KR20130063518A - Polycrystalline alloy having glass forming ability, method of fabricating the same, alloy target for sputtering and method of fabricating the same - Google Patents

Polycrystalline alloy having glass forming ability, method of fabricating the same, alloy target for sputtering and method of fabricating the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A crystalline alloy having glass forming ability, a method of fabricating the same, an alloy target for a sputtering, and a method of fabricating the same are provided to make a small composition deviation between a thin film composition and a target composition caused by a sputtering yield difference of a multi-component which comprises a target by having a very even micro-structure. CONSTITUTION: A crystalline alloy having glass forming ability comprises an alloy consisting of over 3 elements having glass forming ability. A mean size of a crystal grain of an alloy is in 0.1 to 5μm range. The alloy comprises Al of 5 to 20 atomic%, and one selected between Cu and Ni of 15 to 40 atomic%, and a residue comprises Zr. An alloy having glass forming ability obtains an amorphous ribbon with a casting thickness in 20 to 100μm range when casting a molten metal of the alloy at a cooling speed in 10^4-10^6 K/sec range.

Description

비정질 형성능을 가지는 결정질 합금, 그 제조방법, 스퍼터링용 합금타겟 및 그 제조방법{Polycrystalline alloy having glass forming ability, method of fabricating the same, alloy target for sputtering and method of fabricating the same}Polycrystalline alloy having glass forming ability, method of fabricating the same, alloy target for sputtering and method of fabricating the same

본 발명은 비정질 형성능을 가지는 3종 이상의 금속으로 이루어지며 열적, 기계적 안정성이 우수한 결정질 합금 및 이러한 결정질 합금으로 이루어진 스퍼터링용 합금타겟에 관한 것이다.The present invention relates to a crystalline alloy composed of three or more metals having an amorphous forming ability and excellent thermal and mechanical stability, and an alloy target for sputtering made of such crystalline alloy.

스퍼터링 공정은 음의 전압이 인가된 타겟에 아르곤 이온 등을 고속으로 충돌시켜 타겟원자를 이탈시켜 모재에 공급함으로써 모재의 표면에 박막을 형성하는 기술을 말한다. 이러한 스퍼터링 공정은 반도체 제조공정분야, MEMS 등과 같은 미세소자의 제조에는 물론 각종 공구, 금형, 자동차용 부품의 내마모 향상 등을 위한 코팅형성 분야에도 이용되고 있다.The sputtering process refers to a technology of forming a thin film on the surface of a base material by supplying a target atom by colliding argon ions or the like at a high speed to a target to which a negative voltage is applied, thereby leaving the target atom. The sputtering process is used in the field of coating manufacturing for the improvement of wear resistance of various tools, molds, and automotive parts as well as the manufacture of micro devices such as semiconductor manufacturing process and MEMS.

스퍼터링을 이용하여 비정질상 박막 혹은 비정질상을 포함하는 나노복합박막을 제조할 경우, 비정질로 이루어진 타겟을 이용할 수 있다. 이러한 비정질 타겟은 비정질 형성능이 높은 다원계 금속합금으로 이루어 질 수 있으며, 이러한 비정질 타겟으로부터 이탈된 이종의 금속원소들은 모재 표면위에 비정질상을 가지는 합금박막을 형성할 수 있다. When the nanocomposite thin film including an amorphous thin film or an amorphous phase is prepared using sputtering, an amorphous target may be used. The amorphous target may be formed of a multi-element metal alloy having high amorphous forming ability, and the heterogeneous metal elements separated from the amorphous target may form an alloy thin film having an amorphous phase on the surface of the base material.

그러나 이러한 비정질 타겟은 스퍼터링 과정에서 이온의 충돌로 인해 온도가 증가되며, 이러한 온도증가로 인해 타겟의 표면 근처의 조직이 변화될 수 있다. 즉, 열적으로 불안정한 비정질상의 특성상, 타겟의 온도가 증가될 경우 타겟 표면에서 국부적인 결정화가 진행될 수 있다. 이러한 국부적인 결정화는 타겟의 부피변화 및 구조완화를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 타겟의 취성이 증가되어 스퍼터링 공정 중에 타겟이 쉽게 파괴되는 결과를 초래할 수 있다. 공정 중에 타겟이 파괴 될 경우 제품생산에 치명적인 문제를 일으키게 되며, 따라서 스퍼터링 공정 중에 이러한 파괴가 일어나지 않은 안정적인 타겟을 확보하는 것이 매우 중요하다. However, such an amorphous target has an increased temperature due to the collision of ions in the sputtering process, and the increase in temperature may change the tissue near the surface of the target. That is, due to the thermally unstable amorphous phase, when the temperature of the target is increased, local crystallization may proceed on the target surface. Such localized crystallization may cause a change in the volume of the target and structure relaxation, which may increase the brittleness of the target, which may result in the target being easily destroyed during the sputtering process. If the target is destroyed during the process, it will cause a fatal problem in the production of the product. Therefore, it is very important to have a stable target without such destruction during the sputtering process.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 비정질 형성능을 가지면서도 열적 안정성이 비정질에 비해 현저하게 우수한 결정질 합금 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 상기 결정질 합금을 이용하여 제조한 스퍼터링용 합금타겟 및 그 제조방법의 제공을 또 다른 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is to solve various problems, including the above problems, and to provide a crystalline alloy and a method for producing the same, which has an amorphous forming ability and a thermal stability is significantly superior to amorphous. Another object of the present invention is to provide an alloy target for sputtering prepared using the crystalline alloy and a method of manufacturing the same. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 의하면, 비정질 형성능을 가지는 3원소 이상으로 이루어진 합금으로서 상기 합금의 결정립 평균크기는 0.1 내지 5㎛ 범위에 있고, 상기 합금은 Al이 5 내지 20원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15 내지 40원자%, 잔부가 Zr으로 이루어진, 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금이 제공된다. According to one aspect of the invention, the alloy is composed of three or more elements having an amorphous forming ability, the average grain size of the alloy is in the range of 0.1 to 5㎛, the alloy is selected from 5 to 20 atomic% Al, Cu and Ni There is provided a crystalline alloy having an amorphous forming ability, in which at least one is from 15 to 40 atomic% and the balance is Zr.

본 발명의 다른 관점에 의하면, 비정질 형성능을 가지는 3원소 이상으로 이루어진 합금으로서, 상기 합금의 결정립 평균크기는 0.1 내지 5㎛ 범위에 있고, 상기 합금은 Al이 5 이상 20원자% 미만, Cu 및 Ni 중 어느 하나 이상이 15 내지 40원자%, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 합이 8원자% 이하(0초과), 잔부가 Zr으로 이루어진, 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금이 제공된다. According to another aspect of the invention, an alloy consisting of at least three elements having an amorphous forming ability, the average grain size of the alloy is in the range of 0.1 to 5㎛, the alloy is Al 5 or more and less than 20 atomic%, Cu and Ni Any one or more of 15 to 40 atomic%, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti and Fe, the sum of any one or more of 8 atomic% or less (Greater than 0), a crystalline alloy having an amorphous forming ability is provided in which the balance is made of Zr.

상기 비정질 형성능을 가지는 합금은 상기 합금의 용탕을 104~106K/sec 범위의 냉각속도로 주조시 20 내지 100㎛ 범위에 주조두께로 비정질리본을 얻을 수 있는 합금일 수 있다. The alloy having the amorphous forming ability may be an alloy that can obtain an amorphous ribbon with a casting thickness in the range of 20 to 100㎛ when casting the molten alloy of the alloy at a cooling rate of 10 4 ~ 10 6 K / sec.

또한 상기 결정질 합금의 결정립 평균크기는 0.1 내지 0.5㎛ 범위에 있을 수 있다. In addition, the average grain size of the crystalline alloy may be in the range of 0.1 to 0.5㎛.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 상술한 결정질 합금으로 이루어진 스퍼터리용 합금타겟이 제공될 수 있다. According to another aspect of the present invention, an alloy target for sputtering made of the above-described crystalline alloy may be provided.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 상기 비정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 가열하여 결정립의 평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위가 되도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 Al이 5 내지 20원자% 범위, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15 내지 35원자% 범위, 잔부가 Zr으로 이루어진, 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the invention, the average size of the crystal grains by heating the amorphous alloy or nanocrystalline alloy consisting of three or more metal elements having an amorphous forming ability in the temperature range below the melting temperature or more than the melting temperature of the amorphous alloy 0.1 to And controlling to be in a range of 5 μm, wherein the amorphous alloy or nanocrystalline alloy includes Al in a range of 5 to 20 atomic%, at least one selected from Cu and Ni, in a range of 15 to 35 atomic%, and the balance is Zr. A method for producing a crystalline alloy having an amorphous forming ability is provided.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 가열하여 결정립의 평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위를 가지도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 Al이 5 내지 15원자% 범위, Cu 및 Ni 중 어느 하나 이상이 15 내지 30원자% 범위, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상이 8원자% 이하(0초과) 범위, 잔부가 Zr으로 이루어진, 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the invention, the average of the crystal grains by heating the amorphous alloy or nanocrystalline alloy consisting of three or more metal elements having an amorphous forming ability in the temperature range of more than the melting temperature above the crystallization start temperature of the amorphous alloy or nanocrystalline alloy And controlling the size to have a range of 0.1 to 5 μm, wherein the amorphous alloy or nanocrystalline alloy has a range of 5 to 15 atomic% Al, at least one of Cu and Ni to 15 to 30 atomic%, Cr At least one selected from among Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti, and Fe, 8 atomic% or less (greater than 0), and the balance consisting of Zr Provided is a method for producing a crystalline alloy having a forming ability.

이때 상기 결정립의 평균크기는 0.1 내지 0.5㎛ 범위가 되도록 제어될 수 있다. At this time, the average size of the grains may be controlled to be in the range 0.1 to 0.5㎛.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 복수개로 준비하는 단계; 및 상기 복수개의 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 열가압하여 결정립의 평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위를 가지는 결정질 합금을 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 Al이 5 내지 20원자% 범위, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15 내지 35원자% 범위, 잔부가 Zr으로 이루어진, 스퍼터링용 합금타겟의 제조방법이 제조된다. According to another aspect of the invention, the step of preparing a plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys consisting of three or more metal elements having an amorphous forming ability; And thermally pressurizing the plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys in a temperature range below the melting temperature of the crystallization temperature of the amorphous alloys or nanocrystalline alloys to be less than a melting temperature to produce a crystalline alloy having an average size of crystal grains in the range of 0.1 to 5 μm. To include, wherein the amorphous alloy or nanocrystalline alloy is Al in the range of 5 to 20 atomic%, at least one selected from Cu and Ni ranges from 15 to 35 atomic%, the balance is made of Zr, the alloying target for sputtering The manufacturing method is manufactured.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 복수개로 준비하는 단계; 및 상기 복수개의 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 열가압하여 결정립의 평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위를 가지는 결정질 합금을 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 Al이 5 내지 15원자% 범위, Cu 및 Ni 중 어느 하나 이상이 15 내지 30원자% 범위, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상이 8원자% 이하(0초과) 범위, 잔부가 Zr으로 이루어진, 스퍼터링용 합금타겟의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, the step of preparing a plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys consisting of three or more metal elements having an amorphous forming ability; And thermally pressurizing the plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys in a temperature range below the melting temperature of the crystallization temperature of the amorphous alloys or nanocrystalline alloys to be less than a melting temperature to produce a crystalline alloy having an average size of crystal grains in the range of 0.1 to 5 μm. It includes; wherein the amorphous alloy or nanocrystalline alloy is Al in the range of 5 to 15 atomic%, at least one of Cu and Ni in the range of 15 to 30 atomic%, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, At least one selected from In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti, and Fe is in the range of 8 atomic% or less (over 0), and the balance is made of Zr.

이때 상기 결정립의 평균크기는 0.1 내지 0.5㎛ 범위를 가질 수 있다. At this time, the average size of the crystal grains may have a range of 0.1 to 0.5㎛.

상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 예를 들어 비정질 합금분말 또는 나노결정질 합금분말일 수 있으며, 상기 비정질 합금분말 또는 나노결정질 합금분말은, 상기 3 이상 금속원소가 용해된 용탕을 준비하는 단계; 및 상기 용탕에 가스를 분무하는 단계;를 포함하는 어토마이징법에 의해 제조된 것일 수 있다. The amorphous alloy or nanocrystalline alloy may be, for example, an amorphous alloy powder or a nanocrystalline alloy powder, wherein the amorphous alloy powder or nanocrystalline alloy powder, preparing a molten metal in which the three or more metal elements are dissolved; And spraying a gas into the molten metal. It may be prepared by an atomizing method comprising a.

다른 예로서 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 비정질 합금리본 또는 나노결정질 합금리본일 수 있으며, 상기 비정질 합금리본 또는 나노결정질 합금리본은, 상기 3 이상 금속원소가 용해된 용탕을 준비하는 단계; 및 상기 용탕을 회전하는 롤에 투입하는 단계;를 포함하는 멜트스피닝법에 의해 제조될 수 있다. As another example, the amorphous alloy or the nanocrystalline alloy may be an amorphous alloy ribbon or a nanocrystalline alloy ribbon, and the amorphous alloy ribbon or the nanocrystalline alloy ribbon may include preparing a molten metal in which the three or more metal elements are dissolved; And injecting the molten metal into a rotating roll. The melt spinning method may include a melt spinning method.

또 다른 예로서 상기 비정질 합금 또는 나노 결정질 합금은 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재일 수 있으며, 상기 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재는, 상기 3 이상 금속원소가 용해된 용탕을 준비하는 단계;As another example, the amorphous alloy or the nanocrystalline alloy may be an amorphous alloy casting material or a nanocrystalline alloy casting material, and the amorphous alloy casting material or the nanocrystalline alloy casting material may include preparing a molten metal in which the three or more metal elements are dissolved. ;

상기 용탕을 구리금형 내부와 외부의 압력차를 이용하여 상기 구리금형에 주입하는 단계;를 포함하는 구리금형주조법에 의해 제조될 수 있다. Injecting the molten metal into the copper mold by using a pressure difference between the inside and the outside of the copper mold can be prepared by a copper mold casting method comprising a.

상기 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재는 봉상 또는 판상을 가질 수 있다. The amorphous alloy casting material or nanocrystalline alloy casting material may have a rod shape or plate shape.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 가열하여 결정립의 평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위를 가지는 결정질 합금을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 용탕을 주조하여 제조한 것으로서 Al이 5 내지 20원자% 범위, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15 내지 35원자% 범위, 잔부가 Zr으로 이루어진, 스퍼터링용 합금타겟의 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, by heating the amorphous alloy or nanocrystalline alloy in the temperature range below the melting temperature or more than the crystallization start temperature of the amorphous alloy or nanocrystalline alloy crystalline having a mean size of 0.1 to 5㎛ range The method includes preparing an alloy, wherein the amorphous alloy or nanocrystalline alloy is manufactured by casting a molten metal composed of three or more metal elements having an amorphous forming ability, wherein Al is any one selected from the range of 5 to 20 atomic%, Cu, and Ni. The above is provided the manufacturing method of the sputtering alloy target which consists of 15-35 atomic% range and remainder Zr.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 가열하여 결정립의 평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위를 가지는 결정질 합금을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 용탕을 주조하여 제조한 것으로서 Al이 5 내지 15원자% 범위, Cu 및 Ni 중 어느 하나 이상이 15 내지 30원자% 범위, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상이 8원자% 이하(0초과) 범위, 잔부가 Zr으로 이루어진, 결정질 합금 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, by heating the amorphous alloy or nanocrystalline alloy in the temperature range below the melting temperature or more than the crystallization start temperature of the amorphous alloy or nanocrystalline alloy crystalline having a mean size of 0.1 to 5㎛ range It comprises the step of preparing an alloy, wherein the amorphous alloy or nanocrystalline alloy is produced by casting a molten metal consisting of three or more metal elements having an amorphous forming ability, Al is in the range of 5 to 15 atomic%, at least any one of Cu and Ni Any one or more selected from the range of 15 to 30 atomic%, Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti, and Fe is 8 atomic% or less (greater than 0) In the range, the balance is made of Zr, there is provided a crystalline alloy production method.

본 발명의 실시예들을 따를 경우, 타겟의 열적/기계적 안정성이 크게 향상되어 스퍼터링 과정 중에 타겟이 갑작스럽게 파괴되는 현상이 일어나지 않아 안정적으로 스퍼터링 공정을 수행할 수 있다. 또한 매우 균일한 미세조직을 가지게 되므로 타겟을 구성하는 다성분의 스퍼터링율(sputtering yield) 차이에 기인한 타겟조성과 박막조성간의 조성 편차를 근소하게 하는 효과가 있으며, 박막의 두께에 따른 조성균일성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the embodiments of the present invention, the thermal / mechanical stability of the target is greatly improved, so that the target is not suddenly broken during the sputtering process, thereby stably performing the sputtering process. In addition, since it has a very uniform microstructure, there is an effect of minimizing the composition variation between the target composition and the thin film composition due to the difference in the sputtering yield of the multi-components constituting the target, and composition uniformity according to the thickness of the thin film There is an effect that can be secured. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 실시예를 따르는 Zr63 .9Al10Cu26 .1 구리금형 흡입주조재(봉)의 비정질 형성능을 X-선 회절을 이용하여 조사한 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 Zr63 .9Al10Cu26 .1 구리금형 흡입주조재(봉)의 결정화 특성을 나타내는 DSC 분석결과가 나타나 있다.
도 3a 내지 3e는 본 발명의 실시예를 따르는 Zr63 .9Al10Cu26 .1 합금 주조재(봉)을 어닐링 온도에 따라 크랙발생 테스트한 후 압자자국 주변을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 4a 내지 4d는 실시예 3, 비교예 2 내지 4의 미세조직을 관찰한 결과이다.
도 5a 내지 5d는 각각 비정질 합금봉, 비정질 합금분말, 나노결정질 합금분말 및 비정질 합금리본을 결합하여 제조한 합금타겟의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 6a 및 6b는 어토마이징법에 의해 제조된 비정질 분말 및 이를 600℃에서 어닐링한 나노결정질 분말의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 결정질 합금타겟(Zr62.5Al10Mo5Cu22.5)의 스퍼터링 후 타겟 표면을 관찰한 결과이다.
도 8a 및 8b는 도 7의 결정질 합금타겟(Zr62.5Al10Mo5Cu22.5)의 스퍼터링 전 미세조직 및 스퍼터링 후 스퍼터링이 일어난 타겟의 표면을 관찰한 결과이다.
도 9a 및 9b는 도 7의 결정질 합금타겟과 동일조성을 가지는 비정질 합금타겟의 스퍼터링 중 발생된 타겟 파단을 관찰한 결과 및 그 파단면을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 10a 및 10b는 도 9의 비정질 합금타겟의 스퍼터링 전후의 X-선 회절패턴을 나타낸 것이다.
도 11a 및 11b는 도 9의 비정질 합금타겟의 스퍼터링 전후 크랙발생 테스트 후 압자자국 주변을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 12는 도 7의 결정질 합금타겟과 동일조성을 가지는 주조재 합금타겟의 스퍼터링 후 타겟 표면을 관찰한 결과이다.
도 13a 및 13b는 도 12의 주조재 합금타겟의 스퍼터링 전의 미세조직 및 스퍼터링 후 스퍼터링이 일어난 타겟의 표면을 관찰한 결과이다.
도 14는 응고과정 중에 파손된 주조재 합금타겟의 관찰결과이다.
1 is a result of investigating the amorphous forming ability of Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 copper mold suction casting (rod) according to an embodiment of the present invention using X-ray diffraction.
Figure 2 shows the DSC analysis showing the crystallization characteristics of Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 copper mold suction casting (rod) according to an embodiment of the present invention.
3A to 3E show the results of observing the indentation traces with an electron microscope after cracking test of Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 alloy cast material (rods) according to an annealing temperature according to an embodiment of the present invention.
Figures 4a to 4d is the result of observing the microstructure of Example 3, Comparative Examples 2 to 4.
5A to 5D show the results of observing the microstructure of alloy targets prepared by combining amorphous alloy rods, amorphous alloy powders, nanocrystalline alloy powders, and amorphous alloy ribbons, respectively.
6A and 6B show X-ray diffraction patterns of amorphous powders prepared by the atomizing method and nanocrystalline powders annealed at 600 ° C.
7 is a result of observing the target surface after sputtering of the crystalline alloy target (Zr 62.5 Al 10 Mo 5 Cu 22.5 ) prepared according to an embodiment of the present invention.
8A and 8B illustrate the results of observing the microstructure before sputtering of the crystalline alloy target (Zr 62.5 Al 10 Mo 5 Cu 22.5 ) of FIG. 7 and the surface of the target after sputtering.
9A and 9B show a result of observing a target fracture generated during sputtering of an amorphous alloy target having the same composition as that of the crystalline alloy target of FIG.
10A and 10B illustrate X-ray diffraction patterns before and after sputtering of the amorphous alloy target of FIG. 9.
11A and 11B illustrate the results of observing the indentation traces around the indentation traces before and after the sputtering test of the amorphous alloy target of FIG. 9.
12 is a result of observing the target surface after the sputtering of the cast alloy target having the same composition as the crystalline alloy target of FIG.
13A and 13B illustrate the results of observing the microstructure before sputtering of the cast material alloy target of FIG. 12 and the surface of the target after sputtering.
14 is an observation of the cast alloy targets broken during the solidification process.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

본 발명을 따르는 결정질 합금은 비정질 형성능(glass forming ability)을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 그 비정질합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 가열함으로써 구현할 수 있다. 이러한 비정질 합금의 경우에는 가열과정에서 결정화가 일어난 후 결정립 성장과정을 거치게 되며, 나노결정질 합금의 경우에는 나노결정립의 성장이 일어나게 된다. 이때 가열 조건은 상기 합금타겟의 결정립평균크기가 0.1 내지 5㎛ 범위, 엄격하게는 0.1 내지 1㎛, 더욱 엄격하게는 0.1 내지 0.5㎛, 더욱 더 엄격하게는 0.3 내지 0.5㎛의 범위를 갖도록 제어될 수 있다. The crystalline alloy according to the present invention can be obtained by heating an amorphous alloy or a nanocrystalline alloy composed of three or more metal elements having glass forming ability in a temperature range not lower than the crystallization start temperature of the amorphous alloy or the nano- Can be implemented. In the case of such an amorphous alloy, the crystallization occurs during the heating process, and the grain growth process is performed. In the case of the nanocrystalline alloy, the growth of the nanocrystal grains occurs. The heating conditions may be controlled such that the average grain size of the alloy target is in the range of 0.1 to 5 μm, strictly 0.1 to 1 μm, more strictly 0.1 to 0.5 μm, and even more strictly 0.3 to 0.5 μm. Can be.

본 발명에서 결정화 개시온도란 비정질 상태에 있던 합금이 결정화가 시작되는 온도로서 특정한 합금조성에 따라 고유의 값을 갖는다. 따라서 나노결정질 합금의 결정화 개시온도는 상기 나노결정질 합금과 동일한 조성을 가지는 비정질 합금이 결정화가 되기 시작한 온도로 정의될 수 있다. In the present invention, the crystallization start temperature is a temperature at which an alloy in an amorphous state starts crystallization and has an inherent value depending on a specific alloy composition. Therefore, the crystallization start temperature of the nanocrystalline alloy may be defined as the temperature at which the amorphous alloy having the same composition as the nanocrystalline alloy starts to crystallize.

상기 비정질 합금은 실질적으로 특정한 결정구조를 가지지 않으며 X-선 회절패턴이 특정한 브래그각도에서 뚜렷한 결정 피크(sharp peak)를 보이지 않고 넓은 각도 범위에서 브로드 피크(broad peak)가 관찰되는 상을 가진 금속합금체를 의미할 수 있다. 또한 상기 나노결정질 합금은 결정립의 평균크기가 100nm 미만인 금속합금체를 의미할 수 있다.The amorphous alloy has substantially no specific crystal structure, and the metal alloy has a phase in which an X-ray diffraction pattern does not show a sharp peak at a specific Bragg angle and a broad peak is observed over a wide angle range. Can mean a sieve. In addition, the nanocrystalline alloy may mean a metal alloy body having an average size of less than 100nm.

비정질 형성능이란 특정조성의 합금이 어느 정도의 냉각속도까지 용이하게 비정질화가 될 수 있는지를 나타내는 상대적인 척도를 의미하다. 일반적으로 주조를 통해 비정질 합금을 형성하기 위해서는 일정 수준 이상의 높은 냉각속도를 필요로 하며, 응고속도가 상대적으로 느린 주조방법(예를 들어 구리금형주조법)으로 사용할 경우 비정질 형성 조성범위가 줄어들게 되는 반면, 회전하는 구리 롤에 용융합금을 떨어뜨려 리본이나 선재로 응고시키는 멜트스피닝(melt spinning)과 같은 급속응고법은 104~106K/sec 이상의 극대화된 냉각속도를 얻을 수 있어서 비정질을 형성할 수 있는 조성범위가 확대되게 된다. 따라서 특정조성이 얼마정도의 비정질 형성능을 갖고 있는지에 대한 평가는 일반적으로 주어진 급속냉각공정의 냉각속도에 따라 상대적인 값을 나타내는 특징을 가진다. The amorphous formability means a relative measure indicating how much the alloy of a specific composition can be easily amorphized up to a certain cooling rate. In general, to form an amorphous alloy through casting requires a high cooling rate of a certain level or more, and when used in a relatively slow casting method (for example, copper mold casting method), the amorphous forming composition range is reduced, Rapid solidification, such as melt spinning, in which a molten alloy is dropped onto a rotating copper roll and solidified with ribbon or wire rod, can achieve a maximum cooling rate of 10 4 ~ 10 6 K / sec or higher, thereby forming amorphous. The composition range is expanded. Therefore, the evaluation of how much amorphous formation ability a specific composition has in general is characterized by a relative value depending on the cooling rate of a given rapid cooling process.

이러한 비정질 형성능은 합금조성과 냉각속도에 의존적이며, 일반적으로 냉각속도는 주조 두께에 역비례(냉각속도)∝(주조두께)-2〕하기 때문에 주조시 비정질을 얻을 수 있는 주조재의 임계두께를 평가함으로써 비정질 형성능을 상대적으로 정량화 할 수 있다. 예를 들어, 구리금형주조법에 의할 시, 비정질구조를 얻을 수 있는 주조재의 임계주조두께(봉상인 경우에는 지름)로 표시할 수 있다. 다른 예로서 멜트스피닝에 의해 리본 형성시, 비정질이 형성되는 리본의 임계두께로 표시할 수 있다. This amorphous forming ability depends on the alloy composition and cooling rate, and in general, the cooling rate is inversely proportional to the casting thickness (cooling rate) ∝ (casting thickness) -2 ], thereby evaluating the critical thickness of the casting material that can obtain amorphous during casting. The ability to form amorphous can be relatively quantified. For example, according to the copper mold casting method, the critical casting thickness of the casting material (in case of a stick-shaped casting) capable of obtaining an amorphous structure can be expressed as a diameter. As another example, when the ribbon is formed by melt spinning, it can be expressed as a critical thickness of the ribbon in which amorphous is formed.

본 발명에 있어서, 비정질 형성능을 가지는 합금의 의미는 상기 합금의 용탕을 104~106K/sec 범위의 냉각속도로 주조시 20 내지 100㎛ 범위에 주조두께로 비정질리본을 얻을 수 있는 합금을 의미한다. In the present invention, an alloy having an amorphous forming ability means that an alloy capable of obtaining an amorphous ribbon with a casting thickness in the range of 20 to 100 μm when the molten alloy of the alloy is cast at a cooling rate in the range of 10 4 to 10 6 K / sec. it means.

본 발명을 따르는 비정질 형성능을 가지는 합금은 3원소 이상의 다성분으로 구성되며, 주 원소간의 원자반경의 차이가 12%이상으로 크고, 주 원소간의 혼합열(heat of mixing)이 음의 값을 갖는 특징을 가진다. The alloy having an amorphous forming ability according to the present invention is composed of multi-components of three or more elements, the difference in atomic radius between the main elements is greater than 12%, the heat of mixing between the main elements (negative) Has

본 발명의 일 실시예를 따르는 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소는 Zr, Al과, Cu 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상 일수 있다. 예를 들면, Zr, Al, Cu로 이루어진 3원계 합금, Zr, Al, Ni로 이루어진 3원계 합금 또는 Zr, Al, Cu 및 Ni로 이루어진 4원계 합금일 수 있다.  At least three metal elements having an amorphous forming ability according to an embodiment of the present invention may be at least one selected from Zr, Al, Cu, and Ni. For example, it may be a ternary alloy made of Zr, Al, Cu, a ternary alloy made of Zr, Al, Ni, or a ternary alloy made of Zr, Al, Cu, and Ni.

이때 상기 합금은 Al이 5 내지 20원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 하나 이상이 15 내지 40원자%, 잔부가 Zr으로 이루어진 것일 있다. 엄격하게는 상기 Al은 6 내지 13원자% 범위를 가질 수 있고, Cu 및 Ni 중에서 선택된 하나 이상은 18 내지 30원자% 범위를 가질 수 있다. At this time, the alloy is 5 to 20 atomic% Al, at least one selected from Cu and Ni is 15 to 40 atomic%, the balance may be made of Zr. Strictly, the Al may have a range of 6 to 13 atomic%, and at least one selected from Cu and Ni may have a range of 18 to 30 atomic%.

다른 실시예로서, 이러한 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소는 Zr, Al와 Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상, 그리고 M(M은 Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 어느 하나 이상)으로 이루어진 4원계 이상의 합금일 수 있다. 예를 들면, Zr, Al, Cu, M으로 이루어진 다원계 합금, Zr, Al, Ni, M으로 이루어진 다원계 합금 또는 Zr, Al, Cu, Ni, M으로 이루어진 다원계 합금일 수 있다. In another embodiment, at least three metal elements having such an amorphous forming ability are at least one selected from Zr, Al, Cu, and Ni, and M (M is Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn , V, Hf, Ag, Ti and Fe) may be an alloy of four or more system consisting of at least one selected from. For example, it may be a plural alloy composed of Zr, Al, Cu, M, a plural alloy composed of Zr, Al, Ni, M or a plural alloy composed of Zr, Al, Cu, Ni, M.

이때 상기 합금은 Al이 5 이상 20원자% 미만, Cu 및 Ni 중 어느 하나 이상이 15 내지 40원자%, M이 8원자% 이하(0초과), 잔부가 Zr으로 이루어 질 수 있다. 엄격하게는 상기 Al이 6 내지 13원자% 범위, Cu 및 Ni 중 어느 하나 이상이 17 내지 30원자% 범위, M이 5원자% 이하(0초과) 범위를 가질 수 있다. At this time, the alloy is less than 5 to 20 atomic%, at least one of Cu and Ni is 15 to 40 atomic%, M is 8 atomic% or less (greater than 0), the balance may be made of Zr. Strictly, the Al may have a range of 6 to 13 atomic%, at least one of Cu and Ni may have a range of 17 to 30 atomic%, and M may have a range of 5 atomic% or less (greater than 0).

이러한 본 발명을 따르는 결정질 합금은 동일조성의 비정질 합금에 비해 매우 우수한 열적 안정성을 가진다. 즉, 비정질 합금의 경우 열적 불안정성으로 인해 외부에서 전달된 열에너지에 의해 국부적으로 부분 결정화가 일어나면서 나노결정질이 국부적으로 형성된다. 이러한 국부적인 결정화는 비정질 합금의 구조완화 현상에 의해 취약해지며 파괴인성이 감소하게 된다. The crystalline alloy according to the present invention has a very excellent thermal stability compared to the amorphous alloy of the same composition. That is, in the case of the amorphous alloy, due to thermal instability, the local crystallization is locally formed by locally transmitted thermal energy due to thermal instability, and nanocrystalline is locally formed. This local crystallization is weakened by the structural relaxation of the amorphous alloy and the fracture toughness is reduced.

그러나 본 발명을 따르는 결정질 합금과 같이 비정질 합금 또는 나노결정질 합금으로부터 결정화 및/또는 결정립성장을 통해 그 결정립 크기가 제어된 합금은 외부에서 열이 가해지더라도 미세조직의 큰 변화를 보이지 않으며, 따라서 종래의 비정질 합금 또는 나노결정질 합금이 가지는 열적, 기계적 불안전성에 기인한 파괴가 나타나지 않는다. However, alloys whose grain size is controlled through crystallization and / or grain growth from amorphous alloys or nanocrystalline alloys, such as the crystalline alloys according to the present invention, show no significant change in microstructure even when heat is applied from the outside. There is no destruction due to the thermal and mechanical instability of amorphous or nanocrystalline alloys.

이러한 본 발명의 실시예들을 따르는 결정질 합금은 열적 안정성이 필요한 분야에 성공적으로 적용될 수 있으며, 일 예로서 스퍼터링용 타겟에 적용될 수 있다. The crystalline alloy according to the embodiments of the present invention can be successfully applied to the field requiring thermal stability, for example, it can be applied to the target for sputtering.

스퍼터링 및 반응성 스퍼터링을 통해 비정질 박막 또는 나노복합박막을 형성하기 위하여 비정질 형성능을 가진 복수의 금속원소로 이루어진 비정질 합금타겟이 이용될 수 있다. 스퍼터링 타겟의 경우 공정 중에 플라즈마로부터 가속되는 이온이 계속 충돌하게 되며, 이로 인해 스퍼터링 타겟은 공정 중에 필연적으로 온도가 상승하게 된다. 스퍼터링 타겟이 비정질로 이루어진 경우, 스퍼터링 과정 중에 온도상승에 따른 타겟 표면에서의 국부적 결정화가 진행될 수 있으며, 이러한 국부적 결정화는 타겟의 취성을 증가시켜 스퍼터링 공정 중에 타겟이 쉽게 파괴되는 결과를 초래할 수 있다.In order to form an amorphous thin film or a nanocomposite thin film through sputtering and reactive sputtering, an amorphous alloy target composed of a plurality of metal elements having an amorphous forming ability may be used. In the case of the sputtering target, the ions accelerated from the plasma during the process continuously collide with each other, so that the temperature of the sputtering target inevitably rises during the process. When the sputtering target is amorphous, local crystallization may occur at the target surface due to the temperature rise during the sputtering process, and such local crystallization may increase the brittleness of the target, which may result in the target being easily destroyed during the sputtering process.

반면, 본 발명에 의한 결정질 합금은 열처리에 의해 제어된 특정한 크기범위를 가지는 결정립이 균일하게 분포하는 미세조직을 가지므로 열적/기계적 안정성이 크게 향상되어 스퍼터링 중에 발생되는 타겟의 온도상승에도 국부적인 조직의 변화가 나타나지 않으며, 따라서 상술한 것과 같은 기계적 불안정성이 나타나지 않는다. 따라서 본 발명의 결정질 합금타겟의 경우에는 스퍼터링을 이용하여 비정질 박막 또는 나노복합박막을 안정적으로 형성하는데 이용 될 수 있다. On the other hand, the crystalline alloy according to the present invention has a microstructure in which crystal grains having a specific size range controlled by heat treatment are uniformly distributed, thereby greatly improving thermal / mechanical stability, thereby increasing the local structure even in the temperature rise of the target generated during sputtering. Does not change, and thus mechanical instability as described above does not appear. Therefore, in the case of the crystalline alloy target of the present invention it can be used to stably form an amorphous thin film or nanocomposite thin film using sputtering.

이하에서는 본 발명의 결정질 합금을 이용하여 스퍼터링용 합금타겟을 제조하는 방법에 대해 예시적으로 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing an alloy target for sputtering using the crystalline alloy of the present invention will be described as an example.

본 발명의 결정질 합금을 이용한 스퍼터링용 합금은 상술한 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 실제 사용되는 스퍼터링 타겟과 유사한 크기 및 형상으로 주조된 것일 수 있으며, 이렇게 주조된 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 열처리 즉, 어닐링(annealing)을 통해 결정화 내지는 결정립을 성장시킴으로써 결정질 합금타겟을 제조할 수 있다. Sputtering alloy using the crystalline alloy of the present invention, the above-described amorphous alloy or nanocrystalline alloy may be cast in a size and shape similar to the sputtering target used in practice, that is, the heat treatment, that is, the amorphous alloy or nanocrystalline alloy Crystalline alloy targets can be prepared by growing crystallization or grains through annealing.

또 다른 방법으로는 상술한 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 복수개로 준비하고, 이러한 복수개의 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 열가압하여 서로 결합시킴으로써 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다. 상기 열가압을 수행하는 동안 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 소성변형이 일어날 수 있다. As another method, a sputtering target may be manufactured by preparing a plurality of the above-described amorphous alloys or nanocrystalline alloys, and thermally pressing the plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys together. Plastic deformation of an amorphous alloy or a nanocrystalline alloy may occur during the thermal pressing.

이때 상기 어닐링처리 또는 열가압은 비정질 합금 또는 나노결정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 수행된다. 결정화 개시온도는 특정 조성을 가지는 합금이 비정질 상태에서 결정질 상태로 상천이가 시작되는 온도로서 정의된다. At this time, the annealing treatment or the thermal pressurization is performed in a temperature range below the melting temperature above the crystallization start temperature of the amorphous alloy or nanocrystalline alloy. The crystallization start temperature is defined as the temperature at which an alloy having a specific composition starts transitioning from an amorphous state to a crystalline state.

복수개로 준비되는 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 예를 들어, 비정질 합금분말 또는 나노결정질 합금분말일 수 있다. 이러한 합금분말들의 응집체를 소결금형에서 가압소결하여 결합시킴으로써 실제 타겟과 근사한 형상과 크기로 제조할 수 있다. 이 경우 가압소결은 상기 합금분말이 가지는 조성에서의 비정질 결정화 개시온도 이상 융융온도 미만의 온도범위에서 수행된다. 가열하는 과정 중에 비정질 합금분말의 응집체 또는 나노결정질 합금분말의 응집체는 서로 확산에 의해 결합되면서 결정화 및/또는 결정립성장이 일어나게 된다. 이때 결정화 또는 결정립성장은 결정립의 크기가 특정한 범위를 갖게 되도록 시간 및/또는 온도 등이 제어된다. 따라서 최종적으로 결정화 또는 결정립 성장된 합금은 상기 합금의 결정립 크기가 5㎛ 이하, 예를 들어 0.1 내지 5㎛ 범위, 엄격하게는 0.1 내지 1㎛ 범위, 더욱 엄격하게는 0.1 내지 0.5㎛ 범위, 더욱 더 엄격하게는 0.3 내지 0.5㎛의 범위를 가질 수 있다. The amorphous alloy or nanocrystalline alloy prepared in plural may be, for example, an amorphous alloy powder or a nanocrystalline alloy powder. The agglomerates of these alloy powders are pressed and sintered in a sintered metal mold and bonded to each other, whereby a shape and size approximate to an actual target can be produced. In this case, the pressure sintering is carried out in the temperature range of more than the amorphous crystallization start temperature in the composition of the alloy powder below the melting temperature. During the heating process, the agglomerates of the amorphous alloy powder or the agglomerates of the nanocrystalline alloy powder are combined with each other by diffusion to cause crystallization and / or grain growth. At this time, the crystallization or grain growth is controlled such as time and / or temperature so that the size of the crystal grains has a specific range. Thus, an alloy which is finally crystallized or grain grown has a grain size of the alloy of 5 μm or less, for example 0.1 to 5 μm, strictly 0.1 to 1 μm, more strictly 0.1 to 0.5 μm, and even more. Strictly it may have a range of 0.3 to 0.5㎛.

이때 상기 비정질 합금분말 또는 나노결정질 합금분말은 어토마이징법(automizing)에 의해 제조된 것일 수 있다. 구체적으로 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소가 용해된 용탕을 준비하고 상기 용탕을 분출시키면서 아르곤 가스 등과 같은 불활성 가스를 상기 분출된 용탕에 분무함으로써 상기 용탕을 급냉시켜 합금분말을 형성하게 된다. In this case, the amorphous alloy powder or nanocrystalline alloy powder may be prepared by an atomizing method (automizing). Specifically, the molten metal is prepared by preparing an molten metal having three or more metal elements having an amorphous forming ability and spraying the molten metal with an inert gas such as argon gas while spraying the molten metal to form an alloy powder.

다른 예로서 복수개로 준비되는 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 비정질 합금리본 또는 나노결정질 합금리본 일 수 있다. 이러한 리본들을 복수개로 적층한 후 합금리본이 가지는 조성에서의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 열가압함으로써 타겟을 형성할 수 있다. 이 경우 가압처리 과정 중에 비정질 합금리본 적층체 또는 나노결정질 합금리본 적층체는 리본간의 상호확산에 의한 결합이 진행되면서 결정화 및/또는 결정립성장이 일어나게 된다. 한편 이러한 과정에서 적층된 합금리본 간의 적층계면은 상호확산에 의해 소멸될 수 있다. As another example, the plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys may be amorphous alloy ribbons or nanocrystalline alloy ribbons. After stacking a plurality of such ribbons, the target can be formed by thermally pressurizing at a temperature range below the melting temperature or more than the crystallization start temperature in the composition of the alloy ribbon. In this case, the amorphous alloy ribbon laminate or the nanocrystalline alloy ribbon laminate may undergo crystallization and / or grain growth as the bonding progresses by mutual diffusion between ribbons. Meanwhile, the lamination interface between the stacked alloy ribbons in this process can be extinguished by mutual diffusion.

이때 상기 비정질 합금리본 또는 나노결정질 합금리본은 멜트스피닝(melt spinning)과 같은 급속응고법(rapid solidification process)에 의해 제조된 것일 수 있다. 구체적으로 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소가 용해된 용탕을 준비하고 상기 용탕을 고속으로 회전하는 롤 표면에 투입하여 급속응고시킴으로써 리본형상의 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 제조할 수 있다. In this case, the amorphous alloy ribbon or nanocrystalline alloy ribbon may be prepared by a rapid solidification process such as melt spinning (melt spinning). Specifically, a ribbon-shaped amorphous alloy or a nanocrystalline alloy may be manufactured by preparing a molten metal in which at least three metal elements having an amorphous forming ability are dissolved, and rapidly melting the molten metal on a roll surface rotating at high speed.

또 다른 예로서, 복수개로 준비되는 비정질 합금 또는 나노결정질 합금은 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재일 수 있다. 이때 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재는 봉상 또는 판상을 가질 수 있다. 이 경우 열가압처리 과정 중에 복수의 비정질 합금주조재가 적층된 적층체 또는 나노결정질 합금주조재가 적층된 적층체는 개별 합금주조재간의 상호확산에 의한 결합이 진행되면서, 결정화 및/또는 결정립성장이 일어나게 된다. 이때 합금주조재간의 계면은 상호확산에 의해 소멸될 수 있다. As another example, the plurality of amorphous alloys or nanocrystalline alloys may be amorphous alloy casting materials or nanocrystalline alloy casting materials. In this case, the amorphous alloy casting material or the nanocrystalline alloy casting material may have a rod shape or a plate shape. In this case, a laminate in which a plurality of amorphous alloy casting materials are laminated or a laminate in which nanocrystalline alloy casting materials are laminated during the thermal pressing process may undergo crystallization and / or grain growth as a result of bonding by mutual diffusion between individual alloy casting materials. do. At this time, the interface between the alloy castings may be eliminated by mutual diffusion.

이때 상기 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재는 높은 냉각능을 갖는 구리 등과 같은 금형에 상기 금형 내부와 외부와의 압력차를 이용하여 상기 금형의 내부에 상기 용탕을 주입하는 흡입법 또는 가압법을 이용하여 제조된 것일 수 있다. 예를 들어 구리금형주조법에 의할 시 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소가 용해된 용탕을 준비하고, 상기 용탕을 가압 또는 흡입시켜 노즐을 통해 고속으로 구리금형에 주입하여 급속응고시킴으로써 일정형상의 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재를 제조할 수 있다. In this case, the amorphous alloy casting material or the nanocrystalline alloy casting material uses a suction method or a pressurizing method of injecting the molten metal into the inside of the mold by using a pressure difference between the inside and the outside of the mold such as copper having a high cooling ability. It may be prepared by. For example, in the case of a copper mold casting method, a molten metal containing three or more metal elements having an amorphous forming ability is prepared, and the molten metal is pressed or sucked and injected into the copper mold at a high speed through a nozzle to rapidly solidify it. Alloy casting material or nanocrystalline alloy casting material can be produced.

합금리본 혹은 합금주조재의 경우에도 합금분말에서와 마찬가지로 최종적으로 결정화된 합금은 상기 합금의 결정립 크기가 위에서 기술한 범위가 되도록 조절된다.In the case of an alloy ribbon or an alloy casting material, as in the alloy powder, the finally crystallized alloy is adjusted so that the grain size of the alloy is in the above-described range.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제공한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention, but the present invention is not limited by the following examples.

봉상의 비정질 합금주조재(합금봉)의 결정화Crystallization of Bar-shaped Amorphous Alloy Castings (Alloy Rods)

도 1에는 본 발명의 실시예를 따르는 Zr-Al-Cu 합금봉의 비정질 형성능을 X-선 회절을 이용하여 조사한 결과가 나타나 있으며, 도 2에는 상기 Zr-Al-Cu 합금봉의 지름에 따른 결정화 특성을 나타내는 DSC 분석결과가 나타나 있다. 상기 Zr-Al-Cu의 조성은 각각 원자%로 각각 63.9, 10, 26.1 이었다. 이를 Zr63 .9Al10Cu26 .1로 표시한다(이후 합금의 조성을 이와 같은 방식으로 표시한다). Figure 1 shows the results of the amorphous forming ability of the Zr-Al-Cu alloy rod according to an embodiment of the present invention by using X-ray diffraction, Figure 2 shows the crystallization characteristics according to the diameter of the Zr-Al-Cu alloy rod The DSC analysis results are shown. The compositions of Zr-Al-Cu were 63.9, 10, and 26.1 in atomic%, respectively. This is expressed as Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 (the composition of the alloy is then expressed in this way).

상기 Zr63 .9Al10Cu26 .1 합금봉은 상기 조성을 가지는 합금버튼(alloy button)을 아크멜팅에 의해 용해한 후 구리금형 흡입주조법으로 제조하였다. 상기 Zr63.9Al10Cu26.1 합금봉의 용융온도(고상온도)는 913℃였다. 도 1 및 도 2의 (a), (b), (C) 및 (d)는 각각 합금봉의 지름이 각각 2mm, 5mm, 6mm, 8mm인 합금봉을 나타낸다.The Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 alloy rod was manufactured by copper mold suction casting after melting an alloy button having the composition by arc melting. The melting temperature (solid phase temperature) of the Zr 63.9 Al 10 Cu 26.1 alloy rod was 913 ° C. (A), (b), (C) and (d) of FIG. 1 and FIG. 2 show alloy bars having alloy rod diameters of 2 mm, 5 mm, 6 mm, and 8 mm, respectively.

도 1을 참조하면, 지름이 5mm 이하의 범위에서는 비정질상에서 전형적으로 나타나는 브로드 피크가 관찰되나, 6mm 이상에서는 결정질 피크가 관찰됨을 알 수 있다. 6mm 및 8mm의 지름을 가지는 합금봉을 전자현미경으로 관찰한 결과 주된 결정립의 평균 결정립 크기가 100nm 이하인 매우 미세한 나노결정질 구조를 가지고 있었다.Referring to FIG. 1, a broad peak typically observed in an amorphous phase is observed in a diameter of 5 mm or less, but a crystalline peak is observed in 6 mm or more. Electron microscopy of alloy rods with diameters of 6 mm and 8 mm showed very fine nanocrystalline structures with average grain sizes of 100 nm or less.

일반적으로 구리금형 흡입주조법과 같은 금형주조법의 냉각속도는 멜트스피닝법에 비해 낮은 냉각속도를 가지며, 따라서 상기 합금은 본 발명에서 정의하는 비정질 형성능을 가짐을 알 수 있다. 또한 상기 합금조성은 구리금형 흡입주조법에 의할 경우에는 5mm 이하의 두께 또는 지름을 가지는 비정질 합금을 제조할 수 있음을 알 수 있다. In general, the cooling rate of the mold casting method, such as copper mold suction casting method has a lower cooling rate than the melt spinning method, it can be seen that the alloy has an amorphous forming ability as defined in the present invention. In addition, it can be seen that the alloy composition can produce an amorphous alloy having a thickness or diameter of 5 mm or less when the copper mold suction casting method is used.

도 2를 참조하면, 합금봉 지름이 6mm까지는 승온시 결정화 거동에 따르는 발열피크가 관찰되지만, 8mm는 발열피크가 관찰되지 않았다. 이로부터 6mm인 경우에는 나노결정질 구조와 더불어 일부에 비정질상이 존재하고 있음을 알 수 있다. 지름이 2mm, 5mm 및 6mm인 경우에 유리천이온도(Tg)가 각각 404.4℃, 400.9℃ 및 391.3℃임을 알 수 있으며, 결정화 개시온도는 모두 450℃ 내외의 값을 나타냄을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, an exothermic peak was observed according to the crystallization behavior at the time of heating up to an alloy rod diameter of 6 mm, but no exothermic peak was observed for 8 mm. In the case of 6mm from this, it can be seen that an amorphous phase exists in part along with the nanocrystalline structure. When the diameter is 2mm, 5mm, and 6mm, it can be seen that the glass transition temperature (Tg) is 404.4 ° C, 400.9 ° C and 391.3 ° C, respectively, and the crystallization initiation temperatures are all around 450 ° C.

표 1에는 지름이 2mm 인 Zr63 .9Al10Cu26 .1 합금봉과 8mm인 Zr63 .9Al10Cu26 .1 합금봉의 어닐링 온도에 따른 경도 및 균열발생 유무가 나타나 있다. 경도측정은 1Kgf 하중에서 실시하였으며, 균열발생 유무는 5Kgf 하중에서의 압자자국을 전자현미경으로 관찰하여 판정하였다. 어닐링은 고온 진공 퍼니스에서 수행하였으며, 어닐링 시간은 모든 온도에서 30분이었다.Table 1 shows the hardness and crack occurrence according to the annealing temperature of Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 alloy rod with 2mm diameter and Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 alloy rod with 8mm diameter. Hardness measurement was performed at 1 Kgf load and crack occurrence was determined by electron microscopy of indentation traces at 5 Kgf load. Annealing was carried out in a hot vacuum furnace and the annealing time was 30 minutes at all temperatures.

원소재Raw materials 제조방법Manufacturing method 측정항목Metric 어닐링 온도에 따른 어닐링재의 경도시험후
경도(Hv) 및 균열발생유무
After Hardness Test of Annealing Material According to Annealing Temperature
Hardness (Hv) and crack occurrence
500℃500 600℃600 ℃ 700℃700 ℃ 800℃800 ℃ 900℃900 ℃ 비정질
주조봉재
(ф2mm)
Amorphous
Casting Bar
(ф2mm)
구리금형
흡입주조법
Copper mold
Suction casting method
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
705705 725725 710710 599599 473473
크랙발생
유무
Crack
The presence or absence
×× ××
나노결정질
주조봉재
(ф8mm)
Nanocrystalline
Casting Bar
(ф8mm)
구리금형
흡입주조법
Copper mold
Suction casting method
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
655655 725725 622622 606606 510510
크랙발생
유무
Crack
The presence or absence
××
●어닐링 : 고온 진공 퍼니스, 30분 유지
●경도측정 : 경도측정 1Kgf하중, Crack 유무관찰 5Kgf 하중
Annealing: high temperature vacuum furnace, 30 minutes
● Hardness measurement: Hardness measurement 1Kgf Observation of load and cracks 5Kgf load

표 1을 참조하면, 지름이 2mm인 합금봉과 8mm인 합금봉 모두 600℃ 이하에서는 어닐링온도가 증가할수록 경도값이 증가하였으나, 600℃를 넘어서는 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 한편 지름인 2mm인 합금봉은 700℃ 및 800℃에서 크랙이 발생하지 않았으며, 지름이 8mm인 합금봉은 800℃에서 크랙이 발생하지 않았다. Referring to Table 1, both the alloy rods with a diameter of 2 mm and the alloy rods with a diameter of 8 mm showed a hardness increase as the annealing temperature increased below 600 ° C., but decreased again above 600 ° C. On the other hand, the 2mm diameter alloy rods did not crack at 700 ° C and 800 ° C, and the 8mm diameter alloy rods did not crack at 800 ° C.

도 3a 내지 3d에는 지름이 2mm인 합금봉을 각각 600℃ 700℃, 800℃ 및 900℃에서 어닐링한 경우의 압흔 주변을 관찰한 결과가 나타나 있으며, 도 3e에는 지름이 8mm인 합금봉을 800℃에서 어닐링한 경우를 관찰한 결과가 나타나 있다. 3A to 3D show the results of observing the indentation when an alloy rod having a diameter of 2 mm is annealed at 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C. and 900 ° C., respectively. FIG. 3E shows an alloy rod having a diameter of 8 mm at 800 ° C. The result of observing the case of annealing at is shown.

도 3a 내지 3c를 참조하면, 크랙이 발생한 경우(도 3a)에는 평균 결정립(이하 편의상 결정립으로 표기함)의 크기가 0.1㎛ 보다 작은 나노결정립 구조를 나타내었으나, 크랙이 관찰되지 않은 경우(도 3b 및 3c)에는 0.1㎛ 내지 약 1㎛ 범위의 크기를 가지는 결정립이 균일하게 분포하는 결정질 조직을 나타내었다. 결정립이 5㎛를 초과하는 경우(도 3d)에는 크랙이 발생하였다. 도 3e와 같이 지름이 8mm인 합금봉의 경우에도 도 3(c)와 유사한 미세조직을 나타내는 경우, 크랙이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 3A to 3C, when the crack occurs (FIG. 3A), the average grain size (hereinafter referred to as grain for convenience) shows a nanocrystalline structure having a size smaller than 0.1 μm, but no crack is observed (FIG. 3B). And 3c) shows uniformly distributed crystalline tissue having a size ranging from 0.1 μm to about 1 μm. In the case where the crystal grains exceeded 5 μm (FIG. 3D), cracks occurred. In the case of an alloy rod having a diameter of 8 mm as shown in FIG. 3e, when the microstructure similar to that of FIG. 3 (c) was shown, no crack was generated.

이로부터 비정질 상태의 합금봉이 어닐링되어 나노결정립을 가지는 미세구조로 부분결정화 또는 결정화되는 경우에는 경도의 증가와 함께 취성이 증가됨을 알 수 있다. 이러한 취성의 증가는 구조완화 및 비정질 기지에 나노결정립이 석출되며 발생되는 비정질 본래의 자유부피(free volume)의 변화에 기인한 것으로 판단된다. From this, it can be seen that when the amorphous alloy rod is annealed and partially crystallized or crystallized into a microstructure having nanocrystal grains, brittleness increases with increasing hardness. This increase in brittleness is believed to be due to the change of amorphous intrinsic free volume generated by the relaxation of the structure and the precipitation of nanocrystals in the amorphous matrix.

그러나 비정질 합금이 완전히 결정화 되더라도 그 결정립의 크기가 0.1㎛ 내지 5㎛의 범위에 있는 경우에는 이러한 구조완화 및 나노결정립의 석출에 기인한 취성증가의 현상이 나타나지 않으며, 파괴인성이 현저하게 향상됨을 알 수 있다. 표 2에는 상술한 합금조성(표 2의 실시예 1) 외에 다양한 조성을 가지는 여러 비정질상 또는 비정질상이 포함된 합금주조재(지름 2mm봉재, 두께0.5mm 판재)를 800℃에서 어닐링한 경우의 비정질 특성 및 크랙발생 여부에 대한 결과가 요약되어 있다(실시예2 와 비교예 1의 경우에는 700℃에서 어닐링하였음). 표 2의 Tg, Tx, Tm은 각각 유리천이온도, 결정화 개시온도 및 용융온도(고상온도)을 나타낸다. 결정립의 크기는 KS D0205의 금속의 결정립 직경 측정법으로 측정하였다.However, even when the amorphous alloy is completely crystallized, when the grain size is in the range of 0.1 μm to 5 μm, the phenomenon of brittleness due to such structure relaxation and precipitation of nanocrystals does not appear, and fracture toughness is remarkably improved. Can be. Table 2 shows the amorphous properties when an alloy casting material (2 mm diameter bar, 0.5 mm thick plate material) containing various amorphous phases or amorphous phases having various compositions in addition to the alloy composition (Example 1 of Table 2) described above was annealed at 800 ° C. The results for crack occurrence are summarized (annealed at 700 ° C. for Example 2 and Comparative Example 1). Tg, Tx, and Tm in Table 2 represent the glass transition temperature, the crystallization start temperature and the melting temperature (solid phase temperature), respectively. The grain size was measured by the grain diameter measurement method of the metal of KS D0205.

Figure pat00001
Figure pat00001

표 2를 참조하면, 실시예 2 내지 30의 합금도 어닐링 후 모두 실시예 1의 합금과 매우 유사한 미세 조직을 나타내었으며, 크랙발생 테스트시 크랙발생이 관찰되지 않았다. 도 4a에는 예시적으로 실시예 3의 압자에 의한 크랙발생 테스트 후 미세조직을 관찰한 결과가 나타나 있다. Referring to Table 2, the alloys of Examples 2 to 30 also showed very similar microstructures to the alloys of Example 1 after annealing, and no cracking was observed in the cracking test. Figure 4a shows the results of observing the microstructure after the crack generation test by the indenter of Example 3 by way of example.

이에 비해, 합금 내 Al이 포함되지 않은 시편(비교예 1) 및 어닐링 온도가 융점 이상인 시편(비교예 2)의 경우에는 크랙이 발생하였다. 또한 Cu의 조성이 15원자%에 미만이고 M(즉, Co)의 조성이 8중량% 이상인 실시예(비교예 4)의 경우에도 역시 크랙발생이 관찰되었다. 한편, Zr, Al, Cu, Ni외에 다른 이종금속이 더 첨가되는 경우에는 Al의 조성이 20원자% 이상인 경우에 크랙발생이 관찰되었다(비교예 3). 도 4b 내지 4d에는 비교예 2 내지 4의 크랙발생 테스트 후 미세조직을 관찰한 결과가 나타나 있다. On the other hand, cracks occurred in the case of the specimen (Comparative Example 1) which did not contain Al in the alloy and the specimen (Comparative Example 2) whose annealing temperature was higher than the melting point. In addition, in the case of the Example (comparative example 4) whose composition of Cu is less than 15 atomic% and the composition of M (that is, Co) is 8 weight% or more, the crack generation was also observed. On the other hand, in the case where other dissimilar metals were further added to Zr, Al, Cu, and Ni, cracking was observed when the composition of Al was 20 atomic% or more (Comparative Example 3). 4B to 4D show the results of observing the microstructure after the crack generation test of Comparative Examples 2 to 4.

복수의 비정질 합금봉을 이용한 합금타겟의 제조Fabrication of Alloy Targets Using a plurality of Amorphous Alloy Rods

표 3에는 실시예 1의 합금조성(Zr63 .9Al10Cu26 .1)을 가지는 지름 3mm 비정질 합금봉을 복수개로 준비하고 이를 그라파이트 금형 내에 적층한 후 통전가압소결장치에서 열가압하여 결합한 합금타겟에 있어서, 결합온도에 따른 경도 및 크랙발생 유무를 관찰한 결과가 나타나 있다. 이때 결합온도는 그라파이트(graphite) 금형의 접촉온도를 의미한다. 또한 표 3의 △Tx는 유리천이온도와 결정화 개시온도 사이의 온도구간, 즉 과냉액체온도구간 중에서 선택된 온도를 의미한다.In Table 3, a plurality of 3 mm diameter amorphous alloy bars having the alloy composition (Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 ) of Example 1 were prepared, laminated in a graphite mold, and thermally pressurized in an energizing press sintering apparatus. In the target, the results of observing the hardness and crack generation according to the bonding temperature is shown. At this time, the bonding temperature means the contact temperature of the graphite (graphite) mold. In addition, ΔTx in Table 3 means a temperature section between the glass transition temperature and the crystallization start temperature, that is, the temperature selected from the subcooled liquid temperature section.

출발원료에 따른According to starting materials
소결재Sintered Material 분류 Classification
제조방법Manufacturing method 측정항목Metric 결합온도에 따른 According to the bonding temperature 소결재Sintered Material 경도시험후After hardness test
경도(Hardness( HvHv ) 및 ) And 균열발생유무Crack occurrence
410℃
(△Tx)
410 ℃
(△ Tx)
500℃500 ℃ 700℃700 ℃ 800℃800 ℃ 900℃900 ℃
비정질
주조봉재
소결체
Amorphous
Casting Bar
Sintered body
리 금형
흡입 주조
(ф3mm)
+ 적층결합
Lee mold
Suction casting
(ф3mm)
+ Laminated

(Hv)
Degree
(Hv)
652652 670670 691691 565565 498498
크랙발생
유무
Crack
The presence or absence
×× ××
● 소결조건 : 통전가압소결장치, 유지시간 30분
● 결합온도 : 그라파이트 금형 접촉온도
● Sintering condition: Pressurized sintering device, holding time 30 minutes
● Bonding temperature: Graphite mold contact temperature

표 3을 참조하면, 표 1에 나타난 결과와 동일하게 결합온도가 700℃ 및 800℃ 인 경우에는 크랙이 발생하지 않았다. 이를 전자현미경으로 관찰한 결과, 1㎛ 이하의 결정립이 균일하게 분포하는 결정질 조직을 나타내었다. 도 5a에는 예시적으로 800℃에서 결합한 합금타겟의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 결과를 나타내었다. Referring to Table 3, cracks did not occur when the bonding temperatures were 700 ° C. and 800 ° C. in the same manner as the results shown in Table 1. As a result of observing this under an electron microscope, it showed a crystalline structure in which crystal grains of 1 μm or less were uniformly distributed. 5A shows the results of observing the microstructure of the alloy target bonded at 800 ° C. with an electron microscope.

비정질 합금분말 또는 나노결정질 합금분말을 이용한 합금타겟의 제조Preparation of alloy target using amorphous alloy powder or nanocrystalline alloy powder

표 4에는 실시예 1과 동일한 조성(Zr63 .9Al10Cu26 .1)을 가지는 합금을 분말형태로 제조한 후 이를 그라파이트 금형에 적층하여 통전가압소결장치로 가압소결하여 제조한 합금타겟에 있어서, 소결온도에 따른 경도 및 크랙발생 유무를 관찰한 결과가 나타나 있다.In Table 4, an alloy having the same composition as in Example 1 (Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 ) was prepared in powder form, laminated on a graphite mold, and pressed into an alloy target manufactured by pressurizing and sintering with an energized pressure sintering apparatus. In this case, the results of observing the hardness and crack generation according to the sintering temperature is shown.

이때 합금분말은 어토마이징법에 의해 제조되었는바, 구체적으로 Zr, Al 및 Cu의 조성비를 맞춰 아크멜팅법으로 합금용해후 합금버튼을 제조하고, 분말제조장치를 이용해서 합금버튼을 고주파에 의해 재용해후, 용융합금을 아르곤 가스로 분무하여 제조하였다. 이렇게 제조된 합금분말은 비정질상을 나타내었으며, 상기 합금분말의 X-선 회절 결과가 도 6a에 나타나 있다. At this time, the alloy powder was prepared by the atomizing method. Specifically, the alloy button was prepared after melting the alloy by the arc melting method in accordance with the composition ratio of Zr, Al and Cu, and the alloy button was reused by high frequency using a powder manufacturing apparatus. Subsequently, the molten alloy was prepared by spraying with argon gas. The alloy powder thus prepared showed an amorphous phase, and the X-ray diffraction results of the alloy powder are shown in FIG. 6A.

이렇게 제조된 비정질 합금분말은 바로 그라파이트 금형에서 소결하여 합금타겟으로 제조하거나 혹은 위와 같이 제조된 비정질 합금분말을 고진공 퍼니스에서 600℃ 어닐링 처리하여 나노결정질 합금분말로 제조한 후 이를 소결하여 타겟으로 제조하였다. 도 6b에는 비정질 합금분말을 어닐링한 후에 X-선 회절 결과가 나타나 있다.The amorphous alloy powder thus prepared was immediately sintered from a graphite mold to produce an alloy target, or the amorphous alloy powder prepared as described above was annealed at 600 ° C. in a high vacuum furnace to prepare a nanocrystalline alloy powder, and then sintered to prepare it as a target. . 6b shows the X-ray diffraction results after annealing the amorphous alloy powder.

출발원료에 따른According to starting materials
소결재Sintered Material 분류 Classification
제조방법Manufacturing method 측정항목Metric 소결온도에 따른 According to sintering temperature 소결재Sintered Material 경도시험후After hardness test
경도(Hardness( HvHv ) 및 ) And 균열발생유무Crack occurrence
420℃420 500℃500 ℃ 700℃700 ℃ 800℃800 ℃ 900℃900 ℃ 비정질 분말
소결재
Amorphous powder
Sintered Material
가스아토마이징 +
소결
Gas atomizing +
Sintering
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
582582 678678 656656 591591 523523
크랙발생
유무
Crack
The presence or absence
×× ××
나노결정질 분말 소결재
Nanocrystalline Powder Sintered Material
가스아토마이징 +
600℃ 어닐링
Gas atomizing +
600 ℃ annealing
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
-- -- 578578 578578 504504
크랙발생
유무
Crack
The presence or absence
-- -- ××
● 소결조건 : 통전가압소결장치, 유지시간 30분
● 소결온도 : 그라파이트 금형 접촉온도
● 어닐링 : 고진공 퍼니스, 30분 유지
● Sintering condition: Pressurized sintering device, holding time 30 minutes
● Sintering temperature: Graphite mold contact temperature
Annealing: High vacuum furnace, 30 minutes

표 4의 결과를 참조하면, 비정질 합금분말을 소결하여 제조한 합금타겟의 경우에는 700℃ 및 800℃에서 크랙이 발생되지 않았으며, 나노결정질 합금분말을 소결하여 제조한 합금타겟의 경우에는 800℃에서 크랙이 발생하지 않았다. 전자현미경으로 관찰한 결과, 크랙이 발생되지 않은 합금타겟에서는 모두 1㎛ 이하의 결정립이 균일하게 분포하는 결정질 조직을 나타내었다. 도 5b 및 5c에는 각각 비정질 합금분말 및 나노결정질 합금분말을 800℃에서 소결한 합금타겟의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다.  Referring to the results of Table 4, cracks did not occur at 700 ° C. and 800 ° C. in the case of the alloy target prepared by sintering the amorphous alloy powder, and 800 ° C. in the case of the alloy target prepared by sintering the nanocrystalline alloy powder. There was no crack in. As a result of observing with an electron microscope, all the alloy targets without cracks showed crystalline structure in which crystal grains of 1 µm or less were uniformly distributed. 5B and 5C show the results of observing the microstructure of the alloy target obtained by sintering the amorphous alloy powder and the nanocrystalline alloy powder at 800 ° C., respectively, with an electron microscope.

비정질 합금리본을 이용한 합금타겟의 제조Fabrication of alloy target using amorphous alloy ribbon

표 5에는 실험예 1과 동일한 조성(Zr63 .9Al10Cu26 .1)을 가지는 비정질 합금을 리본형태로 제조한 후 복수개의 합금리본을 그라파이트 금형안에 적층하고 통전가압소결장치로 가압소결(결합)하여 제조한 합금타겟에 있어서, 가압온도에 따른 경도 및 크랙발생 유무를 관찰한 결과가 나타나 있다.In Table 5, amorphous alloys having the same composition (Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 ) as in Experimental Example 1 were prepared in the form of ribbons, and then a plurality of alloy ribbons were laminated in a graphite mold and pressed and sintered by a pressurized pressure sintering device ( In the alloy target produced by the combination), the results of observing the hardness and crack generation according to the pressing temperature is shown.

출발원료에 따른
소결재 분류
According to starting materials
Sintered Material Classification
제조방법Manufacturing method 측정항목Metric 소결온도에 따른 According to sintering temperature 소결재Sintered Material 경도시험후After hardness test
경도(Hardness( HvHv ) 및 ) And 균열발생유무Crack occurrence
420℃420 500℃500 ℃ 700℃700 ℃ 800℃800 ℃ 900℃900 ℃ 멜트스피닝
리본
Melt Spinning
ribbon
비정질 리본
+
소결
Amorphous ribbon
+
Sintering
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
631631 663663 678678 575575 522522
크랙발생
유무
Crack
The presence or absence
××
● 소결조건 : 통전가압소결장치, 유지시간 30분
● 소결온도 : 그라파이트 금형 접촉온도
● Sintering condition: Pressurized sintering device, holding time 30 minutes
● Sintering temperature: Graphite mold contact temperature

이때 비정질 합금리본은 멜트스피닝법에 의해 제조되었는바, 구체적으로 Zr, Al 및 Cu의 조성비를 맞춰 아크멜팅법으로 합금용탕을 제조한 후, 700rpm의 고속으로 회전하는 지름 600mm 구리 롤 표면에 상기 합금용탕을 노즐을 통하여 투입하여 급속응고시킴으로써 제조하였다. 이때 비정질 합금리본의 두께는 70㎛ 이었다. At this time, the amorphous alloy ribbon was manufactured by the melt spinning method, specifically, after the alloy molten metal was prepared by the arc melting method in accordance with the composition ratio of Zr, Al and Cu, the alloy on the surface of 600mm diameter copper roll rotating at a high speed of 700rpm The molten metal was prepared by pouring through a nozzle and rapidly solidifying. At this time, the thickness of the amorphous alloy ribbon was 70㎛.

표 5를 참조하면, 소결온도가 800℃인 경우에는 크랙이 발생하지 않았으며, 이를 전자현미경으로 관찰한 결과 역시 위 실시예 결과와 마찬가지로 도 5d와 같이 1㎛ 이하의 결정립이 균일하게 분포하는 결정질 조직을 나타내었다. Referring to Table 5, no crack was generated when the sintering temperature was 800 ° C. As a result of observing this with an electron microscope, crystalline particles uniformly distributed below 1 μm were uniformly distributed as shown in FIG. 5D. Tissue is shown.

결정질 합금타겟, 비정질 합금타겟 및 주조재 합금타겟의 스퍼터링 특성Sputtering Characteristics of Crystalline Alloy Target, Amorphous Alloy Target and Cast Alloy Target

도 7에는 비정질 합금분말을 800℃에서 소결하여 제조한 결정질 합금타겟(Zr62.5Al10Mo5Cu22.5)을 실제 스퍼터링 장치에 장착하고 300W DC 플라즈마 전원을 인가하는 경우, 그 표면을 관찰한 결과가 나타나 있다. 또한 도 8a에는 스퍼터링 전 합금의 미세조직이 나타나 있으며, 도 8b에는 스퍼터링 후 스퍼터링이 일어난 타겟의 표면을 관찰한 결과가 나타나 있다. FIG. 7 illustrates that the surface of the crystalline alloy target (Zr 62.5 Al 10 Mo 5 Cu 22.5 ) prepared by sintering an amorphous alloy powder at 800 ° C. is mounted on an actual sputtering apparatus, and 300 W DC plasma power is applied. Is shown. In addition, Fig. 8a shows the microstructure of the alloy before sputtering, and Fig. 8b shows the result of observing the surface of the target where sputtering occurred after sputtering.

도 7, 8a 및 8b을 참조하면, 결정질 합금타겟의 경우에는 스퍼터링 후에도 매우 매끈한 표면을 가지고 있음을 알 수 있으며, 스퍼터링 전후로 합금조직의 큰 변화는 관찰되지 않은 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명의 실시예를 따르는 결정질 합금타겟은 스퍼터링 중에 발생되는 온도증가에도 합금조직의 변화가 나타나지 않는 우수한 열적/기계적 안정성을 보임을 알 수 있다. 7, 8a and 8b, it can be seen that the crystalline alloy target has a very smooth surface even after sputtering, and no significant change in the alloy structure was observed before and after sputtering. From this, it can be seen that the crystalline alloy target according to the embodiment of the present invention shows excellent thermal / mechanical stability without any change in the alloy structure even when the temperature increases during sputtering.

한편 도 9a에는 비교예로서 동일조성(Zr62 .5Al10Mo5Cu22 .5)의 비정질 합금분말을 과냉액체온도구간에서 소결한 비정질 합금타겟을 이용하여 동일한 조건에서 스퍼터링을 수행한 경우에 발생된 타겟 파단을 관찰한 결과가 나타나 있으며, 도 9b에는 그 파단면을 전자현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다. On the other hand, Figure 9a as a comparative example in the case of sputtering under the same conditions by using an amorphous alloy powder of the same composition (Zr 62 .5 Al 10 Mo 5 Cu 22 .5 ) using the amorphous alloy target sintered in the subcooled liquid temperature section The result of observing the generated target fracture is shown, and the result of observing the fracture surface with an electron microscope is shown in FIG. 9B.

도 9a 및 9b를 참조하면, 비정질 합금타겟은 스퍼터링 공정 수행 중에 파괴가 일어날 수 있음을 확인할 수 있으며, 그 파단면의 양상을 관찰하면 그 표면이 평탄한 취성파괴의 양상을 보임을 알 수 있다. 이로부터 파괴경로는 분말입자의 경계면이 아닌 입자 내부를 관통하는 파괴경로로 파단 되었음을 알 수 있다. 9A and 9B, it can be seen that the amorphous alloy target may be destroyed during the sputtering process, and when the fracture surface is observed, the surface shows a flat brittle fracture. From this, it can be seen that the fracture path is broken by the fracture path penetrating the inside of the particle, not the interface of the powder particles.

도 10a 및 10b에는 스퍼터링 전후 비정질 합금타겟의 X-선 회절 패턴이 나타나 있으며, X-선 회절결과로부터 스퍼터링 전의 비정질상이 스퍼터링 과정 중에 부분적으로 결정화되었음을 알 수 있다. 10A and 10B show X-ray diffraction patterns of the amorphous alloy target before and after sputtering, and it can be seen from the X-ray diffraction results that the amorphous phase before sputtering was partially crystallized during the sputtering process.

도 11a 및 11b에는 스퍼터링 전후 합금타겟의 크랙발생 테스트(수직하중: 1kgf)후 압자주변을 전자현미경으로 관찰한 사진이 나타나 있다. 비정질 합금타겟의 경우에는 스퍼터링 과정에서의 나노결정립의 석출에 따른 취성이 증가되며, 따라서 도 11b에 나타내었듯이 크랙발생 테스트시 크랙이 발생되었다. 11A and 11B show photographs of the periphery of the indentor observed with an electron microscope after the crack generation test (vertical load: 1 kgf) of the alloy target before and after the sputtering. In the case of the amorphous alloy target, the brittleness due to the precipitation of the nano-crystal grains in the sputtering process is increased, and thus cracks are generated during the crack generation test as shown in FIG. 11B.

이로부터 비정질 합금타겟의 경우에는 열적 안정성이 취약하여 스퍼터링 중에 발생되는 온도상승에 국부적인 결정화가 일어날 수 있으며, 이러한 국부적 결정화에 의해 타겟의 취성이 증가하여 스퍼터링 공정 중에 타겟이 파괴가 일어날 수 있음을 확인할 수 있다. In this case, in the case of amorphous alloy targets, the thermal stability is weak, so that local crystallization may occur in the temperature rise generated during sputtering. The local crystallization may increase the brittleness of the target, which may cause the target to break during the sputtering process. You can check it.

도 12에는 또 다른 비교예로서 동일조성(Zr62 .5Al10Mo5Cu22 .5)을 일반적인 주조법으로 제조한 합금타겟을 실제 스퍼터링 장치에 장착하고 300W DC 플라즈마 전원을 인가하는 경우의 그 표면을 관찰한 결과가 나타나 있다. 또한 도 13a에는 스퍼터링 전 합금의 미세조직이 나타나 있으며, 도 13b에는 스퍼터링 후 스퍼터링이 일어난 타겟의 표면을 관찰한 결과가 나타나 있다. In FIG. 12, as another comparative example, the surface of the same alloy (Zr 62 .5 Al 10 Mo 5 Cu 22 .5 ), which is manufactured by a general casting method, is mounted on an actual sputtering apparatus and a 300W DC plasma power supply is applied. Observation results are shown. In addition, the microstructure of the alloy before sputtering is shown in Figure 13a, Figure 13b shows the result of observing the surface of the target after sputtering after sputtering.

도 12, 13a 및 13b를 참조하면, 주조재 합금타겟의 경우 본 발명의 결정질 합금타겟(도 7 참조)에 비해 스퍼터링이 일어난 면이 불균일하고 매우 거칠었음을 알 수 있으며, 이는 주조재 합금타겟의 미세조직이 조대하고 불균일하여 그 표면에서의 스퍼터링이 불균일하게 일어나기 때문으로 판단된다. 12, 13a and 13b, it can be seen that in the case of the cast alloy target, the sputtering surface was uneven and very rough compared to the crystalline alloy target of the present invention (see FIG. 7), which is It is judged that the microstructure is coarse and uneven, so that sputtering occurs unevenly on the surface thereof.

주조재 합금타겟의 경우 도 13a와 같이 응고과정에서 주상정 조직 또는 수지상 형태의 초정 등과 같은 서로 다른 조성을 가지는 다양한 크기 및 형태의 조대한 상들이 혼재되어 있는 불균일한 미세조직을 나타낸다. 이러한 미세조직의 불균일성에 기인하여 스퍼터링된 표면도 도 13b와 같이 불균일하게 형성되게 된다. In the case of a cast alloy target, as shown in FIG. 13A, a non-uniform microstructure in which coarse phases of various sizes and shapes having different compositions, such as columnar structure or dendritic type tablet, is mixed during the solidification process. Due to the nonuniformity of the microstructure, the sputtered surface is also formed nonuniformly as shown in FIG. 13B.

이러한 주조재 합금타겟의 불균일성에 의해 스퍼터링에 의해 제조된 박막조성의 균일성이 열악한 특성을 보일 수 있다. 또한 타겟의 조성과 스퍼터링을 통해 형성된 박막의 조성 간에 현저한 차이가 나타날 수 있으며, 스퍼터링이 진행됨에 따라 박막의 조성이 변하는 등의 박막특성에 악영향을 줄 수 있다. 더 나아가 스퍼터링 중에 타겟으로부터 파티클이 발생되어 스퍼터링 챔버를 오염시키는 문제를 발생시킬 수도 있다.Due to the nonuniformity of the cast material alloy target, the uniformity of the thin film composition produced by sputtering may exhibit poor characteristics. In addition, a significant difference may appear between the composition of the target and the composition of the thin film formed through sputtering, and may adversely affect the thin film properties such as the composition of the thin film changes as the sputtering proceeds. Furthermore, particles may be generated from the target during sputtering to contaminate the sputtering chamber.

또한 다원계 합금을 주조하는 경우에는 높은 취성을 가지는 다양한 금속간화합물이 형성될 수 있음에 따라 주조 중 혹은 주조 이후 타겟을 가공하는 과정에서 타겟이 취성파괴 되는 현상이 나타날 수 있다. 예시적으로 도 14에는 Zr63 .9Al10Cu26 .1 조성을 가지는 3인치급 주조재 합금타겟이 수냉하는 구리 허스에서 아크멜팅 후 자연 응고하는 중에 크랙이 발생하여 파손된 결과가 나타나 있다. In addition, in the case of casting a multi-element alloy, various intermetallic compounds having high brittleness may be formed, so that the target may be brittle and fractured during processing of the target during or after casting. For example, FIG. 14 shows a result of cracking occurring during natural solidification after arc melting in a copper hearth in which a 3 inch cast alloy target having a composition of Zr 63 .9 Al 10 Cu 26 .1 is water-cooled.

이에 비해 본 발명에 따른 결정질 합금타겟은 미세한 결정립이 균일하게 분포하는 미세조직을 가지고 있으며 이로 인해 타겟표면에서 매우 균일한 스퍼터링이 일어나므로 형성된 박막의 조성이 균일하며 타겟의 조성에 근사하는 박막의 조성을 얻을 수 있다. 또한 주조재 합금타겟과 달리 파티클의 발생 정도가 현저하게 개선될 수 있다.On the contrary, the crystalline alloy target according to the present invention has a microstructure in which fine grains are uniformly distributed, and as a result, very uniform sputtering occurs at the target surface. You can get it. In addition, unlike the cast alloy target, the generation of particles can be significantly improved.

표 6에는 Zr62 .5Al10Mo5Cu22 .5 조성의 결정질 합금타겟 및 주조재 합금타겟을 스퍼터링하여 제조한 박막의 조성이 나타나 있다. 이때 스퍼터링 타겟에는 직류 200W의 전압이 인가되었으며, 챔버압력은 5mTorr였다. 증착된 박막의 두께는 10㎛ 이었으며, 조성은 EPMA로 분석하였다. Table 6 shows the composition of the thin film prepared by sputtering the crystalline alloy target and the cast alloy target of Zr 62 .5 Al 10 Mo 5 Cu 22 .5 composition. At this time, a voltage of DC 200 W was applied to the sputtering target, and the chamber pressure was 5 mTorr. The thickness of the deposited thin film was 10 μm, and the composition was analyzed by EPMA.

표 6을 참조하면, 결정질 타겟은 주조재 타겟에 비해 박막의 조성이 타겟조성에 더 근사하게 나타남을 알 수 있다.Referring to Table 6, it can be seen that the crystalline target is closer to the target composition of the thin film composition than the cast target.

타겟종류Target type
화학성분 (Chemical composition atat %)%)
ZrZr AlAl MoMo CuCu 결정질 합금Crystalline alloy 62.4562.45 10.8310.83 6.106.10 20.6020.60 주조재 합금타겟Cast alloy target 63.2363.23 11.2911.29 7.197.19 18.2918.29

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (1)

비정질 형성능을 가지는 3원소 이상으로 이루어진 합금으로서,
상기 합금의 결정립 평균크기는 0.1 내지 5㎛ 범위에 있고,
상기 합금은 Al이 5 내지 20원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15 내지 40원자%, 잔부가 Zr으로 이루어지고,
상기 비정질 형성능을 가지는 합금은 상기 합금의 용탕을 104~106K/sec 범위의 냉각속도로 주조시 20 내지 100㎛ 범위에 주조두께로 비정질리본을 얻을 수 있는 합금인, 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금.
As an alloy composed of three or more elements having an amorphous forming ability,
The average grain size of the alloy is in the range of 0.1 to 5㎛,
The alloy is 5 to 20 atomic% Al, at least one selected from Cu and Ni is 15 to 40 atomic%, the balance is made of Zr,
The alloy having an amorphous forming ability is an alloy capable of obtaining an amorphous ribbon at a casting thickness in the range of 20 to 100 μm when casting the molten metal of the alloy at a cooling rate in the range of 10 4 to 10 6 K / sec. alloy.
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