CN101720493B

CN101720493B - 多靶溅射源及沉积多层的方法

Info

Publication number: CN101720493B
Application number: CN2008800202650A
Authority: CN
Inventors: H·罗尔曼
Original assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Current assignee: Evatec Advanced Technologies AG
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: EP2162899A1; WO2008152135A1; EP2162899B1; KR20100040855A; CN101720493A; US20080308412A1

Abstract

提供用于溅射的设备和方法，其对于溅射高磁化强度饱和度材料是有用的。在一个实施例中，多个溅射靶布置(1a，1b，2，3a，3b)同心排列，其中可以产生至少部分位地于各个靶布置之上的独立磁场。一个或多个靶布置可包括相应的上部(1a，3a)和下部(1b，3b)，这些上部和下部相互分隔开但布置在基本上平行的平面内。方法包括从多个靶布置共溅射以在基底上产生溅射合金层，以及从不同靶布置交替地溅射以在基底上产生多个溅射层。

Description

多靶溅射源及沉积多层的方法

本申请主张申请日为2007年6月15日的美国临时专利申请序列号No.60/944,118的利益，其内容引用结合于此。

技术领域

本发明涉及具有高饱和磁化强度的材料的多靶溅射源和用于沉积多层的方法，并进一步涉及一种引入高饱和磁化强度材料的合金共溅射方法。

背景技术

多靶溅射源被充分证明可用于沉积硬盘介质中的多层和特殊合金。EP0162643示出这种溅射源的基本原理，其包括具有独立磁极和独立等离子体功率源的同心环形靶。该申请的图1示出具有三个同心靶10、11、12的Oerlikon/Unaxis Triatron溅射源15，这三个同心靶具有各自的磁装置(布置在靶下方的永磁体)。每个靶通常使用单独的电源，尤其是直流电源。在Triatron设计中，同心靶10-12之间没有设置阳极，且靶之间的间距减小到避免靶之间寄生等离子体所需的间距(暗空间)。提供屏罩14以收集没有到达基底13的材料。基底设置在一平面内，该平面远离但本质上平行于没有使用的溅射表面的平面。此处基底被显示为具有中心孔，因为例如这对于硬盘基底是常见的。这些基底的直径通常在20-100mm之间变化。在所示出的布置中，环形靶10的外径是165mm，靶11外径是121mm，靶12外径是72mm。专业人员将根据待溅射的膜/层的需要，包括再次引入作为参考的US6,579,424中所描述的教导，而改变所述直径。

在典型的应用中，最外的靶10和最内的靶12包括钻Co，靶11包括钯Pd。靶的厚度在2mm到8mm之间变化。靶和基底的距离典型地是50mm。

这种布置对于非磁性的靶以及对于低磁化强度的靶很有用，但对于在生产磁性硬盘时频繁使用的高磁化强度的靶材料，具有非常有限的表现。溅射高磁化强度材料的问题在于，由靶后方的磁体阵列产生的磁场不能充分地穿透磁靶。因为投射在靶表面之上的磁场是磁控溅射效应发生的先决条件，显然高磁化强度靶不能容易地应用于标准磁控阴极，因为受侵蚀区域的宽度趋向于太小(微音效应)。

本领域中已知几种溅射高磁化强度材料的可能性：其一包括选择更强的磁体使靶磁性地(过)饱和和/或选择几毫米材料的薄靶。

溅射高磁化强度材料的另一已知技术是具有槽和孔的靶布置40，如图5所示。高磁化强度材料的靶46放置在磁体42、43上。在背面上可使用轭41。靶46将引导大多数的(如果不是全部的)磁通线。通过应用槽44或孔45，迫使磁通线桥跨缝隙。在这些区域中，等离子体可以点燃，并且磁控溅射效应可以发生。典型地，槽宽度为0.5到1.5mm。20mm的靶厚度已经被成功地使用。

用于溅射高磁化强度材料的另一已知技术是所谓的顶靶布置，分别如US4,572,776或US4,601,806中所示。图4a和b描述了该原理。在该布置中，靶材料被分成至少两部分，一个部分部分地布置在一平面上，该平面上基本平行于且高于另一部分的表面。图4a说明具有三部分设计的横截面的这种布置：靶21布置在第一“下”平面以及靶20、22布置在第二“上”平面。图6说明所述顶靶布置的俯视图；清楚的是，这种设计可应用于包括部分I、II和III的拉长靶配置，也可应用于只由部分I和III组成的环形配置。在基础布置中，中间部分22可被省略，靶部分21于是成为连续板。然而，由于靶部分之间的过渡也是活性的、等离子体暴露部分，省略此另外的靶部分会导致活性区域的损失。

图4a说明有中心轴A的靶布置的截面图。

图4b示出所述靶布置的一半的磁特性的更多细节。在该布置中，磁场由永磁体23、24、25产生。对于具有高磁化强度饱和的材料，未分割的靶将作为磁场线的分流器，也就是，在图形表现上，在靶表面之上将没有足够场线可用以允许形成隧道状磁场，这又是磁控效应的闭合等离子体回路的先决条件。通过分割靶20、21、22，由磁体23、24、25产生的磁场线被迫使桥跨缝隙，如图4b所示，使得在标示为F2的区域中出现两个隧道状磁场。此处磁场从上靶部分20、22延伸到下靶部分21，并且磁靶材料本身用作磁通量向导，导致在靶布置之上产生足够强的磁场。在该磁场帮助下，与具有平坦靶且永磁体布置在靶后方的传统靶布置相比，侵蚀区域加宽。另外，高磁化强度材料的靶厚度不受永磁体的可获得的强度限制。进一步地，可以观察到某种聚焦效应，也就是，由于溅射区域的阶梯状设计的原因，被溅射材料具有优先取向。

注意，US 4,572,776或US 4,601,806中示出的布置分别采用单个功率源以及相同材料用于所有靶部分。

具有高磁化强度的材料是具有大于8000高斯(以cgs为单位)饱和磁化强度(4π Ms)的材料。

现有Triatron设计的缺点：

-对于具有高磁化强度的材料，只有非常薄的靶才能够使用，并且由于靶仅在小区域上受侵蚀(微音效应)，靶的利用率非常低。

-使用现有的Triatron设计，高磁化强度材料的射频溅射在原则上是可能的。然而，最大可能溅射速率非常低，并且大的功率指向基底，导致基底的过度加热，并且由于使用射频溅射时溅射等离子体的体积朝基底延伸的原因而导致膜性能退化。

顶靶技术的缺点：

-在现有技术中仅仅已知单一靶材料布置，其不允许通过共同溅射在所沉积的薄中产生多层或材料的合金。

-另外，使用本领域中已知的靶布置(图4a，b)，在靶上存在具有各自等离子体的两个区域，并且非常难以控制这两个相应区域内的相对溅射功率。

槽和孔技术的缺点：

-同样，在这种布置中仅可以使用单一材料，并且不提供通过共同溅射在所沉积的膜中产生多层或材料的合金的可能性。这些靶的制备过程是复杂而昂贵的，特别是需要很多孔和/或槽的情况下。

发明内容

根据本发明的解决方案旨在结合上述技术的优点并且同时旨在避免所述源各自的已知缺点。另外已经发现，通过仔细选择工艺参数和材料选择，可以实现更多的优点。

此处公开的示范溅射源包括第一靶布置和第二靶布置。当从上面来看时，第二靶布置被布置在第一靶布置周围。至少一个靶布置具有上部和下部，其中上部布置在一平面内，该平面与下部的平面分隔开且基本上平行。上部在下部上方部分地突出。该溅射源也包括产生磁场的装置。磁场产生装置用于分别至少部分在第一和第二靶布置之上分开产生第一和第二单独可控制磁场。

还提供一种溅射方法，其包括提供具有第一靶布置和第二靶布置的溅射源，其中从上面看时第二靶布置被布置在第一靶布置周围，其中至少一个靶布置具有上部和下部，其中上部布置在与下部的平面分隔开且基本上平行的平面内，并且其中上部在下部上方部分地突出；提供布置在靶布置之上且与靶布置分隔开的基底；至少部分地在第一靶布置之上产生第一磁场，以由此从第一靶布置溅射材料到基底上；并且至少部分地在第二靶布置之上产生第二磁场，以由此从第二靶布置溅射材料到基底上；其中独立于第二磁场产生和控制第一磁场。

此处描述的靶布置是指本领域中已知的溅射材料在溅射操作过程被吸引离开的靶表面，在此处在操作中可以选择性地点燃溅射等离子体。被寻址的靶表面不需要形成不间断平面，而可包括台阶、槽、孔或其它缝隙。

本发明的一般实施例可描述为具有至少两个靶布置(1a/b、2、3a/b)的溅射涂覆设备；第一靶布置和完全围绕所述第一靶布置的第二靶布置；至少部分地在每一个所述靶布置之上产生磁场的装置，以及分配给每个所述靶布置的单独可控制的功率源。在所述一般实施例的优选实施例中，至少一个所述靶布置包括第一部分(比如上部1a、3a)和第二部分(比如下部1b、3b)，所述第一部分布置在与所述第二部分的平面分隔开且基本上平行的平面内，并且所述第一部分在所述第二部分之上部分地突出。在所述一般实施例的另一优选实施例中，至少一个所述靶布置包括槽、孔或其它缝隙。

在另一实施例中，提供完全围绕所述第二和第一靶布置的第三靶布置。

在另一优选实施例中，所述靶可被解读成具有这样的特征，即环形同心设计或如图6所示的拉长的设计。所述靶布置的材料可随优选地布置在具有上部/下部设计的靶布置中的高磁化强度饱和度材料而变化。

此溅射涂覆设备可用于用高磁化强度饱和度材料膜涂覆基底的方法；此材料单独或与其它材料组合或交替以在所述基底上形成合金薄膜或交替膜(层***)。使用能够在一个源中提供不同材料的所述创造性的设备，无需在单独配备有专用于一种材料或材料合金的源的不同处理站之间传送基底。

附图说明

所有下述图在本质上是示意性和说明性的。

图1示出用于磁控溅射的传统多靶源布置的截面图。

图2示出根据本发明的示范实施例的用于磁控溅射的多靶源布置的截面图。

图3示出如图2中的截面图，其中溅射靶在溅射过程中被侵蚀接近它们的寿命末期。

图4a示出传统顶靶溅射布置。

图4b说明与图4a中所说明的顶靶溅射***的操作相关的磁场线。

图5说明在溅射靶中包括孔和槽的溅射靶布置。

图6是呈“跑道”配置的多源溅射靶布置的平视图，其中溅射靶相对对称轴被线性拉长。

图7a示出本发明另一示范实施例的用于磁控溅射的多靶源布置的截面图。

图7b示出如图7a中的截面图，其中溅射靶在溅射过程中被侵蚀接近它们的寿命末期。

图7c示出根据本发明再一示范实施例的用于磁控溅射的多靶源布置的截面图。

具体实施方式

解决方案现在将借助图予以描述。惯用的辅助部件比如真空泵、电连接件、冷却***、气体入口等被省略以利于理解。应当理解，本领域技术人员基于其知识添加此类设备而不需要进一步创造性努力。在具有提供足够真空的装置以及用于等离子体过程的工作气体(例如氩气或氪气，在将被调节到相应压力区间和流量的条件下)的供应管线的真空容器中组装本发明的溅射源。一般使用的压力范围是6×10^-4到6×10^-2hPa(mbar)。

在图2中，内靶布置1a/1b和外靶布置3a/3b被解读为包括具有高磁化强度的材料。这两个靶布置被分为以阶梯状布置的上部(1a和3a)和下部(1b和3b)。上部和下部不接触，它们之间的垂直距离选择为引导磁场的需要和避免在缝隙中寄生等离子体点燃之间的折中。该距离一般在0.5到6mm之间，优选在1到1.5mm之间，取决于电和磁性能。中间靶布置2(环状)被示为包含非磁性或低磁化强度材料。永磁体的布置由四个同心环4-7组成，这些同心环的磁极从一个环到下一个环交替。用于内靶1a/1b的磁控场通过永磁体环4和5产生。用于中心靶2的磁控场通过永磁体环5和6产生。用于外靶3a/3b的磁控场由永磁体环6和7产生。所述磁体的强度根据溅射过程的具体需要来选择并考虑到待溅射的材料。

该布置对于两对靶1a/1b和3a/3b分别利用顶靶效应。由于此效应，高磁化强度材料可以用于靶1a/1b和3a/3b，并且在这些靶上的侵蚀区域分别具有图中曲线8和9所指示的大的宽度。另外a.m.聚焦效应可用于提高(imrobe)基底内的沉积均匀性。由于溅射电压可以独立地分别施加到靶布置1a/1b和3a/3b的事实，在这两个区域上的溅射功率可以很容易地独立控制，并且这些区域可以独立地被溅射。

靶2也可以用作独立的溅射源，并通过应用功率到此溅射靶2，Triatron设计的优点可以被用于高磁化强度材料与非磁性/低磁化强度材料的组合。根据图2、3，这种源有几个操作模式：

-在一个建议的溅射模式中，靶1a/1b和3a/3b由相同的高磁化强度材料制成，并且在靶2没有被溅射时，同时被溅射以形成第一膜。随后在靶1a/1b和3a/3b不被溅射时，通过溅射靶2形成第二膜。通过重复此溅射顺序，可以形成多层结构的薄膜。靶1a/1b和3a/3b上的溅射功率典型地被调整以实现在基底上所溅射的高磁化强度材料的最佳均匀性。

-在此第一溅射模式的变型中，靶2上的溅射功率减小到很小的水平(典型地在5-20W的范围内)，而以较高功率来溅射靶1a/1b和3a/3b，以及按相反的逻辑，以非常小的功率(每个5-20W)来溅射靶1a/1b和3a/3b，而以较高功率来溅射靶2。该模式用来防止来自靶1a/1b和3a/3b的高磁化强度材料沉积在靶2上，并且同样地，防止在溅射其它材料时来自靶2的非磁性/低磁化强度材料分别沉积在靶1a/1b和3a/3b上。利用此溅射模式，不同材料的交叉污染减小。

-在另一个建议的溅射模式中，所有的靶被同时溅射以在基底上形成合金膜。通过分别调节靶1a/1b、2和3a/3b上的溅射功率来调节合金膜的成分。

-有可能采用直流电源(独立地)操作靶1a/1b和3a/3b，以及采用直流或射频电源操作靶2。可使用其它的电源组合。电源的功率比将根据溅射工艺的需来调节。

-假如需要反应溅射，该创造性的溅射设备可补上相应气体入口从而允许反应溅射。

-具有厚度变化的薄膜叠层的合金化和沉积顺序的其它溅射模式能够直接实现。

所描述的创造性的溅射设备允许溅射当前在现代硬盘层设计中使用的材料选择：

靶3a、3b	靶2	靶1a、1b
			Fe	Pt	Fe
CoCrPt(B)	Ru	CoCrPt(B)
			CoCrPt(B)	SiO₂	CoCrPt(B)
CoFe	X	CoFe
			CoZr	X	CoZr
FeTb	X	FeTb
			FeCoTbGd	X	FeCoTbGd

X＝Pt、Pd、Ru或其合金。

给出的示例都是示意性的而非穷举。

还可为所有三个靶布置配备包括同样材料但份额(浓度)不同的靶。比如Pt、Pd、Ru的贵材料优选地用于靶2。

对于硬盘应用，靶源优选地具有圆形，靶和永磁体同心布置。然而，如图6示例中所描述的线性拉长的溅射源也可与本发明一起使用。

采用根据本发明的源和操作方法，可以产生硬盘中用于软磁底层的层***，比如FeCo、FeCoB或CoZrX(X＝Ta、Nb)。随后使用配备另一组靶材料的根据本发明的另一源通过a.m.共溅射方法将允许产生CoCrPt+SiO₂层。

利用根据本发明的溅射涂覆设备，甚至可基于层***Fe(Co)-Pt-Fe(Co)-Pt...实现所谓L10相。

图3示出具有侵蚀的靶部分的如图2所讨论的所述创造性实施例。

图7a示出具有台阶状靶布置32a/32b和31a/31b加上在32b和31b之间具有中心槽的布置的实施例。磁通量可由两组磁体33、34提供。靶部分31a/b、32a/b的高磁化强度材料将分别引导磁通量。将功率单独分配到所述靶布置，这允许对介于32a和b、32b和31b、31b和31a之间的溅射区域的控制。再者，此布置可与呈现顶靶技术/孔槽技术或标准溅射的另外(同心的)靶布置组合。

图7b示出具有侵蚀的靶部分的图7a的实施例。

图7c展示图7a的另一变形，其具有另外的槽，形成额外的靶布置。另外，具有单独功率分配的靶部分35将允许对等离子体区域的控制。

虽然本发明已经针对优选实施例予以描述，将理解本发明不限于此。本领域普通技术人员在阅读本发明公开的基础上可以容易地知晓许多附加实施例和特征，这些实施例和特征落入如所附权利要求给出的本发明的精神和范围之内。

Claims

1.一种溅射源，包括：

第一靶布置(1a，1b)和第二靶布置(3a，3b)；

当从上方看时所述第二靶布置(3a，3b)放置在第一靶布置(1a，1b)周围；

当从上方看时所述第一靶布置(1a，1b)包括由所述第二靶布置(3a，3b)的内边界区域围绕并离所述第二靶布置(3a，3b)的内边界区域一定距离的外边界区域；

所述第一靶布置(1a，1b)包括第一上部(1a)和第一下部(1b)，当从上方看时所述第一上部(1a)沿着所述第一靶布置(1a，1b)的外边界区域延伸并远离所述第一靶布置(1a，1b)的外边界区域；

所述第一上部(1a)与所述第一下部(1b)分隔开，且所述第一上部和所述第一下部(1a，1b)基本上沿着平行的平面布置；

所述第一上部(1a)在所述第一下部(1b)上方部分地突出；

所述第二靶布置(3a，3b)包括第二上部(3a)和第二下部(3b)，当从上方看时所述第二上部(3a)沿着所述第二靶布置(3a，3b)的内边界区域延伸并远离所述第二靶布置(3a，3b)的内边界区域；

所述第二上部(3a)与所述第二下部(3b)隔开，且所述第二上部(3a)和所述第二下部(3b)基本上沿着平行的平面布置；

所述第二上部(3a)在所述第二下部(3b)上方部分地突出；和

用于产生磁场的装置，所述磁场产生装置用于产生分别至少部分地位于所述第一和第二靶布置之上的第一和第二磁场。

2.权利要求1中的溅射源，至少一个所述靶布置包括槽、孔或缝隙。

3.权利要求1中的溅射源，另外包括当从上面看时布置在所述第一(1a，1b)和第二(3a，3b)靶布置之间的第三靶布置(2)。

4.权利要求1中的溅射源，所述磁场产生装置用于分开产生分别至少部分地位于所述第一(1a，1b)和第二(3a，3b)靶布置之上的第一和第二能够独立控制的磁场。

5.权利要求4中的溅射源，所述磁场产生装置包括被分配以产生所述能够独立控制的磁场的分开的功率源。

6.权利要求3中的溅射源，所述磁场产生装置产生至少部分地位于所述第三(2)靶布置之上的第三能够独立控制的磁场。

7.权利要求1中的溅射源，所述第一和第二上部沿着共同上平面布置，所述所述第一和第二下部(1b，3b)沿着共同下平面布置。

8.权利要求3中的溅射源，其中所述第一(1a)和第二(3a)上部沿着共同上平面布置，所述所述第一(1b)和第二(3b)下部沿着共同下平面布置，其中所述第三(2)靶布置沿着所述共同下平面布置。

9.上述权利要求之一中的溅射源，所述靶布置具有环形的同心设计，其中从上面看时所述第二靶布置(3a，3b)同心地布置在所述第一靶布置(1a，1b)周围。

10.上述权利要求1到8之一中的溅射源，所述靶布置相对于对称轴线性拉长。

11.权利要求3中的溅射源，所述第一(1a，1b)和第二(3a，3b)靶布置中的至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料。

12.权利要求3中的溅射源，所述第一(1a，1b)和第二(3a，3b)靶布置中的至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料，并且所述第三(2)靶布置包含呈现低饱和磁化强度的材料。

13.权利要求1中的溅射源，所述第一(1a，1b)和所述第二(3a，3b)靶布置中的至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料。

14.权利要求3中的溅射源，所述第一(1a，1b)和第三(2)靶布置中的至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料。

15.一种溅射方法，包括：

提供第一靶布置(1a，1b)和第二靶布置(3a，3b)，当从上面看时所述第二靶布置被布置在所述第一靶布置周围；

当从上方看时所述第一靶布置(1a，1b)包括由所述第二靶布置的内边界区域围绕并离所述第二靶布置的内边界区域一定距离的外边界区域；

所述第一靶布置(1a，1b)包括第一上部(1a)和第一下部(1b)，当从上方看时所述第一上部沿着所述第一靶布置(1a，1b)的外边界区域延伸并远离所述第一靶布置(1a，1b)的外边界区域；

所述第一上部(1a)与所述第一下部(1b)分隔开，且所述第一上部(1a)和所述第一下部(1b)基本上沿着平行的平面布置；

所述第一上部(1a)在所述第一下部(1b)上方部分地突出；

所述第二靶布置(3a，3b)包括第二上部(3a)和第二下部(3b)；

当从上方看时所述第二上部(3a)沿着所述第二靶布置(3a，3b)的内边界区域延伸并远离所述第二靶布置(3a，3b)的内边界区域；

所述第二上部(3a)在所述第二下部(3b)上方部分地突出；

提供布置在所述第一和第二靶布置之上且与所述第一和第二靶布置分隔开的基底；

产生至少部分地位于所述第一靶布置(1a，1b)之上的第一磁场，以由此从所述第一靶布置溅射材料到所述基底上；和

产生至少部分地位于所述第二靶布置(3a，3b)之上的第二磁场，以由此从所述第二靶布置溅射材料到所述基底上。

16.权利要求15中的方法，包括提供当从上面看时布置在所述第一(1a，1b)和第二(3a，3b)靶布置之间的第三靶布置(2)给所述溅射源。

17.权利要求15中的方法，进一步包括独立于产生和控制所述第二磁场产生和控制所述第一磁场。

18.权利要求16中的方法，进一步包括产生至少部分地位于所述第三靶布置(2)之上的第三磁场，以由此从所述第三靶布置(2)溅射材料到所述基底上，其中独立于所述第一和第二磁场中的每一个产生和控制所述第三磁场

19.权利要求16中的方法，所述第一、第二和第三靶布置中至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料。

20.权利要求15中的方法，所述第一和第二靶布置中的至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料。

21.权利要求15中的方法，进一步包括将来自所述第一(1a，1b)和第二(3a，3b)靶布置的材料共溅射到所述基底上，以产生包含来自所述两个靶布置的材料的合金层。

22.权利要求16中的方法，包括将来自所述第一和第二靶布置中的至少一个的材料溅射到所述基底上，以及其后将来自所述第三靶布置的材料溅射到所述基底上，从而在所述基底上提供多个溅射层，所述多个溅射层包括从所述靶布置交替溅射的材料的分立的层。

23.权利要求16中的方法，其中所述第一、第二和第三靶布置被同时溅射以实现共溅射。

24.权利要求16中的方法，包括交替地单独产生所述第一和第二磁场以实现分别来自所述第一和第二靶布置的材料的交替溅射，从而提供所述多个溅射层。

25.权利要求18中的方法，其中以很小的水平来溅射所述第一和第二靶布置，而以较高功率来溅射所述第三靶布置，或者

以很小的水平来溅射所述第三靶布置，而以较高功率来溅射所述第一和第二靶布置。

26.权利要求16中的方法，所述第一和第二靶布置中的至少一个包含呈现高饱和磁化强度的材料，并且所述第三靶布置呈现低饱和磁化强度。