DE60226115T2

DE60226115T2 - Sputterbeschichtungsanlage und Verfahren zur Herstellung eines Films

Info

Publication number: DE60226115T2
Application number: DE60226115T
Authority: DE
Inventors: Tokyo Kenji Okatani; Tokyo Satoshi Yamada; Tokyo Yoshiro Hasegawa
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-10-26
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2022-10-27
Also published as: JP2003141719A; CN1417373A; US7156961B2; DE60226115D1; EP1318209A1; EP1318209B1; US20030079984A1; CN1259448C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sputtervorrichtung und ein Dünnfilmbildungsverfahren und insbesondere eine Sputtervorrichtung, die zur Erzeugung von Mehrschichtendünnfilmen mit einer reinen Grenzfläche geeignet ist.
Stand der Technik
Die Flächenaufzeichnungsdichte einer Magnetplatte hat sich in den letzten Jahren bemerkenswert erhöht, und es werden nun Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die Aufzeichnungsdichte von 100 Gbit/in² zu verwirklichen. Ein Magnetaufzeichnungsmedium wird in eine longitudinale (horizontale) Magnetaufzeichnung und eine senkrechte Magnetaufzeichnung eingeteilt, und die erstgenannte ist nun hauptsächlich eingeführt. Die Aufzeichnungsdichte des longitudinalen Aufzeichnungsmediums erhöht sich, wenn das Produkt aus magnetischer Restflussdichte (Br) und Filmdicke abnimmt, und deshalb ist die Filmdicke sehr dünn gemacht worden, um die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen. Jedoch nimmt, wenn das Kristallkorn einer Magnetschicht kleiner wird, während der Film dünner gemacht wird, seine thermische Stabilität ab, was auf thermische Fluktuation oder eine thermische Magnetisierungsrelaxationserscheinung zurückzuführen ist, die den Superparamagnetismusübergang, bei dem die Magnetisierung von Mikromagneten nicht aufrechterhalten werden kann, bei einer Raumtemperatur hervorruft. Man ist der Meinung, dass dies die Begrenzung der Aufzeichnungsdichte von longitudinalen Magnetaufzeichnungsmedien darstellt.
Demgemäß ist, um die Begrenzung aufgrund der thermischen Stabilität zu beseitigen und um eine höhere Aufzeichnungsdichte zu verwirklichen, den senkrechten Magnetaufzeichnungsmedien viel Aufmerksamkeit gewidmet worden, und sie sind ernsthaft erforscht worden.
Beide Aufzeichnungsmedien umfassen normalerweise: ein aus Glas, Al oder dergleichen hergestelltes Substrat, eine Unterlagenschicht aus NiP, NiAl oder dergleichen, die darauf gebildet ist, um die Kristallorientierung einer Magnetaufzeichnungsschicht zu steuern oder um die mechanische Festigkeit eines Substrats zu erhöhen, wenn ein weiches Substrat wie ein Al-Substrat verwendet wird, Einzel- oder Mehrfachaufzeichnungsschichten und eine Passivierungsschicht. Der Mehrschichtenfilm wird im Allgemeinen unter Verwendung einer Herstellungsvorrichtung vom In-Line-Typ gebildet.
Die Herstellungsvorrichtung vom In-Line-Typ besteht aus einer Ladeschleusenkammer zum Laden und Entladen eines Substrats auf einen/von einem Träger, einer Vorbehandlungskammer zur Durchführung einer Reinigung oder Wärmebehandlung des Substrats, einer Unterlagenschichtbildungskammer, einer Mehrzahl von Magnetaufzeichungschichtbildungskammern, deren Anzahl von Sputterkammern der Anzahl von Magnetaufzeichnungsschichten entspricht, und einer Passivierungsschichtbildungskammer. Es ist zwischen jeweils zwei Kammern ein Absperrventil angebracht. Eine Förderschiene, auf der sich der Träger bewegt, ist in jeder Kammer eingebaut. Die Substrate werden durch den Träger gehalten und eines nach dem anderen entlang der Schiene zu jeder Kammer gefördert.
Zuerst wird eine Mehrzahl von Substraten auf den Träger in der Lastschleusenkammer geladen und zur Vorbehandlungskammer gefördert. In der Vorbehandlungskammer wird das Substrat wärmebehandelt, um Verunreinigungen, wie z. B. Wasser, das am Substrat haftet, zu entfernen oder um die Kristallorientierung und die Korngröße der Unterlagenschicht gleichmäßig zu machen, die das Kristallwachstum der Magnetaufzeichnungsschicht beeinflussen, und um die Koerzitivkraft der Magnetaufzeichungschicht zu optimieren. Außerdem werden, um den Magnetaufzeichnungsfilm bei einer optimalen Temperatur abzulagern, die Substrate auf eine Temperatur erwärmt, die höher als die Temperatur zur Ablagerung ist, wobei im voraus der Temperaturabfall während einer Förderung berücksichtigt wird. Im Fall von z. B. einem CoCrPt-Magnetaufzeichnungsfilm wird die maximale Koerzitivkraft (Hc) bei dem Temperaturbereich von 200–230°C erhalten, wie es aus der graphischen Darstellung von 7 ersichtlich ist, die die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft eines zu bildenden Films und der Filmbildungssubstrattemperatur darstellt. Deshalb wird das Substrat normalerweise auf 280°C oder weniger erwärmt, so dass die Substrate in dem oben erwähnten Temperaturbereich liegen, wenn sie in die Magnetaufzeichnungsschichtbildungskammer gefördert werden, und dass außerdem die Unterlagenschicht, wie z. B. NiP, nicht magnetisiert sein würde. Das Substrat kann dort auch durch das Sputterätzen gereinigt werden.
Dann wird der Träger der Reihe nach zur Unterlagenschichtbildungskammer, einer oder mehreren Magnetaufzeichnungsschichtsputterkammern und der Passivierungsschichtbildungskammer gefördert, um jeweilige Schichten mit einer vorbestimmten Dicke auf den Substraten zu bilden. Danach kehrt der Träger zur Lastschleusenkammer zurück, wo die verarbeiteten Substrate von dem Träger abgenommen werden und nichtverarbeitete Substrate dem Träger aufgeladen werden.
Folglich wird eine Mehrzahl von Trägern von der/zu der Lastschleusenkammer durch die Vorbehandlungskammer und die Schichtbildungskammern geschickt und rückgeführt, um die kontinuierliche Produktion von Magnetaufzeichnungsmedien durchzuführen.
Jedoch ist das Verfahren zur Bildung eines Mehrschichtenfilms durch Fördern der Substrate zu einer Mehrzahl von Kammern, um jeweilige Schichten zu bilden, insofern nachteilig, als während der Substratförderung das Restgas in einem Vakuum auf der Filmoberfläche adsorbiert und magnetische Eigenschaften infolge der Beimengung von Verunreinigungen und der Oxidschichtbildung an der Grenzfläche verschlechtert.
Im Fall des Mehrschichtenfilms von sehr dünnen Schichten, insbesondere wie z. B. eines Magnetaufzeichnungsfilms, der aus Wiederholungen einer Doppelschicht aus Co und Pd zusammengesetzt ist, wobei jede Schicht eine Dicke von 1 nm oder weniger aufweist, beeinflusst das Restgas auf bemerkenswerte Weise die Eigenschaften, was es unmöglich machen kann, gewünschte magnetische Eigenschaften zu erhalten. Im Fall von z. B. longitudinalen CoCr-Magnetaufzeichnungsmedien wurde es gefunden, dass adsorbiertes Gas das Kristallkorn des darauf abgelagerten Films feiner machte und in die Magnetaufzeichnungsschicht diffundierte, um die Koerzitivkraft zu verringern, da die Bildung der magnetischen Isolierstruktur der Kristallkörner, die zur Rauschminderung notwendig ist und die der Cr-Segregation zur Korngrenze zugeschrieben wird, gehemmt wird.
Weiter kann der Nachteil des Temperaturabfalls während der Substratförderung nicht vermieden werden, und deshalb ist es schwierig, die Substrattemperatur in jeweiligen Filmbildungskammern auf einen optimalen Wert einzustellen. D. h., um ein Magnetaufzeichnungsmedium mit besseren Eigenschaften herzustellen, sollte jede Magnetaufzeichnungsschicht bei einer optimalen Temperatur für verschiedene Materialien und Aufbauweisen des Films gebildet werden. Jedoch war es schwierig, solchen Anforderungen mit Stand-der-Technik-Vorrichtungen zu entsprechen.
Im Fall eines Bildens von Mehrschichtenfilmen, die aus einigen zehn Schichten, wie z. B. ein Co/Pd-Mehrschichtenmagnetfilm, zusammengesetzt sind, werden die Substrate zu vielen Prozesskammern gefördert. Infolgedessen wird die Oberfläche während einer Förderung mit Restgas verunreinigt. Zusätzlich wird ein sehr großer Stellraum für die Vorrichtung gefordert, da ihre Abmessung außerordentlich zugenommen hat.
Obwohl die Nachteile der Vorrichtung und des Filmbildungsverfahrens nach dem Stand der Technik für die Magnetplatten als ein Beispiel beschrieben worden sind, wird erwartet, dass ähnliche Probleme auch für die verschiedensten Elemente und Geräte auftreten, die magnetische Dünnfilme verwenden, wie z. B. ein Magnetowiderstands (MR)-Kopf für eine Lese/Schreib-Operation und Mehrschichtengeräte oder -elemente, die aus verschiedenen Materialien, die von magnetischen Materialien verschieden sind, zusammengesetzt sind.
Die US 5 674 366 A offenbart ein Magnetronsputtersystem. Im Innern der Sputterkammer sind Targets vorgesehen, die als eine Kathode dienen. Ein Substrat, das als eine Anode dient, ist auf einem Substrathalter angeordnet. Während der Filmbildung wird der Substrathalter gedreht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter solchen Umständen ist es ein Ziel dieser Erfindung, eine Sputtervorrichtung und ein Dünnfilmbildungsverfahren bereitzustellen, die es möglich machen, jeweilige Schichten eines Mehrschichtenfilms mit einer reinen Grenzfläche bei einer optimalen Temperatur zu bilden, oder die es möglich machen, die Filmbildung und die Oberflächenverarbeitung kontinuierlich durchzuführen. Ein anderes Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine kleine Sputtervorrichtung zur Bildung eines Mehrschichtenfilms verglichen mit Stand-der-Technik-Vorrichtungen bereitzustellen.
Das Ziel der Erfindung wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 erreicht.
Mit dieser Konfiguration wird es möglich, die Oberflächenverarbeitung von Substraten und die Dünnfilmbildung gleichzeitig oder kontinuierlich in einer Prozesskammer auszuführen. Deshalb kann der Film auf einer reinen Oberfläche und auf einer Oberfläche gebildet werden, die für gewünschte Filmeigenschaften geeignet ist. Dies macht es möglich, die verschiedensten funktionellen Hochqualitätsdünnfilme mit reinen Grenzflächen zu bilden. Indem z. B. ein Substrat-Wärmebehandlungsmechanismus angebracht wird, kann die Filmbildung bei einer optimalen Temperatur durchgeführt werden, um vorbestimmte Eigenschaften zu erhalten, weil das Substrat auf eine beliebige Temperatur erwärmt werden kann, die für eine Filmbildung geeignet ist, anders als bei der Vorrichtung vom In-Line-Typ nach dem Stand der Technik, bei der das Substrat auf die höhere Temperatur als die Filmbildungstemperatur überheizt werden sollte, was im voraus den Temperaturabfall während der Förderung berücksichtigt.
Weiter kann die kleinere und weniger kostspielige Vorrichtung, die zur Bildung von Mehrschichtenfilmen verwendet wird, verwirklicht werden, da der Mehrschichtenfilm in einer Prozesskammer gebildet werden kann, indem eine Mehrzahl von Targets um die Hauptwelle angeordnet wird.
Hier ist die Mitte jedes Substrats vorzugsweise so angeordnet, dass sie auf einem Umfang liegt, um mit dem Target zu überlappen, wenn die Hauptwelle oder der Substrathalter gedreht wird. Bei dieser Konfiguration kann elektrische Leistung einer Mehrzahl von Targets zugeführt werden, um sich gleichzeitig zu entladen. Folglich kann ein Mehrschichtenfilm mit derselben Anzahl von Schichten wie diejenige von Targets während eines Umlaufs der Hauptwelle oder des Substrathalters gebildet werden. Die Drehgeschwindigkeit und die dem Target zugeführte elektrische Leistung sollten abhängig vom Material und der Dicke der Schicht eingestellt werden. Es ist in diesem Fall auch möglich, jeweils ein Target zu einem Zeitpunkt zu entladen, und dann ein anderes Targets zu entladen, nachdem der Film mit einer vorbestimmten Dicke gebildet ist. Weiter kann die Oberflächenverarbeitung und die Dünnfilmbildung bei dem stationären Zustand der Hauptwelle durchgeführt werden.
Obwohl die Substratmitten vorzugsweise auf demselben Umfang platziert sind, wie erwähnt, können die jeweiligen Substratmitten auch auf den unterschiedlichen Umfangen platziert werden. Ähnlich können die Targets und die Oberflächenverarbeitungsmechanismen so angebracht werden, dass die Mitten auf unterschiedlichen Umfangen angeordnet sind.
Im Gegensatz dazu fällt, wenn ein Substrat auf einem Halter montiert ist, die Mitte des Substrats nicht notwendigerweise mit der Mittelachse der Hauptwelle zusammen. D. h., die Substratmitte kann von der Mittelachse entfernt angeordnet sein. In diesen Fällen wird mindestens das Target vorzugsweise so angebracht, dass es in Richtung auf die Mittelachse geneigt ist. Diese Konfiguration verbessert die Filmbildungsrate und die Nutzungsrate des Targets.
In dieser Erfindung wird vorzugsweise eine Trennwand zwischen dem Target und dem Oberflächenverarbeitungsmechanismus montiert, die eine wechselseitige Beeinträchtigung und wechselseitige Verunreinigung verhindert. Infolgedessen kann das stabile Verarbeiten aufrechterhalten werden und die Wartungsperiode kann verlängert werden.
Zusätzlich umfasst die Sputtervorrichtung weiter eine hinter dem Target angebrachte Magneteinheit zur Erzeugung einer elektrischen Magnetronentladung, indem ein Magnetfeld über der Oberfläche des Targets gebildet wird, und einen Drehmechanismus, um die Magneteinheit sich auf ihrer eigenen Achse zusammen mit oder unabhängig von der Hauptwelle drehen zu lassen. Die Filmbildungsrate erhöht sich mit dieser Konfiguration, die den Freiheitsgrad bei einer Herstellung von verschiedenen Mehrschichtenfilmen mit verschiedenem Aufbau erhöht. Die Nutzungsrate eines Targets wird auch verbessert.
Als der Oberflächenvorbehandlungsmechanismus dieser Erfindung wird vorzugsweise ein Wärmebehandlungsmechanismus, ein Ionenbestrahlungsmechanismus oder ein Plasmaverarbeitungsmechanismus verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die die Sputtervorrichtung der ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Schnittansicht, die die Drehkathodeneinheit der Sputtervorrichtung darstellt.
3 ist eine schematische Ansicht, die die Drehkathodeneinheit der zweiten Ausführungsform darstellt.
4 ist eine schematische Ansicht, die die Sputtervorrichtung der dritten Ausführungsform darstellt.
5 sind schematische Ansichten, die die Aufbauweisen von verschiedenen Mehrschichtenfilmen darstellen.
6 ist eine schematische Ansicht, die die Drehkathodeneinheit der vierten Ausführungsform darstellt.
7 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft des CoCrPt-Films und der Substrattemperatur darstellt.
In diesen Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Sputterkammer; 2 einen Träger; 3 eine Drehkathodeneinheit; 11 eine Seitenwand der Sputterkammer; 12 einen zylindrischen Befestigungsrahmen; 13 eine Magnetfluiddichtung; 14 ein Lager; 16 ein zylindrisches Element; 17 einen Motor; 18 ein erstes Zahnrad; 19 ein drittes Zahnrad; 21 eine Halteschnappeinrichtung; 22 ein Substrat; 30 eine Drehwelle (Hauptwelle); 31 eine Trennwand; 32, 33 ein Target; 34 einen Lampenheizer; 35 eine Stützplatte; 36 eine Kühlmittelkanalbildungsplatte; 37 einen Isolator; 39 ein plattenförmiges Element; 40 einen zylindrischen äußeren Rahmen; 41 einen mittigen Magneten; 42 einen Umfangsmagneten; 43 ein Joch; 44 ein viertes Zahnrad; 45 eine Magneteinheitmittelachse; 46 ein Lager; 47 ein zweites Zahnrad; 49 einen Schleifring; 50 eine Drehverbindung; 51 einen Kühlmittelkanal; 61 einen Wärmebehandlungsmechanismus; 62 einen Ionenbestrahlungsmechanismus; 63 eine Ionenkanone; 64 ein Gasausstoßrohr.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen dieser Erfindung werden durch Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Die erste Ausführungsform dieser Erfindung betrifft eine in den 1 und 2 dargestellte Sputterkammer, die zur Bildung eines magnetischen Co/Pd-Mehrschichtenfilms eines senkrechten Magnetaufzeichnungsmediums verwendet wird, der in 5(a) dargestellt ist. 1(a) ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Sputterkammer bei Betrachtung aus der Substratförderrichtung darstellt. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist eine Drehkathodeneinheit 3 auf jeder von zwei Seitenwänden der Sputterkammer 1 drehbar angebracht, um eine elektrische Entladung auf beiden Seiten eines Trägers 2 hervorzurufen, der zwei Substrate hält. Folglich kann der Mehrschichtenfilm gleichzeitig auf beiden Seiten eines Substrats gebildet werden.
Das Substrat 22 wird mit z. B. drei Halteschnappeinrichtungen 21 auf dem Träger 2 gehalten. Der Träger wird durch den wohlbekannten Fördermechanismus zu Prozesskammern gefördert, wie in 1(b) dargestellt ist. Der Fördermechanismus, der z. B. eine Magnetkopplung verwendet, die in JP10-159934A offenbart ist, wird vorzugsweise verwendet. Dieser Fördermechanismus besteht aus einem Träger mit einer Anzahl von kleinen senkrecht magnetisierten Magneten, die entlang der Förderrichtung unten angeordnet sind, so dass die Magnetisierungsrichtung der Magnete alternierend umgekehrt ist, und Drehwalzen, die entlang der Förderrichtung angeordnet sind, die eine Vielzahl von helixförmigen Magneten auf der Peripherie aufweisen. Der Träger wird schweben gelassen und durch Drehen der Walzen entlang den Walzen hinüber gefördert.
1(c) ist eine Draufsicht auf die Drehkathodeneinheit 3 bei Betrachtung von der Substratposition. Ein CoB-Target 32, ein Pd-Target 33 und ein Lampenheizer (Wärmebehandlungsmechanismus) 34 zum Heizen der Substrate sind konzyklisch um die Drehmitte der Drehkathodeneinheit 3 montiert. Genauer gesagt sind für z. B. ein 2,5 Inch-Substrat Targets mit einem Durchmesser von 90 mm angebracht, so dass sich ihre Mitten auf dem Umfang eines Radius von 74 mm befinden. Die Substrate sind auch so auf dem Träger angebracht, dass die Mitten auf dem Umfang desselben Radius liegen und sich das Target über die ganzen Substrate hinwegbewegt. Zwischen jeweils zwei von den Targets 32 und 33 und dem Wärmebehandlungsmechanismus 34 ist eine Trennplatte 31 montiert, um eine wechselseitige Beeinträchtigung und wechselseitige Verunreinigung zu verhindern. Die Konfiguration und der Mechanismus der Drehkathodeneinheit werden mit Bezug auf 2 erläutert, die eine Querschnittsansicht entlang der A-A-Linie von 1(c) ist.
Die Drehkathodeneinheit 3 dieser Ausführungsform ist durch eine Magnetfluiddichtung 13 und ein Lager 14 drehbar an einem zylindrischen Befestigungsrahmen 12 mit einem Stufenteil angebracht. Der Rahmen 12 ist auf der Seitenwand 11 der Sputterkammer befestigt. Die Drehkathodeneinheit besteht aus: einem plattenförmigen Element 39, auf dem die Targets 32, 33 und der Wärmebehandlungsmechanismus 34 befestigt sind; einer Drehwelle 30, um das Element 39 zu befestigen; einem zylindrischen äußeren Rahmen 40, der an dem Perimeterteil des plattenförmigen Elements 39 befestigt ist, um die Drehwelle 30 zu umgeben; und einem Motor 17, um den äußeren Rahmen 40 zu drehen. Die Magnetfluiddichtung 13 ist zwischen dem zylindrischen äußeren Rahmen 40 und dem zylindrischen Befestigungsrahmen 12 platziert. Ein zweites Zahnrad 47 ist auf dem zylindrischen äußeren Rahmen 40 angebracht, um mit einem ersten Zahnrad 18 in Eingriff zu treten, das an der Drehwelle des Motors 17 befestigt ist.
Das Target 32 ist auf einer Stützplatte 35 festgeklammert und ist durch eine Kühlmittelkanalbildungsplatte 36 und einen Isolator 37 auf einem plattenförmigen Element 39 befestigt. Die Kühlmittelkanalbildungsplatte 36 ist mit einem Schleifring 49 verbunden, der mit einer externen elektrischen Stromquelle verbunden ist (nicht veranschaulicht), um dem umlaufenden Target elektrische Leistung zuzuführen. Der Schleifring von z. B. ϕ 150–60, 3chSR (GLOBETECH INC.) kann verwendet werden. Außerdem ist der zwischen der Kühlmittelkanalbildungsplatte 36 und der Stützplatte 35 gebildete Kühlmittelkanal 51 durch ein Kühlmittelversorgungsrohr und ein Abgasrohr (nicht veranschaulicht), mit einer Drehverbindung 50 verbunden, um das umlaufende Target zu kühlen, indem Kühlmittel mit einem thermostatischen Bad umgewälzt wird (nicht veranschaulicht). Als die Drehverbindung 50 wird z. B. eine Drehverbindung KT-4-02-1W (KOYOYUATSU) verwendet.
Zusätzlich ist eine Abschirmung 38 des Erdpotenzials montiert, um den Targetperimeter, die Stützplatte und die Seitenfläche der Kühlmittelkanalbildungsplatte abzuschirmen.
Die Magneteinheit, die aus einem mittigen Magneten 41, einem Umfangsmagneten 42 und einem Joch 43 besteht, ist auf dem Plateauteil des zylindrischen äußeren Rahmens 40 hinter dem Target angeordnet, und ihre Mittelachse 45 wird von einem Lager 46 drehbar getragen. Weiter ist ein viertes Zahnrad 44 auf der Jochbasis so angebracht, dass es mit einem dritten Zahnrad 19 in Eingriff gebracht ist, das auf dem äußersten Endteil eines zylindrischen Elements 16 montiert ist, das zwischen dem zylindrischen äußeren Rahmen 40 und der Drehwelle 30 angebracht ist. Deshalb dreht sich, wenn der Motor 17 gedreht wird, der zylindrische äußere Rahmen 40 mit Hilfe des ersten Zahnrads 18 und des zweiten Zahnrads 47 (d. h. das Target und die Magneteinheit laufen um die Drehwelle um), und die Magneteinheit dreht sich auch mit Hilfe des dritten Zahnrads 19 und vierten Zahnrads 44. Hier ist ein zylindrisches Element 16 an der Drehwelle 30 und dem zylindrischen äußeren Rahmen 40 durch Lager 48 befestigt.
Das ringförmige parallele Magnetfeld wird über der Targetoberfläche mit der Magneteinheit erzeugt, um eine elektrische Magnetronentladung hervorzurufen. Außerdem ist, da der mittige Magnet 41 und der Umfangsmagnet 42 unsymmetrisch zur Mitte 45 angeordnet sind, das ringförmige Magnetfeld über der Targetoberfläche auch unsymmetrisch. Aus diesem Grund kann sich das ringförmige Magnetfeld auch über die ganze Targetoberfläche bewegen, wenn sich die Magneteinheit dreht, was bedeutet, dass die ganze Targetoberfläche gleichförmig gesputtert wird. Dies verlängert die Targetlebensdauer und verbessert die Filmdickengleichförmigkeit des auf dem Substrat gebildeten Dünnfilms.
Zusätzlich wird auch ein Lampenheizer 34, ein Wärmebehandlungsmechanismus, auf dem plattenförmigen Element 39 angebracht und wird mit einer externen Stromquelle (nicht veranschaulicht) durch den Schleifring 49 auf dieselbe Weise wie das Target verbunden.
Als Nächstes wird die Filmbildungsprozedur zur Bildung des Co/Pd-Mehrschichtenfilms auf dem Substrat erläutert, wenn der Träger, der die Substrate hält, in die Sputterkammer 1 gefördert wird.
Das Absperrventil der Sputterkammer wird geöffnet, und der Träger, der zwei Substrate hält, auf denen die NiAl-Unterlagenschicht gebildet worden ist, wird in die Sputterkammer gefördert. Der Träger wird angehalten, wenn die Trägermitte zur Mittenposition der Drehkathodeneinheit kommt, und das Absperrventil wird geschlossen. Eine Abschirmplatte 23 mit Öffnungen über Substratpositionen ist über dem Träger montiert, um die Filmablagerung auf einem benachbarten Substrat und auf der Kammerwand zu verhindern. Der Zwischenraum zwischen der Abschirmplatte 23 und der Trennplatte 31 wird so eingestellt, dass sie nicht in Berührung miteinander kommen, und wird normalerweise auf etwa 3–10 mm gesetzt.
Die Drehkathodeneinheit wird mit einer Geschwindigkeit von z. B. 60 U/min gedreht, die elektrische Leistung von 300 W wird dem Lampenheizer, wie z. B. dem ϕ 80, 2 kW-Kreisheizer (Daiken DENKI Co., Ltd), zugeführt, um die Substrate für etwa 4 Sekunden auf 70–100°C zu heizen, und dann wird die elektrische Leistung abgeschaltet. Die Temperatur wird auf 70–100°C für die Bildung des Überstrukturfilms gesetzt, da die Mischung zwischen Schichten bei Erwärmung auf eine höhere Temperatur auftritt. Dann wird Ar-Gas von einem Gaseinleitungsmechanismus bis auf 10 Pa eingeleitet (nicht veranschaulicht).
Eine elektrische Gleichstromleistung von 350 W wird dem Pd-Target zugeführt, um eine Pd-Schicht mit einer Dicke von 10 nm auf dem Substrat zu bilden. Als Nächstes wird dem CoB-Target eine elektrische Gleichstromleistung von 400 W zugeführt. Die Bildung einer Doppelschicht aus CoB (0,3 nm) und Pd (1,0 nm) wird kontinuierlich neunmal wiederholt, um den Überstrukturfilm zu erzeugen. Dann wird die elektrische Stromversorgung zum CoB-Target ausgeschaltet, und die 1,0 nm-dicke Pd-Schicht wird darauf gebildet. Dann werden die elektrische Leistung und Gaseinleitung auch abgeschaltet. Nachdem die Kammer auf einen vorbestimmten Vakuumgrad evakuiert ist, wird das Absperrventil zwischen Sputterkammer und der Passivierungsschichtbildungskammer geöffnet, um den Träger herauszuschicken. Ein Kohlenstoffpassivierungsfilm mit einer Dicke von 8,0 nm wird in der Passivierungsschichtbildungskammer abgelagert. Folglich wurde der Träger herumbewegt, um in jeweiligen Kammern auf Substraten einen vorgeschriebenen Prozess durchzuführen, was es möglich macht, kontinuierlich Hochqualitätsmagnetmedien mit verunreinigungsfreien reinen Grenzflächen herzustellen.
Die magnetischen Medien mit einem Co/Pt-Mehrschichtenfilm können zur Erlangung von vortrefflichen magnetischen Eigenschaften auch auf dieselbe Weise wie der Co/Pd-Mehrschichtenfilm hergestellt werden.
Die folgenden Konfigurationen, die zu denen, die in 1 dargestellt sind, ähnlich sind, stehen auch zur Verfügung. D. h. die Co- und Pt-Targets können auf dem vom Lampenheizer unterschiedlichen Umfang angebracht werden. Die Mitte des Umfangs, auf dem die Substrate platziert sind, kann von der Drehwellenmittelachse verlagert sein, was in einigen Fällen die Filmdickengleichförmigkeit verbessert.
Als die zweite Ausführungsform dieser Erfindung werden die Sputterkammern erläutert, die zur Bildung von Unterlagen- und weichmagnetischen Schichten (Ti/FeTaC/Ti) und Aufzeichnungsschichten (Fe/Pt) eines magnetischen Mediums, das in 5(b) dargestellt ist, verwendet werden.
Die Unterlagenschichtbildungs- und weichmagnetische Schicht bildende Kammer und die Magnetaufzeichnungsschichtbildungskammer sind nahezu dieselben wie diejenigen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, abgesehen von der Targetkonfiguration und dem Verarbeitungsmechanismus der Drehkathodeneinheit. Die Drehkathodeneinheiten der Unterlagenschichtbildungs- und weichmagnetische Schicht bildenden Kammer und die Magnetaufzeichnungsschichtbildungskammer sind in den 3(a) bzw. (b) dargestellt.
Ein Ti-Target zur Bildung einer Unterlagenschicht, ein FeTaC-Target zur Bildung einer weichmagnetischen Schicht (Unterschicht), um das Magnetfeld von Magnetaufzeichnungsschichten zu überbrücken, und ein Wärmebehandlungsmechanismus 61 sind auf der Drehkathodeneinheit der Unterlagenschichtbildungs- und weichmagnetische Schicht bildenden Kammer angebracht.
Ein Ionenbestrahlungsmechanismus 62 zum Reinigen und Planmachen einer Ti-Schicht-Oberfläche, ein Wärmebehandlungsmechanismus 61, ein Fe-Target und ein Pt-Target sind auf der Drehkathodeneinheit der Magnetaufzeichnungsschichtbildungskammer angebracht. Als der Ionenbestrahlungsmechanismus 62 wird vorzugsweise derjenige, der aus einer Anzahl von Ionenkanonen 63 besteht, wie z. B. eine Mehrzellen-Ionenstrahlquelle MCIS-12A (ADVANTEST ENERGY) verwendet, um Ionen gleichförmig auf die Substratoberfläche zu schießen. Außerdem kann ein Plasmaverarbeitungsmechanismus statt eines Ionenbestrahlungsmechanismus verwendet werden.
Wenn der Träger, auf den die Substrate in der Lastschleusenkammer geladen werden, in die Unterlagenschichtbildungs- und weichmagnetische Schicht bildende Kammer gefördert wird, wird die Drehkathodeneinheit gedreht, das Sputtergas, wie z. B. Ar, wird eingeleitet, und der elektrische Strom wird dem Wärmebehandlungsmechanismus zugeführt. Nachdem die Substrate auf 70–100°C erwärmt sind, wird dem Ti-Target eine elektrische Leistung zugeführt, um einen Ti-Film mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden. Die elektrische Leistung zum Ti-Target wird abgeschaltet. Stattdessen wird die elektrische Leistung dem FeTaC-Target zugeführt, um eine weichmagnetische Schicht mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden. Nachdem die obere Ti-Schicht auf ähnliche Weise gebildet ist, werden die gesamte elektrische Stromversorgung und Gaszufuhr ausgeschaltet. Dann wird der Träger zur Magnetaufzeichnungsschichtbildungskammer gefördert.
Wenn der Träger in die Magnetaufzeichnungsschichtbildungskammer gefördert ist, beginnen die Drehkathodeneinheiten damit, sich zu drehen. Dann werden die Ionenkanonen und die Heizmechanismen angetrieben. Die von den Ionenkanonen emittierten Ionen entfernen das Restgas, das auf der Oberfläche eines Ti-Films haftet, der auf dem Substrat gebildet ist, und machen die Ti-Atomoberfläche plan, um eine reine ebene Ti-Schicht mit einer Dicke von 0,5–1 nm zu bilden.
Nachdem die Substrate auf etwa 400°C erhitzt sind, wird dem Fe-Target und Pt-Target die elektrische Leistung zugeführt, um eine elektrische Entladung zu starten und den senkrechten magnetischen Film von FePt-Legierung zu bilden.
Der Träger wird weiter zu einer Passivierungsschichtbildungskammer gefördert, um eine Kohlenstoffpassivierungsschicht zu bilden. Dann kehrt der Träger zur Ladeschleusenkammer zurück, in der die verarbeiteten Substrate von dem Träger abmontiert und neue Substrate auf ihn montiert werden, um oben erwähnte Prozeduren wiederholt durchzuführen.
Der FePd-Film kann auch auf dieselbe Weise wie der FePt-Film hergestellt werden.
Als Nächstes ist die dritte Ausführungsform dieser Erfindung in 4 dargestellt.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Sputterkammer darstellt, die vorzugsweise verwendet wird, um einen TMR(Tunnelmagnetowiderstands)-Film des nichtflüchtigen Magnetowiderstands-Direktzugriffsspeichers (MRAM) unter Verwendung des Magnetowiderstandeffekts zu bilden.
Wie in 5(c) dargestellt, besteht ein Mehrschichten-TMR-Film aus gepinnten Eisen(III)-Typ-Schichten aus CoFe/Ru/CoFe, freien Schichten aus NiFe/CoFe und einer Sperr(Isolator)-Schicht aus Al₂O₃ oder dergleichen, die zwischen ihnen eingefügt ist. Die Oberflächengleichförmigkeit einer unteren Schicht (CoFe) beeinflusst die Sperreigenschaften sehr, weil die Sperrschicht so dünn wie 1–1,5 nm ist. D. h. die Reinheit und Gleichförmigkeit der unteren Schichtoberfläche ist sehr wichtig.
In der in 4(a) dargestellten Sputterkammer beginnt die Filmbildung, wenn die Mitte des Substrats 22, das auf dem Träger 2 angebracht ist, zur Position der Drehkathodeneinheitsmitte kommt. In dem Fall, wo die Filmbildung bewerkstelligt wird, nachdem die Mitte des Substrats 22 mit der Mitte der Drehkathodeneinheit 3 in Übereinstimmung gebracht ist, ist es, wie in 4(a) dargestellt, vorteilhaft, das Target und den Substratverarbeitungsmechanismus auf einer Drehkathodeneinheit anzubringen, die um einen vorbestimmten Winkel (z. B. 20 Grad) zum Substrat geneigt ist. Die Filmbildungsrate und das Targetnutzungsverhältnis werden verglichen mit dem Fall verbessert, wo das Target parallel zum Substrat angebracht ist. Außerdem ist, da der TMR-Film in dieser Ausführungsform auf einer Seite eines Substrats gebildet ist, die Drehkathodeneinheit an nur einer Seitenwand der Sputterkammer 1 angebracht.
Die 4(c)–(e) sind Draufsichten auf eine Drehkathodeneinheit in den Sputterkammern zur Bildung der gepinnten Schichten, der Sperrschicht bzw. der freien Schichten. D. h., wie in 4(c) dargestellt, sind ein CoFe-Target, ein Ru-Target und ein Wärmebehandlungsmechanismus 61 auf der Drehkathodeneinheit angebracht, um die gepinnten Schichten zu bilden. Ähnlich sind ein Al-Target und ein Ionenbestrahlungsmechanismus 62 auf der Drehkathodeneinheit angebracht, um den Sperrschichtfilm zu bilden. Hier ist ein ringförmiges O₂-Gas-Ausstoßrohr 64 mit einer großen Anzahl von Gasauslässen so angeordnet, dass es das Al-Target umgibt (4(d)). Ein CoFe-Target, ein NiFe-Target und ein Wärmebehandlungsmechanismus 61 sind auf der Drehkathodeneinheit angebracht, um die freien Schichten zu bilden (4(e)).
Der Träger, der das Substrat hält, auf dem eine Ta-Pufferschicht, eine NiFe-Impfschicht und eine antiferromagnetische PtMn-Schicht schon gebildet worden sind, wird in eine eine gepinnte Schicht bildende Sputterkammer gefördert und hält an der Position an, wo die Substratmitte zur Drehkathodeneinheitsmitte kommt. Die Drehkathodeneinheit beginnt damit, sich zu drehen. Dann wird Ar-Gas eingeleitet, und es wird dem Wärmebehandlungsmechanismus 61 elektrische Leistung zugeführt, um das Substrat bis auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, um das Restgas zu entfernen, das auf der Oberfläche adsorbiert ist. Dann wird jeweils einem Target elektrische Leistung zugeführt, um eine Entladung zu bewirken und die Schichten mit einer vorbestimmten Dicke in der Reihenfolge von CoFe/Ru/CoFe zu bilden.
Dann wird der Träger zur Sputterkammer für eine Sperrschicht gefördert, nachdem die gepinnten Schichten gebildet sind. Hier werden zuerst Ar-Ionen aus den Ionenkanonen auf die Substratoberfläche geschossen, um den CoFe-Film zu reinigen und plan zu machen. Dann wird Ar-Gas eingeleitet, und O₂-Gas wird auch von einem O₂-Gas-Ausstoßrohr eingeleitet, um einen Al₂O₃-Film auf dem CoFe-Film zu bilden. Folglich kann, da die CoFe-Filmoberfläche vor einer Al₂O₃-Isolierschichtbildung plan gemacht ist, der sehr dünne und plane Al₂O₃-Film mit vortrefflichen dielektrischen Eigenschaften gleichförmig gebildet werden, was den Tunneleffekt zwischen oberen und unteren Schichten verbessert. Es ist auch möglich, einen SiO₂- statt des Al₂O₃-Isolierfilms zu verwenden. Obwohl die Oberfläche mit Ar-Ionen plan gemacht ist, wobei in dieser Ausführungsform die Ionenkanonen verwendet werden, kann statt der Ionenkanone auch ein Plasmaverarbeitungsmechanismus verwendet werden, der das Niederenergieplasma hervorruft.
Danach wird der Träger zur Sputterkammer für die freien Schichten gefördert. Das Substrat wird durch einen Wärmebehandlungsmechanismus auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, um die Oberfläche zu reinigen und dann CoFe- und NiFe-Schichten darauf zu bilden. Als Nächstes wird in einer Passivierungsschichtbildungskammer eine Ta-Passivierungsschicht gebildet, um ein MRAM fertigzustellen.
Das Riesenmagnetowiderstandselement mit einem Spinventilfilm (dem Spinventil-GMR) mit einem ähnlichen Aufbau wie ein MRAM kann auf eine ähnliche Weise hergestellt werden. Im Fall des in 5(d) dargestellten Filmaufbaus werden z. B. die magnetischen Eigenschaften sehr verbessert, indem eine Plasmaverarbeitung mit einem Inertgas, wie z. B. Ar, Ne, Kr, Xe und dergleichen, auf jeder Grenzfläche von gepinnten (Magnetisierungs-)Schichten aus CoFe/Ru/CoFe durchgeführt wird. D. h. es können das größere MR-Verhältnis und das kleinere Hin (< ±10 Oe) erhalten werden, indem ein Plasmaverarbeiten vor der Filmbildung durchgeführt wird.
Aus diesem Grund umfasst die Drehkathodeneinheit in einer Sputterkammer für gepinnte (Magnetisierungs-)Schichten vorzugsweise ein CoFe-Target, ein Ru-Target und eine Elektrode zur Erzeugung eines Plasmas. Die Plasmaverarbeitung wird z. B. bei einem Druck von 0,01–100 Pa ausgeführt, indem der Elektrode etwa 0,5 W/cm² HF-Leistung zugeführt wird und eine Substratvorspannung so eingestellt wird, dass sie –30 V bis 0 V beträgt.
Wenn der Film auf einer Seite eines Substrats gebildet wird, kann eine Cluster-Typ-Vorrichtung, die eine Transferkammer, in der ein Roboter angeordnet ist, um Substrate zu transferieren, und eine oder mehrere Sputterkammern umfasst, die um die Transferkammer angeordnet sind, statt einer In-Line-Typ-Vorrichtung verwendet werden, die bisher erwähnt worden ist.
In jeder Prozesskammer der Cluster-Typ-Vorrichtung kann das Substrat gedreht werden, während die Kathodeneinheit, die mit dem Target und dem Oberflächenheizmechanismus ausgerüstet ist, stillsteht. In diesem Fall ist es wünschenswert, den Drehmechanismus, wie z. B. einen Motor, an der Magneteinheit, die hinter dem Target angebracht ist, einzeln anzubringen. Und jegliche Konfiguration kann verwendet werden; z. B. kann ein Substrat so platziert werden, dass die Substratmitte mit der Mittelachse zusammenfallt oder von ihr entfernt ist, oder ein oder mehrere Substrate können so platziert werden, dass sie unter dem Target und Verarbeitungsmechanismus vorbeilaufen.
Als die vierte Ausführungsform dieser Erfindung ist die Drehkathodeneinheit, die zur Herstellung von Überstrukturfilmen für ein optisches Röntgenstrahlelement verwendet wird, in 6 dargestellt.
Die Konfiguration einer Sputterkammer ist dieselbe, wie in 1(a) dargestellt. Jedoch sind zwei Siliciumsubstrate zusammengestapelt und werden an jeder Substrathalteposition des Trägers gehalten. Eine solche Konfiguration verbessert die Produktivität. Ein Ni-Target und ein C-Target, die jeweils mit einem ringförmigen N₂-Gas-Ausstoßrohr 64 ausgerüstet sind, und ein Ionenbestrahlungsmechanismus 62 sind auf der Drehkathodeneinheit 3 angebracht.
Nachdem die Drehkathodeneinheit gedreht ist und die Substrate mit Ionen gereinigt und plan gemacht sind, wird die elektrische Stromversorgung zu den Ionenkanonen ausgeschaltet. Dann werden Ar- und N₂-Gas eingeleitet, und es wird elektrische Leistung gleichzeitig zwei Targets zugeführt. Die elektrische Entladung wird erzeugt, um den Mehrschichtenfilm zu erzeugen. Hier werden eine CN-Schicht und eine NiN-Schicht mit jeweils einer Dicke von 2,5 nm während eines Umlaufs der Kathodeneinheit gebildet. Deshalb kann, während die Kathode 30mal gedreht wird, die Überstruktur gebildet werden, die dreißig Wiederholungen einer Doppelschicht aus NiN (2,5 nm) und CN (2,5 nm) aufweist.
Überstrukturfilme, wie z. B. CrN/CN, CuxN/CN und VN/CN, werden auch auf eine ähnliche Weise hergestellt, indem ein Cu-, Cr- oder V-Target statt eines Ni-Targets verwendet wird. In diesen Fällen wird die elektrische Leistung, die jedem Target zugeführt wird, oder die Drehgeschwindigkeit einer Drehkathodeneinheit entsprechend dem Material oder der Dicke einer zu bildenden Schicht eingestellt.
Zusätzlich kann der Mehrschichtenfilm in dieser Erfindung nicht nur durch das normale Sputtern unter Verwendung von verschiedenen Targets gebildet werden, sondern auch durch das reaktive Sputtern unter Verwendung eines Targets und verschiedener reaktiver Gase.
Der Oberflächenverarbeitungsmechanismus dieser Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Der Oberflächenverarbeitungsmechanismus, der die Oberflächenmodifikation durchführt, steht auch zur Verfügung, wie z. B. eine Ionenimplantation, ein Plasmaverarbeitungsmechanismus (Niederenergieplasmagenerator) und dergleichen. Weiter kann zusätzlich zum Lampenheizer ein ebeneres Heizelement, in dem ein Widerstand von z. B. pyrolytischem Graphit auf einem pyrolytischen Bornitrid (PBN)-Substrat in verschiedenen vorbestimmten Muster gebildet ist, ein Mantelheizer oder dergleichen als ein Wärmebehandlungsmechanismus verwendet werden.
Mehrschichtenfilme, die aus einem Isolator, wie z. B. Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder dergleichen, einem Metallfilm und Halbleiter, Überstrukturfilmen, die aus periodischen Wiederholungen einer Mehrzahl von Schichten bestehen, und so weiter zusammengesetzt sind, werden für Magnetplatten, integrierte Halbleiterschaltungen oder Flüssigkristallanzeigen verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jede Schicht auf der reinen Oberfläche eines Substrats, Unterlagenfilms oder verschiedener Filme gebildet werden, was es möglich macht, Mehrschichtenfilme mit ausgezeichneten Eigenschaften in Bezug auf jeweilige Zwecke zu bilden. Eine Mehrzahl von Targets und Oberflächenverarbeitungsmechanismen können in derselben Kammer angebracht werden, was eine Vorrichtung mit einer hohen Produktivität bereitstellt, ohne dass ihre Abmessung vergrößert wird.

Claims

Sputtervorrichtung umfassend; eine Hauptwelle (30), um die mindestens ein Target (32) und mindestens ein Oberflächenverarbeitungsmechanismus (34) angebracht sind, einen Substrathalter (2), der ein Substrat (22) oder eine Mehrzahl von Substraten hält, die dem Target und dem Oberflächenverarbeitungsmechanismus gegenüberliegend angeordnet sind, und einen Drehmechanismus (17), um die Hauptwelle zu drehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwelle (30) das mindestens eine Target (32) und den mindestens einen Oberflächenverarbeitungsmechanismus (34) hält.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mitte von jedem besagten Substrat (22) so angeordnet ist, dass sie sich auf einem Umfang befindet, um mit dem Target (32) zu überlappen, wenn die Hauptwelle (30) gedreht wird.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Substrat (22) so angeordnet ist, dass seine Mitte mit der Mitte der Hauptwelle (30) übereinstimmt, und das Target so befestigt ist, dass es in Richtung auf die Hauptwelle geneigt ist.
Sputtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Trennwand zwischen dem Target (32) und dem Oberflächenverarbeitungsmechanismus (34) montiert ist.
Sputtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend: eine Magneteinheit (41, 42, 43), die hinter dem Target (32) angebracht ist, um eine elektrische Magnetronentladung zu erzeugen, indem ein Magnetfeld über der Oberfläche des Targets gebildet wird, und einen Drehmechanismus (17), um die Magneteinheit zusammen mit oder unabhängig von der Hauptwelle (30) auf ihrer eigenen Achse (45) in Drehung zu versetzen.
Sputtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Oberflächenverarbeitungsmechanismus ein Wärmebehandlungsmechanismus, ein Ionenbestrahlungsmechanismus oder ein Plasmaverarbeitungsmechanismus ist.
Dünnfilmbildungsverfahren, umfassend; den Schritt eines Anordnen von mindestens einem Target und mindestens einem Oberflächenverarbeitungsmechanismus um eine Hauptwelle und Anbringen der Hauptwelle in einer Vakuumkammer, den Schritt eines Durchführen einer Filmbildung und einer Oberflächenverarbeitung auf einem Substrat oder einer Mehrzahl von Substraten, die dem Target und dem Oberflächenverarbeitungsmechanismus gegenüberliegend angeordnet sind, gekennzeichnet durch den Schritt eines Befestigens des mindestens einen Targets und Oberflächenverarbeitungsmechanismus an der Hauptwelle und den Schritt eines Drehens der Hauptwelle bei dem Schritt eines Durchführens einer Filmbildung und Oberflächenverarbeitung.