(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に（１００）優先配向のスピネルフェライト薄膜を製造する方法であって、前記製造方法は、
スパッタリング法でスピネルフェライト薄膜もしくはその前駆体となる薄膜を基板上に形成するスパッタ成膜ステップと、
その基板を真空中で加熱する真空加熱ステップとを有することを特徴とするスピネルフェライト薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記スパッタ成膜ステップは、
スパッタリングカソードに印加する電圧の周波数が１〜１００ＭＨｚの高周波であり、
スパッタリングカソードに設置するターゲット材料がＭ：Ｆｅ：Ｏの比率が略ｘ：３−ｘ：４（Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｆｅのいずれか１つ、かつ、０＜ｘ＜３）で構成された複合酸化物ターゲットであり、
スパッタリングガスはアルゴンガスのみでその圧力は０．１Ｐａ以下であり、
薄膜が堆積される基板温度は室温であり、
前記ターゲットと前記基板との間の距離が１００ｍｍ以上
であることを特徴とする請求項１に記載のスピネルフェライト薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記スパッタ成膜ステップにおける基板が２００℃未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピネルフェライト薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記基板はＣｏまたはＦｅを主成分とし、アモルファス構造を有した磁性金属薄膜が表面に付着していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピネルフェライト薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記スピネルフェライト薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピネルフェライト薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンフィルタ効果素子およびそれを利用した磁気デバイスに用いるスピネルフェライト薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピネル型結晶構造を有したフェライト薄膜（以下、スピネルフェライト薄膜と言う）は、サーミスタ素子（特許文献１〜５参照）やスピンフィルタ効果素子に用いられている（特許文献６〜７参照）。
【０００３】
上述のスピネルフェライト薄膜はデバイス特性上スピネル型結晶構造を有し、さらに（１００）面に優先配向していることが好ましい。それを実現するための従来技術としては、スパッタリング法によってスピネルフェライト薄膜を基板上に成膜する際、スパッタ成膜中に微量の酸素を添加する（特許文献１〜５、８）、スパッタ成膜中の基板を２００℃以上に加熱する（特許文献１〜８）、さらに結晶化を促進するために成膜後に基板を高温で熱処理する（特許文献１〜５、８）方法が知られている。スピネルフェライトのスパッタ成膜中に酸素を添加しない場合では、成膜後の熱処理によって結晶化は促進するが（１００）優先配向しないことが知られている（特許文献２、８）。
ところでスピンフィルタ効果素子においては、スピネルフェライト薄膜は積層構造の中に配置され、その膜厚は１００ｎｍ以下であり、スピネルフェライト層の上下界面のうち少なくとも一方は磁性または非磁性の金属層と接している（特許文献６、７）。
【０００４】
図１１は特許文献６のスピンフィルタ効果素子の構成を示す断面図である。図１１記載のスピンフィルタ効果素子９０１は、高抵抗のスピネルフェライト９１２の薄膜が第１の電極である非磁性電極９１１と第２の電極である強磁性電極９１３との間に挿入された構造を有している。直流電源９１４は、第１の電極９１１と第２の電極９１３に印加され、外部磁界１５が膜面内に平行に印加されている。
【０００５】
ここで、高抵抗のスピネルフェライト９１２は、強磁性を有し、その厚さはトンネル現象が生起するように十分に薄く形成されている。直流電源９１４は、非磁性電極９１１からの電子が、スピネルフェライト１２中をトンネルして、強磁性電極１３へ流れるように、非磁性電極１１側を負とする向きに接続する。
【０００６】
図１２は、特許文献６記載のスピンフィルタ効果素子の動作を説明するためのエネルギー準位を示す模式図である。図１２において、Φ↓（下向き矢印）は、第１の電極のフェルミ準位からの高抵抗のスピネルフェライト９１２の↓（下向き矢印）スピンバンドの電位障壁高さである。また、高抵抗のスピネルフェライト９１２は、強磁性体であるため、↑（上向き矢印）スピンバンドのエネルギー準位は、Φ↓と異なるΦ↑（上向き矢印）で示す。図１２に示すように、Φ↑がΦ↓よりも小さいので、スピン電子ｅ↑のみが、Φ↑のトンネル障壁を介して強磁性電極９１３側にトンネルすることができる。
【０００７】
このように、トンネル障壁がスピンに依存することで、非磁性金属電極９１１からのトンネル電子による抵抗、または、コンダクタンスは、スピンに依存し、スピンに依存したトンネル現象を示す。すなわち、トンネル障壁はスピンフィルタとして働く。
従って、特許文献６のスピンフィルタ素子９０１では、高抵抗のスピネルフェライト９１２のエネルギー準位のスピン分裂が大きいほど、より大きなスピンフィルタ効果が得られる。また、特許文献６のスピンフィルタ素子９０１では外部磁界９１５を印加し、このスピンフィルタ効果を利用すると共に、外部磁界により第２電極の強磁性層のスピンを反転させることによって、大きなトンネル磁気抵抗効果が得られる。
【０００８】
図１１に示す特許文献６のスピンフィルタ効果素子の第２の電極９１３は、強磁性電極上に、さらに反強磁性層を積層して形成することができる。この構造では、スピンバルブ効果により強磁性電極の磁化は、反強磁性層との交換相互作用により、スピンが１方向に固定されるので、電極９１３のスピンの平行、反平行を容易に得ることができるため、特許文献６のスピンフィルタ効果素子のＴＭＲは更に大きくなる。
また、特許文献６のスピンフィルタ効果素子の第２の電極９１３の強磁性電極、または、反強磁性層の上には、さらに保護膜となる非磁性の電極層を堆積させることが好ましい。特許文献６のスピンフィルタ効果素子９０１は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いて成膜することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６０−２０８８０３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６６８０１号公報
【特許文献３】特開２０００−３４８９０５号公報
【特許文献４】特開２０００−３４８９０３号公報
【特許文献５】特開２００８−８４９９１号公報
【特許文献６】特開２００４−３９６７２号公報
【特許文献７】特開２００９−１０５４１５号公報
【特許文献８】特開平４−２６０６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の方法でスピンフィルタ素子用のスピネルフェライト薄膜を成膜すると、スパッタ成膜中にＡｒガスに添加した酸素ガスが下部の金属電極層の表面を酸化させてスピンフィルタ効率を低下させてしまうという問題があった。Ａｒガスのみでスパッタ成膜した場合には、成膜後に熱処理を行うことによって結晶化を促進するが、その場合にはスピネルフェライト薄膜が（１００）配向しないという問題があった。成膜中に基板を加熱すると下部の金属電極層とスピネルフェライト薄膜が熱拡散し、スピンフィルタ効率を低下させてしまうという問題があった。また下部の金属電極層の結晶構造がアモルファスである場合には、金属電極層が結晶化してしまうことにより、スピネルフェライト薄膜のスパッタ成膜において、スピネルフェライト薄膜が（１００）優先配向しないという問題があった。スピネルフェライト薄膜の成膜後に結晶化を促進するための熱処理を大気中で行うと、その次に成膜される層との界面が大気成分で汚染されてしまうため、スピンフィルタ効率を低下させてしまうという問題があった。
【００１１】
そこで本発明は上記事情に鑑みて、積層構造の中にスピネルフェライト薄膜を配置したスピンフィルタ効果素子において、スピネルフェライト薄膜下部の金属電極層の酸化および下部界面の熱拡散を抑制し、上部界面の大気成分による汚染を排除しつつ、（１００）優先配向したスピネルフェライト薄膜を製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に（１００）優先配向のスピネルフェライト薄膜を製造する方法であって、前記製造方法は、スパッタリング法でスピネルフェライト薄膜もしくはその前駆体となる薄膜を基板上に形成するスパッタ成膜ステップと、その基板を真空中で加熱する真空加熱ステップとを有することを特徴とするスピネルフェライト薄膜のスピネルフェライト薄膜の製造方法としたものである。
さらに、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の製造方法において、前記スパッタ成膜ステップは、スパッタリングカソードに印加する電圧の周波数が１〜１００ＭＨｚの高周波であり、スパッタリングカソードに設置するターゲット材料がＭ：Ｆｅ：Ｏの比率が略ｘ：３−ｘ：４（Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｆｅのいずれか１つ、かつ、０＜ｘ＜３）で構成された複合酸化物ターゲットであり、スパッタリングガスはアルゴンガスのみでその圧力は０．１Ｐａ以下であり、  薄膜が堆積される基板温度は室温であり、前記ターゲットと前記基板との間の距離が１００ｍｍ以上であることを特徴とするスピネルフェライト薄膜の製造方法としたものである。
さらに、請求項１又は請求項２に記載の製造方法において、前記スパッタ成膜ステップにおける基板が２００℃未満であることを特徴とするスピネルフェライト薄膜の製造方法としたものである。
さらに、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記基板はＣｏまたはＦｅを主成分とし、アモルファス構造を有した磁性金属薄膜が表面に付着していることを特徴とするスピネルフェライト薄膜の製造方法としたものである。
さらに、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法において、前記スピネルフェライト薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とするスピネルフェライト薄膜の製造方法としたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本願の請求項１の発明によれば、スパッタリング法でスピネルフェライト薄膜もしくはその前駆体となる薄膜を基板上に形成するスパッタ成膜ステップと、その基板を真空中で加熱する真空加熱ステップとを有することを特徴とする製造方法を用いることにより、大部分が第二の結晶面を基板面に対して平行となるような結晶粒を多数含むスピネルフェライト多結晶薄膜を形成することが可能となる。そのため、アモルファス構造を有した基板上に、ミラー指数（１００）の結晶面を有するスピネルフェライト多結晶薄膜が得ることが可能となる。
本願の請求項２の発明によれば、スパッタリングカソードに印加する電圧の周波数が１〜１００ＭＨｚの高周波とすることにより、絶縁性の酸化物ターゲットの場合においてもスパッタ成膜することが可能となる。
また、本願の請求項２記載の発明によれば、スパッタリングカソードに設置するターゲット材料がＭ：Ｆｅ：Ｏの比率が略ｘ：３−ｘ：４（Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｆｅのいずれか１つ、かつ、０＜ｘ＜３）である複合酸化物ターゲットとすることより、基板上にスピネルフェライト薄膜またはその前駆体となる薄膜を形成することが可能となる。
また、本願の請求項２記載の発明によれば、スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを用い、その圧力を０．１Ｐａ以下とすることより、下地層が金属薄膜である場合にその表面がスピネルフェライト薄膜の成膜中に酸化することを抑制することが可能となる。
また、本願の請求項２記載の発明によれば、薄膜が堆積される基板温度を室温とすることより、下地層がアモルファス構造を有した金属である場合に熱による結晶化を防ぐことが可能となる。
さらに、本願の請求項３記載の発明によれば、スパッタ成膜ステップにおける基板を２００℃未満とすることにより、下地層がアモルファス構造を有した金属である場合に熱による結晶化を抑制することが可能となる。
さらに、本願の請求項４記載の発明によれば、ＣｏまたはＦｅを主成分とし、アモルファス構造を有した磁性金属薄膜が表面に付着した基板を用いることにより、スピネルフェライト薄膜の（１００）優先配向を促進することが可能となる。
さらに、本願の請求項５記載の発明によれば、スピネルフェライト薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下とすることにより、スピンフィルタ効果素子として有効に動作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のスピネルフェライト薄膜に成膜に用いるスパッタリング装置の第１の例を示す平面図である。
【図２】本発明のスピネルフェライト薄膜の成膜に用いるスパッタ成膜チャンバーの第１の例の断面図である。
【図３】本発明の製造方法を用いて成膜したスピネルフェライト薄膜のＸ線回折パターンである。
【図４】本発明のスピネルフェライト薄膜の成膜に用いるスパッタリング装置の第２の例を示す平面図である。
【図５】本発明のスピネルフェライト薄膜に成膜に用いる真空加熱チャンバーの装置構成図である。
【図６】本発明の製造方法を用いて作製したスピンフィルタ効果素子の第１の膜構成図である。
【図７】本発明の製造方法を用いて作製したスピンフィルタ効果素子の第２の膜構成図である。
【図８】本発明の製造方法を用いて作製したスピンフィルタ効果素子の第３の膜構成図である。
【図９】本発明の製造方法を用いて作製したスピンフィルタ効果素子の第４の膜構成図である。
【図１０】本発明の製造方法を用いて作製したスピンフィルタ効果素子の第５の膜構成図である。
【図１１】従来（特許文献６）のスピンフィルタ効果素子の構成を示す断面図である。
【図１２】従来（特許文献６）記載のスピンフィルタ効果素子の動作を説明するためのエネルギー準位を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定
されるものではない。
【００１６】
図１と図２を参照して、本発明に係るスパッタリング装置の一実施の形態について説明する。図１は本実施形態のスパッタリング装置を模式的に示す平面図である。また、図２はスパッタ成膜チャンバーの断面図である。なお、図２は図１のスパッタ成膜チャンバーのＡＯＢ断面に相当する。
【００１７】
図１のスパッタリング装置は、基板搬送ロボット１１が設けられた搬送チャンバー１２と、搬送チャンバー１２に結合されたスパッタリング成膜チャンバー１３と、プロセスチャンバー１４と、ロードロック室１５Ａ、１５Ｂとから構成される。スパッタリング成膜チャンバー１３は２つ以上のカソード３１を備えたスパッタリング成膜室である。スパッタリング成膜チャンバー１３の２つ以上のカソード３１には、それぞれ単一の元素又は複数の元素からなる材料で形成された２つ以上のターゲットが固定されている。スパッタリング成膜チャンバー１３とプロセスチャンバー１４とロードロック室１５Ａ、１５Ｂとの間の基板２５の移動は、搬送チャンバー１２に設けられた基板搬送ロボット１１によって行われる。図１において、スパッタリング成膜チャンバー１３は１つの真空チャンバー１３Ａで構成されている。
【００１８】
上記に挙げた全てのチャンバーとロードロック室１５Ａ、１５Ｂは、各々チャンバー内を真空に排気するための真空ポンプを有していることが好ましく、ロードロック室１５Ａ、１５Ｂ以外のチャンバーは常時真空に維持されている。なお、後述する全ての実施形態において、全てのチャンバーとロードロック室が真空ポンプを有していることを前提としている。
【００１９】
ロードロック室１５Ａ、１５Ｂはプロセス前に基板２５を大気から入れる場合と、プロセス後に基板２５を大気に出す場合は大気圧と同等の圧力に維持され、ロードロック室１５Ａ、１５Ｂに配置した基板２５を真空に排気された搬送チャンバー１２内に搬入する場合と、プロセス後に基板２５を回収する場合は真空に排気されている。ロードロック室１５Ａ、１５Ｂは必ずしも２つある必要は無く１つでも良い。
【００２０】
スパッタリング成膜チャンバー１３とプロセスチャンバー１４とロードロック室１５Ａ、１５Ｂのそれぞれの室の間にはゲートバルブ１６が設けられている。各ゲートバルブ１６は基板２５を搬送する場合以外は閉じられている。基板搬送ロボット１１はロードロック室１５Ａ、１５Ｂから基板２５を取り出し、コンピュータプログラムからの命令によって所望のチャンバーに基板２５を搬入するようになっている。
【００２１】
複数のスパッタリングカソード３１を備えたスパッタリング成膜チャンバー１３は、図２に示すように真空チャンバー１３Ａの上部に複数のスパッタリングカソード３１を配置している。真空チャンバー１３Ａ内部の下方には真空チャンバー１３Ａ外部に備えられた動力源（不図示）によって回転可能な基板ステージ３３があり、少なくとも成膜時には基板ステージ３３の上に薄膜を堆積させるための基板２５を載置する。基板２５とスパッタリングターゲット３２の間にシャッターを配置しておき、電力投入をし続けたままシャッターの開閉によって膜厚を制御しても良い。多層薄膜を成膜する場合は、回転する基板ステージ３３上に基板２５を載置させたまま上記の成膜操作を順次行えば良い。なお、図１においては、スパッタリング成膜チャンバー１３には５種類のターゲット３１が設置され、その材質はＰｔＭｎ，ＣｏＦｅ，Ｒｕ、ＣｏＦｅＢである。また、ゲートバルブ１６が、Ｏリング３４を介して真空チャンバー１３Ａの側壁に設けられている。
【００２２】
尚、基板ステージ３３は、不図示の真空用回転導入機を介して不図示の回転駆動機構に接続されて、真空を維持しながらその中心軸周りに回転可能に構成されており、載置面に載置する基板２５を処理面に沿って回転するようになっている。真空用回転導入機としては磁性流体を用いるが、これに限定されるものではない。  
基板２５の材料としては、例えば、円板状のシリコンウェハを用いるが、これに限定されるものではない。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態では、不図示の上蓋に５基のスパッタリングカソード３１（３１ａ〜４０ｅ）が設けられているが、スパッタリングカソード３１の数はこれに限定されない。各スパッタリングカソード３１は、基板ステージ３３上の基板２５の処理面に対して傾斜すると共に、基板２５の中心軸から面方向へ等間隔を隔ててずらしてオフセット配置されている。具体的には、各スパッタリングカソード３１のカソード中心軸は、基板ステージ３３の回転軸とは外れて位置し、回転軸から所定の距離を隔てた同心円上に等間隔で配置されている。このように同一の真空チャンバー１３Ａ内に複数のスパッタリングカソード３１を設けることにより、一つの真空チャンバー１３Ａ内で積層膜の成膜が可能である。
【００２４】
なお、基板径やスパッタリングターゲット（以後ターゲットと記述する）径は特に限定されないが、基板２５中心とスパッタリングカソード３１中心をオフセット配置させ、本実施形態のように基板２５を回転させる場合には、ターゲット径が基板２５径より小さくても均一な成膜が可能である。
【００２５】
各スパッタリングカソード３１におけるカソードの裏面側には、複数の永久磁石（カソード側磁石）を配置したマグネトロンが備えられ、ターゲットの表面側に磁界を形成するようになっている。
【００２６】
各スパッタリングカソード３１のカソード表面側には、それぞれ板状のターゲット３２が取り付けられる。すなわち、各ターゲット３２は、スパッタリングカソード３１よりも処理空間側に設けられ、各ターゲット３２は斜め下方へ臨んで配置されている。ターゲット材料は、基板２５上に成膜する膜の種類によって異なる。なお、本実施形態では、５基のスパッタリング３１が配置されているので、例えば、材料成分の異なる５種類のターゲットが取り付けられるが、これに限定されない。
【００２７】
各スパッタリングカソード３１には、スパッタリングカソード３１に電圧を印加する不図示の放電用電源が電気的に接続されている。放電用の電源は直流電源と高周波電源を備えており、高周波電源は周波数が１〜１００ＭＨｚの高周波となる電圧を印加できるようになっている。また、複数のスパッタリングカソード３１に電圧を選択的に印加するが、各スパッタリングカソード３１に個別の放電用電源を接続してもよいし、共通電源として選択的に電力供給を行うスイッチ等の切り替え機構を備えるように構成しても構わない。
【００２８】
さらに、各スパッタリングカソード３１のケーシングには、カソード近傍に放電用の処理ガス（放電用ガス）を供給する不図示の放電用ガス導入系が接続されている。放電用ガスとしては、例えば、ＡｒやＫｒなどの不活性ガスが使用される。各カソードは基板ホルダ２１との間でプラズマ放電を発生し、各カソードユニット４０に取り付けられたターゲットをスパッタリング可能である。
【００２９】
また、各スパッタリングカソード３１の前方には、一部のスパッタリングカソード３１と基板ステージ３３との間を選択的に遮断する不図示のシャッタが設けられている。このシャッタを選択的に開放することにより複数のスパッタリングカソード３１の中から目的のターゲットを選択してスパッタリングを実行することができ、スパッタされている他のターゲットからのコンタミネーションを防止することができる。
【００３０】
図５は、真空加熱チャンバーの装置構成図である。図１におけるプロセスチャンバー１４が真空加熱チャンバーに相当するものである。  
図５において、真空チャンバー１４の上部に、ハロゲンランプ１０２からの加熱光を透過する石英窓１０３が、真空シール部材（不図示）を介して固定されている。この石英窓１０３は、ハロゲンランプ１０２から出力された加熱光を真空チャンバー１４に入射させるための入射部として機能する。真空シール部材はバイトン（登録商標）やカルレッツ（登録商標）などの耐熱性の高いものが好ましい。図５に示すように真空チャンバー１４と石英窓１０３との間に石英窓脱着用リング１０４を設けると、石英窓１０３の脱着がしやすくなる。石英窓１０３の大きさは基板２５の大きさの１．５倍以上となるようにすることが好ましい。また、大気側には加熱光を放射する放射エネルギー源としてのハロゲンランプ１０２が配置されている。すなわち、ハロゲンランプ１０２は、真空チャンバー１４の外側に、石英窓１０３に加熱光を照射するように配置される。放射エネルギー源としては、例えば赤外線といった加熱光を放射するものであればハロゲンランプに限る必要はない。ハロゲンランプ１０３からの加熱光がＯリング１０６に直接照射しないようにハロゲンランプ１０２と石英窓１０３との間にリング状の遮蔽板１０７を設けておく。遮蔽板１０７は熱伝導の良いアルミ製とし、冷却水路１０８を設けることにより、冷却水によって冷やされる構造にする。
【００３１】
ハロゲンランプ１０２下方の真空チャンバー１４内部には基板２５とほぼ同じ直径の基板ステージ３３が配置されている。また、水冷ジャケット１１０は、基板ステージ３３と接触させて配置することも可能である。基板ステージ３３は熱伝導率の高い誘電体材料を用いることが好ましく、本実施形態ではＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いている。
【００３２】
尚、図５では、冷却水路１１２には、冷却水導入口１１２ａと冷却水排出口１２ｂとが接続されており、冷却水導入口１１２ａにはポンプ（不図示）が接続されているが、かならずしも必要ない。
【００３３】
基板ステージ３３および水冷ジャケット１１０にはそれぞれ、基板２５の大きさの範囲内で外周部に少なくとも３箇所の貫通穴を空け、該貫通穴に基板２５を上下動させるためのリフトピン１１３が挿入されている。リフトピン１１３はベローズ1１１を介して大気側にある上下駆動機構1１５と接続され、該上下駆動機構１１５の駆動により上下に昇降するようになっている。上下駆動機構1１５はモーター駆動式もしくは圧縮空気によるエアシリンダー式を用いれば良い。なお、上下駆動機構1１５は、後述する制御部（図１では不図示）に接続されており、該制御部が上下駆動機構１５の駆動を制御することによりリフトピン1１３の昇降（上下）は制御される。
【００３４】
本実施形態では、少なくとも３本のリフトピン１１３がそれら先端１１３ａで基板２５の下面（処理を施す面と対向する面）を支持することにより、基板２５はリフトピン１１３に保持される。すなわち、上記リフトピン１１３の先端１１３ａにより基板２５が保持されることになるので、各リフトピン１１３の先端１１３ａがそれぞれ基板保持部として機能する。該リフトピン１１３に保持された基板２５は、制御部による上下駆動機構１１５の制御により、冷却位置Ｐ１、搬送位置Ｐ２、加熱位置Ｐ３に静止する（停止する）ことができ、また冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３との間を移動することができる。図１では、搬送位置Ｐ２および加熱位置Ｐ３に静止している状態の基板５を便宜上破線で示している。
【００３５】
なお、本明細書において、「冷却位置」とは、基板２５を冷却する際に基板２５が配置されるべき位置であり、本実施形態では、基板ステージ３３に基板２５が載置される位置を冷却位置Ｐ１としている。なお、冷却位置は、基板が基板支持台に載置される位置に限らず、冷却機能を有する基板支持台から生じる冷却効果が作用する範囲であれば、基板支持台に近接した位置であっても良い。
【００３６】
また、「加熱位置」とは、冷却位置とは別個の、基板２５を加熱する際に基板２５が配置されるべき位置であり、放射エネルギー源と冷却機能を有する基板支持台との間の位置であって、冷却位置Ｐ１よりも放射エネルギー源に近い位置に設定される。本実施形態では、加熱位置Ｐ３は、石英窓３の近傍に設定されている。
【００３７】
さらに、「搬送位置」とは、外部から搬送された基板が最初に保持される位置であって、冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３との間に設定される。本実施形態では、搬送位置Ｐ２は、基板搬送用のゲートバルブ１６の開口と対向する空間であって該開口の幅の範囲内の空間に設定されている。外部から搬送された基板２５は、搬送位置Ｐ３にてリフトピン１３の先端によって保持され、その後、リフトピン１１３の昇降により加熱位置Ｐ３あるいは冷却位置Ｐ１へと移動する。なお、搬送位置Ｐ３は、上記空間内に設定されることが好ましいが、該空間以外の位置に設定しても良い。何故ならば、図５では、真空一貫で急速加熱および急速冷却を行うことが重要であり、そのために、同一真空チャンバー内に加熱位置Ｐ３と冷却位置Ｐ１とを別個に設け、加熱処理を加熱位置Ｐ３にて行い、冷却処理を冷却位置Ｐ１にて行うことが本質である。よって、該本質要件が実現されていれば、搬送位置は、いずれであっても良いのである。なお、基板２５の温度は２００℃以上であれば良く、加熱時間は温度や対象となる薄膜の材料や膜厚によって最適値を用いれば良い。
【００３８】
図４は、本発明に係るスパッタリング装置の第２の例を示す構成図である。図４記載のスパッタリング装置は、基板搬送ロボット１１が設けられた搬送チャンバ−１２と、搬送チャンバ−１２に結合されたスパッタリング成膜チャンバ−１３と、プロセスチャンバー１４と、ロードロック室１５Ａ、１５Ｂとから構成される。スパッタリング成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）は２つ以上のカソード３１を備えたスパッタリング成膜室であり、スパッタリング成膜チャンバ−１３（真空チャンバー１３Ｂ）は１つのカソード３１を備えたスパッタリング成膜室である。スパッタリング成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）の２つ以上のカソード３１には、それぞれ単一の元素又は複数の元素からなる材料で形成された２つ以上のターゲットが固定されている。スパッタリング成膜チャンバ−１３（真空チャンバー１３Ｂ）のカソード３１には、単一の元素からなる材料で形成されたターゲットが固定されている。スパッタリング成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）とスパッタリング成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ｂ）とプロセスチャンバー１４とロードロック室１５Ａ、１５Ｂとの間の基板２５の移動は、搬送チャンバ−１２に設けられた基板搬送ロボット１１によって行われる。
【００３９】
次に、本発明の基本的な原理について説明する。
本発明者らは、基板上に（１００）優先配向のスピネルフェライト薄膜を製造する方法であって、スパッタリング法でスピネルフェライト薄膜もしくはその前駆体となる薄膜を基板上に形成するスパッタ成膜ステップと、その基板を真空中で加熱する真空加熱ステップとを有する製造方法を用いることにより、基板上に、ミラー指数（１００）の結晶面を有するスピネルフェライト多結晶薄膜が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。ここで、本明細書において、「格子定数」とは、単位格子の結晶軸としての３稜の長さと、３稜が相互になす３種類の角度を合わせた６個の定数をいう。「ミラー指数」とは、結晶面が３つの結晶軸と交わる３点の座標を各格子定数を単位として求め、それぞれの逆数に適当な数をかけて互いに素の整数（ｈ、ｋ、ｌ）として表したものをいう。
【００４０】
下記表１は、スピネルフェライト構造を有する酸化物の格子定数と陽イオン分布を示す。
【００４１】
【表１】
0005624931.tif 000002
【００４２】
図１０は、Ｓｉ基板２５面にアモルファスの酸化シリコン２０１が１００ｎｍ形成された酸化膜付きシリコン基板を用いて、図１記載のスパッタリング装置により、絶縁膜（ＭｇＯ）２０７を形成し、その後、絶縁膜（ＭｇＯ）２０７表面上に、スピネルフェライト多結晶薄膜を形成した場合を示す。スピネルフェライト構造を有する酸化物の格子定数は、絶縁膜（ＭｇＯ）２０７の格子定数（４．２１３Å）の約２倍である。そのため、格子のマッチングがよい。そのため、スパッタリング法でスピネルフェライト薄膜もしくはその前駆体となる薄膜を基板上に形成するスパッタ成膜ステップと、その基板を真空中で加熱する真空加熱ステップとからなる製造方法を用いると、ミラー指数（１００）の絶縁膜（ＭｇＯ）２０７表面上に、ミラー指数（１００）のスピネルフェライト多結晶薄膜が得られることを、発明者は見出した。
【００４３】
発明者は、スパッタリングカソードに印加する電圧の周波数が１〜１００ＭＨｚの高周波とすることにより、絶縁性の酸化物ターゲットの場合においてもスパッタ成膜することが可能となることを見出した。
発明者は、スパッタリングカソードに設置するターゲット材料がＭ：Ｆｅ：Ｏの比率が略ｘ：３−ｘ：４（Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｆｅのいずれか１つ、かつ、０＜ｘ＜３）である複合酸化物ターゲットとすることより、基板上にスピネルフェライト薄膜またはその前駆体となる薄膜を形成することが可能となることを見出した。
発明者は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスのみを用い、その圧力を０．１Ｐａ以下とすることより、下地層が金属薄膜である場合にその表面がスピネルフェライト薄膜の成膜中に酸化することを抑制することが可能となることを見出した。
発明者は、薄膜が堆積される基板温度を室温とすることより、下地層がアモルファス構造を有した金属である場合に熱による結晶化を防ぐことが可能となることを見出した。
発明者は、スパッタ成膜ステップにおける基板を２００℃未満とすることにより、下地層がアモルファス構造を有した金属である場合に熱による結晶化を抑制することが可能となることを見出した。
発明者は、ＣｏまたはＦｅを主成分とし、アモルファス構造を有した磁性金属薄膜が表面に付着した基板を用いることにより、スピネルフェライト薄膜の（１００）優先配向を促進することが可能となることを見出した。
発明者は、スピネルフェライト薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下とすることにより、スピンフィルタ効果素子として有効に動作することが可能となることを見出した。
【００４４】
次に、図１と図２を参照して、本実施形態のスパッタリング装置の作用と共に、この装置を用いて実施するスピネルフェライト薄膜の製造方法について説明する。
【００４５】
本発明に係るスパッタ成膜方法は、まず、基板ステージ３３上に処理対象である基板２５を設置する。基板２５は、例えば、隣接する搬送チャンバー１２に備えられた基板搬送ロボット１１により、ゲートバルブ１６を通じて真空チャンバー１３A内の真空度を維持したまま基板ステージ３３上に運ばれる。
【００４６】
次に、真空チャンバー１３Ａの内部に不図示の放電用ガス導入系からＡｒ等の放電用ガスを導入する。
【００４７】
５基のカソードユニット３１には、例えば、それぞれ材料成分の異なる５種類のターゲ
ット３２を取り付ける。各ターゲット３２は、例えば、円板状を呈し、全て同じサイズに形成されている。前述したように、カソードの傾斜角は本発明の適用においては特に限定されないが、基板２５の処理面の法線に対するカソード中心軸の角度θが０°を超えて４５°以下の角度を成すようにカソードユニット３１を配置することが好ましい。より好ましくは、上記角度θを５°以上３５°以下に設定すると、優れた面内均一性が得られる。
【００４８】
この状態で、まず、第１のカソードユニット３１ａのターゲット３２ａ表面に、不図示の電源から放電用電力を供給して、基板ステージ３３との間でプラズマ放電を発生させて、第１ターゲット３２をスパッタリングし、基板２５上に第１層を成膜する。
【００４９】
その後、順次電源を切り替え、第２カソードユニット４０ｂから第５カソードユニット
４０ｅについても、同様にして成膜操作を行う。
【００５０】
成膜終了後、スパッタ成膜チャンバーのゲートバルブ１６を通じて搬送チャンバー１２の基板搬送ロボット１１によって基板２５を搬出し、次いで真空加熱チャンバー１４のゲートバルブ１６を通じて真空加熱チャンバー１４内の基板ステージ３３上に基板２５を載置する。  
【実施例】
【００５１】
次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００５２】
図６記載のスピネルフェライト薄膜の成膜手順について説明する。未処理基板２５をロードロック室１５Ａから基板搬送ロボット１１を用いて、搬送チャンバー１２内の不図示の載置台に載置する。次に、基板搬送ロボット１１により、基板２５をスパッタリング成膜チャンバー１３に搬入する。
図２記載のスパッタリングターゲット３２として直径１６４ｍｍのＮｉＦｅＯの複合酸化物ターゲットを用いた。この時、Ｎｉ：Ｆｅ：Ｏの比率は、１：２：４とした。基板２５の法線に対するターゲット３２の法線の傾斜角を３０°、Ｔ(ターゲット)／Ｓ（基板）距離を２４０ｍｍ、ターゲット３２に供給する電力を直流２００Ｗ、基板２５の回転速度を１００ｒｐｍ一定とした。また、基板ステージ３３の内部に冷却水を流すことによって成膜中の基板温度を室温に維持した。導入するＡｒガス流量は２０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍの３通り実施した。この時のＡｒガス圧は、それぞれ０．０２、０．１、０．２Ｐａであった（ただし、圧力の値は真空計をとりつける位置や真空計の種類によって誤差が生じるため、実際に放電が起きている空間の圧力は上述の圧力よりも高くなっていることが予想される）。薄膜の膜厚は３０ｎｍに統一し、成膜時間によって制御した。成膜後、基板２５をスパッタリング成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）から、基板搬送ロボット１１により、真空加熱チャンバー１４に搬送する。基板加熱は、図５記載の真空加熱チャンバー１４を用いて行う。ハロゲンランプ１０２からの輻射線を照射することによって基板２５を７００℃に加熱し、１０分間の真空熱処理を行った。基板２５は表面にアモルファスの酸化シリコン２０１が１００ｎｍ形成された酸化膜付きシリコン基板を用いた上記酸化膜付きシリコン基板２０１上にＮｉＦｅ２Ｏ４のスピネルフェライト薄膜を成膜した。図３は成膜した薄膜のＸ線回折パターンである。尚、図３の（１）はＡｒガス流量２０ｓｃｃｍ（＝０．０２Ｐａ）の条件で図３の（２）はＡｒガス流量１００ｓｃｃｍ（＝０．１Ｐａ）の条件で、図３の（３）はＡｒガス流量２００ｓｃｃｍ（＝０．２Ｐａ）の条件でスピネルフェライト薄膜をそれぞれ成膜した場合を示す。いずれの条件においてもＮｉＦｅ２Ｏ４のスピネルフェライト結晶の回折パターンが得られているが、Ａｒ流量が２０ｓｃｃｍ（＝０．０２Ｐａ）の条件では、（４００）ピークが他の回折ピークと比較して著しく高く、（１００）優先配向膜が得られていることがわかった。すなわち、室温、アモルファス下地、１００ｎｍ以下の薄膜そして酸素添加を行わないというスピンフィルタ効果素子向けのスパッタ成膜条件においても、低ガス圧、ロングスロー（Ｔ／Ｓ距離が長い）での成膜を行うことにより、真空熱処理後に（１００）に優先配向したスピネルフェライト薄膜が実現できることを示している。
【実施例２】
【００５３】
図７記載のスピネルフェライト薄膜の成膜手順について説明する。実施例２においては、スパッタ成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）内にＢ濃度を１０ａｔ％以上含んだＣｏＦｅＢ合金ターゲット３２を設置し、ＮｉＦｅＯ２０２を成膜する前に、表面にアモルファスの酸化シリコン２０１が１００ｎｍ形成された酸化膜付きシリコン基板２０１上にアモルファスＣｏＦｅＢ薄膜２０３を成膜して、次いでＮｉＦｅＯ２０２を成膜しても、真空熱処理後に（１００）優先配向したスピネルフェライト薄膜が得られる。
【実施例３】
【００５４】
図７記載のスピネルフェライト薄膜の成膜手順について、図４を用いて説明する。実施例３においては、図４に記載のように、ＮｉＦｅＯのスパッタ成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）とは別に類似のスパッタ成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ｂ）を搬送チャンバー１２に追加接続し、そのチャンバー１３Ｂの中でアモルファスＣｏＦｅＢ薄膜２０３を成膜してから、ＮｉＦｅＯ２０１のスパッタ成膜チャンバー１３（真空チャンバー１３Ａ）に基板を搬送してＮｉＦｅＯ２０２をスパッタ成膜しても同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００５５】
実施例１〜３において、真空加熱チャンバーでの加熱条件は７００℃である必要はなく、２００℃以上であれば同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００５６】
実施例１〜４において、スパッタリングターゲット３２はＮｉＦｅＯの複合酸化物でなくても良く、Ｍ：Ｆｅ：Ｏの比率が略ｘ：３−ｘ：４（Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｆｅのいずれか１つ、かつ、０＜ｘ＜３）である複合酸化物ターゲットであれば同様の効果が得られる。
【実施例６】
【００５７】
実施例１〜５において、Ｔ（ターゲット）／Ｓ（基板）距離が１００ｍｍ以上であれば同様の効果が得られる。
【実施例７】
【００５８】
図８は、図７記載のアモルファスＣｏＦｅＢ強磁性層の下に反強磁性層２０５（例えば、ＰｔＭｎ）、さらにその下に反強磁性層２０５の下地膜２０４（例えばＴａ）スピネルフェライト薄膜の上に保護膜となる電極層２０６（例えば、Ｒｕ）を作成した例を示す。なお、反強磁性層２０５（例えば、ＰｔＭｎ）、下地膜２０４（例えばＴａ）、保護膜となる電極層２０６（例えば、Ｒｕ）は、スパッタリング法により作成した。これにより、スピンフィルタ効果が得られる。
【実施例８】
【００５９】
図９は、図８記載のスピネルフェライト薄膜上に、絶縁膜２０７(例えば、ＭｇＯ)を積層した例を示す。なお、絶縁膜２０７(例えば、ＭｇＯ)は、スパッタリング法により作成した。これにより、スピンフィルタ効果が得られる。
【符号の説明】
【００６０】
１２          搬送チャンバー
１３          スパッタリングチャンバー
１３Ａ        真空チャンバーＡ
１３Ｂ        真空チャンバーＢ
１４          加熱チャンバー
２５          基板
３１          スパッタリングカソード
３２          スパッタリングターゲット
【図１】
0005624931.tif 000003
【図２】
0005624931.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005624931.tif 000009
【図８】
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【図９】
0005624931.tif 000011
【図１０】
0005624931.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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