JP2011068927A - Method for depositing silicon carbide film - Google Patents

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智子 上野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for depositing a SiC film which is very thin and excellent in wear resistance and corrosion resistance. <P>SOLUTION: The method for depositing the SiC film includes: a step (S10) of depositing Si film on the surface to be deposited by a sputter deposition process applying no heating; a first step (S20) of etching the Si film on the surface to be deposited to the extent that an initial defect layer is exposed; a second step (S40) of depositing a Si particle on the Si film etched at the first step by the sputter deposition process applying no heating to obtain the Si film having the predetermined thickness; and a third step (S50) of irradiating the Si film having the predetermined thickness with a carbon ion to transform the Si film into the SiC film. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、極薄のSiC膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming an extremely thin SiC film.

炭化珪素(SiC)は、機械的強度、耐熱性および耐食性が優れた材料で、高温半導体などの高温材料として有効である。また、その耐食性から、数nm程度の極薄領域において、水や酸などからの腐食を防ぐ耐腐食保護膜としても有効である。例えば、磁気ヘッドの保護膜として利用されている。磁気ヘッドの保護膜には、薄くて耐摩耗性、耐食性を有することが求められる。   Silicon carbide (SiC) is a material having excellent mechanical strength, heat resistance, and corrosion resistance, and is effective as a high-temperature material such as a high-temperature semiconductor. Further, due to its corrosion resistance, it is also effective as a corrosion-resistant protective film that prevents corrosion from water, acid, etc. in an extremely thin region of about several nm. For example, it is used as a protective film for a magnetic head. The protective film of the magnetic head is required to be thin and have wear resistance and corrosion resistance.

炭化珪素膜の形成にはCVD法やスパッタ法が用いられる。CVD法を用いる場合は、通常1000℃以上の高温に基板を加熱して成膜が行われる(特許文献1参照)。また、炭化珪素(SiC)ターゲットを直接スパッタして成膜を行うスパッタ法においても、基板を400〜600℃に加熱する必要がある。   A CVD method or a sputtering method is used to form the silicon carbide film. When the CVD method is used, film formation is usually performed by heating the substrate to a high temperature of 1000 ° C. or higher (see Patent Document 1). Also in a sputtering method in which a silicon carbide (SiC) target is directly sputtered to form a film, it is necessary to heat the substrate to 400 to 600 ° C.

特開平9−221395号公報JP-A-9-221395

しかしながら、高温下で特性が劣化する材料、例えば磁性材料には、上述のような高温のSiC膜形成方法を適用するのは難しい。また、加熱を行わずにスパッタ成膜を行うことは可能であるが、形成される膜が非晶質SiC膜となり、耐食性や耐摩耗性の点で十分な性能が得られないという問題がある。   However, it is difficult to apply the high-temperature SiC film forming method as described above to materials whose characteristics deteriorate at high temperatures, for example, magnetic materials. In addition, it is possible to perform sputter deposition without heating, but the formed film becomes an amorphous SiC film, and there is a problem that sufficient performance cannot be obtained in terms of corrosion resistance and wear resistance. .

請求項1の発明に係るSiC膜形成方法は、加熱を行わないスパッタ成膜法により被成膜面上に珪素膜を形成した後に、該被成膜面上のSi膜を初期欠陥層が露出するまでエッチングする第1の工程と、第1の工程でエッチングされたSi膜の上に加熱を行わないスパッタ成膜法によりSi粒子を堆積して、該Si膜を所定膜厚のSi膜とする第2の工程と、所定膜厚のSi膜に炭素イオンを照射して、該Si膜をSiC化する第3の工程と、を有することを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載のSiC膜形成方法において、窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一方を照射する工程を、第2の工程と第3の工程との間、または第3の工程の後に設けて、SiCが窒化された層、SiCが酸化された層およびSiCが酸窒化された層のいずれか一つがSiC膜に形成されることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載のSiC膜形成方法において、第1の工程を複数回繰り返し行った後に、第2の工程を行うことを特徴とする。
請求項4の発明に係るSiC膜形成方法は、加熱を行わないスパッタ成膜法により被成膜面上にSiC膜を形成した後に、該被成膜面上のSiC膜を初期欠陥層が露出するまでエッチングする第1の工程と、第1の工程でエッチングされたSiC膜の上に加熱を行わないスパッタ成膜法によりSiC粒子を堆積して、該SiC膜を所定膜厚のSiC膜とする第2の工程と、を有することを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項4に記載のSiC膜形成方法において、窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一方を照射する工程を第2の工程の後に設けて、SiCが窒化された層、SiCが酸化された層およびSiCが酸窒化された層のいずれか一つがSiC膜に形成されることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項4または5に記載のSiC膜形成方法において、第1の工程を複数回繰り返し行った後に、第2の工程を行うことを特徴とする。
請求項7の発明に係るSiC膜形成方法は、加熱を行わないスパッタ成膜法により被成膜面上にSi膜を形成する工程と、該Si膜を初期欠陥層が露出するまでエッチングする工程と、エッチングされたSi膜に炭素イオンを照射してSiC化してSiC層を形成する工程とを順に繰り返し行い、SiC層が複数積層された所定厚さのSiC膜を形成することを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項7に記載のSiC膜形成方法において、繰り返し行われるSiC層形成工程の内の最後のSiC層形成工程の前または後に、窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一方を照射する工程を設けて、SiCが窒化された層、SiCが酸化された層およびSiCが酸窒化された層のいずれか一つがSiC膜に形成されることを特徴とする。
In the SiC film forming method according to the first aspect of the present invention, after the silicon film is formed on the film formation surface by the sputtering film formation method without heating, the initial defect layer is exposed on the Si film on the film formation surface. A first step of etching until deposition, and Si particles are deposited on the Si film etched in the first step by a sputtering deposition method without heating, and the Si film is formed into a Si film having a predetermined thickness. And a third step of irradiating the Si film having a predetermined thickness with carbon ions to turn the Si film into SiC.
The invention of claim 2 is the SiC film forming method according to claim 1, wherein the step of irradiating at least one of nitrogen ions and oxygen ions is performed between the second step and the third step, or the third step. Provided after the step, any one of a layer in which SiC is nitrided, a layer in which SiC is oxidized, and a layer in which SiC is oxynitrided is formed in the SiC film.
According to a third aspect of the present invention, in the SiC film forming method according to the first or second aspect, the second step is performed after the first step is repeated a plurality of times.
According to the SiC film forming method of the invention of claim 4, after the SiC film is formed on the film formation surface by the sputtering film formation method without heating, the initial defect layer is exposed on the SiC film on the film formation surface. A first step of etching until SiC is deposited, and SiC particles are deposited on the SiC film etched in the first step by a sputtering film forming method without heating, and the SiC film is formed into a SiC film having a predetermined thickness. And a second step.
According to a fifth aspect of the present invention, in the SiC film forming method according to the fourth aspect, the step of irradiating at least one of nitrogen ions and oxygen ions is provided after the second step. One of the oxidized layer and the layer obtained by oxynitriding SiC is formed on the SiC film.
The invention according to claim 6 is the SiC film forming method according to claim 4 or 5, wherein the second step is performed after the first step is repeated a plurality of times.
The SiC film forming method according to the invention of claim 7 includes a step of forming a Si film on a film formation surface by a sputtering film forming method without heating, and a step of etching the Si film until an initial defect layer is exposed. And the step of forming an SiC layer by irradiating the etched Si film with carbon ions to form SiC, thereby forming a SiC film having a predetermined thickness in which a plurality of SiC layers are stacked. .
The invention of claim 8 is the SiC film forming method according to claim 7, wherein at least one of nitrogen ions and oxygen ions is irradiated before or after the last SiC layer forming step among the repeated SiC layer forming steps. The SiC film is characterized in that any one of a layer in which SiC is nitrided, a layer in which SiC is oxidized, and a layer in which SiC is oxynitrided is formed on the SiC film.

本発明によれば、極薄で耐摩耗性および耐食性に優れたSiC膜を形成することが出来る。   According to the present invention, it is possible to form a SiC film that is extremely thin and excellent in wear resistance and corrosion resistance.

磁気ヘッドスライダ1の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a magnetic head slider 1. FIG. SiC膜形成の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of SiC film formation. SiC膜の形成過程における膜構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the film | membrane structure in the formation process of a SiC film. SiC膜の形成過程における膜構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the film | membrane structure in the formation process of a SiC film. 第2の形成方法における、SiC膜形成の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of SiC film formation in the 2nd formation method. 第2の形成方法のSiC膜形成過程における膜構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the film | membrane structure in the SiC film formation process of the 2nd formation method. 第2の形成方法のSiC膜形成過程における膜構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the film | membrane structure in the SiC film formation process of the 2nd formation method. 第3の形成方法における、SiC膜形成の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of SiC film formation in the 3rd formation method. 膜質調整工程を説明する図である。It is a figure explaining a film quality adjustment process.

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本実施の形態に係るSiC膜形成方法により形成されたSiC膜が保護膜として適用される、磁気ヘッドスライダ1の概略構成を示す図である。磁気ヘッドスライダ1は、アルチック(Al2O3TiC)のスライダ基板11に薄膜磁気ヘッドの積層体を形成したものである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a magnetic head slider 1 to which an SiC film formed by the SiC film forming method according to the present embodiment is applied as a protective film. The magnetic head slider 1 is obtained by forming a laminated body of thin film magnetic heads on a slider substrate 11 of AlTiC (Al2O3TiC).

積層体は、下部磁性層12および上部磁性層15と、それらの間に形成されたコイル導体14と、絶縁層13とから成り、積層体を保護する絶縁保護膜16によって覆われている。磁気記録媒体は磁気ヘッドスライダ1の図示下側に配置され、磁気ヘッドスライダ1の磁気記録媒体と対向する面には耐摩耗性の保護膜20が形成されている。本実施の形態のSiC膜形成方法により形成されるSiC膜は、この保護膜20として用いられる。   The multilayer body includes a lower magnetic layer 12 and an upper magnetic layer 15, a coil conductor 14 formed therebetween, and an insulating layer 13, and is covered with an insulating protective film 16 that protects the multilayer body. The magnetic recording medium is disposed on the lower side of the magnetic head slider 1 in the figure, and a wear-resistant protective film 20 is formed on the surface of the magnetic head slider 1 facing the magnetic recording medium. The SiC film formed by the SiC film forming method of the present embodiment is used as this protective film 20.

(第1の形成方法)
次に、SiC膜の形成方法について説明する。図2は、SiC膜形成方法の一実施の形態を説明する図であり、SiC膜形成の手順を示すフローチャートである。また、図3,4は、SiC膜の形成過程における膜構造を説明する図であり、膜の断面を模式的に示したものである。
(First forming method)
Next, a method for forming the SiC film will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of the SiC film forming method, and is a flowchart showing a procedure for forming the SiC film. 3 and 4 are views for explaining the film structure in the process of forming the SiC film, and schematically show the cross section of the film.

図2のステップS10においては、成膜対象である磁気ヘッドスライダ1の記録媒体対向面に、Si層200をイオンビームスパッタやマグネトロンスパッタ等のスパッタ法により形成する。なお、以下では、この記録媒体対向面を基板表面1aと称することにする。ステップS10のSi成膜に限らず、本実施の形態の成膜においては、磁気ヘッドの磁性材料への熱的影響を避けるために、基板加熱(成膜対象の加熱)を行わずに膜を形成する。   In step S10 of FIG. 2, the Si layer 200 is formed on the recording medium facing surface of the magnetic head slider 1 to be formed by sputtering such as ion beam sputtering or magnetron sputtering. Hereinafter, this recording medium facing surface is referred to as a substrate surface 1a. Not only the Si film formation in step S10, but also in the film formation of the present embodiment, in order to avoid the thermal influence on the magnetic material of the magnetic head, the film is formed without performing substrate heating (heating of the film formation target). Form.

ここでは、Si層200の基板表面1aからの厚t1を、最終的なSiC膜の膜厚t3(1nm以下)と同程度としているが、これに限定されない。磁気ヘッドにおいては、検出性能の向上を図るためには磁気ヘッドと記録媒体との隙間が小さいほど好ましい。そのため、磁気ヘッドの保護膜として形成されるSiC膜も、耐食性等の機能を発揮できる範囲内で薄ければ薄いほど好ましい。本実施の形態のSiC膜形成方法は、膜厚が1nm以下の極薄膜を形成するために提案されたものである。Si原子の直径は約2.4オングストロームなので、厚さ1nmのSi層の原子層数はほぼ5層に相当する。以下の説明では、形成されるSi層200の原子層数はほぼ5層であるとして説明する。   Here, the thickness t1 from the substrate surface 1a of the Si layer 200 is set to be approximately the same as the final thickness t3 (1 nm or less) of the SiC film, but is not limited thereto. In the magnetic head, it is preferable that the gap between the magnetic head and the recording medium is small in order to improve detection performance. Therefore, it is preferable that the SiC film formed as a protective film of the magnetic head is as thin as possible within a range in which functions such as corrosion resistance can be exhibited. The SiC film forming method of the present embodiment is proposed for forming an ultrathin film having a thickness of 1 nm or less. Since the diameter of Si atoms is about 2.4 angstroms, the number of atomic layers of a Si layer having a thickness of 1 nm corresponds to approximately five layers. In the following description, it is assumed that the number of atomic layers of the Si layer 200 to be formed is approximately five.

従来、SiC成膜の際の基板加熱はSiCの結晶化だけでなく、基板へのSiC付着直後のマイグレーションを促進する作用もある。SiC付着直後のマイグレーションが十分に行われない場合、膜の初期成長過程において、膜が島状から連続状ヘと変化する膜厚が厚くなる傾向を示す。また、マイグレーションの不足は、初期層のみならず、膜中の欠陥が発生する一因となる。すなわち、膜を形成する原子の初期層において、膜が完全に連続状になっていない不達続状態の原子層数は、付着直後のマイグレーションに依存する。   Conventionally, substrate heating during SiC film formation has the effect of promoting not only SiC crystallization but also migration immediately after SiC deposition on the substrate. In the case where migration immediately after SiC is not sufficiently performed, the film thickness that changes from an island shape to a continuous shape tends to increase in the initial growth process of the film. In addition, the lack of migration contributes to the generation of defects in the film as well as the initial layer. That is, in the initial layer of atoms forming the film, the number of atomic layers in a non-reachable state in which the film is not completely continuous depends on the migration immediately after deposition.

一方、ステップS10におけるSi層200の成膜においては基板加熱が行われないので、スパッタにより付着したSi原子のマイグレーションが十分に行われず、Si層200の初期層において不達続状態の原子層が生じる。図3(a)はSi層200の断面を模式的に描いたものであるが、基板表面1aに近い原子層には隙間200aが多数形成されていて、不連続状態の原子層となっている。ここでは、このような原子層を初期欠陥層と称することにする。   On the other hand, since the substrate is not heated in the formation of the Si layer 200 in step S10, the migration of Si atoms attached by sputtering is not sufficiently performed, and the atomic layer in the non-reachable state is not formed in the initial layer of the Si layer 200. Arise. FIG. 3A schematically shows a cross section of the Si layer 200. The atomic layer close to the substrate surface 1a has a large number of gaps 200a and is a discontinuous atomic layer. . Here, such an atomic layer is referred to as an initial defect layer.

ステップS20では、基板表面1a上に成膜したSi層200に対して、スパッタエッチング法、ECRエッチング法およびイオンビームエッチング法等によるエッチング処理を行い、初期欠陥層が露出される厚さt2までSi層200をエッチングする。図3(b)はエッチング処理後のSi層200を示したものであり、初期欠陥層の隙間200aが露出されるように1〜2原子層までエッチングをしている。すなわち厚さt2は1〜2原子層に相当する厚さである。このようなエッチングを行うことにより、Si層200にエッチングイオンが入射する際のエネルギーにより、Si原子のマイグレーションが促進され、1〜2原子層における欠陥が改善される。そのため、エッチング後の隙間200aは、図3(a)の場合よりも減少している。   In step S20, the Si layer 200 formed on the substrate surface 1a is subjected to an etching process using a sputter etching method, an ECR etching method, an ion beam etching method, or the like, and the Si layer 200 is formed to a thickness t2 at which the initial defect layer is exposed. Etch layer 200. FIG. 3B shows the Si layer 200 after the etching process, and etching is performed up to 1 to 2 atomic layers so that the gap 200a of the initial defect layer is exposed. That is, the thickness t2 is a thickness corresponding to 1 to 2 atomic layers. By performing such etching, the migration of Si atoms is promoted by the energy when etching ions enter the Si layer 200, and defects in the 1-2 atomic layer are improved. Therefore, the gap 200a after etching is smaller than that in the case of FIG.

ステップS30では、ステップS10のSi成膜処理とステップS20のエッチング処理とが所定回数行われたか否かを判定する。エッチングおよび成膜の処理回数が所定回数に達するまでは、ステップS30でNOと判定されてステップS10へ戻り、ステップS10およびステップS20の処理が所定回数繰り返される。   In step S30, it is determined whether or not the Si film forming process in step S10 and the etching process in step S20 have been performed a predetermined number of times. Until the number of etching and film formation processes reaches a predetermined number, NO is determined in step S30, the process returns to step S10, and the processes in steps S10 and S20 are repeated a predetermined number of times.

上述したように、ステップS20のエッチングを行うことによりSi層の初期欠陥層が改善され、また、初期欠陥層が露出された後にSiスパッタ成膜をさらに行うと、隙間200aにSi原子が入り込み、より緻密なSi膜を形成することができる。このような初期欠陥層に対する改善効果は、成膜とエッチングとを繰り返し行うことさらに高まる。所定回数をいくつに設定するかは成膜条件やエッチング条件等によって異なるので、実際に成膜実験を行って設定する。   As described above, the initial defect layer of the Si layer is improved by performing the etching in step S20, and when the Si sputter film formation is further performed after the initial defect layer is exposed, Si atoms enter the gap 200a, A denser Si film can be formed. Such an improvement effect on the initial defect layer is further enhanced by repeatedly performing film formation and etching. How many times the predetermined number is set depends on the film forming conditions, etching conditions, and the like, and is set by actually performing film forming experiments.

ステップS30でNOと判定されるとステップS10に戻り、図3(b)のようにエッチングされて1〜2層のSi原子層が残っている基板表面1aに、スパッタによりSi粒子(Si原子や複数のSi原子から成る粒子)を堆積し、再び厚さt1のSi層200を形成する。図3(c)は、ステップS10に戻って2回目のスパッタ成膜が行われた後のSi層200を示す図である。このSi成膜により、露出している隙間200aにSi原子が入り込むことになる。その結果、1〜2層における欠陥がより改善される。また、1〜2層の欠陥が改善されるため、3層目以上の層構造も1回目のSi層200に比べて積層状態が良好になっている。   If NO is determined in step S30, the process returns to step S10, and Si particles (Si atoms or Si atoms are formed by sputtering on the substrate surface 1a that is etched as shown in FIG. A particle composed of a plurality of Si atoms) is deposited, and a Si layer 200 having a thickness t1 is formed again. FIG. 3C shows the Si layer 200 after returning to step S10 and performing the second sputtering film formation. By this Si film formation, Si atoms enter the exposed gap 200a. As a result, defects in the 1-2 layers are further improved. In addition, since the defects of the first and second layers are improved, the layered structure of the third and higher layers is also better in the laminated state than the first Si layer 200.

その後、ステップS20に進んで、2回目のエッチングが行われる。図4(a)は、2回目のエッチング処理の結果を示したものである。図3(c)に示す例では、1〜2層領域に隙間200aが残っており、図4(a)のように1〜2層までエッチングを行うことによりに、Siのマイグレーションが促進されて隙間200aが減少する。   Then, it progresses to step S20 and the 2nd etching is performed. FIG. 4A shows the result of the second etching process. In the example shown in FIG. 3C, the gap 200a remains in the 1-2 layer region, and by performing etching up to 1-2 layers as shown in FIG. 4A, Si migration is promoted. The gap 200a is reduced.

一方、ステップS30でYESと判定されると、ステップS40に進み、図4(b)に示すような3回目のSiスパッタ成膜が行われる。この成膜時にも、エッチングにより露出した隙間200a内にSi原子が入り込みながらSiの堆積が進む。その結果、1〜2層における隙間200aの割合はさらに小さくなり、基板表面1aに近い1〜2層目から緻密な状態となっているSi層200が形成される。ステップS40のスパッタでは、Si層200の最終的な厚さ調整が行われる。すなわち、最終的に必要とされるSiC膜の厚さをt3とすれば、ステップS40ではSi層200の厚さがt3となるようにスパッタ成膜を制御する。なお、ステップS40におけるSi層の厚さをt3よりも大きく設定し、その後、エッチングにより厚さをt3に調整するようにしても良い。厚み調整のエッチングは、ステップS40の直後でも良いし、ステップS50の後でも良い。   On the other hand, if “YES” is determined in the step S30, the process proceeds to a step S40, and the third Si sputter film formation as shown in FIG. 4B is performed. Also during this film formation, Si deposition proceeds while Si atoms enter the gap 200a exposed by etching. As a result, the ratio of the gap 200a in the first and second layers is further reduced, and the Si layer 200 is formed in a dense state from the first and second layers close to the substrate surface 1a. In the sputtering in step S40, the final thickness adjustment of the Si layer 200 is performed. That is, assuming that the finally required thickness of the SiC film is t3, the sputtering film formation is controlled in step S40 so that the thickness of the Si layer 200 becomes t3. Note that the thickness of the Si layer in step S40 may be set to be larger than t3, and then the thickness may be adjusted to t3 by etching. Etching for thickness adjustment may be performed immediately after step S40 or after step S50.

ステップS50では、図4(c)に示すように、形成された厚さ1nm以下の緻密なSi膜200に対して炭素イオンを照射する。炭素イオンの照射には、イオンビーム法により炭素イオンを照射しても良いし、FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc)法に代表されるようなカソーディックアークイオンプラズマ源を用いても良い。FCVA法については、例えば、特開2005−264255号公報に記載されている。また、ECR(Electron Cyclotron Resonance)法により原料ガスをイオン化するECRプラズマ源を利用しても良い。   In step S50, as shown in FIG. 4C, the formed dense Si film 200 having a thickness of 1 nm or less is irradiated with carbon ions. For irradiation of carbon ions, carbon ions may be irradiated by an ion beam method, or a cathodic arc ion plasma source represented by an FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc) method may be used. About FCVA method, it describes in Unexamined-Japanese-Patent No. 2005-264255, for example. Moreover, you may utilize the ECR plasma source which ionizes source gas by ECR (Electron Cyclotron Resonance) method.

このようにSi層200に炭素イオンを照射すると、イオン照射時のエネルギーによりSi層のSiC化が促進され、基板加熱を行うことなくSiC単層膜が形成される。すなわち、本実施の形態における炭素イオンの照射は、炭素膜を積層するためではなく、Si層に炭素イオンを注入してSiC化を促進するためのものである。その結果、Si層がSiC化されて、SiCの単層膜を形成することができる。イオン照射のエネルギーにも依存するが、照射された炭素イオンはSi層200の表面から3〜5層目程度までは入り込むことができる。照射の際、炭素イオンの入射速度が大きいと、Si層のSiC化よりもSi層上への炭素膜形成がすすむため、炭素イオン入射速度を制御する必要がある。炭素イオンの入射速度は、製膜速度において十分の一nm程度が望ましい。   When the Si layer 200 is irradiated with carbon ions in this way, the SiC layer is made SiC by the energy at the time of ion irradiation, and a SiC single layer film is formed without heating the substrate. That is, the irradiation of carbon ions in this embodiment is not for laminating a carbon film but for implanting carbon ions into the Si layer to promote SiC formation. As a result, the Si layer is converted to SiC, and a SiC single layer film can be formed. Although depending on the energy of ion irradiation, the irradiated carbon ions can enter the third to fifth layers from the surface of the Si layer 200. At the time of irradiation, if the incident speed of carbon ions is large, the carbon film is formed on the Si layer rather than making the Si layer SiC. Therefore, it is necessary to control the incident speed of the carbon ions. The incident speed of carbon ions is desirably about 1 nm in terms of the film forming speed.

(第2の形成方法)
図5〜図7はSiC膜の第2の形成方法を説明する図である。図5は、SiC膜形成の手順を示すフローチャートである。図6および7は、図3,4の場合と同様に、膜形成手順の各段階における断面を示したものである。なお、図6,7では、Si原子の図示は省略した。また、第2の形成方法においても、Si成膜にはイオンビームスパッタやマグネトロンスパッタ等のスパッタ法が用いられ、炭素イオンの照射には、イオンビーム法やカソーディックアークイオンプラズマ源やECRプラズマ源が用いられる。また、Si層のエッチングには、スパッタエッチング法、ECRエッチング法およびイオンビームエッチング法などが用いられる。
(Second forming method)
5 to 7 are diagrams for explaining a second method of forming the SiC film. FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for forming the SiC film. 6 and 7 show cross sections at each stage of the film formation procedure, as in FIGS. 6 and 7, illustration of Si atoms is omitted. Also in the second forming method, sputtering methods such as ion beam sputtering and magnetron sputtering are used for Si film formation, and ion beam method, cathodic arc ion plasma source and ECR plasma source are used for carbon ion irradiation. Is used. For etching the Si layer, sputter etching, ECR etching, ion beam etching, or the like is used.

ステップS110では、図2のステップS10と同様に基板表面1a上にSi層200を形成する(図6(a)参照)。膜厚も上記と同様のt1とされる。なお、図6では図示を省略したが、図3(a),(b)と同様に、基板表面1aから数層の初期欠陥層には隙間200aが形成される。   In step S110, the Si layer 200 is formed on the substrate surface 1a as in step S10 of FIG. 2 (see FIG. 6A). The film thickness is also t1 as described above. Although not shown in FIG. 6, similar to FIGS. 3A and 3B, gaps 200a are formed from the substrate surface 1a to several initial defect layers.

ステップS120では、イオンビームエッチング等により、基板表面1aから1〜2層が残る程度(膜厚t2)までSi層200をエッチングする。その結果、エッチングイオンのエネルギーによりSi原子のマイグレーションが促進され、初期欠陥が改善されて隙間200aの割合が減少する。   In step S120, the Si layer 200 is etched by ion beam etching or the like to the extent that one or two layers remain from the substrate surface 1a (film thickness t2). As a result, the migration of Si atoms is promoted by the energy of etching ions, the initial defects are improved, and the ratio of the gap 200a is reduced.

ステップS130では、厚さt2までエッチングされたSi層200に対して、上述したステップS50の場合と同様の方法で炭素イオンが照射される。この炭素イオン照射時のエネルギーによりSiC化が促進され、SiC層201が形成される。また、露出した隙間200aに照射されたCが入り込むことになり、Si層形成時に発生した初期欠陥が改善される。   In step S130, the Si layer 200 etched to the thickness t2 is irradiated with carbon ions in the same manner as in step S50 described above. The formation of SiC is promoted by the energy at the time of carbon ion irradiation, and the SiC layer 201 is formed. In addition, the irradiated C enters the exposed gap 200a, and the initial defects generated when the Si layer is formed are improved.

ステップS140では、ステップS120のエッチングとステップS130のSi成膜とが、予め設定された所定回数だけ行われたか否かを判定する。所定回数は、最終的に必要とされるSiC膜の厚さをt3としたとき、「所定回数=t3/t2」のように設定される。ステップS140でNOと判定されると、ステップS110に戻って図7(a)に示すように2回目のSi成膜が行われ、厚さt2のSiC層201の上に厚さt1のSi層200が新たに形成される。   In step S140, it is determined whether the etching in step S120 and the Si film formation in step S130 have been performed a predetermined number of times set in advance. The predetermined number of times is set such that “predetermined number of times = t3 / t2” when the finally required SiC film thickness is t3. If NO is determined in step S140, the process returns to step S110 to perform the second Si film formation as shown in FIG. 7A, and the Si layer having the thickness t1 is formed on the SiC layer 201 having the thickness t2. 200 is newly formed.

このSi層の形成の際に、SiC層201の欠陥部分(隙間)にSi原子が入り込み、SiC層201の緻密さが向上する。   During the formation of this Si layer, Si atoms enter the defective portion (gap) of the SiC layer 201 and the density of the SiC layer 201 is improved.

さらに、ステップS120に進んで、新たに形成したSi層200に対して、イオンビームエッチング等によるエッチング処理を行う(図6(b)参照)。すなわち、SiC層201との境界から1〜2原子層が残る程度(膜厚t2)までSi層200をエッチングし、エッチングエネルギーによりSi原子のマイグレーションを促進するとともに、Si層200の初期欠陥層を露出させる。   Furthermore, it progresses to step S120 and the etching process by ion beam etching etc. is performed with respect to the newly formed Si layer 200 (refer FIG.6 (b)). That is, the Si layer 200 is etched to the extent that a 1-2 atomic layer remains from the boundary with the SiC layer 201 (film thickness t2), migration of Si atoms is promoted by etching energy, and an initial defect layer of the Si layer 200 is formed. Expose.

ステップS130では、エッチングしたSi層200に対して、炭素イオンの照射を行う。その結果、上述した1回目の炭素イオン照射と同様の処理(SiCの形成、初期欠陥の改善)が、2回目のSi層200に対して行われる。このようにして、SiC層201が2層形成され、SiC膜の厚さはt2の2倍となる。このように、ステップS110からステップS130までの処理が所定回数行われてSiC膜の厚みがt3となると、ステップS140でYESと判定されて、一連のSiC膜形成処理が終了する。   In step S130, the etched Si layer 200 is irradiated with carbon ions. As a result, the same process (SiC formation, initial defect improvement) as the first carbon ion irradiation described above is performed on the second Si layer 200. In this way, two SiC layers 201 are formed, and the thickness of the SiC film is twice t2. As described above, when the processes from step S110 to step S130 are performed a predetermined number of times and the thickness of the SiC film reaches t3, YES is determined in step S140, and the series of SiC film forming processes is completed.

上述した第2のSiC膜形成方法では、Si層200を厚さt2(原子層で1〜2層)までエッチングし、それに炭素イオンを照射してSiC層201を形成する工程を繰り返すことにより、所望の厚さt1のSiC膜を形成するようにした。第1の形成方法では、膜厚t1のSi層を形成した後に炭素イオンを照射してSiC膜を形成する方法であるため、厚さ方向に炭素濃度の濃淡が生じやすい。すなわち、SiC膜の表面側ほど炭素濃度が高くなる。一方、第2の形成方法では、厚さt2毎にSiC膜を形成し、それを複数回行うことで所定厚さt1のSiC膜としているので、膜質をより均一にすることができる。このように形成方法により膜質が若干異なることになり、それらは用途に応じて使い分けすることができる。例えば、磁気ヘッドの保護膜として用いる場合には、防湿性とともに潤滑性も求められるので、表面ほど炭素濃度が高くて潤滑性に優れた第1の形成方法によるSiC膜が適している。   In the above-described second SiC film forming method, the Si layer 200 is etched to a thickness t2 (1-2 atomic layers), and the process of forming the SiC layer 201 by irradiating it with carbon ions is repeated. A SiC film having a desired thickness t1 was formed. The first forming method is a method of forming a SiC film by irradiating carbon ions after forming a Si layer having a film thickness t1, so that the concentration of carbon tends to vary in the thickness direction. That is, the carbon concentration increases toward the surface side of the SiC film. On the other hand, in the second forming method, an SiC film is formed for each thickness t2, and the SiC film having a predetermined thickness t1 is formed by performing it multiple times, so that the film quality can be made more uniform. As described above, the film quality is slightly different depending on the forming method, and they can be used properly according to the application. For example, when used as a protective film for a magnetic head, moisture resistance and lubricity are required, and therefore, a SiC film formed by the first forming method having a higher carbon concentration and excellent lubricity is suitable for the surface.

(第3の形成方法)
図8はSiC膜の第3の形成方法を説明する図である。上述した第1および第2の形成方法では、基板上に形成されたSi膜に炭素イオンを照射することでSiC膜を形成したが、SiCターゲットを使用したスパッタにより、直接SiC膜を形成しても良い。しかし、従来のスパッタ成膜では、基板加熱を行って所定厚さt3のSiC膜を形成するのが一般的であり、磁性材料への成膜に適用するのは難しかった。
(Third forming method)
FIG. 8 is a diagram for explaining a third method of forming the SiC film. In the first and second forming methods described above, the SiC film is formed by irradiating the Si film formed on the substrate with carbon ions, but the SiC film is directly formed by sputtering using the SiC target. Also good. However, in the conventional sputter film formation, it is common to form a SiC film having a predetermined thickness t3 by heating the substrate, and it has been difficult to apply to film formation on a magnetic material.

一方、本実施の形態では、後述するように基板加熱をせずにスパッタ成膜を行うので、加熱を嫌う磁性材料への成膜に適用することができる。ただし、加熱を行わないと上述したSi層形成の場合と同様に初期欠陥層がSiC層に形成されるので、初期欠陥層の向上を図るために、図8に示すような手順でSiC膜を形成する。   On the other hand, in the present embodiment, as described later, since sputtering film formation is performed without heating the substrate, it can be applied to film formation on a magnetic material that does not like heating. However, if heating is not performed, the initial defect layer is formed in the SiC layer as in the case of the Si layer formation described above. Therefore, in order to improve the initial defect layer, the SiC film is formed by the procedure shown in FIG. Form.

なお、第3の形成方法においても、SiC成膜にはイオンビームスパッタやマグネトロンスパッタ等のスパッタ法が用いられ、SiC層のエッチングには、スパッタエッチング法、ECRエッチング法およびイオンビームエッチング法などが用いられる。   In the third forming method as well, sputtering methods such as ion beam sputtering and magnetron sputtering are used for SiC film formation. Sputter etching, ECR etching, and ion beam etching are used for etching the SiC layer. Used.

SiC膜形成においては、ターゲット材料がSiではなくSiCであることを除き、図2のステップS10からステップS40までに示したSi層の形成方法と同様の手順で行われる。すなわち、図8のステップS210では厚さt1のSiC層をスパッタ法により形成する。このスパッタ成膜の場合も基板加熱を行っていないので、基板表面との境界領域において初期欠陥層が形成されることになる。なお、ここではSiC膜の断面図は示さないが、図3においてSi原子をSiCに置き換えたものと考えればよい。   The SiC film formation is performed in the same procedure as the Si layer formation method shown in steps S10 to S40 in FIG. 2 except that the target material is SiC instead of Si. That is, in step S210 of FIG. 8, a SiC layer having a thickness t1 is formed by sputtering. Even in the case of this sputter deposition, since the substrate is not heated, an initial defect layer is formed in the boundary region with the substrate surface. Here, although a cross-sectional view of the SiC film is not shown, it can be considered that the Si atoms in FIG. 3 are replaced with SiC.

ステップS220では、イオンビームエッチング等により、基板表面1aから1〜2層のSiCが残る程度(膜厚t2)までSiC層をエッチングして、エッチングエネルギーによりSiC原子のマイグレーションを促進するとともに、SiC層の初期欠陥層を露出させる。ステップS230では、スパッタによりSiCを堆積し、再び厚さt1のSiC層を形成する。このSiC成膜により初期欠陥層の隙間にSiCが入り込みながらSiCの堆積が行われる。   In step S220, the SiC layer is etched by ion beam etching or the like to the extent that one or two layers of SiC remain (film thickness t2) from the substrate surface 1a, and the SiC energy is promoted by the etching energy and the SiC layer. The initial defect layer is exposed. In step S230, SiC is deposited by sputtering, and a SiC layer having a thickness t1 is formed again. By this SiC film formation, SiC is deposited while SiC enters the gaps between the initial defect layers.

ステップS240では、ステップS220のエッチング処理とステップS230のSiC成膜処理とが所定回数行われたか否かを判定する。所定回数は、図2のステップS30の場合と同様に設定される。エッチングおよび成膜の処理回数が所定回数に達するまでは、ステップS240でNOと判定されてステップS210へ戻り、ステップS220およびステップS230の処理が所定回数繰り返される。一方、ステップS240でYESと判定されると、ステップS250へ進む。ステップS250では、最終的なSiC膜が要求される所定厚さt3となるように、SiCのスパッタ成膜を行う。   In step S240, it is determined whether or not the etching process in step S220 and the SiC film forming process in step S230 have been performed a predetermined number of times. The predetermined number of times is set similarly to the case of step S30 in FIG. Until the number of etching and film forming processes reaches a predetermined number, NO is determined in step S240, the process returns to step S210, and the processes in steps S220 and S230 are repeated a predetermined number of times. On the other hand, if it is determined as YES in step S240, the process proceeds to step S250. In step S250, a SiC film is formed by sputtering so that the final SiC film has a required thickness t3.

上述したように、本実施の形態のSiC膜形成方法は、磁性材料のように加熱を嫌う成膜対象に極薄の(例えば、1nm以下の)SiC膜を形成するものであって、スパッタ法によりSi層を形成した後に炭素イオンを照射してSiC膜を形成するものと、SiC膜をスパッタ法により形成するものとがある。そして、スパッタ成膜されたSi層またはSiC層の初期欠陥層が露出するまでエッチングして、エッチングエネルギーによりSiやSiCのマイグレーションを促進すると共に、初期欠陥層の欠陥部分(間隙)にSiやSiC原子が入り込むことにより初期欠陥層の改善を行うようにした。その結果、成膜対象の加熱を行わずに、極薄で耐食性および耐摩耗性に優れた緻密なSiC膜を形成することが可能となった。   As described above, the SiC film forming method of the present embodiment forms an extremely thin (for example, 1 nm or less) SiC film on a film formation object that is not subject to heating, such as a magnetic material, and includes a sputtering method. There are a type in which an SiC layer is formed by irradiating carbon ions after an Si layer is formed by sputtering, and a type in which an SiC film is formed by sputtering. Etching is performed until the initial defect layer of the sputtered Si layer or SiC layer is exposed, and migration of Si or SiC is promoted by the etching energy, and Si or SiC is added to the defective portion (gap) of the initial defect layer. The initial defect layer was improved by the entry of atoms. As a result, it is possible to form a dense SiC film that is extremely thin and excellent in corrosion resistance and wear resistance without heating the film formation target.

従来、磁気ヘッド用の保護膜として、Si膜から成る密着層とDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜との二層膜を形成する方法が知られているが、それぞれの膜の性能を十分機能させるためには、各々1nm程度の厚さを必要とする。そのため、保護膜全体の厚さは少なくとも2nm程度となってしまう。一方、本願では、1nm以下のSi層に炭素イオンを照射して炭化珪素化した単層膜であるため、1nm以下のSiC膜を形成することができる。そのため、加熱しながらの成膜が困難な磁気ヘッドの保護膜として、極薄のSiC膜を形成することができる。   Conventionally, as a protective film for a magnetic head, a method of forming a two-layer film of an adhesion layer made of an Si film and a DLC (diamond-like carbon) film is known. In order to make the performance of each film sufficiently function. Each requires a thickness of about 1 nm. Therefore, the total thickness of the protective film is at least about 2 nm. On the other hand, in the present application, since it is a single layer film obtained by irradiating a Si layer of 1 nm or less with carbon ions to form silicon carbide, a SiC film of 1 nm or less can be formed. Therefore, an extremely thin SiC film can be formed as a protective film for a magnetic head that is difficult to form while being heated.

(変形例)
なお、上述した実施の形態において、SiC膜に対して絶縁性などの膜質調整を行う工程を追加しても良い。例えば、図2に示すステップS40の後、またはステップS50の後に、以下のような膜質調整工程を実施する。
(Modification)
In the above-described embodiment, a step of adjusting the film quality such as insulation may be added to the SiC film. For example, the following film quality adjustment process is performed after step S40 shown in FIG. 2 or after step S50.

図9は、ステップS40の後に膜質調整工程を実施する場合の手順を示したものである。窒素イオンを照射すると、図9(a)に示すようにSi層200の表面領域がSiNに改質される。その後、ステップS50において炭素イオンが照射されると、図9(b)に示すようにSiN領域はSiCNになり、Si層はSiCとなる。窒素イオンの照射には、窒素イオンビームを照射するイオンビーム法を用いる。また、窒素イオンを含むECRプラズマ源などから窒素イオンを引き出して、照射しても良い。   FIG. 9 shows a procedure when the film quality adjustment process is performed after step S40. Irradiation with nitrogen ions modifies the surface region of the Si layer 200 to SiN as shown in FIG. Thereafter, when carbon ions are irradiated in step S50, the SiN region becomes SiCN and the Si layer becomes SiC as shown in FIG. 9B. For the irradiation of nitrogen ions, an ion beam method in which a nitrogen ion beam is irradiated is used. Alternatively, nitrogen ions may be extracted from an ECR plasma source containing nitrogen ions and irradiated.

なお、窒素イオンに代えて酸素イオンを照射しても良いし、窒素イオンと酸素イオンの両方を同時または順に照射するようにしても良い。酸素イオンを照射した場合には、SiOが形成された後、炭素イオン照射によりSiOCとなる。また、窒素イオンと酸素イオンの両方を照射した場合にはSiONが形成され、その後炭素イオンを照射するとSiOCNが形成される。   Note that instead of nitrogen ions, oxygen ions may be irradiated, or both nitrogen ions and oxygen ions may be irradiated simultaneously or sequentially. When oxygen ions are irradiated, after SiO is formed, it becomes SiOC by carbon ion irradiation. In addition, SiON is formed when both nitrogen ions and oxygen ions are irradiated, and then SiOCN is formed when carbon ions are irradiated.

第2の形成方法の場合には、図5のステップS110からステップS130までの処理が繰り返し行われるが、最後の繰り返しを行った後、すなわちステップS140の後に膜質調整工程を入れても良いし、最後の繰り返しの前に膜質調整工程を入れても良い。この場合も、窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一つを照射する。   In the case of the second forming method, the processing from step S110 to step S130 in FIG. 5 is repeatedly performed. However, after the last repetition, that is, after step S140, a film quality adjustment step may be performed. A film quality adjustment step may be inserted before the last repetition. Also in this case, at least one of nitrogen ions and oxygen ions is irradiated.

第3の形成方法の場合には、図8のステップS240の処理を行った後に膜質調整を行う。この場合も、窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一つを照射する。   In the case of the third forming method, the film quality adjustment is performed after performing the process of step S240 in FIG. Also in this case, at least one of nitrogen ions and oxygen ions is irradiated.

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。   Each of the embodiments described above may be used alone or in combination. This is because the effects of the respective embodiments can be achieved independently or synergistically. In addition, the present invention is not limited to the above embodiment as long as the characteristics of the present invention are not impaired.

1:磁気ヘッドスライダ、1a:基板表面、200:Si層、200a:隙間、201:SiC層   1: magnetic head slider, 1a: substrate surface, 200: Si layer, 200a: gap, 201: SiC layer

Claims (8)

加熱を行わないスパッタ成膜法により被成膜面上に珪素膜を形成した後に、該被成膜面上のSi膜を初期欠陥層が露出するまでエッチングする第1の工程と、
前記第1の工程でエッチングされたSi膜の上に加熱を行わないスパッタ成膜法によりSi粒子を堆積して、該Si膜を所定膜厚のSi膜とする第2の工程と、
前記所定膜厚のSi膜に炭素イオンを照射して、該Si膜をSiC化する第3の工程と、を有することを特徴とするSiC膜形成方法。
A first step of etching the Si film on the film formation surface until the initial defect layer is exposed after forming a silicon film on the film formation surface by a sputtering film formation method without heating;
A second step of depositing Si particles on the Si film etched in the first step by a sputtering film-forming method without heating, thereby forming the Si film with a predetermined thickness;
And a third step of irradiating the Si film having the predetermined thickness with carbon ions to convert the Si film into SiC.
請求項1に記載のSiC膜形成方法において、
窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一方を照射する工程を、前記第2の工程と前記第3の工程との間、または前記第3の工程の後に設けて、SiCが窒化された層、SiCが酸化された層およびSiCが酸窒化された層のいずれか一つがSiC膜に形成されることを特徴とするSiC膜形成方法。
The SiC film formation method according to claim 1,
A step of irradiating at least one of nitrogen ions and oxygen ions is provided between the second step and the third step or after the third step, and a layer in which SiC is nitrided, SiC is oxidized Any one of the formed layer and the layer obtained by oxynitriding SiC is formed on the SiC film.
請求項1または2に記載のSiC膜形成方法において、
前記第1の工程を複数回繰り返し行った後に、前記第2の工程を行うことを特徴とするSiC膜形成方法。
In the SiC film formation method of Claim 1 or 2,
The SiC film forming method, wherein the second step is performed after the first step is repeated a plurality of times.
加熱を行わないスパッタ成膜法により被成膜面上にSiC膜を形成した後に、該被成膜面上のSiC膜を初期欠陥層が露出するまでエッチングする第1の工程と、
前記第1の工程でエッチングされたSiC膜の上に加熱を行わないスパッタ成膜法によりSiC粒子を堆積して、該SiC膜を所定膜厚のSiC膜とする第2の工程と、を有することを特徴とするSiC膜形成方法。
A first step of etching the SiC film on the film formation surface until the initial defect layer is exposed after forming the SiC film on the film formation surface by a sputtering film formation method without heating;
And a second step of depositing SiC particles on the SiC film etched in the first step by a sputtering film forming method without heating, and using the SiC film as a SiC film having a predetermined thickness. A SiC film forming method characterized by the above.
請求項4に記載のSiC膜形成方法において、
窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一方を照射する工程を第2の工程の後に設けて、SiCが窒化された層、SiCが酸化された層およびSiCが酸窒化された層のいずれか一つがSiC膜に形成されることを特徴とするSiC膜形成方法。
In the SiC film formation method of Claim 4,
A step of irradiating at least one of nitrogen ions and oxygen ions is provided after the second step, and any one of the SiC nitrided layer, the SiC oxidized layer, and the SiC oxynitrided layer is an SiC film. A method for forming a SiC film, comprising:
請求項4または5に記載のSiC膜形成方法において、
前記第1の工程を複数回繰り返し行った後に、前記第2の工程を行うことを特徴とするSiC膜形成方法。
In the SiC film formation method of Claim 4 or 5,
The SiC film forming method, wherein the second step is performed after the first step is repeated a plurality of times.
加熱を行わないスパッタ成膜法により被成膜面上にSi膜を形成する工程と、該Si膜を初期欠陥層が露出するまでエッチングする工程と、エッチングされたSi膜に炭素イオンを照射してSiC化してSiC層を形成する工程とを順に繰り返し行い、前記SiC層が複数積層された所定厚さのSiC膜を形成することを特徴とするSiC膜形成方法。   A step of forming a Si film on the film formation surface by a sputtering film formation method without heating, a step of etching the Si film until the initial defect layer is exposed, and irradiating the etched Si film with carbon ions. A method of forming a SiC film having a predetermined thickness in which a plurality of the SiC layers are stacked, by sequentially repeating a step of forming a SiC layer by converting to SiC. 請求項7に記載のSiC膜形成方法において、
繰り返し行われる前記SiC層形成工程の内の最後のSiC層形成工程の前または後に、窒素イオンおよび酸素イオンの少なくとも一方を照射する工程を設けて、SiCが窒化された層、SiCが酸化された層およびSiCが酸窒化された層のいずれか一つがSiC膜に形成されることを特徴とするSiC膜形成方法。
In the SiC film formation method of Claim 7,
Before or after the last SiC layer forming step in the repeated SiC layer forming step, a step of irradiating at least one of nitrogen ions and oxygen ions is provided, and a layer in which SiC is nitrided, SiC is oxidized Any one of the layer and the layer in which SiC is oxynitrided is formed on the SiC film.
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