The effects of the sputtering condition on thin film characteristics, the glass forming range, the film structure and the magnetic and electrical properties have been investigated in RF magnetron sputtering of Co-early transition metal alloys. Also the glass forming ranges of liquid quenching alloys have been analysed to apply the suggested relation in this work.
The deposition rate of thin film increases with increasing the input power and decreasing the target-substrate distance, and does not changed with the Ar pressure. The distribution of film thickness on substrate is similar to those of the ring target and the disk target type in the ratio of the target radius to the target-substrate distance of <1 and > 1, respectively. The substrate temperature increases with increasing the input power and the sputter time. The recovery rate of solute content in film decreases in the order of Mo, Nb, Zr, V, and this difference can be interpreted by the comparison of the sputter yield.
The minimum solute concentration to get the amorphous phase is decreased with increasing the atomic size difference and the cooling rate. The atomic size effect value suggested as a parameter for the glass forming ability is about 0.065 in the film sputtered at room temperature, and this parameter can be considered as a variable dependent upon the cooling rate and the chemical affinity. The value of the atomic size effect is decreased with increasing the cooling rate and the chemical affinity between the constituent elements.
The new glass formation diagram is constructed by using the relative concentration and temperature. It is considered that the total amount of structural defects for the amorphous formation is consisted of defects due to differences of the atomic size and the chemical affinity between the constituent elements as well as the quenching rate.
The film structure of pure Co was the randomly oriented hcp structure. The interplanar spacing of Co-Nb, Co-Tiand Co-Mo alloys continuously increases with increasing the solute concentration but that of Co-Zr initially increases and does not change from 4 at. % Zr. These trend was interpreted as the difference of solute limit. In Co-Mo alloys, the phenomena which the grain size is remarkably increased with decreasing the cooling rate is revealed, and this is discussed as the preferred growth effect of [001] direction perpendicular to the film plane.
From the data analysis of previously reported researches in liquid quenching alloys, the logarism of the cooling rate shows the linear relation to the atomic size effect value and this relation is applied to ternary alloys having similar chemical characteristics. The value of atomic size effect decreases in alloys having large chemical affinity as like thin film alloys. Therefore, the atomic size effect as a parameter for the glass forming ability has to be treated as a variable dependent upon the cooling rate and the chemical affinity in all amorphous alloys.
The coercive force and the resistivity in Co alloy thin film decreases with increasing the input power and the sputter time. The coercive force increases at high Ar pressure and is dependent upon the target material.
The decreasing rates of magnetic moment to solute concentration in Co binary alloys containing Zr, Nb can be correctly interpreted as the Friedel theory, but those of Co alloys containing Ti, Hf, V and W is largely deviated from the Friedel theory. It is considered that the differences are ralated to the relative amount of charge transfer due to the interface area of Wigner-Seitz cell. By the normalization of the relative interface area the decreasing rate can be more effectively discussed. The change of saturation magnetization in Co-zr-Nb alloy can be interpreted by the Friedel theory, but that of Co-zr-Mo alloy is similar to that of Co-Zr inspite of the solute difference.
The change of coercive force to solute concentration is interpreted as the magnitude of magnetostriction in stable amorphous binary and ternary alloys. With increasing the solute concentration the Curie temperature is decreased but the crystallization temperature is increased. The increasing rate of the crystallization temperature to solute content is higher in alloy showing larger chemical affinity.
The resistivity is linearly increased with increase of the solute content inspite of the structural difference, and the increasing rate are about 15, 10, 5μΩcm per solute atom in Co-Nb, Co-Zr, Co-Mo alloys, respectively. The same increasing rate is shown in Co-Zr-Mo and Co-Zr-Nb ternary alloys.
4-6. 가. 플라즈마 발생에 필요한 Ar 압력은 투입전략을 증가시킬수록 감소하였다.
나. 기판 위치에 따른 박막두께는 사용된 스파터링모드에 따라 다른 분포를 나타내었으며, 농도분산모드의 경우에는 전극간 거리 8.4 cm에서, 복합타게트모드에서는 전극간 거리가 6.5 cm에서 균일 두께 영역을 나타내었다. 농도분산모드의 박막두께변화는 전극간 거리에 대한 기판 반경의 비가 1 이하일 경우에는 링타게트형, 1 이상일 경우에는 디스크타게트형에 유사한 분포를 나타내었다.
다. 박막의 증착속도는 투입전력에 비례하고 전극간 거리에 반비례하였으며 Ar압력에는 무관하였다.
라. 기판온도는 투입전력과 시간의 증가와 함께 증가하였다.
마. 박막의 용질농도는 타게트의 용질원소 면적비가 증가할수록 직선적으로 증가하였으며, 그 회수율은 Mo, Nb, Zr, V 순으로 감소하였다. 이 경향은 스파터율의 실험치와 비교하여 설명하였다.
5-4. 고주파 마그네트론 스파터링장치로 농도분산모드에 의해 제조한 Co계 2원 및 3원합금박막의 비정질 형성범위와 구조조사에 의해 얻어진 결론은 다음과 같다.
가. 비정질상을 얻기 위한 최소용질농도는 원자반경 차이와 전기음성도 차이가 커질수록 감소하였으며, 냉각효과가 커질수록 감소하였다.
나. 온도와 조성 항으로 구성되는 비정질 형성도로서 Co계 합금의 비정질 형성 가능 합금계를 구분할 수 있었다.
다. 상온에서 스파터링된 Co계 박막합금의 원자크기효과는 약 0.065부근이었으며, 이 효과는 냉각속도의 증가에 따라 감소하는 변수로 나타났다.
라. 원자크기효과는 동일 냉각조건에서 합금계에 따라 약간의 차이를 보였으며. 이 차이는 구성원소들 사이의 형성열 값과 대응하는 것으로 설명되었다.
마. 2원계 합금에서 비정질 형성을 위한 구조적 결함의 양은 원자크기, 화학적 결합력 차이에 의해 도입되는 양과 급냉에 의해 도입되는 양의 합으로 생각하였다.
바. 3원계 합금의 비정질 형성범위는 원자크기효과로서 설명하기 곤란하였으며, 그 이유는 2, 3원소 사이의 결합력에 의한 영향으로 생각되었다.
사. 순금속 Co박막의 구조는 random. 배향을 가진 hcp 구조로 나타났다.
아. Co-Nb, Co-Ti, Co-Mo계는 용질농도의 증가와 함께 면간거리가 계속 증가하였으며, 그 증가율은 용질원소의 원자크기가 클수록 커져Te. 반면 4at.% Zr 이상에서는 이 경향이 나타나지 않았다. 이 경향의 차이는 합금계에 따른 고용한도의 차이에 의한 것으로 고찰되었다.
자. 용질농도가 커질수록 박막의 구조는 결정상→결정상과 비정질상의 혼재→비정질상으로 변화되었다.
차. Co-Mo계는 냉각속도가 커질수록 입도가 현저히 감소하는 현상을 나타내었으며, 이는 수직배향성에 의한 것으로 생각되었다.
6-4 가. 임계냉각속도($&Rgrave;_c$)와 원자크기효과(λ_o)의 분석을 통하여 이 두 변수들은 다음과 같은 관계가 공정조성까지 성립함을 알 수 있었다.
log Rc = a - b $λ_o$
상수 a는 Co, Ni, Fe계 합금의 경우 약 10이었다. 이 관계는 2원계 합금 뿐만 아니라 3원계 합금인 Fe-Si-B, Co-Si-B, Ni-Pd-P 합금의 경우에도 성립되었다.
나. 상수 b는 합금종류에 따라 변화되었으며, 구성원소 사이의 혼합열의 (-) 값이 커질수록 직선적으로 증가하였다.
다. 동일 냉각속도에서 원자크기효과는 구성원소의 혼합열의 (-)값이 커질수록 감소하는 경향을 나타내었다.
라. 비정질 형성능을 설명하기 위해 도입된 원자크기효과의 개념은 특정한 상수값을 가지는 것이 아니라 냉각속도와 구성원소 사이의 결합력을 반영하는 변수로써 취급해야 한다고 분석되었다.
6-4 스파터링법에 의해 제조된 Co-초기천이금속계 합금박막의 자기적 성질 및 비저항의 측정 결과는 다음과 같이 요약된다.
가. 스파터링조건 변화에 따른 자기적 성질의 변화를 보면 포화자속밀도는 20 mTorr 이상의 Ar 압력에서만 감소되었고, 보자력은 투입전력, 스파터시간이 증가하면 점차 감소하고 Ar 압력이 높아지면 급격히 증가되었다. 또한 보자력은 폴리이미드, 카바유리, 동판을 기판으로 사용하였을 경우 동판에서 가장 낮고, 폴리이미드에서 가장 높았다.
나. 비저항은 투입전력, 스파터시간이 증가하고 Ar 압력이 낮아질수록 감소하였다.
다. Co-Zr, Co-Nb계 합금은 용질농도에 따른 자기모멘트의 감소율이 Friedel 이론으로 잘 설명되었으나, Co-Mo계는 이 이론의 적용이 곤란하였다.
라. 용질농도에 따른 자기모멘트의 감소율은 가전자수 뿐만 아니라 원자반경의 크기를 고려해야 Friedel의 이론식과 더욱 근사적으로 일치하였으며, 그 관계는 다음의 식으로 표현되었다.
(ΔZ + 10) \simeq (Δ\bar{μ}/Δx) / $(R/R_{II})^2$
마. Co-Zr-Nb 3원합금의 포화자속밀도 변화는 Friedel 이론으로 설명되었으나, Co-Zr-Mo 합금계는 Co-Zr 합금의 경향과 유사하게 나타났다.
바. 보자력의 변화는 자왜($λ_s$)의 크기와 같은 경향으로 나타났으며, 결정상이 존재하는 영역에 가까워지면 보자력이 낮은 영역이 변화되었다.
사. 용질농도가 증가하면 결정화온도는 높아지고 큐리온도는 낮아졌으며, 결정화온도의 증가율은 화학적 결합력의 크기와 같은 경향이었다.
아. Co계 2원합금에서는 용질농도의 증가와 함께 비저항은 구조에 관계없이 거의 직선적으로 증가하였으며, 그 증가율은 Nb, Zr, Mo 1 at.\%당 각각 약 15, 10, 5 μΩcm이었다. 이 증가율은 Zr을 일정하게 한 Co-Zr-Mo 및 Co-Zr-Nb 합금계에서도 유사하게 나타났다.
