JPH09503025A - 積層された金属構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、熱間アイソスタティックプレスにより得られる積層された構造体（１）に関し、一つの側上の（粉末冶金により製造された）第一の金属の外側の層（２）、第一の側と脆い金属間化合物の層及び／又は脆い秩序立った層を形成し得るところの、他の側上の第二の金属の外側の層（３）、及び延性のある金属の中間層（４）を含み、該層は相互に異なる熱膨脹係数を持ち、そして中間層（４）は上記の脆い金属間化合物の層又は秩序立った層の形成に対する拡散バリヤーとして挙動する。本発明はまた、この構造体の製造法及びプラズマスパッタリングユニット中の陰極としてのこの構造体の使用法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 積層された金属構造体 本発明は、互いに結合され、そして相互に異なる熱膨脹係数を持つ少なくとも 三つの金属の（即ち、金属含有）層を含む積層された構造体に関する。重要な実 施態様において、外側の層の一つは、積層された構造体のためのキャリヤー(car rier)層又は基板層として鋼から製造される。本発明はまた、上記構造体の製造 法、及び基板層の反対側に配置されるところの構造体の境界層からの物質で物体 を被覆するための、プラズマスパッタリング装置における陰極としてのその適用 法及び使用法を含む。この適用のために、反対側の表面上のこの境界層は、粉末 冶金法に従って調製される組成物をしばしば有するであろう。 他の表面上にデポジットされ得る外側のターゲット層を持つ管状の回転し得る 陰極は、米国特許第４，３５６，０７３号明細書から公知であり、一方、内側の ターゲット層を持つ管状の固定式の陰極は、米国特許第４，１３５，２８６号明 細書から公知である。もちろん、平らな陰極はまた、公知である。とりわけ、米 国特許第３，９９２，２０２号明細書から、同心円的に配置された鋼の外側の層 を持つシリンダー状の積層体の製造は公知であり、ここで、外側の層と分離層の 間の残存する環状の空間は、熱間アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）法を使用 して緻密にされる ところの粉末冶金組成物で満たされる。他の層の熱膨脹係数より大きい熱膨脹係 数が、該コアのために選ばれた。ＨＩＰプロセスに続く冷却の間に、コアはそれ 故、他の層より一層収縮し、そして従って、分離層の位置において熱間プレスさ れた粉末から分離する。 本発明の目的はとりわけ、既に述べたような平らな又は同心円的に組み立てら れた管状の金属の積層された構造体中の層の間の、それらの境界表面における種 々の層の弛緩、分離または引き離しを防ぐことである。とりわけ、マグネトロン 中の陰極としての使用のために、積層体の異なる層の間の電気及び熱伝導接触は いつも保証されなければならないけれども、それらの膨脹係数における相互の違 いが大きい。 （例えば、鋼合金から作られた）キャリヤー層の熱膨脹係数がそれに直接に取 り付けられたターゲット層の熱膨脹係数とかなり相違するところの、陰極スパッ タリング又は蒸発装置における平らな又は管状の通常の陰極を使用する時、より 詳しくは、もし、このターゲット層が、二つの層の間の境界領域において（鋼） 合金と脆い金属間化合物層を形成し得るなら、そしてとりわけ、このターゲット 層が比較的薄くなる時、（例えばＨＩＰ法における構造体の製造プロセスの冷却 段階の間に生ずるところの）収縮応力がターゲット層中にヒビ割れを生じさせる 。これは、比較的一定の組成を持つスパッタリングターゲット層を保証すること を可能にするために、この方法において作られた陰極 のターゲット層の部分的スパッタリングのみが可能であることを意味する。従っ て、これらの陰極は理論上、スパッタリングのために使用され得るところのター ゲット物質の比較的大きい残りの厚みを未だ保持しているのに、これらの陰極は 実際上は使用できなくなる。これは、とりわけターゲット物質が高価である場合 に、過少評価されてはならないところの損失要因である。 平らな又は管状のいずれであれ、通常の積層された陰極に内在するこの欠点は 、高いアイソスタティックプレスにより得られ、粉末冶金により組立てられ又は 製造されるところの、一つの側上の第一の金属の（即ち、金属含有）外側の層、 及びその金属元素が、第一の層と一つ又はそれ以上の脆い金属間化合物層若しく は構造体及び／又は秩序立った(ordered)脆い層を形成し得るところの、他の側 上の第二の金属の（即ち、金属含有）外側の層を含む積層された構造体を提供す ることにより、本発明に従って、今避けられる。積層された構造体は、延性のあ る金属の中間層を更に含み、ここで、第一、第二及び中間層は、相互に異なる熱 膨脹係数を有し、そしてここで、中間層は、上記の脆い金属間化合物の層又は秩 序立った層の形成に対する拡散バリヤーとしてふるまう。述べられた第一の外側 の層は、好ましくは中間層の少なくとも３倍の厚さであろう。 該他の側の外側の層は、例えば、合金鋼層であり、そして例えば３００シリー ズのステンレス鋼が好ましいであろう。もし、第一の外側の層が、コバルト含有 量の豊富な合 金であり、そして該他の側の外側の層、即ちキャリヤー層が、ステンレス鋼で作 られているなら、なかんずく、少なくとも９５重量％の（銅＋ニッケル）（合計 して）の中間層が、積層された又は層状の構造体において収縮応力の結果として のヒビ割れの形成を避けるために適切であることが分かった。 本発明はまた、積層された構造体の製造法に関し、ここで、金属の基板を形成 する外側の層が金属の中間層で覆われ、そしてここで、粉末冶金的に調製された 組成物の外側層被覆が次に、熱間アイソスタティックプレス（ＨＩＰ法）により 中間層に結合される。中間層は所望なら、述べられた外側層被覆の施与前に、緻 密にされ得る。中間層は好ましくは、ＨＩＰ法の間に互いに部分的に拡散する少 なくとも二つの副次層を含むであろう。 これらのことは今、多数の発明の実施態様及び添付図面を参照して更に詳細に 説明されるであろう。追加の詳細及び利点がまた、議論されるであろう。 図１は、内側のライニングとしてキャリヤー層を持つ本発明に従う管状の積層 された金属構造体の部分的断面図を示す。 図２は、外側のスリーブとしてキャリヤー層を持つことを除き、図１と同様の 部分的断面図を示す。 図３は、平らな板の形式又は形状の本発明に従う積層された金属構造体を示す 。 図１に描かれた管状の積層された金属構造体１は、例え ばステンレス鋼から成るキャリヤー層としての金属の内側のライニング又は内側 のスリーブ３、及び例えば粉末冶金的に調製された合金から成る金属の外側の層 又は外側のスリーブ２を含む。これらの二つの層は、異なる熱膨張係数を有する 。キャリヤー層３の厚みは、例えば１ｃｍであり得る。中間層４の厚みは非常に 薄く、例えば１ｍｍより薄い。これは、例えばステンレス鋼層３からの鉄と、コ バルト合金層２、とりわけコバルト含有量の豊富な層からのコバルトとの間の脆 い層の形成に対する適切な拡散バリヤーの形成のために十分である。この厚さは また、中間層４の物質が十分に延性であるという条件において、より高い熱膨脹 係数を持つ層（鋼）とより低い熱膨張係数を持つ層（コバルト）の間の収縮応力 を解消するために適切である。具体的には、それは、金属中間層４が１／４〜２ ／３の間にある降伏点対引張強度の比を持ち得ることを意味する。例えば、１０ ％〜９０％の間の、そしてとりわけ４０％〜７０％の間の銅対（ニッケル＋銅） の全体的な（平均の）重量比を持つ銅‐ニッケル組成物が適切である。この中間 層４において、銅及びニッケルは通常、固溶体中で少なくとも部分的に混合され るであろう。これは、とりわけ、層２がコバルト合金であり、そして層３が鋼合 金層である時、中間層４が、層３の近くでニッケルがより豊富であることができ 、そして外側の層２の近くで銅が豊富であることができることを意味する。この 銅‐ニッケル中間層４の平均膨脹係数は、コバルト合金のそれと鋼合金のそれの 間にあ る。 層２は、ホウ素を含むコバルト合金よりなり得る。この場合に、上記の積層さ れた構造体、即ち、鋼層３、引続き、その鋼に隣接する境界ニッケルフィルム、 コバルト合金層２に隣接する銅境界層への遷移領域として銅の増加する濃度を持 つニッケル‐銅合金層が、使用され得る。この構造体は今、ホウ素が積層された 構造体の製造又は使用の間に鋼層に拡散することを同時に防ぐであろう。これは 、下記の実施例から明らかとなるであろうように重要である。延性のある中間層 の組成は従って通常、それが層２から層３へ及び／又は逆方向への元素の望まな い拡散に対するバリヤーを同時に形成するような様式で適合され得る。 ある特定の適用のために、コバルト合金はまた、Ｓｉ、Ｆｅ及びおそらくＭｏ を含み得る。Ｆｅ Ｎｉ Ｍｏ Ｂ‐合金、ターフェノル(Terfenol)及び米国特 許第４，５１０，４９０号明細書（表１）及び同４，５８１，５２４号明細書中 に挙げられた他の合金組成物、並びにＣｏ‐合金、とりわけ２２％より少ないＣ ｒを持つ二成分からなるＣｏ‐合金が、特定の磁気的特性を持つ薄い層をスパッ タリングするためのターゲット層２として選ばれ得る。 図１に描かれた実施態様に対して逆の実施態様において、本発明はまた、図２ に示されたような積層された管状の構造体を提供する。ここで、いわゆる第一の 外側の層２は管の内側のライニングを形成し、そしていわゆる第二の外側の層３ は外側のスリーブを形成する。 本発明に従う積層された金属構造体は、陰極蒸発装置（cathodic evaporation device）中のスパッタリング電極１としての重要な適用を有する。図１に示さ れた管状の陰極１は、例えば、米国特許第４，３５６，０７３号明細書中に述べ られた装置中の回転し得る陰極として使用され得る。ここで、物質は外側の層２ からスパッタリング除去され、そして一つ又はそれ以上の上記の管１の外側の表 面に面するドラム８の周囲に装置又は設備を通して連続的に供給されるところの 、フィルム（又はプレート）基体５上に層６としてデポジットされる。ポリエス テルフィルムがしばしば、基体５として使用される。上記の外側一又は複数の層 ２の組成はもちろん、フィルム上の所望の被覆層組成のために調節されなければ ならない。現在、例えば、半導体、磁気記録における使用のために、種々の範囲 の周波数における電磁気放射のための吸収、反射又は透過要求を満足するための 、表面硬度、磨耗抵抗、ガス不透過性表面等のための特定の物理化学的、磁気的 、光学的及び／又は電気的特性を持つ全ての種類の被覆層組成に対する高い要求 がある。通常、それ故、特定の合金が、硬度に希釈された不活性ガス雰囲気（ア ルゴン）中で外側の層２からそのままスパッタリング除去され得る。一方、窒素 、酸素又は他の希釈されたガス雰囲気中における反応スパッタリングを経て、窒 化物、又は夫々酸化物又は所望の組成を持つ他の化合物が、基体５上に層２から デポジットされ得る。連続的な反応及び非反応スパッタリングの組合わせが、ま た可能であ る。 逆に、細長い基体５、例えばワイア、フィラメント束、細長い異形鋼、細片又 はケーブルが、図２に従って管状の陰極１の内側の空間を通って軸方向に供給さ れ得る。ここで、内側のライニングとして存在する層２からの物質６が、スパッ タリングによりこの基体５上に連続的にデポジットされ得る。所望なら、物体５ はまた、上記の内側の空間中の固定された位置に配置されることができ、そして 被覆層６でスパッタリングによりその位置において被覆され得る。 もちろん、覆われるべき基板５はまた、スパッタリングによりデポジットされ るべき特定の外側の層組成物２を持つ、図３に従う平らな陰極１を通って供給さ れ得る。 金属の被覆層組成物６が相当に複雑でありうるので、外側の層２は通常、粉末 冶金法により調製されなければならないであろう。層２は、一様な電気又は熱‐ 伝導表面接触を確保にするようにキャリヤー層４に非常にしっかりと結合される ことが非常に重要である。スパッタリングの間に陰極は加熱され、そして連続的 にかつ一様に冷却されることができなければならない。層２自体はまた、完全に 緻密にされなければならない。これは、いわゆる熱間アイソスタティックプレス （ＨＩＰ法）によりキャリヤー層３及びターゲット層２を互いに結合することに より達成され得る。もし必要なら、ＨＩＰ法の前に、冷間アイソスタティックプ レス（ＣＩＰ）法を行い得る。もし、層２及び３が、著しく異なる膨脹係数を持 つなら、ＨＩＰ法の適用に続く冷 却プロセスの間に既に述べたように、これらの層２及び３の間の境界区域におい て強い収縮応力が生ずるであろう。該収縮応力は、中間層４により、吸収されな ければならない。 実施例 図１に従う回転し得る管状の陰極１のためのキャリヤー層３として、ステンレ ス鋼管が使用された。これは、（第一の中間副次層としての）薄いニッケル層、 そしてその後に（第二の中間副次層としての）薄い銅層で被覆された。このよう に被覆された管は次に、シリンダー状の鋼容器中に同心円的に据えられ、そして 銅表面と容器の鋼の内側壁との間の環状の中間の区域は、粉末冶金を使用して調 製されたコバルト合金で満たされた。全体の組立て品は、９００℃を超える温度 で、還元性雰囲気中で熱間アイソスタティックプレスを使用して通常の方法にお いて緻密にされ、そしてその後冷却された。ＨＩＰ法の間に、ニッケル及び銅の 副次層は、それらの接触区域において互いに拡散して、上記の一組の層９〜１２ を形成した。 層２は、欧州特許出願公開第２９５０２８号公報から公知の磁気組成と類似の 磁気組成を有していた。中間層は、鋼スリーブに隣接するニッケルから、ニッケ ル‐銅合金（モネル、白銅）、そして次に層２に隣接する銅まで漸次の遷移を示 した。銅対（ニッケル＋銅）の平均の比率は５５％であった。この中間層４によ って、冷却中に生じる収縮応力を適切に吸収することができるために、即ち、積 層された構造体中に割れが生じないために、１／４〜２／３の間にある降伏点／ 引張強度比を持つ十分に延性のある中間層が実現された。 同時に、銅／ニッケル層４が、ＨＩＰ法の間に脆い秩序立ったＣｏ‐Ｆｅ層の 形成を減少しかつ防ぐことができたこと、そして同時に、（ニッケルホウ化物の 形成を伴う）中間層中のニッケルへの、及び（クロムホウ化物の形成を伴う）ス テンレス鋼層中のクロムへのコバルト合金からのホウ素の拡散が防がれ得たこと が、今確立された。とりわけ、コバルト合金からのホウ素の拡散は、ターゲット 層の組成が層２がより薄くなるにつれて変り得る故に、ぜひとも避けられなけれ ばならない。更に、クロムホウ化物の形成は、それらが非常に脆い層を形成する 故に、とりわけ避けられなければならない。 マグネトロンスパッタリング装置中の回転し得る陰極としてこの管を適用する 時、スパッタリングが、たった０．５ミリメートルの厚さ７まで問題なしに起こ り得る。この方法において使用された陰極は、同一のコバルト含有量の豊富なタ ーゲット合金で既に述べたようなＨＩＰ法を使用してもう一度被覆され得る。 銅層及びニッケル層は、フィルムとして又は電気分解により又はプラズマジェ ットにより施与されることができ、そしてもし所望なら、粉末合金層２の施与の 前又は間に層４中に存在し得るところの何らかの孔の内部酸化を防止するために ローリング処理によりキャリヤー層３の上に緻密 にされ得る。図３は、平らな陰極１の銅／ニッケル中間層４中の積層された構造 体の構成図を示す。銅の非常に低い濃度を持つニッケル層９は、ステンレス鋼層 ３に載っている。合金層は、モネル層１０を経て、粉末合金層２が接合されると ころの銅層１２に到達するまで、ニッケル濃度を減少しながら、続く白銅層１１ へと組成において変化する。 図３の右側半分中の点線により示されるように、スパッタリングされるべき陰 極物質２のための平らなキャリヤー３は、もし所望なら、中間層４で両側を被覆 されることができ、次にこれに合金層２が施与される。この方法において、平ら な電極が、二つの面で使用され得る。一つの面上の合金層２の組成は、他の（反 対の）面上の組成と異なってよい。 本発明は、鋼のキャリヤー層上のコバルト合金の組合せに限定されない。例え ば、銅又はアルミニウムのキャリヤー層３の使用が実行可能であり、そしていわ ゆる合金層２は所望なら、Ｂ、Ｓｉ、Ｃ及びIA〜VIA族、VIII族又はIB〜VIIB族 の他の固体元素に基き形成され得る。 とりわけコバルト合金の場合に、本発明は、Ｃｏ‐Ｎｂ‐Ｚｒ合金に基く軟か い磁性層の基体５上へのデポジットのための陰極の調製に特に適している。（磁 気記録のための）硬い磁性合金、例えばＣｏ‐Ｐ、Ｃｏ‐Ｃｒ、Ｃｏ‐Ｎｉ、Ｃ ｏ‐Ｐｔ、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｎｉ、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｔａ、Ｃｏ‐Ｎｉ‐Ｐ及びＣｏ‐Ｃ ｒ‐Ｐｔがまた、施与され得る。最後に、合金層はまた、例えばＣｏ‐Ｐｄ又は Ｃｏ‐ Ｐｔ、Ｃｏ‐Ｆｅ‐Ｇｄ又はＣｏ‐Ｆｅ‐Ｔｂに基く磁気光学適用のために組成 され得る。 高い透磁率を持つ組成物が、比較的厚いターゲット層（外側の層２）からスパ ッタリングによりデポジットされなければならない時、プラズマを発生するため の十分な漏洩磁束を得ることが困難である。それに対する一つの解決法は、夫々 低い透磁率を持つところの組成を持つ粉末の混合物をターゲット物質のために設 計し、しかし、ここで、ターゲット物質の全体的な組成は、高い透磁率を持つ所 望の組成の層をデポジットさせるべく正しい比率を持つようにすることである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高いアイソスタティックプレスにより得られる積層された構造体（１）であ って、粉末冶金により製造されるところの、一つの側上の第一の金属の外側の層 （２）、該第一の外側の層との脆い金属間化合物の層及び／又は脆い秩序立った 層を形成し得る、他の側上の第二の外側の層（２）、及び延性のある金属の中間 層（４）を含み、該層は相互に異なる熱膨脹係数を持ち、そして中間層（４）は 上記の脆い金属間化合物の層又は秩序立った層の形成に対する拡散バリヤーとし て挙動するところの積層された構造体。 ２．第一の外側の層（２）が、中間層（４）の少なくとも３倍の厚さであるとこ ろの請求項１記載の構造体。 ３．第二の外側の層が、鋼合金であるところの請求項１記載の構造体。 ４．中間層（４）が、１／４〜２／３の間にある降伏点／引張強度比を有すると ころの請求項１記載の構造体。 ５．中間層（４）が、少なくとも９５重量％の（銅＋ニッケル）より成るところ の請求項４記載の構造体。 ６．中間層中の銅／（銅＋ニッケル）の全体的な重量比が、 １０％〜９０％の間にあるところの請求項５記載の構造体。 ７．銅及びニッケルが、固溶体において少なくとも部分的に混合されているとこ ろの請求項６記載の構造体。 ８．中間層（４）が、第二の外側の層（３）の近くでニッケル含有量においてよ り豊富であり、そして第一の外側の層（２）の近くで銅含有量においてより豊富 であるところの請求項７記載の構造体。 ９．中間層（４）の厚みが、１ｍｍより小さいところの請求項１記載の構造体。 １０．第一の外側の層（２）が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＢを含む合金であるとこ ろの請求項１記載の構造体。 １１．第一の外側の層（２）が、コバルト含有量の豊富な合金であるところの請 求項１記載の構造体。 １２．コバルト合金が、ホウ素を含むところの請求項１１記載の構造体。 １３．合金がまた、Ｓｉ、Ｆｅ及び任意的にＭｏを含むところの請求項１１又は １２記載の構造体。 １４．合金が、２２％より少ないＣｒを含む二成分からなるＣｏ‐合金であると ころの請求項１１記載の構造体。 １５．第一の外側の層（２）が管の外側のスリーブを形成し、そして第二の外側 の層（３）が管の内側のライニングを形成するところの管の形の請求項１記載の 構造体。 １６．第一の外側の層（２）が管の内側のライニングを形成し、そして第二の外 側の層（３）が管の外側のスリーブを形成するところの管の形の請求項１記載の 構造体。 １７．平らな板の形の請求項１記載の構造体。 １８．金属の基板を形成する外側の層（３）が、金属の中間層（４）で覆われ、 そして次に、粉末冶金組成物の外側の層の被覆（２）が、熱間アイソスタティッ クプレス（ＨＩＰ）により中間層に結合され、そして中間層（４）が、ＨＩＰプ ロセスの間に互いの中に部分的に拡散するところの少なくとも二つの副次層（９ 〜１２）を含むところの請求項１記載の構造体の製造法。 １９．中間層が、外側の層（２）の施与前に緻密にされるところの請求項１８記 載の方法。 ２０．外側の層（２）からの物質で基体を被覆するために、 プラズマスパッタリングユニット中の回転し得る陰極として請求項１６記載の構 造体を使用する方法。 ２１．外側の層（２）からの物質で基体を被覆するために、プラズマスパッタリ ングユニット中の固定式の管状の陰極として請求項１６記載の構造体を使用する 方法。 ２２．外側の層（２）からの物質で基体を被覆するために、プラズマスパッタリ ングユニット中の平らな陰極として請求項１７記載の構造体を使用する方法。