CN102171379B - 溅射装置以及溅射方法 - Google Patents

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Abstract

一种溅射装置以及溅射方法，在基板(21)的处理面上形成磁场、使用高放电电力并通过斜入射溅射对磁性膜进行成膜的情况下，能够形成膜厚或表面电阻的面内分布的均匀性良好的膜。溅射装置(1)具备：基板保持架(22)，其保持基板(21)，使基板能够绕与基板处理面垂直的旋转轴进行旋转；基板磁场形成装置(30)，其配置于基板(21)的周围，在基板(21)的处理面上形成磁场；阴极(41)，其配置于基板(21)的斜上方，放电电力供给至该阴极(41)；位置检测装置(23)，其检测基板(21)的旋转位置；以及控制装置(50)，其根据位置检测装置(23)所检测到的旋转位置来调整基板(21)的旋转速度。

Description

溅射装置以及溅射方法
技术领域
本发明涉及一种对阴极提供高放电电力以使阴极与基板保持架之间产生放电，从而对安装在阴极上的靶材进行溅射来在基板上成膜的溅射装置以及溅射方法。详细地说，本发明涉及一种使基板一边绕与该基板的处理面(成膜面)垂直的旋转轴进行旋转一边进行成膜的溅射装置以及溅射方法。
背景技术
以往，已知如下一种溅射装置：在基板的斜上方偏移配置具备支承靶材的阴极的阴极单元，使基板绕与该基板的处理面垂直的旋转轴进行旋转，同时通过斜入射溅射对靶材进行溅射来在基板上成膜。
作为与其关联的技术，例如提出了如下一种溅射方法以及装置：使基板以适度的速度进行旋转，并将靶材的中心轴线相对于基板的法线的角度θ保持为15°≤θ≤45°的关系(参照专利文献1)。根据该溅射装置，即使使靶材的直径与基板相同或小于基板，也能够形成均匀的膜厚和膜质的膜。
专利文献1：日本特开2000-265263号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，即使在使用以往的斜入射溅射技术形成磁性膜时在表面电阻分布(或者膜厚分布)上也会产生与对其它材料进行成膜的情况相比较大的偏差。但是，在对该磁性膜进行成膜时，其表面电阻(或膜厚分布)的面内分布(1σ)实现为不足1％的值，因此并不是很大的问题。
另一方面近年来，随着提高溅射率的要求提高，正尝试放电电力的高电力化。具体地说，正在尝试通过增加提供给阴极的放电电力来提高溅射率。
然而，在通过使用高放电电力的斜入射溅射来进行磁性膜的成膜的情况下，表面电阻或膜厚分布的偏差进一步增大，而成为无法忽视的问题。
因此，本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种溅射装置以及溅射方法，其在通过斜入射溅射进行成膜的情况下，能够形成表面电阻的面内分布(或膜厚的面内分布)的均匀性良好的膜。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的而形成的本发明的结构如下。
即，本发明的第一方式所涉及的溅射装置具备：基板保持架，其保持基板，使基板能够绕与基板处理面垂直的旋转轴进行旋转；基板磁场形成装置，其配置于上述基板的周围，能够与上述基板一起旋转或与基板同步地进行旋转，用于在上述基板的处理面上形成磁场；以及阴极，其配置于上述基板的斜向位置上，该阴极被供给放电电力。然后，本发明的第一方式所涉及的溅射装置的特征在于，还具备：位置检测装置，其检测上述基板的旋转位置；以及控制装置，其根据上述位置检测装置所检测到的上述基板的旋转位置来控制上述基板的旋转速度。
在本发明的第一方式中，上述基板具备根据上述磁场的形成状态而生成的第一部分和第二部分，该第一部分容易吸引溅射粒子，该第二部分与上述第一部分相比对溅射粒子的吸引力较弱。然后，较为理想的是，上述控制装置进行以下控制：在上述基板的第一部分位于与通过放电电力的供给而进行放电的阴极相近的位置时控制上述基板的旋转速度为第一旋转速度；在上述基板的第二部分位于与上述进行放电的阴极相近的位置时使上述基板的旋转速度为比上述第一旋转速度慢的第二旋转速度。
较为理想的是，上述控制装置进行以下控制：随着上述第一部分接近通过放电电力的供给而进行放电的阴极，逐渐加快上述基板的旋转速度，控制其变为上述第一旋转速度；随着上述第二部分接近上述进行放电的阴极，逐渐减慢上述基板的旋转速度，控制其变为上述第二旋转速度。
另外，本发明的第一方式包括以下的优选方式：上述基板磁场形成装置在上述基板的处理面内形成朝向一个方向的单向磁场，在将平行于该单向磁场的方向而延伸的并通过上述基板的中心的直线在上述基板磁场形成装置的N极侧交叉的上述基板的周缘部作为N极侧中央缘部、将该直线在上述基板磁场形成装置的S极侧交叉的上述基板的周缘部作为S极侧中央缘部时，上述第一部分是N极侧中央缘部，上述第二部分是S极侧中央缘部。
并且，本发明的第一方式中的上述控制装置优选将上述旋转速度计算成上述基板的旋转角的正弦波函数，来控制上述基板的旋转速度。然后，本发明的第一方式包括以下的优选方式：设置有多个阴极，能够选择性地对它们提供放电电力。
本发明的第二方式所涉及的溅射装置具备：基板保持架，其保持基板，使基板能够绕与基板处理面垂直的旋转轴进行旋转；基板磁场形成装置，其配置于上述基板的周围，能够与上述基板一起旋转或与上述基板同步地进行旋转，由在上述基板的处理面内形成朝向一个方向的单向磁场的电磁铁构成；以及阴极，其配置于上述基板的斜向位置上，向该阴极供给放电电力。然后，本发明的第二方式所涉及的溅射装置的特征在于，还具备：位置检测装置，其检测上述基板的旋转位置；以及控制装置，其根据上述位置检测装置所检测到的上述基板的旋转位置来控制提供给上述基板磁场形成装置的电流，其中，在将平行于上述单向磁场的方向而延伸的并通过上述基板的中心的直线在上述基板磁场形成装置的N极侧交叉的上述基板的周缘部作为N极侧中央缘部、将上述直线在上述基板磁场形成装置的S极侧交叉的上述基板的周缘部作为S极侧中央缘部时，上述控制装置通过调整对上述基板磁场形成装置提供的电流，来随着上述N极侧中央缘部接近通过放电电力的供给而进行放电的阴极逐渐减少N极的磁力，随着上述S极侧中央缘部接近上述进行放电的阴极逐渐增加N极的磁力。
本发明的第三方式是一种溅射方法，在沿基板的处理面形成磁场的状态下，使上述基板绕与上述处理面垂直的旋转轴进行旋转，同时通过从上述基板的处理面的斜向进行的溅射来形成磁性膜，该溅射方法的特征在于，根据上述基板的旋转位置控制上述基板的旋转速度。
在本发明的第三方式中，较为理想的是，上述基板具备根据上述磁场的形成状态而生成的第一部分和第二部分，该第一部分容易吸引溅射粒子，该第二部分与上述第一部分相比对溅射粒子的吸引力较弱。而且，在本发明的第三方是中在上述基板的第一部分位于与通过放电电力的供给而进行放电的阴极相近的位置时使上述基板的旋转速度为第一旋转速度，在上述基板的第二部分位于与上述进行放电的阴极相近的位置时使上述基板的旋转速度为比上述第一旋转速度慢的第二旋转速度。
在本发明的第三方式中，较为理想的是，随着上述第一部分接近通过放电电力的供给而进行放电的阴极，逐渐加快上述基板的旋转速度，使其变为上述第一旋转速度，随着上述第二部分接近上述进行放电的阴极，逐渐减慢上述基板的旋转速度，使其变为上述第二旋转速度。
另外，在本发明的第三方式中，较为理想的是，使沿上述基板的处理面形成的磁场为在上述基板的处理内朝向一个方向的单向磁场，在将平行于该单向磁场的方向而延伸的并通过上述基板的中心的直线在上述基板磁场形成装置的N极侧交叉的上述基板的周缘部作为N极侧中央缘部、将该直线在上述基板磁场形成装置的S极侧交叉的上述基板的周缘部作为S极侧中央缘部时，上述第一部分是N极侧中央缘部，上述第二部分是S极侧中央缘部。
并且，较为理想的是，将上述旋转速度计算成上述基板的旋转角的正弦波函数，来控制上述基板的旋转速度。
本发明的第四方式是一种溅射方法，在利用电磁铁在基板的处理面内形成朝向一个方向的单向磁场的状态下，使上述基板绕与上述处理面垂直的旋转轴进行旋转，同时通过从上述基板的处理面的斜向进行的溅射来形成磁性膜。然后，本发明的第四方式的特征在于，在将平行于上述单向磁场的方向而延伸的并通过上述基板的中心的直线在上述基板磁场形成装置的N极侧交叉的上述基板的周缘部作为N极侧中央缘部、将上述直线在上述基板磁场形成装置的S极侧交叉到的上述基板的周缘部作为S极侧中央缘部时，通过调整对上述电磁铁提供的电流，来随着上述N极侧中央缘部接近通过放电电力的供给而进行放电的阴极逐渐减少N极的磁力，随着上述S极侧中央缘部接近上述进行放电的阴极逐渐增加N极的磁力。
发明的效果
根据本发明，在通过使用高放电电力的斜入射溅射形成磁性膜的情况下，也能够得到膜厚分布或表面电阻的面内分布的均匀性良好的膜。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一例所涉及的溅射装置的概要截面图。
图2是示意性地表示基板磁场产生单元的一例以及该基板磁场产生单元所形成的单向磁场的平面图。
图3是示意性地表示基板保持架与阴极单元之间的配置关系的平面图。
图4是由控制装置对基板保持架的旋转速度进行控制的机构的说明图。
图5是用于说明本发明的原理的图。
图6是基板保持架的旋转速度的控制例的说明图。
图7是形成于基板上的膜的表面电阻分布的说明图。
图8是表示作为能够应用本发明形成的电子部件的一例的TMR元件的说明图。
图9是示意性地表示本发明的其它例所涉及的溅射装置的概要截面图。
图10是示意性地表示本发明的其它例所涉及的溅射装置的概要截面图。
附图标记说明
1：溅射装置；100：溅射装置；101：溅射装置；10：腔(反应容器)；11：排气泵；12：气体注入口；13：反应性气体导入系统；21：基板；22：基板保持架；23：位置检测装置；30：基板磁场形成装置；30’：电磁铁；31：磁铁片；40：阴极单元；41：阴极；42：靶材；43：放电用气体导入系统；44：挡板(shutter)；50：控制装置；51：目标速度计算部；52：驱动信号生成部；60：旋转驱动机构；61：保持架旋转驱动部；62：反馈控制部；Nc：N极侧中央缘部；Sc：S极侧中央缘部。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式，但是本发明并不限定于本实施方式。
首先，基于图1～图8来说明本发明所涉及的溅射装置以及溅射方法的一例。此外，图1与图3的A-B截面相当。另外，在图1和图6中，虚线的斜线部示意性地表示等离子体。
如图1所示，本例的溅射装置1具备对处理空间划分形成的腔(Chamber)(反应容器)10。该腔10通过闸阀等未图示的主阀连接排气泵11，该排气泵11作为能够对该腔10的内部进行排气以使其达到所期望的真空度的排气系统。
该腔10上开有气体注入口12，该气体注入口12与向腔10的内部导入反应性的处理气体(反应性气体)的反应性气体导入系统13连接。反应性气体导入系统13例如通过质量流量控制器等自动流量控制器(未图示)连接气体罐(未图示)，从而以规定的流量从气体注入口12导入反应性气体。在要在腔10内进行反应性溅射的情况下，该反应性气体导入系统13对腔10内提供反应性气体。
在腔10内的处理空间的下部设置有用于在基板保持架22的上表面支承圆盘状的基板21的基板保持架22。通常利用搬运机器人(handling robot)(未图示)将作为处理对象的基板21通过水平槽(未图示)运送到基板保持架22上。基板保持架22是圆盘状的载置台，例如能够通过静电吸附将基板21吸附在基板保持架22的上表面上来支承该基板21。基板保持架22由导电性部件形成，其还作为在分别设置于后述的阴极单元40、40、…中的阴极41、41、…之间产生放电的电极而发挥功能。
该基板保持架22与旋转驱动机构60连接，构成为能够绕其中心轴进行旋转，从而使载置面上所吸附支持的基板21绕与该基板的处理面垂直的旋转轴进行旋转。另外，基板保持架22的旋转驱动机构60上设置有位置检测装置23，该位置检测装置23检测基板21的旋转位置(基板保持架22的旋转位置，由后述的基板磁场产生装置30形成的磁场M的旋转位置)。例如能够使用旋转编码器作为该位置检测装置23。此外，50是控制装置，稍后对其进行叙述。
如图1和图2所示，圆盘状的基板保持架22的外径被设定得比基板21的外径大，该基板保持架22上的基板21的周围配设有基板磁场形成装置30。在基板保持架22的载置面的周围，沿基板保持架22的圆周方向等间隔地配设多个由永磁铁形成的磁铁片31，由此构成本例的基板磁场形成装置30。如图2所示，基板磁场形成装置30沿基板21的处理面在处理面内形成朝向一个方向的一样的单向磁场M。图2所示的基板磁场形成装置30构成为如下结构：利用偶极环(Dipole Ring)将被磁化为各不相同的方向的多个圆弧状的磁铁片31组合成环状，形成上述单向磁场M。基板磁场形成装置30通过与基板保持架22设置为一体而与基板21一起旋转，因此上述单向磁场M也与基板21(基板保持架22)的旋转一起进行旋转。将通过基板21的中心并平行于单向磁场M的方向而延伸的直线在基板磁场形成装置30的N极侧交叉的基板21的周缘部作为N极侧中央缘部Nc，将该直线在基板磁场形成装置30的S极侧交叉的基板21的周缘部作为S极侧中央缘部Sc。
本发明中的基板磁场形成装置30的结构并不限定于上述结构。构成基板磁场形成装置30的磁铁也可以不是将磁铁片31连接在一起而形成的，而是形成为整体的环状。另外，基板磁场形成装置30也可以被设置成围绕基板保持架22的周围的其它的部件，并构成为能够与基板21(基板保持架22)的旋转同步地进行旋转。并且，构成基板磁场形成装置30的磁铁并不限于永磁铁，也可以使用电磁铁。
如图1所示，基板21以在基板保持架22的载置面上保持水平状态的方式被保持。例如使用圆板状的硅晶圆作为基板21，但是并不限于此。
上述基板保持架22的斜上方配置有具备阴极41、41、…的多个阴极单元40、40、…，该阴极41、41、…分别保持靶材42、42、…，该阴极41、41、…被供给放电电力。即，针对一个基板保持架22设置有多个阴极单元40、40、…，该多个阴极单元40、40、…分别以倾斜的状态安装在腔10的上壁部上。因而，变为如下的状态：多个阴极41、41、…相对于一个基板保持架22分别配置于与该基板保持架22倾斜方向的位置上。
如图1和图3所示，在本例中，腔10的上壁部上设置有五部阴极单元40、40、…，但是阴极单元40、40、…的数量并不限定于此。各阴极单元40、40、…被配置成：各阴极41、41、…倾斜于基板保持架22上的基板21的处理面，并且各阴极41、41、…的中心位于以基板保持架22的旋转轴为中心的圆形的圆周方向上，且间隔相等。这样，通过在同一腔10内设置多个阴极单元40、40、…，能够在一个腔10内形成层叠体的膜。
此外，基板21的直径、阴极41所保持的靶材42、42、…的直径并没有特别限定，在将基板21的中心和阴极41、41、…的中心偏移配置、使基板21进行旋转来成膜的情况下，即使靶材42、42、…的直径小于基板21的直径也能够进行均匀的成膜。
各阴极单元40、40、…中的阴极41、41、…的背面侧上具备配置了多个永磁铁的磁控管(Magnetron)，从而在靶材42、42、…的表面侧形成磁场。磁控管例如可以构成为在阴极41、41、…的背面侧构成纵横地配置永磁铁的磁组件，从而在靶材42、42、…的表面侧形成勾形磁场(Cusp Magnetic Field)。
各阴极单元40、40、…的阴极41、41、…的表面侧上分别安装有板状的靶材42、42、…。即，各靶材42、42、…设置于比阴极41、41、…更靠近处理空间侧的位置，各靶材42、42、…被配置成面向斜下方。靶材42、42、…的材质根据要在基板21上形成的膜的种类而不同。此外，在本例中，配置了五部阴极单元40、40、…，因此例如能够安装材质不同的五种靶材42、42、…，但是本发明并不限定于此。
各阴极单元40、40、…与对其分别具备的阴极41、41、…提供放电电力的未图示的放电用电源电连接。放电用电力可以是高频电力、DC(Direct Current：直流电)电力、或高频电力与DC电力的重叠中的任意一个电力。另外，选择性地对分别设置于多个阴极单元40、40、…的多个阴极41、41、…提供放电电力，但是各阴极41、41、…也可以连接独立的放电用电源，还可以设置开关等切换机构，以作为共用的放电用电源对各阴极41、41、…选择性地进行电力供给。
并且，各阴极单元40、40、…与在各个阴极41、41、…附近提供放电用的处理气体(放电用气体)的放电用气体导入系统43相连接。例如使用Ar(氩)等惰性气体作为放电用气体。通过在对所选择的阴极41提供放电电力的同时在该阴极41的附近提供放电气体，由此使该阴极41与基板保持架21之间产生等离子体放电，从而能够对安装在该阴极41上的靶材42进行溅射。
另外，在各阴极单元40、40、…的前方设置有能够选择性地将阴极41、41、…与基板保持架22之间打开或关闭的挡板44。通过选择性地开放该挡板44，能够从分别保持于阴极41、41、…的多个靶材42、42、…中选择目标靶材42来执行溅射。另外，能够防止进行溅射的靶材42受到其它靶材42、42、…的污染。
本例的溅射装置1与一般的同类装置同样地具备按规定的程序和检测数据控制成膜处理动作的控制装置。控制装置由一般的计算机和各种设备构成，其控制：对阴极41、41、…的放电电力的接通/断开、挡板44的开闭、放电用气体导入系统43的放电用气体的供给和停止、反应性气体导入系统13的反应性气体的供给和停止、排气泵11的动作、旋转驱动机构60的动作等。
在本发明中，作为上述公知的控制成膜处理动作的控制系统的一部分或者该控制系统具有以下特征：，具备对基板21的旋转速度进行调整的控制装置50。
如图4所示，控制装置50根据位置检测装置23所检测到的基板21的旋转位置，来调整基板保持架22的旋转速度(基板21的旋转速度)。控制装置50具备目标速度计算部51和驱动信号生成部52，具有根据基板21的旋转位置将基板保持架22的旋转速度控制为预定速度的功能。能够以图2中说明的N极侧中央缘部Nc或S极侧中央缘部Sc的位置为基准来检测基板21的旋转位置。目标速度计算部51根据由位置检测装置23检测到的旋转位置算出基板保持架22的目标旋转速度。例如能够通过预先将旋转位置与目标旋转速度的对应关系保持为图5所示的对应表来运算该目标旋转速度的值。另外，驱动信号生成部52根据由目标速度计算部51算出的目标旋转速度生成用于使速度成为该目标旋转速度的驱动信号，并输出到旋转驱动机构60。
旋转驱动机构60具备反馈控制部62和保持架旋转驱动部61。由上述驱动信号生成部52生成的驱动信号被发送到旋转驱动机构60的反馈控制部62。本例中的位置检测装置23除了检测上述基板21的旋转位置以外还能够检测基板保持架22的旋转速度(基板21的旋转速度)。在反馈控制部62中，根据由上述目标速度计算部51算出的目标旋转速度与从该位置检测装置23输出的基板保持架22的旋转速度之间的偏差来决定保持架旋转驱动部61的操作值。然后，根据该操作值对作为伺服电机的保持架旋转驱动部61的驱动进行控制，从而控制基板保持架22的旋转速度。
在本例中，如上所述旋转驱动机构60具备保持架旋转驱动部61和反馈控制部62，但是反馈控制部62并非必需的，也可以利用上述驱动信号直接使保持架旋转驱动部61进行动作。
接着，说明本例的溅射装置1的作用并且使用该溅射装置1实施的溅射方法。
关于使用了本发明所涉及的装置的溅射方法，首先将作为处理对象的基板21设置在基板保持架22上。例如使用搬运机器人(未图示)将基板21通过水平槽(未图示)运送到基板保持架22上。然后，根据需要，从未图示的电源对基板保持架22施加基板偏置电压。
接着，通过排气系统对腔10的内部进行排气，直到腔10的内部达到规定的真空度。然后，从放电用气体导入系统43对腔10的内部导入Ar等放电用气体。在进行反应性溅射的情况下，从反应性气体导入系统13向腔10的内部导入反应性气体。
五部阴极单元40、40、…的各阴极41、41、…上例如安装材料成分各不相同的五种靶材42、42、…。各靶材42、42、…例如呈圆板状，并形成为完全相同的尺寸。如上所述，阴极41、41、…的倾斜角在本发明中没有特别限定，但是优选以如下的方式配置阴极单元40、40、…：使阴极41、41、…的中心轴相对于基板21的处理面的法线的角度θ为大于0°且小于等于45°的角度。更为理想的是，如果将上述角度θ设定为大于等于5°且小于等于35°，则会提高所得到的膜的膜厚或表面电阻值的面内均匀性。
在该状态下，首先，在第一阴极单元40的第一靶材42的表面形成磁场，从未图示的放电用电源对第一阴极41提供放电电力，使其与基板保持架22之间产生等离子体放电，来对第一靶材42进行溅射，从而在基板21上进行第一层的成膜。优选将放电电力设为50W以上，以得到高溅射率。另外，根据本发明，即使在使用这种高放电电力(例如1kW以上)的情况下，也能够将所得到的膜的膜厚或表面电阻的面内分布压制为较低，从而能够得到高效且均匀性高的膜。
在该成膜时，在基板21的处理面上形成单向磁场M，同时使基板21绕与其处理面垂直的旋转轴进行旋转。并且，在第一阴极41放电的过程中，由位置检测装置23检测基板21的旋转位置，并且根据位置检测装置23检测到的旋转位置来调整基板21的旋转速度。之后，依次切换要提供放电电力的阴极单元40、40、…，从第二阴极单元40到第五阴极单元40同样进行成膜操作。
下面，进一步详细说明基板的旋转速度的控制。
图6示出了在基板21的处理面内形成图2说明的单向磁场M、而不论基板21的旋转位置如何都使基板21(基板保持架22)以固定速度旋转并对磁性材料(例如NiFe)进行成膜的状态。在该方式下，与基板21的处理面内的单向磁场M相关性较强的特定部分处膜厚变厚。具体地说，图2说明的N极侧中央缘部Nc侧的膜厚变大，S极侧中央缘部Sc侧的膜厚变小，N极侧中央缘部Nc附近与S极侧中央缘部Sc附近之间的膜厚变大。另外，当不在基板21的处理面内形成磁场时，接近靶材42的位置上的溅射粒子的堆积量较多，远离靶材42的溅射粒子的堆积量较少。考虑到以下的情况：当在基板21的处理面内形成磁场时，虽然其基本分布不发生变化，但是根据在基板21的处理面上形成的磁场的形成状态，在基板21的处理面内产生容易吸引溅射粒子的第一部分和与该第一部分相比对溅射粒子的吸引力较弱的第二部分。
此外，在基板21的处理面上形成的磁场不是单向磁场M的情况下，哪部分成为第一部分和第二部分因以下原因而不同：根据阴极41与基板保持架22的位置关系、基板保持架22的旋转速度、进行磁控溅射时设置于阴极41侧的磁体的结构等。因而，优选预先进行预备试验来求出第一部分和第二部分，进行与第一部分和第二部分相应的旋转速度控制。能够通过将基板保持架22的旋转速度设为固定来进行成膜，并对得到的膜的厚度分布进行测量，来进行求出该第一部分和第二部分的预备试验。
本发明中的控制装置50进行以下控制：在根据在基板21的处理面上形成的磁场的形成状态而产生的、容易吸引溅射粒子的基板21的第一部分位于与利用放电电力的供给而进行放电的阴极41(靶材42)相近的位置时，将基板21(基板保持架22)的旋转速度控制为第一旋转速度。另外，在与上述第一部分相比对溅射粒子的吸引力较弱的基板21的第二部分位于与上述进行放电的阴极41(靶材42)相近的位置时，将基板21(基板保持架22)的旋转速度控制为比第一旋转速度慢的第二旋转速度。然后，通过进行这种控制，能够抵消膜厚的偏差。通常，第一旋转速度是最高速度，第二旋转速度是最低速度。
在基板21的处理面上形成单向磁场M的情况下，第一部分位于N极侧中央缘部Nc附近，第二部分位于S极侧中央缘部Sc附近。在这种情况下，控制装置50进行以下控制：在N极侧中央缘部Nc位于与利用放电电力的供给而正在进行放电的阴极41(靶材42)相近的位置时使基板21(基板保持架22)的旋转速度控制为第一旋转速度。然后，在S极侧中央缘部Sc位于与进行放电的阴极41(靶材42)相近的位置时将基板21(基板保持架22)的旋转速度控制为比第一旋转速度慢的第二旋转速度。
通过上述控制装置50的控制，基板21(基板保持架22)重复从第一旋转速度变化为第二旋转速度、从第二旋转速度变化为第一旋转速度。从第一旋转速度变化为第二旋转速度或从第二旋转速度变化为第一旋转速度可以是通过两步以上的步骤分段进行的，但是优选连续进行以易于抑制所得到的膜的膜厚或表面电阻分布。另外，可以使旋转速度以固定的比例发生变化，但是将旋转速度计算成基板21(基板保持架22)的旋转位置(旋转角)的正弦波函数来进行控制的情况更为理想。
进一步具体地说，在本发明中，较为理想的是，如图6和下述式(1)所示，对旋转速度进行控制使得相对于基板21的旋转位置(旋转角)θ、基板21的旋转速度y为正弦波。
Y＝Asin(θ+α)+B    …(1)
A＝a·B    …(2)
即，控制装置50根据上述式(1)，将基板保持架22的旋转速度(基板21的旋转速度)计算成基板21的旋转角的正弦波函数。此外，θ为0°≤θ≤360°。另外，A是旋转速度的振幅，α是相位角，B是旋转速度的振幅的中心值，a是旋转速度的变动率。
在上述式(1)中，能够在可实现均匀的成膜的范围内任意地设定振幅A。例如，能够如上述式(2)所示那样根据中心值B的值来决定该振幅A，在这种情况下，变动率a优选0.1～0.4这样的值。如果过小则难以得到本发明的效果，如果过大则会超过抵消不变速时的偏差的水平，反而使均匀性变差。B优选大于0rpm小于等于100rpm。
图7用等高线表示了形成的膜的表面电阻分布，等高线是标准化后的表面电阻值，其间隔为0.01。此外，表面电阻值为大致与膜厚的倒数成正比的值。利用下述式(3)表示标准化后的表面电阻值Rn。此外，式(3)中，Rs是表面电阻值，Rs，max是表面电阻值的最大值。
Rn＝Rs/Rs，max    …(3)
图7的(a)是进行基板21的旋转速度的正弦波控制而形成的膜的表面电阻分布(实施方式)，(b)是将成膜时的旋转速度设为固定而形成的膜的表面电阻分布(比较方式)。实施方式的成膜条件如下：靶材42的材料是NiFe，放电电力是4kW，成膜压力是0.05Pa，基板21的旋转速度的振幅A的变动率是14％，振幅的中心B是30rpm。比较方式将基板21的旋转速度固定地设为30rpm，其它条件与实施方式相同。
如图7所示，在实施方式中表面电阻的面内分布(1σ)为0.5％，与此相对地，比较方式中表面电阻的面内分布(1σ)为3.1％，可以确认为实施方式中面内分布的均匀性是非常优秀的。此外，在图7的(b)中，图2中说明的磁场M的方向是与等高线大致正交的方向，N极侧表面电阻较小(即膜厚较厚)，S极侧表面电阻值较大(即膜厚较小)。在图7的(a)中磁场M的方向也是与等高线大致正交的方向，与图7的(b)相比表面电阻分布大幅消除。
本实施方式的基板21的旋转速度控制并不限于正弦波控制，也可以将旋转位置的一次函数、二次函数等进行合成。另外，可以在成膜的整个期间内进行相同的正弦波控制，但是也可以例如在成膜的初期、中期、后期改变旋转速度的控制方法。另外，也可以除了第一部分和第二部分之外还求出第三部分，设定为与第一部分和第二部分不同的旋转速度。
作为适于使用本发明制造的电子部件的例子，存在TMR(Tunneling Magneto resistance：穿遂磁阻)元件。
如图8所示，TMR元件的基本层结构包括磁隧道结部分(MTJ部分)111，该磁隧道结部分111由第二磁化固定层107、隧道势垒层108以及磁化自由层109构成。例如，第二磁化固定层107包含强磁性材料，隧道势垒层108包含金属氧化物(氧化镁、氧化铝等)绝缘材料，磁化自由层109包含强磁性材料。此外，在图8的(a)中，112是下部电极层，113是缓冲层，114是反强磁性层，115是第一磁化固定层，116是交换耦合用非磁性层，117是保护层，118是上部电极层。
TMR元件具有以下的特性：如图8的(b)所示那样，在对隧道势垒层108的两侧的强磁性层、即第二磁化固定层107和磁化自由层109之间施加所需电压来流通固定电流的状态下，施加外部磁场，当上述强磁性层的磁化方向平行且相同时(称作“平行状态”)，TMR元件的电阻抗最小。另外，如图8的(c)所示那样，当上述强磁性层的磁化方向平行且相反时(称作“反平行状态”)，TMR元件具有电阻抗最大这样的特性。隧道势垒层108的两侧的强磁性层中，第二磁化固定层107的磁化是固定的，并且磁化自由层109形成为通过施加写入用的外部磁场形成磁化方向能够反转的状态。
在第二磁化固定层107的成膜工序中，为了磁化为规定方向，使用基板磁场形成装置30进行溅射成膜。此时，在成膜过程中，通过根据基板21的旋转位置进行使旋转速度成为正弦波的控制，从而能够形成膜厚分布或表面电阻分布均匀的第二磁化固定层107。作为第二磁化固定层107的形成材料，例如能够使用包括Co(钴)、Fe(铁)、Ni(镍)等强磁性材料作为主成分、对该主成分适当添加B等材料而得到的材料。另外，除第二磁化固定层107以外，在对第一磁化固定层106、磁化自由层109等进行成膜时，也使用基板磁场形成装置30来向规定方向进行磁化。在这种情况下，也能够通过使用本发明的旋转速度控制方法来形成膜厚分布或表面电阻分布的均匀性良好的膜。
如以上所说明的，本发明的发明者们考察到了得到的膜的膜厚或表面电阻值的面内分布产生偏差的现象是由于以下的原因：由于放电等离子体的电场、在基板21的表面形成的磁场M的影响，溅射粒子在某一方向上受到力。对于这种倾向，在通过以高电力进行放电来增加等离子体密度时，等离子体的电场和磁体的磁场的影响尤为显著。因此在本发明中，当在基板21的处理面上形成朝向一个方向的具有方向性的磁场M、并且使基板21绕与其处理面垂直的旋转轴进行旋转来进行成膜时，通过根据基板21的旋转位置调整基板21的旋转速度来控制成膜时的面内分布的偏差。根据本发明所涉及的溅射装置1和溅射方法，即使在以高电力通过斜入射溅射对磁性膜进行成膜的情况下，也能够形成面内分布的均匀性良好的膜。
此外，本发明在不脱离发明的要旨的范围内能够进行各种变更。
例如，在图9所示的溅射装置100中，基板21(基板保持架22)的中心与阴极41(靶材42)的中心在水平方向上相偏移，但是基板21的处理面(基板保持架22的表面)与阴极41的表面(靶材42的表面)平行。即使是这样平行配置基板21与靶材42的溅射装置100，也能够通过在形成磁性膜时由控制装置50进行已叙述过的基板21(基板保持架22)的旋转速度的控制来抑制膜厚分布或表面电阻分布的产生。
另外，也能够使用电磁铁30’来代替图2说明的磁铁片31，根据基板21的旋转位置控制提供给该电磁铁30’的电流，调整基板21的处理面上形成的磁场的强度，由此提高成膜的均匀性。例如，图10所示的溅射装置101基本上与图1所示的溅射装置1相同，在控制装置50也进行对电磁铁30’的电流控制这一点上与图1的溅射装置1不同。图中102是对电磁铁30’提供磁场形成用的电流的磁场形成用电源。另外，电磁铁30’为形成图2中说明的单向磁场M的电磁铁片。具体地说，例如，电磁铁30’具有至少分别设置于基板的N极侧中央缘部Nc附近和S极侧中央缘部Sc附近、形成图2中说明的单向磁场M的电磁铁片。可以在将电磁铁片相互电连接的状态下对电磁铁片进行电流控制，也可以仅对其中一个(例如N极侧中央缘部Nc附近)电磁铁片进行电流控制。
在本例中的溅射装置101中，控制装置50对磁场形成用电源102进行控制，使得在膜厚容易变大的图2所示的N极侧中央缘部Nc处于进行放电的阴极41侧时提供作为最小电流值的第一电流，在膜厚容易变小的图2所示的S极侧中央缘部Sc处于进行放电的阴极41侧时提供作为最大电流值的第二电流。使电流值在第一电流与第二电流之间逐渐增加或减少是较为理想的，最好进行上述正弦波控制。对构成该基板磁场形成装置30的电磁铁的电流控制可以同已详细叙述过的基板21(基板保持架22)的旋转速度的控制一并进行，也可以独立进行。
本发明不仅能够应用于例示的基板处理装置(磁控溅射装置)，还能够应用于干法蚀刻(Dry Etching)装置、等离子灰化(Plasma Asher)装置、CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)装置以及液晶显示器制造装置等等离子处理装置。

Claims (6)

1.一种溅射装置，其特征在于，具备：
基板保持架，其以使基板能够绕与基板的处理面垂直的旋转轴进行旋转的方式保持基板；
基板磁场形成装置，其配置于设置在上述基板保持架上的上述基板的周围，能够与上述基板一起旋转或与上述基板同步地进行旋转，以在上述基板的处理面上形成磁场；
阴极，其配置于与上述基板的倾斜相对的位置处，被供给放电电力；
位置检测装置，其检测上述基板的旋转位置；以及
控制装置，其根据上述阴极与上述位置检测装置检测到的上述基板的旋转位置的位置关系来控制上述基板的旋转速度，
其中，上述基板磁场形成装置在上述基板的处理面内形成朝向一个方向的单向磁场，在将平行于该单向磁场的方向而延伸的并通过上述基板的中心的直线在上述基板磁场形成装置的N极侧交叉的上述基板的周缘部作为N极侧中央缘部，并将该直线在上述基板磁场形成装置的S极侧交叉的上述基板的周缘部作为S极侧中央缘部时，上述控制装置对上述基板的旋转速度进行如下控制：在上述基板磁场形成装置的N极侧中央缘部位于与通过放电电力的供给正在进行放电的上述阴极相近的位置时，使上述基板以第一旋转速度旋转，在上述基板磁场形成装置的S极侧中央缘部位于与正在进行放电的上述阴极相近的位置时，使上述基板以比上述第一旋转速度小的第二旋转速度旋转。
2.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，
上述控制装置进行以下控制：随着上述N极侧中央缘部接近通过放电电力的供给正在进行放电的上述阴极，逐渐使上述基板的旋转速度增加而将上述基板的旋转速度控制为上述第一旋转速度；随着上述S极侧中央缘部接近正在进行放电的上述阴极，逐渐使上述基板的旋转速度减慢而将上述基板的旋转速度控制为上述第二旋转速度。
3.根据权利要求2所述的溅射装置，其特征在于，
上述控制装置将旋转速度计算成上述基板的旋转角的正弦波函数，来控制上述基板的旋转速度。
4.一种溅射方法，该溅射方法通过能够与基板一起旋转或与上述基板同步地进行旋转的基板磁场形成装置，在沿上述基板的处理面形成磁场的状态下，使上述基板绕与上述处理面垂直的旋转轴进行旋转，同时通过从相对上述基板的处理面倾斜的方向的溅射来形成磁性膜，该溅射方法包括：
根据为了进行上述溅射被供给放电电力而正在进行放电的阴极和上述基板的旋转位置的位置关系来控制上述基板的旋转速度；
上述基板磁场形成装置在上述基板的处理面内形成朝向一个方向的单向磁场，在将平行于该单向磁场的方向而延伸的并通过上述基板的中心的直线在上述基板磁场形成装置的N极侧交叉的上述基板的周缘部作为N极侧中央缘部，并将该直线在上述基板磁场形成装置的S极侧交叉的上述基板的周缘部作为S极侧中央缘部时，其中根据上述磁场的形成状态，上述N极侧中央缘部容易吸引溅射粒子，上述S极侧中央缘部与上述N极侧中央缘部相比对溅射粒子的吸引力较弱，对上述基板的旋转速度进行如下控制：在上述基板磁场形成装置的N极侧中央缘部位于与上述阴极相近的位置时，将上述基板的旋转速度控制为第一旋转速度，在上述基板磁场形成装置的S极侧中央缘部位于与正在进行放电的上述阴极相近的位置时，将上述基板的旋转速度控制为比上述第一旋转速度小的第二旋转速度。
5.根据权利要求4所述的溅射方法，其特征在于，
随着上述N极侧中央缘部接近通过放电电力的供给而正在进行放电的上述阴极，逐渐使上述基板的旋转速度加快而使上述基板的旋转速度变为上述第一旋转速度，随着上述S极侧中央缘部接近正在进行放电的上述阴极，逐渐使上述基板的旋转速度减慢而使上述基板的旋转速度变为上述第二旋转速度。
6.根据权利要求5所述的溅射方法，其特征在于，
将旋转速度计算成上述基板的旋转角的正弦波函数，来控制上述基板的旋转速度。
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