JPH0582464B2 - - Google Patents

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JPH0582464B2
JPH0582464B2 JP27018286A JP27018286A JPH0582464B2 JP H0582464 B2 JPH0582464 B2 JP H0582464B2 JP 27018286 A JP27018286 A JP 27018286A JP 27018286 A JP27018286 A JP 27018286A JP H0582464 B2 JPH0582464 B2 JP H0582464B2
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JP
Japan
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thin film
amorphous
alloy
substrate
amorphous alloy
Prior art date
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JP27018286A
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Japanese (ja)
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JPS63125666A (en
Inventor
Tsutomu Yoshitake
Yoshimi Kubo
Hitoshi Igarashi
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication of JPH0582464B2 publication Critical patent/JPH0582464B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明は高い結晶化温度を有する非晶質合金の
製造方法に関するものである。 (従来の技術) 近年、各種の非晶質材料が開発され、金属材料
の分野において、多くの注目を集めている。これ
らの合金は、従来の結晶合金とは異なり、結晶構
造を持たない合金であり、その性質も従来の金属
材料にはみられないものが多く、機械的性質、耐
摩耗性、耐食性、軟磁性、電気的性質などに優れ
ているため、結晶質金属に代わりうる材料とし
て、各種の用途開発が行われ、さらに、その用途
に適した材料開発も行われている。これらの合金
は、従来、一般に、単ロール法等の液体急冷法に
よつて作製されている。 (発明が解決しようとする問題点) 非晶質合金の最大の問題点は、熱的に不安定な
点にある。これは非晶質状態が熱力学的に非平衡
な準安定状態であるということに由来するもの
で、非晶質合金の宿命ともいえることである。即
ち、非晶質合金は、一般に、それぞれ特有の結晶
化温度を有し、その温度を越えるとより熱的に安
定な結晶合金に変化してしまい、非晶質状態のと
きにみられた優れた諸特性が全て失われてしまう
のである。この結晶化温度は、材料によつて異な
るが、一般に、絶対温度で測定した融点の0.4〜
0.6倍程度の値をとることが知られている。従つ
て、結晶化温度の高い合金を得るためには、融点
の高い合金を非晶質化しなければならない。 Ta−Si合金は、融点が約2300℃以上ときわめ
て高い。このため液体急冷法によつて作製された
Ta−Si系非晶質合金は、その結晶化温度が800℃
〜960℃と非常に高く、非晶質合金の問題点を大
幅に改善することが可能となつた(特願昭61−
012385号)。さらに、このTa−Si系非晶質合金
は、一般の非晶質合金に特有の高強度、高硬度な
どの優れた機械的性質を有しているために、例え
ば、耐摩耗性材料、および、温度上昇を伴う電極
用材料などへの応用が考えられる。 しかしながら、液体急冷法によつて作製される
Ta−Si系非晶質合金は、その形状が幅数mm〜数
cmのリボン状であるために、広い面積を有する非
晶質合金を得ることができないという問題点があ
つた。さらに、ある物質の上に、前記非晶質合金
を薄膜状で形成することも、従来の液体急冷法で
はできなかつた。 本発明は、このような従来技術の問題点を解決
して、高い結晶化温度を有し、かつ、機械的特
性、耐食性等にすぐれたTa系非晶質合金薄膜の
製造方法を提供することを目的とする。 (問題点を解決するための手段) 本発明は、Ta1-xSixなる式で表され、x=0.1
〜0.4である合金を、真空中において、金属を加
熱溶解し、金属原子を蒸発させることによつて、
基板上に付着させ、非晶質薄膜を形成することを
特徴とするTa系共晶質合金薄膜の製造方法であ
る。 (作用) Ta−Si系合金では、後に実施例で示すように、
Taが60at%〜90at%の組成範囲で、非晶質合金
ができることを本発明者は見いだした。この組成
範囲をはずれると非晶質構造がほとんどみられな
くなり、非晶質合金に特徴的な優れた特性がすべ
て消失してしまう。これらの非晶質合金の結晶化
温度は、その融点の高さに対応して、いずれも
800℃以上という高い値である。また、これらの
非晶質合金の機械的特性は、非晶質合金に一般に
みられるように、高強度かつ高硬度である。ま
た、耐食性においても、Taのすぐれた耐食性に
匹敵するほどの耐食性を有している。 本発明による製造方法は、真空中において、金
属を加熱溶解して、金属原子を蒸発させることに
よつて、基板上に付着させ、非晶質薄膜を形成す
る方法であるが、この際、原料合金の溶解を水冷
されたるつぼのなかで行うので、原料合金とるつ
ぼ金属の反応はほとんどおこらない。るつぼ金属
が十分に冷却されている場合には、たとえ高温度
の溶解金属が接触したとしても、るつぼ金属の温
度が低すぎるために合金化反応が極めて起こりに
くいからである。 また、基板は、水、液体窒素等の冷媒によつ
て、冷却しておく必要がある。これは、薄膜作製
中の基板温度が高すぎると、形成された合金薄膜
が、結晶質になつてしまい、非晶質相が得られな
いからである。 さらに、溶解手段としては、電子ビーム溶解、
レーザービーム溶解などのよく知られた方法を用
いることができる。 また、溶解される原料物質としては、目的組成
のTa−Si合金、あるいは、TaとSiを別々に準備
することができる。Ta−Si合金の場合には、こ
の合金を溶解することによつて、また、TaとSi
を別々に準備する場合には、それぞれを同時に別
個に溶解することによつて、薄膜を形成すること
ができる。また、得られる合金薄膜の組成は、原
料となるTa−Si合金の組成を変化させることに
より、また、TaとSiの蒸気圧を調整することに
より、容易に変化させることが出来るため、目的
とする組成の非晶質合金薄膜を容易に得ることが
できる。 以上のように、本発明の製造方法によつて、
Ta系非晶質合金は、組成制御された、高純度の
合金薄膜として、大面積に、かつ、均質に、基板
上に形成することができる。 (実施例) 以下、本発明の一実施例を図により詳細に説明
する。第1図に、本発明のTa系非晶質合金薄膜
を作製する装置の一例を示す。第1図に示す装置
は高真空電子ビーム蒸着装置である。蒸発材料
1,2は、それぞれるつぼ3,4に保持されてい
る。本実施例においては、蒸発材料1にはTa、
また、蒸発材料2には、Siを使用した。各蒸発材
料は、るつぼ中に50g準備することができる。る
つぼ3,4は銅製であり、冷却水導入管5によつ
て、水冷されており、蒸発材料が溶解した状態に
おいても、温度が上昇することはない。 基板6は、基板ホルダー7に固定されている。
基板には、長さ50mm、幅25mmで厚さ0.2mmのガラ
スを用いた。基板ホルダー7には、液体窒素導入
管8より導入された液体窒素9が蓄えられてお
り、基板が十分冷却される構造になつている。 薄膜作製に際しては、最初に、真空チヤンバー
10を真空ポンプ11によつて、10-8Torr台の
真空まで排気する。この状態で、電子ビーム源1
2,13より、電子ビームを発生させ、蒸発材料
1,2を同時に加熱、溶解させる。溶解した材料
からは、TaおよびSiが原子状態で蒸発する。蒸
着の最初1時間は、シヤツター14を閉じた状態
で予備蒸着を行う。つぎに、予備蒸着終了後、シ
ヤツターを開くことにより、基板上に薄膜を作製
した。蒸発材料1および2から飛び出した蒸発原
子は、基板付近でお互いに混合状態になり、基板
に付着する際には、均質な合金として付着する。
薄膜作製中の真空度は、10-7Torr台であつた。
また、薄膜作製中の基板温度を熱電対15を通し
て、温度計16によつて測定したところ、−180℃
であつた。蒸着は、1時間行つた。得られた薄膜
の厚さは、5μm程度であつた。 得られたTa−Si合金薄膜の構造をX線回折法
によつて評価した。その結果、薄膜の組成でTa
が60at%〜90at%の組成範囲ではいずれの薄帯も
結晶による鋭い回折ピークはみられず、ブロード
なハローパターンが得られたことから、非晶質合
金薄膜が得られたことが確認された。第1表に、
示差熱分析で測定したこれらの試料の結晶化温度
を示す。いずれも800℃以上の高い結晶化温度を
示している。また、これらの試料の機械的特性
は、ビツカース硬度が800〜1500の範囲であると
いう優れた性質を示した。さらに、これらの試料
は濃塩酸、濃硝酸、濃硫酸、濃王水の中に一日放
置しても何等腐食された様子は見られず、重量変
化も認められなかつた。
(Industrial Application Field) The present invention relates to a method for producing an amorphous alloy having a high crystallization temperature. (Prior Art) In recent years, various amorphous materials have been developed and are attracting a lot of attention in the field of metal materials. Unlike conventional crystalline alloys, these alloys do not have a crystalline structure, and many of their properties are not found in conventional metal materials, such as mechanical properties, wear resistance, corrosion resistance, and soft magnetism. Due to its excellent electrical properties, various uses are being developed as a material that can replace crystalline metals, and materials suitable for these uses are also being developed. These alloys have conventionally been generally produced by a liquid quenching method such as a single roll method. (Problems to be Solved by the Invention) The biggest problem with amorphous alloys is that they are thermally unstable. This is due to the fact that the amorphous state is a thermodynamically non-equilibrium metastable state, and can be said to be the fate of amorphous alloys. In other words, each amorphous alloy generally has its own specific crystallization temperature, and when that temperature is exceeded, it changes to a more thermally stable crystalline alloy, and the superiority seen in the amorphous state is lost. All the characteristics that were previously acquired are lost. This crystallization temperature varies depending on the material, but is generally 0.4 to 0.4 of the melting point measured in absolute temperature.
It is known that the value is about 0.6 times. Therefore, in order to obtain an alloy with a high crystallization temperature, an alloy with a high melting point must be made amorphous. Ta-Si alloy has an extremely high melting point of approximately 2300°C or higher. For this reason, it was made using the liquid quenching method.
Ta-Si amorphous alloy has a crystallization temperature of 800℃
The temperature was extremely high at ~960°C, making it possible to significantly improve the problems of amorphous alloys (Patent application 1986-
No. 012385). Furthermore, this Ta-Si-based amorphous alloy has excellent mechanical properties such as high strength and high hardness that are characteristic of general amorphous alloys, so it can be used as a wear-resistant material and , and applications such as electrode materials that involve temperature rises are possible. However, it is produced by liquid quenching method.
Ta-Si amorphous alloys have shapes ranging from several mm to several mm wide.
There was a problem in that it was impossible to obtain an amorphous alloy with a wide area because of the ribbon shape. Furthermore, it has not been possible to form the amorphous alloy in the form of a thin film on a certain substance using the conventional liquid quenching method. The present invention solves the problems of the prior art and provides a method for producing a Ta-based amorphous alloy thin film that has a high crystallization temperature and has excellent mechanical properties, corrosion resistance, etc. With the goal. (Means for solving the problem) The present invention is expressed by the formula Ta 1-x Si x , where x=0.1
~0.4 by heating and melting the metal in vacuum and vaporizing the metal atoms.
This is a method for producing a Ta-based eutectic alloy thin film, which is characterized by depositing it on a substrate to form an amorphous thin film. (Function) In Ta-Si alloys, as shown in the examples later,
The present inventors have discovered that an amorphous alloy can be formed in a composition range in which Ta is 60 at% to 90 at%. When the composition is outside this range, almost no amorphous structure is observed, and all the excellent properties characteristic of amorphous alloys are lost. The crystallization temperatures of these amorphous alloys vary depending on their high melting points.
This is a high value of over 800℃. In addition, the mechanical properties of these amorphous alloys are high strength and high hardness, as is generally seen in amorphous alloys. Also, in terms of corrosion resistance, it has corrosion resistance comparable to that of Ta. The manufacturing method according to the present invention is a method in which a metal is heated and melted in a vacuum to evaporate metal atoms, thereby depositing them on a substrate to form an amorphous thin film. Since the alloy is melted in a water-cooled crucible, there is almost no reaction between the raw material alloy and the crucible metal. This is because if the crucible metal is sufficiently cooled, even if high-temperature molten metal comes into contact with it, the temperature of the crucible metal is too low and alloying reactions are extremely unlikely to occur. Further, the substrate needs to be cooled with a coolant such as water or liquid nitrogen. This is because if the substrate temperature during thin film production is too high, the formed alloy thin film will become crystalline and an amorphous phase will not be obtained. Furthermore, as melting means, electron beam melting,
Well known methods such as laser beam melting can be used. Further, as the raw material to be melted, a Ta-Si alloy having a desired composition or Ta and Si can be prepared separately. In the case of Ta-Si alloy, by melting this alloy, Ta and Si
If they are prepared separately, a thin film can be formed by separately dissolving each at the same time. In addition, the composition of the obtained alloy thin film can be easily changed by changing the composition of the Ta-Si alloy used as the raw material and by adjusting the vapor pressure of Ta and Si. It is possible to easily obtain an amorphous alloy thin film having the following composition. As described above, by the manufacturing method of the present invention,
A Ta-based amorphous alloy can be uniformly formed over a large area as a high-purity alloy thin film with controlled composition on a substrate. (Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of an apparatus for producing the Ta-based amorphous alloy thin film of the present invention. The apparatus shown in FIG. 1 is a high vacuum electron beam evaporation apparatus. Evaporated materials 1 and 2 are held in crucibles 3 and 4, respectively. In this example, the evaporation material 1 includes Ta,
Moreover, Si was used as the evaporation material 2. 50g of each evaporated material can be prepared in a crucible. The crucibles 3 and 4 are made of copper and are water-cooled by a cooling water introduction pipe 5, so that the temperature does not rise even when the evaporation material is dissolved. The substrate 6 is fixed to a substrate holder 7.
The substrate used was glass with a length of 50 mm, width of 25 mm, and thickness of 0.2 mm. The substrate holder 7 stores liquid nitrogen 9 introduced from a liquid nitrogen introduction pipe 8, and has a structure in which the substrate is sufficiently cooled. When producing a thin film, first, the vacuum chamber 10 is evacuated to a vacuum level of 10 -8 Torr using the vacuum pump 11 . In this state, electron beam source 1
2 and 13, electron beams are generated to simultaneously heat and melt the evaporation materials 1 and 2. Ta and Si evaporate in atomic form from the melted material. During the first hour of vapor deposition, preliminary vapor deposition is performed with the shutter 14 closed. Next, after the preliminary vapor deposition was completed, the shutter was opened to form a thin film on the substrate. The evaporated atoms ejected from the evaporation materials 1 and 2 are mixed with each other near the substrate, and when they adhere to the substrate, they adhere as a homogeneous alloy.
The degree of vacuum during thin film production was on the order of 10 -7 Torr.
In addition, when the substrate temperature during thin film fabrication was measured with the thermometer 16 through the thermocouple 15, it was found to be -180°C.
It was hot. The deposition took place for 1 hour. The thickness of the obtained thin film was about 5 μm. The structure of the obtained Ta-Si alloy thin film was evaluated by X-ray diffraction method. As a result, Ta
In the composition range of 60 at% to 90 at%, no sharp diffraction peaks due to crystals were observed in any of the ribbons, and a broad halo pattern was obtained, confirming that an amorphous alloy thin film was obtained. . In Table 1,
The crystallization temperatures of these samples measured by differential thermal analysis are shown. All exhibit high crystallization temperatures of 800°C or higher. In addition, the mechanical properties of these samples showed excellent properties with a Vickers hardness ranging from 800 to 1500. Furthermore, even when these samples were left in concentrated hydrochloric acid, concentrated nitric acid, concentrated sulfuric acid, and concentrated aqua regia for one day, no signs of corrosion were observed, and no change in weight was observed.

【表】【table】

【表】 なお、本実施例では、高真空電子ビーム蒸着装
置によるTa系非晶質合金薄膜の製造方法を紹介
したが、非晶質薄膜を作製する際に、他の蒸着方
法、即ち、レーザービーム蒸着法、クラスターイ
オンビーム蒸着法等を利用してもさしつかえな
い。 (発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明によるTa
系非晶質合金薄膜の製造方法は高い結晶化温度を
有し、かつ、機械的特性、耐食性等すぐれた非晶
質合金薄膜が容易に得られ、その効果は大きい。
[Table] In this example, a method for producing a Ta-based amorphous alloy thin film using a high-vacuum electron beam evaporation apparatus was introduced. However, when producing an amorphous thin film, other evaporation methods, such as laser It is also possible to use a beam evaporation method, a cluster ion beam evaporation method, or the like. (Effects of the Invention) As explained in detail above, Ta according to the present invention
The method for producing an amorphous alloy thin film has a high crystallization temperature, and can easily produce an amorphous alloy thin film with excellent mechanical properties, corrosion resistance, etc., and is highly effective.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明のTa系非晶質合金薄膜を作
製する装置の一例を示す図である。図において、
1および2は蒸発材料、3および4はるつぼ、5
は冷却水導入管、6は基板、7は基板ホルダー、
8は液体窒素導入管、9は液体窒素、10はチヤ
ンバー、11は真空ポンプ、12および13は電
子ビーム源、14はシヤツター、15は熱電対、
16は温度計である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of an apparatus for producing a Ta-based amorphous alloy thin film of the present invention. In the figure,
1 and 2 are evaporation materials, 3 and 4 are crucibles, 5
is a cooling water introduction pipe, 6 is a board, 7 is a board holder,
8 is a liquid nitrogen introduction tube, 9 is liquid nitrogen, 10 is a chamber, 11 is a vacuum pump, 12 and 13 are electron beam sources, 14 is a shutter, 15 is a thermocouple,
16 is a thermometer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 Ta1-xSixなる式で表され、x=0.1〜0.4であ
る組成の合金を、真空中において、金属を加熱溶
解し、該金属原子を蒸発させることによつて、基
板上に薄膜を形成する真空蒸着装置を用いて、非
晶質化させることを特徴とするTa系非晶質合金
薄膜の製造方法。
1 A thin film is formed on a substrate by heating and melting the metal and evaporating the metal atoms in a vacuum, using an alloy expressed by the formula Ta 1-x Si x , where x = 0.1 to 0.4. 1. A method for producing a Ta-based amorphous alloy thin film, the method comprising making a Ta-based amorphous alloy thin film amorphous using a vacuum evaporation device that forms a Ta-based amorphous alloy.
JP27018286A 1986-11-12 1986-11-12 Production of thin amorphous ta alloy film Granted JPS63125666A (en)

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JPS63125666A JPS63125666A (en) 1988-05-28
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