JPH1126836A - 磁性薄膜パターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単なプロセスで、かつ磁気特性の優れた薄
膜磁気デバイスを作製するための磁性薄膜パターンの形
成方法を提供する。 【解決手段】 成膜するパターン形状と略同一形状の貫
通穴を有するマスク板を基体の上方に略密着状態で設置
し、しかる後、真空成膜法を用いて基体の上に、パター
ン形状の貫通穴を通過した膜組成物を磁性薄膜パターン
として成膜させる磁性薄膜パターンの形成方法であっ
て、前記マスク板は、当該マスク板に形成されたパター
ン形状の貫通穴の幅をＷ、マスク板の厚さをＤとしたと
き、これらの関係が２Ｗ≦Ｄの条件に設定されてなるよ
うに構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜磁気デバイス
を作製するための磁性薄膜パターンの形成方法に関し、
特に、巨大磁気抵抗効果を有する磁界検出デバイスを作
製するための磁性薄膜パターンの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】基体上に成膜された膜厚１０μｍ程度よ
り薄い磁性薄膜は、バルク材料にはない優れた特性を有
し、各種の薄膜磁気デバイスの主要な機能を果たす膜と
して使用されている。このような磁性薄膜は湿式成膜
法、すなわち電気めっき法に代表される電気化学的手法
でも成膜可能であるが、近年の真空技術の進歩に伴い、
いわゆる真空成膜法により成膜されることが多い。

【０００３】真空成膜法では、通常、まず最初に被成膜
体である基体全面に磁性薄膜が成膜される。成膜された
磁性薄膜を薄膜磁気デバイスの主要部として機能させる
ためには、通常、それぞれのデバイスに応じて要求され
る所望のパターニングを行う必要がある。パターニング
の一手法として、半導体製造における手法と同様のフォ
トリソグラフィ技術を用いる方法がある。

【０００４】図３にそのプロセスの概要が模式的な断面
図でかつ、経時的に示されており、当該図に沿って、従
来のプロセスの一手法を説明する。まず、最初に図３
（ａ）に示されるように成膜のベースとなる基体１０を
準備する。次いで、この基体１０の片側全面に磁性薄膜
３０が成膜される。この際に、最終的に薄膜磁気デバイ
スとして使用され、磁性薄膜のパターンとして残る磁性
薄膜部分Ｐに注目すると、図３（ｂ）に示されるように
この部分は各方向からの入射粒子により形成されている
（もちろん、磁性薄膜３０の全体がそうである）。

【０００５】次いで、成膜された磁性薄膜３０の上にフ
ォトレジストを塗布し、マスクを通じて紫外線露光、現
像することで所定のフォトレジストパターン４０が形成
される（図３（ｃ））。次いで、イオンミリング法を用
いフォトレジストでカバーされていない部分の磁性薄膜
を除去し所望の磁性薄膜のパターン３０ａのみが残され
る（（図３（ｄ））。しかる後、フォトレジストパター
ン４０を除去し所望の磁性薄膜のパターン３０ａが形成
される（（図３（ｅ））。

【０００６】この一方で、他のパターニング手法とし
て、作製するパターン形状の貫通穴を有する金属マスク
板を成膜する基体上に置き、この貫通穴を通過した膜組
成物により所定のパターンの成膜を行う、いわゆるメタ
ルマスクパターニング法も知られている。この方法にお
いては、通常、ステンレスや真鍮製からなる厚さ約１０
０〜５００μｍの薄板に所望のパターン形状の貫通孔を
設けたマスク板が使用される。この方法では、マスク板
を磁性薄膜パターンを形成する基体の上に置き、この上
から真空成膜法により成膜を行い、成膜終了後にマスク
板と基体を分離することにより、所定の磁性薄膜パター
ンを備える基体を得ることができる。

【０００７】ところで、薄膜磁気デバイスの１つである
磁気抵抗効果素子は強磁性体金属の電気抵抗が外部磁界
により変化する現象（磁気抵抗効果、ＭＲ効果）を利用
して磁界強度を測定する素子である。単層の磁性膜では
古くから知られている強磁性体金属膜の磁気異方性磁気
抵抗効果を利用していたが、最近では多層膜構造からな
る巨大磁気抵抗効果素子の報告もある。例えば、ナショ
ナルテクニカルレポート、４２巻、４号、４６５ページ
には、（ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ）多層膜を巨大磁気抵抗効
果素子として用いたＶＴＲキャプスタンモータ回転検出
センサが紹介されている。

【０００８】この報告では真空スパッタ法を用いて多層
膜を成膜し、かつスパッタ分子の斜め成分を除去するた
めに防着板を開発したことが報告されている。防着板の
使用は、真空成膜法では一般に成膜する基体に対して粒
子が角度をもっていること、さらに磁性薄膜では、この
粒子の基体への入射角度により磁気特性が変化すること
に起因するものと考えられる。例えば部品デバイスのた
めの薄膜技術入門（総合電子出版社、１９９２年）２７
３ページには蒸着法による薄膜磁気テープの作製の際
に、基板に対して斜め方向から入射する蒸着粒子が磁気
記録媒体として好ましい特性を発現させるために必要で
あること、およびそのための装置上の工夫が紹介されて
いる。

【０００９】しかしながら、斜め方向からの入射粒子が
好ましい磁気特性の発現に寄与することは磁気記録媒体
における特異的な現象であり、前述の巨大磁気抵抗効果
多層膜を用いたセンサに代表される薄膜磁気デバイス用
の磁性薄膜としては斜め方向からの入射粒子は特性劣化
の原因となると考えられる。そのため、斜め方向からの
入射粒子は極力除去することが望ましい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】これに関連する技術と
して、すでに上述したように、斜め方向からの入射粒子
を除去する方法として、ナショナルテクニカルレポー
ト、４２巻、４号、４６５ページに防着板を用いる旨の
記載がなされている。しかしながら防着板の構造および
その使用方法に関する記載は一切なされていない。

【００１１】また、前記図３に示されるようなフォトリ
ソグラフィ技術を用いたパターニングは、複雑なプロセ
スを含む多くの工程からなっている。

【００１２】また、前記メタルマスクパターニング法は
簡易な工程で安価に磁性薄膜をパターニングできる手法
であるが、そのマスク板の仕様が磁性薄膜の膜質にどの
ように影響を及ぼすかはなんら検討されていない。また
従来より使用されている前記メタルマスクのパターン貫
通穴の作製は、酸エッチング法により作製されることが
一般的であり、この場合には穴側面へのエッチングの回
り込みが避けられず、マスク板厚Ｄに対してパターン幅
Ｗを小さくすることは困難であった。

【００１３】このような実状のもとに、本発明は創案さ
れたものであって、その目的は、簡単なプロセスで、か
つ磁気特性の優れた薄膜磁気デバイスを作製するための
磁性薄膜パターンの形成方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明は、成膜するパターン形状と略同一形
状の貫通穴を有するマスク板を基体の上方に略密着状態
で設置し、しかる後、真空成膜法を用いて基体の上に、
パターン形状の貫通穴を通過した膜組成物を磁性薄膜パ
ターンとして成膜させる磁性薄膜パターンの形成方法で
あって、前記マスク板は、当該マスク板に形成されたパ
ターン形状の貫通穴の幅をＷ、マスク板の厚さをＤとし
たとき、これらの関係が２Ｗ≦Ｄの条件に設定されてな
るように構成される。

【００１５】また、本発明の好適な態様として、前記パ
ターン形状の貫通穴の幅Ｗと、マスク板の厚さＤとの関
係が４Ｗ≦Ｄの条件に設定されてなるように構成され
る。

【００１６】また、本発明の好適な態様として、前記パ
ターン形状の貫通穴の幅Ｗが、Ｗ＜１００μｍであるよ
うに構成される。

【００１７】また、本発明の好適な態様として、前記成
膜対象となる磁性薄膜パターンは、その幅をＷ₀ 、その
最大直線部の長さをＬ₀ とした場合、Ｌ₀ ＜５Ｗ₀ の関
係を満たしてなるように構成される。

【００１８】また、本発明の好適な態様として、前記成
膜対象となる磁性薄膜が、巨大磁気抵抗効果を示す磁性
薄膜であるように構成される。

【００１９】また、本発明の好適な態様として、前記真
空成膜法がスパッタ法であるように構成される。

【００２０】また、本発明の好適な態様として、前記成
膜するパターン形状と略同一形状の貫通穴を有するマス
ク板は、めっき法により形成されたものを使用する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面を参照しつつ説明する。図１には、本発明の磁性
薄膜パターンの形成方法の好適な実施の形態を経時的に
説明するための図面が示されている。

【００２２】まず最初に図１（ａ）に示されるように、
磁性薄膜パターンが被着・形成される板状の基体１０
と、成膜するパターン形状と略同一形状の貫通穴４５を
有するマスク板４０とを準備する。

【００２３】次いで、図１（ｂ）に示されるように、マ
スク板４０を基体１０の上方に略密着状態で設置し、し
かる後、この上に磁性薄膜を真空成膜法を用いて成膜さ
せる。この際に、パターン形状の貫通穴４５を通過した
膜組成物は磁性薄膜パターン３５として成膜され、残り
の膜組成物はマスク板４０の上に薄膜３９として成膜さ
れる。なお、略密着状態とは、完全に密着している場合
およびわずかな隙間が生じている場合の双方の状態を示
す。

【００２４】この後、マスク板４０を外すことによって
所望の磁性薄膜パターン３５を備える基体１０が得られ
る図１（ｃ）。

【００２５】本発明の磁性薄膜パターンの形成方法にお
いて、マスク板４０は、以下のように設定されたものが
用いられる。すなわち、マスク板４０に形成されたパタ
ーン形状の貫通穴の幅をＷ、マスク板の厚さをＤとした
とき（図１（ａ））、これらの関係が２Ｗ≦Ｄ、より好
ましくは４Ｗ≦Ｄの条件に設定される。このような設定
にすることにより、極めて磁気特性の良好な磁性薄膜が
得られる。逆に、上記の設定範囲を外れると、磁性薄膜
の特性が劣化する。例えば、巨大磁気抵抗効果膜では、
磁気抵抗効果による抵抗変化率が減少してしまう。

【００２６】なお、パターン形状の貫通穴の幅Ｗは、パ
ターン（磁性薄膜パターンに相当）の幅の中で最小の部
分の長さを示す。もちろん、パターニングや他の工程の
便宜上設けられる磁気特性が重視されない部分が存在す
る場合には、最終的な薄膜磁気デバイスの特性に影響を
与える磁性薄膜パターンの中での最小幅部分を示す。例
えば、磁界センサ用巨大磁気抵抗効果多層膜パターンに
おいては、長方形の磁性薄膜パターンの短辺の長さとな
る。

【００２７】マスク板４０は、めっき法により製造され
たものを用いるのが特に好ましい。すなわち、めっき可
能なニッケル、銅、金あるいはこれらの金属を主成分と
する合金からなり、めっき法により形成されたマスク板
４０を用いるのがよい。めっき法は、例えば、基板上に
最初にスパッタ法により膜厚１０００Å程度の電気めっ
きのための導電層を成膜する。この際に、最終工程での
基板とマスク板（めっき膜）の剥離を考慮して基板と導
電層間の密着強度は通常よりも弱くしておく。具体的に
は、基板と導電層間に通常、密着性向上のため成膜され
るチタンやクロムの下地膜の成膜を行わない、あるいは
下地膜を成膜したとしても５０Å程度に非常に薄くして
おく。これにより最終工程での基板とマスク板（めっき
膜）の剥離が容易となる。なお、基板とマスク板（めっ
き膜）を剥離した際に、密着性向上のための下地膜がマ
スク側に残った場合には、極めて薄いフッ酸溶液等で除
去する。

【００２８】なお、従来公知のメタルマスクと同様のス
テンレスや真鍮製の薄板に所望パターンの貫通穴４５を
種々の手法で設けた板も使用され得るが、あくまで、貫
通穴４５の側面が真っ直ぐに切り立っていることが好適
に使用されるための必要条件とされる。

【００２９】マスク板４０は、図１（ｂ）に示されるよ
うに基体１０の上方に略密着状態で設置されるため、わ
ずかな隙間ｇが生じることがある。この場合にはマスク
板の厚さＤに隙間ｇを加えた値（この値を新たなＤとす
る）が、上述したＤとＷとの関係式を満たせばよい。し
かしながら、パターニング精度が悪くなるために、隙間
ｇは可能な限り小さくなるように基体１０上に置くこと
が重要である。パターニング精度を十分に維持するため
には、ｇ＜０．２Ｄとすることが好ましく、実際のプロ
セスではこの条件を満たすことが多い。このため、実際
の磁性薄膜のパターニングにおいて、ｇの値はＤの値に
対してほぼ無視できる程度とみなすことができる。

【００３０】パターン形状の貫通穴４５の幅Ｗは、１０
０μｍ未満とすることが好ましい。この値が１００μｍ
以上となると、必要とするマスク板の厚さＤが大きくな
り、めっき法によるマスクの作製に時間がかかること、
およびめっき膜の応力の影響で、めっき膜がマスク板の
作製途中に基板から剥離する等の不都合が生じやすくな
り作製が困難となるためである。

【００３１】また本発明において成膜対象となる磁性薄
膜パターン３５は、図２（ａ）および（ｂ）に示される
ように、所定の幅Ｗ₀ および最大直線部（長さＬ₀ ）を
備えており、これらの関係が、Ｌ₀ ＜５Ｗ₀ を満たして
なるように構成されているものを対象とすることが好ま
しい。Ｌ₀ の値が５Ｗ₀ 以上となってしまうと、上記Ｄ
とＷとの関係式を満たしたとしても、成膜時に長手方向
からの斜め成分粒子が混入して磁気特性が劣化する傾向
にある。なお、基本的に、磁性薄膜パターンの幅Ｗ₀ と
貫通穴４５の幅Ｗは同一と考えて良く、Ｗ₀ の基本的な
定義も上記貫通穴４５の幅Ｗの定義に従う。

【００３２】また、パターン形状の最大直線部の長さＬ
₀ は、パターンの直線部の中で最大の長さのものを示
す。もちろん、パターニングや他の工程の便宜上設けら
れる磁気特性が重視されない部分が存在する場合には、
最終的な薄膜磁気デバイスの特性に影響を与える磁性薄
膜パターンの中での最大直線部の長さを示す。磁性薄膜
パターンが図２（ａ）に示されるごとく折り曲げされた
直線部のみから形成されている場合、最大直線部の長さ
Ｌ₀ は容易に求めることができるが、図２（ｂ）に示さ
れるごとく直線でなく曲線形状の場合には、パターン内
部で最長の直線が引ける場所の長さを最大直線部の長さ
Ｌ₀ とする。なお、図２において符号Ｓは感磁部を、符
号９０は 電極としてのパッド部を示す。

【００３３】本発明において成膜対象となる磁性薄膜
（パターン）の好適な一例として、巨大磁気抵抗効果を
示す磁性薄膜が挙げられる。

【００３４】巨大磁気抵抗効果膜は、金属人工格子（藤
森啓安、アグネ技術センター、１９９５年発行）３４７
ページに紹介されているように、強磁性体膜と非磁性体
膜との多層膜であり、その多層膜の界面散乱変化により
抵抗が変化することが知られている。

【００３５】巨大磁気抵抗効果膜としては、（強磁性
体／非磁性導電体）構造のアンチフェロ（結合）型、
（高保磁力強磁性体／非磁性導電体／低保磁力強磁性
体）構造の誘導フェリ（非結合）型、（半強磁性体／
強磁性体／非磁性導電体／強磁性体）構造のスピンバル
ブ型、Ｃｏ／Ａｇ系統の非固溶系グラニュラー型に大
別される。

【００３６】これらの各巨大磁気抵抗効果膜は、その構
造や組成により、検出可能な磁界強度、すなわち、磁気
抵抗効果の飽和磁界強度が大きく異なる。例えば、（Ｆ
ｅ／Ｃｒ）系アンチフェロ型では１０ＫＯｅ以上、（Ｃ
ｏＮｉＦｅ／Ｃｕ）系アンチフェロ型では、０．１Ｏｅ
から１ＫＯｅ、（ＮｉＦｅ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ）系誘導
フェリ型では、５Ｏｅから２０Ｏｅ程度、（ＦｅＭｎ／
ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ）系スピンバルブ型では、数
Ｏｅ、そして、グラニュラー型では１００Ｏｅから５Ｋ
Ｏｅ程度までの磁界検出が可能である。磁界感度は、最
大磁気抵抗変化率を飽和磁界強度で割り算したものであ
り、最大磁気抵抗変化率が大きくても、飽和磁界が大き
い場合には磁界感度は悪い。反対に、最大磁気抵抗変化
率が小さくても、飽和磁界が非常に小さい場合には磁界
感度は良い。このため、検出すべき磁界強度により最高
の磁界感度が得られるように、上記の各種の巨大磁気抵
抗効果膜から、基本系を選択し、さらに組成系の変更や
細かな構造を最適化して用いる。

【００３７】このような磁性薄膜は、真空成膜法、例え
ば、蒸着法、スパッタ法などにより成膜される。なかで
も、スパッタ法が、生産性優れることや、適度の多層膜
界面の粗さを形成しこのものが巨大磁気抵抗効果の発現
に大きく寄与することから、特に好適に用いられる。

【００３８】

【実施例】以下に本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。

【００３９】まず最初に、３インチ径の０．７ｍｍ厚ガ
ラス基板（コーニング社製，製品番号７０５９）を基体
１０として用いるために準備した。次いで、この基体１
０の上に電気めっき法で作製したニッケル製のマスク板
４０を置いて固定した後、ＲＦスパッタ装置を用いて表
１に示されるような種々の巨大磁気抵抗効果膜を成膜し
た。

【００４０】なお、メタル板４０には磁界センサ用のパ
ターン形状の貫通穴が設けられている。メタル板４０の
厚さＤは、２０μｍから３２０μｍ、パターン幅Ｗは２
０μｍから８０μｍとした。感磁パターンの最大直線部
の長さＬ₀ はＷ（Ｗ₀ に同じ）との関係で、Ｌ₀ ＝３Ｗ
となるようにした。

【００４１】

【表１】 表１に示される多層膜構造の表記は、成膜の順に厚さ−
組成を示している。例えば、５０Å−Ｔａ／（１０Å−
ＮｉＦｅ／５Å−Ｃｕ）×１０とは最初に５０ÅのＴａ
を、次に１０ÅのＮｉＦｅ合金と５ÅのＣｕを順に各々
１０層づつ積層した全厚２００Åの２１層からなる多層
膜を示している。用いたターゲットはいずれも純度９
９．９％以上とし、到達圧力として４×１０^-7Ｔｏｒｒ
まで真空引きした後にアルゴンガスを導入し、成膜中の
真空度は１．４×１０^-4Ｔｏｒｒとした。いずれも成膜
は基板水冷を行った。

【００４２】このようにして表２に示されるような種々
のサンプルを作製し、これらについて下記の要領でＭＲ
比（％）の測定を行った。

【００４３】ＭＲ比（％）の測定 表１に示される構成の試料から０．５×１０mmの形状の
サンプルを作成し、−３００〜３００Oeの外部磁界を面
内にかけながら、抵抗の変化を測定した。抵抗の最小値
ρsat および最大値ρmax を測定し、これらの値よりＭ
Ｒ比ΔＲ／Ｒを求めた。すなわち、ＭＲ比ΔＲ／Ｒは、
最大抵抗をρmax 、最小抵抗をρsat とし、次式により
計算した：ΔＲ／Ｒ＝（ρmax −ρsat ）×１００／ρ
sat （％）。

【００４４】測定結果を下記表２に示す。

【００４５】

【表２】 表２に示される結果より、Ｄ／Ｗを２以上、特に４以上
としたマスク板を用いて成膜した磁気抵抗効果膜は極め
て優れた特性を示すことがわかる。

【００４６】さらに感磁パターンの最大直線部の長さＬ
₀ とＷ（Ｗ₀ に同じ）との関係を調べるために、Ｌ₀ ＝
１０Ｗとなる磁性薄膜パターンを作製し、上記と同様の
評価を行ったところ、Ｌ₀ ＝３Ｗのパターンに比べて、
ＭＲ比が約２０％低い値となってしまった。

【００４７】

【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明は、成膜するパターン形状と略
同一形状の貫通穴を有するマスク板を基体の上方に略密
着状態で設置し、しかる後、真空成膜法を用いて基体の
上に、パターン形状の貫通穴を通過した膜組成物を磁性
薄膜パターンとして成膜させる磁性薄膜パターンの形成
方法であって、前記マスク板は、当該マスク板に形成さ
れたパターン形状の貫通穴の幅をＷ、マスク板の厚さを
Ｄとしたとき、これらの関係が２Ｗ≦Ｄの条件に設定さ
れてなるように構成されているので、簡単なプロセス
で、かつ磁気特性の優れた薄膜磁気デバイスを作製する
ための磁性薄膜パターンが得られるという極めて優れた
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁性薄膜パターンの形成方法を経時的
に示す概略断面図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の磁性薄
膜パターンの一例を示す平面図である。

【図３】従来の磁性薄膜パターンの形成方法の一例を経
時的に示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０…基体 ３５…磁性薄膜パターン ４０…マスク板 ４５…パターン形状の貫通穴

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜するパターン形状と略同一形状の貫
   通穴を有するマスク板を基体の上方に略密着状態で設置
   し、しかる後、真空成膜法を用いて基体の上に、パター
   ン形状の貫通穴を通過した膜組成物を磁性薄膜パターン
   として成膜させる磁性薄膜パターンの形成方法であっ
   て、 前記マスク板は、当該マスク板に形成されたパターン形
   状の貫通穴の幅をＷ、マスク板の厚さをＤとしたとき、
   これらの関係が２Ｗ≦Ｄの条件に設定されてなることを
   特徴とする磁性薄膜パターンの形成方法。
2. 【請求項２】 前記パターン形状の貫通穴の幅Ｗと、マ
   スク板の厚さＤとの関係が４Ｗ≦Ｄの条件に設定されて
   なる請求項１記載の磁性薄膜パターンの形成方法。
3. 【請求項３】 前記パターン形状の貫通穴の幅Ｗが、Ｗ
   ＜１００μｍである請求項１または請求項２記載の磁性
   薄膜パターンの形成方法。
4. 【請求項４】 前記成膜対象となる磁性薄膜パターン
   は、その幅をＷ₀ 、その最大直線部の長さをＬ₀ とした
   場合、Ｌ₀ ＜５Ｗ₀ の関係を満たしてなる請求項１ない
   し請求項３のいずれかに記載の磁性薄膜パターンの形成
   方法。
5. 【請求項５】 前記成膜対象となる磁性薄膜が、巨大磁
   気抵抗効果を示す磁性薄膜である請求項１ないし請求項
   ４のいずれかに記載の磁性薄膜パターンの形成方法。
6. 【請求項６】 前記真空成膜法がスパッタ法である請求
   項１ないし請求項５のいずれかに記載の磁性薄膜パター
   ンの形成方法。
7. 【請求項７】 前記成膜するパターン形状と略同一形状
   の貫通穴を有するマスク板は、めっき法により形成され
   たものである請求項１ないし請求項６のいずれかに記載
   の磁性薄膜パターンの形成方法。