-
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Target einer Legierung auf Kobalt-Basis zur
Verwendung beim Magnetronsputtern und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
-
Ein konventionelles Sputter-Target auf Basis einer Kobalt-Legierung, wie sie bisher benutzt
wurde, besteht zum Teil aus einer hcp-Phase und der Rest aus einer fcc-Phase und einer
hcp-Phase und ist durch ein solches Verfahren hergestellt, bei dem ein Legierungsmaterial
auf Kobalt-Basis, welches aus einer einzigen fcc-Phase besteht, zum Zwecke des
Schmelzens aufgeheizt und dann in eine Form gegossen wird und dann von einer hohen
Temperatur, bei der es aus einer einzigen fcc-Phase besteht, abgekühlt wird, derart, daß das
geformte Teil kaltgestellt wird oder daß das geformte Teil kaltgestellt wird, nachdem es
einer Heißbehandlungsphase unterworfen wurde, so daß ein Teil der alleinigen fcc-Phase in
einen Martensit umgewandelt wird, der eine hcp-Phase enthält, und die so hergestellte
Legierung auf Kobalt-Basis wurde bisher zum Magnetronsputtern benutzt. Eine geeignete
Legierung auf Kobalt-Basis ist bekannt aus US-A-3 626 570.
-
Das Magnetronsputtern wird derart ausgeführt, daß auf und über der Oberfläche des Targets
ein magnetisches Streufeld erzeugt wird, so daß das Plasma auf der Oberfläche des Targets
konzentriert werden kann. Benutzt man als Target eine magnetische Substanz wie die
konventionelle Legierung auf Kobalt-Basis, hergestellt wie oben beschrieben, durchdringt
der magnetische Fluß leicht das Innere des Targets. Um ein Streufeld auf der Oberfläche
des Targets erzeugen zu können, war es notwendig, daß die Dicke des Targets klein
gemacht wurde, wobei die Sättigungsmagnetisierung zu berücksichtigen ist.
-
Das oben beschriebene konventionelle Sputter-Target einer Legierung auf Kobalt-Basis
besitzt eine kleine Dicke, weshalb sich derartige Defekte ergeben, daß die
Betriebslebensdauer vergleichsweise kurz ist und daß entsprechend dem Fortschreiten der
Erosion des Sputter-Targets das magnetische Feld in den erodierten Abschnitten vergrößert
ist, so daß das Plasma auf diese erodierten Abschnitte konzentriert ist und daher das Target
lokal verbraucht wird, was in einem schlechten Nutzungsfaktor resultiert.
-
Daher ist es wünschenswert, die Benutzung eines Sptitter-Targets einer Legierung auf
Kobalt-Basis zu ermöglichen, die dicker ist als ein konventionelles Sputter-Target einer
Legierung auf Kobalt-Basis.
-
Um die oben genannten Wünsche zu erfüllen, haben die Erfinder verschiedene Studien und
Forschungsarbeiten über die Beziehungen der magnetischen Eigenschaften des Sputter-
Targets einer Legierung auf Kobalt-Basis mit dem Oberflächenstreufeld, den
Erosionsformen und anderem, durchgeführt. Als Resultat hieraus wurde das unerwartete
Ergebnis erzielt, daß die Erzeugung des Oberflächenstreufelds nicht vom Targetmaterial
abhängt, wie es die herrschende Meinung ist, sondern es ist Tatsache, daß dieses Streufeld
von seiner Permeabilität abhängt. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde bestätigt, daß
eine Legierung auf Kobalt-Basis, die eine große Sättigungsmagnetisierung aufweist, eine
kleinere Permeabilität aufweisen kann und daß damit das Oberflächenstreufeld verstärkt
werden kann. Außerdem wurde gefunden, daß im Fall einer Legierung auf Kobalt-Basis das
Mengenverhältnis der fcc-Phase zur hcp-Phase den Haupteinfluß auf die Größe der
Permeabilität hat. Es wurde nämlich gefunden, daß die hcp-Phase einer Legierung auf
Kobalt-Basis eine sehr große kristalline magnetische Anisotropie besitzt, während seine fcc-
Phase eine kleine kristalline magnetische Anisotropie besitzt und daher die Erzeugung eines
magnetischen Streufelds an der Oberfläche des Targets dann leichter wird, wenn der Anteil
der hcp-Phase erhöht und damit die Permeabilität der Legierung auf Kobalt-Basis verringert
wird. Desweiteren wurde herausgefunden, daß, wenn die Menge eines zusätzlichen
Elementes wie Ni, Cr, Pt, W, V, Ti oder ähnliches in der Legierung auf Kobalt-Basis
erhöht, die Permeabilität der Legierung auf Kobalt-Basis verringert wird und damit die
Erzeugung eines magnetischen Streufeldes entsprechend einfacher wird, obwohl die
Sättigungs-Magnetisierung verringert ist.
-
Wenn es, unter dem Gesichtspunkt des Mengenverhältnisses der fcc- zur hcp-Phase,
möglich ist, daß die fcc-Phase des Sputter-Targets einer Legierung auf Kobalt-Basis, welche
durch das konventionelle Verfahren hergestellt ist, verringert ist und seine hcp-Phase erhöht
ist, so daß der Wert des Verhältnisses der fcc-Phase zur hcp-Phase klein wird, könnte die
Permeabilität des Targets durch diesen verringerten Wert verringert werden, was in einer
Zunahme der Erzeugung des Streumagnetfelds auf der Oberfläche des Targets führen
würde. Das bedeutet, daß eine Legierung auf Kobalt-Basis benutzt werden könnte, die
dicker als die konventionelle Legierung auf Kobalt-Basis ist, was zu einer Verlängerung der
Betriebslebensdatier und einer Verbesserung der Nutzungseffizienz führen würde. Auch
würde demnach die Nutzung einer Legierung auf Kobalt-Basis mit einem kleineren
Mengenverhältnis der fcc-Phase zur hcp-Phase mit einer Dicke, die gleich konventionellen
ist, eine Verringerung der Größe des Gerätes zur Erzeugung des magnetischen Feldes und
damit eine Einsparung des Stromverbrauchs mit sich bringen.
-
Übrigens ist es schwierig, das Verhältnis der fcc-Phase zur hcp-Phase einer Legierung auf
Kobalt-Basis als Volumen-Verhältnis zu erhalten. Entsprechend kann man annehmen, ein
Verhältnis der Röntgenstreuintensitäts-Peaks zu erhalten, welches proportional zum
Volumenverhältnis ist. In diesem Fall überlappen die Röntgenstreu-Peak der fcc-Phase und
der hcp-Phase einer Ebene aber es ist Tatsache, daß ein Röntgenstreu-Peak der (200)-Fläche
der fcc-Phase und ein Röntgenstreu-Peaks der (101)-Fläche der hcp-Phase nicht miteinander
überlappen. Diese Tatsache wird ausgenutzt, indem das Intensitätsverhältnis der
-
Röntgenstreu-Peaks, d. h. Ifcc(200)/Ihcp(101) genießen wird und dabei das
Mischungsverhältnis der beiden Phasen als relativer Wert erhalten werden kann.
-
Die Erfinder haben ein Herstellungsverfahren entwickelt, ein Sputter-Target einer Legierung
auf Kobalt-Basis herzustellen, bei dem das Intensitätverhältnis der Röntgenstreu-Peaks der
fcc-Phase zur hcp-Phase kleiner ist als bei Sputter-Targets aus Legierungen auf Kobalt-
Basis, die durch das vorher beschriebene konventionelle Verfahren hergestellt worden sind.
Es ist nämlich ein Ziel der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für ein Sputter-Target
einer Legierung auf Kobalt-Basis zu liefern, wobei an erster Stelle eine konventionelle
Legierung auf Kobalt-Basis durch ein Verfahren hergestellt wird, derart, daß eine
Legierung auf Kobalt-Basis, welche eine einzige fcc-Phase enthält, zum Zwecke des
Schmelzens erhitzt und dann in eine Form gegossen wird und anschließend von der hohen
Temperatur, in der es die fcc-Phase enthält, abgekühlt wird, derart, daß das resultierende
geformte Target zum Abkühlen auf Normaltemperatur kaltgestellt wird oder daß das
geformte Target, nachdem es einem weiteren Heißbehandlungsschritt unterworfen wurde,
zum Abkühlen auf Normaltemperatur kaltgestellt wird, so daß ein Teil der einzigen feephase
in einen Martensit umgewandelt wird, der eine hcp-Phase enthält und an zweiter
Stelle die erhaltene Legierung auf Kobalt-Basis, welche eine hcp-Phase und eine fcc-Phase
enthält, einem Kaltbehandlungsschritt unterworfen wird, wobei Druck ausgeübt werden
kann, um zusätzlich einen Teil der noch unverändert bestehenden fcc-Phase in einen
Martensit, der die hcp-Phase enthält, umzuwandeln.
-
So erhält man erfindungsgemäß Sputter-Targets einer Legierung auf Kobalt-Basis, deren
Röntgenstreuintensitätsverhältnis Ifcc(200)/Ihcp(101) kleiner ist als das
Röntgenstreuintensitätsverhältnis der vorherigen Kobalt-Legierung, die noch nicht dem
Kaltbehandlungsschritt unterworfen war. Entsprechend liefert diese Erfindung ein Sputter-
Target einer Legierung auf Kobalt-Basis, deren Permeabilität entsprechend dem kleineren
Wert des Intensitätsverhaltnisses der Röntgenstreu-Peaks Ifcc(200)/Ihcp(101) verringert ist.
-
So können mit dem erfindungsgemäßen Sputter-Target einer Legierung auf Kobalt-Basis die
beschriebenen Mängel eines konventionellen Targets einer Legierung auf Kobalt-Basis
vermieden werden und das erfindungsgemäße Sputter-Target einer Legierung auf Kobalt-
Basis kann in dickerer Ausführung benutzt werden als das konventionelle Target, in
welchem Fall die Betriebslebensdauer länger und die Nutzungseffizienz erhöht ist im
Vergleich mit einem konventionellen Target. Bei einem erfindungsgemäßen Sputter-Target
ist nämlich das Mengenverhältnis der fcc-Phase zur hcp-Phase kleiner als bei einem
gewöhnlichen Sputter-Target und entsprechend wird die Permeabilität kleiner und damit
kann leichter ein Oberflächenstreufeld erzeugt werden, so daß das Sputter-Target dicker
gemacht werden kann, womit die Nutzungseffizienz um diesen Wert erhöht werden kann.
-
Für die Kaltbehandlung kann jede der konventionellen Methoden wie Walzen, Ziehen,
Hämmern, Schmieden, im allgemeinen Pressen, oder ähnliches benutzt werden. In diesem
Fall ist es vorteilhaft, daß die Legierung auf Kobalt-Basis so kaltbehandelt wird, daß das
Kompressionsverhältnis 5% oder mehr beträgt.
-
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele dieser Erfindung zusammen mit
Vergleichsbeispielen und in Bezug zu den Zeichnungen beschrieben, wobei
-
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Intensitätsverhältnisses der Röntgenstreu-Peaks
Ifcc(200)/Ihcp(101) eines Targets aus einer Legierung auf Kobalt-Basis gegen dessen
Dicke ist,
-
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Intensitätsverhältnis und
der Nutzungseffizienz des Sputter-Targets ist und
-
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Intensitätsverhältnis des
Targets und dessen Querschnittskompressionsverhältnisses ist.
-
Als Legierungsmaterial auf Kobalt-Basis kann jede gewünschte Legierung auf Kobalt-Basis
ausgewählt werden aus allen Arten von Legierungen auf Kobalt-Basis, die verschiedene
Zusammensetzungen enthalten, indem man das Kobalt als Basismaterial benutzt und darin
wenigstens eines der Metalle wie Ni, Cr, Pt, W, usw. als Zusatz benutzt. Dem Verfahren
entsprechend wird das ausgewählte Material, welches die gewünschte Zusammensetzung
aufweist und aus einer einzigen fcc-Phase besteht, zum Schmelzen erhitzt, das
geschmolzene Material in eine Form gegossen und zum Abkühlen auf Raumtemperatur
kaltgestellt. Oder das schon verfestigte, aber noch heiße Material wird vor dem Abkühlen
einem Heißbehandlungsschritt unterworfen, um es zu einem Blech mit einer vorbestimmten
Dicke zu pressen, wobei das erhaltene Blech auf Zimmertemperatur abgekühlt wird. In
jedem Fall wird ein Teil der fcc-Phase des Materials während des Kühlens in eine hcp-
Phase, d. h. einen Martensit umgewandelt. Die resultierende Legierung auf Kobalt-Basis,
welche die hcp-Phase und die fcc-Phase enthält, ist ein konventionelles Produkt. In der
folgenden Tabelle 1 sind die gewöhnlichen Kobalt-Sputter-Target-Produkte, welche durch
den eben beschriebenen Prozeß hergestellt sind, Probe Nr. 1, welche Co-20at. %Ni-
10at.%Cr enthält, Probe 5, welche Co-16at.%Cr enthält, Probe 7, welche Co-20at.%Ni-
10at.%Pt enthält und Probe Nr. 9, welche Co-25at.%Ni enthält, dargestellt. Die
entsprechenden Werte des Intensitätsverhältnisses der Röntgenstreu-Peaks
Ifcc(200)/Ihcp(101) sind 1,75, 1,90, 1,65 und 2,03.
-
Erfindungsgemäß werden diese vorgenannten konventionellen Legierungen auf Kobalt-Basis
einer Kaltwalzbehandlung unterworfen. Durch den Kaltbehandlungsschritt werden diese
Proben so komprimiert, daß das Querschnittskompressionsverhältnis, wie in Tabelle 1
gezeigt, 5% oder mehr beträgt. Als Ergebnis erhält man erfindungsgemäße Sputter-Target-
Produkte einer Legierung auf Kobalt-Basis, welche als Proben Nr. 2, 3, 4, 6, 8 und 10 in
Tabelle l gezeigt sind. Wenn man die Intensitätsverhältnisse Ifcc(200)/Ihcp(101) der
-
Röntgenstreu-Peaks dieser Proben mit den entsprechenden konventionellen Proben
vergleicht, so wird damit verständlich, daß das Intensitätsverhältnis 1,75 (der
konventionellen Probe Nr. 1) durch den erfindungsgemäßen Kaltbehandlungsschritt auf
1.21 bei einem Querschnittskompressionsverhältnis von 5% verringert ist und daß weiterhin
bei einer Erhöhung des Querschnittskompressionsverhältnisses auf 10 bzw. 15% das
Intensitätsverhältnis auf 0.39 bzw. 0.30 (Probe Nr. 3 bzw. Probe Nr. 4) verringert wird
und daß auch die entsprechenden Intensitätsverhältnisse der Proben Nr. 5, Nr. 7 und Nr. 9
durch Anwendung des Kaltbehandlungsschrittes entsprechend reduziert werden. Im
einzelnen wird der Wert 1.90 (Probe Nr. 5) auf 0.45 (Probe Nr. 6), der Wert 1.65 (Probe
Nr. 7) auf 0.35 (Probe Nr. 8) und der Wert 2.03 (Probe Nr. 9) auf 0.42 (Probe Nr. 10)
verringert. So wurde bestätigt, daß das Intensitätsverhältnis Ifcc(200)/Ihcp(101) der
Röntgenstreu-Peaks des konventionellen Legierungsprodukts auf Kobalt-Basis durch
Anwendung des Kaltbehandlungsschritts auf das Produkt verringert wird und daß
entsprechend, wenn das Kompressionsverhältnis des erfindungsgemäßen Produkts durch
Kaltbehandlung zunimmt, der Wert des Intensitätsverhältnisses abnimmt.
-
Messungen des Intensitätsverhältnisses und der Permeabilität jeder dieser vorangegangenen
Proben wurden an Scheiben dieser Proben ausgeführt, die mit Königswasser behandelt
worden waren.
-
Die Resultate der Permeabilitätsmessungen dieser Proben sind auch in Tabelle 1 dargestellt.
Damit wurde bestätigt, daß die Permeabilitäten der konventionellen Proben durch diese
Kaltbehandlung bemerkenswert reduziert werden können.
-
Anschließend wurden die Target-Eigenschaften der entsprechenden Proben untersucht,
indem eine Gleichstrom-Magnetronkathode der Dimension 127mm · 203,2mm (5inch ·
8inch) benutzt wurde, wobei die Resultate in Tabelle 1 dargestellt sind. Hier repräsentiert
der Ausdruck "relative Target-Dicke" eine Target-Dicke, wenn auf dessen Oberfläche ein
magnetisches Streufeld von 250 G erzeugt wird unter der Bedingung, daß jede Probe des
Targets sich auf der Kathode befindet, in der ein paralleles magnetisches Feld von 600 G im
Zentrum zwischen den magnetischen Polen herrscht.
-
Wie aus den Werten der relativen Dicken der entsprechenden Proben aus Tabelle 1 klar
wird, können die Target-Proben einer der Legierung auf Kobalt-Basis, die erfindungsgemäß
kaltbehandelt wurden, deutlich dicker gemacht werden als die entsprechenden
konventionellen Target-Prohen einer Legierung auf Kobalt-Basis, die nicht kaltbehandelt
wurden, d. h. bevor sie kaltbehandelt wurden. Weiterhin wurde für die Target-Proben die
jeweilige Nutzungseffizienz untersucht, wobei die jeweiligen 5mm dicken Target-Proben in
eine Position als Target gebracht werden, die Kathode so eingestellt wird, daß das
Oberflächenstreufeld 250 G beträgt, das Sputterverfahren ausgeführt wird, währenddessen
das Plasma in der Kammer auf den erodierten Bereich des Targets konzentriert ist und daher
das Target lokal erodiert wurde, bis die Dicke des am meisten erodierten Teils der Probe
null wurde, wobei dann der Sputterprozeß unterbrochen wurde und die genutzte Menge des
Targets gemessen wurde. Die so erhaltenen Resultate sind in Tabelle 1 dargestellt. Daraus
kann entnommen werden, daß die Nutzungseffizienzen der erfindungsgemäßen
kaltbehandelten Proben gegenüber den nicht kaltbehandelten Proben deutlich verbessert
sind.
Tabelle 1
Nr. Probe Zusammensetzung Teilflächen-Kompressionsverhältnis bei Kaltbearbeitungsschritt Röntgenstreu-Peaks-Intensitätsverhältnis Permeabilität Relative Target-Dicke Nutzungseffizienz Konventionelles Produkt Erfindungsgemäßes Produkt
-
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die Beziehung zwischen dem Intensitätsverhältnis der Röntgensteu-
Peaks Ifcc(200)/Ihcp(101) und der relativen Target-Dicke bzw. der Target-
Nutzungseffizienz in dem Fall, wenn man als typisches Beispiel ein Target, das
Co-20at.%Ni-10at.%Cr enthält, und es kann daraus entnommen werden, daß die Target-
Dicke und die Target-Nutzungseffizienz mit abnehmenden Intensitätsverhältnis entsprechend
zunimmt.
-
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Intensitätsverhältnis der Röntgen-Peaks
Ifcc(200)/Ihcp (101) und dem Querschnittskompressionsverhältnis des Targets im Falle eines
typischen Targets, das Co-20at.%Ni-10at.%Cr enthält und daraus kann entnommen werden,
daß das Intensitätsverhältnis mit steigendem Kompressionsverhältnis abnimmt.
-
Weiterhin wurden die vorangegangenen Ausführungsbeispiele für den Fall der Nutzung
eines Gleichstrom-Magnetronsputtergerätes erklärt, aber diese Erfindung kann jedem
gewünschten Sputterverfahren angepaßt werden, wobei das Plasma durch das magnetische
Feld eines Radiofrequenzmagnetrons, eines koaxialen Magnetrons, eines
Triodenmagnetrons oder ähnliches gesteuert wird.
-
Erfindungsgemäß wird das Legierungsmaterial auf Kobalt-Basis, welches eine einzige fcc-
Phase enthält, durch Erhitzen geschmolzen und dann von einer hohen Temperatur auf
Raumtemperatur abgekühlt, so daß ein Teil der Probe in eine hcp-Phase transformiert
werden kann, d. h. eine Martensit-Tranformation stattfinden kann, anschließend
kaltbehandelt, indem Druck ausgeübt wird, so daß deren Intensitätsverhältnis der
Röntgenstreu-Peaks Ifcc(200)/Ihcp(101) verringert ist, wobei man so die erfindungsgemäße
kaltbehandelte Legierung auf Kobalt-Basis erhält. Wenn das Produkt für ein Sputter-Target
benutzt wird, so kann leicht ein Oberflächenstreufeld erzeugt werden, auch dann, wenn
dessen Dicke größer als die eines konventionellen Targets einer Legierung auf Kobalt-Basis,
die noch nicht kaltbehandelt wurde, ist und auch dessen Nutzungseffizienz kann erhöht
werden, und in dem Fall in dem die Dicke des Targets gleich groß ist wie diejenige eines
Targets, das noch nicht kaltbehandelt wurde, kann die Vorrichtung zur Erzeugung des
magnetischen Feldes eine geringe Größe aufweisen und kann der Verbrauch elektrischer
Energie verringert werden, wenn dies als zusätzliche Möglichkeit gewünscht wird.