TWI692536B - 鐵鉑基靶材及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本創作提供一種鐵鉑基靶材及其製造方法。該鐵鉑基靶材包含鐵、鉑、及碳；以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，碳的含量係大於或等於15原子百分比且小於或等於45原子百分比；在該鐵鉑基靶材的金相中，碳相的平均尺寸小於或等於2微米，且碳相的平均軸長比小於3。藉由控制鐵鉑基靶材的碳含量以及控制其金相的碳相型態，不僅能提升鐵鉑基靶材的相組成之分佈均勻性，還可避免鐵鉑基靶材的表面大量析出黑色碳粒，進而降低在濺鍍製程中發生大量異常放電之發生機率，以及減輕微粒汙染磁記錄層的問題，進而提升其磁記錄層之品質和良率。
Description
本創作關於一種鐵鉑基靶材，尤指一種適用於磁記錄媒體之鐵鉑基靶材；此外，本創作另關於一種鐵鉑基靶材的製造方法。
磁記錄是指利用磁性材料的磁滯特性將資訊儲存於記錄媒體。根據磁頭磁化的方向，現有技術之磁記錄媒體可區分為水平式磁記錄媒體(longitudinal magnetic recording，LMR)及垂直式磁記錄媒體(perpendicular magnetic recording，PMR)。作為資訊儲存的記憶媒體，高穩定性是首要需求。不僅如此，近年來隨著消費者對可攜式記錄媒體的需求，以及大數據崛起、巨量資訊的產生，使得人們對於磁記錄媒體之資訊儲存容量的需求越來越大，因此，如何提升磁記錄媒體之記錄密度一直是相關領域關注的研究重點。然而，由於水平式磁記錄媒體之磁記錄密度現今已逼近物理極限，能延緩超順磁極限、達到更高記錄密度的垂直式磁記錄媒體，成為解決問題的技術方向。
此外，垂直式磁記錄媒體還可結合熱輔助磁記錄技術(heat-assisted magnetic recording，HAMR)。熱輔助磁記錄係在寫入磁場的同時以熱能的方式作用於記錄位的磁性顆粒上，藉由將該磁性顆粒的溫度提高至居里點(Curie temperature)之上，使得該磁性顆粒的磁力頑性暫時被降低，進而可提高磁記錄媒體的記錄密度。
一般而言，垂直式磁記錄媒體的層狀結構由下至上包含有基板、附著層、軟磁層、晶種層、中間層、磁記錄層、覆蓋層以及潤滑層。
因熱輔助磁記錄的技術會在相同的區域重複聚焦加熱，需要以穩定性高的磁性複合材料作為磁記錄層，現有技術之熱輔助磁記錄層多半選用鐵鉑基合金系統作為磁記錄層的主要成分，並於鐵鉑基合金系統中額外添加其他如碳等的非磁性成分，藉此在鐵鉑基合金的晶粒之間形成阻隔及減少磁耦合效應。
然而，前述磁記錄層通常是由濺鍍方法形成。若採用個別的鐵靶、鉑靶和碳靶共同濺鍍形成所述磁記錄層，不僅難以控制所述磁記錄層的組成分，且同時導致裝置的成本增加。
雖於現有技術中已有人嘗試將碳原料與鐵、鉑等原料的粉末共同燒結成濺鍍靶材，但一方面，碳很容易聚集，因此當碳原料的添加比例較高時，靶材的各成份很難混合均勻；另一方面，在燒結過程中，碳可能會固溶進鐵相形成鐵碳化合物。而前述狀況皆導致所述靶材的表面有大量碳析出的問題，導致在後續應用的濺鍍過程中容易形成異常放電，且可能產生大量微粒掉落至濺鍍形成的磁記錄層，進而影響到磁記錄層之膜層的品質與良率。
有鑒於現有技術所面臨之缺陷，本創作之目的在於減少靶材表面析出的碳量，於後續應用的濺鍍過程中降低異常放電的發生頻率，以及減輕微粒汙染的問題，進而提升濺鍍形成的磁記錄層之品質與良率。
為達成前述目的，本創作提供一種鐵鉑基靶材，其包含鐵(Fe)、鉑(Pt)、及碳(C)；其中，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，碳的含量係大於或等於15原子百分比(atomic percentage，at%)且小於或等於45at%；在
該鐵鉑基靶材的金相中，碳相的平均尺寸小於或等於2微米(μm)，且碳相的平均軸長比小於3。
依據本創作，藉由調控鐵鉑基靶材中的碳含量、碳相之平均尺寸範圍和碳相之平均軸長比範圍，有助於提升整體鐵鉑基靶材的相組成之分佈均勻性，進而有效降低鐵鉑基靶材表面析出的碳量，確保於後續應用的濺鍍過程中降低異常放電的發生頻率，以及減輕微粒汙染的問題。
依據本創作，各碳相的尺寸是指金相微結構中各黑色相通過中心點之最大長度；而取前述多組數據之平均值，即為所述之碳相的平均尺寸。
依據本創作，各碳相的軸長比是以金相微結構中各黑色相通過中心點之最大長度為長、以金相微結構中各黑色相通過中心點之最小長度為寬，長與寬的比例即為軸長比；取前述多組數據之平均值，即為碳相之平均軸長比。
較佳的，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，鐵的含量係大於或等於20at%且小於或等於70at%。
較佳的，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，鉑的含量係大於或等於10at%且小於或等於40at%；更佳的，鉑的含量係大於或等於14at%且小於或等於40at%；再更佳的，鉑的含量係大於或等於15at%且小於或等於38at%。
依據本創作，該鐵鉑基靶材中碳的型態可為具有三維四面體結構的鑽石碳、二維平面結構的石墨碳、一維結構的奈米碳管，或其組合，但不限於此。較佳的，碳的型態係鑽石碳。
在一些實施例中，為了使該鐵鉑基靶材濺鍍而成的膜層具有更好的阻隔性，而更有利於作為磁記錄層使用，該鐵鉑基靶材可更包括氮化硼
(BN)。較佳的，氮化硼佔整體鐵鉑基靶材之含量係大於0at%且小於或等於10at%。
在另一些實施例中，為了使該鐵鉑基靶材濺鍍而成的磁記錄層具有更佳的熱穩定性，使所述磁記錄層具有較低的熱轉換溫度，該鐵鉑基靶材可更包括銅(Cu)、銀(Ag)、或其組合，但並非僅限於此。較佳的，銅佔整體鐵鉑基靶材之含量係大於或等於0.5at%且小於或等於2at%；較佳的，銀佔整體鐵鉑基靶材之含量係大於或等於0.5at%且小於或等於2at%。
依據本創作，可對該鐵鉑基靶材的濺鍍面進行X光繞射分析(X-ray diffraction，XRD)。較佳的，於該鐵鉑基靶材之X光繞射圖譜中，鐵鉑合金的(111)晶面特徵峰之半高寬(full width at half maximum，FWHM)小於0.3°。據此，藉由控制鐵鉑基靶材中鐵鉑合金的(111)晶面特徵峰之半高寬可更進一步減少鐵鉑基靶材表面析出的碳量。
較佳的，所述鐵鉑基靶材後續可應用於直流濺鍍、射頻濺鍍或磁控濺鍍等，但並非僅限於此。
此外，本創作另提供一種鐵鉑基靶材的製造方法，其包括以下步驟：步驟(A)：將碳原料以高能機械研磨法研磨，得到一經研磨的碳粉，其平均粒徑為0.3μm至3μm；步驟(B)：混合該經研磨的碳粉、鐵原料、與鉑原料並進行機械合金化，得到一鐵鉑基合金粉末；以及步驟(C)：以包含熱均壓燒結法的燒結方式燒結該鐵鉑基合金粉末，獲得一鐵鉑基靶材；其中，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，碳的含量係大於或等於15at%且小於或等於45at%；在該鐵鉑基靶材的金相中，碳相的平均尺寸小於或等於2μm，且碳相的平均軸長比小於3。
藉由高能機械研磨的方式先將碳原料進行碳原料的前處理，以及將所有原料混合並進行機械合金化，有助於後續形成鐵鉑基靶材時，獲得具
有特定平均尺寸範圍和平均軸長比範圍的碳相，進而效降低鐵鉑基靶材表面析出的碳量。
依據本創作，該步驟(A)中的高能機械研磨法是高能球磨，其中所採用之磨球可為不銹鋼珠或二氧化鋯珠(ZrO2)，其粒徑可為2毫米(mm)至10mm，但並非僅限於此。較佳的，前述高能機械研磨步驟的研磨時間為1小時至10小時。
依據本創作，該步驟(A)中，碳原料的型態可為具有三維結構的鑽石碳、二維平面結構的石墨碳、一維結構的奈米碳管，或其組合，但不限於此。較佳的，碳原料的型態係鑽石碳。為了減少所述鐵鉑基靶材濺鍍時因基底相(即鐵鉑相)與摻雜物(如碳相)的導電率差異而引起的微粒掉落或異常放電，碳原料的平均粒徑為2μm至10μm。較佳的，當碳原料的型態係鑽石碳時，其平均粒徑為2μm至5μm；當碳原料的型態係石墨碳時，其平均粒徑為2μm至10μm。
依據本創作，該步驟(B)中，鐵原料可為純度為99%以上的鐵金屬、鐵含量為50重量百分比(wt%)以上的鐵合金、或其組合，但並非僅限於此。較佳的，該鐵原料的平均粒徑為20μm至80μm。藉由選擇平均粒徑為前述範圍的鐵原料，可降低鐵鉑基靶材中的氧的殘留量。
依據本創作，該步驟(B)中，鉑原料可為純度為99%以上的鉑金屬、鉑含量為50wt%以上的鉑合金、或其組合，但並非僅限於此。較佳的，該鉑原料的平均粒徑為1μm至10μm，可使鉑較容易在鐵相中擴散。
在一些實施例中，鉑原料和鐵原料可為鐵鉑合金。
依據本創作，該步驟(B)中更包括氮化硼。較佳的，該氮化硼的平均粒徑小於3.0μm。
依據本創作，該步驟(B)中可更包括平均粒徑為50μm至150μm的銅原料、平均粒徑為5μm至10μm的銀原料、或其組合。具體而言，銅原料可為純度為99%以上的銅金屬、銅含量為50wt%以上的銅合金、或其組合，但並非僅限於此。銀原料可為純度為99%以上的銀金屬、銀含量為50wt%以上的銀合金、或其組合，但並非僅限於此。
依據本創作，在該步驟(B)中，所述經研磨的碳粉、鐵原料、鉑原料等原料可依任何次序加入混合，可同時或依次加入，一次加入該等成份之全部用量、或分次加入等用量的該等成份，經分散直至均勻分散後，再一起進行機械合金化(例如高能機械研磨)，以獲得鐵鉑基合金粉末。
在一些實施例中，步驟(B)包括：步驟(B1)：混合該經研磨的碳粉、鐵原料、與鉑原料，得到一混合物；及步驟(B2)：該混合物進行機械合金化，得到該鐵鉑基合金粉末。在另一些實施例中，步驟(B1)的混合物還可包括氮化硼、銀原料、銅原料、或其組合。
具體而言，該步驟(B2)中的機械合金化係採用高能球磨法，其中所採用之磨球可為不銹鋼珠或二氧化鋯珠(ZrO2)，其粒徑可為2mm至10mm，但並非僅限於此。較佳的，前述機械合金化步驟的研磨時間為1小時至10小時。
較佳的，於步驟(C)所獲得的該鐵鉑基靶材中，鐵佔整體鐵鉑基靶材之含量係大於或等於20at%且小於或等於70at%；較佳的，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，鉑的含量係大於或等於10at%且小於或等於40at%；更佳的，鉑的含量係大於或等於14at%且小於或等於40at%；再更佳的，鉑的含量係大於或等於15at%且小於或等於38at%。
具體而言，該步驟(C)中的燒結方式可單獨採用熱均壓燒結法，亦可結合熱均壓燒結法和放電等離子體燒結法(spark plasma sintering，SPS)。
較佳的，該步驟(C)中，當單獨採用HIP燒結時，其燒結溫度為500℃至1300℃，燒結壓力為50百萬帕(MPa)至200MPa。當結合HIP和SPS燒結時，HIP的燒結溫度為500℃至1300℃，燒結壓力為50MPa至200MPa；SPS的燒結溫度為600℃至1300℃，燒結壓力為20MPa至100MPa。
較佳的，當單獨採用HIP燒結時，其持續燒結1小時至7小時。當結合HIP和SPS燒結時，HIP持續燒結1小時至3小時，SPS持續燒結0.1小時至3小時。
在一些實施例中，該步驟(C)可於不同溫度下進行分階段的燒結步驟。舉例而言，當單獨採用HIP燒結時，其可在高溫800℃至1300℃持續燒結0.5小時至5小時後，再降溫至500℃至800℃持續燒結0.5小時至2小時。在另一些實施例中，當結合HIP和SPS燒結時，先以HIP持續燒結1小時至3小時後，再以SPS於800℃至1300℃持續燒結0.1小時至1小時，再降至600℃至800℃持續燒結0.5小時至2小時。
圖1是實施例1之鐵鉑基靶材以SEM放大500倍之金相圖；圖2是實施例6之鐵鉑基靶材以SEM放大500倍之金相圖；圖3是比較例1之鐵鉑基靶材以SEM放大1000倍之金相圖；圖4是比較例2之鐵鉑基靶材以SEM放大500倍之金相圖；圖5是比較例4之鐵鉑基靶材以SEM放大500倍之金相圖；圖6是比較例5之鐵鉑基靶材以SEM放大500倍之金相圖；圖7是實施例1之鐵鉑基靶材的XRD圖譜；圖8是比較例1之鐵鉑基靶材的XRD圖譜。
為驗證原料組成、前處理及/或混合順序、燒結參數對鐵鉑基靶材靶材的影響，以下列舉數種鐵鉑基靶材靶材作為例示，詳細說明本創作的實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可經由本說明書之內容輕易地了解本創作所能達成之優點與功效，並且於不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本創作之內容。
以下實施例所用分析儀器型號：1.掃描式電子顯微鏡：Hitachi SE-3400；2.能量散佈光譜儀：HORIBA EMAX 450；3.X射線繞射儀：Multipurpose X-ray diffraction system；4.電感耦合等離子體發射光譜儀：Perkinelmer Avio 500。
以下實施例所使用的原料：1.碳原料：平均粒徑為3μm的鑽石碳粉；2.碳原料：平均粒徑為10μm的石墨碳粉；3.鐵原料：平均粒徑為60μm的鐵金屬粉；4.鉑原料：平均粒徑為7μm的鉑金屬粉；5.氮化硼：平均粒徑為2μm；6.銀原料：平均粒徑為8μm的銀金屬粉；7.銅原料：平均粒徑為80μm的銅金屬粉。
實施例1：鐵鉑基靶材
將鑽石碳粉及複數個直徑為5mm的磨球放置於一球磨罐，進行高能球磨3小時，得一經研磨的鑽石碳粉，其平均粒徑為0.5μm。另外，將所述經研磨的鑽石碳粉、鉑金屬粉及鐵金屬粉皆以400目數(mesh)的篩網過篩後備用。
接著，以整體原料之原子總數為基準，秤取25at%的經研磨的鑽石碳粉、30at%的鉑金屬粉、以及45at%的鐵金屬粉，接著混合前述鑽石碳粉、鉑金屬粉及鐵金屬粉以得到一混合物，再將該混合物進行高能球磨3小時，得一鐵鉑基合金粉末。
接著，將該鐵鉑基合金粉末均勻填充於一模具中，以800℃的燒結溫度、150MPa的燒結壓力、持續以熱均壓燒結法燒結3小時；最後以電腦數值控制(computer numerical control，CNC)車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
實施例2至8：鐵鉑基靶材
實施例2至8所採用的製備方法與實施例1之鐵鉑基靶材的製備方法相似。實施例2至8係依據如下表1所示之各鐵鉑基靶材的組成秤取所述鐵原料、鉑原料和經研磨後的碳原料並混合得到所述混合物，接著如同實施例1進行高能球磨步驟，再依據下表1所示之燒結方式和溫度進行燒結步驟，最後分別得到實施例2至實施例8之鐵鉑基靶材。
實施例1至實施例8之鐵鉑基靶材的製備方法之間的差異，主要是改變所選用的碳原料之型態，各原料的用量、以及燒結步驟採用的燒結方式和燒結溫度。其中，實施例2和5所選用的碳原料為石墨碳粉，實施例3、4、7及8所選用的碳原料和實施例1同為鑽石碳粉。
此外，於實施例3和實施例8中，所述燒結步驟係先以SPS持續燒結0.5小時再以HIP持續燒結3小時來完成，所述SPS和HIP的燒結溫度係如下表1中所示。
實施例9和10：鐵鉑基靶材
相較於實施例1至8之鐵鉑基靶材，實施例9和10之鐵鉑基靶材除了使用鐵原料、鉑原料和碳原料之外，更包含有氮化硼。實施例9和10所採用
的製備方法與實施例1之鐵鉑基靶材的製備方法相似，先以如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟處理鑽石碳粉；此外，所述氮化硼以400mesh的篩網先過篩備用；接著，依照下表1所示之實施例9和10之鐵鉑基靶材的組成秤取所述鐵原料、鉑原料、經研磨後的鑽石碳粉、和氮化硼，並混合以得到一混合物；利用如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟獲得所述鐵鉑基合金粉末；再依照下表1所示之燒結方式和溫度，將所述鐵鉑基合金粉末燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。實施例1與實施例9和10之鐵鉑基靶材的製備方法之間的差異主要是增加氮化硼作為原料、改變各原料的用量、以及改變燒結溫度。
實施例11至14：鐵鉑基靶材
相較於實施例1至8之鐵鉑基靶材，實施例11至14之鐵鉑基靶材除了使用鐵原料、鉑原料和碳原料之外，更包含有銀原料或銅原料。實施例11至14所採用的製備方法與實施例1之鐵鉑基靶材的製備方法相似，先以如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟處理鑽石碳粉；所述銀原料或銅原料以140mesh的篩網先過篩備用；接著，依照下表1所示之實施例11至14之鐵鉑基靶材的組成秤取所述鐵原料、鉑原料、經研磨後的鑽石碳粉、和銀原料(如實施例11和13)或銅原料(如實施例12和14)，並混合以得到一混合物；接著利用如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟獲得所述鐵鉑基合金粉末；再依照下表1所示之燒結方式和溫度，將所述鐵鉑基合金粉末燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。實施例1與實施例11至14之鐵鉑基靶材的製備方法之間的差異主要是增加銀原料或銅原料、改變各原料的用量、以及改變燒結溫度。
比較例1：鐵鉑基靶材
比較例1之鐵鉑基靶材所採用的方法與實施例1之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異在於碳原料的含量、燒結的方式和燒結溫度的不同。本比較例的具體製備方式如下所述：利用如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟處理鑽石碳粉；再依據如下表1所示之比較例1之鐵鉑基靶材的組成秤取所述鐵原料、鉑原料、經研磨後的鑽石碳粉一起混合以獲得一混合物；接著，利用如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟獲得所述鐵鉑基合金粉末；再將所述鐵鉑基合金粉末以熱壓成型法(hot pressing，HP)於1100℃的燒結溫度持續燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例2：鐵鉑基靶材
比較例2之鐵鉑基靶材所採用的方法與實施例3之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異在於：比較例2的碳原料並未進行高能球磨步驟。本比較例的具體製備方法如下所述：依據如下表1所示之比較例2的組成秤取鑽石碳粉、鉑金屬粉、以及鐵金屬粉，再將未經高能球磨的鑽石碳粉、鉑金屬粉及鐵金屬粉皆以400mesh的篩網過篩、混合並進行高能球磨3小時後，得一鐵鉑基合金粉末。接著，將該鐵鉑基合金粉末均勻填充於一模具中，先以800℃的燒結溫度、60MPa的燒結壓力、持續以SPS燒結0.5小時；接著，再以1100℃的燒結溫度、150MPa的燒結壓力、持續以HIP燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例3：鐵鉑基靶材
比較例3之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例5之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異在於碳原料的含量和燒結的方式的不同，以及比較例3的碳原料並未進行高能球磨步驟。本比較例的具體製備方法如下所述：根據如下表1所示之比較例3的組成秤取石墨碳粉、鉑金屬粉、以及鐵金
屬粉，再將未經高能球磨的石墨碳粉、鉑金屬粉及鐵金屬粉皆以400mesh的篩網過篩、混合並進行高能球磨3小時後，得一鐵鉑基合金粉末。接著，將該鐵鉑基合金粉末均勻填充於一模具中，再於1100℃的燒結溫度持續以HP燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例4：鐵鉑基靶材
比較例4之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例3之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異在於各原料的混合比例、混合順序和燒結溫度的不同。本比較例的具體製備方法如下所述：利用如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟處理鑽石碳粉；再依據如下表1所示之比較例4之鐵鉑基靶材的組成先秤取經研磨後的鑽石碳粉和鐵金屬粉混合並進行高能球磨3小時後，得一包含鐵碳化合物的粉末；接著再加入鉑金屬粉混合均勻後，先於800℃的燒結溫度、60MPa的燒結壓力，持續以SPS燒結0.5小時；接著，再於900℃的燒結溫度、150MPa的燒結壓力，持續以HIP燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例5：鐵鉑基靶材
比較例5之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例3之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異在於各原料的混合比例、混合順序和燒結溫度的不同。本比較例的具體製備方法如下所述：利用如同前述實施例1所採用之高能球磨步驟處理鑽石碳粉；再依據如下表1所示之比較例5之鐵鉑基靶材的組成先秤取經研磨後的鑽石碳粉和鉑金屬粉混合並進行高能球磨3小時後，得一混合粉末；接著再加入鐵金屬粉混合均勻後，先於800℃的燒結溫度、60MPa的燒結壓力，以SPS持續燒結0.5小時；接著，再於900℃的燒結溫度、150
MPa的燒結壓力，以HIP持續燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例6：鐵鉑基靶材
比較例6之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例2之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異：比較例6的碳原料並未進行高能球磨步驟，以及各原料的混合順序不同。本比較例的具體製備方法如下所述：依據如下表1所示之比較例6之鐵鉑基靶材的組成先秤取未經高能球磨的石墨碳粉和鐵金屬粉混合並進行高能球磨3小時後，得一包含鐵碳化合物的粉末；接著再加入鉑金屬粉混合均勻後，先於800℃的燒結溫度、60MPa的燒結壓力，以SPS持續燒結0.5小時；接著，再於900℃的燒結溫度、150MPa的燒結壓力，以HIP持續燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例7：鐵鉑基靶材
比較例7之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例2之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異：比較例7的碳原料並未進行高能球磨步驟，以及各原料的混合順序不同。本比較例的具體製備方法如下所述：依據如下表1所示之比較例7之鐵鉑基靶材的組成先秤取未經高能球磨的石墨碳粉和鉑金屬粉混合並進行高能球磨3小時後，得一混合粉末；接著再加入鐵金屬粉混合均勻後，先於800℃的燒結溫度、60MPa的燒結壓力，以SPS持續燒結0.5小時；接著，再於900℃的燒結溫度、150MPa的燒結壓力，以HIP持續燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
比較例8：鐵鉑基靶材
比較例8之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例1之鐵鉑基靶材的製備方法相似。比較例8係依據如下表1所示之組成秤取鐵原料、鉑原料和經研磨後的鑽石碳粉，並一起混合得到一混合物。實施例1和比較例8之鐵鉑基靶材的製備方法之間的主要差異：比較例8使用佔整體原料之原子總數的60at%的經研磨後的鑽石碳粉，以及比較例8的燒結溫度為1000℃。
比較例9：鐵鉑基靶材
比較例9之鐵鉑基靶材所採用的製備方法與實施例5之鐵鉑基靶材的製備方法大致相同，其主要差異：比較例9的碳原料並未進行高能球磨步驟，以及各原料的混合比例不同。本比較例的具體製備方法如下所述：根據如下表1所示之比較例9的組成秤取石墨碳粉、鉑金屬粉、以及鐵金屬粉，再將未經高能球磨的石墨碳粉、鉑金屬粉及鐵金屬粉皆以400mesh的篩網過篩後混合，得到一混合物；再進行高能球磨3小時後，得一鐵鉑基合金粉末。接著，將該鐵鉑基合金粉末均勻填充於一模具中，再於1100℃的燒結溫度持續以HIP燒結3小時；最後以CNC車床加工，獲得直徑165mm、厚度4mm之圓餅形的鐵鉑基靶材。
分析1：鐵鉑基靶材之金相微結構
分析1-1：觀察金相中各相的分布型態和形貌
分別於距離實施例1至14與比較例1至9之鐵鉑基靶材的圓心為0.5半徑的靶材部位進行採樣，以線割方式取得一10mm×10mm的試片。
採用SEM，以適當的倍率拍攝實施例1至14與比較例1至9之鐵鉑基靶材的試片的金相微結構。本說明書中以利用鑽石碳粉作為碳原料所製得之鐵鉑基靶材(如實施例1)和利用石墨碳粉作為碳原料所製得之鐵鉑基靶材(如實施例6)進行示範性說明，實施例1和實施例6之鐵鉑基靶材的金相微結構分別如圖1和圖2所示的SEM照片；另外，比較例1、2、4、5之鐵鉑基靶材的金相微結
構分別如圖3至圖6所示的SEM照片。實驗中另以能量散佈光譜儀(energy dispersive spectrometers，EDS)分析實施例2的金相組成，得到黑色相的組成為100at%的C，灰色相的組成為46.21at%Fe-53.79at%Pt，試片的整體相組成為41.92at%Fe-35.55at%Pt-22.53at%C。
從圖1、圖2和圖3至圖6的比較可看出，無論是選用哪種碳原料製備鐵鉑基靶材，預先對碳原料進行高能球磨後再採用熱均壓燒結法燒結鐵鉑基合金粉末，實施例1和實施例6之鐵鉑基靶材中的黑色相均呈現較細微的點狀均勻分布型態。反之，無論是採用熱壓成型法燒結的比較例1之鐵鉑基靶材，或是使用未先經高能球磨步驟處理碳原料的比較例2之鐵鉑基靶材，其所包含的碳相則呈現較為粗大的型態。另外，未將碳原料、鐵原料和鉑原料同時進行高能球磨步驟的比較例4和5之鐵鉑基靶材，其所包含的碳相則明顯呈現分布不均勻的現象；更進一步地，先將碳原料和鐵原料進行高能球磨步驟的比較例4，因鐵原料和碳原料會先反應產生較多的鐵碳化合物，使得最後燒結而得的鐵鉑基靶材中生成有大量孔洞；而先將碳原料和鉑原料進行高能球磨的比較例5，雖然燒結而得的鐵鉑基靶材中的孔洞量明顯變少，但卻會有狹長形、較大尺寸的黑色碳化物相析出。
分析1-2：金相中的碳相之平均尺寸
以影像分析軟體Image-Pro Plus，分別分析實施例1至14與比較例1至9之鐵鉑基靶材的試片的金相，所述金相係統一採用SEM以放大5000倍的倍率拍攝的金相。以隨機的方式拍攝同一試片中的3個不同區域，獲得了三張金相圖，再直接以所述影像分析軟體分析前述三張金相圖中各碳相之尺寸，最後以軟體計算前述三張金相圖中的碳相之平均尺寸，代表所述鐵鉑基靶材的碳相之平均尺寸，並將結果記載於下表1中。
分析1-3：金相中的碳相之軸長比
以影像分析軟體Image-Pro Plus，分別分析實施例1至14與比較例1至9之鐵鉑基靶材的試片的金相，所述金相係統一採用SEM以放大5000倍的倍率拍攝的金相。以隨機的方式拍攝同一試片中的3個不同區域，獲得了三張金相圖，再直接以所述影像分析軟體中內建的「Aspect」功能分析前述三張金相圖中的各碳相之軸長比，最後以軟體計算前述三張金相圖中的碳相之平均軸長比，代表所述鐵鉑基靶材的碳相之平均軸長比，並將結果記載於下表1中。
分析2：鐵鉑基靶材中FePt相的(111)晶面之特徵峰的FWHM
將觀察完金相的實施例1至14、比較例1至9之鐵鉑基靶材的試片分別以砂紙號數#60、#120、#240、#320、#600、#1000、#1500、#2000和#4000依序研磨；研磨時需旋轉90交叉研磨去除研磨痕，直至研磨至#4000的砂紙，即完成實施例1至14、比較例1至9之鐵鉑基靶材的XRD試片。接著，以步長0.04°、2θ介於20°至100°的條件下，利用XRD量測分析實施例1至14、比較例1至9之鐵鉑基靶材的晶相結構。X光繞射圖譜中，各結晶面所對應的特徵峰之強度會與試片表面晶粒的結晶方向有正相關。之後，再以軟體Jade分析所得的XRD圖譜中，FePt相的(111)晶面之特徵峰的FWHM，並將結果記錄於下表1中。
如圖7所示，實施例1的XRD圖譜中，訊號最強的41.181°之特徵峰代表FePt相的結晶面(111)；另外，圖8由下至上依序為Pt3Fe的標準品、Fe1.28Pt0.72的標準品、FePt的標準品、Fe4C、比較例1的XRD圖譜。從圖7和圖8的比較明顯可看出，圖7中代表FePt相的結晶面(111)訊號很強且其特徵峰很狹窄，並且具有很少雜相；反之，圖8中代表FePt相的結晶面(111)訊號相對較弱且其特徵峰相對寬很多，代表比較例1之鐵鉑基靶材具有多種合金相。
分析3：鐵鉑基靶材中表面析出的碳量
分別於實施例1至14與比較例1至9之鐵鉑基靶材以線割方式取得一30mm×30mm×3mm的試片。將前述實施例1至14、比較例1至9之鐵鉑基靶材的試片分別以砂紙號數#80、#240、#400、#800、#1500、#2500和#4000依序研磨；研磨時需旋轉90交叉研磨去除研磨痕，直至研磨至#4000的砂紙；待研磨完成後放入酒精溶液中以超音波清洗機清洗5分鐘。
接著，將清洗後的各試片放入100毫升的超純水中，使用超音波清洗機於25℃下震盪10分鐘，再以電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)檢測震盪後的純水溶液所具有的碳含量，代表所述鐵鉑基靶材的表面析出的碳量，並將結果記載於下表1中。
實驗結果討論
合併分析1-2、1-3以及分析3中實施例1至14和比較例1至9之結果可知，藉由控制碳原料的用量及其適當的前處理、對碳、鐵、鉑原料同時進行機械合金化處理以及利用HIP燒結鐵鉑基合金粉末，所製得之鐵鉑基靶材中的碳含量不超過45at%，且所述鐵鉑基靶材的金相中碳相的平均尺寸小於或等於2μm，且碳相的平均軸長比小於3。據此，實施例1至14之鐵鉑基靶材的表面所析出的碳量確實較比較例1至9之鐵鉑基靶材的表面所析出的碳量更低。
此外，由分析3中實施例1至14之鐵鉑基靶材的析出碳量的結果可知，所述鐵鉑基靶材之X光繞射圖譜中，鐵鉑合金的(111)晶面特徵峰之半高寬皆小於0.3°，而比較例1至9之鐵鉑基靶材的X光繞射圖譜中，鐵鉑合金的(111)晶面特徵峰之半高寬則皆大於0.3°。
更進一步地，由分析3中實施例1、6至8之鐵鉑基靶材(C佔25at%)相較於實施例5(C佔15at%)之鐵鉑基靶材的析出碳量的比較結果可知，當選擇鑽石碳粉作為碳原料時，即便實施例1、6至8之鐵鉑基靶材含有更多的碳成分，仍可比選擇石墨碳粉作為碳原料的實施例5之鐵鉑基靶材析出更少的碳量。由此可見，選用鑽石碳粉作為碳原料製備鐵鉑基靶材能有利於降低鐵鉑基靶材表面析出的碳量。
更進一步地，由分析3中實施例1至8和實施例9和10之鐵鉑基靶材的析出碳量的比較結果可知，當鐵鉑基靶材包含氮化硼時，可更進一步抑制實施例9和10之鐵鉑基靶材表面析出的碳量。
從分析3中比較例1至9之析出碳量的結果中，將比較例4和比較例6做比較，以及將比較例5和比較例7做比較，可以看出若先將碳原料進行高能機械研磨的步驟處理，可使鐵鉑基靶材表面析出的碳量降低。然而，即便已先將碳原料進行高能機械研磨的步驟處理，但若未同時控制碳原料之含量在適
當的範圍內(例如比較例8)、或未包含熱均壓燒結法的燒結方式(例如比較例1)、抑或碳原料和鐵原料及鉑原料未同時進行機械合金化(例如比較例4和5)則仍無法使鐵鉑基靶材表面析出的碳量降低至能適用的情況。
由此可見，本創作藉由適當控制鐵鉑基靶材之碳含量，以及控制其金相的碳相型態，不僅能提升鐵鉑基靶材的相組成之分佈均勻性，還可有效抑制鐵鉑基靶材的表面析出黑色碳的情形，進而降低鐵鉑基靶材在濺鍍過程中發生異常放電之發生機率、減輕微粒掉落於膜層上的問題，進而提升濺鍍形成的磁記錄層之膜層品質與良率。
上述實施例僅係為說明本創作之例示，並非於任何方面限制本創作所主張之權利範圍。本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述具體實施例。
Claims (14)
- 一種鐵鉑基靶材，其包含鐵、鉑、及碳；其中，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，碳的含量係大於或等於15原子百分比且小於或等於45原子百分比；在該鐵鉑基靶材的金相中，碳相的平均尺寸小於或等於2微米，且碳相的平均軸長比小於3。
- 如請求項1所述之鐵鉑基靶材，其中，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，鐵的含量係大於或等於20原子百分比且小於或等於70原子百分比；鉑的含量係大於或等於10原子百分比且小於或等於40原子百分比。
- 如請求項1所述之鐵鉑基靶材，其中，碳為鑽石碳、石墨碳、奈米碳管或其組合。
- 如請求項3所述之鐵鉑基靶材，其中，碳為鑽石碳。
- 如請求項1所述之鐵鉑基靶材，其中，於該鐵鉑基靶材之X光繞射圖譜中，鐵鉑合金的(111)晶面特徵峰之半高寬小於0.3°。
- 如請求項1至5中任一項所述之鐵鉑基靶材，其中，該鐵鉑基靶材更包括氮化硼。
- 如請求項1至5中任一項所述之鐵鉑基靶材，該鐵鉑基靶材更包括銅、銀、或其組合。
- 一種鐵鉑基靶材的製造方法，其步驟包含：步驟(A)：將碳原料以高能機械研磨法研磨，得到一經研磨的碳粉，其平均粒徑為0.3微米至3微米；步驟(B)：混合該經研磨的碳粉、鐵原料、與鉑原料並進行機械合金化，得到一鐵鉑基合金粉末；以及步驟(C)：以包含熱均壓燒結法的燒結方式燒結該鐵鉑基合金粉末，獲得一鐵鉑基靶材；其中，以整體鐵鉑基靶材之原子總數為基準，碳的含量係大於或 等於15原子百分比且小於或等於45原子百分比；在該鐵鉑基靶材的金相中，碳相的平均尺寸小於或等於2微米，且碳相的平均軸長比小於3。
- 如請求項8所述之鐵鉑基靶材的製造方法，其中，該鐵鉑基靶材中，鐵佔整體鐵鉑基靶材之含量係大於或等於20原子百分比且小於或等於70原子百分比；鉑佔整體鐵鉑基靶材之含量係大於或等於10原子百分比且小於或等於40原子百分比。
- 如請求項8所述之鐵鉑基靶材的製造方法，其中，於該步驟(B)中，該鐵原料的平均粒徑為20微米至80微米，該鉑原料的平均粒徑為1微米至10微米。
- 如請求項8至10中任一項所述之鐵鉑基靶材的製造方法，其中，步驟(B)包括：步驟(B1)：混合該經研磨的碳粉、鐵原料、與鉑原料，得到一混合物；及步驟(B2)：該混合物進行高能球磨，得到該鐵鉑基合金粉末。
- 如請求項8至10中任一項所述之鐵鉑基靶材的製造方法，其中，該步驟(B)中更包括平均粒徑小於3.0微米的氮化硼、平均粒徑為50微米至150微米的銅原料、平均粒徑為5微米至10微米的銀原料、或其組合。
- 如請求項8至10中任一項所述之鐵鉑基靶材的製造方法，其中，該步驟(C)的燒結方式係更包含放電等離子體燒結法。
- 如請求項13所述之鐵鉑基靶材的製造方法，其中，該步驟(C)中，燒結溫度為500℃至1300℃，燒結壓力為50百萬帕至200百萬帕。
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