JPS6025211A - 窒化鉄膜の形成方法 - 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】 １、産業上の利用分野 本発明は薄膜（例えばＦｅｘＮ膜）形成方法に関するも
のである。

２、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
高密度化が計られている。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ｊ　１９７８年８月７日−号Ｎ（１，１９
２）。

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なわ
れている。これらの面内長手記録方式と垂直記録方式に
おいては、記録再生ヘッド材として窒化鉄（ＦｅｘＮ）
を構成材料とするものが考えられる。ＦｅｘＮ膜を形成
する方法としてこれまで、Ａｒ＋Ｎεガス雰囲気中でＦ
ｅターゲットをスパツクする方法、又はＮ２ガス雰囲気
中でＦｅを蒸着する方法が知られている。しかしながら
、この公知の方法では、従来、磁性１模（ＦｅｘＮ）を
堆積させる上での条件の各パラメータの相互関係につい
ては充分な検討がなされておらず、このために磁性膜を
再現性良く形成して特性良好なものを確実に得ることが
できない。

３、発明の目的 本発明の目的は、スパッタ法に基いて上記磁性膜の如き
薄膜を形成する際に特性良好な薄膜を再現性良く得るこ
とのできる方法を提供することにある。

４、発明の構成 即ち、本発明は、互いに対向した複数のターゲット間に
おいて生せしめたプラズマによって前記ターゲットをス
パッタし、発生したイオン化粒子を電界゛の作用下にタ
ーゲット外の所定方向へ導出し、この導出されたイオン
化粒子を支持体上に堆積せしめることを特徴とする薄膜
形成方法に係るものである。

５、実施例 以下、本発明の実施例を図面について詳細に説明する。

第１図〜第７図は、１ｌｉｉ（例えばＦｅｘＮ膜）を形
成するのに使用する本実施例によるイオンヒーム発生装
置及びその動作原理を示すものである。

第１図に示す装置は基本的には、対向ターゲ・７トスバ
ソタ部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　十Ｎｇ）を導入してガス圧力を１０
〜１０　Ｔ　ｏｒｒ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、
クーゲットホルダー４によりＦｅ製の一対のターゲット
Ｔ１、丑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。これらのクーゲット間
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］゛１．１′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（即ぢ
、第２図に明示する如く、ターゲラ）　Ｔ１−　Ｔ２間
に発生したプラズマ雰囲気７と各ターゲットＴ及びＴ２
との間の領地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
電子をク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＋　ｍ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、クーゲットＴ＋　−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
ってターゲラ１〜物質が゛充分にスパッタされることに
なる。

このり・１向ターゲツトスパツク装置は、他の飛翔手段
に比べて、高速スバ・２夕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１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、即ぢＦｅｘＨ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ば、ターゲット
ｌＰの外側近傍に配されたスクリーングリッドＧを有し
、これらのターゲラ１−１１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３図及び第４図に夫
みは１ｎ＋ｍであってよい。

第５図は、」二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ＴＩ、　’Ｔ”ｌ！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も接地シている。第６
図は各部のポテンシャル分布を示し、Ｖｐは０〜２００
Ｖに、ｖｔば５００〜１ｏｏｏ　ｖ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１０〜１０Ｔｏｒｒ　）において発生したプ
ラズマ中のイオンは下部クーゲット川の陰極降下部９　
（第２図参照）で加速電極１３によって加速された後、
ター、ゲットｏｅ−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って導出さ
れる。導出されたイオンビーム１０は、導出部Ｂ（真空
度１０Ｔｏｒｒ以上）側に形成される電界Ｅ（第１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
を以って基板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１０を引出し、基板Ｓ上へ導びくことか
できる。また、基板Ｓのある側は１゜Ｔ　ｏｒｒ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ず（則に配されたターゲット
Ｔｔの小孔１１．１２ば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、或いはターゲラＩ−ｉ゛、
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７図に
示す如く、基板Ｓ上に厚さ例えば２０００人のＦｅｘＮ
磁性膜１４を有する磁気テープ、磁気ディスク等の磁気
記録媒体を作成することができる。

この磁気記録媒体は、面内長手記録用又は垂直磁気記録
用として好適な磁性膜１４を有したものとなっている。

また、第８図に示す如く、磁気記録媒体１５を垂直磁気
記録するのに用いる補助磁極１６に対向した主磁極１７
として、そのガラス基板Ｓ上に上記のＦｅｘＮ磁化膜１
４を堆積させたものを使用することもできる（図中、１
８は磁化膜保持用としてのガラス板）。或いは、第８図
以外にも、通常の磁気ヘッド、薄膜ヘッドにも上記磁化
膜１４を形成することもできる。

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）およびイオン加速電
圧（Ｖｐ　）に依存して変化した。

第９図に、全圧Ｐｔｏｔａｌ　＝　５　Ｘ１０Ｔｏｒｒ
　、　Ｖｐ−２０Ｖ　（一定）の条件で作製した膜の結
晶構造と、Ｉ’ｌｌ、、　’ｌ”ｓの関係を示ずく但し
、基板は（１１１）　Ｓｔ基板）。Ｔｓ−２００℃の場
合、形成される結晶相はＰＮ、の上昇とともに、α−Ｆ
ｅとγ′Ｆｅ４Ｎ相相−＝ｆ−Ｆｅ＋Ｎ単相−ｔ−Ｆｅ
ｖＮとζ−Ｆｅ２Ｎのと 混相−ζ−ＦｅｐＮＪ変化し、膜の窒化度が高まってい
く。また、α−Ｆｅ、γ’　Ｆｅ４Ｎの？ｍ　相膜には
、面間隔１．９〜２．０人を持つ不明の結晶相（Ｕ。

Ｋ、）が存在していた。Ｔｓが２００℃以上に上昇する
と、各領域間の境界は高ｐＨ側に移動する。Ｔｓが２０
０°Ｃ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℃、Ｐ１□≦４　
Ｘ　１０　Ｔ　ｏ、ｒｒ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。形成される相のうぢ、ε相及びζ相ばラ
ンダムな結晶方位を示したが、ｂｃｃ構造のα−Ｆｅ相
は＜１１０＞一方向、ｆｃｃ構造のγ′Ｆｅ４Ｎ相は＜
１００＞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ク法で作製
されるα−Ｆｅ　％　ｒ’−Ｆｅ４Ｎ膜は、雰囲気圧力
の低下とともに各々（ＩＮ）　）、（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を一様な方向性が膜の配
向を促進すること、およ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　Ｘ１０Ｔｏｒｒ　、Ｆｌ
ｌ、＝１．５　Ｘｌ０Ｔｏｒｒ　、　Ｔｓ　＝１５０℃
一定の条件で作製した膜のＸ線回折図形のＶｐによる変
化を１周べた。Ｖｐ　＝ＯＶでは、（１１０）面が配向
したα−Ｆｅ相の回折線のみだが、Ｖｐ　＝４０Ｖでは
γ′　Ｆｅ＋Ｎ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＝Ｏ〜４０Ｖの範囲では、Ｖ’ｐの上昇につれ
てγ’−Ｆｅ＋Ｎ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ｒ’　Ｆｅ＋Ｎ相の配向性はランダムで、前述
のＶｐ＝２０Ｖ、ｉ”　５−２００℃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。Ｖ
ｐ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、基板の表面温度およ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ｍ１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（４ＫＭｓ）は、磁気天秤によって測定し
た。第１１図、第１２図に４ＫＭｓと各作製条件の関係
を示ず。Ｐｔｏｔａｌ　＝　５　Ｘｌ０Ｔｏｒｒ　ＸＶ
ｐ＝２０Ｖ　（一定）の条件で作製した膜の４ＫＭｓの
瑞およびＴｓ依存性を示す。４ＫＭｓは、膜の結晶構造
がα−Ｆｅ　＋　ｒ’　−Ｆｅ＋Ｎ　＋Ｕ、　Ｋ、（Ｉ
Ｊｎｋ−ｎｏｉｙｎ　）の混和の場合及びγ′相単相の
領域で、純鉄の４ＫＭｓ　（２１，６Ｋ　Ｇ）を上回る
値を示し、特に両頭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４ＫＭｓは、Ｔ相およ
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４πＭ
ｓと同時に低Ｈｃも得られ、ヘッドられたγ′単相膜の
それも２２〜２４ＫＧでほぼ一致している。したがって
、膜の４ＫＭｓが２５ＫＧに達するということは、Ｕ、
に、相の４ＫＭｓがγ′相よりも高いことを意味してい
る。高４πＭｓ膜がα＋γ’＋Ｕ、に、とγ′単相領域
との境界近傍で得られたことから、Ｕ、に、相がＦｅｇ
Ｎである可能性がある。Ｐｔｏｔａｌ　＝　５　Ｘ１０
Ｔｏｒｒ　、Ｖｐ　＝２０Ｖのもとて高４πＭｓを持つ
膜が得られる作製条件範囲は、Ｔｓ　＝２５０℃一定の
場合、ＰＮｌ＝１．］　Ｘｌ０＝２．０〜８．０％）　
、ｐＨＬ＝　３　Ｘ　ＬＯＴ　ｏｒｒ一定の場合、１’
ｓ　＝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４ＫＭｓが得ら
れる条件ＰＨ！／Ｐ　ｔｏｔａｌ　＝２．７〜４．０％
と比べると窒素ガス混合率の範囲が広（なっている。

高４πＭｓを持つＦｅｇＮ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、４ＫＭｓ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４ＫＭｓ
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
が分った。これば、ＰｔｏＬａｌ　の上５ｆ。

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、４ＫＭｓのＶｐによる変化を示す。

ここでの試料は、Ｐｔｏｔａｌ　＝　５　Ｘ１０Ｔｏｒ
ｒ　、Ｔｓ＝１５０°ＣおよびＰｔｏＬａｌ　＝　Ｉ　
Ｘ１０’ｒｏｒｒ　、］’ｓ　＝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３０ｅ　Ｖ　（Ｖｌ）−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。

第１４図は、上記Ｆａｘ、Ｎとしてｘ　＝０．５〜０．
６の組成比のもの（アモルファスＦ　ｅ、ｘ　Ｎ　）を
堆積せしめた場合のヒステリシス曲線を示す。これによ
れば、Ｈｃ　〜４００〜６０００ｅ　、例えば５０００
ｅを示し、磁気記録媒体として好適である（但、公知の
試料振動型磁力計で測定）。

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、Ｆ
ｅ　−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　、ｒ’　−Ｆｅ＋Ｎ相ば、そ
れぞれ（１１０）、（２００）面が膜面平行に強（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
、一様な方向性および電荷の効果によるものと考えられ
る。

ＦＣ）、膜の飽和磁化４πＭｓは、結晶構造がα＋γ’
十Ｕ、　Ｋ、（Ｕｎｋｎｏｗｎ）混和状態から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。

（ｄｌ、高い４πＭｓが得られる基板温度は、全圧Ｐｔ
ｏｔａｌの減少にともなって低下し、Ｐｔｏｔａｌが５
　Ｘ１０Ｔｏｒｒ以下の場合、１５０〜２５０°Ｃ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、（ｄｌばイオン化の効果か現れた
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、窒素の含をによって、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。

セットし、イオンビームの制御を種々に行なうこともで
きる。また、下部ターゲット１に小孔１１を形成せず、
両ターゲソ）Ｔ＋Ｔｉ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１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のターゲット宅を配し、この
ターゲット１）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Ｆ
ｅｘＮ粒子と一緒に基板Ｓ′上に導びき、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〉としてパーマロイ　（Ｎ　ｉｙａ　Ｆ　ｅｚ
ｏ）を使用′ｊ−れば、基板Ｓ′上にばＦｅｘＮとパー
マロイとの混合物の薄膜が得られる。

６、発明の効果 本発明は上述した如く、対向ターゲット方式のスパッタ
部で発生せしめたイオン化粒子を電界の作用下（若しく
はエネルギー制御下）に外部へ導出し、支持体上に堆積
させているので、プラズマを高密度に発生させてスパッ
タ効率を高め得ると同時に、放出イオンビームを導入ガ
ス圧、制御電圧（加速電圧も含む）等によって正確にコ
ントロールして常に所望の膜特性の薄膜を再現性良くｉ
是ることができる。

【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図はイ
オンビーム発生装置の断面図、第２図は対向ターゲット
スパッタの原理図、第３図はイオンビーム導出側のクー
リ゛ノド及びグリッドの平面図、 第４図は第３図のＸ−Ｘ線断面図、 第５図は上記装置の電気回路系を示す図、第６図は各部
のポテンシャル分布ＩＸ＋、第７図は磁気記録媒体の断
面図、 第８図は垂直磁気記録方式の断面図、 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線回折図、 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、 第１４図は堆積膜のヒステリシス曲線図である。 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−−−−一・−イオンビーム １１．１２−−−−−−一小孔 １３−−−−−−一陽極（加速電極） １４−−−−−一磁性（化）膜 Ｔ１．、Ｔ２・−−一−−−ターゲソト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 ５−−−−−一基イゐ乏 である。 代理人　弁理士　逢　坂　宏（他１名）第２図　Ｕヱム
ヱＬヨ１１．１工ＵヱムＬρ 第５図 第６図 ター７・ントｌ＋、１２ 第　７　図 第９図 第１０図 ２１１１ｆｄｅｇ、１ 第１１図 ＰＮ２（ＴＯ「「） 第１２図 Ｔｓ　（’口） 第１３図 Ｖｐ（Ｖｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、互いに対向した複数のターゲット間において生ぜし
   めたプラズマによって前記クーゲットをスパックし、発
   生したイオン化粒子を電界の作用下にターゲット外の所
   定方向へ導出し、１この導申されたイオン化粒子を支持
   体上に堆積せしめることを特徴とする薄膜形成方法。