DE2549509C3 - Verfahren zur Herstellung eines Überzuges aus einem magnetischen Oxid - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Überzuges aus einem magnetischen OxidInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen Oberzugs aus einem magnetischen Oxid
auf einem Substrat durch Zerstäuben einer eisernen Auftreffplatte bei gesteuertem Sauerstoffpartialdruck.
Solche Verfahren sind bereits bekannt (DE-OS 21 26 887), wobei dort zur Herstellung alternierender
Schichten aus magnetischem Eisen und unmagnetischein Eisenoxid auf einem Substrat in einer gesteuerten
Zerstäubungsaiinosphäre einerseits ein hohes Ausmaß an Steuerung bzw. Regelung Jes Sauerstoffdrucks
wegen der alternierender .Schichtenfolge und des wiederholten Verändern des M.: „hungsverhältnisses
von Edelgas und Sauerstoff beim Zerstäubungsverfahren und andererseits eine Steuerung der absoluten
Werte für die Dicke der Schichten aus Eisen und Eisenoxid zum Konstanthalten der magnetischen
Eigenschaften des Oberzugs erforderlich ist Insbesondere muß bei dem bekannten Verfahren der Sauerstoffpartialdruck in sehr weiten Bereichen gesteuert werden.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck niedrig ist, beispiels
weise unter 3,7 · 10-4Torr beträgt, wird ein Überzug
aus metallischem Eisen auf dem Substrat gebildet, während bei höheren Sauerstoffpartialdruck ein Überzug aus amorphem <x-FeiOj abgeschieden wird. Λ-FejOj
ist stärker oxydiert als FeJO4 und wird am leichtesten
erhalten, wenn man den Sauerstoffpartialdruck erhöht.
Andere bekannte Verfahren zur Herstellung von Überzügen aus magnetischem Oxid für Magnetscheiben
bestehen beispielsweise darin, daß man eine Teilchenbeschichtung durchführt, ferner einen kontinuierlichen
dünnen Überzug durch Erhitzen eines *-Fe2Oi-Überzuges aus einer Lösung von Eisen(III)-Chlorid und
Reduzieren dieses Überzuges zu Magnetit herstellt, daß man einen Überzug aus Eisen oder unmagnetischen
Λ-FejOj. der durch Zerstäuben oder dgl. gebildet
worden ist. in ein ferromagnetisches Oxid umwandelt oder daß man alternierende Schichten aus magnetischen Eisen und unmagnetischem Eisenoxid (Hämatit-a-FejOj) auf einem Substrat unter kontrollierter Zerstäubungsatmosphäre herstellt.
Bei den bekannten Teilchenbeschichtungsverfahren wird zur Verbesserung der Haftfähigkeit der feinen
Oxidteilchen an dem Substrat und zum festen Verbinden der feinen Teilchen miteinander ein Bindemittel
verwendet. Dieses erniedrigt jedoch die Dichte des magnetischen Oxids, das in dem schließlich erhaltenen
Oberzug enthalten ist, so daß sich dieses Verfahren nicht
für Aufzeichnungen mit sehr hoher Speicherdichte eignet Außerdem ist es vom Standpunkt der Beschichtungstechnik aus sehr schwierig, den Oberzug mit einer
Dicke in der Größenordnung von 103 A-Einheiten
auszubilden.
Bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung eines kontinuierlichen dünnen Oberzuges durch Erhitzen
eines «-FejOrOberzuges aus einer Lösung von
Eisen(III)-Chlorid und anschließender Reduktion zu
Magnetit (vgL US-PS 36 20 841), ist die bei einmaligem Durchgang erhaltene Oberzugsdicke relat'v gering, so
daß das Beschichten und Trocknen mehrfach durchgeführt werden muß.
Bekannt ist auch bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Oberzuges aus einem magnetischen Oxid
(FejOi) aus einem Überzug aus Eisen oder <x-Fe2O3, der
durch Zerstäuben oder dgl. gebildet ist (US-PS 37 95 542); dort ist es erforderlich, das Eisen bei 300 bis
450cC zu a-Fe2O3 zu oxydieren und außerdem a-Fe2Oj
zu Fe2O4 in einer kontrollierten reduzierenden Atmosphäre bei 300 bis 350° C zu reduzieren. Diese
Arbeitsgänge erfordern die Verwendung von verhältnismäßig großen Apparaturen und außerdem mehrere
Behandlungsstufen. Da die Behandlungstemperatur oberhalb von 300" C liegt, ist es schwierig, ein Substrat
aus Aluminiumlegierung zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß sich
mit wenigen Veiiahrensschritten, kürzerer Behandlungszeit und niedrigerer Behandlungstemperatur
Oberzüge aus magnetischem Oxid, aufbringen lassen, die zur Verwendung als Aufzeichnungsmedium von
Magnetscheiben geeignet sind, eine ausgezeichnete
Haftung an dem Substrat sowie mechanische Festigkeit
und magnetische Eigenschaften besitzen sowie eine Dicke von beispielsweise der Größenordnung von 103A
aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Einstellen ues Sauerstoffpar
tialdrucks auf ΙΟ-3 bis 2 · 10-} Torr und Abdecken des
Substrats eine Vorzerstäubung in einer Atmosphäre aus einem Gemisch aus Edelgas und Sauerstoff stattfindet
und nach Aufdecken des Substrats und Einstellen des Sauerstoffpartialdruckes auf 3 · ΙΟ-3 bis 6 · 10-3 Torr
eine Hauptzerstäubung in der Atmosphäre aus dem Gasgemisch zum Abscheiden eines aus einer einzigen
Phase von Fe3O4 bestehenden ferromagnetischen,
dünnen Überzugs ar.f dem Substrat stattfindet.
V) Überzug aus FdO4 unmittelbar auf ein Substrat
abgeschieden, die Notwendigkeit der Reduktion von & Fe2Oj bei 300 bis 35O°C nach dem Zerstäuben, wie in
den bisherigen Verfahren notwendigerweise angewandt, vermieden und die Zerstäubungszeit stark
abgekürzt. Da sich der Magnetoxidüberzug bei Temperaturen unterhalb 200"C herstellen läßt, kann ein
Substrat aus Aluminiumlegierung verwendet werden. Dies erlaubt vorteilhafterweise die Verwendung desselben Aluminiumlegierungssubstrates, wie es /ur Speiche-
rung mittels Magnetscheiben verwendet wird, die mit
a-FdOj überzogen sind. Außerdem können eine
geringe Überzugsdicke von 103 A erzielt werden, wobei der Überzug gänzlich aus einem magnetischen Medium
besteht, so daß eine Magnetscheibenspeicherung mit
hoher Speicherdichte in einfacher Weise erzielt werden
kann.
Bei dem beschriebenen Verfahren wird also in einem Gemisch aus Sauerstoff und Edelgas (z. B. Argon) ein
Vorzerstäuben bei niedrigerem Sauerstoffpartialdruck von beispielsweise 1 bis 2 χ 10-3 Torr und anschließend
das Hauptzerstäuben bei höherem Sauerstoffpartialdruck von beispielsweise 2 bis 6 χ 10-' Torr durchgeführt,
wobei sich vorteilhafterweise weder metallisches Eisen noch A-Fe2O3 abscheiden, sondern lediglich eine
einzige Phase aus magnetischem Fe3O4 (vgl. rechte Seite
der unten erläuterten F i g. 3, schraffierter Bereich). Eine Abscheidung von metallischem Eisen während des
Vorzerstäubens wird zweckmäßigerweise durch einen zwischen Auftreffplatte und Substrat geschobenen
Abdeckschirm verhindert Dieses Vorgehen bewirkt die Vermeidung einer Abscheidung aus nur paramagnetischem
W-Fe2O3. Außerdem wird auf diese Weise der
Sauerstoffpartialdruck insgesamt nur zweimal gesteuert, nämlich einmal vor dem Vorzerstäuben und das
zweitemal vor der Hauptzerstäubung. Vorzugsweise wird dabei die Temperatur des Substrats bei 150 bis
2500C gehalten.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert,
worin
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Grundaufbaues der für das beschriebene Verfahren verwendeten
Zerstäubevorrichtung;
F i g. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und
den gemäß den herkömmlichen Verfahren gebildeten Schichten;
F i g. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und
den in der beschriebenen Weise erzielten Schichten und
Fig.4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Beziehung zwischen der Dicke des aus Fe2O3 gebildeten
Oberzuges und der Zerstäubungsdauer nach dem beschriebenen Verfahren darstellen.
In der der Erläuterung der Zerstäubungsvorrichtung zur Verwendung in dem beschriebenen Verfahren
dienenden Fig. 1 bezeichnen die Bezugszahlen 1. ein Gefäß, 2 eine Spannungsquelle und Steuerungs- bzw.
Regelungseinheit, 3 ein Substrat, 4 eine Auftreffplatte aus Eisen, 5 einen Abdeckschirm 6 eine Schicht aus
FejO4 und 7 eine Oxidschicht
In dem Gefäß 1 sind die Auftreffelektrode 4 und die Substratelektrode 3 einander gegenüber angeordnet,
und zwischen ihnen ist eine Hochfrequenzspannung E angelegt. Nachdem eine Gasmischung aus Argon und
Sauerstoff in einem bestimmten Mischungsverhältnis in dem Gefäß 1 hermetisch eingeschlossen ist, wird das
Vorzerstäuben durchgeführt, während der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird.
Durch das Bombardement der Argonmoleküle auf die eiserne Auftreffplatte 4 wird Eisen aus der Auftreffplatte
4 zerstäubt und vereinigt sich mit Sauerstoffmolekülen unter Bildung des Eisenoxids 6, das auf der
Oberfläche des Substrats 3 abgeschieden wird. Theoretisch ist klargestellt, daß im obigen Fall bei Erhöhung
des Sauerstoffpartialdrucks die Oxydation in folgender Reihenfolge stattfindet:
Fe-* FeO
Fe3O4 >
K-Fe2O3'
In der Praxis is< es jedoch schwierig, eine einzige
Phase aus dem magnetischen Oxid Fe3O4 zu erhalten.
Mit den herkömmlich.?.ι Verfahren wird zunächst lediglich eine Mischphase aus Eisen und Fe3O4 erhalten
Wie nämlich in Fig.2 gezeigt, worin (1), (2) und (3)
Eisen, Fe3O4 bzw. α Fe2O3 bedeuten, wird bei de.i
herkömmlichen Verfahren der Sauerstoffpartialdruck nur vor dem Vorzerstäuben gesteuert so daß eine
einzige Phase aus Eisen unter einem Sauerstoffpartialdruck von 0 bis 10-3Torr, eine gemischte Phase aus
Eisen und Fe3O4 unter einem Sauerstoffpartialdruck von
10"3 bis 2 χ 10-3Τογγ und eine einzige Phase aus
A-Fe2O3 unter höherem Sauerstoffpartialdruck erhalten
ίο werden. Demzufolge wird nach den herkömmlichen
Verfahren Fe3O4 durch Reduzieren der Hämatitphase
(W-Fe2O3) in reduzierender Atmosphäre bei einer
Temperatur von 300 bis 3500C erhalten.
Im Normalfalle wir bei dem beschriebenen Verfahren eine eiserne Auftreffplatte sowie ein Gasgemisch aus
Argon und Sauerstoff mit einem bestimmten Mischungsverhältnis verwendet das Vorzerstäuben wird
unter niedrigem Sauerstoffdruck durchgeführt und anschließend wird der Gesamtdruck erhöht und das
Hauptzerstäuben unter erhöhten; Sauerstoffdruck durchgeführt Dabei scheidet sich eine einzige Phase aus
magnetischem Oxid Fe3O4 auf dem Substrat ab.
F i g. 3 zeigt die Beziehung zwischen Sauerstoffpartialdruckpo?
und der durch das Versprühen gebildeten Phase.
Der erste Schritt besteht aus der Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks vor dem Vorzerstäuben gemäß
dem Stand der Technik. Der Sauerstoffdruck wird bei
10-3 bis 2 χ 10-3 Torr gehalten und das Vorzerstäuben
ausgeführt. Anschließend wird der Abdeckschirm der Zerstäubevorrichtung geöffnet und das Hauptzerstäuben
durchgeführt bei dem eine gemischte Phase aus Eisen und Fe3O4 erhalten wird, wie in F i g. 3 dargestellt.
Der nächste Schritt ist für das beschriebene Verfahren charakteristisch. Hierbei wird der Gesamtdruck erhöht
und das Hauptzerstäuben unter einem Sauerstoffdruck von 3 bis 6 χ 10-3 Torr durchgeführt, wodurch eine
einzige Phase aus dem magnetischen Oxid Te3O4
erhalten wird.
Bei dem Vorzerstäuben des ersten Verfahrensschrittes wird nämlich der Abdeckschirm 5 gemäß F i g. 1 in
der Richtung des oberen, nach links gerichteten Pfeiles bewegt, um das Substrat 3 abzuschirmen und dadurch zu
verhindern, daß eine einzige Phase aus Eisen oder ein Phasengemisch aus Eisen und Fe2O3 auf das Substrat 3
niedergeschlagen wird. Anschließend wird beim Hauptzerstäuben des zweiten Verfahrensschrittes der Abdeckschirm
5 gemäß dem unteren, nach rechts gerichteten Pfeil in die ursprüngliche Stellung zurückbewegt.
um die Ablagerung der Magnetitphase (Fe3O4) auf
dem Substrat 3 zu ermöglichen. In diesem Falle wird die Temperatur auf dem Substrat 3 auf einen Wert in dem
Bere;-.'.i /on 150 bis 250°C eingestellt.
Wenn die eiserne Auftreffplatte 4 und das Substrat 3 in dem Gefäß 1 angeordnet sind, wird das Ve-fahren in
der Atmosphäre durchgeführt, so daß die Oxidschicht 7 auf der Oberfläche der Auftreffplatte 4 aufgrund des in
der Atmosphäre 'orhandenen Sauerstoffs gebildet wird. Danach wird das Gefäß 1 evakuiert und ein Gemisch aus
Argon und Sauerstoff in dem Gefäß 1 eingeschlossen, wonach der Sauerstoffdruck niedrig eingestellt und das
Vorzerstäuben durchgeführt wird. In der Anfangsphase des Vorzerstäubens wird der auf der Oberfläche der
Auftreffplatte gebildete Oxidfilm 7 zerstäubt, so daß ein
h5 *-Fe2O3 Überzug gebildet wird. Wenn danach der
Oxidfilm durch Zerstäuben entfernt und die Oberfläche der eisernen Auftreffplatte 4 exponiert worden ist, ist
der Zustand erreicht, in dem ein Überzug aus der
gemischten Phase aus Eisen und FejÜ4 erzielt wird.
Anschließend wird der Sauerstoffdruck neu eingestellt, indem man den Gesamtdruck in dem Zerstäubungssystem
wie beschrieben erhöht und das Hauptzerstäuben durchgeführt, wobei auf dem Substrat 3 eine einzige
Phase aus FejO« niedergeshlagen wird. Bei dem
Vorzerstäuben wird nämlich der Oxidfilm 7 entfernt und beim Hauptzerstäuben der Sauerstoffdruck so eingestellt,
daß er zur Bildung einer einzigen Phase aus Magnetit führt. Wenn einmal der obige Zustand erzielt
worden ist, wird die einzige Phase aus Magnetit (Fe3O4)
sukzessive erzielt, selbst wenn das Substrat 3 wiederholt durch andere Substrate ersetzt wird.
Wie in F i g. 2 dargestellt, wird die Oxidschicht 7, die sich auf der Auftreffpiatte 4 gebildet hat, selbst dann
nicht restlos entfernt, wenn der Sauerstoffdruck lediglich zwischen 3 bis 6 χ 10~3Torr eingestellt wird, so
daß eine einzige Phase aus Fe3Ü4 nicht, sondern lediglich
Da bei den herkömmlichen Verfahren eine einzige Phase aus FejO« nicht erhalten werden kann, wird das
gebildete a-Fe2O3 zu Fe3O« reduziert. Jedoch erfolgt
diese Reduktion nur bei hoher Temperatur oberhalb von 3000C, was die Verwendung eines billigen
Substrates aus Aluminiumlegierung erschwert.
Somit ist es aufgrund des beschriebenen Verfahrens möglich, eine einzige Phase aus dem magnetischen Oxid
Fe3O4 zu bilden, was bisher unmöglich war. Ermöglicht
wird das in der beschriebenen Weise erzielte Ergebnis durch eine zusätzliche Sauerstoffdruckeinstellung vor
dem Hauptzerstäuben zu der Sauerstoffdruckeinstellung vor dem Vorzerstäuben, wie sie bei dem bisherigen
Verfahren üblich war. Da nach dem beschriebenen Verfahren außerdem ein Überzug aus einer einzigen
Phase vn Fe3Ü4 bei verhältnismäßig niedriger Temperatur
erhalten werden kann, kann leicht ein Substrat aus Aluminiumlegierung verwendet werden. Außerdem ist
kein weiterer Reduktionsschritt erforderlich. Durch Einhalten der Temperatur des Substrats 3 innerhalb des
Bereiches von 150 bis 250' C bei der Bildung des dünnen
Überzuges 6 werden die Koerzitivkraft und das Quadratsverhältnis verbessert. Die gleichen Ergebnisse
können erzielt werden, indem man den mm ft Dei ι au dis
250° C in der Atmosphäre tempert.
F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke des nach dem beschriebenen Verfahren erhaltenen Fe2O4-Überzuges
und der Zerstäubungsdauer. Die Kurve a stellt diese Beziehung für das beschriebene Verfahren
und die Kurve b die Beziehung für die Bindung von «-FeÄ auf herkömmliche Weise dar. Die Steuerung
der Überzugsdicke kann lediglich durch die Zerstäubungsdauer erzielt werden, wenn Zerstäubungsspannung
und Zerstäubungsatmosphäre konstantgehalten werden. Beispielsweise erfordert die Bildung eines
Oberzuges von 0,2 μπι 20 min, was etwa dreimal so
schnell ist wie die Überzugsbildung von <x-Fe2O3 nach
herkömmlichen Verfahren. Aus diesem Grund ist das beschriebene Verfahren auch hinsichtlich seiner Produktivität
von großem Vorteil.
Es wurde eine handelsübliche Zerstäubungsvorrichtung verwendet, bei der die Auftreffplatte einen
Durchmesser von 360 mm aufwies und auf 3000C erhitzt werden konnte. Als Substrat wurde eine Scheibe aus
Aluminiumlegierung von 360 mm Durchmesser verwendet. Das Gasgemisch bestand aus 80% Argon und 20%
-, Sauerstoff. Der Gesamtdruck in dem Gefäß I betrug 0,75 χ 10~2Torr, und der Sauerstoffpartialdruck wurde
bei 1,5 χ lO-'Torr gehalten. Nach 15minütigem Vorzerstäuben
wurde der Gesamtdruck in dem Gefäß 1 auf 3 χ 10"2 Torr eingestellt und das Hauptzerstäuben unter
in einem Sauerstoffpartialdruck von 6 χ 10~3Torr 17 min
lang durchgeführt, wonach ein dünner magnetischer Überzug von 0,2 μτη Dicke erhalten wurde. Aufgrund
der Magnetisierungsmessung des dünnen Überzuges mittels eines Vibrations-Probenmagnetometers wurde
festgestellt, daß die Sättigungsmagnetisierung des Überzuges 5800 G betrug, was praktisch gleich dem
Wert von 6000 G von FziO* in Masse war, und daß der
Überzug aus einer einzigen Phase von Fe3Ü4 bestand.
In der in Beispiel 1 beschriebenen Weise wurde ein Überzug von 0,1 μΐη Dicke auf einer Platte aus Steinsalz
gebildet. Eine Untersuchung des Überzugs unter einem
r, Elektronenmikroskop ergab, daß er eine feinkristalline Struktur besaß, ein Elektronenbeugungsmuster vom
Spineü-Typ aufwies und aus einer einzigen Phase aus Fe3Ü4 bestand. Die Untersuchung der Erhitzungsabhängigkeit
des Substrates durch Messung der magnetischen
jo Eigenschaften des erhaltenen dünnen magnetischen Überzugs ergab, daß mit steigender Erhitzungstemperatur
seine Koerzitivkraft sowie spin Quadratsverhältnis verbessert wurden. Wurde der Überzug unter wassergekühlten
Bedingungen erhalten, so betrugen seine
j-, Koerzitivkraft und sein Quadratsverhältnis 150 Oe bzw.
0,2 bis 0,3, während Koerzitivkraft und Quadratsverhältnis eines Überzuges, der bei 200° C erhalten worden
war, 400 Oe bzw. 0,6 betrugen. Koerzitivkraft und Quadratsverhältnis des unter Wasser gekühlten Bedingungen
erhaltenen Überzuges wurden durch Tempern des Überzuges an Luft auf 500 Oe bzw. 0,7 verbessert.
Somit konnte ein magnetisches Scheibenmedium mit ausgezeichneten Eigenschaften ernaixen werden.
-»' Beispiel 3
Das vorzerstäuben wurde in der gleichen Weise durchgeführt, wie in Beispiel 1 beschrieben, und der
Druck in dem Gefäß 1 war auf 1,5 χ 10"2 Torr
eingestellt, wobei das Hauptzerstäuben unter einem Sauerstoffpartialdruck von 3 χ 10-3Torr durchgeführt
wurde. Durch Messung der Sättigungsmagnetisierung des gebildeten Überzuges ergab sich, daß der Überzug
eine Sättigungsmagnetisierung von 5900 G aufwies und aus einer einzigen Phase aus Fe:jO4 bestand
Ein Gasgemisch aus 90% Argon und 10% Suerstoff
wurde in dem Gefäß 1 so eingestellt, daß derselbe Sauerstoffdruck wie in den Beispielen 1 und 3 erhalten
wurde. Entsprechend wurden die genau gleichen Ergebnisse wie bei dem Verfahren gemäß den
Beispielen 1 und 3 erhalten.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung eine;, dünnen Oberzugs aus einem magnetischen Oxid auf einem Substrat durch Zerstäuben einer eisernen Auftreffplatte bei gesteuertem Sauerstoffpartialdruck, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks auf ΙΟ-3 bis 2 · 10-3Torr und Abdecken des Substrats eine Vorzerstäubung in einer Atmosphäre aus einem Gemisch aus Edelgas und Sauerstoff stattfindet, und nach Aufdecken des Substrats und Einstellen des Sauerstoffpartialdrukkesauf3 ■ 10~3bis6 ■ ΙΟ-3 Torr eine Hauptzerstäubung in der Atmosphäre aus dem Gasgemisch zum Abscheiden eines aus einer einzigen Phase von FezOt bestehenden ferromagnetischen, dünnen Oberzugs auf dem Substrat stattfindet
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