WO2003056057A2 - Method for coating a substrate and coated substrates obtained according to said method - Google Patents

Method for coating a substrate and coated substrates obtained according to said method Download PDF

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Abstract

The invention relates to a method for coating a substrate A with a layer of a substance BC. The substrate A to be coated is provided, the two components B and C are provided in a gaseous or vaporous form and in coexistence with each other in the phase present above the substrate A, B being an oxidizing substance and C being an oxidant and the two together forming the oxidized layer. Component C with regard to the concentration of component B is present in at least a stoichiometric ratio with regard to the product. Component B has a more negative oxidation potential than substrate A with regard to component C. The invention provides a method for coating for example nickel with an Al2O3 layer which is characterized in that no unwanted intermediate layer is formed between nickel and Al2O3 later on.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Verfahren zur Beschichtung eines Substrates A mit einer Schicht aus den Komponenten BC sowie durch das Verfahren beschichtete SubstrateProcess for coating a substrate A with a layer of components BC and substrates coated by the process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates A mit einer Schicht aus den Komponenten BC sowie durch das Verfahren beschichtete Substrate.The invention relates to a method for coating a substrate A with a layer of components BC and substrates coated by the method.
Motiviert durch die Verwendung als Tunnelbarriere im Rahmen des Tunnelmagnetwiderstands ist die Präparation von dünnen Oxidschichten in letzter Zeit verstärkt untersucht worden. Die Präparation von dünnen Oxidschichten - gewöhnlich Aluminiumoxid - geschieht dabei üblicherweise nach einem Verfahren, wie es in H. Boeve, J. D. Boeck, and G. Borghs, J. Appl . Phys . 89 (2001) 482 beschrieben ist. Dabei wird Aluminium auf einem ferromagnetisehen Substrat durch Verdampfen oder Sputtern deponiert . Die deponierte Aluminiumschicht wird dann oxidiert . Zur Oxi- dation werden verschiedene Verfahren verwendet :Motivated by the use as a tunnel barrier in the context of tunnel magnetoresistance, the preparation of thin oxide layers has recently been intensively investigated. Thin oxide layers - usually aluminum oxide - are usually prepared using a method as described in H. Boeve, J.D. Boeck, and G. Borghs, J. Appl. Phys. 89 (2001) 482. Aluminum is deposited on a ferromagnetic substrate by evaporation or sputtering. The deposited aluminum layer is then oxidized. Various methods are used for the oxidation:
Nach K. Matsuda, A. Kamijo, T. Mitsuzuka, and H. Tsuge, J. Appl. Phys. 85 (1999) 5261 erfolgt die Oxidation bei Raumtemperatur an Luft, was einer natürlichen Oxidation entspricht.According to K. Matsuda, A. Kamijo, T. Mitsuzuka, and H. Tsuge, J. Appl. Phys. 85 (1999) 5261 the oxidation takes place at room temperature in air, which corresponds to a natural oxidation.
Die Oxidation mit Sauerstoff bei erhöhter Temperatur und einem spezifizierten Partialdruck (thermische Oxidation) ist eine weitere Möglichkeit, die Schicht zu oxidie- ren. Weiterhin besteht die Möglichkeit nach den vorangegangenen Verfahren zusätzlich eine Aktivierung des Sauerstoffs durch Bestrahlung mit UV-Licht (UV-Oxidation) vorzunehmen, wie es aus E. Girgis, H. Boeve, J. D. Boeck, J. Schelten, P. Rottländer, H. Kohlstedt, and P. Grünberg, J. Mag. Mag. Mat . 222 (2000) 133 bekannt ist. Ein weiteres Verfahren ist die Plasma-Oxidation nach J. J. Sun, R. C. Sousa, T. T. P. Galväo, V. Soares, T. S. Plaskett, and P. P. Freitas, J. Appl. Phys. 83 (1998) 6694.Oxidation with oxygen at an elevated temperature and a specified partial pressure (thermal oxidation) is another way of oxidizing the layer. It is also possible to activate the oxygen by irradiation with UV light (UV oxidation) using the preceding methods, as described in E. Girgis, H. Boeve, JD Boeck, J. Schelten, P. Rottländer, H. Kohlstedt, and P. Grünberg, J. Mag. Mag. Mat. 222 (2000) 133 is known. Another method is plasma oxidation according to JJ Sun, RC Sousa, TTP Galväo, V. Soares, TS Plaskett, and PP Freitas, J. Appl. Phys. 83 (1998) 6694.
Bei allen diesen Verfahren sind folgende Probleme in verschieden starker Ausprägung festgestellt worden:The following problems with various degrees of severity have been identified in all of these methods:
• Die Aluminiumschicht wird nicht vollständig oxi diert ,• The aluminum layer is not completely oxidized,
• ferromagnetisches Substrat wird unbeabsichtigterweise oxidiert,Ferromagnetic substrate is inadvertently oxidized,
• die Oxidation erfolgt nicht gleichmäßig, • oder die Oxidschicht ist nicht thermisch stabil, wie es in J. Schmalhorst, H. Brückl, G. Reiss, M. Vieth, G. Gieres, and J. Wecker, J. Appl. Phys. 87 (2000) 5191 offenbart ist.• the oxidation is not uniform, • or the oxide layer is not thermally stable, as described in J. Schmalhorst, H. Brückl, G. Reiss, M. Vieth, G. Gieres, and J. Wecker, J. Appl. Phys. 87 (2000) 5191.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile behoben werden. Es soll ein Verfahren bereitgestellt werden, mit dem eine vollständig oxidierte Metall- oder Halbleiterschicht auf einem metallischen oder halbleitendem Sub- strat hergestellt werden kann. Die Dicke der Schicht soll dabei frei wählbar sein. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.It is therefore the object of the invention to provide a method with which the disadvantages mentioned above are eliminated. A method is to be provided with which a completely oxidized metal or semiconductor layer can be produced on a metallic or semiconducting substrate. The thickness of the layer should be freely selectable. Starting from the preamble of claim 1, the object is achieved with the features specified in the characterizing part of claim 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, vollständig oxidierte Beschichtungen auf ein Substrat aufzubringen, welche gleichmäßig sind und thermisch stabil sind. Das Substrat wird dabei nicht unbeabsichtigt oxidiert .With the method according to the invention it is now possible to apply completely oxidized coatings to a substrate which are uniform and are thermally stable. The substrate is not inadvertently oxidized.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements result from the subclaims.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren in sei- ner allgemeinen Ausgestaltung dargestellt werden.The method according to the invention is to be described in its general configuration below.
In einer Kammer wird ein Substrat A vorgelegt, welches mit zwei Komponenten B und C simultan beaufschlagt wird.A substrate A is placed in a chamber and two components B and C are applied to it simultaneously.
Als Substrat A kommen Metalle, oder beispielsweise Halbleiter als Festkörper in Betracht. Es können beispielsweise Nickel , Kupfer, Eisen, Cobalt, Platin, Silber, Gold, Chrom, Mangan, Gadolinium, Gallium, ferromagneti- sche Metalle oder Legierungen, wie beispielsweise Eisen- Nickel-Legierungen als Metall, oder Si02, Silizium, Gal- liumarsenid als Halbleiter eingesetzt werden.Metals or, for example, semiconductors can be considered as substrates as substrate A. For example, nickel, copper, iron, cobalt, platinum, silver, gold, chromium, manganese, gadolinium, gallium, ferromagnetic metals or alloys, such as iron-nickel alloys as metal, or Si0 2 , silicon, gal- lium arsenide can be used as a semiconductor.
Über dem festen Substrat A wird eine Atmosphäre mit den Komponenten B und C erzeugt. Hierbei ist die Komponente B eine zu oxidierende Substanz und C ein Oxidationsmittel . Für das Produkt BC ist entscheidend, daß es eine negativere Bildungsenthalpie hat als das nicht erwünschte Produkt AC. Die Bildungsentahlpie für Al203 ist beispiels- weise -1690,74 k /mol und die für NiO -240,80 kJ/mol . Die Komponente B kann beispielsweise Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Molybdän, Silizium, Magnesium, Mangan, Zirkonium, Titan, Gallium Gadolinium oder Chrom oder mindes- tens eine Komponente aus dieser Gruppe sein. Die Zusammensetzungen sind dann B,Bλ , B Besonders erwähnte Unterkombinationen B,BX sind Aluminium/Gadolinium, Aluminium/Magnesium und Aluminium/Silizium.An atmosphere with components B and C is created over the solid substrate A. Component B is a substance to be oxidized and C is an oxidizing agent. It is crucial for the product BC that it has a more negative enthalpy of formation than the undesired product AC. The formation steel pie for Al 2 0 3 is for example wise -1690.74 k / mol and that for NiO -240.80 kJ / mol. Component B can be, for example, aluminum, iron, nickel, cobalt, molybdenum, silicon, magnesium, manganese, zirconium, titanium, gallium, gadolinium or chromium or at least one component from this group. The compositions are then B, B λ , B , λ. Particularly mentioned sub-combinations B, B X are aluminum / gadolinium, aluminum / magnesium and aluminum / silicon.
Die Komponente C ist ein Oxidationsmittel , welches die Komponente B oxidiert . Für C können beispielhaft Sauerstoff, Wasser, oder ein Gemisch C,Cλ aus beiden eingesetzt werden, wobei Oxide der Komponente B entstehen. Werden Gemische aus verschiedenen Komponenten B einge- setzt, so werden die entsprechenden Mischoxide gebildet.Component C is an oxidizing agent that oxidizes component B. For C, for example, oxygen, water, or a mixture C, C λ of the two can be used, oxides of component B being formed. If mixtures of different components B are used, the corresponding mixed oxides are formed.
Die Komponenten A und B sind frei wählbar und nicht auf die angeführten Beispiele beschränkt. Wichtig ist nur, daß die Komponente C die Komponente B oxidiert und das Produkt BC eine niedrigere Bildungsenthalpie als ein Produkt AC besitzt.Components A and B can be freely selected and are not limited to the examples given. It is only important that component C oxidizes component B and product BC has a lower enthalpy of formation than product AC.
Erfindungsgemäß werden die Komponenten B und C in eine Gasphase oder auch Dampfphase über dem Substrat A ge- bracht. Hierzu kann die Komponente B beispielsweise verdampft oder gesputtert werden, das heißt, durch Ionenätzen in die Gasphase gebracht werden. Weiterhin kann auch eine plasmaunterstützende Oxidation eingesetzt werden, um die Komponente B in die Gasphase zu überführen. Die Kom- ponente C wird ebenfalls in die Gasphase zugegeben. Vorzugsweise befinden sich in der Gasphase keine weiteren Komponenten. Hierzu kann die Kammer evakuiert und an- schließend mit den Komponenten B und C, wie beschrieben, beschickt werden.According to the invention, components B and C are brought into a gas phase or vapor phase over the substrate A. For this purpose, component B can be evaporated or sputtered, for example, that is, brought into the gas phase by ion etching. Plasma-supporting oxidation can also be used to convert component B into the gas phase. Component C is also added to the gas phase. There are preferably no further components in the gas phase. For this purpose, the chamber can be evacuated and finally be loaded with components B and C as described.
Die Komponenten B und C werden dabei in der Gasphase in einem Mengenverhältnis vorgelegt, bei dem die Komponente C mindestens in der stöchiometrischen Menge im Hinblick auf das Produkt Bι_nCι-ra vorliegt . Hierbei sind n und m ganze Zahlen. Die Komponente C kann jedoch auch im Überschuß vorliegen.Components B and C are initially introduced in the gas phase in a ratio in which component C is present in at least the stoichiometric amount with respect to the product Bι_ n C ι - ra . Here n and m are integers. However, component C can also be present in excess.
Das Gemisch der Komponenten B und C bildet dann auf der Oberfläche des Substrates A die Schicht BC, zum Beispiel eine Oxidschicht .The mixture of components B and C then forms layer BC on the surface of substrate A, for example an oxide layer.
Die Abscheidung der Schicht BC findet vorzugsweise beiThe layer BC is preferably deposited
Raumtemperatur statt, kann jedoch auch in einem Temperaturbereich erfolgen der höher ist, bei der die Komponente A nicht oxidiert wird. Die abgeschiedene Schicht ist dabei amorph.Room temperature instead, but can also take place in a higher temperature range at which component A is not oxidized. The deposited layer is amorphous.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Abscheidung der Schicht BC durch Einstrahlung von UV- Licht unterstützt. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich findet sich bei < 240 nm. Bevorzugt können Xenonlampen oder Natrium-Dampflampen eingesetzt werden. Die Energie soll dabei ausreichen um aus der Komponente B mindestens ein Elektron herauszuschlagen, wodurch die Oxidation der Komponente B erleichtert wird. Die benötigten Energien liegen in der Größenordnung von >5 eV und soll geeignet sein, die Komponente B zu ionisieren.In a further embodiment of the invention, the deposition of the layer BC is supported by irradiation with UV light. A preferred wavelength range is found at <240 nm. Xenon lamps or sodium vapor lamps can preferably be used. The energy should be sufficient to knock out at least one electron from component B, which facilitates the oxidation of component B. The energies required are of the order of> 5 eV and should be suitable for ionizing component B.
Nachdem die Beschichtung BC auf dem Substrat A abgeschieden wurde, kann das Produkt mit den Schichten A und BC getempert werden. Hierzu kann eine Erhitzung bis auf 1200 K oder 1400 K erfolgen. Hierbei geht die Beschichtung BC in die kristalline Form über.After coating BC has been deposited on substrate A, the product can be coated with layers A and BC be annealed. This can be done by heating up to 1200 K or 1400 K. The BC coating changes into the crystalline form.
Die so gewonnenen amorphen und kristallinen Schichten, können als Korrosionsschutz, in der Halbleiterindustrie als Tunnelbarriere, als Vollkatalysator oder als Substrat für einen Trägerkatalysator eingesetzt werden. Für den Einsatz als Tunnelbarriere ist eine Schichtdicke BC von ca. 0,5 nm - 3 nm vorzugsweise 1 nm - 2 nm geeignet.The amorphous and crystalline layers obtained in this way can be used as corrosion protection, in the semiconductor industry as a tunnel barrier, as a full catalyst or as a substrate for a supported catalyst. A layer thickness BC of approximately 0.5 nm - 3 nm, preferably 1 nm - 2 nm, is suitable for use as a tunnel barrier.
Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel der Beschichtung von Nickel (100) mit Al203 beschrieben werden.The invention is to be described below using the example of coating nickel (100) with Al 2 0 3 .
Als Substrat wurde hier die (100) Oberfläche eines Nickelkristalls gewählt . Auf diesem Substrat wird eine Aluminiumoxidschicht hergestellt. Die Aluminiumoxid-Schicht wird durch Verdampfen von Aluminium in einer Sauerstoffatmosphäre mit einem bestimmten Sauerstoff-Partialdruck in einer Ultrahochvakuumkammer (UHV-Kammer) bei Raumtemperatur hergestellt . Die Depositionsrate des Aluminiums beträgt dabei 0.12 - 0.4 Monolagen pro Minute, der Partialdruck des Sauerstoffs kann zwischen 5xl0"smbar (entsprechend einer Stoßzahl der Sauerstoffmoleküle von ή, =1.33x1013cm"2 sec"1 ) und lxl0~6mbar ( Λs =2.67x1014cm-2 sec-1) variiert werden. Die Depositionsrate des AI und der Sau- erstoffpartialdruck werden dabei so aufeinander abgestimmt, daß stochiometrisches Al203 entstehen kann, das heißt, daß wenigstens soviel Sauerstoff vorhanden sein muß, daß die ReaktionsgleichungThe (100) surface of a nickel crystal was chosen as the substrate. An aluminum oxide layer is produced on this substrate. The aluminum oxide layer is produced by evaporating aluminum in an oxygen atmosphere with a certain oxygen partial pressure in an ultra-high vacuum chamber (UHV chamber) at room temperature. The deposition rate of the aluminum is 0.12 - 0.4 monolayers per minute, the partial pressure of the oxygen can be between 5xl0 "s mbar (corresponding to an impact number of the oxygen molecules of ή, = 1.33x10 13 cm " 2 sec "1 ) and lxl0 ~ 6 mbar (Λ s = 2.67x10 14 cm -2 sec -1 ) The deposition rate of the AI and the oxygen partial pressure are coordinated so that stochiometric Al 2 0 3 can arise, which means that at least as much oxygen must be present that the reaction equation
4Al+3O2→2Al2O3 4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3
Formel (1) erfüllt ist.Formula 1) is satisfied.
Die (100) Oberfläche von Ni hat an der Oberfläche etwaThe (100) surface of Ni has approximately on the surface
8.1 l014Atome/cm2 , also wären nach der Deposition von einer Monolage Aluminium bei der Annahme, daß jedem Ni Atom ein AI Atom zugeordnet wird, ebenso viele Aluminiumatome pro cm2 an der Oberfläche. Bei einer typischen Depositionsrate von 0.2 ML/min (ML Monolage) wird eine Monolage in 5 Minuten (300 sec) deponiert. In dieser Zeit, das heißt gleichzeitig mit der AI Deposition, müssen wenigstens 1.5 mal so viele Sauerstoffatome auf einen cm2 auftreffen, haften bleiben und mit den AI Atomen reagieren. Dieser Prozeß darf nicht hintereinander erfolgen, sondern muß simultan geschehen, das heißt die AI Deposition muß in8.1 l0 14 atoms / cm 2 , so after the deposition of a monolayer of aluminum, assuming that an Al atom is assigned to each Ni atom, there would be as many aluminum atoms per cm 2 on the surface. At a typical deposition rate of 0.2 ML / min (ML monolayer), a monolayer is deposited in 5 minutes (300 sec). During this time, i.e. at the same time as the Al deposition, at least 1.5 times as many oxygen atoms must hit a cm 2 , remain attached and react with the Al atoms. This process must not take place in succession, but must take place simultaneously, that is, the AI deposition must be in
einer Sauerstoffatmosphäre erfolgen. Die Stoßzahl ns , das heißt die Zahl der pro cm2 und sec auftreffenden (stoßenden) Gasmoleküle, läßt sich, entsprechend der gaskinetischen Theorie, nach folgender Formel berechnen:an oxygen atmosphere. The number of impacts n s , i.e. the number of gas molecules striking (cm ) per second , can be calculated according to the gas kinetic theory using the following formula:
2.62 x lO22 P[mhaτ] cm sec VJΪKJ Formel (2) .2.62 x 10 22 P [mhaτ] cm sec VJΪKJ formula (2).
wobei T die absolute Temperatur in Kelvin, Mr, die relative Molekularmasse und p der Gasdruck in mbar, bedeuten. Um die Zahl der während der Deposition einer Monolage auf lern2 auftreffenden Sauerstoffatome zu berechnen, muß man die Stoßzahl ήs mit 300 sec und einem Faktor 2, wegen derwhere T is the absolute temperature in Kelvin, M r , the relative molecular mass and p the gas pressure in mbar. In order to calculate the number of oxygen atoms striking 2 during the deposition of a monolayer, the number of impacts ή s must be 300 sec and a factor of 2, because of the
Dissoziation der Sauerstoffmoleküle ( O2 -- 20 ) in zweiDissociation of the oxygen molecules (O 2 - 20) in two
Sauerstoffatome, multipliziert werden. Mit p =lxl0"7mbar , T = 300 K und Mr = 32 ergibt sich für die integrale Stoßzahl :Oxygen atoms, are multiplied. With p = lxl0 "7 mbar, T = 300 K and M r = 32 results for the integral number of impacts:
Integrale Stoßzahl =300sec-2-ήs =1.60xl016- cmIntegral number of impacts = 300sec-2-ή s = 1.60xl0 16 - cm
Formel (3)Formula (3)
Mit der Annahme, daß der Haftkoeffizient, das ist die Zahl der haftend gebliebenen Sauerstoffatome bezogen auf die Zahl der auftreffenden Sauerstoffmoleküle, von O-Atomen auf AI-Atomen gleich 1 ist, ist Bedingung gemäß Formel (1) erfüllt.The condition according to formula (1) is fulfilled on the assumption that the coefficient of adhesion, that is the number of oxygen atoms remaining adhering to the number of oxygen molecules hitting, is equal to 1 from O atoms to Al atoms.
Die Figuren zeigen die Ergebnisse bei der Beschichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und zum Vergleich nach Verfahren gemäß dem Stand der Technik.The figures show the results of the coating with the method according to the invention and for comparison according to methods according to the prior art.
Es zeigt:It shows:
Fig.la: Die Schichtbildung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Deposi- tion, zusätzlicher Begasung undFig.la: The layer formation according to the inventive method with deposition, additional fumigation and
Tempern . Fig.lb: Eine Schichtbildung nach dem Stand der Technik zum Vergleich. Fig.2a: Auger-Spektrum von Nickel (110) Fig.2b: Auger-Spektrum nach Deposition von AI in Sauerstoffatmosphäre auf Nickel (110) . Fig.2c : Auger-Spektrum gemäß Fig.2b nach weiterer Begasung mit Sauerstoff. Fig.2d: Auger-Spektrum gemäß Fig.2a nachAnnealing. Fig.lb: A layer formation according to the prior art for comparison. Fig.2a: Auger spectrum of nickel (110) Fig.2b: Auger spectrum after deposition of Al in an oxygen atmosphere on nickel (110). Fig.2c: Auger spectrum according to Fig.2b after further gassing with oxygen. Fig.2d: Auger spectrum according to Fig.2a
Tempern . Fig.3a: Auger-Spektrum von Nickel (110) Fig.3b: Auger-Spektrum nach der Deposition von Aluminium.Annealing. Fig.3a: Auger spectrum of nickel (110) Fig. 3b: Auger spectrum after the deposition of aluminum.
Fig.3c : Auger-Spektrum einer mit Aluminium beschichteten Nickel (100) -Oberfläche nach der Oxidation mit Sauerstoff.Fig. 3c: Auger spectrum of an aluminum-coated nickel (100) surface after oxidation with oxygen.
Fig.3d: Auger-Spektrum gemäß Fig.3c nach dem Tempern .Fig.3d: Auger spectrum according to Fig.3c after annealing.
Fig.4a: Verhältnisse der AES-Intensitäten für Al/Ni und Al/O für das erfindungsge- mäße Verfahren als Funktion der Temperatur .4a: Ratios of the AES intensities for Al / Ni and Al / O for the method according to the invention as a function of temperature.
Fig.4b: Verhältnisse der AES-Intensitäten für Al/Ni und Al/O für das Produkt nach dem Stand der Technik als Funktion der Temperatur.4b: Ratios of the AES intensities for Al / Ni and Al / O for the product according to the prior art as a function of the temperature.
Fig.5a: EEL-Spektrum der Aluminiumoxidschicht, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurdeFig.5a: EEL spectrum of the aluminum oxide layer, which was produced according to the inventive method
Fig.5b: EEL-Spektrum der Aluminiumoxid- Schicht, die gemäß dem Stand derFig.5b: EEL spectrum of the aluminum oxide layer, which according to the state of the
Technik hergestellt wurde.Technology was made.
Fig.6a: Elektronenbeugungsbild der reinen Nickel (110) -OberflächeFig.6a: Electron diffraction pattern of the pure nickel (110) surface
Fig.6b: Elektronenbeugungsbild Aliminium- oxidschicht, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragen wurde .6b: electron diffraction pattern of aluminum oxide layer which was applied by the method according to the invention.
Fig.6c : Schematische Darstellung von Fig.6b.Fig.6c: Schematic representation of Fig.6b.
Figurenbeschreibung:Brief Description:
Fig. la Schematische Darstellung der Herstellung von AI-Oxidschichten auf einem Ni (100) -Substrat , dabei wurde AI bei einem Sauerstoffpartialdruck von IxlO"7 mbar aufgedampft.La schematic representation of the production of Al oxide layers on a Ni (100) substrate, AI was evaporated at an oxygen partial pressure of IxlO "7 mbar.
Fig. lb Schematische Darstellung der Herstellung von AI-Oxidschichten auf einem Ni (100) -Substrat , dabei wurde zuerst eine AI-Schicht auf Ni aufgedampft (p = IxlO"10 mbar) und anschließend bei Raumtemperatur oxidiert (Sauerstoffpartialdruck = IxlO"6 mbar für 2500 Sekunden) .Fig. Lb Schematic representation of the production of Al oxide layers on a Ni (100) substrate, an Al layer was first evaporated on Ni (p = IxlO "10 mbar) and then oxidized at room temperature (oxygen partial pressure = IxlO " 6 mbar for 2500 seconds).
Fig. 2 AES-Spektren im kinetischen Energiebereich von 10 - 120 eV. Die x-Achse zeigt die kinetische Energie der AES-Elektronen in eV. Die y-Achse zeigt die Ableitung der Elektronenverteilung N(E) nach ihrer Energie dE in willkürlichenFig. 2 AES spectra in the kinetic energy range of 10-120 eV. The x-axis shows the kinetic energy of the AES electrons in eV. The y-axis shows the derivative of the electron distribution N (E) according to its energy dE in arbitrary
Einheiten. Die hier gezeigten AES-Spektren wurden an AI-Oxidschichten gemessen, die durch Deposition von AI in einem Sauerstoffpartialdruck von IxlO-7 mbar hergestellt wurden. a: AES-Spektrum von reinem Nickel, b: AES-Spektrum nach Deposition von AI in Sauerstoff bei einem Partialdruck von IxlO"7 mbar, c: AES-Spektrum nach weiterer Begasung mit Sauerstoff, d: AES-Spektrum nach Tempern der Schicht aufUnits. The AES spectra shown here were measured on Al oxide layers that were produced by deposition of Al in an oxygen partial pressure of IxlO -7 mbar. a: AES spectrum of pure nickel, b: AES spectrum after deposition of AI in oxygen at a partial pressure of IxlO "7 mbar, c: AES spectrum after further gassing with oxygen, d: AES spectrum after annealing the layer
1400 K.1400 K.
Fig.3 AES-Spektren der AI-Schicht die durch Al-Fig. 3 AES spectra of the AI layer
Deposition bei 4xl0"10 mbar und anschließender Oxidation in Sauerstoff mit einem Partialdruck von IxlO"5 mbar hergestellt wurde, a: AES von reinem Ni, b: AES-Spektrum nach der AI Deposition, c: AES-Spektrum nach Oxidation der Al-Schicht in Sauerstoff mit einem Partialdruck von IxlO"6 mbar für 2500 Sekunden, d: AES-Spektrum nach Anlassen der Schicht auf 1200 K.Deposition at 4xl0 "10 mbar and subsequent oxidation in oxygen with a partial pressure of IxlO " 5 mbar, a: AES of pure Ni, b: AES spectrum after the AI deposition, c: AES spectrum after oxidation of the Al layer in oxygen with a partial pressure of IxlO "6 mbar for 2500 seconds, d: AES spectrum after tempering the layer to 1200 K.
Fig.4 Die Verhältnisse der AES-Intensität (Spitze zu Spitze) von Ni (848 eV) zu AI (metallisch bei 1396 eV, Al3+ bei 1378 eV) und von AI zu Sauer- Stoff als Funktion der Anlaßtemperatur (K) . DieFig.4 The ratios of the AES intensity (peak to peak) of Ni (848 eV) to AI (metallic at 1396 eV, Al 3+ at 1378 eV) and from AI to oxygen as a function of the tempering temperature (K). The
AES-Intensitätverhältnisse sind in willkürlichen Einheiten aufgetragen. a: nach Herstellung der AI-Oxidschicht durch simultane AI Deposition in Sauerstoffatmosphäre, b: nach Herstellung der AI-Oxidschicht durch AIAES intensity ratios are plotted in arbitrary units. a: after production of the Al oxide layer by simultaneous Al deposition in an oxygen atmosphere, b: after production of the Al oxide layer by Al
Deposition gefolgt von Oxidation bei IxlO"6 mbar.Deposition followed by oxidation at IxlO "6 mbar.
Fig. 5 Hochauflösende Elektronenenergieverlust-Spekt- ren. a: EEL-Spektrum von AI-Oxidschichten hergestellt durch Al-Depostion in Sauerstoff mit einem Partialdruck von IxlO"7 mbar, b: EEL-Spektrum von AI-Oxidschichten hergestellt durch Deposition von AI gefolgt von Oxidation in Sauerstoff mit einem Partialdruck von IxlO"6 mbar für 2500 Sekunden.5 High-resolution electron energy loss spectra. A: EEL spectrum of Al oxide layers produced by Al deposition in oxygen with a partial pressure of IxlO "7 mbar, b: EEL spectrum of Al oxide layers produced by deposition of Al of oxidation in oxygen with a partial pressure of IxlO "6 mbar for 2500 seconds.
Fig. 6 Elektronenbeugungsbildern (LEED pattern) bei einer Primärenergie der Elektronen von 122 eV. a: Elektronenbeugungsbild der reinen (100) Oberfläche von Ni . b: Elektronenbeugungsbild einer AI-Oxidschicht die durch Deposition von AI in einer Sauerstoffat- mosphäre von IxlO"7 mbar hergestellt wurde, danach wurde die Schicht auf 1300 K getempert. c: Schematische Darstellung des Elektronenbeugungsbildes aus Fig. 6b. Man erkennt eine pseu- do-zwölffache-Ringstruktur, die durch eine he- xagonale Struktur mit zwei Domänen die um 90°Fig. 6 electron diffraction patterns (LEED pattern) with a primary energy of the electrons of 122 eV. a: Electron diffraction pattern of the pure (100) surface of Ni. b: electron diffraction pattern of an Al oxide layer which was produced by deposition of Al in an oxygen atmosphere of IxlO "7 mbar, then the layer was annealed to 1300 K. c: Schematic representation of the electron diffraction pattern from Fig. 6b. A pseudo do-twelve-fold ring structure, through a hexagonal structure with two domains that are 90 °
Erfindungsgemäß wurde AI mit einer Depositionsrate vonAccording to the invention was AI with a deposition rate of
0.2 ML/Min in einer Sauerstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von lx 10"7 mbar bei Raumtemperatur, entsprechend einer AI-Schichtdicke von 16 Ä, deponiert. Dabei zeigt sich, wie in Figur la dargestellt, daß am En- de der Deposition von Aluminium in dieser Sauerstoffatmosphäre in der entstandenen Aluminiumoxidschicht auf Ni(100) nur Al3+-Ionen und kein metallisches Aluminium vorhanden ist. Das heißt, daß während der Deposition stö- chiometrisch.es Al2O3 entstanden ist. Dementsprechend än- dert eine weitere Begasung mit Sauerstoff den Zustand der Schicht nicht mehr. Die bei Raumtemperatur hergestellte Oxidschicht ist amorph.0.2 ml / min deposited in an oxygen atmosphere with an oxygen partial pressure of lx 10 "7 mbar at room temperature, corresponding to an Al layer thickness of 16 Å. As shown in FIG. La, it can be seen that at the end of the deposition of aluminum in This oxygen atmosphere in the resulting aluminum oxide layer on Ni (100) contains only Al 3+ ions and no metallic aluminum, which means that stoichiometric Al 2 O 3 has formed during the deposition with oxygen the state of the layer no longer. The oxide layer produced at room temperature is amorphous.
Bei anschließendem Tempern der Schicht bleibt das atomare Verhältnis von AI- zu O-Atomen (Al/O) sogar bis 1400 K konstant, wobei das atomare Verhältnis von AI zu Ni bis ca. 1200 K konstant ist. Dies belegt, daß die dünne Aluminiumoxidschicht wenigstens bis 1200 K stabil ist. Zudem bildet sich bei Tempern bis 1300 K eine wohlgeordnete, kristalline Oxidschicht aus, die zu einem scharfen Muster im Elektronenbeugungsbild führt. Zum Vergleich dazu wurde eine andere übliche Methode gewählt, wie sie von H. Boeve, J. D. Boeck, and G. Borghs in J. Appl. Phys. 89 (2001) 482 beschrieben wird, um eine dünne Schicht aus Aluminiumoxid zu präparieren. Hierbei wurde zuerst 16 Ä Aluminium unter UHV-Bedingungen (Ultrahochvakuum-Bedingungen) deponiert und anschließend bis zur Sättigung mit Sauerstoff bei IxlO"6 mbar oxidiert. Die Sättigung mit Sauerstoff wird nach ca. 2500 Sekunden erreicht. In Figur lb sieht man deutliche Hinweise auf die Existenz von unoxidierten Aluminiumatome, das heißt, daß man in der Oxidschicht auch metallische AI-Atome vorfindet. Da das atomare Verhältnis von O zu Ni in Sättigung ist, ist belegt, daß es unmöglich ist, eine 16 Ä dickeWhen the layer is subsequently tempered, the atomic ratio of Al to O atoms (Al / O) remains constant even up to 1400 K, the atomic ratio of Al to Ni being constant up to approximately 1200 K. This proves that the thin aluminum oxide layer is stable at least up to 1200 K. In addition, a well-ordered, crystalline oxide layer forms at annealing up to 1300 K, which leads to a sharp pattern in the electron diffraction pattern. For comparison, another common method was chosen, as described by H. Boeve, JD Boeck, and G. Borghs in J. Appl. Phys. 89 (2001) 482 to prepare a thin layer of aluminum oxide. Here, 16 Å of aluminum was first deposited under UHV conditions (ultra-high vacuum conditions) and then oxidized to saturation with oxygen at IxlO "6 mbar. Saturation with oxygen is reached after about 2500 seconds. FIG. 1b shows clear indications the existence of unoxidized aluminum atoms, which means that metallic Al atoms can also be found in the oxide layer, since the atomic ratio of O to Ni is saturated, it is proven that it is impossible to find a 16 Å thick
Schicht bei einem Sauerstoffpartialdruck von IxlO"6mbar komplett zu oxidieren. Die in der Figur lb angegebene Stoßzahl führt zu einer integralen Stoßzahl vonOxidize layer completely at an oxygen partial pressure of IxlO "6 mbar. The number of impacts shown in FIG
18 Atome18 atoms
2500sec-2-ιi =1.33x10 cm2500sec-2-ιi = 1.33x10 cm
Formel (4)Formula (4)
Dies ist weit mehr als zur Oxidation der deponierten etwaThis is far more than about the oxidation of the deposited ones
5 Monolagen Aluminium (entsprechend 2xl015 Atomen) notwendig wäre, trotzdem findet man noch metallisches Aluminium in der oder unter der Aluminiumoxidschicht. Während des Temperns der mit dieser Vergleichsmethode hergestellten Schicht, wird eine deutliche Abnahme des Verhältnisses Al/Ni festgestellt. Dies kann auf die Diffusion des nicht oxidierten Aluminiums in das Volumen des Nickelkristalls zurückgeführt werden.5 monolayers of aluminum (corresponding to 2xl0 15 atoms) would be necessary, but metallic aluminum can still be found in or under the aluminum oxide layer. During the annealing of the layer produced using this comparison method, a clear decrease in the Al / Ni ratio is observed. This can be attributed to the diffusion of the unoxidized aluminum into the volume of the nickel crystal.
In Versuchen, die von H. A. M. d. Gronckel, H. Kohlstedt, and C. Daniels, wie in Appl. Phis. A 70 (2000) 435 veröf- fentlicht und durchgeführt wurden, wurde auf Kobalt eine Aluminiumschicht deponiert und anschließend bei Raumtemperatur in reinem Sauerstoff bei Atmosphärendruck für fünf Minuten oxidiert. Die Proben wurden eine Woche lang bei Raumtemperatur an Luft gelagert . Es zeigte sich bei diesen Arbeiten, daßAluminiumschichten, die dicker alsIn experiments carried out by HAM d. Gronckel, H. Kohlstedt, and C. Daniels, as in Appl. Phis. A 70 (2000) 435 published an aluminum layer was deposited on cobalt and then oxidized at room temperature in pure oxygen at atmospheric pressure for five minutes. The samples were stored in air at room temperature for one week. It emerged from this work that aluminum layers thicker than
10A waren, dabei nicht vollständig oxidiert wurden. Andererseits fand man, daß eine Zwei-Schritt-Plasma- Oxidation (Deposition von 5 Ä AI gefolgt von Oxidation und danach Deposition von 7 Ä gefolgt von Oxidation) eine Verbesserung der Tunneleigenschaften der Oxidschicht zur Folge hat (K. S. Yoon, J. K. Park, J.H.Choi, J. Y. Yang, C. H. Lee, C. 0. Kim, J. P. Hong, and T. W. Kang, Appl. Phys. Lettr 79 (2001) 1160).10A, were not fully oxidized. On the other hand, it was found that two-step plasma oxidation (deposition of 5 Å Al followed by oxidation and then deposition of 7 Å followed by oxidation) resulted in an improvement in the tunnel properties of the oxide layer (KS Yoon, JK Park, JHChoi , JY Yang, CH Lee, C. 0. Kim, JP Hong, and TW Kang, Appl. Phys. Lettr 79 (2001) 1160).
Ausführungsbeispielembodiment
Figur la zeigt eine schematische Darstellung der Präparation der dünnen Aluminiumoxid-Schicht auf der (100) Ober- fläche eines Nickelkristalls durch Deposition von AI- Atomen in einer entsprechenden Sauerstoffatmosphäre . Zunächst wurde ein Sauerstoffpartialdruck von IxlO-7mbar (entsprechend einer Stoßzahl von 2.67xl013O2Molekülen/cm2sec ) eingestellt. Dann wurde Aluminium deponiert, das sofort mit dem Sauerstoff reagiert. Die Deposition geschieht bei Raumtemperatur durch Verdampfen aus einem Tiegel mit einer Rate von 0.2 Monolagen pro Minute . Unter der Annahme eines Haftkoeffizienten von eins ist dabei genügend Sauerstoff vorhanden, um stδchiometrisches Al2O3 herzu- stellen. Die Bedingung ist auch dann noch erfüllt, wenn der Haftkoeffizient wesentlich kleiner ist als eins. Das entstandene Al2O3 wird dann bei Raumtemperatur weiter mit Sauerstoff bei einem Sauerstoffpartialdruck von IxlO"6 mbar für 2500 Sekunden begast und anschließend in Schritten von 100 K bis 1200 K getempert. Danach wird in 50 K Schritten bis 1400 K getempert. Bei dieser Tempera- tur beginnt die Zersetzung der Al2O3 Schicht von der Ni-Oberfläche .FIG. 1 a shows a schematic representation of the preparation of the thin aluminum oxide layer on the (100) surface of a nickel crystal by deposition of Al atoms in a corresponding oxygen atmosphere. First, an oxygen partial pressure of IxlO -7 mbar (corresponding to an impact number of 2.67xl0 13 O 2 molecules / cm 2 sec) was set. Then aluminum was deposited, which immediately reacts with the oxygen. The deposition takes place at room temperature by evaporation from a crucible at a rate of 0.2 monolayers per minute. Assuming an adhesion coefficient of one, there is enough oxygen to produce stoichiometric Al 2 O 3 . The condition is still fulfilled if the adhesive coefficient is significantly less than one. The resulting Al 2 O 3 is then added at room temperature Oxygen is gassed for 2500 seconds at an oxygen partial pressure of IxlO "6 mbar and then annealed in steps from 100 K to 1200 K. Thereafter, annealing is carried out in 50 K steps up to 1400 K. At this temperature the decomposition of the Al 2 O 3 layer begins from the Ni surface.
Figur lb zeigt eine Methode bei der zuerst AI auf der (100) Fläche des Ni deponiert wurde und anschließend die- se Schicht oxidiert wurde. Das Aluminium wurde unter UHV-FIG. 1b shows a method in which Al was first deposited on the (100) surface of the Ni and then this layer was oxidized. The aluminum was made under UHV
Bedingungen ( 4xl0~10mbar ) deponiert. Depositionsrate und -zeit sind wie in der vorherigen Methode gewählt. Die Oxidation erfolgte in einer Sauerstoff-Atmosphäre mit einem Partialdruck von IxlO-6mbarbis zur Sättigung der Schicht mit Sauerstoff. Es zeigt sich, daß, obwohl das atomare Verhältnis von 0 zu Ni sich bei weiterem Aussetzen der Schicht an Sauerstoff nicht mehr ändert, nach der Oxidation sowohl metallisches als auch oxidiertes Aluminium in der Schicht vorliegt. Dies ist im Schema angedeu- tet wobei das metallische Aluminium in der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Ni-Substrat angesiedelt wird. Tempern dieser Schicht in 100 K Schritten bis 1200 K führt zur Diffusion des verbliebenen metallischen Aluminiums in das Volumen des Ni-Substrats . Es ist aus der Veröffentlichung von S. H. Lu, D. Tian, Z. Q. Wang, Y. S. Li, and F. Jona, in der Zeitschrift Solid State Comm. 67 (1988) 325 bekannt, daß sich durch Tempern von auf Ni(100) deponiertem Aluminium eine Ni3Al Legierung bildet. Nach Tempern auf 1300 K ist die Aluminiumoxid- schicht vollständig desorbiert .Conditions (4xl0 ~ 10 mbar) deposited. The deposition rate and time are chosen as in the previous method. The oxidation was carried out in an oxygen atmosphere with a partial pressure of IxlO -6 mbar to saturate the layer with oxygen. It turns out that although the atomic ratio of 0 to Ni does not change with further exposure of the layer to oxygen, both metallic and oxidized aluminum are present in the layer after the oxidation. This is indicated in the diagram where the metallic aluminum is located in the interface between the oxide layer and the Ni substrate. Annealing this layer in 100 K steps up to 1200 K leads to the diffusion of the remaining metallic aluminum into the volume of the Ni substrate. It is from the publication of SH Lu, D. Tian, ZQ Wang, YS Li, and F. Jona, in Solid State Comm. 67 (1988) 325 discloses that an Ni 3 Al alloy is formed by tempering aluminum deposited on Ni (100). After tempering to 1300 K, the aluminum oxide layer is completely desorbed.
Figur 2 zeigt Auger-Spektren (AES, Auger Elektronenspektroskopie) im Bereich der kinetischen Energien von 10-120 eV, die während der Präparation mit der erfindungsgemäßen Methode aufgezeichnet wurden. Figur 2a zeigt das AES-Spektrum der reinen Nickel (100) -Ober läche mit den zwei entsprechenden AES-Übergängen bei 61 eV und 102 eV. Nach der Deposition von Aluminium in Sauerstoff- Atmosphäre (Figur 2b) sind zwei AES-Übergänge bei 35 eV und 51 eV vorhanden, die für dreifach ionisiertes Aluminium ( Al3+ ) charakteristisch sind. Für metallisches Aluminium wäre ein Übergang bei 68 eV zu erwarten, auf den es in Fig. 2b keine Hinweise gibt. Die Tatsache, daß sich das AES-Spektrum, gezeigt in Figur 2c, nach der weiteren Begasung mit Sauerstoff nicht geändert hat, spricht dafür, daß sich bereits während der Deposition stδchio- metrisches Al2O3 bildet. Figur 2d zeigt das AES-Spektrum nach Tempern der Schicht auf 1400 K. Neben den für Al2O3 charakteristischen AES-Übergängen sieht man AES-Signale bei 61 eV und 102 eV, die für Nickel charakteristisch sind. Dies deutet darauf hin, daß bei dieser Temperatur eine Desorption des Al2O3 einsetzt und das Ni-Substrat wieder zum Vorschein kommt .FIG. 2 shows Auger spectra (AES, Auger electron spectroscopy) in the range of the kinetic energies of 10-120 eV, which were recorded during the preparation with the method according to the invention. FIG. 2a shows the AES spectrum of the pure nickel (100) surface with the two corresponding AES transitions at 61 eV and 102 eV. After the deposition of aluminum in an oxygen atmosphere (Figure 2b) there are two AES transitions at 35 eV and 51 eV, which are characteristic of triple ionized aluminum (Al 3+ ). A transition at 68 eV would be expected for metallic aluminum, to which there are no indications in FIG. 2b. The fact that the AES spectrum, shown in FIG. 2c, has not changed after the further gassing with oxygen suggests that stoichiometric Al 2 O 3 is already formed during the deposition. Figure 2d shows the AES spectrum after annealing the layer to 1400 K. In addition to the AES transitions characteristic of Al 2 O 3 , AES signals at 61 eV and 102 eV can be seen, which are characteristic of nickel. This indicates that desorption of the Al 2 O 3 begins at this temperature and the Ni substrate reappears.
Figur 3 zeigt AES-Spektren im kinetischen Energiebereich von 10 bis 120 eV, die während der Präparation mit der in Fig. lb beschriebenen Methode nach dem Stand der TechnikFIG. 3 shows AES spectra in the kinetic energy range from 10 to 120 eV, during the preparation according to the prior art method described in FIG. 1b
- erst Al-Deposition mit einer Schichtdicke von 16A gefolgt von anschließender Oxidation - aufgenommen wurden. Figur 3a zeigt wieder das AES-Spektrum der reinen Ni (100) -Oberfläche. Nach der Deposition von Aluminium bei p = 4xl0~10mbar (UHV) erhält man ein AES-Spektrum das in Fig. 3b gezeigt ist. Hier beobachtet man einen AES-- Al deposition with a layer thickness of 16A followed by subsequent oxidation - was recorded. FIG. 3a again shows the AES spectrum of the pure Ni (100) surface. After the deposition of aluminum at p = 4xl0 ~ 10 mbar (UHV), an AES spectrum is obtained which is shown in Fig. 3b. Here you can see an AES
Übergang bei 68 eV der metallischem AI zugeordnet wird. Dies ist ein deutlicher Unterschied zu Figur 2b - nach Al-Deposition in Sauerstoffatmosphäre -, wo nur AES- Übergänge gefunden wurden, die ionischem Aluminium ent- sprechen. Nach der Oxidation der 16A dicken Aluminium- Schicht bei IxlO"6 mbar für 2500 Sekunden sind im AES- Spektrum sowohl die für Al3+ charakteristischen Übergänge bei 35 eV und 51 eV als auch der für metallisches Aluminium charakteristische Übergang bei 68 eV vorhanden (Figur 3c) . Dies läßt auf eine Koexistenz von metallischem und oxidiertem Aluminium schließen wie es in Figur 2b an- gedeutet ist.Transition at 68 eV the metallic AI is assigned. This is a clear difference to Figure 2b - after Al deposition in an oxygen atmosphere - where only AES transitions were found that correspond to ionic aluminum. After oxidation of the 16A thick aluminum layer at IxlO "6 mbar for 2500 seconds, the AES spectrum shows the transitions characteristic for Al 3+ at 35 eV and 51 eV as well as the transition characteristic for metallic aluminum at 68 eV (Figure 3c) This suggests a coexistence of metallic and oxidized aluminum as indicated in FIG. 2b.
Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Verhältnisse von AES- Intensitäten für AI zu Ni (Al/Ni) , sowie von AI zu 0 (Al/O) gemessen für höherenergetische Auger-Übergänge (Nickel: 848 eV, metallisches Aluminium: 1396 eV, Aluminiumionen Al3+: 1378 eV, sowie Sauerstoff: 503 eV) . Als AES-Intensität werden die AES Signale, gemessen von Spitze zu Spitze im dN(E)/dE Spektrum, genommen. Der Grund für die Betrachtung dieser AES-Übergänge, im Gegensatz zu Figur 2, liegt in der größeren Austrittstiefe der Auger- Elektronen mit höherer kinetischen Energie. Während also in Figur 2 nur oberflächennahe Schichten zur AES-Signal- entstehung beitragen, tragen in Figur 4 auch Auger- Elektronen, die in tieferen Schichten freigesetzt werden, zur Signalentstehung bei. Die mittlere freie Weglänge vonFIG. 4 shows the dependence of the ratios of AES intensities for AI to Ni (Al / Ni) and of AI to 0 (Al / O) measured for higher-energy Auger transitions (nickel: 848 eV, metallic aluminum: 1396 eV, aluminum ions Al 3+ : 1378 eV, and oxygen: 503 eV). The AES signals, measured from peak to peak in the dN (E) / dE spectrum, are taken as the AES intensity. The reason for considering these AES transitions, in contrast to FIG. 2, lies in the greater exit depth of the Auger electrons with higher kinetic energy. Thus, while only layers close to the surface contribute to the AES signal formation in FIG. 2, Auger electrons, which are released in deeper layers, also contribute to the signal formation in FIG. 4. The mean free path of
Elektronen ist in Al2O3 : 7 . 3 A bei 50 eV, 18 A bei 800 eV,Electrons is 3 : 7 in Al 2 O. 3 A at 50 eV, 18 A at 800 eV,
27.9A bei 1400 eV. Das ermöglicht, das Signal des Substrats - also das Signal von Nickel - als Referenz zu benutzen. Figur 4 zeigt nun die Verhältnisse der AES- Intensitäten des Aluminium-Übergangs (Al3+: 1378 eV) zum Nickel-Übergang (Ni : 848 eV) . Für die erfindungsgemäße Präparationsmethode gemäß Figur 4a (Deposition in ent- sprechender Sauerstoffatmosphäre) bleibt das AES-Ver ält- nis Al/Ni und Al/O bis zu einer Temperatur von 1250 K konstant. Erst danach tritt eine deutliche Abnahme des Verhältnisses Al/Ni ein, die auf die Desorption der Oxid- schicht zurückzuführen ist. Das Verhältnis Al/O bleibt dagegen bis zu einer Temperatur von 1400 K konstant, was im hohen Temperaturbereich eine gleichmäßige Abnahme von Aluminium und Sauerstoff von der Oberfläche anzeigt. Fig. 4b zeigt die entsprechenden Verhältnisse für die Oxid- schicht, die nach dem Stand der Technik durch AI-Deposition gefolgt von Oxidation hergestellt wurde. Man stellt eine fast kontinuierliche Abnahme der AES-Verhältnisse Al/Ni und Al/O fest (AI: 1396 eV, Ni : 848 eV und 0: 503 eV) , was auf eine Diffusion des metallischen Aluminiums in das Volumen des Substrats schließen läßt. Die Abnahme des Verhältnisses Al/O spricht ebenfalls dafür, daß nach der Oxidation metallisches Aluminium im Überschuß vorhanden ist und während des Te perns eine Diffusion des metallischen Aluminiums ins Volumen des Ni-Substrates stattfindet. Anderseits könnte sich beim Tempern an der Grenzfläche des Aluminiumoxids und des Ni-Substrats auch eine dünne NiAl oder Ni3Al Schicht bilden.27.9A at 1400 eV. This enables the signal from the substrate - the signal from nickel - to be used as a reference. FIG. 4 now shows the ratios of the AES intensities of the aluminum transition (Al 3+ : 1378 eV) to the nickel transition (Ni: 848 eV). For the preparation method according to the invention according to FIG. 4a (deposition in speaking oxygen atmosphere) the AES ratio Al / Ni and Al / O remains constant up to a temperature of 1250 K. Only then does the Al / Ni ratio decrease significantly, which is due to the desorption of the oxide layer. In contrast, the Al / O ratio remains constant up to a temperature of 1400 K, which indicates a uniform decrease in aluminum and oxygen from the surface in the high temperature range. FIG. 4b shows the corresponding conditions for the oxide layer which was produced in the prior art by Al deposition followed by oxidation. An almost continuous decrease in the AES ratios Al / Ni and Al / O is found (AI: 1396 eV, Ni: 848 eV and 0: 503 eV), which suggests a diffusion of the metallic aluminum into the volume of the substrate. The decrease in the Al / O ratio also suggests that there is an excess of metallic aluminum after the oxidation and a diffusion of the metallic aluminum into the volume of the Ni substrate takes place during Te perns. On the other hand, a thin NiAl or Ni 3 Al layer could also form during the tempering at the interface of the aluminum oxide and the Ni substrate.
Aluminiumoxid kommt in der Natur in mehreren Modifikatio- nen vor. Amorphes Aluminiumoxid, das sich bei Raumtempe- raturoxidation bildet, ist dadurch charakterisiert, daß sich die Al-Ionen nur in tetraederischer Koordination befinden. Die α-Al203 Modifikation, die die Hochtemperaturphase des Aluminiumoxids ist und die Korund genannt wird, enthält Al-Ionen die nur oktaedrisch koordiniert sind.Alumina occurs in nature in several modifications. Amorphous aluminum oxide, which forms during room temperature oxidation, is characterized in that the Al ions are only in tetrahedral coordination. The α-Al 2 0 3 modification, which is the high temperature phase of the aluminum oxide and which is called corundum, contains Al ions which are only coordinated octahedrally.
Dazwischen gibt es viele Al203-Modifikationen in der die Al3+-Ionen in beiden Koordinationen vorkommen können. Um die Frage zu klären um welche Modifikation des Aluminium- oxids es sich handelt, wurden hochauflösende Elektronen- energieverlustspektroskopieuntersuchungen (EELS) durchgeführt . Figur 5a zeigt ein EEL-Spektrum der Aluminiumoxidschicht, die durch Al-Deposition nach dem erfindungsgemä- ßen Verfahren in einer entsprechenden Sauerstoffatmosphäre hergestellt wurde und anschließend auf 1300 K getempert wurde. In Figur 5a zeigt die x-Achse die Verlustenergie. Man beobachtet die elastische Linie bei der Verlustenergie = 0, und die Verlustenergie der Elektronen in Wellenzahlen cm"1, entsprechend der Anregung einer Schwingung im Oxid. Die y-Achse zeigt die Intensität der gestreuten Elektronen in normierbaren willkürlichen Einheiten (w.E.) . In Figur 5a beobachtet man zwei Verluste bei 640 und 900 cm"1, die darauf hindeuten, daß auf diese Wei- se die stabile α-Modifikation hergestellt wurde. Diese ist die einzige thermisch stabile Modifikation von Aluminiumoxid.In between there are many Al 2 0 3 modifications in which the Al 3+ ions can occur in both coordinations. To clarify the question about which modification of the aluminum oxides, high-resolution electron energy loss spectroscopy (EELS) investigations were carried out. FIG. 5a shows an EEL spectrum of the aluminum oxide layer, which was produced by Al deposition using the process according to the invention in a corresponding oxygen atmosphere and was subsequently heated to 1300 K. In Figure 5a, the x-axis shows the energy loss. The elastic line is observed at the loss energy = 0, and the loss energy of the electrons in wave numbers cm "1 , corresponding to the excitation of a vibration in the oxide. The y-axis shows the intensity of the scattered electrons in normable arbitrary units (wE). In FIG 5a two losses are observed at 640 and 900 cm "1 , which indicate that the stable α-modification was produced in this way. This is the only thermally stable modification of aluminum oxide.
Figur 5b zeigt ein EEL-Spektrum einer Alu iniumoxid- schicht, die mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde, d. h. durch Al-Deposition gefolgt von Oxidation, gefolgt von einem Anlassen auf 1200 K. Im Spektrum sind drei Verluste bei 420, 640 und 880 cm"1 zu beobachten. Diese Verluste sind typisch für mehrere Modi- fikationen von Aluminiumoxid, die alle nicht thermisch stabil sind. In der Literatur wird unter gleichen Bedingungen häufig von der Bildung von γ - Al2O3 oder Θ-Al203 berichtet . In beiden Spektren zeigt der Verstärkungsfaktor (xlO) der Verlustintensität, daß man auf der metallischen Ni-Oberfläche oxidische, ionische Verbindungen hat, die durch große dynamische Dipolmomente charakterisiert sind, wie das für Aluminiumoxid zu erwarten ist. Einen anderen Hinweis dafür, daß sich auf der Ni-Oberfläche nach Al-Deposition in Sauerstoffatmosphäre, gefolgt von Anlassen auf 1300 K nach dem erfindungsgemäßenFIG. 5b shows an EEL spectrum of an aluminum oxide layer which was produced using the method according to the prior art, ie by Al deposition followed by oxidation followed by tempering to 1200 K. The spectrum shows three losses at 420. 640 and 880 cm "1. These losses are typical of several modifications of aluminum oxide, all of which are not thermally stable. In the literature, under the same conditions, the formation of γ - Al 2 O 3 or Θ-Al 2 0 3. In both spectra, the amplification factor (x10) of the loss intensity shows that the metallic Ni surface has oxidic, ionic compounds which are characterized by large dynamic dipole moments, as is to be expected for aluminum oxide. Another indication that there is on the Ni surface after Al deposition in an oxygen atmosphere, followed by tempering to 1300 K according to the invention
Verfahren, die α-Al03 Modifikation bildet, zeigen Elekt- ronenbeugung (LEED, low energy electron diffraction) Untersuchungen. Figur 6a zeigt ein Beugungsbild der reinen (100) Oberfläche von Nickel, aufgenommen bei einer Primärenergie der Elektronen von 122 eV. Figur 6b zeigt ein Elektronenbeugungsbild der erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumoxid-Schicht nach Tempern bei 1300 K. Man erkennt eine pseudo-zwölffache-Ringstruktur, die durch eine hexagonale Struktur mit zwei Domänen, die um 90° gegeneinander gedreht sind, erklärt werden kann. Diese hexagonale Struktur zusammen mit dem Elektronen-Energie- Verlust-Spektrum in Figur 5a spricht dafür, daß hier die «-Modifikation von Aluminiumoxid vorliegt. Zum besseren Verständnis der Beugungsbilder sind in Figur 6c Substrat- Punkte durch Kreise und zusätzliche vom Oxid stammende Punkte durch Sterne gekennzeichnet. Methods that form α-Al0 3 modification show electron diffraction (LEED) investigations. FIG. 6a shows a diffraction pattern of the pure (100) surface of nickel, recorded at a primary energy of the electrons of 122 eV. FIG. 6b shows an electron diffraction pattern of the aluminum oxide layer produced according to the invention after annealing at 1300 K. A pseudo-twelve-fold ring structure can be seen, which can be explained by a hexagonal structure with two domains which are rotated 90 ° relative to one another. This hexagonal structure together with the electron energy loss spectrum in FIG. 5a indicates that the modification of aluminum oxide is present here. For a better understanding of the diffraction patterns, substrate points are identified by circles in FIG. 6c and additional points originating from the oxide are identified by stars.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrates A mit einer Schicht eines Stoffes BC, bei dem die Komponente B eine Unterkombination aus verschiedenen Komponenten B,B ,Bλλ sein kann, dadurch gekennzeichnet,1. A method for coating a substrate A with a layer of a substance BC, in which component B can be a sub- combination of different components B, B, B λλ , characterized in that
- daß das zu beschichtende Substrat A vorgelegt wird,- that the substrate A to be coated is presented,
- die beiden Komponenten B und C, von denen B die zu oxidierende Substanz und C ein Oxidationsmittel ist, welche zusammen die oxidierte Schicht bilden, ko- existent in der über dem Substrat A befindlichen- The two components B and C, of which B is the substance to be oxidized and C is an oxidizing agent, which together form the oxidized layer, coexistently in the one located above the substrate A.
Phase gas- oder dampfförmig vorgelegt werden,Phase are presented in gaseous or vaporous form,
- wobei die Komponente C im Hinblick auf die Konzentration der Komponente B mindestens in stöchiometri- schem Mengenverhältnis im Hinblick auf das Produkt vorliegt und- wherein component C is present with respect to the concentration of component B at least in a stoichiometric ratio with respect to the product and
- das Produkt BC eine negativere Bildungsenthalpie hat als das nicht erwünschte Produkt AC .- the product BC has a more negative enthalpy of formation than the undesirable product AC.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat A ein Metall eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a metal is used as substrate A.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß als Metall eine Legierung eingesetzt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that an alloy is used as the metal.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, daß als Metall mindestens eine Komponente aus der Gruppe Ni, Cu, Fe, Au, Cr, Co, Mn, Gd, Ag, Pt, Ga Fe/Ni-Legierung oder ein ferromagnetisches Metall eingesetzt wird.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that at least one component of the metal Group Ni, Cu, Fe, Au, Cr, Co, Mn, Gd, Ag, Pt, Ga Fe / Ni alloy or a ferromagnetic metal is used.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat A ein Halbleiter eingesetzt wird.5. The method according to claim 1, characterized in that a semiconductor is used as substrate A.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter mindestens eine Komponente aus der Gruppe Si02, Si, GaAs eingesetzt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that at least one component from the group Si0 2 , Si, GaAs is used as the semiconductor.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Substanz B mindestens eine Komponente aus der Gruppe von AI, Fe, Co, Ni, Ti, Mo, Si, Mg, Mn, Gd, Zr, Ga und Cr eingesetzt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that as substance B at least one component from the group of Al, Fe, Co, Ni, Ti, Mo, Si, Mg, Mn, Gd, Zr, Ga and Cr is used.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente C mindestens eine Komponente aus der Gruppe 02, H20 eingesetzt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least one component from the group 0 2 , H 2 0 is used as component C.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente B durch Verdampfen oder durch Sput- tern wird in die Gas- oder Dampfphase gebracht wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that component B is brought into the gas or vapor phase by evaporation or by sputtering.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schicht BC bei Raumtemperatur auf der Oberfläche des Substrates A bildet .10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the layer BC at room temperature on the Surface of the substrate A forms.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrens UV-Licht eingestrahlt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that UV light is irradiated during the process.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Licht einer Wellenlänge λ < 240 nm eingestrahlt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that light of a wavelength λ <240 nm is irradiated.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt nach der Beschichtung erhitzt wird.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the product is heated after the coating.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung auf eine Temperatur in einem Be- reich von T > Raumtemperatur bis 1200 K erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that the heating to a temperature in a range from T> room temperature to 1200 K takes place.
15. Mit einer Substanz BC beschichtetes Substrat A, dadurch gekennzeichnet, daß es mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wurde.15. With a substance BC coated substrate A, characterized in that it was produced by the method according to any one of claims 1 to 13.
16. Mit einer Substanz BC beschichtetes Substrat A nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht BC eine Dicke von 0,5 nm bis 3 nm hat. 16. With a substance BC coated substrate A according to claim 14, characterized in that the layer BC has a thickness of 0.5 nm to 3 nm.
17. Mit einer Substanz BC beschichtetes Substrat A dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente B ist vollständig oxidiert ist und keine Zwischenschicht existiert, die aus einer Legierung AB oder der Komponente B besteht .17. Substrate A coated with a substance BC, characterized in that component B is completely oxidized and there is no intermediate layer consisting of an alloy AB or component B.
18. Mit Al203 beschichteter Nickelträger, dadurch gekennzeichnet, daß das Al203 in einer α-Modifikation vorliegt.18. Coated with Al 2 0 3 nickel support, characterized in that the Al 2 0 3 is present in an α-modification.
19. Verwendung von beschichteten Substraten nach einem der Ansprüche 14 bis 17 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Tunnelbarriere oder Korrosionsschutz . 19. Use of coated substrates according to one of claims 14 to 17 or produced according to one of claims 1 to 13 as a tunnel barrier or corrosion protection.
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