JPH03104881A - 鉄‐窒化鉄薄膜形成方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、鉄一窒化鉄薄膜形威方法に関する。

従来の技術 従来、鉄一窒化鉄磁性薄膜なる鉄系磁性膜の製法として
、イオンブレーテイング法、反応性スパッタリング法な
どがある。前者は、例えば特公昭５２−２９９７　１号
公報に示されるように、蒸発源と被蒸発物との間に高周
波電磁界を発生させ、活性或いは不活性ガス中で蒸発し
た物質をイオン化させて真空蒸着を行なうというもので
ある。後者は、例えば「日東技報ｖｏ１．２４　Ｎｌｌ
　Ａｐｒｉｌ，！９８６Ｊに示される如き反応性マグネ
トロンスパッタ蒸着として知られている。

発明が解決しようとする課題 ここに、純鉄は単体中で最も飽和磁化の値が高く、磁気
記録の高密度化を目的として鉄の薄膜化に対する研究、
開発が行われており、純鉄が耐蝕性、耐摩耗性の点で問
題があることがら、これを改善するため、鉄の窒化が行
われている。

しかし、従来の成膜方法による場合、結晶性に優れる鉄
薄膜、窒化鉄薄膜形成が困難で、良好なる磁気的特性、
さらには、軟磁特性を持ち耐蝕性に優れた薄膜を形威す
ることが困難である。

課題を解決するための手段 活性ガス又は不活性ガス、或いはこれらの混合ガスが導
入される真空槽と、前記真空槽内において蒸発物質を蒸
発させるための蒸発源と、前記真空槽内に配置されて前
記蒸発源に対向するように基板を保持する対電極と、前
記蒸発源と対電極との間に配設されて前記蒸発物質の通
過する隙間のあるグリッドと、前記真空槽内において前
記グリッドより前記蒸発源側に配設させた熱電子発生用
のフィラメントと、前記グリッドを前記フィラメントの
電位に対し正電位とする電源手段とを備え、前記真空槽
内に導入されたガスをイオン化してプラズマを発生させ
る薄膜形成装置を用い、基板上に鉄薄膜を形成した後、
窒素ガス又はアンモニアガスを単独で、若しくはこれら
の混合ガス、又はこれらのガスをアルゴンガス等の不活
性ガスで希釈化したガスを導入し、このガスをイオン化
することにより発生するプラズマにより前記鉄薄膜表面
を窒化し、鉄薄膜表面に窒化層を形成するようにした鉄
一窒化鉄薄膜形成方法において、鉄薄膜形成時には導入
ガスをアルゴン等の不活性ガスとし、真空槽内に導入す
るガスの圧力を１０″″ａ〜１０“　Ｐａの範囲とし、
グリッド印加電圧を３００Ｖ以下とし、成膜速度を０．
１〜１００人／ｓｅｅとし、前記グリッドの単位面積に
流れる電流密度を１−１０００Ａ／ｒｄとして成膜を行
ない、鉄薄膜形成後のプラズマによる窒化層形成時には
導入ガスを窒素ガス又はアンモニアガス単独或いはこれ
らのガスを不活性ガスで希釈化したガスとし、真空槽内
に導入するガスの圧力を１０一′〜１０Ｐａの範囲とし
、グリッド印加電圧を３００Ｖ以下として窒化を行うよ
うにした。

さらには、各鉄薄膜の膜厚を０．００５〜０．０５μｍ
の範囲として、鉄薄膜一窒化層の成膜を複数回繰返して
積層させるようにした。

作用 上記のように反応性を制御することにより、主要な膜特
性を左右する鉄薄膜の結晶性、膜応力を再現性よく制御
でき、良好なる特性を有する薄膜を形成できる。また、
鉄薄膜の耐蝕性、耐摩耗性を改善するための表面のプラ
ズマ窒化に際してはグリッド印加電圧を３００Ｖ以下と
して行うことにより、鉄薄膜の結晶に重大なダメージを
与えることなく、同一の真空槽内で効率よく行うことが
できる。

この結果、極めて薄い鉄薄膜であっても、その表面にダ
メージを与えることなく窒化層を形成でき、これらの鉄
薄膜一窒化層の形威を繰返して積層させることにより．
良好なる軟磁特性を有する＃膜を形成できる。

実施例 本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

本実施例は、本出願人により特開昭５９−８９７６３号
として既提案の薄膜形成装置を用い、反応性を制御しな
がら、基板へ窒化鉄薄膜を容易に成膜する方法を提供す
るものである。

ここに、本出願人既提案の薄膜形戒装置の、構或及び原
理は、次の通りである。まず、真空槽と、対電極と、グ
リッドと、熱電子発生用のフィラメントと、蒸発源とを
有する。真空槽内には、活性ガス又は不活性ガス或いは
これらの混合ガスが導入される。対電極は真空槽内に配
設されて基板を保持し、かつ、この基板を蒸発源と対向
させる。

また、蒸発源と対電極とは同電位若しくは対電極が負の
電位におかれる。グリッドは蒸発物質を通過させ得る隙
間を有するものであって、蒸発源と対電極間に配設され
、対電極及びフィラメントの電位に対して正電位におか
れる。従って、真空槽内には、グリッドから基板に向か
う電界と、グリッドから蒸発源に向かう電界とが逆向き
に形成される。

一方、熱電子発生用のフィラメントは、真空槽内のグリ
ッドより蒸発源側に配設され、このフィラメントにより
発生する熱電子は蒸発物質の一部をイオン化するのに供
される。よって、蒸発源からの蒸発物質は、その一部が
フィラメントからの電子により正イオンにイオン化され
る。このように一部イオン化された蒸発物質は、グリッ
ドを通過し、更に、イオン化されたガスにより正イオン
にイオン化を促進され、上記電界の作用により基板の方
へと加速される。

なお、フィラメントからの電子は、フィラメント温度に
対応する運動エネルギーを持ってフィラメントから放射
されるので、正電位のグリッドに直ちに吸引されずに、
これを一旦通過し、グリッドによるクーロン力により引
き戻され、更に、グリッドを通過する、というように、
グリッドを中心として振動運動を繰返し、遂にはグリッ
ドに吸収されるので基板へは達しない。よって、基板は
電子衝撃を受けないので、これによる加熱がなく基板の
温度上昇が防止できる。従って、プラスチックスのよう
な耐熱性の無い材質のものでも、基板とすることができ
るというものである。

しかして、このような薄膜形成装置を用いた実施例を図
面に基づいて説明する。まず、ベースプレートｌとベル
ジャー２とは、パッキング１５を介して一体化され真空
槽を形成している。ベースプレート１には、支持体兼用
電極３，５，７．９が貫通しているが、これら支持体兼
用電極３などの貫通部はもちろん気密状態であり、更に
これら支持体兼川電極３，５，７．９とベースプレート
ｌとは電気的に絶縁されている。また、ベースプレート
ｌの中央部に穿設された孔１ａは真空排気系（図示せず
）に連結されている。

一対の支持体兼用電極３は、その間にタングステン、モ
リブデンなどの金属をボート状（コイル状等であっても
よい）に形成してなる抵抗加熱式の蒸発源４を支持して
いる。なお、このような蒸発源に代えてビーム蒸発源な
どのような、従来の真空蒸着方式で用いられている蒸発
源を適宜使用してもよい。また、このような蒸発源４は
複数個配１１１させてもよい。

また、一対の支持体兼用電極５の間には、タングステン
などによる、熱電子発生用のフィラメント６が支持され
ている。このフィラメント６の形状は、複数本のフィラ
メントを平行に配列したり、あるいは網目状にしたりす
るなどして、蒸発源から蒸発した蒸発物質の粒子が拡が
りをカバーするように定められている。支持体兼用電極
７にはグリッド８が支持されている。このグリッド８は
蒸発物質が通過する隙間を持つように、その形状が定め
られている。例えば、本実施例では網目状とされている
。

また、支持体９には対電極１０が支持され、その下面に
は基板１１が適宜の方法で保持されている。この状態を
蒸発源４の側から見れば、基板ｌ１の背後に対電極１０
が配設されていることになる。

ここに、これらの支持体兼用電極３，５，７．９は、何
れも導電体であって電極としての役割を兼ねており、そ
れらの真空槽外へ突出した端部間は図示のように種々の
電源に接続されている。まず、一対の支持体兼用電極３
は蒸発用電源１２を介して接続されている。また、支持
体兼用？ｔｔｌ５は電源ｌ３に接続されている。更に、
図示例の場合は、支持体兼用電極７が直流電源１４の正
端子に接続され、支持体兼用電極９が接地されている。

実際には、これら電気的接続は種々のスイッチ類を含み
、これらの操作により成膜プロセスを実現するのである
が、これらスイッチ類は図中に示されていない。

このような薄膜形成装置を用いた鉄一窒化鉄薄膜の形成
について説明する。

まず、基板１ｌを図の様にセットして、蒸発物質として
純鉄を蒸発源４に保持させる。蒸発源４は例えばＥＢガ
ンであるとする。

一方、真空槽内は予め１０−゛〜１０″″”Ｐａの圧力
にされ、これに必要に応じて，窒素ガスを単独で、又は
アンモニアガスを単独で、或いはアルゴンガス等の不活
性ガスとともに１０＠〜１０−”Ｐａの圧力で導入され
る。ここでは、導入ガスを例えば窒素ガス単独とする。

このような状態において、電源装置を作動させグリッド
８に正の電位を印加する。対電極１ｏは接地され、フィ
ラメント６には電流が流れる。ここでは、例えばグリッ
ド８が網目状であり＋１００Ｖ印加されているとし、フ
ィラメント６はタングステンワイヤで４００Ｗの電力が
かかっているとする。フィラメント６は抵抗加熱により
加熱されて熱電子を放射する。真空槽内の窒素分子或い
はアルゴン分子は、フィラメント６より放出された熱電
子との衝突によってイオン化される。蒸発した鉄の粒子
は拡がりをもって、基板ｌｌ側へ向かって飛行するが、
その一部、及び前記導入ガスはフィラメント６より放出
された熱電子との衝突によってイオン化される。

このように、一部イオン化された鉄はグリッド８を通過
するが、その際、前述のように、グリッド８近傍におい
て上下に振動運動する熱電子及び前述の如くイオン化さ
れた導入ガスの衝突により、更にイオン化が促進される
。

一方、グリッド８を通過した蒸発物質中、未だイオン化
されていない部分は、更に、グリッド８と基板１１の間
において、前述の如くイオン化された導入ガスとの衝突
により正イオンにイオン化されイオン化率が高められる
。

このようにして、正イオンにイオン化された鉄は、グリ
ッド８から対？１極ｌ２に向かう電界の作用により基板
１１に向かって加速され、基板１１に高エネルギーを持
って向かう。これにより、基板１１上には純鉄による鉄
薄膜が形成されるが、イオンの作用により緻密な薄膜と
なる。この場合、グリッド印加電圧が３００Ｖ以下であ
り、鉄の結晶性に対するダメージの極めて少ない薄膜と
なる。

実際の成膜は、導入ガス圧力と基板１１に入射する鉄粒
子とイオンとの整合性をとり実施される。

良好なる薄膜が形威される条件は、 導入ガス圧力＝１０一″〜１０　　Ｐａの範囲、成膜速
度　　：０．１〜１００Ａ／Ｓｅｃ、グリッド電流密度
：　Ｉ〜１　０００Ａ／ｒｒｆである。

このような鉄薄膜形或後、導入ガスとして窒素ガス単独
又はアンモニアガス単独、或いはこれらの混合ガス、又
はこれらのガスを不活性ガスで希釈したものを真空槽内
に導入する。そして、これを上述したような熱電子の作
用によりイオン化して、基板上に衝突させることにより
、鉄薄膜表面に窒化層を形成できる。なお、この窒化に
はフィラメントからの熱電子により励起された中性の励
起種も寄与する。このようなプラズマ窒化プロセスにお
いても、グリッド電圧は３００Ｖ以下であるため、鉄薄
膜表面に重大なダメージを与えることはない。窒化層の
組成、深さはプラズマ窒化処理条件によるが、導入ガス
圧力が１０−〜１０″Ｐａの範囲であれば良好なる窒化
層を形成できる。

次いで、熱電子は最終的には、その大部分がグリッド８
に吸収され、一部の熱電子はグリッド８を通過するが、
グリッド８と基板ｌ１との間で前述した電界の作用によ
って減速されるので、仮に基板１ｌに到達しても、同基
板１ｌを加熱するには到らない。

ところで、本実施例方法によれば、膜厚０．００５〜０
．５ｐＩ１程度に極めて薄い鉄薄膜であっても、鉄の結
晶性に重大なダメージを与えることなく、その表面に窒
化層を形成できるので、鉄薄膜−窒化層形威プロセスを
複数回繰返して積層させることにより、良好なる軟磁特
性を有する薄膜を形成できる。

発明の効果 本発明は、上述したような薄膜形威方法とし、反応性を
制御するようにしたので、主要な膜特性を左右する鉄薄
膜の結晶性、膜応力を再現性よく制御でき、良好なる特
性を有する薄膜を形成でき，また、鉄薄膜の耐蝕性、耐
摩耗性を改善するための表面のプラズマ窒化に際しては
グリッド印加電圧を３００Ｖ以下として行うため、鉄薄
膜の結晶に重大なダメージを与えることなく、同一の真
空槽内で効率よく行うことができ、この結果、極めて薄
い鉄薄膜であっても、その表面にダメージを与えること
なく窒化層を形成でき、これらの鉄薄膜一窒化層の形成
を繰返して積層させるだけで、良好なる軟磁特性を有す
る＃膜を形成できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示す薄膜形戒装置の断面図で
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．活性ガス又は不活性ガス、或いはこれらの混合ガス
   が導入される真空槽と、前記真空槽内において蒸発物質
   を蒸発させるための蒸発源と、前記真空槽内に配置され
   て前記蒸発源に対向するように基板を保持する対電極と
   、前記蒸発源と対電極との間に配設されて前記蒸発物質
   の通過する隙間のあるグリッドと、前記真空槽内におい
   て前記グリッドより前記蒸発源側に配設させた熱電子発
   生用のフィラメントと、前記グリッドを前記フィラメン
   トの電位に対し正電位とする電源手段とを備え、前記真
   空槽内に導入されたガスをイオン化してプラズマを発生
   させる薄膜形成装置を用い、基板上に鉄薄膜を形成した
   後、窒素ガス又はアンモニアガスを単独で、若しくはこ
   れらの混合ガス、又はこれらのガスをアルゴンガス等の
   不活性ガスで希釈化したガスを導入し、このガスをイオ
   ン化することにより発生するプラズマにより前記鉄薄膜
   表面を窒化し、鉄薄膜表面に窒化層を形成するようにし
   た鉄−窒化鉄薄膜形成方法において、前記鉄薄膜形成時
   には導入ガスをアルゴン等の不活性ガスとし、真空槽内
   に導入するガスの圧力を１０＾−＾■〜１０＾１Ｐａの
   範囲とし、グリッド印加電圧を３００Ｖ以下とし、成膜
   速度を０．１〜１００Å／ｓｅｃとし、前記グリッドの
   単位面積に流れる電流密度を１〜１０００Ａ／ｍ＾２と
   して成膜を行ない、 鉄薄膜形成後のプラズマによる窒化層形成時には導入ガ
   スを窒素ガス又はアンモニアガス単独或いはこれらのガ
   スを不活性ガスで希釈化したガスとし、真空槽内に導入
   するガスの圧力を１０＾−＾■〜１０＾１Ｐａの範囲と
   し、グリッド印加電圧を３００Ｖ以下として窒化を行う
   ようにしたことを特徴とする鉄−窒化鉄薄膜形成方法。
2. ２．各鉄薄膜の膜厚を０．００５〜０．０５μｍの範囲
   として、鉄薄膜−窒化層の成膜を複数回繰返して積層さ
   せたことを特徴とする請求項１記載の鉄−窒化鉄薄膜形
   成方法。