JP4282878B2

JP4282878B2 - 薄膜の密度測定方法

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Publication number: JP4282878B2
Application number: JP2000223262A
Authority: JP
Inventors: 康博北出
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2002039969A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜の密度測定方法に関するものであり、特に、磁気ディスク装置を構成する磁気ヘッド及び磁気記録媒体に一般的に用いられている薄膜の密度等の膜質を精度良く管理するための手法に特徴のある薄膜の密度測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータのメモリ装置であるハードディスクの主要部分を構成するＭＲヘッドに所謂スピンバルブ構造と呼ばれる異種金属層を複数層積層させた多層薄膜が用いられ、また、磁気記録媒体には、最近の高記録密度を反映した多層薄膜構造が用いられるようになっている。
【０００３】
これらの多層薄膜構造を用いた磁気ヘッド及び磁気記録媒体の特性は、膜構造が複雑になればなるほど、膜厚以外の要因である膜質、例えば、薄膜中の不純物ガスや空孔の影響を受けやすくなる。
【０００４】
また、高記録密度化に伴い、磁気ヘッドと磁気記録媒体との間の磁気スペーシングの短縮化が図られており、この磁気スペーシングには、磁気記録媒体と磁気ヘッドの双方の表面に設けられたＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）からなる保護膜の厚さが直接関係してくる。
【０００５】
現在、この様な保護膜の厚さは、４ｎｍから１ｎｍ程度へと薄膜化が進行しているが、ＤＬＣ膜は薄いほど、摩擦による膜の耐久性が低くなるため、成膜方法や成膜条件によりＤＬＣ膜の膜質、特に、膜硬度を向上させることが各所で行われている。
【０００６】
従来、薄膜の密度の測定方法として、薄膜は、金属元素からなる多層膜試料でエピタキシャル膜である場合、各層の密度はＸ線回折で測定した結晶の格子定数から求めていた。
【０００７】
また、ＤＬＣ膜やアモルファス膜の場合、結晶質ではないため、Ｘ線反射率測定を行い、フィッティング解析により密度を求める方法が知られている（必要ならば、特願平１０−２０２５９２号参照）。
【０００８】
このＸ線反射率法は、反射Ｘ線強度プロファイルの多層薄膜試料へのＸ線入射角依存性を、シミュレーション結果と合わせることによって物性を評価する手法であり、例えば、薄膜／薄膜界面の平坦な試料については、反射Ｘ線強度は理論的には試料へのＸ線入射角θの４乗に逆比例して減衰し、薄膜／薄膜界面が平坦でない場合にはさらに急激に減衰する。
【０００９】
そこで、この入射角θ依存性の効果を相殺するために、最小二乗法を用いてベースラインを決定し、測定データに含まれる振動成分のみを抽出する。
次いで、解析モデルにおけるパラメータとなる各膜の膜厚、密度、及び、界面ラフネスを値を適当に変えながらシミュレートした結果と、測定データに含まれる振動成分とを対比させ、所定の誤差に収まるように最小二乗法フィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することによって、各層の膜厚、密度等を決定するものである。
【００１０】
また、薄膜試料の膜厚が既知であれば、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）法との併用によって、薄膜の密度を求める方法も知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のＸ線回折法では、結晶化した部分の密度を見ているのであって、不純物や空孔による密度変化を検出することは困難であり、特に、ＤＬＣ膜等の結晶質ではない薄膜の密度を測定することができないという問題がある。
【００１２】
また、Ｘ線反射率測定法の場合には、ＤＬＣ膜等の膜厚は精度良く測定することができるものの、密度については元々測定精度が低いという問題があり、特に、膜質の微妙な変化による密度の変化を察知することは困難であるという問題がある。
【００１３】
さらに、ＲＢＳ法の場合には、測定に加速器を使用するため、測定装置系が非常に大型化するとともに、装置の準備と維持のコストが高く、日常的な薄膜の密度測定に用いるにはコスト的に困難であるという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明は、簡単な測定法を組み合わせることによって、成膜方法や成膜条件を変化させた試料の膜密度を簡便に且つ精度良く測定することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の手順を示す原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上述の目的を達成するために、本発明においては、基板上に均一な成膜条件で膜厚が異なり、非晶質である薄膜を成膜した複数の薄膜試料を用い、Ｘ線反射率法によって各薄膜の膜厚を測定するとともに、蛍光Ｘ線測定法によって薄膜の構成元素量を測定し、両者の測定値の相関関係の勾配から薄膜の密度を求めることを特徴とする。
【００１６】
一般に、蛍光Ｘ線強度は、
蛍光Ｘ線強度∝薄膜の構成元素量＝付着量＝密度×膜厚
の関係で表されると考えられるので、
密度∝蛍光Ｘ線強度／膜厚＝勾配
となり、したがって、Ｘ線反射率法によって膜厚を精度良く測定し、且つ、蛍光Ｘ線測定法によって薄膜の構成元素量を精度良く測定することによって、測定値の相関関係の勾配から薄膜の密度を簡便な方法によって精度良く求めることができる。
【００１７】
また、この様に求めた密度は、相対密度であるので、密度の絶対値が既知の薄膜試料を用いて同じ条件で測定した結果と比較して、勾配から求めた相対密度を較正すれば良い。
【００１８】
また、本発明は、薄膜に含まれる薄膜を成膜する際に用いた雰囲気ガスの含有量を蛍光Ｘ線測定法によって測定することによって、薄膜の密度を較正することを特徴とする。
【００１９】
蛍光Ｘ線測定法によって薄膜を構成する元素のみを測定した場合には、成膜雰囲気等に含まれるガス元素が混入した場合の薄膜の密度を正確に測定することができないので、薄膜に含まれる薄膜を成膜する際に用いた雰囲気ガスの含有量を蛍光Ｘ線測定法によって測定することによって、薄膜の密度をより精度良く測定することが可能になる。
【００２０】
また、本発明は、上記の薄膜の密度測定方法を用いて薄膜磁気ヘッド或いは磁気記録媒体の表面を保護する保護膜の密度を測定することを特徴とする。
【００２１】
この様に、精密に密度制御した膜を用いることによって、保護膜等をより密度の高い、即ち、硬度の高い膜によって構成することができ、したがって、より薄い膜の使用が可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施の形態の薄膜の密度測定方法を説明する。
ここでは、ＩＢＤ（ＩｏｎＢｅａｍＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置で成膜したＤＬＣ膜と、スパッタ成膜したＤＬＣ膜の密度の違い、及び、同じＩＢＤ装置を用いて異なった成膜条件で成膜した各ＤＬＣ膜の密度差の検出方法を説明する。
【００２３】
図２（ａ）参照
図２（ａ）は、Ｘ線反射率測定法によって求めた薄膜の膜厚の例を示す図であり、被測定試料となるＳｉ基板上に堆積させたＤＬＣ膜に対し、波長が、例えば、λ＝１．６２Åの単一波長の入射Ｘ線を照射してθ−２θスキャンによるＸ線反射率を測定したものである。
【００２４】
図に示すように、各被測定試料について測定によって得られた振動成分の周期は被測定試料の膜厚を反映するものであり、振動成分の周期は膜厚に逆比例する関係になり、図において一番下のＤＬＣ４０Åの振動成分の周期が一番長く、逆に、一番上のＤＬＣ１１０Åの振動成分の周期が一番短くなることが理解できる。
【００２５】
このＸ線反射強度に関する測定データは、上述の様に、反射Ｘ線の強度は理論的には試料へのＸ線入射角θの４乗に逆比例して減衰するという入射角θ依存性があるので、この入射角θ依存性の効果を相殺するために、最小二乗法を用いてベースラインを決定し、測定データに含まれる振動成分のみを抽出する必要があり、この様に振動成分のみを抽出した測定データを、膜厚ｄを関数としてフーリエ変換して、フーリエ変換スペクトルを得る。
なお、実際には、Ｘ線反射率解析に対応したフーリエ変換ソフトを用いて、コンピュータに測定データ入力して、自動的に計算することになる。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１は、各成膜条件の被測定試料について、Ｘ線反射率測定法によって求めた膜厚と、Ｘ線反射率測定法データのフィッティングによって解析した密度とを纏めたものであり、密度を求めるに際しては、Ｓｉ基板の密度を２．３３ｇ／ｃｍ³と固定して求めている。
【００２８】
各被測定試料の成膜条件としては、スパッタ法、基板温度Ｔ_s＝２００℃、加速電圧Ｖ_a＝８０Ｖ，バイアス電圧Ｖ_b＝１２０Ｖの標準条件によるＩＢＤ法、基板温度Ｔ_s＝１００℃、加速電圧Ｖ_a＝８０Ｖ，バイアス電圧Ｖ_b＝１２０Ｖの条件によるＩＢＤ法、及び、基板温度Ｔ_s＝２００℃、加速電圧Ｖ_a＝６０Ｖ，バイアス電圧Ｖ_b＝０Ｖの条件によるＩＢＤ法の４つを示している。
【００２９】
表１からは、各被測定試料の密度の大小関係は、ＩＢＤ（Ｖ_a＝６０Ｖ）＜スパッタ＜ＩＢＤ（Ｔ_s＝１００℃）＜ＩＢＤ（標準条件）となった。
【００３０】
図２（ｂ）参照
図２（ｂ）は、各被測定試料について測定した蛍光Ｘ線強度を模式的に示したものであり、薄膜の膜厚が厚いほど、即ち、付着量が多いほど蛍光Ｘ線強度が大きくなることを示している。
【００３１】
即ち、
蛍光Ｘ線強度∝薄膜の構成元素量＝付着量＝密度×膜厚
の関係で表されると考えられるので、蛍光Ｘ線強度を測定することは被測定試料の（密度×膜厚）を測定したことになる。
【００３２】
再び、図１参照
図１は、各被測定試料について測定した膜厚と付着量との相関関係を概念的に示した図であり、
密度∝付着量／膜厚＝勾配
となるので、膜厚と付着量との相関関係から被測定試料の密度を求めることができる。
【００３３】
そこで、各成膜条件について、ＤＬＣ膜の膜厚の異なる複数の被測定試料を用意し、各被測定試料について、上述のＸ線反射率測定法によって膜厚を測定し、また、各被測定試料について、蛍光Ｘ線測定法によってＣ−Ｋαの強度を測定した。
【００３４】
図３参照
図３は、上記の様に測定した各被測定試料のついてＸ線強度を縦軸にし、Ｘ線反射率法によって測定した膜厚を横軸として両者の相対関係を示したものである。
図から明らかなように、各成膜条件毎に各測定点はほぼ直線上に乗るので、これらの直線の勾配を求めることによって、各成膜条件による薄膜の密度の相対値を得ることができる。
なお、図において、膜厚が０Åにおいて約０．０６ｋｃｐｓのＸ線強度となっているが、これは、測定系を構成する回折結晶に由来するＸ線であり、バックグラウンドに相当するものである。
【００３５】
図４参照
図４は、図３から求めた各被測定試料の相対密度を縦軸とし、表１に示したＸ線反射率測定データのフィッティングによって求めた密度を横軸として示した図である。
図から明らかなように、相対密度においても、Ｘ線反射率測定データのフィッティングによって求めた密度と同様に、ＩＢＤ（Ｖ_a＝６０Ｖ）＜スパッタ＜ＩＢＤ（Ｔ_s＝１００℃）＜ＩＢＤ（標準条件）の関係が得られていることが理解される。
【００３６】
但し、各データは、破線で示した原点を通る直線上に乗っていないが、これは、蛍光Ｘ線測定から求めた相対密度の精度より、Ｘ線反射率で求めた密度値の絶対精度が低いためである。
【００３７】
したがって、この様な相対密度から密度の絶対値を求めるためには、同じＤＬＣ膜で密度の絶対値が既知である膜試料について、同じ測定法によって求めた相対密度と比較して絶対値を求めれば良い。
【００３８】
例えば、単結晶のＤＬＣ、即ち、ダイヤモンドについてＸ線反射率法を用いて膜厚を測定するとともに、蛍光Ｘ線強度を測定してその勾配から相対密度ρ_rbを測定する。
ダイヤモンドの密度の絶対値ρ_abは既知であるので、被測定試料の密度の絶対値ρ_asは、その相対密度のρ_rs、の絶対値ρ_ab、相対密度ρ_rbから、
ρ_as＝ρ_ab×ρ_rs／ρ_rb
として求めることができる。
【００３９】
上記の方法によって、アモルファス等の非単結晶状態の薄膜の密度を従来のＸ線反射率法のみによって求めた密度よりも精確に求めることができるが、薄膜に不純物が含まれていた場合には、この不純物が膜の密度に反映されないので不正確な値になるという問題がある。
【００４０】
即ち、ＤＬＣ膜には、ＤＬＣ膜の成膜工程において用いる雰囲気ガスを構成する他の元素が含有されることになるが、Ｃの量だけでは、薄膜を構成する他の部分が空孔であるのか、雰囲気ガスを構成する他の元素から構成されているのかを区別することができず、薄膜の絶対密度が不正確になる。
【００４１】
そこで、ＮｉＰ基板上に成膜条件を変えて成膜した３つの試料について、他の元素の含有量を測定した。
【表２】

表２は、３つの試料について、ＸＰＳ法によって、その組成比を予め測定した結果を示すものである。
なお、試料中に含まれるＯ（酸素）は、成膜後に大気中に晒すことによって吸収されたものと考えられる。
【００４２】
図５参照
図５は、表２に示す３つの試料についてのＮ−Ｋα線（窒素原子のＫ殻のα線）の強度を測定した結果を示すものであり、Ｎ−Ｋα線の位置で試料による強度差が現れ、それ以外のＮｉ−Ｌ_x２次線ピーク（Ｎｉ−ＬαとＮｉ−Ｌβ₁の合成スペクトルの２次線）を含む他の角度領域ではほぼ形状がほぼ一致していることが理解される。
【００４３】
したがって、Ｎ−Ｋα線の強度から、Ｎ−Ｋα線のバックグラウンド値を考慮することによって、蛍光Ｘ線測定法によって非破壊でＤＬＣ膜中の窒素濃度を求めることができ、この窒素濃度による質量をＤＬＣ膜の質量に加えることによって、ＤＬＣ膜のより精確な密度を求めることができる。
【００４４】
したがって、上述の様に成膜条件による密度の変化を精確に把握することによって、磁気ヘッドの表面を覆うＤＬＣ膜及び磁気記録媒体の表面を覆うＤＬＣ膜の密度を精確に管理することができ、したがって、密度が高くなる条件でＤＬＣ膜を成膜することによって摩擦耐性をある程度保ったままで膜厚を薄くすることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は上記の実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態の説明においては、被測定試料としてＤＬＣ膜としているが、ＤＬＣ膜に限られるものではなく、各種の薄膜の密度の測定に適用されるものであり、ＭＲヘッドの上下のリードギャップ層やキャップ層に用いるＡｌ₂Ｏ₃膜の密度の測定に適用することによってピンホールのない密度の高い成膜方法を用いることによってリードギャップ層やキャップ層の薄膜化が可能になる。
【００４８】
（付記１）基板上に均一な成膜条件で膜厚が異なり、非晶質である薄膜を成膜した複数の薄膜試料を用い、Ｘ線反射率法によって前記各薄膜の膜厚を測定するとともに、蛍光Ｘ線測定法によって前記各薄膜の構成元素量を測定し、測定した膜厚と構成元素量との相関関係の勾配から薄膜の密度を求めることを特徴とする薄膜の密度測定方法。
（付記２）上記測定した薄膜の密度を、密度値が既知の試料を用いて較正することを特徴とする付記１記載の薄膜の密度測定方法。
（付記３）上記測定した薄膜の密度を、前記薄膜に含まれる該薄膜を成膜する際に用いた雰囲気ガスの含有量を蛍光Ｘ線測定法によって測定することによって、較正することを特徴とする付記１または２に記載の薄膜の密度測定方法。
（付記４）上記薄膜を成膜する際に用いた雰囲気ガスの含有量を蛍光Ｘ線測定法によって測定する際に、真空中で測定することを特徴とする付記３記載の薄膜の密度測定方法。
（付記５）付記１乃至４のいずれか１に記載の薄膜の密度測定方法によって密度を管理した保護膜を、磁気抵抗効果素子及び磁気記録媒体の表面に設けたことを特徴とする磁気ディスク装置。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｘ線反射率法によって測定した膜厚と、蛍光Ｘ線強度測定法によって求めた付着量から薄膜の密度を決定しているので、Ｘ線反射率法のみから求めた密度よりも精度良く求めることができ、特に、非晶質の薄膜の密度を簡便な方法で精度良く測定することができ、それによって、密度の高い成膜方法によって極薄膜を形成することが可能になるので、高記録密度の磁気ディスク装置等の信頼性の向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態における薄膜の膜厚及び付着量の測定方法を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における測定した薄膜の膜厚とＸ線（Ｃ−Ｋα）強度の相関関係の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における測定した薄膜の密度と、Ｘ線反射率法によって測定した薄膜の密度の相関の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態における薄膜中の雰囲気ガスの含有量の測定結果の説明図である。

Claims

基板上に均一な成膜条件で膜厚が異なり、非晶質である薄膜を成膜した複数の薄膜試料を用い、Ｘ線反射率法によって前記各薄膜の膜厚を測定するとともに、蛍光Ｘ線測定法によって前記各薄膜の構成元素量を測定し、測定した膜厚と構成元素量との相関関係の勾配から前記薄膜の密度を求めることを特徴とする薄膜の密度測定方法。
上記測定した薄膜の密度を、密度値が既知の試料を用いて較正することを特徴とする請求項１記載の薄膜の密度測定方法。
上記測定した薄膜の密度を、前記薄膜に含まれる該薄膜を成膜する際に用いた雰囲気ガスの含有量を蛍光Ｘ線測定法によって測定することによって、較正することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜の密度測定方法。