KR20170039741A - 다층 질화철 경자성 재료 - Google Patents

다층 질화철 경자성 재료 Download PDF

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지안-핑 왕
얀펭 지앙
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리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타
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Abstract

본 개시내용은 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 하나의 층과, α"-Fe16(NxZ1-x)2 또는 α"-Fe16N2 및 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 다층 경자성 재료를 기재한다. 여기서, Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수이다. 본 개시내용은 화학 증착 또는 액상 에피택시에 의해 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 하나의 층과, α"-Fe16(NxZ1-x)2 또는 α"-Fe16N2 및 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 다층 경자성 재료를 제조하는 기법을 기재한다.

Description

다층 질화철 경자성 재료 {MULTILAYER IRON NITRIDE HARD MAGNETIC MATERIALS}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은, 2014년 8월 8일에 출원된 미국 가특허 출원 62/035,230호의 이익을 주장한다. 이 가특허 출원에 기재되어 있는 내용 전부는 참고로 본 명세서에 통합된다.
본 개시내용은 경자성 재료 및 경자성 재료를 제조하는 기법에 관한 것이다.
예를 들어 대체 에너지 시스템을 포함하는 많은 전기기계 시스템 분야에서, 영구 자석이 중요한 역할을 하고 있다. 예를 들면, 차량, 풍력 터빈 및 다른 대체 에너지 장치에 사용될 수 있는 전기모터 혹은 발전기에 영구 자석들이 사용된다. 현재 사용되고 있는 많은 영구 자석들은, 높은 에너지 곱을 나타내는 네오듐과 같은 희토류 원소를 포함한다. 이들 희토류 원소들은 상대적으로 공급량이 적어서 가격 상승 및/또는 미래에 공급량 부족에 직면할 수 있다. 또한, 희토류 원소들을 포함하는 많은 영구자석들은 제조비용이 많이 소요된다. 예를 들어, NdFeB 및 페라이트 자석 제조 공정은 일반적으로 재료 분쇄, 재료 압축, 및 1000℃를 상회하는 온도에서 소결하는 공정을 포함하며, 이들 모든 공정은 영구 자석들의 제조비용을 높이는 데에 기여한다. 또한, 희토류 원소를 채굴하기 위해서는 환경을 상당히 손상시켜야만 한다.
본 개시내용은 α"-Fe16N2을 포함하는 다층 경자성 재료 및 α"-Fe16N2을 포함하는 다층 경자성 재료를 제조하는 기법을 기재한다.
예를 들어, α"-Fe16N2을 포함하는 다층 경자성 재료가 화학 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 또는 액상 에피택시(LPE: Liquid Phase Epitaxy)를 사용하여 제조될 수 있다. Fe16N2의 포화 자화가 높고, 자기 이방성 상수가 높으며 에너지 곱이 높기 때문에, α"-Fe16N2을 포함하는 다층 경자성 재료는 희토류 원소를 포함하는 영구 자석에 대한 대안을 제공할 수 있다. 다층 경자성 재료는 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 한 층과 연자성 재료를 포함하는 적어도 한 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, α"-Fe16N2을 포함하는 각 층들은 연자성 재료를 포함하는 각 층들과 교대로 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은, 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 철 소스를 가열하는 단계, 및 철과 질소를 포함하는 제1 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을 그리고 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를 기판 위쪽에 증착시키는 단계를 포함하는 방법을 기재한다. 또한, 이 방법은, 철, 질소, 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를, 그리고 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기로부터 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 기판 위쪽에 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 방법은 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제1 층과, α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제2 층을 어닐링 하는 단계로, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수인, 어닐링 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 철 소스를 가열하는 단계, 및 철과 질소를 포함하는 제1 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을 그리고 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를 기판 위쪽에 증착시키는 단계를 포함하는 방법을 기재한다. 또한, 이 방법은 철, 질소, 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를, 그리고 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기로부터 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 기판 위쪽에 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 방법은 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제1 층과, α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들과 α"-Fe16Z2(여기서, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함)을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제2 층을 어닐링 하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제1 코팅 용액은 상기 제1 코팅 용액으로부터 증착될 철-질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제1 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제1 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제1 코팅 용액을 철-질소 혼합물의 액상선 온도 미만의 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및 철과 질소를 포함하는 제1 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제1 코팅 용액 내에 유지시키는 단계;를 포함하는 방법을 기재한다. 이 방법은 또한 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제2 코팅 용액은 상기 제2 코팅 용액으로부터 증착될 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제3 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제2 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제2 코팅 용액을 혼합물의 액상선 온도 미만의 제4 온도로 냉각시키는 단계; 및 철, 질소 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제2 코팅 용액 내에 유지시키는 단계;를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 방법은 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 층을, 그리고 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제2 층을 어닐링하는 단계로, 여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수인, 어닐링 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제1 코팅 용액은 상기 제1 코팅 용액으로부터 증착될 철-질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제1 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제1 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제1 코팅 용액을 철-질소 혼합물의 액상선 온도 미만의 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및 철과 질소를 포함하는 제1 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제1 코팅 용액 내에 유지시키는 단계;를 포함하는 방법을 기재한다. 이 방법은 또한, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제2 코팅 용액은 상기 제2 코팅 용액으로부터 증착될 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제3 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제2 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제2 코팅 용액을 혼합물의 액상선 온도 미만의 제4 온도로 냉각시키는 단계; 및 철, 질소 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제2 코팅 용액 내에 일정 기간 동안 유지시키는 단계;를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 방법은 또한 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 층을, 그리고 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제2 층을 어닐링하는 단계로, 여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는, 어닐링 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 제1 층 세트로, 상기 제1 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트; 및 제2 층 세트로, 상기 제2 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 제2 층 세트를 포함하며, 여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들과 교대로 위치하는 것을 특징으로 하는 물품을 개시한다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 제1 층 세트로, 상기 제1 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트; 및 제2 층 세트로, 상기 제2 층 세트의 각 층이 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 제2 층 세트를 포함하며, 여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수이며, 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들과 교대로 위치하는 것을 특징으로 하는 물품을 개시한다.
이하의 상세한 설명과 첨부된 도면에 하나 이상의 실시예들을 상세하게 기재하였다. 아래의 상세한 설명과 도면, 그리고 청구항으로부터 본 발명의 다른 특징들, 목적들 그리고 이점들이 분명해질 것이다.
첨부된 도면들과 연계하여 아래의 상세한 설명을 읽으면 본 발명에 대해 더 잘 이해될 것이다. 명세서의 설명을 목적으로 도면에 실시예들이 기재되어 있지만, 이러한 기재가 기재되어 있는 특정 기법, 성분 및 장치들로 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 도면들은 축척에 맞추어 도시된 것이 아니다.
도 1은 기판과 α"-Fe16N2을 포함하는 층을 적어도 하나 포함하는 다층 경자성 재료를 포함하는 예시적인 물품을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다.
도 2는 α"-Fe16N2 단위 셀을 보여주는 개념도이다.
도 3은 철 또는 질화철(예컨대 Fe8N) 도메인 및 α"-Fe16N2 도메인을 구비하는 재료를 설명하는 개념도이다.
도 4는 α"-Fe16N2의 도메인들과 α"-Fe16Z2 도메인들(여기서, Z는 C, B 또는 O들 중 적어도 하나를 포함함)을 포함하는 연자성 재료를 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다.
도 5는 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 한 층을 포함하는 다층 경자성 재료를 형성하기 위한 예시적인 화학 증착 시스템을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다.
도 6은 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 한 층을 포함하는 다층 경자성 재료를 형성하기 위한 예시적인 화학 증착 시스템을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다.
도 7은 LPE를 사용하여 기판 위에 질화철을 포함하는 층을 적어도 하나 그리고 철, 질소 및 탄소를 포함하는 층을 적어도 하나 포함하는 다층 코팅을 형성하기 위한 예시적인 시스템을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다.
도 8은 예시적인 액체-고체 철-질소 상태도이다.
본 명세서의 일부분을 구성하는, 실시예들과 첨부된 도면들과 관련되어 기재되어 있는 아래의 발명의 상세한 설명을 참고하면 본 발명이 좀 더 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명이 본 명세서에 기재 및/또는 도시되어 있는 특정 장치, 방법, 응용, 상태 또는 파라미터로 한정되는 것으로 이해되어서는 안 되며, 본 명세서에 사용된 용어들은 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지 청구범위를 한정하기 위한 것이 아니다. 수치 범위가 명시되어 있는 경우, 다른 실시예는 하나의 특정 값에서부터 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 이와 유사하게, "약"과 같은 선행 수식어를 사용하여 수치가 대략적으로 표기되어 있는 경우, 특정 값이 다른 실시예를 구성하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 모든 범위들이 포함되며 조합될 수 있다. 또한, 범위로 기재되어 있는 값은 그 범위 내에 속하는 모든 값 및 각 값들을 포함한다. 여기서 사용되고 있는 바와 같이, "포함하는"이란 용어는 "구성되는" 및 "실질적으로 구성되는"이란 용어들을 사용하는 다른 실시형태들 모두를 지지하는 것이다.
명료함을 위해 별개의 실시예들의 맥락으로 본 명세서에 기재되어 있는 본 발명의 어느 특징들은 하나의 실시예로 조합되어 제공될 수도 있다. 이와 반대로, 간단함을 위해 단일의 실시예의 맥락으로 본 명세서에 기재되어 있는 본 발명의 다양한 특징들은 별도로 혹은 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다.
본 개시내용은 α"-Fe16N2을 포함하는 층을 하나 이상 포함하는 다층 경자성 재료 및 다층 경자성 재료를 형성하는 기법을 기재한다. Fe16N2의 포화 자화가 높고, 자기 이방성 상수가 크고 에너지 곱이 높기 때문에, α"-Fe16N2을 포함하는 층을 하나 이상 포함하는 다층 경자성 재료는 희토류 원소를 포함하는 영구 자석에 대한 대안을 제공할 수 있다.
α"-Fe16N2을 포함하는 층을 하나 이상 포함하는 다층 경자성 재료를 형성하는 기법은 화학 증착(CVD) 또는 액상 에피택시(LPE)를 포함할 수 있다. 이들 기법들 중 어느 하나가, α"-Fe16N2을 포함하는 층을 적어도 하나 그리고 연자성 재료를 포함하는 층을 적어도 하나 포함하는 박막을 기판 위에 증착하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판이 실리콘, GaAs, InGaAs 등과 같은 반도체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 다른 재료 예컨대 글라스; 고온 폴리머; SiC; MgO; SiO2(예컨대 Si 또는 다른 반도체 기판 위에 SiO2 층); Fe, Al 또는 구리 같은 금속, 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
α"-Fe16N2을 포함하는 층을 하나 이상 포함하는 다층 경자성 재료는 α"-Fe16N2을 포함하는 하나 이상의 층 외에도 하나 이상의 다른 층을 또한 포함한다. 예를 들면, 다층 구조는 α"-Fe16N2를 포함하는 몇몇 층들과 연자성 재료를 포함하는 몇몇 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 연자성 재료는 α"-Fe16(NxZ1-x)2을(여기서 x는 0 보다 크고 1 미만인 수) 또는 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함할 수 있는데, 여기서 Z는 보론(B), 카본(C) 또는 산소(O)들 중 적어도 하나이다. 연자성 재료의 다른 예는 순수한 Fe를 포함한다. α"-Fe16N2을 포함하는 하나 이상의 층들은 연자성 재료를 포함하는 하나 이상의 층들과 번갈아 가며 존재한다. 일부 실시예에서, 이들 층들 각각은 CVD 또는 LPE를 사용하여 증착될 수 있다. 다층 구조가 경자성 재료로 작용하듯이, 연자성 재료를 포함하는 층들이 α"-Fe16N2을 포함하는 층들에 교환 결합될(exchange coupled) 수 있다.
CVD 또는 LPE는 반도체 디바이스 내에 α"-Fe16N2을 포함하는 경자성 재료를 통합시킬 수 있고, 반도체 공정에 α"-Fe16N2을 형성하는 단계를 통합시킬 수 있다. 예를 들면, α"-Fe16N2을 포함하는 경자성 재료가 MRAM(Magnetic Random Access Memory), 마그네틱 로직 디바이스, 마그네틱 스토리지 디바이스, MEMS(Magnetic Microelectromechanical System), 마이크로 모터, 마이크로 액추에이터 등에 통합될 수 있다.
다른 실시예에서, α"-Fe16N2을 포함하는 경자성 재료와 연자성 재료를 포함하는 층들이 예컨대 복수의 층들을 압밀(consolidating)하여 벌크 자성 재료로 통합될 수 있다. 벌크 자성 재료는 경자성 재료(예컨대 영구 자석)일 수 있으며, 전기 모터, 제너레이터, 마그네틱 센서, 액추에이터, 자동차용 부품 또는 풍력 터빈용 부품 등과 같은 물품에 활용될 수 있다. 일부 실시예에서, α"-Fe16N2을 포함하는 경자성 재료와 연자성 재료를 포함하는 층들이 펠릿, 로드, 박막, 나노입자, 분말 또는 나노스케일 분말일 수 있는 워크피스에 통합될 수 있다.
도 1은 기판(12)과 α"-Fe16N2을 포함하는 층을 적어도 하나 포함하는 다층 경자성 재료(14)를 포함하는 예시적인 물품(10)을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 다층 경자성 재료(14)는 제1 층 세트(16)와 제2 층 세트(18)를 포함한다. 제1 층 세트(16)의 하나 또는 그 이상의 각 층들은 제2 층 세트(18)의 하나 또는 그 이상의 각 층과 교대로 배열되거나 또는 이들 사이에 끼워진다. 예시적인 물품(10)은 MRAM, 마그네틱 로직 디바이스, 마그네틱 스토리지 디바이스, MEMS, 마이크로 모터, 마이크로 액추에이터 등, 마이크로 센서 등을 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층들은 α"-Fe16N2을 포함하고, 제2 층 세트(18)의 층들은 연자성 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층들이 연자성 재료를 포함하고, 제2 층 세트(18)의 층들은 α"-Fe16N2을 포함한다. 즉, α"-Fe16N2을 포함하는 층이 기판(12)에 가장 가까이 있거나 혹은 연자성 재료를 포함하는 층이 기판(12)에 가장 가까이 있을 수 있다. 설명만을 위한 목적으로, 아래의 명세서에서 제1 층 세트(16)가 α"-Fe16N2을 포함하는 것으로 묘사하였고, 제2 층 세트(18)가 연자성 재료를 포함하는 것으로 묘사하였다.
기판(12)은 그 위에 다층 경자성 재료(14)가 형성될 수 있는 임의의 소재를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(12)은 실리콘, GaAs 등과 같은 반도체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 글라스; 고온 폴리머; SiC; MgO; SiO2(예컨대 Si 또는 다른 반도체 기판 위에 SiO2 층); Fe, Al 또는 Cu 같은 금속; 기타 다른 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(12)이 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2(여기서, Z는 C, B 또는 O들 중 적어도 하나를 포함함) 및/또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2(여기서 x는 0보다 크고 1보다 작은 수임)의 격자 구조, 격자 상수 또는 격자 구조와 격자 상수 모두가 다른 결정형 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(12)은, 이에 추가하여 또는 이와는 다르게, α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 및/또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2와 열팽창 계수(CTE)가 다를 수 있다. 기판(12)의 격자 구조, 격자 상수 또는 열팽창 계수들 중 적어도 하나가 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 및/또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2와 다른 실시예에서, 어닐링 기법을 수행하는 중에 기판(12)이 다층 경자성 재료(14) 상에 변형(strain)을 가할 수 있으며, 이는 다층 경자성 재료(14)의 각 층들(16, 18) 내에서 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 및/또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2의 형성을 용이하게 할 수 있다.
α"-Fe16N2을 포함하는 층들(16)은 경자성 재료를 포함할 수 있다. α"-Fe16N2는 체심 정방(bct) 결정 구조일 수 있다. α"-Fe16N2에서, 질소 원자들이 철 격자 내에 질서있게 배치되어 있을 수 있다. 도 2는 α"-Fe16N2 단위 셀을 나타내는 개념도이다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, α"-Fe16N2 상 내에, 질소 원자들이 (002)(철) 결정면들을 따라 정렬되어 있다. 또한, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 질화철 단위 셀은, <001> 축을 따른 단위 셀의 길이가 약 6.28Å인 반면, <010> 및 <100> 축을 따른 단위 셀의 길이는 약 5.72Å인 것처럼 뒤틀려(distorted) 있다. α"-Fe16N2 단위 셀이 변형된 상태에 있을 때, α"-Fe16N2 단위 셀이 bct 단위 셀로 호칭될 수 있다. α"-Fe16N2 단위 셀이 변형된 상태에 있을 때, <001> 축이 단위 셀의 c-축으로 호칭될 수 있다. c-축이 α"-Fe16N2 단위 셀의 자화 용이 축일 수 있다. 즉, α"-Fe16N2 결정들이 자기 이방성을 나타낸다.
α"-Fe16N2의 포화 자기가 크고, 자기 이방성 상수가 크다. 높은 자기 포화 및 자기 이방성 상수에 의해 희토류 자석보다 자기 에너지 곱이 더 클 수 있다. 예를 들면, 박막 α"-Fe16N2 영구 자석으로부터 수집된 실험 증거들은 벌크 α"-Fe16N2 영구 자석이 바람직한 자기적 물성, 즉 자기 에너지 곱이 약 134 MegaGauss*Oerstads(MGOe) 정도로 높음을 제시하고 있는데, 이는 (자기 에너지 곱이 약 60 MGOe인) NdFeB의 자기 에너지 곱의 약 2배이다. 또한, 철과 질소는 풍부한 원소이므로 상대적으로 저렴하고 구하기가 용이하다. α"-Fe16N2 자석의 높은 자기 에너지 곱은, 다른 분야들보다도 전기 모터, 전기 제너레이터, 변압기, 자기 레코팅 미디어, MRI 자석, 자기 센서, 자기 액추에이터, 자동차용 부품 및 풍력 터빈 부품들에 유용할 수 있다.
그러나, α"-Fe16N2은 제1 층 세트(16) 내의 각각의 층 중 일부만이 α"-Fe16N2을 포함하는 것과 같이, 생산이 어려울 수 있다. 도 3은 철 또는 질화철(예컨대 Fe8N) 도메인들(22)과 α"-Fe16N2 도메인들(24)을 구비하는 재료를 도시하는 개념도이다. 일부 실시예에서, 제1 층 세트(16) 내 각 층의 α"-Fe16N2 도메인들(24)이 각 층 내에서 철 또는 질화철(예컨대 Fe8N) 도메인들(22)과 교환-스프링 결합될 수 있다. 이렇게 됨으로써, 층의 일부만이 α"-Fe16N2 도메인들(24)을 포함하더라도, 실질적으로 전 층이 α"-Fe16N2 도메인들(24)의 물성을 나타낼 수 있게 된다.
일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 각 층들이 나노미터 스케일로 조직될 수 있고(예를 들어 철 또는 질화철(예컨대 Fe8N) 도메인들(22) 및 α"-Fe16N2 도메인들(24)의 크기가 나노미터 오더임), 자기적으로 경질인 α"-Fe16N2 도메인들(24)과 자기적으로 연질인 철 또는 질화철 도메인들(22) 간의 자기적 커플링(magnetic coupling)이 실질적으로 제1 층 세트(16)의 각 층들 각각에 걸쳐 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 도메인들의 크기는 약 5nm 내지 약 100nm 사이일 수 있다. 도메인의 크기가 클수록, 제1 층 세트(16)의 보자력이 감소할 수 있다. 자기적으로 연질인 재료가 Fe 또는 Fe8N을 포함할 때와 같은 일부 실시예에서, α"-Fe16N2 도메인들(24) 및 자기적으로 경질인 α"-Fe16N2 도메인들(24)과 자기적으로 연질인 철 또는 질화철 도메인들(22) 도메인들(22)의 결정학적 텍스쳐가 코히어런트(coherent)될 수 있다. 즉, 도메인들(22 및 24) 사이에 격자 매치(lattice match)가 될 수 있다. 이는, 자기적으로 경질인 α"-Fe16N2 도메인들(24)과 자기적으로 연질인 자기적으로 경질인 α"-Fe16N2 도메인들(24)과 자기적으로 연질인 철 또는 질화철 도메인들(22) 도메인들(22) 사이에서 특히 상 경계를 가로지르며 교환-스프링 커플링이 효율적으로 이루어지게 할 수 있다.
교환-스프링 커플링(exchange-spring coupling)은 자기적으로 연질인 재료를 효율적으로 경화(harden)시키고, 층 전체가 α"-Fe16N2로 형성된 것과 유사한 자기적 물성을 벌크 재료에 부여한다. 자기 재료의 전 체적에 걸쳐 교환-스프링 커플링 이루어지게 하기 위해, α"-Fe16N2 도메인들(24)이 예컨대 나노미터 또는 마이크로미터 스케일로 제1 층 세트(16)의 각 층들에 걸쳐 분산될 수 있다. 예를 들면, 자기적으로 경질인 Fe16N2 도메인들(24)이 제1 층 세트(16)의 총 체적의 약 5 부피% 내지 약 40 부피% 사이를 구성하거나, 또는 층의 총 체적의 약 5 부피% 내지 약 20 부피% 사이, 또는 층의 총 체적의 약 10 부피% 내지 약 20 부피% 사이, 또는 층의 총 체적의 약 10 부피% 내지 약 15 부피% 사이 또는 층의 총 체적의 약 10 부피%를 구성할 수 있으며, 체적의 잔부는 자기적으로 연질인 재료이다. 자기적으로 연질인 재료는 예컨대 Fe, FeCo, Fe8N 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)은 강자성 또는 비자성 도펀트 및/또는 상 안정화제(phase stabilizer) 같은 적어도 하나의 도펀트를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 강자성 또는 비자성 도펀트는 강자성 또는 비자성 불순물로 호칭될 수 있고 및/또는 상 안정화제는 상 안정화 불순물로 호칭될 수 있다. 제1 층 세트(16)로부터 형성된 경자성 재료의 자기 모멘트, 보자력(magnetic coercivity) 또는 열 안정성들 중 적어도 하나를 증가시키는 데에 강자성 또는 비자성 도펀트가 사용될 수 있다. 강자성 또는 비자성 도펀트들의 예들은, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Sm, C, Pb, W, Ga, Y, Mg, Hf 및 Ta를 포함한다. 예를 들면, 적어도 하나의 Fe16N2 상 도메인을 포함하는 질화철 재료 내에 Mn 도펀트 원자들을 약 5 원자% 내지 약 15 원자% 사이의 레벨로 포함하면, Mn 도펀트 원자들을 포함하지 않는 질화철 재료에 비해 재료의 보자력과 Fe16N2 상 도메인의 열적 안정성이 개선될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상(예컨대 적어도 두 개)의 강자성 또는 비자성 도펀트들이 철과 질소를 포함하는 혼합물 내에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 강자성 또는 비자성 도펀트가 도메인 벽 피닝 사이트로 기능하여, 제1 층 세트(16)로부터 형성되는 자성 재료의 보자력을 개선시킬 수 있다. 표 1은 제1 층 세트(16) 내의 강자성 또는 비자성 도펀트의 농도에 대한 예를 포함한다.
Figure pct00001
이와는 다르게 또는 이에 추가하여, 제1 층 세트(16)가 적어도 하나의 상 안정화제를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상 안정화제는 Fe16N2 체적비(volume ratio), 열 안정성, 보자력 및 내식성들 중 적어도 하나를 개선시키기 위해 선택된 원소일 수 있다. 제1 층 세트(16) 내에 상 안정화제가 존재할 때, 적어도 하나의 상 안정화제가 철과 질소를 포함하는 혼합물 내에 약 0.1 원자% 내지 약 15 원자% 사이의 농도로 존재할 수 있다. 혼합물 내에 적어도 2개의 상 안정화제가 존재하는 일부 실시예에서, 이들 적어도 2개의 상 안정화제의 총 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 15 원자% 사이일 수 있다. 적어도 하나의 상 안정화제는 예를 들어 B, Al, C, Si, P, O, Co, Cr, Mn 및/또는 S를 포함할 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 Fe16N2 상 도메인을 포함하는 질화철 재료 내에 Mn 도펀트를 약 5 원자% 내지 약 15 원자% 사이의 레벨로 포함하면, Mn 도펀트 원자들을 포함하지 않는 질화철 재료에 비해 질화철 재료의 보자력과 Fe16N2 상 도메인의 열적 안정성이 개선될 수 있다.
제2 층 세트(18)의 층들이 자기적으로 연질인 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기적으로 연질인 재료는 Fe, FeCo, Fe8N 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 자기적으로 연질인 재료는 α"-Fe16(NxZ1-x)2 또는 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2(여기서, Z는 C, B 또는 O들 중 적어도 하나를 포함함)의 혼합물을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, α"-Fe16N2는 c-축을 따라 놓이는 자화 용이 축을 구비하는 경자성 재료이다. 계산에 의하면, α"-Fe16N2의 자기 결정 이방성이 약 1.6 × 107 erg/㎤일 수 있다. α"-Fe16N2는 Fe 원자 당 약 2.3 보어 마그네톤(μB/Fe)의 비교적 큰 이론 자기 포화 모멘트를 구비한다는 것을 알 수 있다.
이와 유사하게, α"-Fe16Z2는, Z 원자들이 철 결정 격자 내에 규칙적으로(ordered) 배치될 때 경자성 재료일 수 있다. α"-Fe16N2와 유사하게, 규칙적인 α"-Fe16Z2 내의 Z 원자들(C, B 또는 O)이 철 결정 내에서 공극 사이트(interstitial site) 위치할 수 있다. 예를 들면, 규칙적인 α"-Fe16Z2 내의 Z 원자들(C, B 또는 O)이 도 2에 도시되어 있는 N 원자들과 동일한 사이트에 위치할 수 있다. 그러나, 규칙적인 α"-Fe16Z2에서의 격자 상수는 α"-Fe16N2에서의 격자 상수와 다를 수 있다.
또한, Z가 탄소(C)인 때와 같은 규칙적인 α"-Fe16Z2는 자화 용이 축이 a-b 평면(예컨대 c-축과 직교하는 [100]면)에 놓이는 자기결정 이방성을 나타낼 수 있다. 이에 따라 α"-Fe16C2에서의 자기결정 이방성 방향이 α"-Fe16N2에서의 자기결정 이방성 방향과 거의 직교할 수 있다. 계산에 의하면, 규칙적인 α"-Fe16C2에서의 자기결정 이방성이 약 -1.4× 107 erg/㎤이고, α"-Fe16C2의 이론적 자기 포화 모멘트가 약 2.1 μB/Fe로 상대적으로 높다.
이에 따라 α"-Fe16C2와 α"-Fe16N2 결정 각각의 c-축이 거의 동일한 방향으로 배향되는 상태로, 규칙적인 α"-Fe16C2의 소정의 양이 α"-Fe16N2와 혼합될 때, 자기결정 이방성이 거의 상쇄되어 재료의 자기결정 이방성 값이 거의 제로가 되는 반면, 이론 자기 포화 모멘트는 약 2.2 μB/Fe(α"-Fe16N2와 α"-Fe16C2의 이론 자기 포화 모멘트의 평균)가 된다. 예를 들면, α"-Fe16C2에 대한 α"-Fe16N2의 부피비가 약 4.667:5.333인 자성 재료의 보자력은 약 0이고, 이론 자기 포화 모멘트는 약 2.2 μB/Fe이다. 이러한 방식으로, α"-Fe16N2 도메인과 α"-Fe16C2 도메인의 소정의 체적의 혼합은 자기결정 이방성 값이 거의 제로이고 자기 포화 모멘트는 상대적으로 높은 연자성 재료를 제공할 수 있다. 원자 반경이 거의 유사한 C, B 및 O를 기반으로, C를 B, O 또는 B 및 O로 대체해도, 유사한 결과가 나올 것으로 예상될 수 있다.
일부 실시예에서, 얻어지는 재료가 도 4에 도시되어 있는 재료와 유사할 수 있다. 도 4는 α"-Fe16N2 도메인들(32)과 α"-Fe16Z2(여기서, Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함함) 도메인들(34)을 포함하는 연자성 재료를 나타내는 개념도이다. 일부 실시예에서, 이산된 α"-Fe16Z2 도메인들(34)을 따라 이산된 α"-Fe16N2 도메인들(32)이 존재할 수 있다. 도 4에서 α"-Fe16N2 도메인들(32)의 자화 용이 축이 거의 수직 방향으로 배향되어 있는 것으로 도시되어 있는 반면, α"-Fe16Z2 도메인들(34)의 자화 용이 축은 거의 수평 방향으로 배향되어 있는 것으로 도시되어 있다. α"-Fe16N2 도메인들(32)과 α"-Fe16Z2 도메인들(34)이 소정의 체적비(예컨대 약 4.667:5.333)비로 존재할 때, 자기결정 이방성의 크기가 거의 유사하고 방향이 반대가 되어 서로 소멸됨으로써, 자기 포화가 높고 자기 결정 이방성이 낮은 재료로 될 수 있다.
다른 실시예에서, α"-Fe16N2 도메인들(32)의 모든 도메인의 자화 용이 축이 거의 동일한 방향으로 놓여 있기보다는, α"-Fe16N2 도메인들(32)의 각각의 도메인의 자화 용이 축이 거의 랜덤하게 분포될 수 있다. 이와 유사하게, α"-Fe16Z2 도메인들(34)의 각각의 도메인의 자화 용이 축이 거의 랜덤하게 분포될 수 있다. 이렇게 함으로써, 재료의 포화 자기가 높을 수 있고, 자기결정 이방성이 낮을 수 있다.
일부 실시예에서, 재료가 이산된 α"-Fe16N2 도메인들과 α"-Fe16Z2 도메인들을 포함하는 대신, 재료가 α"-Fe16(NxZ1-x)2 결정들 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 여기서, x는 0보다 크고 1보다 작은 수이다. 이들 실시예에서는 이산된 도메인들을 형성하기보다는, 철, 질소 및 Z 원자들이, 일부 격자간 지점(interstitial location)은 질소 원자들로 채워지고, 일부 격자간 지점은 Z 원자들로 채워진 결정 구조를 형성한다. 예를 들면, 도 2는 예시적인 α"-Fe16N2 단위 셀을 설명하는 개념도이다. 도 2의 단위 셀은 5개의 N 원자들을 도시하고 있다(1개의 N 원자가 단위 셀 내에 완전하게 존재하고, 4개의 N 원자는 단위 셀 내에 부분적으로 존재한다). α"-Fe16(NxZ1-x)2에서, N 원자들 중 적어도 일부가 Z(C, B 또는 O 중 적어도 하나) 원자들로 대체될 수 있다. α"-Fe16(NxZ1-x)2이 각 단위 셀 내에 일부 N 원자들과 일부 Z 원자들을 포함하지 않을 수 있지만(예컨대 일부 단위 셀이 N 원자만을 포함할 수 있고, 일부 단위 셀은 Z 원자만을 포함할 수 있음), 연자성 재료의 전 체적에 대해 평균적으로는, Z 원자에 대한 N 원자의 비율이 화학식 Fe16(NxZ1-x)2로 표현될 수 있다.
연자성 재료를 포함하는 제2 층 세트(18)의 층들이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트(16)의 층들과 교대로 배치될 수 있다. 제1 층 세트(16)의 층들과 제2 층 세트(18)의 층들의 두께는, 제2 층 세트(18)의 층들이 제1 층 세트(16)의 층들과 자기적으로 교환-스프링 커플링되도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 층들(16)과 층들(18) 각각의 두께(기판(12) 표면과 직교하는 방향)가 약 50nm 미만이 되도록 규정할 수 있다. 인접하는 제2 층 세트(18)의 층들에 대한 제1 층 세트(16)의 층들의 교환-스프링 커플링은, 다층 경자성 재료(14)의 거의 전 체적이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트(16)의 물성과 유사한 물성을 나타나게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 화학 증착(CVD) 또는 액상 에피택시(LPE)를 사용하여 다층 경자성 재료(14)가 형성될 수 있다. 도 5는 다층 코팅(48)을 형성하기 위한 예시적 CVD 시스템(40)을 설명하는 개념적인 개략도이다. 그런 다음, 다층 코팅(48)을 어닐링하여 도 1과 관련하여 설명한 다층 경자성 재료(14)를 형성할 수 있다.
시스템(40)은, 서셉터(44)를 둘러쌀 수 있는 CVD 챔버(42)를 포함한다. 기판(46)은 서셉터(44)에 의해 유지되어 있고, 기판(46)의 적어도 일부분 위에서 다층 코팅(48)이 형성된다. CVD 챔버(42)는 예컨대 석여 또는 다른 내화재를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CVD 챔버(42)는 무선 주파(RF) 자기 에너지에 대해 거의 투과성인 재료로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, CVD 챔버(42)는 적어도 부분적으로 RF 유도 코일들(50)에 의해 둘러싸여 있다. RF 유도 코일들(50)은 (도 5에는 도시되어 있지 않은) RF 소스에 전기적으로 연결될 수 있으며, 이는 RF로 교류가 RF 유도 코일들(50)을 통해 흐르게 한다. 일부 실시예에서, RF 유도 코일들(50)에 의해 발생된 RF 자기장이 서셉터(44)에 의해 흡수될 수 있으며, 서셉터(44)는 RF 에너지를 열로 변환한다. 이것이 기판(46)을 가열한다. 이에 따라, 일부 실시예에서, 서셉터(44)가 그라파이트 혹은 RF 유도 코일들(50)에 의해 발생된 주파수의 RF 에너지를 흡수하는 다른 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 서셉터(44)가 기판(46)을 유입구(52)에 대해 기울어지게 형성되거나 위치될 수 있다. 기판(46)을 유입구(52)에 대해 기울어지게 위치시킴으로써, 코팅 가스가 거의 수평인 기판(46)을 따라 흐를 때 코팅 가스로부터의 반응물질의 고갈로 인한 기판(46)의 상류 부분보다 기판의 하류 부분에 코팅이 얇게 되는 현상인 하류 고갈(downstream depletion)을 줄이거나 거의 나타나지 않게 할 수 있다.
일부 실시예에서, RF 유도 코일들(50)에 의해 가열되는 서셉터(44)를 포함하기 보다는, CVD 챔버(42) 전 볼륨이 가열되는 것과 같이 CVD 챔버(42)가 가열될 수 있다. 예를 들면, CVD 챔버(42)가 노 내에 배치되거나 혹은 CVD 챔버(42)가 RF 에너지를 흡수하여 CVD 챔버(42) 볼륨을 가열하는 재료로 형성될 수 있다.
기판(46)은 그 위에 다층 코팅(48)이 형성될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있으며, 도 1과 관련하여 개시된 기판(12)이 그 일 예이다. 예를 들면, 기판(46)이 실리콘, GaAs, InGaAs 등과 같은 반도체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 다른 재료 예컨대 글라스, 고온 폴리머, SiC, MgO, SiO2(예컨대 Si 또는 다른 반도체 기판 위에 SiO2 층), Fe, Al 또는 구리 같은 금속, 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(46)이 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2(여기서, Z는 C, B 또는 O들 중 적어도 하나를 포함함)의 격자 구조, 격자 상수 또는 격자 구조와 격자 상수 모두가 다른 결정형 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(46)은, 이에 추가하여 또는 이와는 다르게, α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2와 열팽창 계수(CTE)가 다를 수 있다. 기판(46)의 격자 구조, 격자 상수 또는 열팽창 계수들 중 적어도 하나가 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2와 다른 실시예에서, 어닐링 기법을 수행하는 중에 기판(46)이 코팅(48) 상에 변형(strain)을 가할 수 있으며, 이는 코팅(48) 내에서 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2들 중 적어도 하나의 형성을 용이하게 할 수 있다.
CVD 챔버(42)는 유입구(52) 및 배출구(54)를 포함할 수 있다. 유입구(52)는 하나 또는 그 이상의 코팅 가스들 소스에 유동적으로(fluidically) 연결될 수 있다. 예를 들면, 시스템(40)에서, 유입구(52)는 캐리어 가스 소스(56), 코팅 구성성분의 제1 소스(60), 코팅 구성성분의 제2 소스(64) 및 코팅 구성성분의 제3 소스(68)에 유동적으로 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 캐리어 가스 소스(56)는 CVD 챔버(42) 내부로 코팅 가스를 운반하는 가스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 가스 소스(56)는 실질적으로 불활성 가스(예컨대 시스템(40)이 작동하는 중에 시스템(40) 내에 존재하는 다른 원소들 및 화합물들과 거의 반응하지 않는 가스)의 소스를 포함할 수 있다. 실질적인 불활성 가스는 예컨대 아르곤 같은 귀가스(noble gas)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐리어 가스 소스(56)는, 이에 추가하여 또는 이와는 다르게, 시스템(40) 내에 존재하는 다른 원소들 및 화합물들과 반응할 수 있는 가스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 캐리어 가스 소스(56)는 수소(H2) 가스 소스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 가스는 철 전구체와 반응하여 철을 자유롭게 한다. 일부 경우에서, 캐리어 가스 소스(56)는 실질적인 불활성 가스 및 시스템(40) 내에 존재하는 다른 원소들 및 화합물들과 반응할 수 있는 가스와 반응하는 가스의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 캐리어 가스 소스(56)는 수소 가스와 아르곤의 혼합물을 포함할 수 있다.
캐리어 가스 소스(56)는 도관 또는 배관, 및 적어도 하나의 밸브(58)를 거쳐 CVD 챔버(42)에 유동적으로 연결될 수 있다. 캐리어 가스 소스(56)로부터 CVD 챔버(42)로의 캐리어 가스의 흐름을 제어하는 데에 밸브(58)가 사용될 수 있다.
시스템(40)은 제1 소스(60)도 포함한다. 제1 소스(60)는 질소-함유 화합물을 포함하는 증기의 소스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 소스(60)는 기체 암모니아(NH3) 같은 질소 전구체의 기체 소스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 소스(60)는 질산암모늄(NH4NO3; 고체), 아미드(액체 또는 고체) 또는 하이드라진(액체) 같은 질소 전구체의 액체 또는 고체 소스를 포함할 수 있다.
아미드는 C-N-H 결합을 포함하고, 하이드라진은 N-N 결합을 포함한다. 질산암모늄, 아미드 및 하이드라진은 질화철을 포함하는 재료를 형성하기 위한 질소 도너로 기능할 수 있다. 임의의 아미드가 사용될 수 있지만, 예시적인 아미드는 우레아라고도 호칭되는 카르바미드((NH2)2CO), 메탄아미드(구조식 1), 벤자미드(구조식 2) 및 아세트아미드(구조식 3)를 포함한다.
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일부 실시예에서, 카르복실산의 히드록실기를 아민기로 대체함으로써, 카르복실산으로부터 아미드가 유래될 수 있다. 이러한 종류의 아미드는 산아미드(acid amide)로 호칭될 수 있다.
제1 소스(60) 내의 질소-함유 화합물이 고체 또는 액체인 실시예에서, 제1 소스(60)는 질소-함유 화합물을 증발시켜 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하는 열원을 포함할 수 있다.
제1 소스(60)는 도관 또는 배관 및 적어도 하나의 밸브(62)를 거쳐 CVD 챔버(42)에 유동적으로 연결될 수 있다. 밸브(62)는 제1 소스(60)로부터 CVD 챔버(42)로의 질소-함유 증기의 유동을 제어하는 데에 사용된다.
시스템(40)은 제2 소스(64)도 포함한다. 제2 소스(64)는 Z 원자-함유 화합물(여기서, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함함)을 포함하는 증기 소스를 포함할 수 있다. 단지 설명을 할 목적으로, 도 5 및 도 6은 제2 소스(64)가 탄소-함유 화합물인 것만을 도시하고 있다. 그러나, 보론-함유 화합물, 산소-함유 화합물 또는 이들 모두의 소스에 위와 유사한 원리가 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 제2 소스(64)는 일산화탄소(CO) 기체, 이산화탄소(CO2) 기체 또는 메탄(CH4) 가스와 같은 탄소-함유 화합물의 기체 소스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 소스(64)는 순수 탄소(예컨대 흑연) 또는 우레아 같은 탄소-함유 화합물의 액체 또는 고체 소스를 포함할 수 있다. 제2 소스(64) 내의 탄소-함유 화합물이 고체 또는 액체인 실시예에서, 제2 소스(64)는 탄소-함유 화합물을 증발시켜 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하는 열원을 포함할 수 있다.
제2 소스(64)는 도관 또는 배관 및 적어도 하나의 밸브(66)를 거쳐 CVD 챔버(42)에 유동적으로 연결될 수 있다. 밸브(66)는 제2 소스(64)로부터 CVD 챔버(42)로의 탄소-함유 증기의 유동을 제어하는 데에 사용된다.
탄소 소스 및 질소 소스 모두에 있어서 우레아가 사용될 때와 같은 일부 실시예에서, 시스템(40)은 질소-함유 화합물 및 탄소-함유 화합물을 위한 제1 소스(60) 및 제2 소스(64)를 별개로 포함하지 않을 수 있으며, 그 대신 질소-함유 화합물 및 탄소-함유 화합물 모두를 위한 하나의 소스를 포함할 수 있다.
시스템(40)은 제3 소스(68)도 포함한다. 제3 소스(68)는 철 또는 철 전구체(또는 도너) 소스를 포함할 수 있다. 도 5에 도시되어 있는 실시예에서, 제3 소스(68)는 FeCl3 또는 Fe(CO)5 같은 액체 철 도너(70)를 함유한다. 제3 소스(68)는 가스 소스(72)로부터 제3 소스(68) 내로의 가스의 유동을 제어하는 밸브(74)를 거쳐 가스 소스(72)에 유동적으로 연결되어 있다. 일부 실시예에서, 가스 소스(72)는 수소(H2) 소스이거나 다른 환원 가스의 소스일 수 있다.
가스 소스(72)에서 나온 가스가 제3 소스(68)로 유입되어 액체 철 도너(70)의 적어도 일부를 증발시킨다. 그런 다음, 가스 소스(72)에서 나온 가스는 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 유입구(52)를 통해 CVD 챔버(42) 내로 운반한다.
CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들의 총 유량과, CVD 챔버(52) 내로 유입되는 가스들과 증기들 내에서 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기의 상대 비율을 조절하는 데에 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 사용될 수 있다. 예를 들면, 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 제1 층 세트(16) 및 제2 층 세트(18)의 층들이 교대로 증착되도록 제어하여 도 1에 도시되어 있는 다층 경자성 재료(14)를 제조할 수 있다. α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트(16)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(42) 내로 유입되도록 하는 한편, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기는 CVD 챔버(42) 내로 유입되지 않도록, 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(42) 내로 유입되어 CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스와 증기에서 질소에 대한 철의 원자 비율이 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소)이 되도록, 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 조절될 수 있다. 예를 들면, CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서 철과 질소 원자의 원자비는 약 9:1(철:질소), 약 8:1(철:질소) 또는 약 6.65:1(철:질소)일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스의 유량은 약 5 sccm(standard ㎤/분) 내지 약 5,000 sccm 사이일 수 있고, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 10 sccm 내지 약 1,000 sccm 사이일 수 있으며, 철-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 100 sccm 내지 약 5,000 sccm 사이일 수 있다. 이러한 유량에 의해, 제1 층 세트(16)의 층의 성장 속도가 약 100 ㎛/시간 내지 약 1,000 ㎛/시간 사이일 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(46)이 서셉터(44)와 RF 유도 코일들(50)에 의해 철-함유 화합물의 분해 온도보다 높은 온도, 질소-함유 화합물의 분해 온도보다 높은 온도, 또는 철-함유 화합물과 질소-함유 화합물의 모두의 분해 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 예를 들면, 기판(46)이 서셉터(44)와 RF 유도 코일들(50)에 의해 약 200℃ 내지 약 1,000℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다.
실질적으로 서셉터(44)와 기판(46)만이 가열되는 일부 실시예에서, 철-함유 화합물과 질소-함유 화합물이 분해되어 철과 질소를 방출하거나, 혹은 이들이 서로 반응하여 질화철 화합물을 형성할 수 있다. 기판(46)이 가열되기 때문에, 이 반응 또는 이들 반응은 기판(46) 표면에서 일어나서 철과 질소를 포함하는 제1 층 세트(16)의 층이 형성될 수 있게 된다.
실질적으로 CVD 챔버(42) 전체 볼륨이 가열되는(예컨대 노에 의해서) 실시예에서, 철-함유 화합물과 질소-함유 화합물 간의 분해 반응 또는 반응들이 CVD 챔버(42) 볼륨 내에서 기판 위에서 일어날 수 있다. 자유로운 철 및 질소 원자들 또는 질화철 화합물이 기판(46)의 표면 위에서 제1 층 세트(16)의 층 내에 적층될 수 있다.
일부 실시예에서, 철-함유 화합물과 질소-함유 화합물 간의 반응은 다음 반응식을 포함할 수 있다.
16FeCl3 + 2NH3 + 21H2 → 2Fe8N + 48HCl
전술한 바와 같이, 제1 층 세트(16)의 층을 형성하는 동안에 CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서의 질소에 대한 철의 비율이 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소), 약 8:1(철:질소)일 수 있다. 제1 층 세트(16)의 층이 CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서의 질소에 대한 철의 비와 거의 동일할 수 있다. 이에 따라 제1 층 세트(16)의 층이 질소에 대한 철을 비율을 약 9:1(철:질소), 약 8:1(철:질소) 또는 약 6.65:1(철:질소) 같이 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소)로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 적층되어 있는 제1 층 세트(16)의 층이 철 및/또는 질소 외에 예컨대 FeN, Fe2N(예컨대 ξ-Fe2N), Fe3N(예컨대 ε-Fe3N), Fe4N(예컨대 γ'-Fe4N, γ-Fe4N 또는 이들 모두), Fe2N6, Fe8N, α"-Fe16N2, 또는 FeNx(여기서 x는 약 0.05 내지 약 0.5 사이) 같은 질화철 중 적어도 한 종류를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층이 적어도 92 원자%의 순도(purity)(예컨대 총체적인 철과 질소 성분)일 수 있다.
제1 층 세트(16)의 층은 임의로 선택된 두께를 구비할 수 있으며, 그 두께는 CVD 기법이 수행되는 시간을 포함하여 CVD 파라미터에 따라 적어도 부분적으로 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층의 선택된 두께는 제2 층 세트(18)의 층들이 제1 층 세트(16)의 층들과 교환-스프링 커플링될 수 있도록 하는 두께에 기초할 수 있다. 예를 들면, 제1 층 세트(16)의 층의 두께가 약 50nm 미만일 수 있다.
일부 실시예에서, 연자성 재료를 포함하는 제2 층 세트(18)의 층을 형성하기 위해, 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 캐리어 가스가 CVD 챔버(42) 내로 유입되도록 하는 반면, 질소-함유 화합물과 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기는 CVD 챔버(42) 내로 유입되지 않도록 조절될 수 있다. 이에 따라 실질적으로 순철을 포함하는 층이 형성될 수 있게 된다.
다른 실시예에서, 제2 층 세트(18)의 층을 형성하기 위해, 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(42) 내로 유입되어서, CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들 내에서 질소와 탄소 조합물에 대한 철의 원자 비율이 약 11.5:1(철:질소+탄소)와 약 5.65:1(철:질소+탄소)이 되도록 조절될 수 있다. 예를 들면, CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들 내에서 질소와 탄소 조합물에 대한 철의 원자 비율은 약 9:1(철:질소+탄소), 약 8:1(철:질소+탄소) 또는 약 6.65:1(철:질소+탄소)일 수 있다.
또한, CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들에서 탄소 대 질소의 원자비가 소정의 비율이 되도록 질소-함유 화합물을 포함하는 증기와 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 상대적 유량을 조절하도록 밸브들(62, 66)이 제어될 수 있다. 예를 들면, 탄소 대 질소의 원자비가 약 1:1 또는 약 4.667:5.333과 같이 약 0.1:1 내지 약 10:1 사이가 되도록 질소-함유 화합물을 포함하는 증기와 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 상대적 유량을 조절하도록 밸브들(62, 66)이 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 층 세트(18)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스의 유량이 약 5 sccm 내지 약 5,000 sccm 사이가 되고, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량이 약 10 sccm 내지 약 1,000 sccm 사이가 되며, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 0.1 sccm 내지 약 1,000 sccm 사이이며, 철-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 100 sccm 내지 약 5,000 sccm 사이가 될 수 있다. 이들과 같은 유량(flow rate)에 의해 제2 층 세트(18)의 층의 성장 속도가 약 100 ㎛/h 내지 약 1,000 ㎛/h 사이로 될 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(46)이 서셉터(44)와 RF 유도 코일들(50)에 의해, 철-함유 화합물의 분해 온도, 질소-함유 화합물의 분해 온도, 또는 탄소-함유 화합물의 분해 온도 중 적어도 하나를 상회하는 온도로 가열될 수 있다. 예를 들면, 기판(46)이 서셉터(44)와 RF 유도 코일들(50)에 의해 약 200℃ 내지 약 1,000℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다.
실질적으로 서셉터(44)와 기판(46)에 의해서만 가열되는 일부 실시예에서, 철-함유 화합물, 질소-함유 화합물 및 탄소-함유 화합물이 분해되어, 철, 질소 및 탄소를 배출할 수 있으며, 또는 이들이 서로 반응하여 철-질소-탄소 화합물을 형성할 수 있다. 기판(46)이 가열되기 때문에, 이 반응 또는 반응들이 기판(46) 표면에서 일어나서, 철, 질소 및 탄소를 포함하는 제2 층 세트(18)의 층이 형성될 수 있다.
(예컨대 노에 의해) 실질적으로 CVD 챔버(42) 전체 볼륨이 가열되는 실시예에서, 철-함유 화합물, 질소-함유 화합물 및 탄소-함유 화합물들 간의 분해 반응 또는 반응들이 CVD 챔버(42)의 볼륨 내부의 기판 위에서 일어날 수 있다. 자유롭게 된 철, 질소 및 탄소 원자들 또는 철-탄화물-질화물 화합물이 제2 층 세트(18)의 층 내에서 기판(46) 표면 위쪽에(above) 적층될 수 있다.
본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, 기판 "위쪽에(over)" 적층되거나 혹은 형성된다는 것은 하나의 층이 다른 하나의 층 위에 적층하는 것뿐만 아니라, 기판 표면 바로 위에 적층 또는 형성하는 것을 포함한다. 다른 층은 기판 표면 위에 직접 형성되거나, 기판 위 또는 위쪽에 있는 다른 층 위에 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5는 제1 층 세트(16)의 층이 기판(46) 위쪽에 형성되고, 제2 층 세트(18)의 층이 기판(46) 위쪽에 형성되는 것으로 도시되어 있다. 이는, 제1 층 세트(16)의 층이 기판(46) 바로 위에 형성되고, 제2 층 세트(18)의 층 위에 형성되거나 또는, 다른 층 위에 형성될 수 있다는 것을 의미한다. 이와 유사하게, 이는. 제2 층 세트(18)의 층이 기판(46) 바로 위에 형성되고, 제1 층 세트(16)의 층 위에 형성되거나 또는, 다른 층 위에 형성될 수 있다는 것을 의미한다. "위에(on)" 적층 또는 형성한다는 것은 하나의 층이 기저 층 바로 위에 형성되되, 이들 사이에는 아무런 층들이 없다는 것을 의미한다.
일부 실시예에서, 철-함유 화합물, 질소-함유 화합물 및 탄소-함유 화합물 간의 반응은 다음 식을 포함할 수 있다.
16FeCl3 + 2NH3 + 2CH4 + 17H2 → 2Fe8NC + 48HCl
전술한 바와 같이, 제2 층 세트(18)의 층을 형성하는 동안에, CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들 내에서 질소 플러스 탄소에 대한 철의 비율이 약 8:1(철:(질소+탄소))과 같이 약 11.5:1(철:(질소+탄소))과 5.65:1(철:(질소+탄소)) 사이일 수 있다. 제2 층 세트(18)의 층은 CVD 챔버(42) 내로 유입되는 가스들과 증기들 내의 질소에 대한 철의 비율과 거의 동일할 수 있다. 이에 따라, 제2 층 세트(18)의 층의 질소에 대한 철의 비율이 약 9:1(철:질소+탄소), 약 8:1(철:질소+탄소) 또는 약 6.65:1(철:질소+탄소)과 같이, 약 11.5:1(철:질소+탄소) 내지 약 5.65:1(철:질소+탄소)이 될 수 있다.
제2 층 세트(18)의 층은 임의로 선택된 두께를 구비할 수 있으며, 그 두께는 CVD 기법이 수행되는 시간을 포함하여 CVD 파라미터에 따라 적어도 부분적으로 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 층 세트(18)의 층의 선택된 두께는 제2 층 세트(18)의 층들이 제1 층 세트(16)의 층들과 교환-스프링 커플링될 수 있도록 하는 두께에 기초할 수 있다. 예를 들면, 제2 층 세트(18)의 층의 두께가 약 50nm 미만일 수 있다.
제1 층 세트(16)의 층과 제2 층 세트(18)의 층이 교대로 증착되어 도 1에 도시되어 있는 다층 경자성 재료(14)와 유사하거나 거의 동일한 구조를 형성하도록, 밸브들(58, 62, 66 및 74)이 제어될 수 있다. 제1 층 세트(16)의 층등과 제2 층 세트(18)의 층들의 수는 다층 코팅(48)으로부터 형성될 수 있는 다층 경자성 재료(14)의 바람직한 최종 구조에 기초하여 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(46)의 부분들 중에서 위에 코팅(48)이 형성될 부분만 노출시키고 기판(46)이 마스킹될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(46) 부분들에서 다층 코팅(48)이 피복된 부분들만을 남기고 다층 코팅(48) 부분들을 제거하기 위해 다층 코팅(48)을 증착한 후에 다층 코팅(48) 부분들이 에칭될 수 있다. 이러한 방식으로, 다층 코팅(48)이 기판(46)에서 선택된 부분에만 형성되도록 제어될 수 있으며, 추후에 다층 경자성 재료(14)로 변환되게 된다.
일단 다층 코팅(48)이 소정의 두께로 형성되면, 기판(46)과 코팅(48)이 CVD 챔버(12)에서 제거되어 어닐링 기법을 거치게 된다. 어닐링 기법은 다층 경자성 재료(14)가 되도록 한다.
α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2(여기서, Z는 C, B 또는 O들 중 적어도 하나를 포함함) 상 중 적어도 하나에 접근하기 위해, 기판(46)과 다층 코팅(48)의 열팽창 계수의 차이로 인해 다층 코팅(48)의 층들 중 적어도 한 층 내에 변형을 발생시키는 온도에서 어닐링 기법이 실시될 수 있다. 또한, 어닐링 기법은 α"-Fe16N2, α"-Fe16Z2 또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 형성하기 위해 다층 코팅(48)의 각 층들 내의 철 결정들 내로 N+ 이온들, Z+ 이온들 또는 N+ 및 Z+ 이온들 모두가 확산될 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 상대적으로 저온에서 어닐링하면 불규칙한 일부 Fe8N 상이 규칙적인 α"-Fe16N2 상으로 변태되게 한다. 이와 유사하게, 상대적으로 저온에서 어닐링하면 불규칙한 일부 Fe8Z 상이 규칙적인 α"-Fe16Z2 상으로 변태되고, 불규칙한 일부 Fe8(NxZ1 -x) 상이 규칙적인 α"-Fe16(NxZ1-x)2 상으로 변태된다.
일부 실시예에서, 어닐링 하는 동안에 일어나는 변형(strain)은 다층 코팅(48) 내의 적어도 일부 그레인 도메인들(예컨대 제1 층 세트(16)의 적어도 일부 층들 내의 적어도 일부의 α"-Fe16N2 도메인들)의 형상을 연신(elongate)시킬 수 있다. 그레인 연신은 제1 층 세트(16) 내의 층들의 자기적 이방성에 기여할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 제1 층 세트(16) 내 층들의 치수와 형상이 형태 이방성에 기여할 수 있으며, 이는 제1 층 세트(16) 내의 층들의 자기 이방성에 추가로 기여할 수 있다.
일부 실시예에서, 어닐링 기법이 약 120℃ 내지 약 300℃ 사이, 약 120℃ 내지 약 220℃ 사이, 또는 약 150℃ 내지 약 220℃ 사이의 온도와 같이 약 300℃ 미만의 온도에서 실시될 수 있다. 어닐링 기법은 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 분위기 또는 진공 또는 거의 진공에서 수행될 수 있다.
예를 들면 어닐링 온도에서 철 내의 질소 원자들과 철 내의 Z 원자들의 확산 계수와 샘플 크기에 기초하여 어닐링 단계의 온도 및 체류 시간이 선택될 수 있다. 이들 인자들에 기초하여, α"-Fe16N2 도메인들, α"-Fe16Z2 도메인들 및/또는 α"-Fe16(NxZ1-x)2 도메인들을 형성하기에 충분한 시간 동안 질소 원자들과 Z 원자들이 다층 코팅(48)의 각 층들 내의 지점들로 확산될 수 있도록 온도와 체류 시간이 선택될 수 있다.
또한, 어닐링 기법의 온도와 체류 시간은 다층 코팅(48)의 각 층들 내의 각 상 도메인들에 대해 소망하는 체적 분율에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 선택된 온도에서, 어닐링 기법이 길게 이루어질수록 α"-Fe16N2의 체적 분율이 커지게 된다. 이와 유사하게, 지정된 어닐링 기법 체류 시간 동안, 온도가 높을수록 α"-Fe16N2의 체적 분율이 커지게 된다. 그러나 문턱 값을 상회하는 체류 시간에서는 α"-Fe16N2의 추가적인 체적 분율 증가는 제한되거나 증가하지 않게 되는데, 이는 α"-Fe16N2의 체적 분율이 비교적 안정적인 값에 도달하기 때문이다. 예를 들면, 약 150℃ 온도에서 약 20시간이 경과한 후에, α"-Fe16N2의 체적 분율이 안정적인 값에 도달한다. 어닐링 단계에서의 체류 시간은 적어도 약 5시간일 수 있고, 적어도 약 20시간, 또는 약 5시간 내지 약 100시간, 또는 약 5시간 내지 약 80시간 또는 약 20시간 내지 약 80시간 또는 약 40시간일 수 있다.
Fe8N과 α"-Fe16N2은 체심 정방(bct) 결정 구조와 유사하다. 그러나, α"-Fe16N2에서, 질소 원자들은 철 격자 내에 규칙적인 상태(ordered)에 있는 반면, Fe8N에서 질소 원자들은 철 격자 내에서 랜덤하게 분포되어 있다.
어닐링 단계에서 기판(46)과 다층 코팅(48)의 팽창 계수가 다르기 때문에, 철 결정 격자에 가해지는 변형으로 인해 어닐링 기법은 적어도 일부의 정방 α"-Fe16N2 상 결정 구조의 형성이 용이하게 한다. 예를 들면, 철의 열팽창 계수는 11.8 ㎛/m*K인 반면, 실리콘의 열팽창 계수는 2.6 ㎛/m*K이다. 이러한 열팽창 계수의 차이에 의해, 다층 코팅(48) 내의 제1 층 세트(16)의 층들의 주 평면과 거의 평행한 방향으로 압축 응력이 발생하고, (110) 면을 구비하는 다층 코팅(48) 내의 제1 층 세트(16)의 층 상에 <001> 결정 방향을 따라 이에 대응하는 인장력이 발생한다. 일부 실시예에서, 다층 코팅(48) 내의 제1 층 세트(16)의 층 상의 변형률이 약 0.3% 내지 약 7% 사이일 수 있으며, 이는 단위 셀이 <001> 축을 따라 약 0.3% 내지 약 7% 연신되도록 질화철의 각 결정 위에 거의 유사한 변형율을 발생시킬 수 있게 된다. 이는 α"-Fe16N2 결정의 바람직한 위치에서 질소 원자들의 통합을 용이하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 다층 코팅(48) 내의 제1 층 세트(16)의 층 모두를 α"-Fe16N2 상으로 변태시키기 보다는, 어닐링 기법은 Fe, Fe8N 및/또는 다른 질화철 조성들의 도메인들 내에 α"-Fe16N2 상 도메인들을 형성시킬 수 있다. 예를 들면, 최종 구조가 도 3에 기재되어 있는 구조와 유사할 수 있다.
이와 유사하게, α"-Fe16C2 내의 탄소 원자들과 α"-Fe16(NxC1-x)2 내의 탄소 원자들이 (002)(철) 결정 평면들을 따라 정렬될 수 있다. 어닐링 기법은, 제2 층 세트(18)의 층들 내에서 적어도 부분적으로 α"-Fe16C2 상 결정 구조 또는 α"-Fe16(NxC1-x)2의 형성을 용이하게 할 수 있는데, 이는 어닐링을 수행하는 동안에 기판(46)과 다층 코팅(48)의 팽창 계수가 다름으로 인해 철 결정 격자에 가해지는 변형에 의한 것이다.
도 5는 액체 철-함유 재료를 사용하여 CVD 하기 위한 예시적 시스템(40)을 설명하고 있지만, 다른 실시예에서는, 고체 철-함유 재료를 사용하여 CVD가 실시될 수 있다. 도 6은 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 한 층을 포함하는 다층 경자성 재료를 형성하기 위한 예시적인 화학 증착 시스템을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다. 일부 실시예에서, 도 6의 시스템(80)은, 본 명세서에서 설명되어 있는 차이를 제외하면, 도 5를 참고하여 설명한 시스템(40)과 유사하거나 거의 동일하다.
시스템(80)은 CVD 챔버(82)를 포함한다. CVD 챔버(82)는 서셉터(84)를 둘러싸고 있다. 서셉터(84)는 도 5의 서셉터(44)와 유사하거나 거의 동일하다. 도 6에 도시되어 있는 실시예에서, 서셉터(84)는 유입구(86, 88, 90)에 대해 기판(46)을 경사지게 배향되어 있지 않고 또는 그러한 형상으로 되어 있지 않다. CVD 챔버(82)는 예컨대 석영 또는 다른 내화재를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CVD 챔버(82)는 무선 주파(RF) 자성 에너지가 거의 투과할 수 있는 재료로 형성될 수 있다.
CVD 챔버(82)는 거의 일부분이 RF 유도 코일들(50)로 둘러싸여 있다. RF 유도 코일들(50)은 도 5에 도시되어 있는 RF 유도 코일들과 유사하거나 거의 동일하다. CVD 챔버(82)는 기판(46)을 에워싸고 있으며, 기판(46) 위에 다층 코팅(48)이 형성된다. 기판(46)이 서셉터(84) 위에 배치되어 있다.
일부 실시예에서, 서셉터(84)가 RF 유도 코일들(50)에 의해 가열되기보다는, CVD 챔버(82)의 전 볼륨이 가열되도록 CVD 챔버(82)가 가열될 수 있다. 예를 들면, CVD 챔버(82)가 노 내에 배치될 수 있으며 또는 CVD 챔버(82)가 RF 에너지를 흡수하여 CVD 챔버(82)의 볼륨을 가열할 수 있는 재료로 형성될 수 있다.
CVD 챔버(82)는 유입구들(86, 88, 90)과 배출구(54)를 포함할 수 있다. 유입구들(86, 88, 90)은 코팅 다스들의 하나 또는 그 이상의 소스들과 유체적으로 연결되어 있다. 예를 들면, 시스템(80)에서, 유입구(86)는 고체 철-함유 재료(94)를 둘러싸고 있는 챔버(92)에 유체적으로 연결되어 있고, 유입구(88)는 밸브(62)를 거쳐 코팅 구성성분의 제1 소스(60)에 유체적으로 연결되어 있으며, 유입구(90)는 밸브(66)를 거쳐 코팅 구성성분의 제2 소스(64)에 유체적으로 연결되어 있다. 제1 소스(60), 밸브(62), 제2 소스(64) 및 밸브(66)는 도 5와 관련하여 설명한 것과 유사하거나 거의 동일할 수 있다. 예를 들면, 제1 소스(60)는 질소-함유 화합물을 포함하는 증기의 소스를 포함할 수 있고, 제2 소스(64)는 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 소스(보다 일반적으로는 탄소-함유 화합물, 보론-함유 화합물 또는 산소-함유 화합물들 중 적어도 하나를 포함하는 증기의 소스)를 포함할 수 있다.
챔버(92)는 고체 철-함유 재료(94)를 둘러싸고 있다. 일부 실시예에서, 철-함유 재료(94)는 철-함유 분말, 빌렛 또는 기판 위에 증착된 박막을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 철-함유 분말 내의 입자들은 나노미터 또는 마이크로미터 단위의 평균 특성 치수를 규정할 수 있다. 일부 실시예에서, 철-함유 박막의 두께는 약 500 nm 내지 약 1 mm 사이일 수 있다. 일부 실시예에서, 철-함유재료(94)는 실질적으로 순철(예컨대 철의 순도가 90 원자%를 상회)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 철-함유 재료(94) 산화철(예컨대 Fe2O3 또는 Fe3O4)을 포함할 수 있다.
챔버(92)는 제1 유입구(96)와 제2 유입구(98)를 포함할 수 있다. 제1 유입구(96)는 밸브(102)를 통해 제1 가스 소스(100)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제1 가스 소스(100)는 HCl 같은 산 또는 염화물 소스를 포함할 수 있다. 산 또는 염화물은 철-함유 재료(94)와 반응하여 철-함유 증기를 형성할 수 있다. 예를 들면, HCl이 철-함유 재료(94)와 반응하여 염화철(FeCl3)을 형성할 수 있으며, 이 염화철이 가열되어 증기를 형성할 수 있다.
제2 유입구(98)는 밸브(106)에 의해 캐리어 가스 소스(104)에 유체적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 가스 소스(104)는 실질적으로 불활성 가스(예컨대 시스템(80)이 작동하는 동안에 시스템(80) 내에 존재하는 다른 원소들 및 화합물들과 실질적으로 반응하지 않는 가스)의 소스를 포함할 수 있다. 실질적인 불활성 가스는 예컨대 아르곤 같은 노블 가스를 포함할 수 있다.
CVD 챔버(82) 내로 유입되는 가스들과 증기들의 총 유량과, CVD 챔버(82) 내로 유입되는 가스들과 증기들 내에서 캐리어 가스, 질소-함유 증기, 탄소-함유 증기 및 철-함유 증기의 상대 비율을 조절하는 데에 밸브들(62, 66, 102 및 106)이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 5와 관련하여 설명한 바와 같이, 도 1에 도시되어 있는 다층 경자성 재료(14)를 제조하기 위해 제1 층 세트(16)와 제2 층 세트(18)의 층들이 교대로 적층될 수 있도록, 밸브들(62, 66, 102 및 106)이 제어될 수 있다. α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트(16)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(82) 내로 유입되도록 하는 반면, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기는 CVD 챔버(82) 내로 유입되지 않도록, 밸브들(62, 66, 102 및 106)이 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층을 형성하기 위해, 밸브들(62, 66, 102 및 106)이 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(82) 내로 유입되어 CVD 챔버(82) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서 질소에 대한 철의 원자 비율이 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소)이 되도록 제어될 수 있다. 예를 들면, CVD 챔버(82) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서 철과 질소 원자의 원자비는 약 9:1(철:질소), 약 8:1(철:질소) 또는 약 6.65:1(철:질소)일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 층 세트(16)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스의 유량은 약 5 sccm 내지 약 5,000 sccm 사이일 수 있고, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 10 sccm 내지 약 1,000 sccm 사이일 수 있으며, 철-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 100 sccm 내지 약 5,000 sccm 사이일 수 있다. 이러한 유량들에 의해 제1 층 세트(16)의 층의 성장 속도가 약 100 ㎛/h 내지 약 1,000 ㎛/h로 될 수 있게 된다.
일부 실시예에서, 챔버(92) 내에서 HCl이 Fe와 다음 화학식에 따라 반응할 수 있다.
Fe + HCl → FeCl3 + H2
FeCl3와 H2는 제1 유입구(86)를 통해 CVD 챔버(82) 내로 유입될 수 있다. CVD 챔버(82) 내에서 증기들이 NH3 같은 질소-함유 증기와 혼합될 수 있다. 일부 실시예에서, 질소 함유 증기와 철 함유 증기가 다음 식에 따라 반응하여 질소에 대한 철의 비가 약 8:1인 제1 층 세트(16)의 층을 증착할 수 있다.
16FeCl3 + 2NH3 + 21H2 → 2Fe8N + 48HCl
일부 실시예에서, 연자성 재료를 포함하는 제2 층 세트(18)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(82) 내로 유입되도록 하는 반면, 질소-함유 화합물 및 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기는 CVD 챔버(82) 내로 유입되지 않도록, 밸브들(62, 66, 102 및 106)이 제어될 수 있다. 이렇게 함으로써, 실질적으로 순철을 포함하는 층이 증착될 수 있게 된다.
다른 실시예에서, 제2 층 세트(18)의 층을 형성하기 위해, 밸브들(62, 66, 102 및 106)이 캐리어 가스, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 철-함유 화합물을 포함하는 증기가 CVD 챔버(82) 내로 유입되어 CVD 챔버(82) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서 질소에 대한 철의 원자 비율이 약 11.5:1(철:질소+탄소) 내지 약 5.65:1(철:질소+탄소)이 되도록 제어될 수 있다. 예를 들면, CVD 챔버(82) 내로 유입되는 가스들과 증기들에서 질소와 탄소의 조합에 대한 철의 원자비는 약 9:1(철:질소+탄소), 약 8:1(철:질소+탄소) 또는 약 6.65:1(철:질소+탄소)일 수 있다.
또한, CVD 챔버(82) 내로 유입되는 탄소에 대한 질소의 소정의 원자비를 형성하기 위해 질소-함유 화합물을 포함하는 증기와 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 상대 유량을 제어하도록, 밸브들(62, 66)이 조절될 수 있다. 예를 들면, 탄소에 대한 질소의 원자비가 약 1:1 또는 약 4.667:5.333과 같이 0.1:1 및 약 10:1이 되도록, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기와 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 상대 유량을 제어하도록, 밸브들(62, 66)이 조절될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 층 세트(18)의 층을 형성하기 위해, 캐리어 가스의 유량은 약 5 ㎤/분 내지 약 5,000 ㎤/분 사이일 수 있고, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 10 ㎤/분 내지 약 1,000 ㎤/분 사이일 수 있고, 탄소-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 0.1 sccm 내지 약 1,000 sccm 사이일 수 있으며, 철-함유 화합물을 포함하는 증기의 유량은 약 100 sccm 내지 약 5,000 sccm 사이일 수 있다. 이러한 유량들에 의해 제2 층 세트(18)의 층의 성장 속도가 약 100 ㎛/h 내지 약 1,000 ㎛/h로 될 수 있게 된다.
일부 실시예에서, 챔버(92) 내에서 HCl이 Fe와 다음 화학식에 따라 반응할 수 있다.
Fe + HCl → FeCl3 + H2
FeCl3와 H2는 제1 유입구(86)를 통해 CVD 챔버(82) 내로 유입될 수 있다. CVD 챔버(82) 내에서 증기들이 NH3 같은 질소-함유 증기와 혼합될 수 있다. 일부 실시예에서, 질소 함유 증기와 철 함유 증기가 다음 식에 따라 반응하여 질소 플러스 탄소에 대한 철의 비가 약 8:1인 제2 층 세트(18)의 층을 증착할 수 있다.
16FeCl3 + 2NH3 + 2CH4 + 17H2 → 2Fe8NC + 48HCl
도 5와 관련하여 설명한 바와 같이, 일단 다층 코팅(48)이 사전에 정해진 두께로 형성되면, 제1 층 세트(16)의 층들 내에서 질화철 혼합물 중 적어도 일부를 α"-Fe16N2로 변태시키고, 제2 층 세트(18)의 층들 내의 철-탄화물-질화물 혼합물의 적어도 일부를 α"-Fe16(NxZ1-x)2 또는 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2(여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나의 포함함)의 혼합물로 변태시키기 위해, 다층 코팅(48)을 어닐링 할 수 있다. 어닐링 기법은 도 5와 관련하여 위에서 설명한 것과 유사하거나 거의 동일하다.
기판(46) 위에 다층 경자성 재료(14)를 형성하기 위해 CVD를 사용함으로써, 다층 경자성 재료(14)가 CVD 및 CVD를 활용하는 기존의 제조 기술을 사용하여 형성된 다른 제품들 내에 통합될 수 있다. 마스킹 공정을 포함하는 기존의 CVD 제조 공정을 사용하여, 다층 경자성 재료(14)가 기판(46)의 사전에 정해진 부분들 또는 영역들 위에 증착될 수 있다. 예를 들면, 다층 경자성 재료(14)가 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 집적 회로 기기 내에 통합될 수 있으며, 다층 경자성 재료(14)를 형성하기 위한 CVD 기법은 기존의 CMOOS 공정 기법에 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, CVD에 의해 형성된 다층 경자성 재료(14)는 전기 모터, 전기 발전기, 트랜스포머, 자기 레코딩 매체, MRI 자석, MRAM, 자기 로직 기기, 자성 MEMS 및 마이크로 액추에이터 등과 같은 경자성 재료를 활용하는 다른 기기들 내에 통합될 수 있다.
CVD는, 스퍼터링과 같은 일부 다른 기법들에 비해 우수한 코팅을 형성하면서도, 분자 빔 에피택시(MBE)와 같은 일부 다른 기법들에 비해 더 빠르게 다층 코팅(48)을 성장시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 액상 에피택시(LPE)를 사용하여 기판(예컨대 기판(46) 위에 코팅(예컨대 다층 코팅(48))이 형성될 수 있다. LPE에서, 코팅 재료를 포함하는 용액이 냉각되어 과포화 용액을 형성할 수 있다. 용액 내의 코팅 재료들이 용액 내에 침지되어 있는 혹은 가라앉아 있는 기판 위에 코팅을 적층한다. 일부 실시예에서, 과포화 정도는 LPE, 기법이 거의-평형 과정이 되는 것과 같이 매우 낮을 수 있다. 이렇게 함으로써, 결정 품질이 높은(예컨대 거의-완벽한 결정 구조) 코팅이 형성될 수 있다. 또한, 용액 내의 코팅 재료의 농도가 증기 상 기법에서의 코팅 재료의 농도보다 상당히 높기 때문에, 코팅의 성장 속도가 기상 기법을 사용하여 성장하는 코팅의 성장 속도보다 클 수 있다.
도 7은 LPE를 사용하여 기판(46) 위에 질화철을 포함하는 적어도 하나의 층과 철, 질소 및 탄소를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 다층 코팅을 형성하기 위한 예시적 시스템(110)을 설명하는 개념적이며 개략적인 도면이다. 시스템(110)은 안에 코팅 용액(116)이 담겨 있는 도가니(112)를 포함한다. 시스템(110)은 도가니(112)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 RF 유도 코일들(114)도 포함한다. RF 유도 코일들(114)은 (도 7에 도시되어 있지 않은) RF 소스에 전기적으로 연결되어서, RF에서 교류가 RF 유도 코일들(114)을 통해 흐를 수 있게 한다. 일부 실시예에서, RF 유도 코일들(114)에 의해 발생된 RF 자기장이 코팅 용액(116) 또는 도가니(112)에 의해 흡수되어, 코팅 용액(116)이 가열된다.
코팅 용액(116)은 솔벤트 내에 철 용액을 포함할 수 있다. 코팅 용액(116)은, 철과 질소를 포함하는 층을 형성할 때 제1 용액과, 철, 탄소 및 질소를 포함하는 층을 형성할 때 제1 용액과 다른 제2 용액을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 철과 질소를 포함하는 층을 형성할 때 솔벤트는 질산암모늄, 우레아, 아미드 또는 하이드라진 같은 질소-함유 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 증착 온도 및 압력에서 솔벤트가 질소로 과포화될 수 있다. 예시적인 아미드들은 카르바미드((NH2)2CO; 우레아라고도 호칭됨), 메탄아미드(위의 화학구조식 1), 벤자미드(위 화학구조식 2), 아세트아미드(위 화학구조식 3), 및 산아미드를 포함하지만, 임의의 아미드가 사용될 수도 있다. LPE 기법을 하는 중에 코팅 용액(116)이 경험하는 온도에서 액체가 되도록 아미드가 선택될 수 있다.
코팅 용액(116)은 철 소스도 포함한다. 일부 실시예에서, 철 소스는 철-함유 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 철 소스는 FeCl3 또는 Fe(CO)5 같은 액상 철 도너를 포함한다. 다른 실시예에서, 철 소스는 철-함유 분말을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 철-함유 분말은 실질적으로 순철(예컨대 순도가 90 원자%를 상회하는 철)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 철-함유 분말은 산화철(예컨대 Fe2O3 또는 Fe3O4)을 포함할 수 있다.
철과 질소를 포함하는 층을 형성하기 위해 LPE 공정을 하는 중에, 도 8에 도시되어 있는 액체-고체 철-질소 상태도의 액상선 온도를 상회하는 온도로 코팅 용액(116)이 가열될 수 있다. 예를 들면, 액체-고체 철-질소 상태도에서 포인트 A로 지시되는 온도까지 솔벤트가 가열될 수 있다. 일부 실시예에서, 솔벤트가 포인트 A로 지시되는 온도까지 가열될 때, 솔벤트는 철 소스를 포함하지 않을 수 있다.
그런 다음, 철 소스 또는 철-함유 재료가 솔벤트에서 용해되어, 철-함유 재료로 포화된 코팅 용액(116)을 형성할 수 있다. 이 포화 코팅 용액이 액체-고체 철-질소 상태도에서 포인트 B로 지시되어 있다. 이어서 기판(46)이 코팅 용액(116) 내에 침지될 수 있다.
코팅 용액(116)과 기판(46)이, 형성하고자 하는 철-질소 코팅의 액상선 온도보다 낮은 포인트 C로 지시되어 있는 온도까지 냉각될 수 있다. 이렇게 함으로써 코팅 용액(116)이 철-함유 재료로 과포화되게 되며, 이는 LPE 코팅 기법을 구동한다. 일부 실시예에서, LPE 코팅 기법이 수행되는 포인트 C로 지시되는 온도는 (비록 포인트 C가 좀 더 높은 온도를 지시하고 있지만) 약 600℃ 내지 약 800℃ 사이일 수 있다. 포인트 C는 2-상 영역 내에 있으며, 이는 석출이 종료되는 액상선 라이 상의 포인트 D에 도달할 때까지, 기판(46) 표면 상에서 질화철이 석출되도록 하는 구동력을 제공한다. 일부 실시예에서, 코팅 용액(86) 내의 철과 질소의 농도와 LPE 코팅 기법이 수행되는 온도는 질소에 대한 철의 원자 비가 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소)이 되도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 철과 질소 간의 원자비는 약 9:1(철:질소), 약 8:1(철:질소) 또는 약 6.65:1(철:질소)일 수 있다.
LPE에 의해 철과 질소를 포함하는 코팅이 형성되면, 기판(46)이 도가니(112)에서 제거될 수 있다.
철, 탄소 및 질소를 포함하는 층을 형성하기 위해, 제2 코팅 용액(116)이 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 철, 탄소 및 질소를 포함하는 층을 형성할 때, 솔벤트가 질산암모늄, 우레아, 아미드 또는 하이드라진 같이 질소-함유 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 증착 온도 및 압력에서, 솔벤트가 질소로 과포화될 수 있다. 비록 임의의 아미드가 사용될 수 있지만, 예시적 아미드는 우레아라고도 호칭되는 카르바미드((NH2)2CO), 메탄아미드(위의 구조식 1), 벤자미드(위의 구조식 2) 및 아세트아미드(위의 구조식 3) 및 산성 아미드를 포함한다. 아미드는, LPE 기법을 수행하는 동안에 코팅 용액(116)에 의해 겪는 온도에서 액체로 되는 것이 선택될 수 있다.
코팅 용액(116)은 탄소-함유 화합물도 포함할 수 있다. 예를 들면, 코팅 용액(116)은 용해되어 있는 일산화탄소, 용해되어 있는 이산화탄소, 용해되어 있는 메탄 또는우레아를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소-함유 화합물과 질소-함유 화합물은 동일할 수 있다(예컨대 우레아).
코팅 용액(116)은 철 소스도 포함한다. 일부 실시예에서, 철 소스는 철-함유 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 철 소스는 FeCl3, Fe(CO)5, 실질적인 순철(예컨대 순도가 90 원자%를 상회함), Fe2O3 또는 Fe3O4 중에서 적어도 하나를 포함한다.
철, 탄소 및 질소를 포함하는 층을 형성하기 위해 LPE 공정을 하는 중에, 기판(46) 위에 증착될 철, 탄소 및 질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 온도로 코팅 용액(116)이 가열될 수 있다. 일부 실시예에서, 액상선 온도를 상회하는 온도로 가열될 때, 솔벤트가 철 소스, 탄소 소스 또는 철 소스와 탄소 소스 모두를 포함하지 않을 수 있다.
그런 다음, 철 소스와 탄소 소스가 솔벤트에서 용해되어 철-함유 재료, 탄소 소스 또는 이들 모두로 포화된 코팅 용액(116)을 형성할 수 있다. 그런 다음, 기판(46)을 코팅 용액(116) 내로 침지시킬 수 있다.
그런 다음, 코팅 용액(116)과 기판(46)이, 형성하고자 하는 철-탄소-질소 코팅의 액상선 온도보다 낮은 온도까지 냉각될 수 있다. 이렇게 함으로써 코팅 용액(116)이 철-함유 재료, 탄소-함유 재료 또는 이들 모두로 과포화 되며, 이는 LPE 코팅 기법을 구동한다. 일부 실시예에서, LPE 코팅 기법이 수행되는 온도는 약 600℃ 내지 약 1000℃ 사이일 수 있다. 이 온도는 2-상 영역 내에 있으며, 이는, 기판(12) 표면 위에서 철-탄소-질소가 석출되도록 하는 구동력을 제공한다. 일부 실시예에서, 코팅 용액(116) 내의 철, 탄소 및 질소의 농도와 LPE 코팅 기법이 수행되는 온도는 질소 플러스 탄소에 대한 철의 원자 비가 약 11.5:1(철:(질소+탄소)) 내지 약 5.65:1(철:(질소+탄소))이 되도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 철과 질소 플러스 탄소 원자들 간의 원자비는 약 9:1(철:(질소+탄소)), 약 8:1(철:(질소+탄소)) 또는 약 6.65:1(철:(질소+탄소))일 수 있다.
철과 질소를 포함하는 적어도 하나의 층과 철, 탄소 및 질소를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 다층 코팅이 형성된 후, 도 5와 관련하여 설명한 바와 유사하거나 거의 동일한 조건에서, 다층 코팅을 어닐링 할 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 다층 경자성 재료(14)를 형성하기 위해, 어닐링은 철과 질소를 포함하는 층들 내에 α"-Fe16N2을, 철, Z 원자들(예컨대 탄소) 및 질소를 포함하는 층 내에 α"-Fe16(NxZ1-x)2(여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함), 또는 α"-Fe16N2 상과 α"-Fe16Z2 상의 혼합물을 형성시킬 수 있다.
α"-Fe16N2에 의해, 포화 자기와 자기 이방성 상수가 높게 된다. 포화 자기와 자기 이방성 상수가 높음에 따라, 희토류 자석에 비해 자기 에너지 곱이 높게 된다. 예를 들면, 박막의 α"-Fe16N2 영구 자석로부터 수집된 실험 증거들은 벌크 Fe16N2 영구 자석이, 에너지 곱이 약 134 MGOe를 포함하는 바람직한 자석 물성을 구비할 수 있음을 제시하고 있다. 이 에너지 곱은 (에너지 곱이 약 60 MGOe인) NdFeB의 에너지 곱의 약 2배이다. 또한, 철과 질소는 풍부한 원소이므로, 상대적으로 저렴하고 구하기가 용이하가. α"-Fe16N2 자석의 높은 에너지 곱은 무엇보다도 전기 모터, 전기 발전기, 트랜스포머, 자기 레코딩 매체 및 MRI 등에 사용될 수 있다. 도 1의 다층 경자성 재료(14)에서, α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트(16)의 층들이 연자성 재료를 포함하는 제2 층 세트(18)의 층들에 교환-스프링 커플링될 수 있다. 이러한 방식으로, 다층 경자성 재료(14)가 α"-Fe16N2로 이루어진 재료의 자기 물성과 유사한 물성을 가질 수 있다.
본 명세서 내에서 분자량 같은 물리적 특성 또는 화학식 같은 화학적 특성에 대해 범위(range)가 사용된 경우, 특정 실시예에 대한 모든 조합 및 하위 조합들이 포함된다.
본 출원은 2012년 8월 17일에 출원된 국제특허출원 PCT/US2012/051382호; 2014년 2월 6일에 출원된 국제특허출원 PCT/US2014/015104호; 2014년 6월 24일에 출원된 국제특허출원 PCT/US2014/043902호와 관련된다. 이들 국제 특허 출원의 모든 내용들은 참고로 본 명세서에 통합된다.
본 문헌에서 인용하거나 기재하고 있는 특허, 특허출원 및 출판물에 기재되어 있는 내용들은 그 전부가 본 명세서에 참고로 통합된다.
절 1: 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 철 소스를 가열하는 단계; 철과 질소를 포함하는 제1 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을 그리고 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를 기판 위쪽에 증착시키는 단계; 철, 질소, 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를, 그리고 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기로부터 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 기판 위쪽에 증착시키는 단계; 및 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제1 층과, α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제2 층을 어닐링 하는 단계로, 여기서, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수인, 어닐링 단계를 포함하는 방법.
절 2: 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 철 소스를 가열하는 단계; 철과 질소를 포함하는 제1 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을 그리고 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를 기판 위쪽에 증착시키는 단계; 철, 질소, 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를, 그리고 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기로부터 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 기판 위쪽에 증착시키는 단계; 및 α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제1 층과, α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들과 α"-Fe16Z2(여기서, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함)을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제2 층을 어닐링 하는 단계를 포함하는 방법.
절 3: 절 1 또는 절 2의 방법으로, 제1 층이 기판 위에 형성되고, 제2 층은 상기 제1 층 위에 형성되는 방법.
절 4: 절 1 또는 절 2의 방법으로, 제2 층이 기판 위에 형성되고, 제1 층은 상기 제2 층 위에 형성되는 방법.
절 5: 절 1 내지 절 4 중 어느 하나의 방법으로, 철 소스가 고체 철을 포함하는 방법.
절 6: 절 1 내지 절 4 중 어느 하나의 방법으로, 고체 철이 철 분말 또는 철 박막 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 7: 절 1 내지 절 4 중 어느 하나의 방법으로, 철 소스가 고체 철 전구체를 포함하는 방법.
절 8: 절 7의 방법으로, 고체 철 전구체가 Fe2O3 분말 또는 Fe2O4 분말 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 9: 절 1 내지 절 4 중 어느 하나의 방법으로, 철 소스가 액체 철 전구체를 포함하는 방법.
절 10: 절 9의 방법으로, 액체 철 전구체가 FeCl3 또는 Fe(CO)5 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 11: 절 1 내지 절 10 중 어느 하나의 방법으로, 우레아를 포함하는 증기를 형성하기 위해 적어도 우레아를 가열함으로써 질소-함유 화합물을 포함하는 증기가 형성되는 방법.
절 12: 절 1 내지 절 10 중 어느 하나의 방법으로, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 적어도 아미드 또는 하이드라진 중 적어도 하나를 가열함으로써 질소-함유 화합물을 포함하는 증기가 형성되는 방법.
절 13: 절 1 내지 절 10 중 어느 하나의 방법으로, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기가 NH3 증기를 포함하는 방법.
절 14: 절 1 내지 절 10 중 어느 하나의 방법으로, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기가, 플라즈마를 사용하여 이원자 질소로부터 형성된 원자 질소를 포함하는 방법.
절 15: 절 1 내지 절 14 중 어느 하나의 방법으로, 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 제공하는 단계가, 탄소를 포함하는 증기를 형성하기 위해 탄소 고체 소스를 가열하는 단계를 포함하는 방법.
절 16: 절 15의 방법으로, 탄소 고체 소스가 순수 탄소 또는 우레아 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 17: 절 1 내지 절 14 중 어느 하나의 방법으로, 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기가 일산화탄소, 이산화탄소 또는 메탄 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 포함하는 방법.
절 18: 절 1 내지 절 17 중 어느 하나의 방법으로, 제1 층 내에 기판 위에 증착되는, 원자 질소 및 원자 철을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 분해하기 위해 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
절 19: 절 1 내지 절 18 중 어느 하나의 방법으로, 원자 질소 및 원자 철이 제1 층 내에 기판 위에 증착되도록, 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 중 적어도 하나의 분해 온도를 상회하는 온도로 기판을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
절 20: 절 1 내지 절 19 중 어느 하나의 방법으로, 제2 층 내에 기판 위에 증착되는, 원자 질소, 원자 철 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나의 원자들을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 분해하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
절 21: 절 1 내지 절 20 중 어느 하나의 방법으로, 제2 층 내에 기판 위에 증착되는, 원자 질소, 원자 철 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나의 원자들이 형성되도록, 철-함유 화합물을 포함하는 증기, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기 중 적어도 하나의 분해 온도를 상회하는 온도로 기판을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
절 22: 절 1 내지 절 21 중 어느 하나의 방법으로, 제1 층 및 제2 층을 어닐링 하는 단계는, 층을 약 100℃ 내지 약 300℃ 사이의 온도에서 약 5 시간 내지 약 80 시간 동안 가열하는 단계를 포함하는 방법.
절 23: 절 1 내지 절 22 중 어느 하나의 방법으로, 기판이 실리콘, GaAs, SiC, InGaAs, MgO, SiO2, 글라스 또는 고온 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 24: 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제1 코팅 용액은 상기 제1 코팅 용액으로부터 증착될 철-질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제1 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제1 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제1 코팅 용액을 철-질소 혼합물의 액상선 온도 미만의 제2 온도로 냉각시키는 단계; 철과 질소를 포함하는 제1 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제1 코팅 용액 내에 유지시키는 단계; 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제2 코팅 용액은 상기 제2 코팅 용액으로부터 증착될 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제3 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제2 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제2 코팅 용액을 혼합물의 액상선 온도 미만의 제4 온도로 냉각시키는 단계; 철, 질소 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제2 코팅 용액 내에 유지시키는 단계; α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 층을, 그리고 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제2 층을 어닐링하는 단계로, 여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수인, 어닐링 단계를 포함하는 방법.
절 25: 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제1 코팅 용액은 상기 제1 코팅 용액으로부터 증착될 철-질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제1 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제1 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제1 코팅 용액을 철-질소 혼합물의 액상선 온도 미만의 제2 온도로 냉각시키는 단계; 철과 질소를 포함하는 제1 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제1 코팅 용액 내에 유지시키는 단계; 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제2 코팅 용액은 상기 제2 코팅 용액으로부터 증착될 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제3 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계; 과포화 제2 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제2 코팅 용액을 혼합물의 액상선 온도 미만의 제4 온도로 냉각시키는 단계; 철, 질소 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제2 코팅 용액 내에 일정 기간 동안 유지시키는 단계; α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 층을, 그리고 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제2 층을 어닐링하는 단계로, 여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는, 어닐링 단계를 포함하는 방법.
절 26: 절 24 또는 절 25의 방법으로, 제1 층이 기판 위에 형성되고, 제2 층은 제1 층 위에 형성되는 방법.
절 27: 절 24 또는 절 25의 방법으로, 제2 층이 기판 위에 형성되고, 제1 층은 제2 층 위에 형성되는 방법.
절 28: 절 24 내지 절 27 중 어느 하나의 방법으로, 솔벤트가 아미드 또는 하이드라진 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 29: 절 24 내지 절 28 중 어느 하나의 방법으로, 철 소스가 실질적인 순철, FeCl3, Fe(CO)5 또는 철 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
절 30: 절 24 내지 절 29 중 어느 하나의 방법으로, 제2 온도가 약 600℃ 내지 약 800℃ 사이인 방법.
절 31: 절 24 내지 절 30 중 어느 하나의 방법으로, 제1 코팅이 질소에 대한 철의 원자 비를 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소) 사이로 포함하는 방법.
절 32: 절 24 내지 절 30 중 어느 하나의 방법으로, 제1 코팅이 질소에 대한 철의 원자 비를 약 8:1(철:질소)로 포함하는 방법.
절 33: 절 24 내지 절 32 중 어느 하나의 방법으로, 제2 코팅이 질소 플러스 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나에 대한 철의 원자 비를 약 11.5:1 내지 약 5.65:1 사이로 포함하는 방법.
절 34: 절 24 내지 절 32 중 어느 하나의 방법으로, 제2 코팅이 질소 플러스 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나에 대한 철의 원자 비를 약 8:1로 포함하는 방법.
절 35: 절 24 내지 절 34 중 어느 하나의 방법으로, α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 코팅을, α"-Fe16(NxZ1-x)2 또는 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 형성하기 위해 제2 코팅을 어닐링 하는 단계는, 제1 코팅과 제2 코팅을 약 100℃ 내지 약 300℃ 사이의 온도에서 약 5 시간 내지 약 80 시간 동안 가열하는 단계를 포함하는 방법.
절 36: 절 24 내지 절 35 중 어느 하나의 방법으로, 기판이 실리콘, GaAs, Sic, InGaAs, MgO, SiO2, 글라스 또는 고온 폴리머 중 적어도 하나르 포함하는 방법.
절 37: 절 1 내지 절 36 중 어느 하나의 방법으로 형성된 물품.
절 38: 제1 층 세트로, 상기 제1 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트; 및 제2 층 세트로, 상기 제2 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 제2 층 세트를 포함하며, 여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들과 교대로 위치하는 물품.
절 39: 절 38의 물품으로, 제2 층 세트의 각 층에서 α"-Fe16Z2에 대한 α"-Fe16N2의 비가 약 1:1인 물품.
절 40: 제1 층 세트로, 상기 제1 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트; 및 제2 층 세트로, 상기 제2 층 세트의 각 층이 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 제2 층 세트를 포함하며, 여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수이며, 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들과 교대로 위치하는 물품.
절 41: 절 40의 물품으로, x가 약 0.5인 물품.
절 42: 절 38 내지 절 41 중 어느 하나의 물품으로, 고온 폴리머, 실리콘, GaAs, SiC, InGaAs, MgO, SiO2, 글라스 또는 금속 중 적어도 하나를 포함하는 기판을 추가로 포함하고, 제1 층 세트와 제2 층 세트가 상기 기판 위에 형성되는 물품.
절 43: 절 38 내지 절 42 중 어느 하나의 물품으로, 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들에 교환 스프링 커플링에 의해 자기적으로 커플링 되어 있는 물품.
다양한 실시예들을 기재하였다. 통상의 기술자라면, 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않으면서도, 본 개시내용에 기재되어 있는 실시예들에 대해 다양하게 변형 및 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이들 실시예들 그리고 다른 실시예들은 아래의 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (51)

  1. 제1 층 세트로, 상기 제1 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트; 및
    제2 층 세트로, 상기 제2 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 제2 층 세트를 포함하며, 여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들과 교대로 위치하는 것을 특징으로 하는 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 층 세트의 각 층에서 α"-Fe16Z2에 대한 α"-Fe16N2의 비가 약 1:1인 것을 특징으로 하는 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    제2 층 세트의 각 층에서 α"-Fe16Z2에 대한 α"-Fe16N2의 비가 약 4.667:5.333인 것을 특징으로 하는 물품.
  4. 제1 층 세트로, 상기 제1 층 세트의 각 층이 α"-Fe16N2을 포함하는 제1 층 세트; 및
    제2 층 세트로, 상기 제2 층 세트의 각 층이 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 제2 층 세트를 포함하며, 여기서 Z는 C, B 또는 O 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수이며, 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들과 교대로 위치하는 것을 특징으로 하는 물품.
  5. 제4항에 있어서,
    x가 약 0.5인 것을 특징으로 하는 물품.
  6. 제4항에 있어서,
    제2 층 세트의 각 층에서 α"-Fe16Z2에 대한 α"-Fe16N2의 비가 약 4.667인 것을 특징으로 하는 물품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    고온 폴리머, 실리콘, GaAs, SiC, InGaAs, MgO, SiO2, 글라스 또는 금속 중 적어도 하나를 포함하는 기판을 추가로 포함하고, 제1 층 세트와 제2 층 세트가 상기 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 물품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 층 세트의 하나 이상의 각 층들이 제1 층 세트의 하나 이상의 각 층들에 교환 스프링 커플링에 의해 자기적으로 커플링 되어 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    강자성 도펀트, 비자성 도펀트 또는 상 안정화제들 중 적어도 하나를 추가로포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 층 세트의 적어도 한 층의 두께가 약 50 nm 미만인 것을 특징으로 하는 물품.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 층 세트의 적어도 한 층이 연자성 재료를 포함하는 적어도 하나의 도메인을 포함하고, 제1 층 세트의 적어도 한 층 내의 α"-Fe16N2가 연자성 재료를 포함하는 적어도 하나의 도메인에 자기적으로 커플링 되어 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품이 전기 모터, 발전기, 센서, 액추에이터, 자동차 부품 또는 풍력 터빈의 부품인 것을 특징으로 하는 물품.
  13. 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 철 소스를 가열하는 단계;
    철과 질소를 포함하는 제1 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을 그리고 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를 기판 위쪽에 증착시키는 단계;
    철, 질소, 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를, 그리고 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기로부터 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 기판 위쪽에 증착시키는 단계; 및
    α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제1 층과, α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제2 층을 어닐링 하는 단계로, 여기서, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수인, 어닐링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 철-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성하기 위해 철 소스를 가열하는 단계;
    철과 질소를 포함하는 제1 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을 그리고 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를 기판 위쪽에 증착시키는 단계;
    철, 질소, 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 철을, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기로부터 질소를, 그리고 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기로부터 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 기판 위쪽에 증착시키는 단계; 및
    α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제1 층과, α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들과 α"-Fe16Z2(여기서, Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함)을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위한 제2 층을 어닐링 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    제1 층이 기판 위에 형성되고, 제2 층은 상기 제1 층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    제2 층이 기판 위에 형성되고, 제1 층은 상기 제2 층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    철 소스가 고체 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 철이 철 분말 또는 철 박막 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    철 소스가 고체 철 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    고체 철 전구체가 Fe2O3 분말 또는 Fe2O4 분말 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    철 소스가 액체 철 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    액체 철 전구체가 FeCl3 또는 Fe(CO)5 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 우레아를 가열하여 우레아를 포함하는 증기를 형성함으로써 질소-함유 화합물을 포함하는 증기가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 아미드 또는 하이드라진 중 적어도 하나를 가열하여 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 형성함으로써 질소-함유 화합물을 포함하는 증기가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    질소-함유 화합물을 포함하는 증기가 NH3 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    질소-함유 화합물을 포함하는 증기가, 플라즈마를 사용하여 이원자 질소로부터 형성된 원자 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 제공하는 단계가, 탄소를 포함하는 증기를 형성하기 위해 탄소 고체 소스를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    탄소 고체 소스가 순수 탄소 또는 우레아 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제13항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기가 일산화탄소, 이산화탄소 또는 메탄 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제13항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 층 내에 기판 위에 증착되는, 원자 질소 및 원자 철을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 분해하기 위해 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 질소-함유 화합물을 포함하는 증기를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제13항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    원자 질소 및 원자 철이 제1 층 내에 기판 위에 증착되도록, 철-함유 화합물을 포함하는 증기와 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 중 적어도 하나의 분해 온도를 상회하는 온도로 기판을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제13항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 층 내에 기판 위에 증착되는, 원자 질소, 원자 철 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나의 원자들을 형성하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 분해하기 위해, 철-함유 화합물을 포함하는 증기, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제13항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 층 내에 기판 위에 증착되는, 원자 질소, 원자 철 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나의 원자들이 형성되도록, 철-함유 화합물을 포함하는 증기, 질소-함유 화합물을 포함하는 증기 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 증기 중 적어도 하나의 분해 온도를 상회하는 온도로 기판을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제13항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 층 및 제2 층을 어닐링 하는 단계는, 층을 약 100℃ 내지 약 300℃ 사이의 온도에서 약 5 시간 내지 약 80 시간 동안 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제13항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 실리콘, GaAs, SiC, InGaAs, MgO, SiO2, 글라스, 고온 폴리머 또는 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제1 코팅 용액은 상기 제1 코팅 용액으로부터 증착될 철-질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제1 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계;
    과포화 제1 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제1 코팅 용액을 철-질소 혼합물의 액상선 온도 미만의 제2 온도로 냉각시키는 단계;
    철과 질소를 포함하는 제1 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제1 코팅 용액 내에 유지시키는 단계;
    기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제2 코팅 용액은 상기 제2 코팅 용액으로부터 증착될 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제3 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계;
    과포화 제2 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제2 코팅 용액을 혼합물의 액상선 온도 미만의 제4 온도로 냉각시키는 단계;
    철, 질소 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제2 코팅 용액 내에 유지시키는 단계;
    α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 층을, 그리고 α"-Fe16(NxZ1-x)2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제2 층을 어닐링하는 단계로, 여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하고, x는 0보다 크고 1보다 작은 수인, 어닐링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제1 코팅 용액은 상기 제1 코팅 용액으로부터 증착될 철-질소 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제1 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트 및 철 소스를 포함하는 제1 코팅 용액 내로 침지시키는 단계;
    과포화 제1 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제1 코팅 용액을 철-질소 혼합물의 액상선 온도 미만의 제2 온도로 냉각시키는 단계;
    철과 질소를 포함하는 제1 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제1 코팅 용액 내에 유지시키는 단계;
    기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계로, 상기 제2 코팅 용액은 상기 제2 코팅 용액으로부터 증착될 혼합물의 액상선 온도를 상회하는 제3 온도에서 철 소스로 포화되어 있는, 기판을 질소-함유 솔벤트, 철 소스 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함하는 제2 코팅 용액 내로 침지시키는 단계;
    과포화 제2 코팅 용액을 형성하기 위해, 상기 제2 코팅 용액을 혼합물의 액상선 온도 미만의 제4 온도로 냉각시키는 단계;
    철, 질소 및 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는 제2 층이 기판 위에 형성할 수 있도록, 상기 기판을 과포화 제2 코팅 용액 내에 일정 기간 동안 유지시키는 단계;
    α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 층을, 그리고 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제2 층을 어닐링하는 단계로, 여기서 Z는 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나를 포함하는, 어닐링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서,
    제1 층이 기판 위에 형성되고, 제2 층은 제1 층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제36항 또는 제37항에 있어서,
    제2 층이 기판 위에 형성되고, 제1 층은 제2 층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제36항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    솔벤트가 아미드 또는 하이드라진 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제36항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    철 소스가 실질적인 순철, FeCl3, Fe(CO)5 또는 철 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제36항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 온도가 약 600℃ 내지 약 800℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제36항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 코팅이 질소에 대한 철의 원자 비를 약 11.5:1(철:질소) 내지 약 5.65:1(철:질소) 사이로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제36항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 코팅이 질소에 대한 철의 원자 비를 약 8:1(철:질소)로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제36항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 코팅이 질소 플러스 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나에 대한 철의 원자 비를 약 11.5:1 내지 약 5.65:1 사이로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제36항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 코팅이 질소 플러스 탄소, 보론 또는 산소 중 적어도 하나에 대한 철의 원자 비를 약 8:1로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제36항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
    α"-Fe16N2을 포함하는 적어도 일부 결정들을 형성하기 위해 제1 코팅을, α"-Fe16(NxZ1-x)2 또는 α"-Fe16N2와 α"-Fe16Z2의 혼합물을 형성하기 위해 제2 코팅을 어닐링 하는 단계는, 제1 코팅과 제2 코팅을 약 100℃ 내지 약 300℃ 사이의 온도에서 약 5 시간 내지 약 80 시간 동안 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제36항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판이 실리콘, GaAs, SiC, InGaAs, MgO, SiO2, 글라스, 고온 폴리머 또는 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제13항 내지 제48항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 물품.
  50. 제13항 내지 제48항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 α"-Fe16N2을 포함하는 결정들을 포함하는 워크피스.
  51. 제50항에 있어서, 상기 워크피스가 펠릿, 로드, 박막, 나노입자, 분말 또는 나노스케일 분말인 것을 특징으로 하는 워크피스.
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