DE4410114A1 - Target für Magnetron-Kathodenzerstäubungsanlage aus einer Kobalt-Basislegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Target für Magnetron-Kathoden­ zerstäubungsanlagen aus einer Kobalt-Basislegierung, die weitere Elemente in Konzentrationen enthält, so daß mit mindestens einem dieser Elemente intermetallische Phasen gebildet werden und aufgrund des Phasendiagramms im Gleich­ gewichtszustand bei der Betriebstemperatur des Targets in­ termetallischer Phasen beobachtet werden.

Beim Magnetron-Kathodenzerstäuben werden zur Optimierung des Zerstäubungsprozesses Permanentmagnete hinter dem Target (Kathode) so angeordnet, daß sich vor dem Target, im Entla­ dungsraum, ein Magnetfeld ausbildet, durch das das Entla­ dungsplasma lokalisiert wird. Der Bereich der Targetober­ fläche, über dem das Plasma lokalisiert ist, wird bevorzugt zerstäubt, wodurch sich dort ein Erosionsgraben bildet.

Bei ferromagnetischen Targets treten dabei hauptsächlich zwei Probleme auf:

• - Erstens wird der magnetische Fluß der Permanentmag­ nete im Target gebündelt, so daß ein geringer Fluß in den Entladungsraum dringen kann. Dieses Problem erfordert daher die Verwendung sehr dünner ferro­ magnetischer Targets.
• - Zweitens bewirkt die lokale Querschnittsabnahme des Target während der Kathodenzerstäubung (Ero­ sionsgraben) bei ferromagnetischen Targets einen zunehmenden Magnetfluß direkt über dem Erosions­ graben. Dadurch tritt lokal eine höhere Ionisier­ ungswahrscheinlichkeit des Zerstäubungsgases und lokal eine höhere Zerstäubungsrate auf, mit der Folge, daß der Erosionsgraben sehr eng wird, ver­ bunden mit einer nur geringen Materialausbeute des Targets.

Verbesserte Magnetfeldgeometrien und ein höherer Magnetfeld­ durchgriff können durch aufwendige Targetkonstruktionen er­ reicht werden. Durch Schlitze im Target, senkrecht zur Rich­ tung des Magnetfeldes, kann der magnetische Widerstand im Target erhöht werden und ein größeres Feld im Entladungsraum erreicht werden (K. Nakamura et al. IEEE Transactions on Magnetics, Bd. MAG-18, 1982, S. 1080-1082).

Kukla et al. (IEEE Transactions on Magnetics, Bd. MAG-23, 1987, S. 137-139) beschreiben eine Kathode für ferromagne­ tische Materialien, die aus mehreren Einzeltargets besteht, die in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind, um ein höheres Magnetron-Magnetfeld zu erreichen. Diese Konstruk­ tionen sind jedoch teurer und erschweren die Magnetron- Kathodenzerstäubung.

In der DE 38 19 906 ist ein Target zum Einsatz in Magnetron- Kathodenzerstäubungsanlagen beschrieben, bei dem der magne­ tische Felddurchgriff durch das Einstellen einer hexagonalen (0001)-Fasertextur senkrecht zur Targetfläche erreicht wer­ den kann und bei dem man mit einer größeren Ausgangsdicke einen besseren Ausnutzungsgrad der Targets erzielt. Nach der DE 38 19 906 wird diese (0001)-Fasertextur durch eine Kalt­ formung bei Temperaturen unter 400°C erreicht. Es zeigte sich jedoch, daß diese Kaltumformung nur schwer bzw. gar nicht durchführbar ist, wenn die Targets aufgrund der Le­ gierungszusammensetzung nennenswerte Anteile an interme­ tallischen Phasen enthalten.

In EP 252 478 B1 schließlich ist ein Sputter-Target aus einer Kobalt-Basislegierung beschrieben, das bei Tempera­ turen knapp unterhalb des Schmelzpunktes nur eine einzige kubische Phase aufweist. Durch geeignete Walzumformungen bei Temperaturen unterhalb des martensitischen Umwandlungspunk­ tes wird dann ein Target erhalten, dessen Röntgenbeugungs­ diagramm deutlich mehr hexagonale Phasenanteile aufweist als das des direkt nach dem Gießen erhaltenen Materials. Es zeigte sich, daß die beschriebenen Kaltumformungen wiederum nur schwer bzw. gar nicht durchführbar sind, wenn die Kobalt­ basislegierungen nennenswerte Anteile an intermetallischen Phasen enthalten. In allen Fällen traten schon bei geringen Dickenabnahmen starke Risse in den Walzenplatten auf.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Target für Magnetron-Kathodenzerstäubungsanlagen aus Kobalt­ basislegierungen zu entwickeln, die weitere Elemente in Konzentrationen enthalten, so daß mit mindestens einem der Elemente intermetallische Phasen gebildet werden und aufgrund des Phasendiagramms und der Erstarrungskinetik im Gleichgewichtszustand bei der Betriebstemperatur des Targets intermetallische Phasen feststellbar sind. Es soll dabei erreicht werden, daß das Target einen hohen Magnetfeld­ durchgriff aufweist, ohne daß es einer der oben beschrie­ benen Kaltverformungen unterworfen werden muß. Auf diese Weise sollen auch für die Klasse von Kobalt-Basislegierun­ gen, die intermetallische Phasen enthalten, höhere Target­ ausbeuten erreicht werden und größere Targetdicken einsetz­ bar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Targetmaterial mindestens eines der beiden folgenden Merk­ male aufweist:

• a) Es liegt eine Matrix aus primären Kobaltmischkristallen vor, deren Korngrenzen, Unterkorngrenzen oder Zwillings­ korngrenzen oder Gleitbänder mit den die intermetalli­ sche Phasen bildenden Elemente dekoriert sind. In die Matrix eingebettet sind mehr oder weniger ausgeprägte eutektische Zonen, bestehend aus den Kobaltmischkris­ tallen sowie intermetallischen Phasen.
• b) Das Röntgenbeugungsdiagramm weist Röntgenreflexe einer intermetallischen Phase auf, die im Gußzustand nicht anzutreffen ist und die durch eine Festkörperreaktion unterhalb der Solidustemperatur der eingesetzten Le­ gierung gebildet wird.

Dieses spezielle Gefüge wird dadurch erreicht, daß man das Targetmaterial nach dem Gießen und einer evtl. Eiweißwalzum­ formung bei Temperaturen von max. 300°C unterhalb der Tem­ peratur für die fest-fest Umwandlungsreaktion glüht. Diese Temperatur ist für jede Legierung neu mit einigen Handver­ suchen zu ermitteln. Üblicherweise liegt sie für die be­ trachteten Kobalt-Basislegierungen im Bereich von 700°C bis 1100°C. Glühungen weit unterhalb der Umwandlungstemperatur führen wegen der dann sehr geringen Diffusionsgeschwindig­ keit zu sehr langsamen Umwandlungsreaktionen und entsprechend langen und unwirtschaftlichen Glühzeiten.

Die Kobalt-Basislegierung enthält dabei neben Elementen wie Ni, Pt, Pd, Cr auch Elemente wie Ta, B, Mo, W, Hf, V, Nb, die mit mindestens einem der vorgenannten Elemente inter­ metallische Phasen bilden, wobei der Gehalt an intermetal­ lische Phasen bildenden Elementen so groß sein muß, daß sie im Gleichgewichtszustand bei der Betriebstemperatur des Targets nicht mehr vollständig im Kobalt-Mischkristall gelöst vorliegen.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Targets, die neben den Co-Mischkristallen auch intermetallische Phasen aufwei­ sen, nach einer Glühbehandlung bei einer entsprechend dem Phasendiagramm geeignet zu wählenden Temperatur einen deut­ lich höheren Magnetfelddurchgriff aufweisen, als Targets gleicher Zusammensetzung, die direkt aus dem Gußbarren oder aus einer knapp unter der Solidustemperatur gewalzten Platte hergestellt wurden.

Im Gegensatz hierzu führt eine Glühbehandlung bei Targets, die aufgrund ihrer Zusammensetzung keine Ausscheidungen an intermetallischen Phasen aufweisen, zu keiner Verbesserung des Magnetfelddurchgriffs. Wenn solche Targets jedoch einer der in der Literatur beschriebenen Kaltumformungen unter­ worfen werden, ergibt sich die erwartete Verbesserung im Magnetfelddurchgriff. Eine anschließende Glühbehandlung bei Temperaturen im Bereich 700°C-1100°C, entsprechend der vorliegenden Erfindung, führt hier sogar zu einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung dieser Verbesserung des Magnet­ felddurchgriffs. Um so erstaunlicher ist daher die beobach­ tete Verbesserung des Magnetfelddurchgriffs für Kobalt-Basis­ legierungen, die sich von diesen Legierungen nur insofern unterscheiden, als sie geringfügig höhere Anteile der Ele­ mente Ta, B, Mo, W, Hf, V, Nb enthalten, so daß sich jetzt intermetallische Ausscheidungsphasen bilden.

Sorgfältige Gefüge- und Phasenuntersuchungen an entsprechend der vorliegenden Erfindung behandelten Kobalt-Basislegierun­ gen haben gezeigt, daß sich durch die Glühbehandlung Ausscheidungen bilden, die die Korngrenzen oder Zwillings­ korngrenzen oder Gleitbänder der Kobalt-Mischkristalle dekorieren. Diese Ausscheidungen enthalten deutliche Anteile der Elemente, die auch die intermetallischen Phasen bilden (s. Bild 1). Außerdem zeigen Phasenuntersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie und Elektronen-Mikrosonde, daß sich durch die Glühbehandlung die Zusammensetzung der interme­ tallischen Phasen ändert bzw. neue intermetallische Phasen gebildet werden. Dies läßt eine fest-fest Umwandlung vermuten, wie sie z. B. auch für das System Co-Ta angegeben wird (Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition, T. M. Massalski (ed.), ASM International, 1990).

Targets, die ein Gefüge entsprechend der vorliegenden Erfin­ dung aufweisen, zeigen einen deutlich höheren Magnetfeld­ durchgriff als unbehandelte Targets gleicher Zusammensetzung und Geometrie. Sie sind teilweise sogar Targets überlegen, die wegen des Fehlens der intermetallischen Phasen mittels der in der Literatur beschriebenen Kaltverformungen herge­ stellt werden müssen.

Tabelle 1 faßt die Versuchungsergebnisse zusammen, die an Beispielen entsprechend der vorliegenden Erfindung und an Vergleichsbeispielen gewonnen wurden. Alle Targets wurden über Schmelzen der entsprechenden Legierungskomponenten unter Vakuum oder Schutzgas und anschließendem Abgießen in eine Kokille hergestellt.

Zur Charakterisierung der magnetischen Targeteigenschaften wurde die zur Targetoberfläche parallele Magnetfeldkompo­ nente gemessen, während das Target auf einem Magnetsatz für eine PK150-Kathode (⌀ 150 mm) lag. Die Feldstärke H_x wird dabei ca. 1 mm oberhalb des Targets registriert. Ohne Target, d. h. direkt auf der Kathodenwanne gemessen, beträgt der Maximalwert H_x,max = 95 kA/m.

Tabelle 1

Herstellparameter, magnetische Eigenschaften und Gefügecha­ rakterisierung von Targets entsprechend der vorliegenden Erfindung, sowie von Targets die nach Vergleichsverfahren gefertigt wurden. Targetgeometrie zur Bestimmung von H_x,max: ⌀ 150 × 6 mm

Erläuterungen zu den Beispielen Fall A)

Vor der Glühbehandlung liegt eine Matrix aus primären Co- Mischkristallen vor, in die eutektische Bereiche aus Co- Mischkristallen und intermetallischen Phasen eingelagert sein können. Nach der Glühbehandlung sind die Korngrenzen, Unterkorngrenzen oder Zwillingskorngrenzen oder Gleitbänder mit Elementen dekoriert, die auch die intermetallischen Phasen bilden. Die Glühung erfolgt unterhalb der fest-fest Umwandlung. Es treten Röntgenreflexe einer neuen interme­ tallischen Phase auf. Sofern schon vor der Glühung interme­ tallische Phasen beobachtet wurden, ändert sich deren Stöchi­ ometrie und Gitterstruktur.

Fall B)

Der Ausgangszustand entspricht Fall A. Statt der Glühbe­ handlung wird jetzt jedoch eine Kaltverformung durchgeführt. Es tritt keine Dekoration der Korngrenzen, Unterkorngrenzen oder Zwillingskorngrenzen oder Gleitbänder auf. Das Material ist jedoch so spröde, daß infolge der Kaltverformung makros­ kopische Risse entstehen, die das Material unbrauchbar machen bzw. eine wirtschaftliche Fertigung extrem erschweren.

Fall C)

Es liegen keine intermetallischen Phasen vor, entweder weil kein Element enthalten ist, das mit den anderen Komponenten intermetallische Phasen bildet, oder weil die Konzentration der intermetallische Phasen bildenden Elemente so gering ist, daß die Löslichkeitsgrenze in keinem Fall überschritten wurde. Hier ist die in der Literatur beschriebene Kaltver­ formung sehr erfolgreich, während eine Glühbehandlung ent­ sprechend der vorliegenden Erfindung keine Verbesserung gegenüber dem unbehandelten Material bringt. Weder die Walz- noch die Glühbehandlung führt zur Bildung intermetallischer Phasen.

Fall D)

Der Ausgangszustand entspricht Fall A. Da die Glühungen oberhalb der fest-fest Umwandlungstemperatur erfolgt, tritt keine nennenswerte Veränderung im Gefüge und der Struktur der intermetallischen Phasen auf. Unter Umständen geht ein gewisser Teil der intermetallischen Phasen in Lösung.

Claims (5)

1. Target für Magnetron-Kathodenzerstäubungsanlagen aus einer Kobalt-Basislegierung Co_1-x-yM_xR_y, wobei M für mindestens eines der Elemente Cr, Pt, Ni, Pd oder ähn­ liche Elemente der Übergangsmetalle steht und 0 x 0,3 ist, R für mindestens eines der Elemente Ta, Mo, W, B, Hf, Nb, V oder ähnliche zur Bildung intermetallischer Phasen neigende Metalle steht und 0,015 y 0,20 ist, bestehend aus einem Gefüge aus überwiegend hexagonalen Kobalt-Mischkristallen und gegebenenfalls mit R gebil­ deten intermetallischen Phasen, wobei das Targetmetall mindestens eines der beiden folgenden Merkmale aufweist:

• a) Die Korngrenzen, Unterkorngrenzen oder Zwillings­ korngrenzen oder Gleitbänder des die Matrix bil­ denden Kobalt-Mischkristalls sind dekoriert mit den die intermetallischen Phasen bildenden Elementen,
• b) von dem Target hergestellte Röntgenbeugungsdia­ gramme weisen Reflexe einer intermetallischen Phase auf, die im Gußzustand im wesentlichen abwesend ist und sich erst bei einer Glühung im Temperaturbereich unterhalb der Solidustemperatur der Legierung durch eine Festkörperreaktion bildet.

2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung Co_1-x-y Cr_xTa_y ist mit 0 x 0,3; 0,025 y 0,15.

3. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung Co_1-y-x-zPt_xCr_yTa_z ist mit 0 x 0,2; 0 y 0,25; 0,015 z 0,15.

4. Target entsprechend einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß es eingesetzt wird zur Herstellung von Dünnschichtmedien zur longitudinalen Datenspeiche­ rung.

5. Verfahren zur Herstellung von Targets nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target 1 bis 100 Stunden bei Temperaturen von höchstens 300°C unterhalb der Temperatur für die fest-fest Umwandlungs­ reaktion geglüht wird.