KR20080026580A - 산소함량이 낮은 합금 조성물 및 이를 포함한 스퍼터링타깃 - Google Patents

산소함량이 낮은 합금 조성물 및 이를 포함한 스퍼터링타깃 Download PDF

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Abstract

합금 조성물이 Ga, In, Ni 및 Zn 에서 선택된 어느하나의 원소와 Mn을 결합한 Mn 합금을 포함한다.
또한 포함되는 것은 Fe 또는 Co가 Pt 또는 Pd 중 어느것과 결합되는 Fe 합금 및 Co 합금이다.
상기 합금 조성물은 특정 조성범위내에서 L10 또는 L12 형 결정구조의 규칙도를 갖는 화합물을 이룬다.
덧붙여서, 이 합금조성물은 산소 및 황과 같은 불순물 함량이 낮아 자기메모리 응용처에서 보다 나은 성능을 제공한다.
이 합금 조성물은 바람직하게는 박막 응용처에 사용되는 스퍼터링 타깃으로 형성되는 것이 좋다.
합금조성물, Mn 합금, Fe 합금, Co 합금, MR 헤드, MRAM

Description

산소함량이 낮은 합금 조성물 및 이를 포함한 스퍼터링 타깃{LOW OXYGEN CONTENT ALLOY COMPOSITIONS}
본 발명은 산소함량이 낮은 합금 조성물에 관한 것이며, 보다 상세히는 자기 메모리적용처에 사용하기 유익한 자성을 갖는 산소함량이 낮은 합금조성물에 관한 것이다.
MR(Magnetoresistive)헤드와 MRAM(Magnetic Random Access Memory, 자기 랜덤 액세스 기억장치)은 차세대 수직자기 기록방식 및 셀폰 메모리 응용처에서의 핵심기술이다.
메모리 영역밀도를 증대시키고 메모리 칩 크기를 감소시키기 위해 새로운 물질(재료)이 연구되고 있다.
이들 새로운 물질들은 이들 기술분야에 사용하기 위한 특징자성을 갖추는 것이외에도 높은 순도수준을 갖춰야 한다.
물질순도는 자기데이타저장 및 MRAM 응용처에 사용되는 박막물질의 성능에 지대한 영향을 미친다
예를들어, 산소, 질소, 황 및 알카라이드는 박막물질의 격자구조를 변경시킴으로써 격자내의 원자를 변위시킨다.
이같은 물질의 구조순서에 대한 영향은 물질의 자성을 열화시키고 그 결과 자기 메모리 응용처의 성능을 열화시키게 된다.
또한, 산소같은 불순물의 존재는 박막물질을 통해 자기층내도의 짧은 확산통로를 만들수도 있다. 따라서 특정자성 뿐만아니라 순도가 높은 박막물질을 개발할 필요가 있는 것이다.
본 발명은 자기 메모리 응용처에 사용하기 위한 바람직한 자성을 갖는 일련의 합금 조성물을 포함한다. 이 합금 조성물은 청구된 조성범위내에 L10 또는 L12 형 결정구조의 규칙도를 갖는 화합물(ordered compounds)를 이룬다.
또한, 본 발명의 합금 조성물을 산소 및 황같은 불순물 수준이 낮아 자기메모리 응용처의 성능을 보다 좋게한다. 바람직하게는 이 합금조성물은 박막응용처에 사용되는 스퍼터링 타깃으로 형성되는 것이 좋다.
본 발명의 합금 조성물 Ga, In, Ni 및 Zn 으로 이루어진 그룹에서 선택된 한가지 원소와 Mn을 결합하는 Mn합금을 포함한다.
이 합금조성물에 또한 포함되는 것은 Fe 또는 Co가 Pt 또는 Pd 중 하나의 결합된 Fe 합금 및 Co 합금이다.
본 발명의 합금 조성물의 산소함량은 500ppm이하, 바람직하게는 100ppm이하이다. 덧붙여서, 상기 합금조성물내의 황(S) 함량은 100ppm이하, 바람직하게는 50ppm이하이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 합금은 산소와 황과 같은 불순물수준이 낮고, 유익한 자성을 갖기 때문에 자기메모리 응용처등에서 보다 나은 성능을 제공할 수 있다.
이하 본발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 바람직한 자기적 특성을 갖고 불순물 수준이 낮은 일련의 합금조성물에 대하여 연구를 하여 왔다.
본 발명의 합금 조성물은 L10 또는 L12 형 결정구조의 규칙도를 갖는 화합물을 형성한다. 또한 이 합금 조성물의 산소 및 황 함량은 현저하게 감소되었다.
하기 표1은 본 발명의 합금조성물에 대한 조성 및 구조데이타를 요약한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 표1은 규칙도를 갖는 상 심볼(ordered phase symbol), 구조지정, 관심있는 상(phase)이 존재하는 조성범위 및 관심있는 상이 다른 상 형태와 공존할수 있는 조성범위를 나타낸다.
표1에 사용된 상 심볼은 Binary Phase Diagrams, 2nd Edition (Thaddeus B. Massalski, ed.)에 있는 상 다이어그램으로부터 얻은것이다.
합금시스템 X-Y 규칙도를 갖는 상 심볼 구조 지정 조성 원자% Y 조성범위 원자% Y
Mn-Ga
Figure 112008015506290-PAT00001
3 		L10 55-63 50-70
Mn-In InMn3 L10 또는 L12 75 50-85
Mn-Ni
Figure 112008015506290-PAT00002
'		 L10 47-55.5 44-60
Ni-Mn
Figure 112008015506290-PAT00003
 L12 15-29 10-30
Zn-Mn
Figure 112008015506290-PAT00004
'		 L12 25-31 20-40
Zn-Mn
Figure 112008015506290-PAT00005
1’		 L10 25-30 20-40
Fe-Pt Fe3Pt L12 16-33 16-35
Fe-Pt FePt L10 35-55 35-59
Fe-Pt FePt3 L12 57-79 57-83
Fe-Pd FePd(a) L10 48.5-60 30-63
Fe-Pd FePd3(b) L12 63-86 60-88
Co-Pt CoPt(a) L10 42-74 40-76
Co-Pt CoPt3(b) L12 75-88 75-90
Co-Pd
Figure 112008015506290-PAT00006
"		 L10 48-52 30-58
Co-Pd
Figure 112008015506290-PAT00007
 L12 60-90 58-94
표1에 열거된 합금중 첫번째 그룹은 L10 또는 L12 결정구조를 나타내는 Mn 합금들이다.
이들 Mn 합금들은 자기 데이타저장 및 MRAM 응용처에 사용되는 박막물질로 바람직한 안티 강자성(antiferromagnetic properties)을 갖고있다. 특히 이들 Mn 합금들은 고-밀도 기록에 사용되는 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive, AMR)및 자이언트 자기저항(giant magnetoresistive, GMR)스핀-밸브 센서에 사용하기에 특히 적합하다.
이들 Mn 합금들은 또한 Mn과 함께 사용되는 합금성분들이 Pt, Pd, Ir 또는 Rh과 같은 존재에 전형적으로 사용되던 것보다 가격이 싸기 때문에 보다 흥미를 끈다.
하기 실시예1 및 2는 각각 본 발명에 의한 Mn-Ni합금 및 Mn-In 합금에 대하여 기술하고 있다.
실시예 1
3가지 Ni-Mn 용융시험을 행하였다.
각 시험에 대한 용융장입물 조성을 표2에 나타내었다.
상기 용융 장입물 조성은 99.95% 순도 Ni 덩이(shot)및 99.99% 순도의 Mn 프레이크를 이용하여 제조하였다.
용융장입물 구성 제1 Ni-Mn 용융 시험 제2 Ni-Mn 용융 시험 제3 Ni-Mn 용융 시험
Ni 유입(g) 630.0 6477.5 4886.0
Mn 유입(g) 870.0 3583.1 2094.0
CaSi2 유입(g) 13.1 60.0 20.0
Ce 유입(g) 7.9 77.4 없음
제 1 용융물 시험에서는 합금잉고트를 MgO 도가니 내에서 직접 고화 시켰다.
제 2 및 제 3 용융물 시험에서는 합금을 용융시킨후 흑연 주형내로 주조하였다. 상기 흑연 주형은 VIM 유니트 챔버내에 설치되기 전에 별도의 로내에서 BN스프레이되고 500℉ 까지 예열하였다.
3가지 용융시험 모두에 대하여, 용융조작을 위해 VIM 유니트 챔버를 0.05 mbar 까지 진공화 시켰다.
3가지 모든 시험을 위한 용융조작은 VIM 유니트를 5kw 까지 20분간 동력공급하고 다시 20분간 매 5분마다 5kw 만큼 동력을 증대시켰다. Mn 플레이크가 용융을 시작 하면 VIM 유니트 챔버를 제 1 시험을 위해 약 40 mbar 압력까지 아르곤으로 채웠다. 제 2 및 제 3 시험을 위해 VIM 유니트 챔버를 25분에 500 mbar 까지 아르곤으로 채운다음 37분에 700 mbar 까지 채웠다.
합금시료는 화학분석을 위해 잉고트 벌크로부터 준비되었다.
잉고트 제조후 MgO 도가니와 흑연주형을 검사한 결과 눈에 띌만한 부식은 발견되지 않았다.
도 1 및 도 2는 각각 주조상태의 Ni40Mn원자% 합금과 Ni30Mn원자% 합금의 미세구조를 보여주는 광학 현미경사진이다.
이들 3가지 용융시험으로부터 나온 합금시료의 화학적 분석결과를 표3에 나타내었다.
Si ppm Ca ppm Ce ppm Mg ppm Na ppm K ppm O ppm C ppm N ppm S ppm Mn 중량%
제1 용융시험 4979 166 52 35 / / 10 170 37 36 57.94
제2 용융시험 655 3 49 78 18 0 20 139 28 10 32.28
제3 용융시험 240 / 43 0 / 1 64 98 62 15 28.61
표3에 나타난 바와같이, 3가지 용융합금 각각은 충분히 탈산되었으며 어느것도 산소 함량이 100ppm을 넘지 않았다.
제 1 및 제 2 용융시험의 산소수준과 제 3 용융시험의 산소수준을 비교하면 Ce 역시 합금조성물의 탈산에 기여하는 것으로 나타냈다.
더욱이, Mn 프레이크의 측정된 황함량이 약 300ppm 인데, 표3에서의 데이타는 CaSi2 역시 합금용융물의 탈황에 일역활을 하는 것을 나타낸다.
표3에서 "/"은 특정원소에 대하여 측정이 없었다는 것을 나타내며 "0" 은 특정원소가 탐지되지 않았다는 것을 의미한다.
실시예2
2427g의 99.9% 순도 Mn 프레이크와 5073g의 99.9% 순도 In 봉을 이용하여 용융시험을 하였다.
Mn과 In 성분이외에 CaSi2 25g과 Ce 10g을 탈산제로 첨가하였다.
그 용용장입물을 VIM 유니트 챔버내의 MgO 도가니 내에서 0.07 mbar부분 진공하에 500℉ 까지 예열하였다.
그후 VIM 유니트 챔버를 500 mbar까지 아르곤으로 채우고 20분간 5kw를 인가하고 다시 20분간 매 5분마다 5kw 만큼 증대시켜, 장입물을 용융시켰다.
그후 상기 용융장입물을 흑연 주형내로 주조하였다.
도3은 주조상태(as-cast) In50Mn원자% 합금의 미세구조를 보여주는 SEM 현미경 사진이다.
이 현미경사진에 도시된 미세구조는 3가지 산으로 이루어져있다. 즉, 밝은 인듐 메트릭스, 밝은 회색상으로 나타난 (In, Mn)고체용액, 및 암회색 그레인으로 나타낸 InMn3 화합물이다.
사진에서의 흑색점은 공극이다.
주조상태 물질의 화학적 조성을 분석하였으며 그 결과를 다음 표4에 나타내었다.
Si ppm Cu ppm Al ppm Ni ppm Fe ppm O ppm C ppm N ppm S ppm Mn 원자%
15 2 10 6 23 40 62 19 33 50.7
표1에 기술된 합금에 또한 포함된 것은 Fe와 Co 합금이다.
이들 합금에서, Fe 또는 Co는 Pt, 또는 Pd 와 결합하여 합금조성을 이룬다. 이들 합금조성물은 용량이 200GB 이상에 달하는, 수직기록 기술을 이용한 차세대 기록매체에 사용될 것으로 기대된다. 이들 합금조성물은 특히 높은 이방상수(Kμ ＞ 107 J.m-1)을 얻을 수 있는 자기 하드레이어를 형성하는데 특히 사용될수 있다. 하기 실시예 3은 Fe-Pt 합금조성물의 예이다.
실시예3
13.500kg 99.9% 순도 Pt덩이와 4.724kg의 99.9% 순도 전해 Fe 프레이크를 이용하여 용융시험을 행하였다.
탈산을위해 CaSi2 91g(∼0.50중량%)를 그 용융장입물에 첨가하였다. 그 장입물을 Pt 와 Fe층이 서로 교호하고 그 층들사이에 CaSi2 를 균등하게 배분하면서 마그네시아 도가니 내에 배열하였다. VIM 유니트 챔버를 밀폐하고 진공을 0.07 mbar의 초기수준으로 하였다. 그후 챔버를 아르곤으로 채우고 용융 및 주조동안 500 mbar 압력을 유지 하였다. VIM 유니트를 20분간 5kw 동력을 가한다음 다시 20분간 매 5분마다 5kw 만큼 동력을 증대시켰다. 주조 시스템은 흑연셀로서 8"폭, 15"길이, 0.6"두께를 가졌다.
도4는 주조상태 Fe45Pt 원자% 합금의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다. 그 미세구조는 상기 표1에 기술된 단일상 FePt의 많이 트윈된 그레인으로 구성되어있다.
이 트윈그레인은 (
Figure 112008015506290-PAT00008
Fe,Pt)fcc 고체용액이 1300℃에서 정방정계(tetragonal) FePt로 변환되는 동안의 격자 왜곡 때문이다.
상기 주조상태 물질의 화학성분을 분석하였으며 그 결과를 다음 표5에 나타내었다.
Al ppm Cu ppm Ni ppm Si ppm Ta ppm Au ppm Re ppm O ppm C ppm N ppm S ppm Fe 중량%
<5 <5 <5 90 23 200 515 34 27 4 10 25.77
상기한 실시예들은 본 발명에 의한 합금조성물을 단지 예시한 것으로서 결코 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아닌 것이다.
따라서 이를 근거로 본 발명의 범위내에서 그 변형이 가능한 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 주조상태(as-cast) Ni 40 Mn원자% 합금의 광학현미경사진
도 2는 주조상태 Ni 30 Mn원자% 합금의 광학현미경사진
도 3은 주조상태 In 50 Mn원자% 합금의 SEM 현미경사진
도 4는 주조상태 Fe 45 Pt원자% 합금의 광학 현미경사진이다.

Claims (7)

  1. 60∼24원자% Co와 40∼76원자% Pt로 이루어지고, 500ppm이하의 O 와 100ppm이하의 S를 함유한 합금조성물
  2. 1항에 있어서, 상기 합금조성물은 58∼26원자% Co와 42∼74원자% Pt로 이루어짐을 특징으로하는 합금조성물
  3. 1항에 있어서, 상기 합금조성물 100ppm이하의 O 와 50ppm이하의 S를 함유한 합금조성물
  4. 25∼10원자% Co와 75∼90원자% Pt로 이루어지고, 500ppm이하의 O 와 100ppm이하의 S를 함유한 합금조성물
  5. 4항에 있어서, 상기 합금조성물은 25∼12원자% Co와 75∼88원자% Pt로 이루어짐을 특징으로 하는 합금조성물
  6. 4항에 있어서, 상기 합금조성물은 100ppm이하의 O 와 50ppm이하의 S을 함유함을 특징으로하는 합금조성물
  7. 청구항 1 내지 6항 중 어느 항에 기재된 합금조성물을 포함하여 이루어진 스퍼터링 타깃
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