(57)【要約】絶縁性フィルムまたは基材上の導電性フィルムの成功したかつ正確な平滑化を容易とするための方法および装置。平滑化技術は、掻き傷が実質的にない平滑な表面を提供する。電子源を供給することによって、フィルムの有害な荷電およびフィルムに対する損傷が回避される。
2004500483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースが位置すべき真空チャンバー；
処理用の該真空チャンバー中にワークピースを保持するための手段；
ガスクラスターイオンビームを形成するための手段；
該ガスクラスターイオンビームをワークピースの表面に方向づけのための手段；および
ワークピースの該表面を中和するための手段；
を含むことを特徴とするガスクラスターイオンビーム衝撃によってワークピースを処理するための装置。
【請求項２】
該ワークピースが、
少なくとも１つの電気絶縁性層および
少なくとも１つの導電性フィルム、該少なくとも１つの導電性フィルムは表面層である；
を含む基材を含む請求項１記載の装置。
【請求項３】
該方向づけ手段が、ワークピースに対して該ガスクラスターイオンビームを走査するための手段を含む請求項１記載の装置。
【請求項４】
該中和手段が電子の源を含む請求項１記載の装置。
【請求項５】
該中和手段が二次の電子の源を含む請求項１記載の装置。
【請求項６】
ワークピースが位置すべき真空チャンバー；
処理のために該真空チャンバー中にワークピースを保持するための手段；
ガスクラスターイオンビームを形成するための手段；
ワークピースの表面に対する該ガスクラスターイオンビームを走査するための手段；
蓄積されたガスクラスターイオン量を測定するための手段；および
ワークピースの該表面を中和するための手段；
を含むことを特徴とするガスクラスターイオンビーム衝撃によってワークピースを処理するための装置。
【請求項７】
該ワークピースが、
少なくとも１つの電気絶縁性層；および
少なくとも１つの導電性フィルム、該少なくとも１つの導電性フィルムは表面層である；
を含む基材を含む請求項６記載の装置。
【請求項８】
該方向づけ手段が、ワークピースに対する該ガスクラスターイオンビームを走査するための手段を含む請求項６記載の装置。
【請求項９】
該中和手段が電子の源を含む請求項６記載の装置。
【請求項１０】
該中和手段が二次電子の源を含む請求項６記載の装置。
【請求項１１】
該測定手段が、
該ガスクラスターイオンビームのガスクラスターイオンビーム電流に比例する電流を集めるための電流収集手段；および
該電流を積分して、蓄積されたガスクラスターイオン量を測定するための積分手段；
を含む請求項６記載の装置。
【請求項１２】
該電流収集手段がファラデー閉鎖容器を含む請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
該測定手段が、さらに、所望のガスクラスターイオン量の蓄積に際してガスクラスターイオンビーム処理を終了するためのプロセス制御手段を含む請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
導電性フィルムのタイプを選択し；
ガスクラスターイオンビーム用のビームパラメーターを選択し；
該選択されたビームパラメーターを有するガスクラスターイオンビームによって、該選択されたタイプの導電性フィルムについての平滑化および薄化特徴を特徴付け；
選択されたタイプの導電性フィルムにつき所望の程度の平滑性を確立し；
該所望の程度の平滑性を選択されたタイプの導電性フィルムに供するための該選択されたビームパラメーターのガスクラスターイオンの量を測定し；
それが該測定された量のガスクラスターイオンを受容した場合に、該選択されたタイプの導電性フィルムをもたらす薄化の量を測定し；
該絶縁性フィルムまたは該絶縁性基材に該選択されたタイプの導電性フィルムを蒸着させ、該蒸着された導電性フィルムは、該薄化の測定された量に等しい量による所望の最終厚みの過剰な厚みを有し；
該測定された量が送達されるまで、該蒸着されたフィルム上にガスクラスターイオンを向け；次いで
該ガスクラスターイオン量の送達の間に電子の源を供して、該蒸着されたフィルムの望ましくない荷電を妨げる；
工程を含むことを特徴とするガスクラスターイオンビームを用いて絶縁性フィルムまたは絶縁性基材上で平滑な導電性フィルムを生産する方法。
【請求項１５】
該蒸着された導電性フィルムが磁性材料である請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
該蒸着された導電性フィルムが、ピン止めされたまたは自由な磁気抵抗性層を形成するための磁性フィルムである請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
該蒸着された導電性フィルムが非磁性金属である請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
該非磁性金属が、２つの磁気抵抗性層の間に界面を形成する請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
該蒸着された導電性フィルムがＧＭＲ磁気デバイスの一部を形成する請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
該蒸着された導電性フィルムがスピンバルブの一部を形成する請求項１４記載の方法。
【請求項２１】
該蒸着された導電性フィルムが、磁気抵抗性デバイスの基礎をなすフィルムタイプである請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、導電性フィルムの平滑化、さらに詳しくは、ＧＣＩＢによる薄い導電性フィルムの平滑化に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
磁気抵抗性（ＭＲ）効果に基づく薄いフィルム磁気センサーは、ハードディスク駆動磁気情報貯蔵技術のための、高データ密度読み出しセンサーの実施において重要な役割を演ずるようになった。そのようなデバイスは、しばしば、ＭＲ読みだしヘッドという。それらは、典型的には、導電性読み出しヘッドで可能であったよりも高い密度で貯蔵されたデータを読み出すことができる。ＭＲセンサーは、感知された磁場および場方向に依存する抵抗性の変化に応答することによって、磁場の変化として貯蔵された情報ビットを検出する。
【０００３】
非常に大きな磁気抵抗（ＧＭＲ）効果に基づく改良されたセンサーは、電子の量子性質を開発する「スピンバルブ」（ＳＶ）配置を用いることによって、基本的ＭＲセンサーよりも感度を高くできることができる（２つの許容されるスピン方向−上方および下方）ことが知られている（例えば、Ｒ．Ｗｈｉｔｅ，「Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：　Ａ　Ｐｒｉｍｅｒ」，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２８（５）（１９９２年９月）２４８２−８７頁参照）。そのようなデバイスにおいては、強磁性材料の磁化方向に整列したスピン方向を持つ電子は該材料を通って自由に移動し、他方、材料の磁化方向のそれに反対のスピン方向を持つものは、該材料の原子とより頻繁な衝突を受け、より高い電気抵抗率を経験する。感度およびノイズレベルを最適化して、より密な読み出しヘッド能力を達成するために、種々のＳＶ設計が開発されてきた。そのようなデバイスは、選択された特性を有する選択された材料の一連の積まれた薄いフィルムとして製造され、基材材料上に積まれる。ＳＶのメリットの１つの形態はＧＭＲ比率（ＤＲ／Ｒ）、外部磁場の大きさまたは方向の所定の変化についてのパーセント抵抗変化である。より高いＧＭＲ比率は、デバイスがより感受性の変換器であることを意味する。
【０００４】
最も基本的なＳＶ設計は、薄い第３の導電性であるが非磁性の層によって分離された異なる磁化向きの２つの薄い強磁性フィルムを有する。最良の性能のためには、強磁性フィルムおよび界面フィルムはかなり薄くなければならず−電子の平均自由工程，１０分の数ｎｍないし数１０ｎｍ（数オングストロームないし数百オングストローム）のオーダーでなければならない。２つの強磁性層のうち１つにおいて、磁場の方向は向きが固定されている（ピン止めされている）。他の強磁性層においては、磁場は、最初はピン止めされた層のそれとは異なる向きであるが、外部磁場の影響に応答して向きを自由に変化させる。該自由な層が外部磁場の影響によってピン止めされた層と磁気的に整列するようになると、該系の電気抵抗率が変化し、これは磁気的変化の電気的変化への変換を許容する。
【０００５】
層のうちの１つの磁化方向をピン止めする２つの共通に使用される方法がある。１つのアプローチにおいて、反強磁性材料のさらなる層をピン止めすべき層に隣接して位置させる。他の方法において、２つの強磁性層を、異なる飽和保磁力を有する材料で製造し、ピン止めされた層のそれは、ピン止めされた層の磁化方向が外部磁場によって影響されないが、自由な層のそれは影響されるように自由な層のそれよりも実質的に高い。双方のアプローチにおいて、デバイスは、薄いフィルムの積み上げ技術および一般に当該分野で良く知られている平面加工技術を用いて通常は平面基材上に構築される。
【０００６】
基材はしばしばガラスまたはセラミックのような絶縁性材料であるか、またはＳｉＯ２のような誘電性表面フィルムを有するシリコンのごとき導電性材料である。導電性フィルムまたは基材の１つの役割は、基材の導電率が、磁気抵抗性層に対する望ましくない電気的入替効果を回避するのに十分な位低いことを保証することである。
【０００７】
ハードディスク駆動ヘッドでは、薄いフィルムの誘導書き込みヘッドに近接した位置にＳＶ読みだしヘッドを製造するのがしばしば共通のプラクティスである。
【０００８】
製造されたデバイスのＧＭＲ比率は、材料および層の厚みを含めた多くのパラメーターに依存する。公表された情報から、ＳＶおよび他のＧＭＲデバイスのＧＭＲ比率は、磁性および界面層表面の制御された平滑性および平坦性を有するという利点を有することも知られている（Ｃｈｏｅ　ａｎｄ　Ｓｔｅｉｎｂａｃｋ　ｉｎ　“Ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＮｉＦｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８５（８）（１９９９年），　５７７７−９頁　ａｎｄ　Ｋｏｏｌｓ　ｅｔ．ａｌ．ｉｎ　“Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｌｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｎ　Ｎｅｅｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｉｎ　ｓｐｉｎ　ｖａｌｖｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８５（８）（１９９９年），４４６６−８頁参照）。かくして、パラメーターのうちで、フィルムの厚み、平滑性および平坦性を制御する必要がある。これは、ＧＭＲ効果デバイスの他のタイプにも当てはまり、その例はＳｃｈａｄら　ｉｎ　“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｉａｎｔ　ｍａｎｇｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　Ｆｅ／Ｃｒ　ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ”、Ｊ．Ｍａｇ．＆Ｍａｇ．Ｍａｔｌｓ．，１５６（１９９６年），３３９−４０頁，ならび　ｂｙ　Ｂｅｎ　Ｙｏｕｓｓｅｆら　ｉｎ　“Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＭＲ　ｗｉｔｈ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｒｆ　ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　Ｃｏ／Ｃｕ　ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ，”Ｊ．Ｍａｇ．＆Ｍａｇ．Ｍａｔｌｓ．，１６５（１９９７年），２８８−９１頁によって与えられている。
【０００９】
この理由で、ＧＭＲデバイスの製造の間で、それらの積み上げに続いて種々の層の表面を平滑化し、平面化するのに化学的−機械的研磨技術を用いるのはプラクティスであった（Ｈｕら　ｉｎ“Ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ａｓ　ａｎ　ｅｎａｂｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｇｉａｎｔ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，３０８−３０９（１９９７年），５５５−５６１頁参照）。
【００１０】
しかしながら、ＣＭＰは完全には満足いくものではなかった。なぜならば、ＧＭＲデバイスの最大性能を達成するに必要な平滑性の程度は、しばしば、標準ＣＭＰプロセスの能力を超えているからである。というのは、数オングストローム以下のオーダーの表面粗さは害があり得るからである。また、ＣＭＰは研磨剤スラリーを用いるので、それは、しばしば、研磨された表面に顕微鏡的掻き傷を残すからである。
【００１１】
従って、本発明の目的は、絶縁性フィルムまたは基材上で導電性フィルムの成功したかつ正確な平滑化をもたらすことにある。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、掻き傷のない導電性フィルムの平滑化を提供することにある。
【００１３】
本発明のなおさらなる目的は、磁気および絶縁性フィルムに対する損傷を回避する導電性フィルムの平滑化を提供することにある。
【００１４】
本発明のなおさらなる目的は、所望の最終厚みのフィルム上で超平滑表面を生じる導電性フィルムの平滑化を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記した目的ならびに本発明のさらなるおよび他の目的および利点は、後記する発明の具体例によって達成される。
【００１６】
本発明は、絶縁性フィルムまたは基材上での導電性フィルムの成功した正確な平滑化を促進する。本発明のシステムは、先行技術の化学的−機械的研磨技術よりも優れ、従って、実質的に掻き傷のないより平滑な表面をもたらす金属フィルムのための平滑化を提供する。低エネルギー電子の源を供給することによって、フィルムの有害な荷電および磁性および絶縁性フィルムに対する損傷が回避される。所定のＧＣＩＢ条件につき本発明における平滑化／薄化プロセスをさらに特徴づけ、出発フィルムの初期過剰厚みを測定するためにその特徴づけを用いると、このプロセスが、所望の最終厚みの超平滑表面を生じる結果を生み出すことを可能とする。
【００１７】
本発明のより良い理解のため、本発明の他の目的およびさらなる目的と共に、添付の図面および詳細な記載を引用する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明をより良く理解するために、まず図１を参照し、それは、読み出しエレメントとしてＭＲスピンバルブセンサーを使用する先行技術の読み出し／書き込みヘッドのための１つの可能な層化構造の例示的断面図１００を示す。図１において、基材１０２は、適当な支持物質であり（例えば、シリコン、ガラス、セラミック、金属）、電気的に絶縁性、導電性、または半導電性であって良い。該ＳＶは、電気リード１２４および１２６に沿った層１０８、１１０、１１２および１１４よりなる。下方保護層１０４および上方保護層１１６はＭＲスピンバルブセンサーのために磁気的隔離を提供し、例えば、パーマロイのごときＮｉＦｅ合金であって良い。隔離層１０６、例えば、Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＯ２は、典型的には、下方層によるスピンバルブの電気的入替を回避するための絶縁性誘電体である。反強磁性層１０８は、ピン止めされた磁気抵抗性層１１０の磁化方向をピン止めするために設けられた反強磁性材料（例えば、ＦｅＭｎ）を含む。界面層１１２は導電性であるが非磁性である（例えば、銅）層である。自由な磁気抵抗性層１１４は外部磁場に応答して磁化の向きを変化させることができる。層１１０および１１４は、例えば、パーマロイのごときＮｉＦｅ合金であって良い。上方保護層１１６、書き込みコイル１１８、書き込みコイル誘電体１２０、および上方書き込み極１２２は誘導書き込みヘッドを含む。この例において、経済性のため、スピンバルブの上方保護層１１６は読み出しヘッドの磁気抵抗性スピンバルブセンサーの上方保護および書き込みヘッド用の下方書き込み極として働く。上方保護層／下方書き込み極１１６および上方書き込み極１２２は、共に、磁性材料、例えば、パーマロイのごときＮｉＦｅ合金である。書き込みコイル１１８は、上方および下方書き込み極において磁気書き込みシグナルを生じさせるための導電性誘導コイルである。絶縁性書き込みコイル誘電体１２０層は、書き込みコイル１１８のための金属間絶縁および書き込み極１１６および１２２からの書き込みコイル１１８のための電気的隔離を提供する。電気的書き込みシグナルを書き込みコイルに運ぶためのリードは示されていない。
【００１９】
ハードディスクドライブでの磁気貯蔵技術用の読み出しヘッドのための、または他の貯蔵媒体のためのＭＲセンサーを実現するための多くの可能な層の配置があることは容易に理解される。その例は、Ｄｉｅｎｙら、米国特許第５，２０６，５９０号およびＧｉｌｌ、米国特許第５，８２５，５９５号ならびにＨａｙａｓｈｉ、米国特許第５，８４９，４２２号に示されている。また、多くの異なる材料が層および基材の製造に適当であろうことも認められており、そのいくつかはＨａｙａｓｈｉ、米国特許第５，８４９，４２２号によって教示されている。さらに、フィルムの厚みは多様であり得るが、一般に、ＭＲおよびＧＭＲ検知フィルムおよび界面フィルムの厚みは、しばしば、１ないし３０ｎｍの範囲に入ることもさらに認められている。スピンバルブに加え、多層センサーを含めたＭＲおよびＧＭＲ効果を開発する他の構造が用いられており、いくつかは米国特許第５，６４８，８８５号においてＮｉｓｈｉｏｋａらによって教示されている。本発明の目的では、これらの多くの可能な配置の全ての重要な特徴は、薄い導電性磁気フィルムが、絶縁性誘電体層を含む絶縁性基材または導電性もしくは半導電性基材上に積まれることである。
【００２０】
図２は、先行技術のＣＭＰ技術によって磨かれたパーマロイフィルムの表面の１０平方ミクロン領域の原子力顕微鏡写真を示す。望ましくない残留粗さおよび研磨スラリーに存在するサブミクロンサイズのグリットの存在に由来する望ましくない掻き傷の存在に注意されたし。図２に示されたパーマロイ表面の表面粗さは、ほぼ６．９オングストロームであると測定された平均粗さＲａを有し、ほぼ９．３オングストロームの根平均二乗粗さＲｒｍｓを有する。引き続いてのフィルムがそのような表面に積まれるに従い、累積効果は表面粗さの欠陥の拡大をもたらし得る。そのような粗さおよび小規模なうねりの蓄積の結果、デバイスにおいてＧＭＲ比率の低下がもたらされ得る。ＧＭＲデバイスを含むフィルムのスタックの製造の多くの段階において非常に平滑なフィルムを提供することができるのは重要である。ＧＭＲデバイスそれ自体（例えば、スピンバルブ）において、フィルムの粗さまたはうねりは、トランジューサーの感度（ＧＭＲ比率）の喪失に直接的に寄与する。他方、ＧＭＲデバイス（例えば、図１における層１０２、１０４および１０６）の積み上げに先立って積まれた層の粗さまたはうねりもまた、ＧＭＲデバイスのフィルムを含めた後に積まれるフィルムにおける累積的粗さまたはうねりに寄与する。かくして、累積効果がトランジューサーの感度を劣化させるのを防ぐために、時々、ＧＭＲデバイスの現実の製造に先立って積まれた層を平滑化する必要がある。
【００２１】
荷電によって引き起こされた有害な副作用のため、ガスクラスターイオンビームは、従来は、ＧＭＲデバイスの製造に首尾よく適用されてきた。しかしながら、材料表面のエッチング、清浄および平滑化のためのガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）の使用は当該分野で知られている（例えば、米国特許第５，８１４，１９４号におけるＤｅｇｕｃｈｉら参照）。この考察の目的で、ガスクラスターは、標準的温度および圧力の条件下でガス状である材料のナノ−サイズの凝集体である。そのようなクラスターは、典型的には、緩く結合してクラスターを形成する〜１０ないし〜数千原子または分子の凝集体よりなる。そのようなクラスターは、それらが既知および制御可能なエネルギーの指向性ビームに形成されるのを可能とする、電子衝撃または他の手段によってイオン化することができる。数百または数千のオーダーのガス原子または分子よりなるイオン化クラスターを形成し、数千のオーダーのエレクトロンボルトの中程度のエネルギーまで加速することができるので、クラスター中の個々の原子または分子は、各々、エレクトロンボルトないし数エレクトロンボルトの割合のオーダーの平均エネルギーを有する。かくして、クラスター中のそのような原子は、表面にかなり侵入して、個々の原子が数千エレクトロンボルトのオーダーのエネルギーを有し得る先行技術のイオンビーム処理に典型的には関連する残留表面損傷を引き起こすのに十分な個々のエネルギーを有しないことが知られている。それにも拘わらず、クラスターそれ自体は、十分なエネルギー（数千エレクトロンボルト）とされて、表面を効果的にエッチングし、平滑化し、または清浄することができる。
【００２２】
本発明の１つの態様は、表面をたたく加速されたガスクラスターイオンが、より深い表面下に対する最小効果をもって表面層を効果的にスパッターする非弾性衝突プロセスを受けることを認識する。イオン化ガスクラスターによるスパッタリングは、優先的に横方向に表面材料をたたき出す傾向がある（表面に幾分平行な方向に沿った）この横方向スパッタリングは、ＧＣＩＢの表面との入射の角度にわずかに依存するに過ぎない。そのようなスパッタリングの１つの効果は、表面材料を除去することである。また、スパッターされた材料の多くは横方向軌道を有するので、表面の上昇した構造が加速的に腐食され、また、表面の低いスポットにおいてスパッタされた表面材料が幾分再度沈積される傾向がある。
【００２３】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、各々、ＧＣＩＢによる表面フィルムの衝撃による表面の一部のスパッタリングの３つの連続的段階を模式的に示す。図３Ａにおいて、衝撃の初期段階、表面の不均一性（粗さ）は、最大であって、フィルムの総厚み（ＴＡ）は最大である。スパッタリングがさらなるＧＣＩＢ衝撃により進行するにつれ、フィルム（ＴＢ）の平均厚みは減少し、表面粗さもまた減少する。平滑化のいくらかは、図３Ｂに模式的に示されるごとくスパッタ−された材料の再沈積に由来することができ、いくらかは、表面のより高い部分からの材料のスパッタリングに由来することができる。最後の段階（図３Ｃ）において、表面は非常に平滑になり、時々、原子または分子スケールでの平滑性に近づく。また、表面はスパッタリングが継続するにつれより薄くなる（厚み（ＴＣ））。
【００２４】
図３Ａないし３Ｃから、表面フィルムの（スパッタエッチングによる）薄化および表面の平坦化および平滑化が起こることは明らかである。図４は、２つのプロセスが独立しておらず、むしろ、ＧＣＩＢ表面処理の組み合わされた結果であるという事実を示す典型的な曲線のグラフである。粗い表面のＧＣＩＢ処理に由来するエッチングおよび平滑化の間の関係の性質は、異なる状況では異なっている。該関係は、表面の材料の構成および初期粗さの性質−−とりわけ、表面粗さの空間的頻度および振幅を含めた、処理すべき表面の性質に依存する。それは、また、ビームエネルギー、ガスおよびクラスターサイズの範囲を含めたＧＣＩＢパラメーターに依存する。該関係の一般的性質は図４に示された曲線と同様である。すなわち、非線型関係であり、ここに、処理の初期部分の間、粗さはプロセス中の後におけるよりもかなり迅速に改良される。結局、粗さは限界に到達するように見え、次いで、さらなる処理で有意に改良しないが、継続した処理はスパッタリングによって薄化し続ける。図４の曲線は、ビームパラメーターおよび表面材料および粗さ特性の特定の与えられた組に典型的であるが、該曲線は、異なる場合で異なり、各々の場合に特徴付けられなければならない。Ｚ．Ｉｎｓｅｐｏｖら，“Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ　ｇａｓ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｂｅａｍｓ”，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，５４（１−３），２３４−７頁、１９９８年７月発行　によってなされたごとく、そのような特徴付けは、現実の測定によって、または従来収集された経験的なデータに基づく数学的モデリングによって、または関連する物理的原理のシミュレーションによってなすことができる。
【００２５】
スパッタされた深さおよび平滑化効果は共に全蓄積ガスクラスターイオン量に関連するので、蓄積イオン量の２つの別々の関数として、図４のデータ曲線（または測定またはモデリングまたはシミュレーションから得られた他の同様なデータ）に従っての、スパッター深さおよび表面粗さの間の関係を示すことができる。
【００２６】
図５は、蓄積イオン量に対するそれらの関係で示された２つのデータ曲線に分けられた図４の曲線からのデータを示すグラフである。本発明においては、これ（蓄積イオン量の関数として示された２つの別々の曲線）は情報を表す好ましい方法である。というのは、イオンビーム処理においては、イオン量は容易にモニターされ制御された独立変数だからである。この方法で表した場合、イオン量が増加するにつれ、スパッタされた深さは増加することが明らかである。また、イオン量が増加するにつれ、まず、残留粗さが減少し、次いで、残留粗さが限界値に近づき、さらなる量で改良しつづけないことも明らかである。特定の出発粗さ特徴を有する目的のいずれかの特定のフィルムでは、およびＧＣＩＢパラメーターの特定の組では、図５に示されたタイプのデータは、目的のフィルムを増大させるイオン量に徐々に増加して暴露させ、各増加暴露後に残留粗さおよびフィルム薄化を測定することにより、本発明の技術によって容易に得られる。
【００２７】
例えば図１に示されるごとき磁気デバイス中に種々の層を形成するフィルムの積み上げのための利用できる先行技術の製造プロセスは、一般には、必要な平滑度のフィルムを信頼性良くかつ反復して製造できないが、該プロセスは、本発明と組み合わせて用いると、生産ベースで、所望の厚みのフィルムを反復可能な粗さでもって積み上げることができる適切な精度および制御性のものである。さらなる平滑化がより高い性能のＧＭＲデバイスで望まれる条件であるが、ＧＣＩＢ処理に由来する薄化は必ずしも望ましくない。ＧＣＩＢ処理によって得ることができる上等な平滑化から利益を受けるために、本発明は関連する望まれない薄化を取り扱う。
【００２８】
絶縁性フィルムの基礎をなす導電性フィルムのＧＣＩＢ処理に関連し、ＧＣＩＢ平滑化の直接的な適用に干渉するもう１つの問題は、各ガスクラスターイオンで運ばれる電荷に関連する。図６（縮尺通りではない）は、図１に示された、および従前に記載されたタイプのＳＶデバイス２００の製造における段階を模式的に示す。示された段階において、初期層は、ピン止めされた磁気抵抗層１１０のレベルを通して製造されてきた。パーマロイピン止め磁気抵抗性層１１０はＧＣＩＢ処理によって平滑化（および薄化）されつつある。衝撃ＧＣＩＢは、ピン止めされた磁気抵抗性層１１０の表面に対して方向２１２に沿って向けられる。個々のガスクラスターイオン２０２は正の電荷を有する。衝撃ガスクラスターイオンからの正の電荷２０４は、上方導電性層に移動する。これは、導電性反強磁性層１０８および導電性下方保護層１０４における反対の負の電荷２０８および正の電荷２１０の誘導による、下の誘電隔離層１０６において電気的応力を誘導する。下方導電性保護層１０４は、導電性もしくは半導電性基材１０２およびその接地結合２０６を介して、またはどのような保持メカニズムを用いて、処理のためにＧＣＩＢ中の基材を位置決定することができるかにかかわらずそれを介して接地されている。隔離層１０６を横切る電荷差異形成は隔離層１０６の誘電体に応力を与えることができ、それを破壊しかねない。ＧＭＲデバイスは、磁性フィルムを介して行われる静電放電によって磁性フィルムの永久損傷を異常に受けやすいことも知られている（例えば、Ｗａｌｌａｓｈ＆Ｋｉｍ，“Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ＧＭＲ　ｈｅａｄｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ”，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，３４（４），１９９８年７月，１５１９−２１頁およびＷａｌｌａｓｈ＆Ｋｉｍ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｇｉａｎｔ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ｈｅａｄｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，　８１（８），１９９７年４月，４９２１−３頁参照）。ＧＭＲデバイスの高歩留まり生産を確実にするために、本発明は、図６に示す誘電−応力付与および電気的放電の問題を回避する。
【００２９】
図７は、先行技術で知られた形態のＧＣＩＢプロセッサー３００のための典型的な形状の模式図を示し、これは以下のごとく記載することができる。真空容器３０２を３つの連絡するチャンバー、源チャンバー３０４、イオン化／加速チャンバー３０６および処理チャンバー３０８に分割する。該３つのチャンバーを、各々、真空ポンピング系３４６ａ、３４６ｂおよび３４６ｃによって適当な操作圧まで排気する。凝縮可能な源ガス３１２（例えば、アルゴン）を減圧下でガス供給チューブ３１４を通ってよどみチャンバー３１６に導き、適切な形状のノズル３１０を通って実質的により低い圧力の真空に導入する。超音速ガスジェット３１８が生じる。ジェット中での膨張に由来する冷却は、ガスジェット３１８の一部をクラスターに凝縮させ、各々は、数個ないし数千個の弱く結合した原子または分子よりなる。ガススキマー開口３２０は、クラスタージェットからクラスタージェットに形成されていないガス産物を分離して、そのようなより高圧が有害であろう下流領域（例えば、イオナイザー３２２、高電圧電極３２６、およびプロセスチャンバー３０８）において圧力を最小化する。適当な凝縮可能源ガス３１２は、アルゴン、窒素および他のガスを含むが、必ずしもそれらに限定されない。
【００３０】
ガスクラスターを含有する超音速ガスジェット３１８が形成された後、クラスターはイオナイザー３２２中でイオン化される。イオナイザー３２２は、典型的には、１以上の白熱フィラメント３２４から熱電子を生じさせ、該電子を加速し方向付け、それがガスジェット３１８中のガスクラスターと衝突させるようにする電子衝撃イオナイザーであり、ここに、ジェットはイオナイザー３２２を通過する。電子衝撃はクラスターから電子を追い出し、クラスターの一部が正にイオン化されるようにする。適当にバイアスされた高電圧電極３２６の組はイオナイザーからクラスターイオンを抽出し、ビームを形成し、次いで、それを所望のエネルギー（典型的には、１　ｋｅＶないし数十ｋｅＶ）まで加速し、それを焦点に集めてＧＣＩＢ３２８を形成させる。フィラメント電源３３６は電圧ＶＦを供して、イオナイザーのフィラメント３２４を加熱する。アノード電源３３４は電圧ＶＡを供して、フィラメント３２４から放出された熱電子を加速し、それをガスジェット３１８を含むクラスターに衝撃させてイオンを生じさせる。抽出電源３３８は電圧ＶＥを供して、高電圧電極をバイアスし、イオナイザー３２２のイオン化領域からイオンを抽出し、ＧＣＩＢ３２８を形成する。加速器電源３４０は電圧ＶＡｃｃを供して、イオナイザー３２２に関して高電圧電極をバイアスし、ＶＡｃｃに等しい全ＧＣＩＢ加速エネルギーをもたらす。１以上のレンズ電源（例えば、示される３４２および３４４）を設けて、電位（例えば、ＶＬ１およびＶＬ２）でもって高電圧電極をバイアスし、ＧＣＩＢ３２８を焦点に集める。
【００３１】
ワークピース３５２は、ＧＣＩＢ３２８の経路に設けられたワークピースホールダー３５０に保持される。多くの適用は空間的に均一な結果を伴う大きなサイズの基材の処理を必要とするので、走査システムは、大きな面積を横切ってＧＣＩＢ３２８を均一に走査し、空間的に均質な結果を生じるのが望ましい。直交した向きの静電走査プレート３３０および３３２の２つの対を用いて、所望の処理領域を横切ってラスターまたは他の走査パターンを生じさせることができる。ビーム走査を行う場合、ＧＣＩＢ３２８は円錐走査ＧＣＩＢ３４８に変換され、これは、ワークピース３５２の全表面を走査する。ワークピース（図７では示さず）の均一な処理のための別の方法は、機械的ｘ−ｙ走査システムを使用して静止ビームを通じてワークピースを走査しつつ、ＧＣＩＢ３４８を走査されないまま残すことである。
【００３２】
図７に示されないが、時々利用されるのは、ある質量の、ある範囲の質量内のクラスターを選択するための質量セレクターである。そのような質量セレクターは、例えば、ビームからの（１０個または数個の原子または分子のクラスターイオンのごとき）モノマーイオンおよび他の軽いイオンをそらし、より質量の大きいクラスターイオンを通過させるためのＧＣＩＢ３２８の経路中の弱い横方向磁場であり得る。
【００３３】
（ＧＭＲデバイスを製造する場合のように）絶縁性表面の、または絶縁性フィルムによって被覆された表面の導電性フィルムのイオンビーム処理において本発明を考慮した重要な考慮は、ガスクラスターイオンビームが、処理（この場合は平滑化および薄化）されつつあるフィルムの荷電を誘導する傾向がある。もし消失用の手段なくして十分な電荷が蓄積されるならば、絶縁性フィルムまたは磁気デバイスは損傷し得る。フィルムの誘電特性が超過させることができ、フィルムは破壊されるか、あるいは電気的応力によって永久に損傷され得る。磁気フィルムの磁気特性を修飾することもできる。この荷電問題はイオンビーム処理において良く知られている。図７の先行技術のシステムにおいて、荷電ガスクラスターイオンビームによって誘導された望ましくない荷電効果の回避の提供はない。しかしながら、本発明においては、ＧＣＩＢ平滑化の間に絶縁性表面上の導電性フィルムの荷電を制限するための手段を設けて、望ましくないおよび有害な荷電を回避する。正のクラスターイオンが絶縁性フィルムをたたくと、それはその電荷をフィルムに移し得る。また、衝突プロセスの結果、表面から二次粒子が放出され−各放出された表面原子は表面のエッチングをもたらす。放出された二次粒子は電子、中性原子または荷電原子であり得る。自由電子は自由荷電原子（イオン）よりも一層移動性がありかつ逃避しやすい。かくして、二次粒子の放出の主な傾向は、表面の正の荷電を増加させることである。本発明は、放出された荷電粒子が逃げるのを防止することによって、およびＧＣＩＢにおける正の電荷の有害な荷電効果を排除することによってこれらの効果を最小化する。
【００３４】
正のイオンビーム処理の間に導電性フィルムの正の荷電を排除するために、本発明は、それらが表面を連続的に中和して、有害な電荷の蓄積を防止できるように、表面に対する過剰な電子の源を提供する。これは、多数の異なる方法で達成することができる。熱電子の源（例えば、フィラメント）を標的の近くに位置させることができる。電子の加速された源（電子銃）を標的に向けることができる（その例は日本国公開出願ＪＰ−６０２１５７６０−Ａ１中でＨａｎａｉによって、および日本国公開出願ＪＰ−６１２４７０３６−Ａ１中でＹａｍａｎｉｓｈｉによって示されている）。電子の加速されたビームの標的に隣接する表面との衝突から生じた低エネルギー二次電子の源は図８に示すごとく用いることができる。低エネルギー電子のプラズマブリッジ源を、標的領域中の中性プラズマによって標的まで運ぶことができる。そのような尺度がなければ、荷電からの損傷は、そうでなければ有用で新規なプロセスは有用性においてひどく損なわれるであろうそのような否定的結果をもたらすようである。
【００３５】
図８は、先行技術からの改良を含めた、絶縁性フィルムまたは基材上の導電性フィルムを平滑化して、平滑化手段としての荷電クラスターイオンの使用による荷電の望ましくない効果を最小化し、ＧＣＩＢ処理の役に立つ平滑化効果を享受しつつ、かくして、誘電隔離層に対する損傷を最小化するための本発明のＧＣＩＢ処理システムを示す。この例においては、中和電子を供するいくつかの可能な方法のうちの１つを例として示す。基材処理領域は、電気的絶縁マウント４２２を持つ真空容器３０２に付着させたファラデ閉鎖容器４２０で囲まれている。ファラデ閉鎖容器４０２は、該ファラデ閉鎖容器４０２のビーム侵入開口においてサプレッサーリング電極４１４を有する。サプレッサーリング４１４は、サプレッサーバイアス電圧ＥＳを供するサプレッサー電源４０６によってファラデ閉鎖容器４０２に対して負にバイアスされて、最小の影響でもって走査ＧＣＩＢ３４８の侵入を許容するが、また、電子の放出を妨げ、全ての二次電子をファラデ閉鎖容器中に保持し、そこで、それらはワークピース３５２に戻ることができる。加えて、フィラメントバイアス電圧ＥＦを供するフィラメント電源４０６によって、およびアノードバイアス電圧ＥＡを供するアノード電源４０８によってパワーが与えられた活性な電子銃４１０は、ファラデ閉鎖容器４０２の側壁に付着している。電子銃４１０は配置され、バイアスされて、一次電子４１６のビームをファラデ閉鎖容器４０２の反対壁に放出する。一次電子４１６のビームは、ファラデ閉鎖容器壁からの低エネルギー二次電子４１８の放出を誘導する。これらの低エネルギー二次電子４１８は、走査ＧＣＩＢ３４８における正のクラスターイオンの到着による正の荷電を最小化するのに必要とされるワークピース３５２まで流動し得る。ほとんどの場合、ワークピース３５２をたたく正のガスクラスターイオンの全量を測定することによって起こる平滑化（および薄化）の量を制御するのが望ましいであろう。そのような場合、ファラデ閉鎖容器４０２からのリード４１２は、電荷を積分してＧＣＩＢ平滑化進行の指標を提供するインテグレーター４２０に電荷を導く。
【００３６】
前記した本発明の装置を用いて、ＣＭＰ処理によって得られたものよりも優れた結果でもって、かつ荷電効果によるフィルムに対する損傷なくして、ＧＣＩＢを用いて、絶縁性表面上のパーマロイまたは同様のフィルムを平滑化することができる。図９は、そのようなフィルムの表面の１０平方ミクロン領域の原子力顕微鏡写真である。それは掻き傷がなく、表面の粗さはほぼ３．０オングストロームの改良されたＲａ、およびほぼ３．９オングストロームの改良されたＲｒｍｓによって特徴付けられる。これは、図２に示され、既に議論した慣用的に平滑化されたフィルムと比較してすぐれた平滑性である。
【００３７】
そのようなＧＣＩＢ平滑化プロセスは材料を除去し、薄化はパーマロイフィルムまたは同様のフィルムを除去するので、初期のフィルムが望まれる最終厚みよりも厚いのが望ましい。従ってフィルム表面が平滑化されるにつれ、材料が除去され、厚みを所望の最終フィルム厚みまで低下させる。まず、ガス、クラスターサイズの範囲、ビームエネルギーおよびビーム電流を含めたＧＣＩＢパラメーターの組を選択することによって、そのようなビーム条件での平滑化／薄化プロセスは、数学的モデリングによって、またはフィルムを増加するイオンクラスタービーム量に増加させて暴露し、各暴露増加後に残留粗さおよびフィルム薄化を測定することによって特徴付けることができる。特徴付けデータは数学的方程式またはモデルの形態とすることができるか、あるいは図５に示す様式後にグラフで提示することもできる。
【００３８】
特徴付けデータから、所望の平滑化を供するのに必要な全量を、数学的に、またはグラフ作成によってまず決定する。次に、所定の量から得られた薄化の量を、数学的にまたはグラフ作成によって決定する。起こる薄化の量をそのように決定した後、初期フィルムを、所望の最終厚み＋ＧＣＩＢ処理によって除去されるであろう量に等しい厚みで積み上げることができる。次いで、現実の処理の間に、最初の過剰厚みフィルムを所望の平滑性まで平滑化し、所望の最終厚みまで薄化する。所望の平滑性および厚みを供するのに必要な所定量を、ファラデキャップ中に蓄積されたビーム電荷を測定するドジメトリーインテグレーターによってモニターし、制御することができる。
【００３９】
パーマロイフィルムは４オングストローム以下の平均粗さまで平滑化されるべきであり、平滑なパーマロイフィルムの所望の最終厚みは１０ｎｍ（１００オングストローム）であると仮定し、図８の装置を用い、本発明のプロセスの例示的例を記載する。１０ないし５０００原子のサイズ範囲、１０ｋｅＶのエネルギー、および他の所定のパラメーターのクラスターを有するアルゴンクラスターのガスクラスターイオンビームを用いる。平滑化すべきパーマロイフィルムのタイプを、反復可能な標準的積み上げプロセスによって基材上に積み上げ、特定のフィルム厚みを積み上げ、反復可能な粗さ特徴サイズでもって３０オングストロームの平均粗さを有するフィルムを生産することができる。パーマロイフィルムに対する前記特定のＧＣＩＢの効果は既に特徴づけられ、図５に示すエッチングおよび平滑化特徴を有する。
【００４０】
図１０は、図５からの特徴付けデータを用いてプロセスを説明する。残留粗さについての４オングストローム縦座標からの水平線を、それが残留粗さ曲線と交わるまで延長することによって、本発明者らは、２．２５×１０１５（２．２５Ｅ１５）イオン量が、初期３０オングストローム平均粗さを４オングストロームまで低下させるのに必要であることを見る。イオン量軸上の２．２５×１０１５横座標からの垂直線を、それが深さ曲線と交わるまで延長し、我々は、４オングストローム平滑性を達成するプロセスの間に、９３オングストロームのパーマロイがスパッターされるのを見る。このプロセスは、特定のＧＣＩＢの必要なイオン量が２．２５×１０１５イオン／ｃｍ２であることを予め決定する。それは、また、９３オングストロームのフィルムがスパッタされることも決定する。平滑なフィルムの所望の最終厚みは１００オングストロームであるので、出発フィルムの厚みは１００＋９３＝１９３オングストロームであるべきである。パーマロイフィルム積み上げプロセスを設定して、３０オングストロームの出発粗さを有するパーマロイの１９３オングストローム厚みフィルムを提供し、得られたフィルムを２．２５×１０１５イオン／ｃｍ２のイオン量まで特定のＧＣＩＢで処理すると、得られたフィルムは、４オングストロームの平均残留粗さでもって１００オングストローム厚みであろう。
【００４１】
種々の具体例により本発明を記載してきたが、本発明は、添付の請求の範囲の精神および範囲内で、種々のさらなるおよび他の具体例をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、読み出し部分で使用されるスピンバルブ磁気抵抗性デバイスを有する先行技術の磁気データ貯蔵組み合わせ読み出し／書き込みヘッドの１つの可能な配置（スケール通りではない）の例示的断面図である。
【図２】図２は、ＣＭＰ平滑化後のパーマロイ表面の原子力顕微鏡写真である。
【図３】図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、本発明による薄いフィルムのＧＣＩＢ加工の３つの段階を示すＧＣＩＢ表面処理を説明する（各々）３つの段階の順次の模式図である。
【図４】図４は、本発明で起こるごとき、ＧＣＩＢ表面平滑化およびフィルムが受けるスパッタリングの量の典型的な関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明で起こるごとく、ＧＣＩＢ表面平滑化、スパッタされた深さおよび蓄積されたガスクラスターイオン量の間の典型的な関係を示すグラフである。
【図６】図６は、どのようにして、先行技術ＧＣＩＢ処理の間にＧＭＲデバイスの導電性層に移された電荷が、低レベルで製造されたいずれかの隔離誘電体フィルムに対して電気的応力を誘導するかを説明する模式的断面図である。
【図７】図７は、先行技術のガスクラスターイオンビーム処理システムの基本的エレメントを示す模式図である。
【図８】図８は、荷電による損傷なくして、電気的絶縁性フィルムまたは基材上の導電性フィルムを平滑化するための本発明の改良されたガスクラスターイオンビーム処理システムを示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の方法による、ガスクラスターイオンビームで平滑化されたパーマロイ表面の原子力顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、所望の厚みおよび平滑性の最終フィルムを得るために、必要なイオン量および出発フィルムの厚みを測定する本発明の方法を説明するグラフである。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
2004500483.tif 000078
2004500483.tif 000079
2004500483.tif 000080