DE19857699A1 - Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen Films - Google Patents
Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen FilmsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines
magnetischen Films, insbesondere eine derartige Vorrichtung,
die ein gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt, um einen magneti
schen Film mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften
herzustellen.
Als Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Films, in
dem das magnetische Moment in eine Richtung ausgerichtet
ist, ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Sputtervorgang
in einem Magnetfeld ausgeführt wird, wobei der magnetische
Film ausgebildet wird, während die Magnetisierungsrichtung
der filmbildenden Teilchen durch Anlegen eines Magnetfelds
an dieselben in einer Richtung ausgerichtet wird.
Bei einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ausbilden eines mag
netischen Films unter Verwendung des eben genannten Verfah
rens, wie z. B. in den Dokumenten JP-A-7-254603 und JP-A-8-30780
offenbart, wird ein Substrat, auf dem ein magnetischer
Film herzustellen ist, einem Target gegenüberstehend in ei
ner Sputterkammer angeordnet. Das Substrat wird durch einen
Substrathalter und interne Befestigungen parallel zum Tar
get, mit einem vorbestimmten Abstand gegenüber diesem, ge
halten. Darüber hinaus sind am Substrathalter zwei Perma
nentmagnete enthalten. Im oberen Teil der Sputterkammer ist
eine Führungsstange für einen Heizer über einen O-Ring an
der Sputterkammer befestigt. Im Öffnungsteil unten in der
Sputterkammer ist eine Targetelektrode über ein Isolierele
ment an der Sputterkammer befestigt, wobei das Target an der
Targetelektrode befestigt wird. Auch ist um das Target herum
unter Einhaltung eines konstanten Spalts eine mit Erde ver
bundene Abschirmung vorhanden.
Diese Vorrichtung erzeugt dadurch ein Plasma, daß von einer
HF-Spannungsquelle eine Spannung über die Targetelektrode an
das Target angelegt wird, und Ionen im erzeugten Plasma sor
gen dafür, daß vom Target Sputterteilchen emittiert werden.
Diese Teilchen treffen auf die Oberfläche des Substrats und
bilden dort einen magnetischen Film. Da durch die am Sub
strathalter vorhandenen Permanentmagnete um das Substrat
herum ein Magnetfeld in dessen Nähe erzeugt wird, wird die
Magnetisierungsrichtung der Sputterteilchen im erzeugten
magnetischen Film in dieser Richtung ausgerichtet.
Im Raum nahe dem Substrat sind bei dieser Vorrichtung zwei
stabförmige Permanentmagnete zu beiden Seiten des Substrats
parallel zu diesem angeordnet. Darüber hinaus ist das Sub
strat in der Mitte des Raums zwischen den zwei Permanentmag
neten befestigt, und am Substrat ist ein gerades Stück vor
handen, damit es sich nicht drehen kann.
Jedoch ist beim oben genannten Aufbau dieser herkömmlichen
Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen Films in den
beiden oberen Teilen des Substrats, in Längsrichtung gese
hen, das erzeugte Magnetfeld zwischen den zwei Permanentmag
neten nicht gerade, sondern es expandiert etwas zur Außen
seite des Substrats. Daher ist, um die Expansion des Magnet
felds zu verringern, ein Paar Hilfsmagnete an Orten zwischen
den Endseiten der zwei Permanentmagnete einander gegenüber
stehend parallel zueinander angeordnet, oder zwei Hilfsmag
nete sind an den zwei Enden der jeweiligen Permanentmagnete
befestigt. So kann in einem vergleichsweise breiten Bereich
zwischen den zwei Permanentmagneten ein Magnetfeld recht
winklig zu diesen Magneten erzielt werden.
Die obige Anordnung der Hauptpermanentmagnete und der Hilfs
magnete ist kompliziert, und es ist schwierig, diese Anord
nung zu optimieren. Ferner ist es zum Verringern der Streu
ung der Verteilung von Effekten, wie sie bei einem vorab an
der Oberfläche des Substrats ausgeführten Ätzvorgang erzeugt
werden, und hinsichtlich einer Streuung der Eigenschaften
eines erzeugten Magnetfilms, wünschenswert, zwischen den
zwei Permanentmagneten einen großen Abstand L einzustellen,
was wiederum eine größere Länge der zwei Permanentmagnete
erforderlich macht. Darüber hinaus ist die optimale Anord
nung von Magneten vorgegebener Größe eindeutig bestimmt.
Demgemäß wird es, wenn der Abstand L zwischen den zwei Per
manentmagneten geändert wird, um dem Erfordernis zu genügen,
die Stärke oder die Verteilung des Magnetfelds zu ändern,
erneut durch Einstellen der Positionen der Hilfsmagnete die
optimale Anordnung der Magnete zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
erstens zum Erzeugen eines Magnetfilms zu schaffen, die ein
fach und klein ist und ein Magnetfeld gleichmäßiger Vertei
lung an die Oberfläche eines Substrats anlegen kann, und bei
der zweitens die Stärke oder die Verteilung des an das Sub
strat angelegten Magnetfelds dadurch geändert werden kann,
daß die Anordnung der Magnete geändert wird, während eine
gleichmäßige Verteilung des Magnetfelds aufrechterhalten
bleibt.
Diese Aufgabe ist durch die Vorrichtung gemäß dem beigefüg
ten Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei
terbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver
anschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Anordnung von an einer
Magnetbefestigungsplatte befestigten Magneten sowie eines
Substrats.
Fig. 2 ist eine vertikale Schnittansicht einer Vorrichtung
zum Herstellen eines magnetischen Films gemäß einem Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen von Hauptpara
metern, die die Magnetfeldverteilung bei der in Fig. 1 dar
gestellten Anordnung bestimmen.
Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Kippwinkel
und dem Spaltabstand in jedem Paar von Magneten einer Mag
netfeld-Erzeugungseinrichtung in der Vorrichtung dieses Aus
führungsbeispiels.
Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils die Anordnung von an einer Ma
gnetbefestigungsplatte befestigten Magneten sowie eines Sub
strats in einer Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen
Films gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In Fig. 2 bezeichnet die Zahl 12 eine Magnetbefestigungs
platte, an der später erörterte Magnete 20, 21, 22 und 23
befestigt sind. Hierbei unterscheidet sich der Aufbau der in
Fig. 2 dargestellten Vorrichtung von demjenigen der oben ge
nannten herkömmlichen Vorrichtung nur darin, daß vier Per
manentmagnete 20-23 mit neuer Anordnung an der Magnetbe
festigungsplatte befestigt sind. Außerdem sind ein Substrat
halter 6, ein Heizer 9, ein O-Ring 10 und eine Führungsstan
ge 11 für den Heizer vorhanden. Darüber hinaus ist in der
Nähe des Substrats 7, falls erforderlich, ein Magnetfeld-
Überwachungselement 30 zum Erfassen des an ein Substrat 7
angelegten Magnetfelds vorhanden.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der vier an der
Magnetbefestigungsplatte 12 befestigten Stabmagnete 20-23
sowie des Substrats 7.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besteht eine N-Pol-Magnet
felderzeugungseinrichtung aus einem Paar Magnete 20 und 21,
deren N-Pol auf das Substrat 7 gerichtet ist, und eine
S-Pol-Magnetfelderzeugungseinrichtung besteht ferner aus einem
Paar weiterer Magnete 22 und 23, deren S-Pol auf das Sub
strat 7 gerichtet ist. Das Substrat 7 liegt beinahe an der
mittleren Position zwischen der N- und der S-Pol-Magnetfeld
erzeugungseinrichtung in der horizontalen Ebene, die diese
Einrichtungen enthält. Darüber hinaus ist am Substrat ein
gerader Teil 14 ausgebildet, damit sich dieses nicht drehen
kann.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Verteilung
des an das Substrat 7 angelegten Magnetfelds erläutert.
Im Allgemeinen ist bei einem Stabpermanentmagnet, dessen
Längsrichtung rechtwinklig zu seiner Magnetisierungsrichtung
(Richtung der Pole) verläuft, der magnetische Oberflächen
fluß in der Nähe seiner mittleren Position am stärksten,
und der Magnetfluß strahlt von dieser mittleren Position
aus oder ist auf diese zentriert. Daher strahlt, wenn die
vier Magnete 20-23 so angeordnet sind, wie es in Fig. 1
dargestellt ist, der Magnetfluß von der mittleren Position
jedes Magnets ab oder ist hierauf zentriert. Demgemäß heben
die jeweiligen Vertikalkomponenten (Komponenten in y-Rich
tung) des durch das Paar Magnete 20 und 21 (22 und 23) er
zeugten Magnetflusses einander auf, und das durch die N- und
die S-Pol-Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugte Magnet
feld ist gleichmäßig parallel zur x-Richtung. So kann unter
Verwendung dieser Anordnung von vier Magneten 20-23) ein
in der x-Richtung gleichmäßig paralleles Magnetfeld an alle
Orte an der Oberfläche des Substrats 7 angelegt werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 werden nun die Film
bildungsvorgänge in der Vorrichtung dieses Ausführungsbei
spiels erläutert.
Als erstes werden die Magnete 20-23 und das Substrat 7 an
der Magnetbefestigungsplatte 12 bzw. dem Substrathalter 6
ausgerichtet und befestigt. Als nächstes wird durch die HF-
Spannungsquelle eine Spannung an das Target 3 angelegt, wo
durch ein Plasma erzeugt wird. Dadurch werden vom Target 3
Sputterteilchen emittiert, die die Oberfläche des Substrats
7 erreichen und dort einen magnetischen Film erzeugen. Da an
das gesamte Gebiet nahe dem Substrat 7 durch die an der Mag
netbefestigungsplatte 12 befestigten Magnete 20-23 ein
gleichmäßig zur x-Richtung paralleles Magnetfeld angelegt
wird, wie oben angegeben, werden die Sputterteilchen in der
selben Richtung magnetisiert. So wird ein magnetischer Film
mit unidirektionaler Magnetisierung hergestellt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 ein
Verfahren zum Anordnen der Magnete in der Vorrichtung dieses
Ausführungsbeispiels erläutert, wobei die Anordnung derge
stalt ist, daß das an das Substrat 7 angelegte Magnetfeld
in einer Richtung parallel zur x-Richtung gleichmäßig ausge
richtet ist.
In Fig. 3 sind die folgenden Symbole enthalten: die Spalt
weite d zwischen den zwei Magneten in jedem Paar von Magne
ten 20 und 21 bzw. 22 und 23, die Weite L zwischen der
N-Pol-Magnetfelderzeugungseinrichtung (20 und 21) und der
S-Pol-Magnetfelderzeugungseinrichtung (22 und 23); sowie die
Gesamtlänge e dieser Einrichtungen.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Kippwinkel und der
Spaltweite d in jedem Paar von Magneten mit vorgegebener
Größe innerhalb der Vorrichtung. Der Kippwinkel ist als die
maximale Winkeldifferenz in horizontaler Richtung zwischen
dem Magnetfeldwinkel und der erforderlichen Magnetfeldrich
tung an jeder Position am Substrat 7 für einen Vorgabewert
von d definiert.
Die Stärke und die Richtung des an das Substrat 7 angelegten
Magnetfelds (Magnetfeldverteilung) ist durch einen geeigne
ten Oberflächenmagnetfluß für jeden Magnet und durch die
relative Positionsbeziehung zwischen den Magneten 20-23
bestimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Anordnung
der Magnete 20-23 zum Erhalten eines gleichmäßig in einer
Richtung ausgerichteten Magnetfelds wie folgt bestimmt.
Zunächst werden der Abstand L zwischen den zwei Paaren von
Magneten sowie die Gesamtlänge e der zwei Paare eingestellt.
Als nächstes werden Parameter-Überblicksberechnungen für die
Magnetfeldverteilung unter Verwendung eines Analyseprogramms
für ein dreidimensionales Magnetfeld unter Variation des Pa
rameters d ausgeführt. Bei der Parameter-Übersichtsberech
nung werden die Größe und die Remanenz jedes Magnets sowie
die Anordnung der Magnete 20-23 in das genannte Analyse
programm eingegeben.
Aus dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel, bei dem es sich um
das Ergebnis einer Parameterübersicht handelt, ist erkenn
bar, daß der Kippwinkel bei einem bestimmten Wert der
Spaltweite d am kleinsten wird. Daher ist es möglich, das
optimale Magnetfeld durch Optimieren der Spaltweite d an das
Substrat anzulegen. So ist es gemäß der obigen Vorgehenswei
se möglich, die Größe jedes Magnets und die Anordnung der
Magnete zu bestimmen, durch die ein gleichmäßig paralleles
Magnetfeld an das Substrat 7 angelegt werden kann.
Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Optimierung
der Magnetanordnung vergleichsweise einfach, da die optimale
Anordnung der Magnete nur vom Abstand L zwischen den Paaren
von Magneten und der Spaltweite d abhängt. Auch ist es nicht
erforderlich, da als Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung für
jeden Pol ein Paar Magnete verwendet wird, einen großen Mag
net für jeden Magnet der Paare zu verwenden.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 5, 6 und 7
andere Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die Positionen der Mag
nete 20-23 sowie ihr jeweiliger Rotationswinkel an der
Magnetbefestigungsplatte 12 variabel sind. Bei diesem Aus
führungsbeispiel ist gleichmäßige Parallelität des Magnet
felds beibehalten, jedoch kann die Stärke des an das Sub
strat 7 angelegten Magnetfelds durch Ändern der Spaltweite d
zwischen den zwei Magneten jedes Paars und durch den Abstand
L zwischen den zwei Paaren eingestellt werden. Ferner kann
durch die obige Anordnung auch die Verzerrung des gleichmä
ßig parallelen Magnetfelds, wie durch Streuungen der Ober
flächenmagnetflußdichte in den vier Magneten hervorgerufen,
korrigiert werden.
Demgemäß kann bei diesem Ausführungsbeispiel selbst dann,
wenn der Abstand L zwischen den zwei Paaren von Magneten va
riiert wird, die Stärke des an das Substrat 7 angelegten
Magnetfelds geändert werden, ohne daß die gleichmäßige Par
allelität des Magnetfelds verlorengeht. Die obige Einstel
lung wird auf Grundlage des Ergebnisses der vorab berechne
ten Magnetfeldverteilung oder auf Grundlage von Ergebnissen
von Messungen ausgeführt, wie sie durch das Magnetfeld-Über
wachungselement 30 vorgenommen werden.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 ist ein Paar Hilfsmagnete 24
und 25 zwischen den zwei Paaren von Magneten in der horizon
talen xy-Ebene symmetrisch zur mittleren x-Achse des Sub
strats 7 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es
möglich, noch besser gleichmäßige Parallelität des an das
Substrat 7 angelegten Magnetfelds zu erzielen, da eine Ex
pansion des Magnetfelds in vertikaler y-Richtung an Orten
nahe den beiden Enden des Substrats 7 in vertikaler Richtung
mehr als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 unterdrückt
werden kann.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 ist jeweils ein Paar von
Hilfsmagneten 26 und 27 bzw. 28 und 29 an einem jeweiligen
Magnet der Paare 20 und 21 bzw. 22 und 23 an der Innenseite
des Endabschnitts an der vom Spalt abgewandten Seite, auf
das Substrat hin gerichtet, befestigt. Auch bei diesem Aus
führungsbeispiel kann besser gleichmäßige Parallelität des
an das Substrat 7 angelegten Magnetfelds als beim in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiel erzielt werden, da die
vertikale Expansion des Magnetfelds an Orten nahe den beiden
vertikalen Enden des Substrats 7 besser unterdrückt werden
kann.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen sind zwar Permanentmag
nete für die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtungen verwendet,
jedoch kann hervorragend gleichmäßige Parallelität des an
das Substrat 7 angelegten Magnetfelds auch unter Verwendung
von Magnetspulen erzielt werden.
Ferner konnten die Erfinder klarstellen, daß das Verhältnis
aus der Fläche des Substrats 7 zu einer Fläche in der hori
zontalen xy-Ebene parallel zur Fläche des Substrats, die das
Substrat innerhalb der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung um
faßt, größer als ungefähr 0,14 ist, und daß der Kippwinkel
des an das Substrat angelegten Magnetfelds durch die obigen
Ausführungsbeispiele unter weniger als 0,6° gehalten wird.
Wie oben erläutert, ist es möglich, ein Magnetfeld mit her
vorragenderen magnetischen Eigenschaften als denen des Mag
netfelds zu erzielen, wie es bei der herkömmlichen Vorrich
tung zum Erzeugen eines magnetischen Films angelegt wird, da
gemäß der Erfindung ein gleichmäßig paralleles Magnetfeld an
ein gesamtes Substrat angelegt werden kann, ohne die Größe
von Magneten zu erhöhen, und zwar selbst dann, wenn der Ab
stand zwischen den Paaren von Magneten erhöht wird, um einem
größeren Substrat zu entsprechen. Ferner kann eine gewünsch
te Verteilung des an das Substrat angelegten Magnetfelds er
zielt werden, da es möglich ist, die Stärke des angelegten
Magnetfelds einzustellen, ohne daß die gleichmäßige Paral
lelität desselben verlorengeht, was dadurch erfolgt, daß
das Magnetfeld-Erzeugungssystem so aufgebaut wird, daß die
Positionen der Magnete und der Drehwinkel jedes Magnets ein
stellbar sind, oder daß zwischen den zwei Paaren von Magne
ten ein Paar Hilfsmagnete angebracht wird.
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Films mit:
- - einer Filmbildungsquelle (3) zum Emittieren von Filmbil dungsteilchen;
- - einem Substrathalter (6) zum Halten eines Substrats (7), auf dem durch die Filmbildungsteilchen ein magnetischer Film erzeugt wird; und
- - einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (20-23) zum Anle gen eines Magnetfelds an das Substrat;
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zwei Paare von
Magneten (20, 21; 22, 23) aufweist, wobei jedes Paar der
Magnete aus zwei Stabmagneten besteht, die in einer Linie
mit einer Spaltweite d voneinander angeordnet sind und je
weilige Paare von Magnetpolen aufweisen, wobei die Richtung
jedes Paars der Magnetpole rechtwinklig zur Längsrichtung
des Paars von Magneten, mit derselben Richtung, verläuft,
und wobei die zwei Paare von Magneten mit dem gegenseitigen
Abstand L in der horizontalen xy-Ebene beinahe symmetrisch
zur vertikalen, mittleren y-Achse des Substrats (7) angeord
net sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Paare von Magneten (20, 21; 22, 23) alles Perma
nentmagnete mit im Wesentlichen derselben Form sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in der horizontalen xy-Ebene zwischen den zwei Paaren
von Magneten (20, 21; 22, 23) ein Paar Hilfsmagnete (24, 25)
beinahe symmetrisch zur mittleren x-Achse des Substrats (7)
angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Paar Hilfsmagnete (26, 27; 28, 29) an den jeweili
gen Endabschnitten jedes Paars von Magneten (20, 21; 22, 23)
angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnete (20 - 23) auf Grundlage
einer vorab berechneten dreidimensionalen Magnetfeldvertei
lung optimal angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der optimale Wert der Spaltweite d als Funktion des Ab
stands L zwischen den Paaren von Magneten (20-23) beim Op
timieren der Anordnung der Magnete gegeben ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die zwei Paare von Magneten (20, 21; 22, 23) sowie je
der Magnet dieser Paare so befestigt sind, daß der Abstand
L zwischen den zwei Paaren veränderlich ist, jeder Magnet
verdrehbar ist und das an das Substrat (7) angelegte Magnet
feld durch Ändern des Abstands L und des Drehwinkels jedes
Magnets so eingestellt ist, daß das erforderliche Magnet
feld erzielt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Magnetfeld-Überwachungseinrichtung (30) innerhalb
der Sputterkammer vorhanden ist, um das an das Substrat (7)
angelegte Magnetfeld zu messen, wobei die Anordnung der Mag
nete auf Grundlage der Messergebnisse durch die Magnetfeld-
Überwachungseinrichtung optimal eingestellt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zwei Spulen mit
derselben Wicklungsrichtung aufweist, die so angeordnet
sind, daß ihre Achsen in einer Linie in der parallelen
x-Richtung des Substrats verbunden sind, das in der horizonta
len xy-Ebene, die die Mittelachsen der zwei Spulen enthält,
angeordnet ist, und wobei die zwei Spulen ferner beinahe
symmetrisch zur vertikalen, mittleren y-Achse des Substrats
angeordnet sind, wodurch Strom unidirektional in den zwei
Spulen fließt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe der zwei Magnetspulen und ihre Anordnung auf
Grundlage einer vorab berechneten Verteilung des an das Sub
strat angelegten dreidimensionalen Magnetfelds optimiert
sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Magnetfeld-Überwachungseinrichtung zum Erfassen
des an das Substrat angelegten Magnetfelds in der Sputter
kammer vorhanden ist und der Stromfluß in den Magnetspulen
auf Grundlage des Messergebnisses durch die Magnetfeld-Über
wachungseinrichtung so eingestellt ist, daß das an das Sub
strat angelegte Magnetfeld dem erforderlichen Magnetfeld
entspricht.
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