JPH04323373A - 窒化鉄薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化鉄薄膜形成方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】被薄膜形成基板（以下、基板という）に
窒化鉄磁性薄膜（以下、窒化鉄薄膜という）を形成する
手段としては、従来、種々のものが提案され、その方法
も多岐にわたっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、窒化鉄中、常
温で安定な相としては、ε−Ｆｅ２−３，γ’−Ｆｅ４
Ｎが知られているが、従来、高い飽和磁化を有する高飽
和磁化窒化鉄薄膜の製法にあっては、これらの相の出現
を抑制する必要がある。しかしながら、窒素濃度が低い
領域においても、これらの相の析出を抑制することは困
難であった。また、これらの相の析出・結晶化を抑制す
るため、常温から２００℃付近の比較的低い基板温度領
域において反応性成膜を用い、窒化鉄薄膜形成を行なう
場合、薄膜形成後の酸化により、薄膜特性が損なわれる
という問題があった。また、従来の薄膜形成方法として
は、蒸発源と被蒸着物との間に高周波電磁界を発生させ
て、活性或いは不活性ガス中で蒸発した物質をイオン化
して真空蒸着を行なう、所謂、イオンプレーティング法
（特公昭５２−２９９７１号公報等参照）等による形成
方法があったが、これらの技術では、組成制御を良好に
行ない、形成される窒化鉄相を再現性良く制御すること
は困難であった。また、飽和磁化などの薄膜特性を劣化
させるγ’−Ｆｅ４Ｎ，ε−Ｆｅ２−３Ｎ，ζ−Ｆｅ２
Ｎ　の析出を制御するため、低基板温度で成膜を行なっ
た場合、反応性に問題がある、あるいは酸化による劣化
等の問題があった。本発明は上記事情に鑑みてなされた
ものであって、高品質の窒化鉄磁性薄膜を形成すること
ができる新規な窒化鉄薄膜形成方法を提供することを目
的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、請求項１記載の窒化鉄薄膜形成方法では、窒素ガスま
たはアンモニアガス単独、あるいは窒素ガスとアンモニ
アガスから成る混合ガス、もしくはこれらのガスとアル
ゴン等の不活性ガスとの混合ガスが導入される真空槽と
、この真空槽内において、蒸発物質を蒸発させるための
蒸発源と、上記真空槽内に配置され基板を上記蒸発源に
対向するように保持する対電極と、上記蒸発源と対電極
との間に配備され蒸発物質を通過させうるグリッドと、
上記真空槽内において、上記グリッドに対して蒸発源側
に配備される熱電子発生用のフィラメントと、このグリ
ッドをフィラメントの電位に対して正電位とする手段と
を有する薄膜形成装置を用い、該薄膜形成装置内におい
て、２００℃以下の基板温度で、窒素を含む鉄薄膜を形
成した後、この鉄薄膜を空気などの酸素を含む気体中に
さらす前に、真空中アニールを行うことを特徴とする。

【０００５】また請求項２記載の発明では、上記窒化鉄
薄膜形成方法において、薄膜形成時の窒素導入量を周期
的に変化させ、薄膜中の窒素濃度を、膜厚方向に周期的
に変化させたことを特徴とする。また、請求項３記載の
発明では、上記窒化鉄薄膜形成方法において、グリッド
に流れる電流値を周期的に変化させ、薄膜中の窒素濃度
を、膜厚方向に周期的に変化させたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】以下、本発明の構成及び作用について詳細に説
明する。本発明に用いる薄膜形成装置は、発明者の一人
である太田の発明によるが、先ず、その構成と原理につ
いて述べる。薄膜形成装置は、真空槽と、対電極と、グ
リッドと、熱電子発生用のフィラメントと、蒸発源とを
有し、真空槽内には、窒素ガスまたはアンモニアガス単
独、あるいは窒素ガスとアンモニアガスから成る混合ガ
ス、もしくはこれらのガスとアルゴン等の不活性ガスと
の混合ガスが導入される。対電極は上記真空槽内に配備
され、基板を蒸発源と対向するように保持している。ま
た、グリッドは、蒸発物質を通過させうるものであって
、蒸発源と対電極との間に配備され、フィラメント及び
対電極の電位に対して正電位におかれる。従って、真空
槽内には、グリッドから基板に向かう電界と、グリッド
から蒸発源に向かう電界とが逆向きに形成される。熱電
子発生用のフィラメントは、真空槽内の、上記グリッド
に対して蒸発源側に配備され、このフィラメントにより
発生される熱電子は、蒸発物質の一部をイオン化するの
に供される。

【０００７】さて、上記構成の薄膜形成装置において、
蒸発源からの蒸発物質は、その一部が、フィラメントか
らの電子により正イオンにイオン化される。このように
一部イオン化された蒸発物質は、グリッドを通過し、さ
らに、イオン化されたガスにより正イオンにイオン化を
促進され、上記電界の作用により基板の方へと加速され
、基板に衝突付着して所望の薄膜が形成される。尚、フ
ィラメントからの電子は、フィラメント温度に対応する
運動エネルギーを持ってフィラメントから放射されるの
で、正電位のグリッドに直ちに吸収されずに、これを通
過し、グリッドによるクーロン力により引き戻され、更
に、グリッドを通過し、というように、グリッドを中心
として振動運動を繰返し、遂にはグリッドに吸収される
ので基板へは達せず、従って、基板は電子衝撃を受けな
いので、それによる加熱がなく、基板の温度上昇が防止
できる。従って、プラスチックスのような耐熱性の無い
材質のものでも基板とすることができる。さて、以上の
ようにして、低温の基板上においても、窒素が十分に鉄
中に取り込まれ、窒化鉄薄膜が形成される。

【０００８】しかしながら、基板温度が２００℃を超え
る領域で薄膜形成を行なった場合、薄膜中の窒素濃度が
１２ａｔ．％以下の領域でも、窒化鉄膜の構造は、γ’
−Ｆｅ４Ｎ，ε−Ｆｅ２−３Ｎ，ζ−Ｆｅ２Ｎ　などの
構造のいずれかを含むαＦｅとなり、薄膜特性が劣化す
る。これらの相の析出を抑制するためには、薄膜形成時
の基板温度を低下させることが望ましいが、この場合、
薄膜中の欠陥が十分に緩和されず、薄膜形成後、薄膜中
に大気中の酸素が取り込まれ、酸化による薄膜劣化が問
題となる。そこで、本発明による窒化鉄薄膜形成方法に
おいては、この欠陥を、薄膜形成直後に真空中アニール
処理を行なうことにより緩和するものである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明による窒化鉄薄膜形成方法
で用いられる薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図
である。図１において、ベースプレート１とベルジャー
２とはパッキング１５を介して一体化され真空槽１’を
形成している。ベースプレート１は、支持体兼用の電極
３，５，７，９により貫通されているが、これら支持体
兼用電極３，５，７，９の貫通部は気密状態であり、さ
らにこれら支持体兼用電極３，５，７，９とベースプレ
ート１とは電気的に絶縁されている。またベースプレー
ト１の中央部に穿設された孔１Ａは図示されていない真
空排気系へ連結されており、真空槽内を高真空状態に排
気できるようになっている。またベルジャー２には、真
空槽１’内に窒素ガスまたはアンモニアガス単独、ある
いは窒素ガスとアンモニアガスから成る混合ガス、もし
くはこれらのガスとアルゴン等の不活性ガスとの混合ガ
スを導入するためのガス導入手段１６が連結されている
。

【００１０】上記支持体兼用電極のうち、一対の支持体
兼用電極３は、その間にタングステン、モリブデンなど
の金属をボート状に形成した抵抗加熱式の蒸発源４を支
持している。尚、蒸発源４はボート状に代えてコイル状
にしてもよい。また、このような抵抗加熱式の蒸発源に
代えて、ビーム蒸発源など、従来の真空蒸着方式で用い
られている蒸発源を適宜使用することができる。更に、
蒸発源を複数個設置してもよい。一対の支持体兼用電極
５の間には、タングステンなどによる、熱電子発生用の
フィラメント６が支持されている。このフィラメント６
の形状は、複数本のフィラメント線を平行に配列したり
、あるいは網目状にしたりするなどして、蒸発源から蒸
発した蒸発物質の粒子の拡がりをカバーするように定め
られている。支持体兼用電極７には、グリッド８が支持
されている。このグリッドは、蒸発物質を通過させうる
形状にその形状が定められているが、図示の例では網目
状である。支持体電極９には対電極１０が支持され、そ
の下面側には、基板１１が適宜の方法で保持される。 尚、この状態を蒸発源４の側から見れば、基板１１の背
後に対電極１０が配備されることとなる。

【００１１】さて、支持体兼用電極３，５，７，９は導
電体であって電極としての役割を兼ねており、それらの
真空槽外へ突出した端部間は図示のように種々の電源に
接続されている。先ず、一対の支持体兼用電極３は蒸発
用電源１２を介して接続されている。また、一対の支持
体兼用電極５はフィラメント用電源１３に接続されてい
る。さらに、図示例の場合は、支持体兼用電極７が、直
流電圧電源１４の正端子に接続され、直流電圧電源１４
の負端子側と支持体兼用電極９が接地されている。尚、
実際には、これらの電気的接続には種々のスイッチ類を
含み、これらスイッチ類の操作により成膜プロセスを実
現するのであるが、これらスイッチ類は図中に示されて
いない。以下、図１に示す構成の薄膜形成装置を用いた
窒化鉄薄膜形成について例を用いて説明する。

【００１２】図１において、基板１１を図の様にセット
して、蒸発物質として金属鉄を蒸発源４に保持させる。 ここでは、例えば蒸発源は抵抗加熱式であるとする。真
空槽内は、真空排気系によって予め１／１０３〜１／１
０８パスカル（Ｐａ）の圧力にされた後、これに必要に
応じて、窒素ガスを単独で、またはアンモニアガスを単
独で、あるいはアルゴン等の不活性ガスと共に、１００
〜１／１０２Ｐａの圧力で導入される。ここでは、導入
ガスは例えば窒素ガス単独であるとする。この状態にお
いて、電源を作動させると、グリッド８に正の電位が印
加され、対電極１０は接地され、蒸発源４及びフィラメ
ント６には電流が流される。ここでは、例えばグリッド
８は網目状であり、＋１００Ｖの電位が印加されている
とし、フィラメント６はタングステンワイヤーで４００
Ｗの電力がかかっているとする。この状態で、フィラメ
ント６は抵抗加熱により加熱され、熱電子を放射する。 そして、真空槽内の窒素分子、あるいはアルゴン分子は
、フィラメント６より放出された熱電子との衝突によっ
て、イオン化される。また、蒸発源４より蒸発した鉄の
粒子は拡がりをもって基板の側へ向かって飛行するが、
その一部、および、前記導入ガスはフィラメント６より
放出された熱電子との衝突によってイオン化される。

【００１３】このように、一部イオン化された鉄の粒子
はグリッド８を通過するが、その際、前述したように、
グリット近傍において上下に振動運動する熱電子及び前
記イオン化された導入ガスとの衝突により、さらにイオ
ン化が促進される。また、グリッド８を通過した蒸発物
質中、いまだイオン化されていない部分は、更に、グリ
ッド８と基板１１の間において、前記イオン化された導
入ガスとの衝突により、正イオンにイオン化されイオン
化率が高められる。このようにして、正イオンにイオン
化された鉄粒子及び窒素粒子は、グリッド８から対電極
１２に向かう電界の作用により基板１１に向かって加速
され、基板１１に高エネルギーを持って衝突付着する。 更にその途中、及び基板表面において、鉄粒子は窒素と
結合し、窒化鉄膜を基板上に形成する。このとき、基板
上にどの相が形成されるかは、鉄と窒素の反応性に依存
する。すなわち、真空槽内の窒素分圧を高くし、グリッ
ド８に流れる電流値を大きくし、成膜レートを低下させ
るほど、より窒化の進んだ相が形成される。また、グリ
ッド電圧に依存するエネルギーをもって導入ガスイオン
、及び鉄イオンは基板に衝突するため、このエネルギー
に依存して形成される窒化鉄薄膜の配向性、粒径、密度
、膜応力を再現性良く制御できる。この場合、良好な特
性を有する薄膜が形成されるガス圧範囲は１０１〜１／
１０２Ｐａであり、グリッド電圧範囲は１５〜５００Ｖ
である。尚、フィラメント６から放射された熱電子は、
最終的には、その大部分がグリッド８に吸収され、一部
の熱電子はグリッド８を通過するが、グリッド８と基板
１１との間で前記電界の作用によって減速されるので、
仮に基板１１に到達しても、同基板１１を加熱するには
到らない。以上のようにして、成膜時の基板温度が低い
場合においても、十分に、窒素が薄膜中に取り込まれ、
上述した成膜パラメータを適宜選択することにより、所
定の組成を有する窒化鉄薄膜を、制御性良く形成できる
。

【００１４】ここで、薄膜中に存在する窒素の一部は鉄
格子中に侵入していると考えられるが、成膜時の基板温
度が２００℃以下であるため、γ’−Ｆｅ４Ｎ，ε−Ｆ
ｅ２−３Ｎ，ζ−Ｆｅ２Ｎ　格子を形作るためのサイト
に存在するものは僅かであると考えられる。このため、
薄膜中には多数の転移、あるいは積層欠陥などの欠陥が
多数存在していると考えられる。また、薄膜を一旦空気
にさらした場合、空気中に含まれる酸素が薄膜の欠陥を
介して取り込まれる。この酸化は、常温においてもただ
ちに進行し、薄膜特性を著しく阻害する。このようにし
て一旦薄膜中に取り込まれた酸素は、再び試料を真空雰
囲気中に戻しても離脱しない。そこで、試料を空気にさ
らす前にアニール処理を行ない、上述した欠陥を緩和す
る必要が生じる。すなわち、成膜後、真空槽内で真空中
アニールを行なう。このアニールにより、薄膜に存在す
る点欠陥等が緩和される。この際、薄膜中に存在する窒
素の一部は、αＦｅ結晶粒の粒界に移動し、一部はα’
’Ｆｅ１６Ｎ２　を形成するサイトに移動すると考えら
れる。かくして薄膜の耐食性の向上、飽和磁化向上に寄
与すると考えられる。尚、アニール時の基板温度も２０
０℃以下に保ち、γ’−Ｆｅ４Ｎ，ε−Ｆｅ２−３Ｎ，
ζ−Ｆｅ２Ｎ　の析出を抑制することが望ましい。また
、使用する薄膜形成装置は、図示の構成を有するもの以
外に、薄膜形成室とアニール室とを設けた装置構成でも
よい。

【００１５】次に、請求項２記載の窒化鉄薄膜形成方法
では、薄膜形成時の窒素導入量を周期的に変化させ、薄
膜中の窒素濃度を、膜厚方向に周期的に変化させたこと
を特徴とするが、これは、導入する窒素ガス量を変化さ
せる、すなわち、薄膜形成時の窒素分圧を変化させるこ
とにより、薄膜中の窒素濃度を変化させることができる
が、これを周期的に行なうことにより、窒素濃度が膜厚
方向に周期的に変化した薄膜を形成し、軟磁気特性向上
に寄与することができる。また、請求項３記載の窒化鉄
薄膜形成方法では、グリッドに流れる電流値を周期的に
変化させ、薄膜中の窒素濃度を、膜厚方向に周期的に変
化させたことを特徴とするが、これは、窒化反応に寄与
する窒素イオンやラジカル等の濃度は、グリッド電流に
依存するため、グリッド電流を変化させることにより、
やはり窒素濃度が膜厚方向に周期的に変化した薄膜を形
成し、軟磁気特性向上に寄与することができる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
前述した薄膜形成装置を用いたことにより、低基板温度
においても十分良好に窒素が薄膜に取り込まれるため、
低温基板上に鉄−窒素系薄膜を組成制御性良く形成でき
、かつ、薄膜の飽和磁化を低下させるγ’−Ｆｅ４Ｎ，
ε−Ｆｅ２−３Ｎ，ζ−Ｆｅ２Ｎの析出（結晶化）を抑
制することができる。さらに、本発明では、薄膜形成後
、酸素を含む気体中にさらす前に、薄膜中の欠陥をアニ
ールにより緩和できるので、薄膜の酸化による薄膜特性
の劣化を抑制できるため、磁気記録の高密度化に寄与す
る軟磁性薄膜材料の形成等、高品質な磁性薄膜の形成を
行なうことができる。また、請求項２，３記載の発明に
よれば、窒素濃度が膜厚方向に周期的に変化した薄膜を
形成し、軟磁気特性向上に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による窒化鉄薄膜形成方法で用いられる
薄膜形成装置の一実施例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１’　　真空槽 ３，５，７，９　　　　支持体兼用電極４　　　　蒸発
源 ６　　　　フィラメント ８　　　　グリッド １０　　　　対電極 １１　　　　基板 １２　　　　蒸発用電源 １３　　　　フィラメント用電源 １４　　　　直流電圧電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒素ガスまたはアンモニアガス単独、ある
   いは窒素ガスとアンモニアガスから成る混合ガス、もし
   くはこれらのガスとアルゴン等の不活性ガスとの混合ガ
   スが導入される真空槽と、この真空槽内において、蒸発
   物質を蒸発させるための蒸発源と、上記真空槽内に配置
   され基板を上記蒸発源に対向するように保持する対電極
   と、上記蒸発源と対電極との間に配備され蒸発物質を通
   過させうるグリッドと、上記真空槽内において、上記グ
   リッドに対して蒸発源側に配備される熱電子発生用のフ
   ィラメントと、このグリッドをフィラメントの電位に対
   して正電位とする手段とを有する薄膜形成装置を用い、
   該薄膜形成装置内において、２００℃以下の基板温度で
   、窒素を含む鉄薄膜を形成した後、この鉄薄膜を空気な
   どの酸素を含む気体中にさらす前に、真空中アニールを
   行うことを特徴とする窒化鉄薄膜形成方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の窒化鉄薄膜形成方法におい
   て、薄膜形成時の窒素導入量を周期的に変化させ、薄膜
   中の窒素濃度を、膜厚方向に周期的に変化させたことを
   特徴とする窒化鉄薄膜形成方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の窒化鉄薄膜形成方法におい
   て、グリッドに流れる電流値を周期的に変化させ、薄膜
   中の窒素濃度を、膜厚方向に周期的に変化させたことを
   特徴とする窒化鉄薄膜形成方法。