JP2000268357A

JP2000268357A - 磁気記録媒体の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2000268357A
Application number: JP11066467A
Authority: JP
Inventors: Shigehiko Fujimaki; 成彦藤巻; Hidekazu Kashiwase; 英一柏瀬; Yuichi Kokado; 雄一小角
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気記録媒体の耐摩耗性に優れた炭素系保護膜
を効率よく、良好な歩留まりで形成する磁気記録媒体の
製造方法を提供すること。【解決手段】ターゲット背面に設けた磁石と、内部陰極
と、内部陰極に対向して設けられた基板と、炭化水素等
を導入するガス供給系と、ガス排気系と、基板バイアス
機構とからなるプラズマ発生装置を用い、この内部陰極
の表面近傍に直交電磁界配置によるプラズマを発生させ
ると共に、図２に示すような、発散し、かつ、基板方向
に向かって減衰する磁束を発生させ、それに沿ってプラ
ズマを発生させ、負電位にバイアスした基板に炭素系薄
膜を形成するようにした磁気記録媒体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記憶装置に用
いる磁気記録媒体の製造方法及び磁気記録媒体の製造装
置に係り、特に、信頼性の高い磁気記憶装置に用いる磁
気記録媒体の製造方法及びそのような磁気記録媒体の製
造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られている磁気記録媒体用保
護膜は、主に黒鉛状ターゲットのスパッタリングによっ
て形成されたものでもので、化学的に安定で摩擦係数が
小さく、摺動時に摩耗粉を発生し難い等の優れた性質を
有するが、黒鉛状の炭素を多く含む欠点があり、このた
め硬度や耐摩耗性をさらに高めることは困難である。

【０００３】これに対して、炭素のみからなる保護膜に
他の元素を添加することにより黒鉛状構造の生成を阻止
し、緻密化を図る等の対策が提案されている。添加する
元素としては、炭素と共有結合する水素、硼素、窒素、
弗素、珪素、金属、金属酸化物、金属窒化物等が挙げら
れている。このうち、水素化炭素は、スパッタリングガ
スに水素又は炭化水素ガスを混合することにより得ら
れ、水素が炭素と単結合して黒鉛状構造の生成を抑制す
るため、摺動時に摩耗粉を発生し難い薄膜が形成され
る。なお、特開平５−２１７１６１号公報には、このよ
うな保護膜材料の構造や組成に着目した磁気記録媒体の
製造方法について記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】炭化水素ガスを含む雰
囲気中での反応性スパッタリングにより水素化炭素薄膜
を形成する上記従来技術は、過剰の水素の混入によりポ
リマー状の炭化水素薄膜が形成され、反って保護膜の硬
度は低くなり、磁気記録媒体の耐摺動性に劣るという問
題があった。しかも、スパッタデポジションにおけるス
パッタ粒子はエネルギーが約５ｅＶと高いので、表面で
の粒子の移動が起こり難く、水素化炭素薄膜は柱状に成
長して被覆性に劣るという問題もあった。

【０００５】これに対して、プラズマ中の活性な炭化水
素ラジカル等の炭素含有粒子による表面反応がイオン衝
撃を伴って起こる化学気相蒸着は、高硬度で緻密な炭素
薄膜が形成されることが広く知られている。しかも、こ
のようなプラズマ励起による化学気相蒸着では、基板に
流入して反応する活性種はエネルギーが約０．０５ｅＶ
と低く、活性種が表面を移動できるので、薄くても被覆
性の高い炭素系薄膜が形成される。しかしながら、この
ような化学気相蒸着は、カーボン粒子やカーボンフレー
クが基板に付着し、製造歩留まりが低下するという問題
があった。また、通常このような反応を行う製造装置
は、一度に基板両面に薄膜を形成することができず、薄
膜形成に長時間かかるという問題があった。

【０００６】本発明の第１の目的は、効率よく、良好な
歩留まりで、耐摩耗性に優れた炭素系保護膜を形成する
ことのできる磁気記録媒体の製造方法を提供することに
ある。本発明の第２の目的は、耐摩耗性に優れた炭素系
保護膜を有する磁気記録媒体を効率よく、良好な歩留ま
りで製造できる磁気記録媒体の製造装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の磁気記録媒体の製造方法は、ターゲ
ット背面に設けた磁石と、内部陰極と、内部陰極に対向
して設けられた基板と、水素及び炭化水素の内の少なく
とも一種のガスを導入するガス供給系と、ガス排気系
と、基板バイアス機構とからなるプラズマ発生装置を用
い、この内部陰極の表面近傍に直交電磁界配置によるプ
ラズマを発生させると共に、発散し、かつ、基板方向に
向かって減衰する磁束を発生させ、それに沿ってプラズ
マを発生させ、負電位にバイアスした基板に炭素系薄膜
を形成するようにしたものである。

【０００８】上記の発散し、かつ、基板方向に向かって
減衰する磁束の密度は、基板位置で１００ガウスから５
００ガウスの範囲であることが好ましい。１００ガウス
未満では、基板に流れる電流密度が十分な値になり難い
からである。また５００ガウスを越えると基板に流れる
電流密度が過剰となり、基板温度が著しく上昇して黒鉛
化した炭素系薄膜を成長させることになるからである。

【０００９】上記基板に流れる電流密度は、０．５ｍＡ
／ｃｍ²から３ｍＡ／ｃｍ²の範囲であることが好まし
い。実用的な速度で炭素系薄膜を形成することができる
からである。

【００１０】また、基板に印加するバイアスは、パルス
状のバイアスであることが好ましく、その繰返し周波数
は、２０ｋＨｚから２００ｋＨｚの範囲であることが好
ましい。アーク除去の効果があるからである。さらに、
その負電位の５％から２５％の範囲で正電位となる両極
性パルスであることがより好ましい。アーク除去の効果
が著しく向上するからである。

【００１１】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の磁気記録媒体の製造装置は、ターゲット背面に
設けた磁石と、内部陰極と、内部陰極に対向して設けら
れた基板と、水素及び炭化水素の内の少なくとも一種の
ガスを導入するガス供給系と、ガス排気系と、基板を負
電位にバイアスする基板バイアス機構とを有し、この内
部陰極と磁石を、内部陰極の表面近傍に直交電磁界が配
置され、さらに、発散し、かつ、基板方向に向かって減
衰する磁束が生じるようにしたものである。

【００１２】次に、上記構成について機能的に説明す
る。上記構成の磁気記録媒体の製造方法及び製造装置を
用いれば、電界と磁束が直交する内部陰極の表面近傍に
所謂「直交電磁界配置」のプラズマが発生すると共に、
発散し、かつ、基板方向に向かって減衰する磁束が発生
し、この磁束に沿ってプラズマが発生するので、炭化水
素等のガスを導入すれば、負電位にバイアスした基板に
活性な炭素含有粒子による表面反応がイオン衝撃を伴っ
て起こり、気相化学蒸着と同等のメカニズムによる炭素
系薄膜を形成できる。

【００１３】一般にマグネトロン・スパッタリング装置
では、ターゲットの外側に配置した磁石で陰極表面に誘
起される電界と直交する磁界を加えて電子を捕捉し、マ
グネトロン運動を起こして気体分子と衝突させるため、
低圧力でもターゲット表面付近に高密度プラズマが発生
し、大きなターゲット電流を流すことで高速のスパッタ
蒸着を可能する。しかし、このままではターゲット上の
閉じた磁界中に捕捉される電子のマグネトロン運動より
発生する高密度プラズマは、磁束が電界と直交するター
ゲットの表面近傍に集中するため、基板付近ではプラズ
マ密度が低くなっている。

【００１４】これに対して、発散し、かつ、基板方向に
向かって減衰する磁束のある空間での荷電粒子の運動を
利用すれば、プラズマを磁束に沿って発生できる。すな
わち、上記の磁束を加えれば、電子は磁力線に巻き付く
ように螺旋運動しながら、基板の置かれた弱磁界方向に
移動してプラズマを発生する。もちろん、磁界と垂直な
運動成分がなければ電界で加速されるだけの運動とな
る。ここで、磁束に沿った電子の螺旋運動が発生するプ
ラズマのポテンシャルは弱磁界方向に減少する。従っ
て、プラズマ中のイオンは電子より遅れてポテンシャル
の減少勾配に沿って基板方向に移動することになる。こ
の結果、基板付近のプラズマ密度は上昇し、イオン衝撃
を伴う化学気相蒸着により炭素薄膜の形成が可能にな
る。例えば、密度が１．７ｇ／ｃｍ²で水素濃度が３０
ａｔ％の標準的な水素化炭素薄膜を形成する場合、炭素
原子の堆積レートは約８．５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ・ｃｍ
^-2・ｓｅｃであり、これに相当するイオン電流を見積も
ると約１ｍＡ・ｃｍ^-2になる。シースを通って負電位に
バイアスした基板に流れる空間電荷制限電流ｊ_sは近似
的にシースに接するプラズマの飽和イオン電流ｊ_pと一
致する。ｎ_pをプラズマ密度、Ｔｅを電子温度、Ｍをイ
オンの質量、ε₀を真空の誘電率、ｄをシース厚として
空間電荷制限電流密度と飽和イオン電流密度は、それぞ
れ式１と式２により表され、バイアス電圧が上昇しても
近似的にはシース幅が広がるだけで、イオン電流は殆ど
シースに接するプラズマの密度によって決まる。

【００１５】ｊ_p＝ｅｘｐ（−１／２）ｎ_pｅＣ_s……………………（１）Ｃ_s＝（Ｔｅ／Ｍ）^1/2 ｊ^s＝（４ε₀／９）（２ｅ／Ｍ）^1/2Ｖ^3/2／ｄ²……（２）ここで、電子温度を５ｅＶとして１ｍＡ・ｃｍ^-2のイオ
ン電流を基板に流すのに必要なプラズマ密度を式２から
求めると１．８×１０¹⁰ｃｍ^-3になるので、これに相当
する密度のプラズマを発生しないと実用的な速度で化学
気相蒸着による炭化水素薄膜を形成することはできな
い。

【００１６】一方、炭素系薄膜の化学気相蒸着における
イオンエネルギーは炭化水素等のポリマー成分を分解し
て結合状態を制御するのに利用される。一般にエネルギ
ーをもったイオンが固体に入ると、その入射粒子は固体
を構成する原子にエネルギーを付与して減速する。ここ
で、基板バイアスやスパッタリング等で扱うイオンの減
速過程では遮蔽クーロンポテンシャルとしてトーマス・
フェルミポテンシャルを適用できる。これから固体に入
射するイオンによるエネルギー損失と侵入深さを計算
し、イオンエネルギーを見積もると少なくとも−１００
Ｖ〜−３００Ｖの加速電圧が必要であると推定される。
それ故、基板にバイアスする負電位は、１５０Ｖから３
００Ｖの範囲であることが好ましい。

【００１７】なお、ここで形成された炭素系薄膜は、炭
素／水素の割合が原子比で５０／５０から９８／２の範
囲であることが好ましく、６０／４０から９０／１０の
範囲であることがより好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の一実施例の磁気記
録媒体の製造装置の構成図、図２は本発明の一実施例の
プラズマ発生装置の陰極の磁界分布を示す図、図３は比
較例のプラズマ発生装置の陰極の磁界分布を示す図、図
４は実施例及び比較例の試料のラマンスペクトルを示す
図、図５は実施例及び比較例の試料の硬度を示す図、図
６は実施例及び比較例の試料の耐摺動特性を示す図であ
る。

【００１９】図１に示す磁気記録媒体の製造装置は、プ
ラズマ発生装置１内の陰極２と、ターゲットと、ターゲ
ットの背面に設けられた磁石３と、陰極２に対向して設
けられた基板４と、炭化水素等の炭素含有分子ガスを導
入するガス供給系５と、ガス排気系６と、直流電源７
と、直流パルス電源８と、基板バイアス機構９とからな
る。ここで、基板４は非磁性基体であるアルミニウム合
金製のディスクに膜厚が３０ｎｍのＣｒ下地膜と膜厚が
２５ｎｍのＣｏＣｒ系合金の磁性膜を積層した構成であ
り、保護層を下記の実施例１及び比較例１、２に示す方
式により、膜厚が何れの場合も１０ｎｍとなるように形
成した。

【００２０】次に、この各試料についてラマンスペクト
ル、機械特性及び耐摺動特性を測定した。試料のラマン
スペクトルは、英国レニショウ社製顕微ラマン分光装置
ラマンスコープシステム２０００によりアルゴンイオン
レーザの励起波長５１４．５ｎｍを用いて測定した。ま
た、試料の硬度は、米国ナノインスツルメンツ社製の超
低荷重変位検出装置ナノインデンターIIによりバーコビ
ッチ型ダイヤモンド圧子を用いて測定した。なお、超低
荷重変位検出法については、エムアールエスビュ
レタン，１７（７）７月，１９９２，２８〜３３頁（Ｍ
ＲＳＢｕｌｌｅｔｉｎ１７（７）Ｊｕｌｙ１９９
２，ＰＰ．２８〜３３）の中で詳しく述べられている。

【００２１】一方、耐摺動特性の評価では、浮上面レー
ルの面積が３．２８ｍｍ²で質量が６ｍｇのヘッドスラ
イダーを荷重３ｇで押し付け、３００〜５００Ｔｏｒｒ
に減圧した容器内で５４００〜１００００ｒｐｍで回転
する円板に５〜７０Ｈｚの周波数でシーク動作を実行
し、１５〜３０ｎｍの高さで浮上したヘッドスライダー
との間欠接触により生じるスクラッチ及び摩耗を測定し
た。

【００２２】〈実施例１〉図１に示したプラズマ発生装
置を用い、磁石３として保磁力が７５０ｍＡ／ｍのＮｄ
ＦｅＢ磁石を磁界シミュレーションに基づき異なるアス
ペクト比で配置し、基板付近でのプラズマ密度の上昇を
図った。アルゴンガスを４．８ｍＴｏｒｒの動作圧力で
導入し、４００Ｗの直流電力を陰極に供給してラングミ
ューア・プローブにより基板付近のプラズマ密度と飽和
イオン電流密度を測定した。この結果、陰極の電界に平
行して基板方向に向って減衰する磁束の基板位置での磁
束密度が１００ガウス以上であれば、磁束に沿って発生
するプラズマの基板位置での密度が１Ｅ１０ｃｍ^-3以上
で、飽和イオン電流密度は１ｍＡ・ｃｍ^-2以上となっ
た。

【００２３】従って、図１に示したプラズマ発生装置
で、図２に示す磁界を加えてアルゴンと炭化水素ガスの
混合ガスにより陰極表面近傍で直交電磁界配置のプラズ
マを発生すると同時に、発散し、かつ、減衰する磁界に
沿って基板４方向に適正な密度でプラズマを発生すれ
ば、基板４付近のプラズマから流入する活性な炭素含有
粒子の表面反応とイオン衝撃により炭素薄膜を化学気相
蒸着することができた。そこで、本実施例ではメタンと
アルゴンをそれぞれ１８ｓｃｃｍと４２ｓｃｃｍの流量
比率で導入し、下記の試料１〜５を作製した。

【００２４】

【表１】

【００２５】ここで、基板４にはアークの発生を防ぐた
めに負電位のバイアスをパルスで印加した。ただし、印
加するバイアスの繰返し周波数が２０ｋＨｚ未満ではア
ーク除去の効果が少ないので５０ｋＨｚとした。アーク
が発生すると、プラズマを不安定にするほか、カーボン
のパーティクルやフレーク等の発塵を誘発するので望ま
しくない。さらに、バイアスを負電位の５％〜２０％の
範囲で正電位となる両極性パルスとすると、アーク除去
の効果は著しく向上した。

【００２６】一方、基板バイアスの電流密度は約１ｍＡ
／ｃｍ²になるように陰極電力と磁石の位置を調整し
た。バイアス電流密度が０．５ｍＡ／ｃｍ²未満では基
板バイアスの効果が現れず印加電圧を変えても基板には
ポリマー状の炭素薄膜のみが形成した。逆に、バイアス
電流密度が３ｍＡ／ｃｍ²を越えると成膜速度が著しく
低下して試料は黒鉛化した。

【００２７】〈比較例１〉実施例１と同じプラズマ発生
装置の磁石３に保磁力が２４０ｋＡ／ｍのフェライト磁
石を磁界シミュレーションに基づくアスペクト比で配置
した。図３に示す閉じた磁界を加えた。次に、メタンと
アルゴンをそれぞれ１２ｓｃｃｍと４８ｓｃｃｍの流量
比率で導入し、陰極２に設けたカーボン・ターゲットの
表面近傍に直交電磁界配置のプレーナマグネトロンを発
生し、反応性スパッタリングにより下記の試料６を形成
した。なお、プレーナマグネトロンについては、チャッ
プマン（Ｃｈａｐｍａｎ）による“プラズマプロセシン
グの基礎”（電気書院１９８５、２４７〜２５０頁）
の中で詳しく述べられている。

【００２８】

【表２】

【００２９】〈比較例２〉前記の実施例１、比較例１に
おいては、内部陰極を有するプラズマ発生装置を用いた
が、本比較例では電子サイクロトロン共鳴（以下、ＥＣ
Ｒという）プラズマを発生する化学気相蒸着装置を用い
て試料を作製した。このため、反応ガスとしてメタンを
供給し、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力と８．
７５ミリテスラのＥＣＲ磁界を印加して高密度プラズマ
を発生し、高周波電力により負電位にバイアスした基板
に下記の試料６を形成した。なお、ＥＣＲプラズマによ
る化学気相蒸着については平尾、吉田、早川らによる
“薄膜技術の新潮流”（工業調査会１９９７、Ｐ
Ｐ．１１２〜１１３）の中で詳しく述べられている。

【００３０】

【表３】

【００３１】図４は、実施例１及び比較例２の試料で測
定したラマンスペクトルを示す図である。実施例１の試
料のうち、曲線１０に示した基板バイアスの負電位が１
００Ｖの試料１では、ポリマー成分からの蛍光放射が強
くバックグラウンドは大きく傾いた。バックグラウンド
の傾きは負バイアス電位の上昇に伴い曲線１１に示した
試料２のように緩和し、負バイアス電位を２００Ｖ、３
００Ｖとした試料３（曲線１２）、試料４（曲線１４）
のスペクトルはＥＣＲプラズマによる試料７（曲線１
３）のものと殆ど一致した。さらに、負電位を上げると
グラファイト成分からのラマンバンドが現れ、３００Ｖ
を越えるとスペクトル（図示せず）は大きく変形した。

【００３２】一方、図５に実施例１、比較例１及び比較
例２の試料で前記微小変位検出法の連続剛性モードによ
り測定した硬度を示す。この結果から、硬度はポリマー
成分が多く残存する試料１（曲線１６）とグラファイト
成分を多く含む試料５（曲線１５）で低く、ポリマー成
分やグラファイト成分の少ない試料３、７（曲線１８、
１９）で高くなった。

【００３３】さらに、図６に示す耐摺動試験の結果か
ら、スクラッチの発生するまでのパス回数は硬い試料ほ
ど高く、その差異は下地層の影響を大きく反映する硬度
に比べて明瞭に現れた。スクラッチ耐力は試料３が試料
７と並んで最も高かった。

【００３４】以上のように、本発明によって得られた試
料は、物性がＥＣＲプラズマで作製した試料に近く、高
硬度で耐摺動に優れている。また、このような試料を歩
留まりよく製造することができた。このように陰極の磁
石の種類と形状を選んで配置した実施例１のマグネトロ
ン・スパッタリング装置を用いれば、バイアスを整える
ことによりスパッタリングと同時にプラズマ励起の化学
気相蒸着で、硬く耐摺動性に優れた保護膜を形成でき
る。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、耐
食性と耐摺動性に優れた保護膜を効率よく、良好な歩留
まりで形成でき、保護層が薄く高記録密度になっても信
頼性の高い磁気記録媒体を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の磁気記録媒体の製造装置の
構成図。

【図２】本発明の一実施例のプラズマ発生装置の陰極の
磁界分布を示す図。

【図３】比較例のプラズマ発生装置の陰極の磁界分布を
示す図。

【図４】実施例及び比較例の試料のラマンスペクトルを
示す図。

【図５】実施例及び比較例の試料の連続剛性モードで測
定した硬度を示す図。

【図６】実施例及び比較例の試料の耐摺動特性を示す
図。

【符号の説明】

１…プラズマ発生装置２…陰極３…磁石４…基板５…ガス供給系６…ガス排気系７…直流電源８…直流パルス電源９…基板バイアス機構１０…試料１のラマンスペクトル１１…試料２のラマンスペクトル１２…試料３のラマンスペクトル１３…試料７のラマンスペクトル１４…試料４のラマンスペクトル１５…試料５の硬度１６…試料１の硬度１７…試料６の硬度１８…試料３の硬度１９…試料７の硬度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小角雄一神奈川県小田原市国府津2880番地株式会社日立製作所ストレージシステム事業部内Ｆターム(参考） 4K029 AA02 AA24 BA34 BB02 BD11 CA06 CA13 DC39 DC40 EA05 EA09 4K030 AA09 AA16 AA17 BA27 EA01 FA03 HA06 JA15 JA16 JA17 JA18 KA20 KA32 KA34 LA20 5D112 AA07 AA24 BC05 DD01 FA10 FB09 FB26 FB29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲット背面に設けた磁石と、内部陰極
と、該内部陰極に対向して設けられた基板と、水素及び
炭化水素の内の少なくとも一種のガスを導入するガス供
給系と、ガス排気系と、基板バイアス機構とからなるプ
ラズマ発生装置を用いた磁気記録媒体の製造方法におい
て、上記内部陰極の表面近傍に直交電磁界配置によるプ
ラズマを発生させると共に、発散し、かつ、上記基板方
向に向かって減衰する磁束を発生させ、該磁束に沿って
プラズマを発生させ、負電位にバイアスした上記基板に
炭素系薄膜を形成することを特徴とする磁気記録媒体の
製造方法。
【請求項２】上記磁束の密度は、上記基板位置で１００
ガウスから５００ガウスの範囲であることを特徴とする
請求項１記載の磁気記録媒体の製造方法。
【請求項３】上記基板にバイアスした上記負電位は、１
５０Ｖから３００Ｖの範囲であることを特徴とする請求
項１又は２記載の磁気記録媒体の製造方法。
【請求項４】上記基板に流れる電流密度は、０．５ｍＡ
／ｃｍ²から３ｍＡ／ｃｍ²の範囲であることを特徴とす
る請求項１から３のいずれか一に記載の磁気記録媒体の
製造方法。
【請求項５】上記基板に印加するバイアスは、パルス状
のバイアスであり、その繰返し周波数が２０ｋＨｚから
２００ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項１か
ら４のいずれか一に記載の磁気記録媒体の製造方法。
【請求項６】ターゲット背面に設けた磁石と、内部陰極
と、該内部陰極に対向して設けられた基板と、水素及び
炭化水素の内の少なくとも一種のガスを導入するガス供
給系と、ガス排気系と、上記基板を負電位にバイアスす
る基板バイアス機構とを有し、上記内部陰極と上記磁石
は、上記内部陰極の表面近傍に直交電磁界が配置され、
発散し、かつ、上記基板方向に向かって減衰する磁束が
発生するように構成されたことを特徴とする磁気記録媒
体の製造装置。