JPH035644B2

JPH035644B2 -

Info

Publication number: JPH035644B2
Application number: JP58133031A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Naoe; Shozo Ishibashi
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1983-07-20
Filing date: 1983-07-20
Publication date: 1991-01-28
Also published as: JPS6025211A

Description

【発明の詳細な説明】１産業上の利用分野本発明は窒化鉄膜の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、磁気デイスク等の磁気記録
媒体は、ビデオ、オーデイオ、デイジタル等の各
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、最近になつて提案されている（例えば、
「日経エレクトロニクス」1978年８月７日号No.
192）。この記録方式によれば、記録波長が短くな
るに伴つて媒体内の残留磁化に作用する反磁界が
減少するので、高密度化にとつて好ましい特性を
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、記録再生ヘツド材として窒化鉄（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＋N₂ガス雰囲気
中でFeターゲツトをスパツタする方法、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、
磁性膜（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、スパツタ法に基いて特性良好
な窒化鉄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、鉄からなる複数のターゲツト
をプラズマ発生用真空槽内において互いに対向せ
しめ、これらの対向ターゲツト間に窒素含有ガス
を供給し、前記ターゲツトをスパツタするプラズ
マを発生させ、このプラズマによつて発生した窒
化鉄イオンを加速電界で加速た後に制御電界でエ
ネルギー制御して前記プラズマ発生用真空槽より
外部へ導出し、この導出された窒化鉄イオンを前
記プラズマ発生用真空槽の外部に配された基体に
導く窒化鉄膜の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、FexN膜を形成するのに使
用する本実施例によるイオンビーム発生装置及び
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、対向ターゲツ
トスパツタ部Ａと、このスパツタ部からイオン化
粒子を導出するイオンビーム導出部Ｂとからなつ
ている。

スパツタ部Ａにおいて、１は真空槽、２は真空
槽１内に所定のガス（Ar＋N₂）を導入してガス
圧力を10^-3〜10^-4Torr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
ーゲツト電極は、ターゲツトホルダー４により
Fe製の一対のターゲツトT₁，T₂を互いに隔てて
平行に対向配置した対向ターゲツト電極として構
成されている。これらのターゲツト間には、外部
の磁界発生手段（マグネツトコイル）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ツタ装置において、
平行に対向し合つた両ターゲツトT₁，T₂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（即ち、第２図に明示する如く、ターゲ
ツトT₁−T₂間に発生したプラズマ雰囲気７と各
ターゲツトT₁及びT₂との間の領域８，９）での
電界で加速されたスパツタガスイオンのターゲツ
ト表面に対する衝撃で放出されたγ電子をターゲ
ツト間の空間にとじ込め、対向した他方のターゲ
ツト方向へ移動させる。他方のターゲツト表面へ
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電子はターゲツトT₁−T₂
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ツトからのγ電子
の放出と雰囲気ガスのイオン化を促進させる。従
つて、ターゲツトT₁−T₂間の空間には高密度の
プラズマが形成され、これに伴つてターゲツト物
質が充分にスパツタされることになる。

この対向ターゲツトスパツタ装置は、他の飛翔
手段に比べて、高速スパツタ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、スパツ
タ部Ａにおいてターゲツトから叩き出されたFe
と反応ガス（N₂）とが反応してイオン化された
粒子、即ちFexN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は、ターゲツトT₂Bの外側近傍
に配されたスクリーングリツトＧを有し、これら
のターゲツトT₂及びグリツト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図に夫々明示した。各小孔１１，１２は
例えば２mmφであつて５mmの間隔を置いて形成さ
れ、グリツトＧの厚みは１mmであつてもよい。

第５図は、上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、両ターゲツトT₁，T₂に負
電圧Vtを与え、かつグリツト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
接地している。第６図は各部のポテンシヤル分布
を示し、Vpは０〜200Vに、Vtは500〜1000V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
パツタ部Ａ（真空度10^-3〜10^-4Torr）において発
生したプラズマ中のイオンは下部ターゲツトT₂
の陰極降下部９（第２図参照）で加速電極１３に
よつて加速された後、ターゲツトT₂−グリツト
Ｇ間の電界によつて減速されながら上記小孔１
１，１２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つて導出される。
導出されたイオンビーム１０は、導出部Ｂ（真空
度10^-5Torr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
ネルギーを以つて基板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、グリツトＧの作用で効率良くイオンビーム
１０を引出し、基板Ｓ上へ導びくことがきる。ま
た、基板Ｓのある側は10^-5Torr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す側に配れたターゲ
ツトT₂の小孔１１，１２は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ツタ部
Ａと導出部Ｂとのガス圧差によつて基板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、或いはターゲツトT₂及びグリツトＧの強度
面でも望ましくなく、しかもターゲツト面積が減
少してスパツ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よつて、例えば第
７図に示す如く、基板Ｓ上に厚さ例えば2000Åの
FexN磁性膜１４を有する磁気テープ、磁気デイ
スク等の磁気記録媒体を作成するとができる。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
つている。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１
６に対向して主磁極１７として、そのガラス基板
Ｓ上に上記のFexN磁化膜１４を堆積させたもの
を使用することもできる（図中、１８はは磁化膜
保持用としてのガラス板）。或には、第８図以外
にも、通常の磁気ヘツド、薄膜ヘツドにも上記磁
化膜１４を形成することもできる。

次に、上記磁化膜（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＝５×10^-4Torr、Vp
＝20V（一定）の条件で作製した膜の結晶構造
と、P_N2、Tsの関係を示す（但し、基板は
（111）Si基板）。Ts＝200℃の場合、形成され
る結晶相はP_N2の上昇とともに、α−Feとγ′−
Fe₄Nの混相→γ′−Fe₄N単相→ε−Fe₃Nとζ
−Fe₂Nの混相→ζ−Fe₂Nと変化し、膜の窒化
が高まつていく。また、α−Fe、γ′−Fe₄Nの
混相膜には、面間隔1.9〜2.0Å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P_N2側に移
動する。Tsが200℃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℃、P_N2≦４×10^-5Torr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
ち、ε相及びζ相はランダムな結晶方位を示し
たが、bcc構造のα−Fe相は＜110＞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、堆積粒子のみを用い
る通常のスパツタ法で作製されるα−Fe、
γ′−Fe₄N膜は、雰囲気圧力の低下とともに
各々（110）、（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ヨン法では堆積
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
によつ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＝５×10^-4Torr、R_N2＝1.5×
10^-5Torr、Ts＝150℃一定の条件で作製した膜
のＸ線回折図形のVpによる変化を調べた。Vp
＝0V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′−Fe₄N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
＝０〜40Vの範囲では、Vpの上昇につれて
γ′−Fe₄N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γ′−Fe₄N相の配向性はランダムで、前
述のVp＝20V、Ts＝200℃で堆積した膜中の
γ′相が（200）配向を示したのと異なつていた。
Vp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−窒素間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（4πMs）は、磁気天秤によつ
て測定した。第１１図、第１２図に4πMsと各
作製条件の関係を示す。Ptotal＝５×
10^-5Torr、Vp＝20V（一定）の条件で作製した
膜の4πMsのP_N2およびTs依存性を示す。4πMs
は、膜の結晶構造がα−Fe＋γ′−Fe₄N＋U.K.
（Unk−nown）の混相の場合及びγ′相単相の領
域で、純鉄の4πMs（21.6KG）を上回る値を示
し、特に両領域の境界近傍では約25KGと非常
に高い値となつている。この高い4πMsは、
γ′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4πMsと同時に低Hcも得ら
れ、ヘツド材として好適なFexN膜となる。報
告されているγ′相の4πMsは、約24KGであり、
本発明で得られたγ′単相膜のそれも22〜24KG
でほぼ一致している。したがつて、膜の4πMs
が25KGに達するということは、U.K.相の
4πMsがγ′相よりも高いことを意味している。
高4πMs膜がα＋γ′＋U.K.とγ′単相領域との境
界近傍で得られたことから、U.K.相がFe₈Nで
ある可能性がある。Ptotal＝５×10^-4Torr、
Vp＝20Vのもとで高4πMsを持つ膜が得られる
作製条件範囲は、Ts＝250℃一定の場合、P_N2
＝1.1×10^-5〜4.0×10^-5Torr（窒素ガス混合比
P_N2／Ptotal＝2.0〜8.0％）、P_N2＝３×
10^-5Torr一定の場合、Ts＝150〜250℃であつ
た。これらを通常のRfスパツタ装置を用いて
堆積した膜で高い4πMsが得られる条件P_N2／
Ptotal＝2.7〜4.0％と比べると窒素ガス混合率
の範囲が広くなついる。高4πMsを持つFe₈N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スパツタ法の場合、窒素ガ
ス混合比の変動により、プラズマポテンシヤル
やスパツ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ヨン法
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つたものと
考えられる。

また、4πMs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
4πMs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つた。これは、Ptotalの上
昇にともなう堆積粒子のイオンの割合の減少に
よつて、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、4πMsのVpによる変化を示す。
ここでの試料は、Ptotal＝５×10^-4Torr、Ts
＝150℃およびPtotal＝１×10^-3Torr、Ts＝
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30eV（Vp＝20Vに対応）を越えると膜の
短距離秩序が急速に低下するとを示している。

第１４図は、上記FexNとしてｘ＝0.5〜0.6
の組成比のもの（アモルフアスFexN）を堆積
せしめた場合にヒステリシス曲線を示す。これ
によれば、Hc＝400〜600Oe、例えば500Oeを
示し、磁気記録媒体として好適である。（但し、
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
ある。

(a) 各膜堆積条件を独立に制御することにより、
Fe−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、γ′−Fe₄N相は、それぞ
れ（110）、（200）面が膜面平行に強く配向して
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。

(c) 膜の飽和磁化4πMsは、結晶構造α＋γ′＋U.
K.（Unknown）混相状態から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。

(d) 高い4πMsが得られる基板温度は、全圧
Ptotalの減少にともなつて低下し、Ptotalが５
×10^-5Torr以下の場合、150〜250℃となつた。
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つた。

このうち、(a)は本発明のイオンビームデポジシ
ヨン法の良好な制御性が、(d)はイオン化の効果が
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ヨン法を
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ヨ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、窒素の含有によつ
て、耐食性が充分となつており、この点でも優れ
たものである。

なお、上述した例は種々変形が可動である。

例えば、第１図において、グリツトＧを復数枚
セツトし、イオンビームの制御を種々に行なうこ
ともできる。また、下部ターゲツトT₂に小孔１
１を形成せず、両ターゲツトT₁−T₂間の側方に
上述した如きスクリーングリツトを（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のターゲツトT₃を配し、
このターゲツトT₃にイオンビーム１０を衝撃せ
しめ、叩き出された（スパツタされた）別のイオ
ン化粒子を上記FexN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、ターゲツトT₃としてパーマ
ロイ（Ni₈₀Fe₂₀）を使用すれば、基板S′上には
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、対向ターゲツト方式の
スパツ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ツ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得る
ことができる。この場合、プラズマ発生用真空槽
内でイオンを加速し、制御しているので、イオン
を効率良く同真空槽外へ導出できると共に、同真
空槽外に基体を設置しているので、基体を所望の
低温に保持して、製膜される窒化鉄膜の磁気特性
等を向上させることができる。また、得られる窒
化鉄膜は磁気特性や耐食性に優れた特性を示す。

【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つて、第
１図はイオンビーム発生装置の断面図、第２図は
対向ターゲツトスパツタの原理図、第３図はイオ
ンビーム導出側のターゲツト及びグリツトの平面
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図は各部ポ
テンシヤル分布図、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……マグネツトコイル、１０……イオ
ンビーム、１１，１２……小孔、１３……陽極
（加速電極）、１４……磁性（化）膜、T₁，T₂…
…ターゲツト、Ｇ……スクリーングリツド、Ａ…
…スパツタ部、Ｂ……イオンビーム導出部、Ｓ…
…基板である。

Claims

【特許請求の範囲】

１鉄からなる複数のターゲツトをプラズマ発生
用真空槽内において互いに対向せしめ、これらの
対向ターゲツト間に窒素含有ガスを供給し、前記
ターゲツトをスパツタするプラズマを発生させ、
このプラズマによつて発生した窒化鉄イオンを加
速電界で加速した後に制御電界でエネルギー制御
して前記プラズマ発生用真空槽よりその外部へ導
出し、この導出された窒化鉄イオンを前記プラズ
マ発生用真空槽の外部に配された基体に導く窒化
鉄膜の形成方法。