JPH0648526B2 - 磁気ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．産業上の利用分野 本発明は磁気ヘッドの製造方法に関するものである。

ロ．従来技術 従来、磁気テープ、磁気ディスク等の磁気記録媒体は、
ビデオ、オーディオ、ディジタル等の各種電気信号の記
録に幅広く利用されている。基体上に形成された磁性層
（磁気記録層）の面内長手方向における磁化を用いる方
式においては、新規の磁性体や新しい塗布技術等により
高密度化が図られている。また一方、近年、磁気記録の
高密度化に伴い、磁気記録媒体の磁性層の厚さ方向の磁
化（いわゆる垂直磁化）を用いる垂直磁化記録方式が、
最近になって提案されている（例えば、「日経エレクト
ロニクス」1978年８月７日号No.192 ）。この記録方式
によれば、記録波長が短くなるに伴って媒体内の残留磁
化に作用する反磁界が減少するので、高密度化にとって
好ましい特性を有し、本質的に高密度記録に適した方式
であり現在実用化に向けて研究が行われている。

ハ．発明の目的 本発明の目的は、上記した如き磁気記録方式に好適で高
磁化、抵抗磁力、高耐食性を期待できる磁気ヘッドの製
造方法を提供することにある。

ニ．発明の構成 即ち、本発明は、鉄からなる複数のターゲットをプラズ
マ発生用真空槽内において互いに対向せしめ、これらの
対向ターゲット間に窒素含有ガスを供給し、前記ターゲ
ットをスパッタするプラズマを発生させ、このプラズマ
によって発生した窒化鉄イオンを加速電界で加速した後
に制御電界でエネルギー制御して前記プラズマ発生用真
空槽よりその外部へ導出し、この導出された窒化鉄イオ
ンを前記プラズマ発生用真空槽の外部に配された磁気ヘ
ッド用基体に導き、透磁層の少なくとも一部を形成する
窒化鉄として前記基体上に堆積させる、磁気ヘッドの製
造方法に係るものである。

ホ．実施例 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

まず、本発明によって製造される磁気ヘッドの構成を説
明する。

第１図は、磁気テープ等の磁気記録媒体１５を垂直磁気
記録するのに使用する磁気ヘッド１６、１７を示すもの
である。このうち、ヘッド１６は補助磁極として働き、
これに対向配置されるヘッド１７は主磁極として機能せ
しめられる。

ここで特徴的なことは、主磁極１７として、ガラス基板
Ｓ上に窒化鉄（ＦｅｘＮ）、特にγ′−Ｆｅ_４Ｎ又は
（α−Ｆｅ＋γ′−Ｆｅ_４Ｎ）からなる磁性膜１４を被
着せしめ、これを別のガラス板等の保持具１８で保護し
た構造のものを使用していることである。磁性膜１４を
構成するＦｅｘＮは、後述することから明らかなよう
に、飽和磁化が大きくて信号記録を充分に行えると同時
に、ヘッドに要求される低い抵抗力（Ｈｃ）を示す。従
って、そうした磁性膜１４を透磁層として有するヘッド
の性能は極めて良好となる。しかも、ＦｅｘＮは窒素の
含有によって耐食性も良好となり、これもヘッド特性の
向上に寄与している。

なお、例えば、この垂直磁気記録方式においては、補助
磁極１６が記録信号により励磁され、そこから媒体１５
側へ磁界が発生し、これにより面内方向に主磁極１７へ
向けてフラックスが集中し、媒体１５の磁性層に主磁極
１７に対応した磁気記録がなされる。

第２図には、他の磁気ヘッド２７を示したが、このヘッ
ドでも、例えばフェライトからなるコア材Ｓの磁気ギャ
ップ２０側の対向面にＦｅｘＮからなる磁性膜１４が夫
々形成されている。なお、ヘッド全面がＦｅｘＮで覆わ
れているヘッドであってもよい。これらのＦｅｘＮより
形成されているヘッドは特に高密度記録に適している。

また、上記のＦｅｘＮ磁性膜１４は、上記以外の磁気ヘ
ッド（例えば薄膜ヘッド）にも形成することができる。

次に、上記の磁気ヘッドの製造方法を説明する。

まず、基板Ｓ（ガラス板、フェライトコア材等）を用意
し、その所定の面上に以下に説明する方法によってＦｅ
ｘＮ膜１４を形成する。このために、第３図〜第８図に
示すイオンビーム発生装置を使用するのが望ましい。

第３図に示す装置は基本的には、対向ターゲットスパッ
タ部Ａと、このスパッタ部からイオン化粒子を導出する
イオンビーム導出部Ｂとからなっている。

スパッタ部Ａにおいて、１は真空槽、２は真空槽１内に
所定のガス（Ａｒ＋Ｎ_２）を導入してガス圧力を10^-3〜
10^-4Torr程度に設定するガス導入管である。真空槽１の
排気系は図示省略した。ターゲット電極は、ターゲット
ホルダー４によりＦｅ製の一対のターゲットＴ_１、Ｔ_２
を互いに隔てて平行に対向配置した対向ターゲット電極
として構成されている。これらのターゲット間には、外
部の磁界発生手段（マグネットコイル）３による磁界が
形成される。なお、図中の５は冷却水導入管、６は同導
出管であり、１３は加速用の電極である。

このように構成されたスパッタ装置において、平行に対
向し合った両ターゲットＴ_１、Ｔ_２の各表面と垂直方向
に磁界を形成し、この磁界により陰極降下部（即ち、第
４図に明示する如く、ターゲットＴ_１−Ｔ_２間に発生し
たプラズマ雰囲気７と各ターゲットＴ_１及びＴ_２との間
の領域８、９）での電界で加速されたスパッタガスイオ
ンのターゲット表面に対する衝撃で放出されたγ電子を
ターゲット間の空間にとじ込め、対向した他方のターゲ
ット方向へ移動させる。他方のターゲット表面へ移動し
たγ電子は、その近傍の陰極降下部で反射される。こう
して、γ電子はターゲットＴ_１−Ｔ_２間において磁界に
束縛されながら往復運動を繰返すことになる。この往復
運動の間に、γ電子は中性の雰囲気ガスと衝突して雰囲
気ガスのイオンと電子とを生成させ、これらの生成物が
ターゲットからのγ電子の放出と雰囲気ガスのイオン化
を促進させる。従って、ターゲットＴ_１−Ｔ_２間の空間
には高密度のプラズマが形成され、これに伴ってターゲ
ット物質が充分にスパッタされることになる。

この対向ターゲットスパッタ装置は、他の飛翔手段に比
べて、高速スパッタによる高堆積速度の製膜が可能であ
り、また基体がプラズマに直接曝されることがなく、低
い基体温度での製膜が可能である。

第３図の装置で注目されるべき構成は、スパッタ部Ａに
おいてターゲットから叩き出されたＦｅと反応ガス（Ｎ
_２）とが反応してイオン化された粒子、即ちＦｅｘＮの
イオンを効率良く外部へ導出するための導出部Ｂを有し
ていることである。即ち、この導出部Ｂは、ターゲット
Ｔ_２の外側近傍に配されたスクリーングリッドＧを有
し、これらのターゲットＴ_２及びグリッドＧは夫々所定
の電位に保持されると同時に、イオン化粒子１０を通過
させるための小孔１１、１２が夫々対応した数及びパタ
ーンに形成されている。これは、第５図及び第６図に夫
々明示した。各小孔１１、１２は例えば２mmφであって
５mmの間隔を置いて形成され、グリッドＧの厚みは１mm
であってよい。

第７図は、上記装置を動作させる際の電気回路系を概略
的に示すが、加速電極１３に加速電圧Vpを印加した状態
で、両ターゲットＴ_１、Ｔ_２に負電圧Ｖt を与え、かつ
グリッドＧを接地している。また、イオンビーム導出部
Ｂ側に配した基板Ｓも接地している。第８図は各部のポ
テンシャル分布を示し、Ｖp は０〜200 Ｖに、Ｖt は 5
00〜1000Ｖに設定される。

このような条件で上記装置を動作させると、スパッタ部
Ａ（真空度10^-3〜10^-4Torr）において発生したプラズマ
中のイオンは下部ターゲットＴ_２の陰極降下部９（第４
図参照）で加速電極１３によって加速された後、ターゲ
ットＴ_２−グリッドＧ間の電界によって減速されながら
上記小孔１１、１２を通過し、基板Ｓとプラズマとの間
の電位差に相当するエネルギーを以て導出される。導出
されたイオンビーム１０は、導出部Ｂ（真空度10^-5Torr
以上）側に形成される電界Ｅ（第３図参照）の作用で効
果的に集束せしめられ、上記エネルギーを以て基板Ｓに
入射することになる。こうして、加速電極（又は陽極）
１３に加える陽極電圧Ｖp を変化させることにより、基
板Ｓ上への堆積イオン（ＦｅｘＮ）のエネルギーを制御
しながら、グリッドＧの作用で効率良くイオンビーム１
０を引出し、基板Ｓ上へ導くことができる。また、基板
Ｓのある側は10^-5Torr以上の高真空に引かれているの
で、クリーンで不純物の少ない磁性膜を堆積させること
ができる。

なお、イオンビームを引出す側に配されたターゲットＴ
_２の小孔１１、１２は必要以上に大きくしない方がよい
が、あまり大きくするとスパッタ部Ａと導出部Ｂとのガ
ス圧差によって基板Ｓ側へ不要なガスがリークして堆積
膜の純度低下が生じ易く、或いはターゲットＴ_２及びグ
リッドＧの強度面でも望ましくなく、しかもターゲット
面積が減少してスパッタ効率も低下し易くなることが考
えられる。

以上に説明した方法及び装置によって、例えば第１図や
第２図に示す如く、基板Ｓ上に厚さ例えば2000ÅのＦｅ
ｘＮ磁性膜１４有する磁気ヘッドを作成することができ
る。この磁気ヘッドは、特に高密度記録用の面内長手方
向記録用や垂直磁気記録用として好適な磁性膜１４を有
したものとなっている。

次に、上記の磁化膜（ＦｅｘＮ）について、実験結果に
基いて更に詳述する。

（Ａ）、ＦｅｘＮ膜の構造 形成された膜は、すべて結晶性を示し、その結晶構造は
窒素ガス混合率、基板温度（Ｔs ）及びイオン加速電圧
（Ｖp ）に依存して変化した。

第９図に、全圧Ｐtotal ＝５×10^-4Torr、Ｖp ＝20Ｖ
（一定）の条件で作製した膜の結晶構造と、ＰN₂・Ｔs
の関係を示す（但し、基板は（１１１）Ｓｉ基板）。Ｔ
s ＝ 200℃の場合、形成される結晶相はＰN₂の上昇とと
もに、α−Ｆｅとγ′−Ｆｅ_４Ｎの混相→γ′−Ｆｅ_４
Ｎ単相→ε−Ｆｅ_３Ｎとζ−Ｆｅ_２Ｎの混相→ζ−Ｆｅ
_２Ｎと変化し、膜の窒化度が高まっていく。また、α−
Ｆｅ、γ′−Ｆｅ_４Ｎの混相膜には、面間隔 1.9〜2.0
Åを持つ不明の結晶相（Ｕ．Ｋ．）が存在していた。Ｔ
s が 200℃以上に上昇すると、各領域間の境界は高ＰN₂
側に移動する。Ｔs が 200℃以下の場合にも、Ｔs が減
少すると膜の窒化度が減少する傾向が見られ、Ｔs ＝80
℃、ＰN₂≦４×10^-5Torrでは、α−Ｆｅ相のみが形成さ
れた。

第１０図に、種々の条件で形成された膜の一例のＸ線回
折図形を示す。形成される相のうち、ε相及びζ相はラ
ンダムな結晶方位を示したが、ｂｃｃ構造のα−Ｆｅ相
は＜110 ＞方向、ｆｃｃ構造のγ′−Ｆｅ_４Ｎ相は＜10
0 ＞方向が膜面垂直に強く配向していた。従来、堆積粒
子に中性粒子のみを用いる通常のスパッタ法で作製され
るα−Ｆｅ、γ′−Ｆｅ_４Ｎ膜は、雰囲気圧力の低下と
ともに各々（110 ）、（111 ）面（各相の最密充填面）
が配向する傾向を示すことから、上述の結果は、本発明
のイオンビームデポジション法では堆積粒子の持つ高い
運動エネルギーと一様な方向性が膜の配向を促進するこ
と、及び配向する面は堆積粒子の電荷の影響をうけ、化
合物の種類によっては最密充填面以外の面が配向しやす
くなることを示していると言える。

なお、Ｐtotal ＝５×10^-4Torr、ＰN₂＝1.5×10^-5Tor
r、Ｔs ＝ 150℃一定の条件で作製した膜のＸ線回折図
形グラムのＶp による変化を調べた。Ｖp ＝０Ｖでは、
（110 ）面が配向したα−Ｆｅ相の回折線のみだが、Ｖ
p ＝40Ｖではγ′＝Ｆｅ_４Ｎ相（111 ）、（200 ）面回
折位置にブロードなピークが明瞭に現れ、Ｖp ＝60Ｖで
は再びα−Ｆｅ相（110 ）面の回折線のみとなる。これ
らは、Ｖp ＝０〜40Ｖの範囲では、Ｖp の上昇につれて
γ′Ｆｅ_４Ｎ相の量の割合が増大することを示してい
る。また、Ｖp ＝40Ｖ、Ｔs ＝ 150℃で堆積した膜の
γ′−Ｆｅ_４Ｎ相の配向性はランダムで、前述のＶp ＝
20Ｖ、Ｔs ＝ 200℃で堆積した膜中のγ′相が（200 ）
配向を示したのと異なっていた。Ｖp の上昇は、堆積イ
オンの運動エネルギーの上昇をもたらすので、基板の表
面温度及び堆積粒子の基板表面における移動度が増大し
て、その結果、鉄−窒素間の反応が促進されたものと考
えられる。Ｖp ＝60Ｖの結果は、イオンの運動エネルギ
ーが過大になると、鉄−窒素間の結合が抑制されるか、
または一度結合しても別の粒子による衝撃により、再分
離してしまうことを示すものと考えられる。また、膜の
配向性は、Ｖp の上昇により生成される高エネルギー粒
子の基板衝撃により、低下すると言える。

（Ｂ）、ＦｅｘＮ膜の飽和磁化 膜の飽和磁化（４πＭs ）は、磁気天秤によって測定し
た。第１１図、第１２図に４πＭs と各作製条件の関係
を示す。Ｐtotal ＝５×10^-5Torr、Ｖs ＝20Ｖ（一定）
の条件で作製した膜の４πＭs のＰN₂及びＴs 依存性を
示す。

４πＭs は、膜の結晶構造がα−Ｆｅ＋γ′−Ｆｅ_４Ｎ
＋Ｕ．Ｋ．(Unknown)の混相の場合及びγ′相単相の領
域で、純鉄の４πＭs （21.6ＫＧ）を上回る値を示し、
特に両領域の境界近傍では約25ＫＧと非常に高い値とな
っている。この高い４πＭs は、γ′相及びＵ．Ｋ．相
に起因していると言える。この高４πＭs の領域は、第
９図中に斜線で示したが、この領域では高４πＭs と同
時に低Ｈｃも得られ、ヘッド材として好適なＦｅｘＮ膜
となる。報告されているγ′相の４πＭs は、約24ＫＧ
であり、本発明におけるγ′単相膜のそれも22〜24ＫＧ
でほぼ一致している。従って、膜の４πＭs が25ＫＧに
達するということはＵ．Ｋ．相の４πＭs がγ′相より
も高いことを意味している。高４πＭs 膜がα＋γ′＋
Ｕ．Ｋ．とγ′単相領域との境界近傍で得られたことか
ら、Ｕ．Ｋ．相がＦｅ_８Ｎである可能性がある。

Ｐtotal ＝５×10^-4Torr、Ｖp ＝20Ｖのもとで高４πＭ
s を持つ膜が得られる作製条件範囲は、Ｔs ＝ 250℃一
定の場合、ＰN₂＝ 1.1×10^-5〜 4.0×10^-5Torr（窒素ガ
ス混合比ＰN₂／Ｐtotal ＝ 2.0〜8.0 ％）、ＰN₂＝３×
10^-5Torr一定の場合、Ｔs ＝ 150〜250 ℃であった。こ
れらを通常のＲｆスパッタ装置を用いて堆積した膜で高
い４πＭs が得られる条件ＰN₂／ＰＢtotal ＝ 2.7〜4.
0 ％と比べると窒素ガス混合率の範囲が広くなってい
る。高４πＭs を持つＦｅ_８Ｎと考えられている相は、
高エネルギー粒子の基板衝撃や基板温度の上昇に弱いこ
とが報告されているが、通常のＲｆスパッタ法の場合、
窒素ガス混合比の変動により、プラズマポテンシャルや
スパッタ効率が変化して高エネルギー粒子の基板衝撃効
果や基板温度の変動が生じ、これらが結晶の成長を阻害
する方向に働く場合（準安定相の破壊など）、形成範囲
が狭くなる。これに対し、本発明のイオンビームデポジ
ション法では、窒素ガス混合比を独立に変化させられる
ため、高４πＭs 膜の作製範囲が広がったものと考えら
れる。

また、４πＭs のＰtotal による変化を測定したとこ
ろ、Ｐtotal が上昇するにつれて、高い４πＭs を持つ
膜が得られる基板温度は上昇する傾向を示すことが分か
った。これは、Ｐtotal の上昇にともなう堆積粒子のイ
オンの割合の減少によって、形成される膜の結晶性が低
下するためと考えられる。

第１３図に、４πＭs のＶp による変化を示す。ここで
の試料は、Ｐtotal ＝５×10^-4Torr、Ｔs ＝ 150℃及び
Ｐtotal ＝１×10^-3Torr、Ｔs ＝150 ℃の条件で作製し
たものである。４πＭs は、Ｖp の上昇にともない減少
する傾向を示した。この結果は、Ｆｅ−Ｎ膜では堆積粒
子エネルギーが30ｅＶ（Ｖp ＝20Ｖに対応）を越えると
膜の短距離秩序が急速に低下することを示している。

以上に述べた結果を要約すると、以下のようになる。

(a)、各膜堆積条件を独立に制御することにより、Ｆｅ
−Ｎ膜の結晶構造の窒素分圧・基板温度依存性が明らか
となり、再現性良く膜を形成できる。

(b)、イオン加速電圧Ｖp ＝20Ｖの場合、得られた結晶
のうち、α−Ｆｅ、γ′−Ｆｅ_４Ｎ相は、夫々（110
）、（200 ）面が膜面平行に強く配向していた。これ
は、堆積粒子の持つ高い運動エネルギー、一様な方向性
及び電荷の効果によるものと考えられる。

(c)、膜の飽和磁化４πＭs は、結晶構造がα＋γ′＋
Ｕ．Ｋ．(Unknown)混相状態からγ′単相に遷移する作
製条件領域で、約25ＫＧと純鉄より高い値を示した。

(d)、高い４πＭs が得られる基板温度は、全圧Ｐtotal
の減少にともなって低下し、Ｐtotal が５×10^-5Torr
以下の場合、 150〜250 ℃となった。これから堆積粒子
中のイオンの割合を増加させることにより、低基板温度
でも膜の秩序度を向上させ得ることがわかった。

このうち、(a)は本発明のイオンビームデポジション法
の良好な制御性が、(d)はイオン化の効果が現れたもの
であり、従来の作成法では形成困難な高品位膜を、この
イオンビームデポジション法を用いれば再現性良く形成
できることを示しており、イオンビームデポジション法
が極めて優れた作製法であることの証左である。

また、上記のＦｅｘＮ膜は、窒素の含有によって耐食性
が充分となっており、この点でも優れたものである。

なお、上述した例は種々の変形が可能である。

例えば、第３図において、グリッドＧを複数枚セット
し、イオンビームの制御を種々に行うこともできる。ま
た、下部ターゲットＴ_２に小孔１１を形成せず、両ター
ゲットＴ_１−Ｔ_２間の側方に上述した如きスクリーング
リッドを（縦に）配し、ここからイオンビームを側方へ
引出すようにしてもよい。第３図の例では、基板Ｓ上に
直接ＦｅｘＮ膜を堆積せしめたが、基板Ｓの代わりに仮
想線で示す如くに第３のターゲットＴ_３を配し、このタ
ーゲットＴ_３にイオンビーム１０を衝撃せしめ、叩き出
された（スパッタされた）別のイオン化粒子を上記Ｆｅ
ｘＮ粒子と一緒に基板Ｓ′上に導き、両者の混合膜を基
板Ｓ′上に堆積させることができる。例えば、ターゲッ
トＴ_３としてパーマロイ（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）を使用すれ
ば、基板Ｓ′上にはＦｅｘＮとパーマロイとの混合物の
薄膜が得られる。

ヘ．発明の効果 本発明は上述した如く、透磁層の少なくとも一部が窒化
鉄からなっている（即ち、窒化鉄特有の高磁化、低Ｈ
ｃ、耐食性を発揮する）高性能のヘッドを製造するに際
し、対向ターゲットスパッタで生じた窒化鉄イオンを加
速電界で加速し、更に制御電界（グリッド電圧）下で制
御してからプラズマ発生用真空槽外へ導出し、基体上に
導いているので、イオンをエネルギー制御しながら効率
よく引き出すことができ、磁性特性及び耐食性の良好な
窒化鉄膜を形成できる。この場合、制御電界（グリッド
電圧）はイオンのエネルギーを適切にコントロールして
真空槽外へ引き出すのに寄与するため、基体に対するイ
オンの衝撃を緩らげて結晶の成長を促進し、高磁気特性
の膜を形成することができる。

また、プラズマ発生用真空槽の外部に基体を配している
ので、基体がプラズマに曝されることがなく、低い基体
温度での製膜が可能であると共に、基体温度の変動も生
じない。この結果、上記のエネルギー制御と共に基体温
度を適度に設定でき、結晶成長を十分に進行させて高磁
気特性の膜を再現性よく形成できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであって、 第１図、第２図は磁気ヘッドの二例を示す各概略図、 第３図はイオンビーム発生装置の断面図、 第４図は対向ターゲットスパッタの原理図、 第５図はイオンビーム導出側のターゲット及びグリッド
の平面図、 第６図は第５図のＸ−Ｘ線断面図、 第７図は上記装置の電気回路系を示す図、 第８図は各部のポテンシャル分布図、 第９図は堆積膜の結晶構造と窒素分圧、基板温度との関
係を示す図、 第１０図は堆積膜のＸ線解析図、 第１１図は堆積膜の飽和磁化及び抗磁力と窒素分圧との
関係を示すグラフ、 第１２図は堆積膜の飽和磁化と基板温度との関係を示す
グラフ、 第１３図は堆積膜の飽和磁化と加速電圧との関係を示す
グラフ である。 なお、図面に示した符号において、 ２……ガス導入管 ３……マグネットコイル １０……イオンビーム １１、１２……小孔 １３……陽極（加速電極） １４……磁性（化）膜 Ｔ_１、Ｔ_２……ターゲット Ｇ……スクリーングリッド Ａ……スパッタ部 Ｂ……イオンビーム導出部 Ｓ……基板 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鉄からなる複数のターゲットをプラズマ発
   生用真空槽内において互いに対向せしめ、これらの対向
   ターゲット間に窒素含有ガスを供給し、前記ターゲット
   をスパッタするプラズマを発生させ、このプラズマによ
   って発生した窒化鉄イオンを加速電界で加速した後に制
   御電界でエネルギー制御して前記プラズマ発生用真空槽
   よりその外部へ導出し、この導出された窒化鉄イオンを
   前記プラズマ発生用真空槽の外部に配された磁気ヘッド
   用基体に導き、透磁層の少なくとも一部を形成する窒化
   鉄として前記基体上に堆積させる、磁気ヘッドの製造方
   法。