切な調整により
、１．５ナノメートルから７ナノメートルの範囲で選択され得る。クラスタサイ
ズ分布の最大値の半分の全体幅は、平均サイズの約３０％である。クラスタの蒸
着速度は、５オングストローム／秒までである。装置により与えられる蒸着速度
は、原子コバルト噴射２の源によってのみ、最終的には制限される。

【００３６】 サブスレートの性質は、サブスレート上に供給される強磁性マテリアルの薄膜
の性質に影響を及ぼし得ることが、知られている。本例では、一つの特定の方向
にコバルト粒の成長を導くために形成体として作用する特定のサブスレートを選
択することにより、コバルトの磁気は、層の面に向けられたり外されたりするこ
とを余儀なくされ得る。

【００３７】 コバルト及び銅の膜の特性は、銅クラスタの大きさ及び密度を注意深く制御す
ることにより、容易に、且つ系統的に再現可能な方法で、操作され得る。

【００３８】 コバルトの粒の大きさが約２０ナノメートルより小さく限定されているので、
コバルト及び銅の膜は硬い。現存のコバルト膜は、銅クラスタを含んでおらず、
５０から６０ナノメートルの粒の大きさを持ち、結果として相当に硬度が低い。
従来技術の磁気ハードディスクは、５０から６０ナノメートルより小さい粒の大
きさを有するコバルト合金膜を含み、コバルト膜の記録ヘッドによる損傷を防ぐ
ためにコバルト膜の頂面上に保護層を含む。本発明に係るコバルト及び銅の膜を
利用して構成される磁気ハードディスクは、保護層を要求せず、従って現存の磁
気ハードディスクよりも、簡単に且つ廉価で生産される。

【００３９】 膜磁気特性に逆に影響を与えることを避けるために、（体積比で）１０％若し
くはそれより小さいオーダの、銅クラスタの低い密度が要求される。５％から１
０％の銅クラスタ密度が好ましい。２０％以上のクラスタ密度は、磁気情報を記
録する能力を相当に抑制してしまう。

【００４０】 サブスレート７は適切な物質であればよく、例えば、ガラス、シリコン（若し
くは、他の半導体ウエファ又は金属）でもよい。磁気ハードディスクの製造では
、銅クラスタ及びコバルト原子がハードディスク上に直接蒸着されることが、想
定される。

【００４１】 一つの層がクラスタを含む、多重層マテリアルは、図１に示される装置を利用
して、作成され得る。例えば、Ｋセル１０のような熱原子源が、クラスタを含ま
ない層を真空蒸着するための原子を生成するのに、利用され得る。

【００４２】 銅クラスタの大きさは、ヘリウム及びアルゴンガスの圧力のような第２のマグ
ネトロン３内部のパラメータと、冷却チャンバ５内部の第２のマグネトロン３の
配置とを、調整することにより変更され得る。

【００４３】 蒸着速度は、原子の源とクラスタの源とに依存する。上記の蒸着速度は実験の
装置のためのものである。装置がハードディスクのコーティングをするためにス
ケールアップされるとするならば、蒸着速度は例えば５０−１００オングストロ
ーム／秒の範囲まで、増加するであろう。

【００４４】 本発明につきコバルトを参照して説明したが、他の磁気マテリアルも利用され
得る。しかしながら、磁気データ格納媒体の生産では、コバルトが現下優勢であ
る。同様に、金やクロムのような他の非磁気マテリアルが、銅の代わりに用いら
れてもよい。これらは、非限定の例示である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 コバルトと銅の膜を生成するのに利用されるマグネトロンスパッ
タリング装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 デレク・イースタム イギリス、ダブリューエイ４・４エイデ ィ、ウォーリントン、デアーズベリー、デ アーズベリー・ラボラトリー、カウンシ ル・フォー・ザ・セントラル・ラボラトリ ー・オブ・ザ・リサーチ・カウンシルズ Ｆターム(参考） 4K029 BA06 BA08 BB01 BC06 BD00 BD11 CA03 DD05

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非磁性物質のクラスタと共に強磁性物質の原子を表面に同時
   に蒸着することと、 非磁性物質の原子のクラスタにより囲まれた強磁性物質の粒の多結晶マトリク
   スを含む、薄膜ナノマテリアルを提供することを含む、 薄膜ナノマテリアルを作成する方法。
2. 【請求項２】 非磁性クラスタが、強磁性物質のマトリクスの中に、体積比
   ２０パーセントより小さい密度で埋め込まれる、 請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 非磁性クラスタが、強磁性物質のマトリクスの中に、体積比
   １０パーセントより小さい密度で埋め込まれる、 請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 非磁性クラスタの大部分が、１０ナノメートルより小さい直
   径を有する、先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
5. 【請求項５】 非磁性クラスタの大部分が、７ナノメートルより小さい直径
   を有する、請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 強磁性物質の粒の大部分が、直径２０ナノメートルより小さ
   い、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
7. 【請求項７】 強磁性物質の粒の大部分が、直径１０ナノメートルのオーダ
   である、 請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 強磁性物質がコバルトである、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
9. 【請求項９】 非磁性物質が、強磁性物質の中で溶解しない物質である、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
10. 【請求項１０】 非磁性クラスタが銅である、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
11. 【請求項１１】 表面が、シリコンサブスレート、ガラス、又は金属である
    、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
12. 【請求項１２】 薄膜ナノマテリアルが、多重層マテリアルの単一の層を含
    む、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
13. 【請求項１３】 強磁性物質の原子と非磁性物質のクラスタが、別の源で生
    成される、 先行するあらゆる請求項のうちのいずれか一つに記載の方法。
14. 【請求項１４】 強磁性物質の原子が第１のマグネトロンで生成される、 請求項１３に記載の方法。
15. 【請求項１５】 非磁性物質の原子が第２のマグネトロンで生成され、一団
    になって冷却チャンバ内でクラスタを形成する、 請求項１３又は請求項１４に記載の方法。
16. 【請求項１６】 非磁性物質のクラスタに囲まれた強磁性の多結晶マトリク
    スを含む、薄膜ナノマテリアル。
17. 【請求項１７】 添付の図面を参照して、実質上上記にて説明される方法。
18. 【請求項１８】 添付の図面を参照して、実質上上記にて説明される薄膜ナ
    ノマテリアル。