JPH1053877A

JPH1053877A - 薄膜形成装置および機能性単一薄膜

Info

Publication number: JPH1053877A
Application number: JP28389896A
Authority: JP
Inventors: Takekazu Sugimoto; 武和杉本; Masayasu Suzuki; 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】５０ｎｍ〜１ｎｍの薄い膜厚で目的とする膜
特性を備えた薄膜を形成することができる薄膜形成装置
および薄い膜厚で目的とする膜特性を備えた薄膜を提供
する。【解決手段】薄膜形成装置１は、磁場内にマイクロ波
電力を供給して電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生
するＥＣＲプラズマ発生部３と、試料２にバイアス電圧
Ｖｂを印加するバイアス電源部４と、反応室５内に反応
ガスを導入する反応ガス導入部６と、成膜条件を制御す
る制御部７とを備え、制御部７によって、単一層を形成
する一成膜工程中においてマイクロ波電力，バイアス電
圧，反応ガスのガス種，反応ガスの導入量，導入比率，
反応室内の圧力等の成膜条件の少なくとも一つを変更し
て、単一層内の厚さ方向の特性が異なる薄膜を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜形成装置およ
び薄膜に関し、特に、磁気記録装置の磁気媒体や磁気ヘ
ッドに適用する保護膜を形成する薄膜形成装置および保
護膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気記録装置において、基板上に形成し
た磁気記録用の磁性体層への書込みや読み出しは、磁性
体層に対して磁気ヘッドを微小間隔をあけて配置し相対
的に移動させて行っており、磁性体層が形成される磁気
媒体や磁気ヘッドの表面には、外部環境から内部を保護
するための保護膜が形成されている。この保護膜には耐
磨耗性，低摩擦性，耐電圧性，耐蝕性，および密着性等
の諸特性が要求されている。

【０００３】従来、これら磁気媒体や磁気ヘッドの表面
への保護膜の形成においては、半導体製造技術で使用さ
れている絶縁膜や保護膜の成膜技術を転用し、要求され
る保護膜の種々の特性が得られるような単一層の均一特
性の薄膜を形成したり、あるいは、単一層の薄膜では要
求される特性が得られない場合には、特性を異ならせた
均一特性の単層薄膜を複数重ね合わせた複合膜によって
形成している。図６は単一膜による薄膜の概略および硬
度特性を示す図であり、図７は複合膜による薄膜の概略
および硬度特性を示す図である。単一膜では、図６に示
すように均一特性の薄膜を一工程で成膜し、また、複合
膜は、図７に示すように異なる第１工程および第２工程
で特性を異ならせた均一特性の２つの単一層膜を形成
し、これらを組み合わせて形成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】磁気記録装置に用いる
磁性媒体や磁気ヘッドに適用する保護膜は、小型化、高
速応答化、大容量化等の性能要求に伴って、さらに薄い
膜厚が要求されており、さらに耐磨耗性，低摩擦性，耐
電圧性，耐蝕性，および密着性等の諸特性の向上が要求
されている。

【０００５】しかしながら、保護膜の膜厚を薄くしかつ
要求される特性の薄膜を形成する場合に、従来の均一特
性の単一膜では要求される全ての特性を満たすことは困
難であるため、最も必要とされる特性を持つ薄膜を形成
し、その他の特性は犠牲とせざるを得ないという問題点
がある。また、単一膜に代えていくつかの複合膜によっ
て要求される諸特性を満足させる場合には、膜厚が厚く
なり薄膜化に対応できないという問題点がある。

【０００６】また、スパッタリング法によって成膜した
保護膜は、膜厚が１０ｎｍ程度以下になると耐磨耗性や
耐電圧や耐腐食性等の膜特性が低下し、保護膜としての
機能を充分に発揮することができないという問題点もあ
る。

【０００７】そこで、本発明は前記した従来の薄膜形成
装置の問題点を解決し、薄い膜厚で目的とする膜特性を
備えた薄膜を形成することができるＥＣＲ−ＣＶＤ薄膜
形成装置および薄い膜厚で目的とする膜特性を備えた薄
膜を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本出願の第１の発明は、
磁場内にマイクロ波電力を供給して電子サイクロトロン
共鳴プラズマを発生するＥＣＲプラズマ発生部と、試料
にバイアス電圧を印加するバイアス電源部と、反応室内
に反応ガスを導入する反応ガス導入部と、成膜条件を制
御する制御部とを備えた薄膜形成装置であって、制御部
によって、単一層を形成する一成膜工程中において成膜
条件の少なくとも一つを変更することによって、目的を
達成するものである。

【０００９】一般に、ＥＣＲ−ＣＶＤ法による薄膜形成
では、薄膜の特性はマイクロ波電力，バイアス電圧，反
応ガスのガス種，反応室内の圧力等の成膜条件に影響を
受ける。本発明の薄膜形成装置はＥＣＲ−ＣＶＤ法によ
る薄膜形成であり、上記形成上の特性を利用して成膜条
件をパラメータとして変更することによって、単一層を
形成する一成膜工程中において薄膜の特性を制御し、単
一層内の厚さ方向の特性が異なる薄膜を形成する。これ
によって、５０ｎｍ〜１ｎｍの膜厚で、かつ目的とする
膜特性を備えた薄膜を形成することができる。

【００１０】本出願の第１の発明の第１の実施態様は、
単一層を形成する一成膜工程中において、マイクロ波電
力，バイアス電圧，反応ガスのガス種，反応ガスの導入
量，導入比率，および反応室内の圧力の少なくともいず
れか一つの成膜条件をパラメータとして変更するもので
あり、単一のパラメータのみあるいは複数のパラメータ
を相互に関連付けて変更することができる。これによっ
て、目的とする薄膜の特性を得ることができる。

【００１１】また、本出願の第１の発明の第２の実施態
様は、パラメータの変更形態を連続的変更あるい段階的
変更とすることができ、これによって、単一層の厚さ方
向に連続的な特性変化あるいは段階的な特性変化を形成
することができる。

【００１２】本出願の第２の発明は、単一層からなる単
一薄膜であって、薄膜特性を薄膜の厚さ方向で異ならせ
るものであり、これによって、５０ｎｍ〜１ｎｍの薄い
膜厚で、かつ目的とする機能を有する膜特性を備えた機
能性膜を得ることができる。

【００１３】本出願の第２の発明の第１の実施態様は、
硬度，耐電性，密度の少なくとも一つの特性が単一層中
の薄膜の厚さ方向で異なるものであり、また、本出願の
第２の発明の第２の実施態様は、単一層中の薄膜の厚さ
方向で硬度が順に高い薄膜であって、硬度の低い側を薄
膜を形成する基体側とするものであり、これによって、
薄膜内の内部応力を減少することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態の構
成例について、図１の本発明の薄膜形成装置の一実施形
態を説明する概略ブロック図を用いて説明する。図１に
おいて、薄膜形成装置１は、配置された試料２に薄膜を
形成する反応室５、反応室５にプラズマ流を導入するＥ
ＣＲプラズマ発生部３、試料２にバイアス電圧Ｖｂを印
加するバイアス電源部４、反応室５内に反応ガスを導入
する反応ガス導入部６、および成膜条件を制御する制御
部７等を備えている。

【００１５】ＥＣＲプラズマ発生部３は、磁場内にマイ
クロ波電力を供給して電子サイクロトロン共鳴プラズマ
を発生して反応室５内にプラズマ流を導入する機構であ
り、マイクロ波源３１から発生した２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波を導波管３２を通して導入してマイクロ波放電
を発生させ、コイル３４，３５による磁場によってＥＣ
Ｒ条件の磁束密度８７５Ｇを形成して電子サイクロトロ
ン共鳴を発生させ、活性なＥＣＲプラズマを発生させ
る。プラズマ室３３内で発生したＥＣＲプラズマは、プ
ラズマ窓３６から発散磁界に沿って反応室５内の試料２
側に移動する。なお、制御部７は、マイクロ波源３１の
マイクロ波電力，反応ガスのガス種および導入量，導入
比率，コイル３５への供給電流，反応室５の圧力，およ
びバイアス電源部４の調整によるバイアス電力の制御を
行うことができる。

【００１６】バイアス電源部４は、１３．５６ＭＨｚの
高周波電源４１をマッチングユニット４２を介して反応
室５内の試料保持機構に導き、反応室５内に配置された
試料２に高周波電力，直流パルス電力又は直流電力を供
給することによりバイアス電圧Ｖｂを印加する。なお、
バイアス電圧Ｖｂは負電圧である。試料２に印加される
バイアス電圧の電圧モニタ４３によって測定することが
できる。

【００１７】反応室５では、ＥＣＲによる高密度プラズ
マ内でイオン化された反応ガスと、上記負バイアス電圧
により試料へ成膜を行う。そのため、反応室５には反応
ガス導入部６を接続してエチレン（Ｃ₂Ｈ₄），メタン
（ＣＨ₄），プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）等の反応ガスを導入
し、排気ポンプ５２によって反応室内の排気を行う。反
応室５内の圧力は圧力計５１によって測定することがで
きる。なお、制御部７は、反応ガス導入部６，排気ポン
プ５２を制御して、導入ガスのガス種，導入量，導入比
率，導入時期の調整，さらに反応室５内の圧力の制御を
行うことができる。

【００１８】制御部７は電圧モニタ４３から得られるバ
イアス電圧Ｖｂや圧力計５１から得られる反応室５内の
圧力等の成膜条件をモニタし、高周波電源４１，反応ガ
ス導入部６，排気ポンプ５２，マイクロ波源３１等を成
膜処理の一工程内での制御を行う機能を備えている。こ
の制御部７の成膜条件を変更する機能によって、試料２
に対して単一層の成膜中に成膜条件を変更する成膜処理
を行い、単一層からなる薄膜であって、薄膜特性を薄膜
の厚さ方向で連続的にあるいは段階的に異ならせた機能
性単一薄膜を形成することができる。

【００１９】次に、成膜工程中に成膜条件を変更するこ
とよって、薄膜の特性が変化することを示す。以下、図
２に成膜条件としてバイアス電圧Ｖｂの場合を示し、図
３にマイクロ波電力の場合を示し、それぞれ薄膜特性と
してヌープ硬度で表した硬度および水素含有量について
示す。

【００２０】図２はバイアス電圧Ｖｂの成膜条件を変化
させた場合であり、バイアス電圧Ｖｂが高いほど硬度は
大きく、水素含有量は減少する傾向がある。また、図３
はマイクロ波電力の成膜条件を変化させた場合であり、
マイクロ波電力が大きいほど硬度は大きく、水素含有量
は僅か増加した後減少する傾向がある。

【００２１】本発明の薄膜形成装置は、上記したような
成膜条件変化による膜特性の変化を利用して、所望の膜
特性を備えた単一層の薄膜を形成する。以下、図４の薄
膜形成工程を説明する図，および図５の成膜処理の一工
程内で成膜条件の制御例を説明する図を用いて、本発明
の薄膜形成装置の動作および機能性単一薄膜の特性につ
いて説明する。

【００２２】図４（ａ）は本発明の薄膜形成工程を示
し、図４（ｂ）は従来の薄膜形成工程を示している。な
お、図４（ｂ）は２つの単一層による複合膜の場合を示
している。従来、特性を異ならせた均一特性の単層の薄
膜を複数重ね合わせて複合膜を形成する場合には、図４
（ｂ）に示すように、第１工程および第２工程の２つの
不連続した工程でそれぞれ均一の単一層を形成してい
る。各工程では、バイアス電圧Ｖｂやマイクロ波電力や
ガス種，圧力等の成膜条件を設定した後、工程内ではこ
の成膜条件が一定となる制御によって均一特性の薄膜を
形成している。

【００２３】これに対して、本発明の薄膜形成工程で
は、単一工程内において、バイアス電圧Ｖｂやマイクロ
波電力やガス種，圧力等の成膜条件を変更させながら連
続した工程中に成膜を行う。

【００２４】図５は成膜条件がバイアス電圧Ｖｂとマイ
クロ波電力の２つの場合について、成膜条件を変更させ
ながら薄膜を形成する制御例と、成膜された薄膜の特性
例を示しており、薄膜は、図５（ａ）に示すように薄膜
形成の基体となる基板側から順に厚さ方向に成膜が行わ
れる。なお、図５では薄膜の特性としてヌープ硬度で示
した硬度を表している。

【００２５】図５は、基板と薄膜との接合部分での硬度
が小さく、薄膜の表面付近の硬度が大きな薄膜を形成す
る場合の制御例を示しており、バイアス電圧Ｖｂとマイ
クロ波電力の２つの成膜条件の内、マイクロ波電力を一
定としバイアス電圧Ｖｂを一成膜工程中で変更する制御
を図５（ｃ）に示し、バイアス電圧Ｖｂを一定としマイ
クロ波電力を一成膜工程中で変更する制御を図５（ｄ）
に示している。

【００２６】図５（ｃ）の制御例では、マイクロ波電力
を一定に保ち、バイアス電圧Ｖｂを薄膜を形成する初期
段階では例えば２００Ｖ程度の電圧とし、徐々に連続的
にバイアス電圧Ｖｂを高めて、最終的に薄膜が必要とす
る硬度が得られる電圧（例えばヌープ硬度３５００ｋｇ
ｆ／ｍｍ²に対して５００Ｖ）を印加する制御を行う。
また、図５（ｄ）の制御例では、バイアス電圧Ｖｂを一
定に保ち、マイクロ波電力を薄膜を形成する初期段階で
は例えば１５０Ｗ程度の電力とし、徐々に連続的にマイ
クロ波電力大きくして、最終的に薄膜が必要とする硬度
が得られる電力（例えばヌープ硬度３５００ｋｇｆ／ｍ
ｍ²に対して７００Ｗ）を印加する制御を行う。これに
よって図５（ｂ）に示す硬度特性を実現する。なお、図
中のバイアス電圧Ｖｂは負電圧である。

【００２７】前記実施の形態において、反応ガスとして
エチレン（Ｃ₂ Ｈ₄ ），メタン（ＣＨ₄ ），プロパン
（Ｃ₃ Ｈ₈ ）を使用することによって、基板上にダイア
モンドライクカーボンの薄膜を形成することができる。

【００２８】上記制御は、成膜工程中に、電圧モニタ４
３により測定したバイアス電圧Ｖｂや圧力計５１で測定
した反応室５内の圧力等を制御部７にフィードバック
し、高周波電源４１を制御してバイアス電圧Ｖｂを変更
したり、排気ポンプ５２の排気量や反応ガス導入部６の
導入ガス量の制御によって圧力を変更したり、マイクロ
波源３１を制御してマイクロ波電力を変更したり、反応
ガス導入部６の切り換え弁（図示しない）等を制御して
導入ガスのガス種，あるいは複数ガスの導入比率を変更
したりすることによって、成膜条件を変更することがで
きる。

【００２９】この実施の形態によれば、基板と薄膜との
接合部分での硬度を小さく、薄膜の表面付近の硬度を大
きくすることができるため、薄膜内に生じる応力を減少
させ、薄膜と基板との接合を良好なものとし、かつ表面
硬度を所定のものとすることができる。

【００３０】また、前記例では、１つの成膜条件のみを
変更した例を示しているが、複数の成膜条件を関連付け
て変更して制御を行うこともできる。また、成膜条件を
連続的に変更する制御に代えて、段階的に変更する制御
を行うこともできる。図５（ｅ）は、成膜条件を段階的
に変更した場合の、薄膜の厚さ方向の硬度変化を示して
いる。

【００３１】なお、前記例では、変更する成膜条件とし
てバイアス電圧Ｖｂおよびマイクロ波電力について示し
たが、反応ガスのガス種，反応室内の圧力等のその他の
成膜条件を制御パラメータとして成膜制御を行うことが
できる。また、複数の成膜条件の内で１つのみによる制
御、あるいは複数の成膜条件の組み合わせによる制御を
行うこともできる。

【００３２】本発明の実施の形態によれば、連続した一
成膜工程によって単一層の薄膜を形成するため、複合膜
を形成する場合に比べて膜厚を薄くすることができ、し
かも、複合膜間の各界面に生ずる不連続域がない。ま
た、薄膜の厚さ方向に異なる特性とすることができるた
め、薄膜形成の生長界面の特性と薄膜の最表面の特性の
各々に要求される所望の機能を発揮することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
５０ｎｍ〜１ｎｍの薄い膜厚で目的とする膜特性を備え
た薄膜を形成することができる薄膜形成装置を提供する
ことができ、また、薄い膜厚で目的とする膜特性を備え
た薄膜を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜形成装置の一実施形態を説明する
概略ブロック図である。

【図２】成膜条件と薄膜の特性との関係を説明するため
の図である。

【図３】薄膜形成工程を説明する図である。

【図４】薄膜形成工程を説明する図である。

【図５】成膜処理の一工程内で成膜条件の制御例を説明
する図である。

【図６】従来の単一膜による薄膜の概略および硬度特性
を示す図である。

【図７】従来の複合膜による薄膜の概略および硬度特性
を示す図である。

【符号の説明】

１…薄膜形成装置、２…試料、３…ＥＣＲプラズマ発生
部、４…バイアス電源部、５…反応室、６…反応ガス導
入部、７…制御部、３１…マイクロ波源、３３…プラズ
マ室、４１…高周波電源、４３…電圧モニタ、５１…圧
力計。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場内にマイクロ波電力を供給して電子
サイクロトロン共鳴プラズマを発生するＥＣＲプラズマ
発生部と、試料にバイアス電圧を印加するバイアス電源
部と、反応室内に反応ガスを導入する反応ガス導入部
と、成膜条件を制御する制御部とを備え、前記制御部
は、単一層を形成する一成膜工程中において成膜条件の
少なくとも一つを変更することを特徴とする薄膜形成装
置。
【請求項２】単一層からなる薄膜であって、薄膜特性
が薄膜の厚さ方向で異なることを特徴とする機能性単一
薄膜。