(57)【要約】  本開示は、α’’‐Ｆｅ１６Ｎ２を含む硬質磁性材料と、化学気相堆積又は液相エピタキシーを用いたα’’‐Ｆｅ１６Ｎ２を含む硬質磁性材料の形成方法を記載する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
前記鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上に堆積させて、鉄と窒素を含む層を形成すること、及び
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項２】
前記鉄ソースが固体鉄を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固体鉄が鉄粉末又は鉄膜の少なくとも１種を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
鉄ソースが固体鉄前駆体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記固体鉄前駆体が、Ｆｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記鉄ソースが液体鉄前駆体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記液体鉄前駆体が、ＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、尿素を加熱して尿素蒸気を形成することにより形成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素を含む蒸気を形成することにより形成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、ＮＨ3蒸気を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記鉄含有化合物を含む蒸気と前記窒素含有化合物を含む蒸気を加熱して前記鉄含有化合物を含む蒸気と前記窒素含有化合物を含む蒸気を分解して、前記基材上に堆積する原子状窒素と原子状鉄を形成することを更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記鉄含有化合物を含む蒸気と前記窒素含有化合物を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて前記層を加熱することを含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＣ、ＴｉＮ、高温ポリマー、又はガラスの少なくとも１種を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
窒素含有溶媒と鉄ソースを含むコーティング溶液に基材を浸漬するに際し、前記コーティング溶液が、前記コーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて前記鉄ソースにより飽和されること、
前記コーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含むコーティングを基材上に形成すること、及び
前記鉄と窒素を含むコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項１７】
前記溶媒が、硝酸アンモニウム、アミド、又はヒドラジンの少なくとも１種を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第二の温度が、約６００℃〜約８００℃である、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記鉄と窒素を含むコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記鉄と窒素を含むコーティングが、約８：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて前記層を加熱することを含む、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＣ、ＴｉＮ、高温ポリマー、又はガラスの少なくとも１種を含む、請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法により形成された物品。
【請求項２５】
請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置。
【請求項２６】
請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法により製造されたα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインを含む加工対象物。
【請求項２７】
前記加工対象物が、ペレット、ロッド、膜、ナノ粒子、粉末、又はナノスケール粉末を含む、請求項２６に記載の加工対象物。
【請求項２８】
複数の加工対象物のうちの少なくとも１つの加工対象物が、請求項２６又は２７に記載の加工対象物を含む、複数の加工対象物を含む物品。
【請求項２９】
前記物品が、電気モーター、発電機、センサ、アクチュエーター、自動車の部品、又は風車タービンの部品を含む、請求項２８に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本件は、全体の内容が参照により本開示に組み入れられる、２０１４年８月８日に出願された米国特許仮出願第６２／０３５，２４５号の利益を主張する。
【０００２】
技術分野
本開示は、硬質磁性材料を形成する硬質磁性材料及び手法に関する。
【０００３】
背景
永久磁石は、例えば代替的なエネルギーシステムを含む多くの電気機械システムにおいて役割を果たす。例えば、永久磁石は乗り物、風力タービン、及び他の代替的なエネルギー機構において用いることができる電気モーター又は発電機において用いられる。現在使用されている多くの永久磁石は、高い磁気エネルギー積をもたらすネオジム等の希土類元素を含む。これらの希土類元素は比較的供給不足であり、将来価格の上昇及び／又は供給不足に直面する可能性がある。加えて、希土類元素を含む幾つかの永久磁石は、製造が高コストである。例えば、ＮｂＦｅＢ及びフェライト磁石の製造は、一般的に材料を押しつぶすこと、材料を圧縮すること、及び１０００℃超の温度にて焼結することを含み、これらの全ては磁石の高い製造コストに寄与する。加えて、希土類の採鉱は、深刻な環境破壊をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料、及び化学気相堆積（ＣＶＤ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）を用いたα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料の形成方法を記載する。Ｆｅ16Ｎ2が高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、及び高い磁気エネルギー積を有するため、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料は、希土類元素を含む永久磁石の代替物を提供することができる。
【０００５】
幾つかの例において、本開示は鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上に堆積させて、鉄と窒素を含む層を形成すること、及び鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法を記載する。
【０００６】
幾つかの例において、本開示は窒素含有溶媒及び鉄ソースを含むコーティング溶液に基材を浸漬させることを含む方法を記載する。コーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて、コーティング溶液を鉄ソースで飽和させてよい。方法は、コーティング溶液に基材を浸漬させること、及びコーティング溶液を第二の温度に冷却して、過飽和のコーティング溶液を形成することを更に含むことができる。第二の温度は、鉄‐窒素混合物の液相線温度未満であってよい。加えて、方法は、過飽和のコーティング溶液への浸漬を維持することにより、鉄と窒素を含むコーティングを基材上に形成すること、及び鉄と窒素を含むコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含むことができる。
【０００７】
幾つかの例において、本開示は、基材、及び基材上にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層であって、ＣＶＤ又はＬＰＥのうちの少なくとも１つを用いて形成されている層を含む物品を記載する。
【０００８】
幾つかの例において、本開示は、ＣＶＤ又はＬＰＥのうちの少なくとも１つを実施して、基材及び基材上にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む層を含む物品を形成する装置を記載する。
【０００９】
幾つかの例において、本開示はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインであって、ＣＶＤ又はＬＰＥのうちの少なくとも１つを用いて形成された少なくとも１つの相ドメインを含む加工対象物を記載する。
【００１０】
幾つかの例において、本開示は複数の加工対象物を含む物品を記載する。複数の加工対象物のうちの少なくとも１つの加工対象物は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインであって、ＣＶＤ又はＬＰＥのうちの少なくとも１つを用いて形成された少なくとも１つの相ドメインを含む。
【００１１】
１つ又はそれより多くの例の詳細は、添付の図面及び以下の詳細な説明に記載される。他の特徴、物品、及び利点は、明細書及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
概要、及び以下の詳細な説明は、添付の図面と関連して読む際に更に理解される。本開示を示す目的のために、図面において例が示されているが、本開示は開示された特定の方法、組成物、及び装置に限定されない。加えて、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
【図１】図１は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置を示す概念概略図である。
【図２】図２は、鉄窒化物相図である。
【図３】図３は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルを示す概念図である。
【図４】図４は、鉄又は鉄窒化物（例えばＦｅ8Ｎ）ドメイン及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメインを有する材料を示す概念図である。
【図５】図５は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置を示す概念概略図である。
【図６】図６は、ＬＰＥを用いた、基材上にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含むコーティングを形成する例示的な装置を示す概念概略図である。
【図７】図７は、鉄‐窒素固体‐液体相図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示は、本開示の一部を形成する添付の図面及び例に関連してとられる以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。本開示は、本開示に記載され、及び／又は示された特定の装置、方法、応用、条件、又はパラメータに限定されないこと、並びに本開示で用いられる専門用語は、特に例を記載する目的であり、特許請求の範囲を限定するように意図されていないことを理解されたい。値の範囲が表されている場合、別の例は、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」の使用により概算として表されている場合、特定の値が別の例を形成することが理解されるであろう。全ての範囲は包括的であり、組み合わせることができる。更に、範囲に記載された値への言及は、その範囲内の各及び全ての値を含む。本開示で用いられる用語「含む」の使用は、用語「からなる」及び「本質的に〜からなる」を使用する他の実施態様も包含するべきである。
【００１４】
わかりやすさのために別個の例の文脈において本開示で記載された本開示のある特徴は、単独の例の組み合わせで与えられてもよいことが理解されるであろう。逆に言うと、わかりやすさのために単独の例の文脈において記載された本開示の種々の特徴は、別個に又は任意のサブコンビネーションで与えられてもよい。
【００１５】
本開示は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料、及び化学気相堆積（ＣＶＤ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）を用いてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成する技術を記載する。Ｆｅ16Ｎ2が高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、及び高い磁気エネルギー積を有するため、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料は、希土類元素を含む永久磁石の代替物を提供することができる。
【００１６】
幾つかの例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインを含む加工対象物の形態であることができる。加工対象物としては、例えばペレット、ロッド、薄膜、ナノ粒子、粉末、又はナノスケール粉末を挙げることができる。幾つかの例において、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料は、複数の加工対象物を含む物品の形態であることができる。複数の加工対象物のうちの少なくとも１つの加工対象物は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインを含むことができる。物品としては、例えば電気モーター、発電機、センサ、アクチュエーター、自動車の部品、又は風力タービンの部品を挙げることができる。
【００１７】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成する方法としては、ＣＶＤ又はＬＰＥを挙げることができる。これらの方法のいずれかを用いて、基材上にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの層を含む薄膜を堆積させることができる。幾つかの例において、基材としてはシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体を挙げることができる。他の例において、基材はガラス、高温ポリマー、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2（例えばＳｉ又は他の半導体基材上のＳｉＯ2の層）、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＣ、ＴｉＮなどの別の材料を含むことができる。
【００１８】
化学気相堆積は、半導体デバイスへのα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料の組み入れ、及び半導体プロセスへのα’’‐Ｆｅ16Ｎ2形成の組み入れを可能にすることができる。例えば、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁性体論理デバイス、磁気ストレージデバイス、磁気微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、微小モーター、マイクロアクチュエーター、ナノモーター、ナノアクチュエーターなどに組み入れることができる。
【００１９】
図１は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置１０を示す概念概略図である。装置１０は、サセプタ１４を取り囲むことができる化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバ１２を含む。基材１６は、サセプタ１４により保持され、コーティング１８は、基材１６の少なくとも一部の上に形成される。ＣＶＤチャンバ１２は、例えばクオーツ又は別の耐火性材料を含むことができる。幾つかの例において、ＣＶＤチャンバ１２を、ラジオ周波数（ＲＦ）磁気エネルギーに対して実質的に透明な材料で形成することができる。
【００２０】
幾つかの例において、ＣＶＤチャンバ１２は、ＲＦ誘導コイル２０により少なくとも部分的に取り囲まれる。ＲＦ誘導コイル２０を流れるように、ＲＦにおいて交流電流を生じさせるＲＦソース（図１には示されていない）にＲＦ誘導コイル２０を電気的に接続することができる。幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル２０により生成したＲＦ磁場は、ＲＦエネルギーを熱に変換するサセプタ１４により吸収されてよい。これは、基材１６を加熱する。したがって、幾つかの例において、サセプタ１４はＲＦ誘導コイル２０により発生する周波数のＲＦエネルギーを吸収するグラファイト又は別の材料を含むことができる。
【００２１】
幾つかの例において、サセプタ１４はインレット２２に対する斜面において、基材１６を配置するように形成され、または配向されてよい。インレット２２に対する斜面において基材１６を配置することは、コーティングガスが実質的に水平な基材１６に沿って流れる際のコーティングガスからの反応物の減少に起因する、基材１６の下流位置が基材１６の上流位置より薄いコーティングによりコーティングされる現象である下流デプレションを低減し、または実質的に消滅させることができる。
【００２２】
幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル２０により加熱されたサセプタ１４を含むのではなく、ＣＶＤチャンバ１２の全体積が加熱されるように、ＣＶＤチャンバ１２を加熱することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ１２を炉内に配することができ、またはＣＶＤチャンバ１２を、ＲＦエネルギーを吸収し、ＣＶＤチャンバ１２の体積を加熱する材料で形成することができる。
【００２３】
基材１６は、任意の材料であって、その上にコーティング１８を形成することができるものを含むことができる。幾つかの例において、基材１６はシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体を含むことができる。他の例において、基材は別の材料、たとえばガラス、高温ポリマー、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2（例えばＳｉ又は他の半導体基材上のＳｉＯ2の層）、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＣ、ＴｉＮなどを含むことができる。
【００２４】
幾つかの例において、基材１６は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2とは異なる格子構造、異なる格子パラメータ、又は両方を有する結晶性材料を含むことができる。幾つかの例において、加えて、または代わりに、基材１６はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2とは異なる熱膨張係数を有することができる。基材１６が、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2とは異なる格子構造、異なる格子パラメータ、又は異なるＣＴＥのうちの少なくとも１つを含む例において、基材１６はアニール法中の層１８に歪みを与える場合があり、このことはコーティング１８中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2の形成を促進する場合がある。
【００２５】
ＣＶＤチャンバ１２は、インレット２２及びアウトレット２４を含むことができる。インレット２２を、コーティングガスの１種又はそれより多くのソースに流体的に接続することができる。例えば、装置１０において、インレット２２はキャリアガスソース２６、コーティング成分の第一のソース３０、コーティング成分の第二のソース３４に流体的に接続される。
【００２６】
幾つかの例において、キャリアガスソース２６は、ＣＶＤチャンバ１２の内側にコーティングガスを運ぶガスを含むことができる。幾つかの例において、キャリアガスソース２６は、実質的に不活性のガスのソースを含むことができる（例えば装置１０の動作中に装置１０内に存在する他の元素及び化合物と実質的に反応性でないガス）。実質的に不活性のガスとしては、例えばアルゴン等の希ガスを挙げることができる。
【００２７】
幾つかの例において、キャリアガスソース２６は、加えて、または代わりに、装置１０内に存在する１種又はそれより多くの元素及び化合物と反応することができるガスを含むことができる。例えば、キャリアガスソース２６は、水素ガス（Ｈ2）のソースを含むことができる。幾つかの例において、水素ガスは鉄前駆体と反応して鉄を遊離させることができる。幾つかの例において、キャリアガスソース２６は実質的に不活性のガスと、装置１０内に存在する１種又はそれより多くの元素及び化合物と反応するガスとの混合物を含むことができる。例えば、キャリアガスソース２６は、水素ガスとアルゴンとの混合物を含むことができる。
【００２８】
キャリアガスソース２６を、管路又はパイプ、及び少なくとも１つのバルブ２８を介してＣＶＤチャンバ１２に流体的に接続することができる。バルブ２８を、キャリアガスソース２６からＣＶＤチャンバ１２へのキャリアガスの流れを制御するのに用いることができる。
【００２９】
装置１０は第一のソース３０も含む。第一のソース３０は、窒素含有化合物を含む蒸気のソースを含むことができる。幾つかの例において、第一のソース３０は、ガス状アンモニア（ＮＨ3）等の窒素前駆体のガス状ソースを含むことができる。他の例において、第一のソース３０は硝酸アンモニウム（ＮＨ4ＮＯ3、固体）、アミド(液体又は固体）、又はヒドラジン（液体）等の窒素前駆体の液体又は固体ソースを含むことができる。
【００３０】
アミドはＣ‐Ｎ‐Ｈ結合を含み、ヒドラジンはＮ‐Ｎ結合を含む。硝酸アンモニウム、アミド及びヒドラジンは、鉄窒化物を含む粉末を形成する窒素ドナーとして働くことができる。任意のアミドを用いることができるが、例示的なアミドとしては、カルバミド（（ＮＨ2）2ＣＯ、尿素ともよばれる）、メタンアミド（式１）、ベンズアミド（式２）、及びアセトアミド（式３）が挙げられる。
【００３１】
【化１】
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【００３２】
幾つかの例において、アミン基によるカルボン酸のヒドロキシル基の置換により、アミドをカルボン酸から誘導することができる。この種類のアミドは、酸アミドとよばれる場合がある。
【００３３】
第一のソース３０中の窒素含有化合物が固体又は液体である例において、第一のソース３０は、窒素含有化合物を揮発させ、窒素含有化合物を含む蒸気を形成する熱源を含むことができる。
【００３４】
第一のソース３０を、管路又はパイプ及び少なくとも１つのバルブ３２を介してＣＶＤチャンバ１２に流体的に接続することができる。バルブ３２を、第一のソース３０からＣＶＤチャンバ１２への窒素含有蒸気の流れを制御するのに用いることができる。
【００３５】
装置１０は第二のソース３４も含む。第二のソース３４は、鉄又は鉄前駆体（又はドナー）のソースを含むことができる。図１に示される例において、第二のソース３４はＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5等の液体鉄ドナー３６を含む。第二のソース３４は、第二のソース３４へのガスソース３８の流れを制御するバルブ４０を介してガスソース３８に流体的に結合される。幾つかの例において、ガスソース３８は水素（Ｈ2）ガス又は別の還元ガスのソースであることができる。
【００３６】
ガスソース３８からのガスは、第二のソース３４に流入し、液体鉄ドナー３６の少なくとも幾らかは揮発する。ガスソース３８からのガスは、次いで鉄含有化合物を含む蒸気を、インレット２２を介してＣＶＤチャンバ１２に運ぶ。
【００３７】
バルブ２８、３２及び４０は、ＣＶＤチャンバ１２へのガス及び蒸気の全流速と、ＣＶＤチャンバ１２へ流入するガス及び蒸気中のキャリアガス、窒素含有化合物を含む蒸気、及び鉄含有化合物を含む蒸気の相対割合とを制御するのに用いることができる。幾つかの例において、バルブ２８、３２及び４０を制御することにより、ＣＶＤチャンバ１２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素の原子比率を約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）とすることができる。例えば、ＣＶＤチャンバ１２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素）であることができる。
【００３８】
幾つかの例において、キャリアガスの流速は、約５標準ｃｍ3／分（ｓｃｃｍ）〜約５０００ｓｃｃｍであることができ、窒素含有化合物を含む蒸気の流速は約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、鉄含有化合物を含む蒸気の流速は約１００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができる。これらのような流速は、約１００マイクロメートル毎時（μｍ／ｈ）〜約１０００μｍ／ｈのコーティング１８の成長速度をもたらす場合がある。
【００３９】
幾つかの例において、鉄含有化合物の分解温度、窒素含有化合物の分解温度、又はその両方を超えて、基材１６をサセプタ１４及びＲＦ誘導コイル２０により加熱することができる。例えば、基材１６をサセプタ１４及びＲＦ誘導コイル２０により約２００℃〜約１０００℃の温度に加熱することができる。
【００４０】
実質的にサセプタ１４及び基材１６のみが加熱される幾つかの例において、鉄含有化合物及び窒素含有化合物は分解して鉄及び窒素を放出することができ、または互いに反応して鉄窒化物化合物を形成することができる。基材１６が加熱されるため、この１種又は複数種の反応は、基材１６の表面にて起こることができ、形成され、鉄及び窒素を含むコーティング１８をもたらす。
【００４１】
（例えば炉により）実質的にＣＶＤチャンバ１２の全体積が加熱される例において、分解反応又は鉄含有化合物と窒素含有化合物との反応は、ＣＶＤチャンバ１２の体積内の基材の上方で起こることができる。放出された鉄及び窒素原子又は鉄窒化物化合物は、次いでコーティング１８において基材１６の表面上に堆積することができる。
【００４２】
幾つかの例において、鉄含有化合物と窒素含有化合物との反応は、
１６ＦｅＣｌ3＋２ＮＨ3＋２１Ｈ2→２Ｆｅ8Ｎ＋４８ＨＣｌ
を含むことができる。
【００４３】
幾つかの例において、コーティング１８が形成されるようにさらされる基材１６の部分だけを残しつつ、基材１６の一部をマスクすることができる。他の例において、コーティング１８によりコーティングされた基材１６の部分だけを残しつつ、コーティング１８の堆積後にコーティング１８の一部をエッチングして、コーティング１８の一部を除去することができる。このように、コーティング１８を基材１６の選択された部分のみの上で制御可能に形成することができる。
【００４４】
上記のように、ＣＶＤチャンバ１２に入るガス及び蒸気中の鉄と窒素の比は、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）、たとえば約８：１（鉄：窒素）であることができる。コーティング１８は、ＣＶＤチャンバ１２に入るガス及び蒸気中の鉄と窒素の比とほぼ同じ比を含むことができる。したがって、コーティング１８は約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）たとえば約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素）の鉄対窒素比を含むことができる。
【００４５】
幾つかの例において、コーティング１８は堆積された際、鉄及び／又は窒素に加えて鉄窒化物、たとえばＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ（例えばξ‐Ｆｅ2Ｎ）、Ｆｅ3Ｎ（例えばε‐Ｆｅ3Ｎ）、Ｆｅ4Ｎ（例えばγ’‐Ｆｅ4Ｎ、γ‐Ｆｅ4Ｎ、又はその両方）、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2、又はＦｅＮx（ｘは約０．０５〜約０．５である）の少なくとも１種を含むことができる。幾つかの例において、コーティング１８は、少なくとも９２原子パーセント（ａｔ．％）の純度（例えば合計の鉄及び窒素含有量）を有することができる。
【００４６】
コーティング１８は、任意の選択された厚さを含むことができ、厚さはＣＶＤ法が実施される時間を含む、ＣＶＤパラメータに少なくとも部分的に依存する場合がある。
【００４７】
幾つかの例において、コーティング１８は強磁性若しくは非磁性のドーパント及び／又は相安定剤等の少なくとも１種のドーパントを追加的に含むことができる。幾つかの例において、少なくとも１種の強磁性又は非磁性のドーパントは、強磁性又は非磁性の不純物とよばれる場合があり、及び／または相安定剤は、相安定化不純物とよばれる場合がある。強磁性又は非磁性のドーパントを、コーティング１８から形成された硬質磁性材料の磁気モーメント、磁気保磁力、又は熱的安定性のうちの少なくとも１つを増大させるのに用いることができる。強磁性又は非磁性のドーパントの例としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、及びＴａが挙げられる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む鉄窒化物材料中に約５ａｔ％〜約１５ａｔ％の濃度でＭｎドーパント原子を含むことは、Ｍｎドーパント原子を含まない鉄窒化物材料に比べてＦｅ16Ｎ2相ドメインの熱的安定性及び材料の磁気保磁力を向上させる場合がある。幾つかの例において、１種より多くの（例えば少なくとも２種の）強磁性又は非磁性ドーパントは、鉄と窒素を含む混合物において含むことができる。幾つかの例において、強磁性又は非磁性のドーパントは、ドメイン壁ピン止めサイトとして機能する場合があり、それはコーティング１８から形成された磁性材料の保磁力を向上させることができる。表１は、コーティング１８内の強磁性又は非磁性のドーパントの濃度の例を含む。
【００４８】
【表１】
2017532439.tif 000004
【００４９】
代わりに、又は加えて、コーティング１８は少なくとも１種の相安定剤を含むことができる。少なくとも１種の相安定剤は、Ｆｅ16Ｎ2の体積比、熱的安定性、保磁力及び耐腐食性のうちの少なくとも１つを向上させるように選択された元素であることができる。コーティング１８中に存在する場合、少なくとも１種の相安定剤は、約０．１ａｔ％〜約１５ａｔ％の濃度にて鉄と窒素を含む混合物中に存在することができる。混合物中に少なくとも２種の相安定剤が存在する幾つかの例において、少なくとも２種の相安定剤の全濃度は、約０．１ａｔ％〜約１５ａｔ％であることができる。少なくとも１種の相安定剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、及び／又はＳを挙げることができる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む鉄窒化物材料中に約５ａｔ％〜約１５ａｔ％の濃度でＭｎドーパント原子を含むことは、Ｍｎドーパントを含まない鉄窒化物材料と比べてＦｅ16Ｎ2相ドメインの熱的安定性及び鉄窒化物材料の磁気保磁力を向上させる場合がある。
【００５０】
コーティング１８が所定の厚さに形成されたら、基材１６及びコーティング１８をＣＶＤチャンバ１２から取り出し、アニール法に供することができる。アニール法は、コーティング１８中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2硬質磁性相の形成を促進することができる。
【００５１】
アニール法は、基材１６とコーティング１８の熱膨張の係数の差によりコーティング１８中に歪みを生成する温度にて実施することにより、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2相にアクセスしてよい。加えて、アニール法は、コーティング１８中の鉄結晶内にＮ＋イオンを拡散させて、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2相ドメインとＦｅ8Ｎ相ドメインを含む鉄窒化物を形成する。図２は、Ｅ．Ｈ．  Ｄｕ  Ｍａｒｃｈｉ  Ｖａｎ  Ｖｏｏｒｔｈｕｙｓｅｎら、Ｌｏｗ‐Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｌｅｈｒｅｒ  Ｄｉａｇｒａｍ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｉｒｏｎ‐Ｎｉｔｒｏｇｅｎ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉａｇｒａｍ、３３Ａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ａ２５９３、２５９７（２００２年８月）により再現された鉄窒化物相図であり、その全体の内容は参照により本開示に組み入れられる。図２に示されるように、比較的低温でのアニールは、部分的なＦｅ8Ｎ無秩序相のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2秩序相への転換を可能にする。
【００５２】
幾つかの例において、アニール法は、約２５０℃未満の温度、たとえば約１２０℃〜約２２０℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は約１５０℃にて実施することができる。アニール法は、窒素（Ｎ2）又はアルゴン（Ａｒ）雰囲気中、又は真空又は近真空中で実施することができる。
【００５３】
アニール工程の温度及び継続時間は、例えばサンプルのサイズ、及びアニール温度における鉄中の窒素原子の拡散係数に基づいて選択することができる。これらの要因に基づいて、温度及び継続時間は、窒素原子がコーティング１８内の位置へ拡散してＦｅ16Ｎ2ドメインを形成するのに十分な時間を与えるように選択することができる。
【００５４】
加えて、アニール法の温度及び継続時間は、コーティング１８中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの所望の体積分率に基づいて選択することができる。例えば、選択された温度において、より長いアニール法は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2のより高い体積分率をもたらすことができる。同様に、所定のアニール法継続時間に対して、より高い温度はα’’‐Ｆｅ16Ｎ2のより高い体積分率をもたらすことができる。しかし、上記の閾値継続時間に関して、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2の追加の体積分率は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2の体積分率が比較的安定な値に到達する際、制限され、またはなくなる場合がある。例えば、約１５０℃の温度において、約２０時間後にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2の体積分率は安定な値に到達する。アニール法の継続時間は、少なくとも約５時間、たとえば少なくとも約２０時間、又は約５時間〜約１００時間、又は約５時間〜約８０時間、又は約２０時間〜約８０時間、又は約４０時間であることができる。
【００５５】
Ｆｅ8Ｎ及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、類似の体心立方（ｂｃｔ）結晶構造を有する。しかし、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2中で窒素原子が鉄格子内で規則的である一方、Ｆｅ8Ｎ中では、窒素原子は鉄格子内にランダムに分布している。図３は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルを示す概念図である。図３に示されるように、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2相中で、窒素原子は（００２）（鉄）結晶面に沿って配列している。図３に示されるように、鉄窒化物ユニットセルは、＜００１＞軸に沿ったユニットセルの長さが約６．２８オングストローム（Å）である一方、＜０１０＞及び＜１００＞軸に沿ったユニットセルの長さが約５．７２Åであるように無秩序である。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルは、歪んだ状態である際、ｂｃｔユニットセルとよばれる場合がある。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ユニットセルが歪んだ状態である際、＜００１＞軸はユニットセルのｃ軸とよばれる場合がある。
【００５６】
アニール法は、後アニール工程中の基材と鉄窒化物加工対象物の異なる膨張の結果として鉄結晶格子に与えられた歪みに少なくとも部分的に起因して、ｂｃｔ結晶構造の形成を促進する。例えば、鉄の熱膨張係数が１１．８μｍ／ｍ・Ｋである一方、ケイ素では２．６μｍ／ｍ・Ｋである。この熱膨張係数の差は、コーティング１８の主面と実質的に平行な圧縮応力と、（１１０）面を含むコーティング１８上の＜００１＞結晶方向に沿って生成される、対応する引張力とをもたらす。幾つかの例において、コーティング１８上の歪みは約０．３％〜約７％であることができ、それは、鉄窒化物の個々の結晶上に実質的に類似の歪みをもたらすことができ、ユニットセルは約０．３％〜約７％で＜００１＞軸に沿って伸張する。このことは、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2結晶の好ましい位置における窒素原子の組み入れを促進する場合がある。
【００５７】
幾つかの例において、コーティング１８の全てをα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相に転換するのではなく、アニール法は、Ｆｅ、Ｆｅ8Ｎ、及び／又は鉄窒化物組成物のドメイン内にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの形成をもたらすことができる。図４は、鉄又は鉄窒化物（例えばＦｅ8Ｎ）ドメイン４２、及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン４４を有する材料を示す概念図である。コーティング１８がナノメートルスケールで構造化されてよい（例えば、鉄又は鉄窒化物ドメイン４２、及びα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン４４のサイズはナノメートルオーダーである）ため、磁気的に硬質のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン４４と磁気的に軟質の鉄又は鉄窒化物ドメイン４２間の磁気結合は、実質的にコーティング１８全体に亘って生じることができる。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2と鉄又は鉄窒化物結晶が実質的に同様の結晶構造を有するため、材料は、生来的に結晶学的にコヒーレントであることができ、それは、異方性を作り出す整列した容易軸を有することを意味する。このことは、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメイン４４と、鉄又は鉄窒化物ドメイン４２の相界面に亘る交換スプリング結合を促進することができる。
【００５８】
交換スプリング結合は、磁性材料の磁気エネルギー積を効率的に向上させ、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2で形成されたバルク材料のものと類似のバルク材料の磁気特性を与えることができる。磁性材料の体積全体に亘る交換スプリング結合を達成するために、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2ドメインをコーティング１８全体に亘って、例えばナノメートル又はマイクロメートルスケールで分散させることができる。例えば、磁気的に硬質のＦｅ16Ｎ2相は、コーティング１８の全体積の約５体積％〜約４０体積％、又はコーティング１８の全体積の約５体積％〜約２０体積％、又はコーティング１８の全体積の約１０体積％〜約２０体積％、又はコーティング１８の全体積の約１０体積％〜約１５体積％、又はコーティング１８の全体積の約１０体積％を構成することができ、コーティング１８の体積の残りは磁気的に軟質の材料である。磁気的に軟質の材料としては、例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｆｅ8Ｎ又はこれらの組み合わせを挙げることができる。
【００５９】
磁気的に軟質の材料がＦｅ又はＦｅ8Ｎを含む場合などの幾つかの例において、Ｆｅ16Ｎ2とＦｅ又はＦｅ8Ｎドメインの結晶学的組織は、コヒーレントであることができる。言い換えると、ドメイン間の格子整合があってよい。このことは、磁気的に硬質のＦｅ16Ｎ2ドメイン７７及び磁気的に軟質の鉄又は鉄窒化物ドメイン４２間で、特に相界面を横切って、効率的な交換スプリング結合を促進することができる。
【００６０】
ＣＶＤを用いて基材１６上にコーティング１８を形成することにより、ＣＶＤ及びＣＶＤを利用する既存の製造技術を用いて形成された他の製品に、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を組み入れることができる。マスキングを含む既存のＣＶＤ製造操作を用いて、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を基材１６の所定の部分又は領域に堆積させることができる。例えば、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料をＣＭＯＳ（相補的金属酸化物半導体）集積回路デバイスに組み入れることができ、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成するＣＶＤ法を既存のＣＭＯＳ加工方法に組み入れることができる。例えば、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁性体論理デバイス、磁気ストレージデバイス、磁気微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロモーター、マイクロアクチュエーター、ナノモーター、ナノアクチュエーターなどに組み入れることができる。他の例において、ＣＶＤを用いて形成されたα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を、電気モーター、発電機、磁気記憶メディア、及び磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）磁石、他の応用等の高質磁性材料を利用する他のデバイスに組み入れることができる。
【００６１】
ＣＶＤは、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）等の幾つかの他の技術より速くコーティング１８を成長させる場合がある一方、幾つかの例において、スパッタリング等の幾つかの他の技術と比較して優れたコーティングを形成する場合がある。
【００６２】
図１は、液体鉄含有材料を用いたＣＶＤの例示的な装置１０を示すが、他の例において、ＣＶＤは固体鉄含有材料を用いて実施することができる。図５は、α’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む硬質磁性材料を形成する例示的な化学気相堆積装置５０を示す概念概略図である。幾つかの例において、図５の装置５０は、本開示に記載の相違を除いて、図１に関連して記載された装置１０と類似であってよく、または実質的に同じであってよい。
【００６３】
装置５０は、ＣＶＤチャンバ５２を含む。ＣＶＤチャンバ５２は、図１のサセプタ１４と類似であってよく、または実質的に同じであってよいサセプタ５４を取り囲む。図５に示される例において、サセプタ５４はインレット５６及び５８に対する斜面において、基材１６を配置するように形成されておらず、または配向されていない。他の例において、サセプタ５４は、インレット５６及び５８に対する斜面において、基材１６を配置するように形成されることができ、または配向されることができる。ＣＶＤチャンバ５２は、例えばクオーツ又は別の耐火性材料を含むことができる。幾つかの例において、ＣＶＤチャンバ５２を、ラジオ周波数（ＲＦ）磁気エネルギーに対して実質的に透明な材料で形成することができる。
【００６４】
ＣＶＤチャンバ５２は、ＲＦ誘導コイル２０により少なくとも部分的に取り囲まれている。ＲＦ誘導コイル２０は、図１に示されたＲＦ誘導コイルと類似であってよく、または実質的に同じであってよい。ＣＤＶチャンバ５２は、コーティング１８が形成されている基材１６を取り囲む。基材１６は、サセプタ５４上に配される。
【００６５】
幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル２０により加熱されたサセプタ５４を含むのではなく、ＣＶＤチャンバ５２の全体積が加熱されるように、ＣＶＤチャンバ５２を加熱することができる。例えば、ＣＶＤチャンバ５２を炉内に配することができ、またはＣＶＤチャンバ５２を、ＲＦエネルギーを吸収し、ＣＶＤチャンバ５２の体積を加熱する材料で形成することができる。
【００６６】
ＣＶＤチャンバ５２は、インレット５６と５８、及びアウトレット２４を含むことができる。インレット５６と５８を、コーティングガスの１つ又はそれより多くのソースに流体的に接続することができる。例えば、装置５０において、インレット５６は固体鉄含有材料６２を取り囲んでいるチャンバ６０に流体的に接続され、インレット５８はバルブ３２を介して第一のソース３０に流体的に結合される。第一のソース３０とバルブ３２は、図１に関して上記に記載されたものと類似であってよく、または実質的に同じであってよい。例えば、第一のソース３０は、窒素含有化合物を含む蒸気のソースを含むことができる。
【００６７】
チャンバ６０は、固体鉄含有材料６２を取り囲む。幾つかの例において、鉄含有材料６２としては、鉄含有粉末、ビレット、又は基材上に堆積した薄膜を挙げることができる。幾つかの例において、鉄含有粉末中の粒子は、ナノメートル又はマイクロメートルオーダーの平均特性寸法を規定することができる。幾つかの例において、鉄含有薄膜は、約５００ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミリメートル（ｍｍ）の厚さを規定することができる。幾つかの例において、鉄含有材料６２は、実質的に純粋な鉄（例えば、９０ａｔ％を超える純度の鉄）を含む。他の例において、鉄含有材料６２は、酸化鉄（例えばＦｅ2Ｏ3又はＦｅ3Ｏ4）を含むことができる。
【００６８】
チャンバ６０は、第一のインレット６４及び第二のインレット６６を含むことができる。第一のインレット６４を、バルブ７０により第一のガスソース６８に流体的に接続することができる。第一のガスソース６８としては、ＨＣｌ等の酸又は塩化物のソースを挙げることができる。酸又は塩化物は、鉄含有材料６２と反応して鉄含有蒸気を形成することができる。例えば、ＨＣｌは鉄含有材料６２と反応して塩化鉄（ＦｅＣｌ3）を形成することができ、それは加熱されて蒸気を形成することができる。
【００６９】
第二のインレット６６を、バルブ７４によりキャリアガスソース７２に流体的に結合することができる。幾つかの例において、キャリアガスソース７２は、実質的に不活性のガス（例えば、装置５０の動作中に装置５０内に存在する他の元素及び化合物と実質的に反応性でないガス）のソースを含むことができる。実質的に不活性のガスとしては、例えばアルゴン等の希ガスを挙げることができる。
【００７０】
バルブ３２、７０及び７４は、ＣＶＤチャンバ５２へのガス及び蒸気の全流速と、ＣＶＤチャンバ５２へ流入するガス及び蒸気中のキャリアガス、窒素含有蒸気、及び鉄含有蒸気の相対割合とを制御するのに用いることができる。幾つかの例において、バルブ３２、７０、及び７４を制御することにより、ＣＶＤチャンバ５２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素の原子比率を約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）とすることができる。例えば、ＣＶＤチャンバ５２へ流入するガス及び蒸気中の鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）、又は約６．６５：１（鉄：窒素）であることができる。
【００７１】
幾つかの例において、キャリアガスの流速は、約１００ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍであることができ、窒素含有蒸気の流速は、約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができ、酸又は塩化物の流速は、約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍであることができる。これらのような流速は、約１００μｍ／ｈ〜約１０００μｍ／ｈのコーティングの成長速度をもたらす場合がある。
【００７２】
幾つかの例において、ＨＣｌは、以下の反応：
Ｆｅ＋ＨＣｌ→ＦｅＣｌ3＋Ｈ2
にしたがってチャンバ６０中で鉄と反応することができる。ＦｅＣｌ3とＨ2は、蒸気をＮＨ3等の窒素含有蒸気と混合することができる第一のインレット５６を介してＣＶＤチャンバ５２に流入することができる。幾つかの例において、窒素含有蒸気及び鉄含有蒸気は、鉄と窒素の約８：１の比を含むコーティング１８を堆積させる以下の反応：
１６ＦｅＣｌ3＋２ＮＨ3＋２１Ｈ2→２Ｆｅ8Ｎ＋４８ＨＣｌ
にしたがって反応することができる。
【００７３】
図１に関して上記で記載されるように、コーティング１８が所定の厚さに形成されたら、コーティング１８をアニールして、コーティング１８中の鉄窒化物混合物の少なくとも幾らかをα’’‐Ｆｅ16Ｎ2に転換することができる。アニール法は、図１に関して上記で記載されたものと類似であってよく、または実質的に同じであってよい。
【００７４】
他の例において、コーティング（例えばコーティング１８）を、液相エピタキシー（ＬＰＥ）を用いて基材（例えば基材１６）上に形成することができる。ＬＰＥにおいて、コーティング材料を含む溶液を冷却して過飽和の溶液を形成することができる。溶液中のコーティング材料は、溶液に浸漬された基材上にコーティングを堆積させる。幾つかの例において、ＬＰＥ法が近平衡プロセスであるように、過飽和の程度は低くてよい。これは、高い結晶品質のコーティングをもたらす場合がある（例えば、ほとんど完全な結晶構造）。加えて、溶液中のコーティング材料の濃度が蒸気相法におけるコーティング材料の濃度よりはるかに高いため、コーティングの成長速度は、蒸気相法を用いて成長したコーティングの成長速度より高い場合がある。
【００７５】
図６は、ＬＰＥを用いて基材８２上にα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含むコーティングを形成する例示的な装置８０を示す概念概略図である。装置８０は、コーティング溶液８６が含まれるるつぼ８２を含む。装置８０はＲＦ誘導コイル８４も含み、それはるつぼ８２を少なくとも部分的に取り囲んでいる。ＲＦ誘導コイル８４を流れるように、ＲＦにおいて交流電流を生じさせるＲＦソース（図６には示されていない）にＲＦ誘導コイル８４を電気的に接続することができる。幾つかの例において、ＲＦ誘導コイル８４により生成したＲＦ磁場は、コーティング溶液８６が加熱されるように、コーティング溶液８６又はるつぼ８２により吸収されてよい。
【００７６】
コーティング溶液８６は、溶媒中の鉄の溶液を含むことができる。幾つかの例において、溶媒は、硝酸アンモニウム、尿素、アミド又はヒドラジン等の窒素含有化合物を含むことができる。幾つかの例において、溶媒を、堆積温度及び圧力にて窒素により過飽和にすることができる。任意のアミドを用いることができるが、例示的なアミドとしては、カルバミド（尿素ともよばれる（ＮＨ2）2ＣＯ）、メタンアミド（上記の式１）、ベンズアミド（上記の式２）、アセトアミド（上記の式３）、及び酸アミドが挙げられる。アミドは、ＬＰＥ法中にコーティング溶液８６により経験した温度にて液体であるように選択することができる。
【００７７】
コーティング溶液８６は、鉄ソースも含む。幾つかの例において、鉄ソースは鉄含有化合物を含むことができる。幾つかの例において、鉄ソースは液体鉄ドナー、たとえばＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5を含む。他の例において、鉄ソースは鉄含有粉末を含むことができる。幾つかの例において、鉄含有粉末は、実質的に純粋な鉄（例えば９０ａｔ％を超える純度の鉄）を含むことができる。幾つかの例において、鉄含有粉末は、酸化鉄（例えばＦｅ2Ｏ3又はＦｅ3Ｏ4）を含むことができる。
【００７８】
ＬＰＥプロセス中、コーティング溶液８６を、図７に示される液体‐固体鉄‐窒素相図の液相線温度を超える温度に加熱することができる。例えば、溶媒を液体‐固体鉄‐窒素相図中の点Ａにより示される温度に加熱することができる。幾つかの例において、溶媒は、点Ａにより示された温度に加熱される際、鉄ソースを含まなくてよい。
【００７９】
鉄ソース又は鉄含有材料を次いで溶媒に溶解させ、鉄含有材料により飽和したコーティング溶液８６を形成することができる。この溶液飽和溶液は、液体‐固体鉄‐窒素相図の点Ｂにより示されている。基材１６を次いでコーティング溶液８６に浸漬することができる。
【００８０】
コーティング溶液８６と基材１６を、次いで液相線未満の点Ｃにより示された温度に冷却することができる。このことは、鉄含有材料により過飽和にされたコーティング溶液８６を生じさせ、それはＬＰＥコーティング法を駆動する。幾つかの例において、ＬＰＥコーティング法が実施される点Ｃにより示された温度は、（点Ｃがより高い温度を示すが）約６００℃〜約８００℃であることができる。点Ｃは、析出が終わる液相線上の点Ｄに到達するまで２相領域にあり、それは、基材１６の表面上の鉄窒化物の析出の駆動力を与える。幾つかの例において、コーティング溶液８６中の鉄と窒素の濃度、及びＬＰＥコーティング法が実施される温度を制御して、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を与えることができる。例えば、鉄と窒素原子の原子比率は、約９：１（鉄：窒素）、約８：１（鉄：窒素）又は約６．６５：１（鉄：窒素）であることができる。
【００８１】
鉄と窒素を含むコーティングがＬＰＥにより形成されたら、基材１６をるつぼ８２から取り出すことができ、コーティングを図１に関して記載されたものと類似、又は実質的に同じ条件下でアニールすることができる。アニールは、コーティング中のα’’‐Ｆｅ16Ｎ2の形成を促進することができる。
【００８２】
α’’‐Ｆｅ16Ｎ2は、高い飽和磁化及び磁気異方性定数を有する。高い飽和磁化及び磁気異方性定数は、希土類磁石より高い場合がある磁気エネルギー積をもたらす。例えば、薄膜α’’‐Ｆｅ16Ｎ2永久磁石から集められた実験的証拠は、バルクＦｅ16Ｎ2永久磁石が、約１３４メガガウス*エールステッド（ＭＧＯｅ）程度（約６０ＭＧＯｅの磁気エネルギー積を有する）ＮｄＦｅＢの磁気エネルギー積の約２倍である）の磁気エネルギー積を含む望ましい磁気特性を有する場合があることを示唆する。加えて、鉄と窒素は豊富な元素であるため、それほど高価でなく、製造が容易である。α’’‐Ｆｅ16Ｎ2磁石の高い磁気エネルギー積を、電気モーター、発電機、磁気記録メディア、及び磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）磁石、他の応用に用いることができる。
【００８３】
範囲が分子量等の物理的特性、又は化学式等の化学的特性に関して本開示で用いられる場合、その特定の例に関する範囲の全ての組み合わせ及びサブコンビネーションが含まれることが意図される。
【００８４】
種々の例が記載されてきた。当業者は、種々の変更及び改変が本開示に記載の例に対してなされることができること、並びに係る変更及び改変が本開示の精神から逸脱することなくなされることができることを理解するであろう。これら及び他の例は、以下の特許請求の範囲内である。
【００８５】
この特許出願は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５１３８２（２０１２年８月１７日出願）、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０１５１０４（２０１４年２月６日出願）、及び国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０４３９０２（２０１４年６月２４日出願）に関連する。これらの国際特許出願の全体の内容は、参照により本開示に組み入れられる。
態様１：鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上に堆積させて、鉄と窒素を含む層を形成すること、及び鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
態様２：鉄ソースが固体鉄を含む、態様１に記載の方法。
態様３：固体鉄が鉄粉末又は鉄薄膜の少なくとも１種を含む、態様１に記載の方法。
態様４：鉄ソースが固体鉄前駆体を含む、態様１に記載の方法。
態様５：固体鉄前駆体が、Ｆｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む、態様４に記載の方法。
態様６：鉄ソースが液体鉄前駆体を含む、態様１に記載の方法。
態様７：液体鉄前駆体が、ＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む、態様６に記載の方法。
態様８：窒素含有化合物を含む蒸気が、尿素を加熱して尿素蒸気を形成することにより形成される、態様１〜７のいずれかに記載の方法。
態様９：窒素含有化合物を含む蒸気が、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素を含む蒸気を形成することにより形成される、態様１〜７のいずれかに記載の方法。
態様１０：窒素含有化合物を含む蒸気が、ＮＨ3蒸気を含む、態様１〜７のいずれかに記載の方法。
態様１１：窒素含有化合物を含む蒸気が、プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、態様１〜７のいずれかに記載の方法。
態様１２：鉄含有化合物を含む蒸気と窒素含有化合物を含む蒸気を加熱して鉄含有化合物を含む蒸気と窒素含有化合物を含む蒸気を分解して、基材上に堆積する原子状窒素と原子状鉄を形成することを更に含む、態様１〜１１のいずれかに記載の方法。
態様１３：鉄含有化合物を含む蒸気と窒素含有化合物を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて基材を加熱することを更に含む、１〜１１のいずれかに記載の方法。
態様１４：鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて層を加熱することを含む、態様１〜１３のいずれかに記載の方法。
態様１５：基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、高温ポリマー、又はガラスの少なくとも１種を含む、態様１〜１４のいずれかに記載の方法。
態様１６：窒素含有溶媒と鉄ソースを含むコーティング溶液に基材を浸漬するに際し、コーティング溶液が、コーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて鉄ソースにより飽和されること、コーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和のコーティング溶液を形成すること、過飽和のコーティング溶液中に基材を維持することにより、鉄と窒素を含むコーティングを基材上に形成すること、及び鉄と窒素を含むコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
態様１７：溶媒が、硝酸アンモニウム、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を含む、態様１６に記載の方法。
態様１８：鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、態様１６又は１７に記載の方法。
態様１９：第二の温度が、約６００℃〜約８００℃である、態様１６〜１８のいずれかに記載の方法。
態様２０：鉄と窒素を含むコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、態様１６〜１９のいずれかに記載の方法。
態様２１：鉄と窒素を含むコーティングが、約８：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、態様１６〜１９のいずれかに記載の方法。
態様２２：鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて層を加熱することを含む、態様１６〜２１のいずれかに記載の方法。
態様２３：前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ，ＭｇＯ、ＳｉＯ2、高温ポリマー、又はガラスの少なくとも１種を含む、態様１６〜２２のいずれかに記載の方法。
態様２４：態様１〜２３のいずれかに記載の方法により形成された物品。
態様２５：態様１〜２３のいずれかに記載の方法を実施するための装置。
【００８６】
本開示で引用され、または記載された各特許、特許出願及び公報の開示は、その全体において参照により本開示に組み入れられる。
【図１】
2017532439.tif 000005
【図２】
2017532439.tif 000006
【図３】
2017532439.tif 000007
【図４】
2017532439.tif 000008
【図５】
2017532439.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年3月23日(2017.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
本開示で引用され、または記載された各特許、特許出願及び公報の開示は、その全体において参照により本開示に組み入れられる。
本開示は以下も包含する。
［１］
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
前記鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上に堆積させて、鉄と窒素を含む層を形成すること、及び
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
［２］
前記鉄ソースが固体鉄を含む、上記態様１に記載の方法。
［３］
前記固体鉄が鉄粉末又は鉄膜の少なくとも１種を含む、上記態様１に記載の方法。
［４］
鉄ソースが固体鉄前駆体を含む、上記態様１に記載の方法。
［５］
前記固体鉄前駆体が、Ｆｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む、上記態様４に記載の方法。
［６］
前記鉄ソースが液体鉄前駆体を含む、上記態様１に記載の方法。
［７］
前記液体鉄前駆体が、ＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む、上記態様６に記載の方法。
［８］
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、尿素を加熱して尿素蒸気を形成することにより形成される、上記態様１〜７のいずれかに記載の方法。
［９］
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素を含む蒸気を形成することにより形成される、上記態様１〜７のいずれかに記載の方法。
［１０］
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、ＮＨ3蒸気を含む、上記態様１〜７のいずれかに記載の方法。
［１１］
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、上記態様１〜７のいずれかに記載の方法。
［１２］
前記鉄含有化合物を含む蒸気と前記窒素含有化合物を含む蒸気を加熱して前記鉄含有化合物を含む蒸気と前記窒素含有化合物を含む蒸気を分解して、前記基材上に堆積する原子状窒素と原子状鉄を形成することを更に含む、上記態様１〜１１のいずれかに記載の方法。
［１３］
前記鉄含有化合物を含む蒸気と前記窒素含有化合物を含む蒸気の少なくとも１種の分解温度を超えて前記基材を加熱することを更に含む、上記態様１〜１１のいずれかに記載の方法。
［１４］
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて前記層を加熱することを含む、上記態様１〜１３のいずれかに記載の方法。
［１５］
前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＣ、ＴｉＮ、高温ポリマー、又はガラスの少なくとも１種を含む、上記態様１〜１４のいずれかに記載の方法。
［１６］
窒素含有溶媒と鉄ソースを含むコーティング溶液に基材を浸漬するに際し、前記コーティング溶液が、前記コーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて前記鉄ソースにより飽和されること、
前記コーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含むコーティングを基材上に形成すること、及び
前記鉄と窒素を含むコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
［１７］
前記溶媒が、硝酸アンモニウム、アミド、又はヒドラジンの少なくとも１種を含む、上記態様１６に記載の方法。
［１８］
前記鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、上記態様１６又は１７に記載の方法。
［１９］
前記第二の温度が、約６００℃〜約８００℃である、上記態様１６〜１８のいずれかに記載の方法。
［２０］
前記鉄と窒素を含むコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、上記態様１６〜１９のいずれかに記載の方法。
［２１］
前記鉄と窒素を含むコーティングが、約８：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、上記態様１６〜１９のいずれかに記載の方法。
［２２］
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて前記層を加熱することを含む、上記態様１６〜２１のいずれかに記載の方法。
［２３］
前記基材が、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＣ、ＴｉＮ、高温ポリマー、又はガラスの少なくとも１種を含む、上記態様１６〜２２のいずれかに記載の方法。
［２４］
上記態様１〜２３のいずれかに記載の方法により形成された物品。
［２５］
上記態様１〜２３のいずれかに記載の方法を実施するための装置。
［２６］
上記態様１〜２３のいずれかに記載の方法により製造されたα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインを含む加工対象物。
［２７］
前記加工対象物が、ペレット、ロッド、膜、ナノ粒子、粉末、又はナノスケール粉末を含む、上記態様２６に記載の加工対象物。
［２８］
複数の加工対象物のうちの少なくとも１つの加工対象物が、上記態様２６又は２７に記載の加工対象物を含む、複数の加工対象物を含む物品。
［２９］
前記物品が、電気モーター、発電機、センサ、アクチュエーター、自動車の部品、又は風車タービンの部品を含む、上記態様２８に記載の物品。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄ソースを加熱して鉄含有化合物を含む蒸気を形成すること、
前記鉄含有化合物を含む蒸気から鉄を、窒素含有化合物を含む蒸気から窒素を基材上に堆積させて、鉄と窒素を含む層を形成すること、及び
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項２】
前記鉄ソースが、鉄粉末又は鉄膜の少なくとも１種を含む固体鉄を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
鉄ソースが、Ｆｅ2Ｏ3粉末又はＦｅ2Ｏ4粉末の少なくとも１種を含む固体鉄前駆体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記鉄ソースが、ＦｅＣｌ3又はＦｅ（ＣＯ）5の少なくとも１種を含む液体鉄前駆体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記窒素含有化合物を含む蒸気が、
尿素を加熱して尿素蒸気を形成すること、若しくは
アミド又はヒドラジンの少なくとも１種を加熱して窒素を含む蒸気を形成することにより形成され、または
ＮＨ3蒸気を含み、若しくは
プラズマを用いて二原子窒素から形成された原子状窒素を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて前記層を加熱することを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
窒素含有溶媒と鉄ソースを含むコーティング溶液に基材を浸漬するに際し、前記コーティング溶液が、前記コーティング溶液から堆積される鉄‐窒素混合物の液相線温度を超える第一の温度にて前記鉄ソースにより飽和されること、
前記コーティング溶液を鉄‐窒素混合物の液相線温度未満の第二の温度に冷却して過飽和のコーティング溶液を形成すること、
前記過飽和のコーティング溶液中に前記基材を維持することにより、鉄と窒素を含むコーティングを基材上に形成すること、及び
前記鉄と窒素を含むコーティングをアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することを含む方法。
【請求項８】
前記溶媒が、硝酸アンモニウム、アミド、又はヒドラジンの少なくとも１種を含み、前記鉄ソースが、実質的に純粋な鉄、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ（ＣＯ）5、又は酸化鉄の少なくとも１種を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第二の温度が、約６００℃〜約８００℃である、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記鉄と窒素を含むコーティングが、約１１．５：１（鉄：窒素）〜約５．６５：１（鉄：窒素）の鉄と窒素の原子比率を含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記鉄と窒素を含む層をアニールしてα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも幾らかの結晶を形成することが、約５時間〜８０時間、約１００℃〜約２２０℃の温度にて前記層を加熱することを含む、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法により形成された物品。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法により製造されたα’’‐Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメインを含む加工対象物。
【請求項１４】
前記加工対象物が、ペレット、ロッド、膜、ナノ粒子、粉末、又はナノスケール粉末を含む、請求項１３に記載の加工対象物。
【請求項１５】
複数の加工対象物のうちの少なくとも１つの加工対象物が、請求項１３又は１４に記載の加工対象物を含む、複数の加工対象物を含む物品。
【請求項１６】
前記物品が、電気モーター、発電機、センサ、アクチュエーター、自動車の部品、又は風車タービンの部品を含む、請求項１５に記載の物品。
【国際調査報告】
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