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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sputtervorrichtung und ein Dünnfilmbildungsverfahren
und insbesondere eine Sputtervorrichtung, die zur Erzeugung von
Mehrschichtendünnfilmen
mit einer reinen Grenzfläche
geeignet ist.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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Das
Ziel der Erfindung wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und
7 erreicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als
der Oberflächenvorbehandlungsmechanismus
dieser Erfindung wird vorzugsweise ein Wärmebehandlungsmechanismus,
ein Ionenbestrahlungsmechanismus oder ein Plasmaverarbeitungsmechanismus
verwendet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht, die die Sputtervorrichtung der ersten
Ausführungsform
darstellt.
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2 ist
eine Schnittansicht, die die Drehkathodeneinheit der Sputtervorrichtung
darstellt.
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3 ist
eine schematische Ansicht, die die Drehkathodeneinheit der zweiten
Ausführungsform darstellt.
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4 ist
eine schematische Ansicht, die die Sputtervorrichtung der dritten
Ausführungsform
darstellt.
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5 sind
schematische Ansichten, die die Aufbauweisen von verschiedenen Mehrschichtenfilmen
darstellen.
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6 ist
eine schematische Ansicht, die die Drehkathodeneinheit der vierten
Ausführungsform darstellt.
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7 ist
eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft
des CoCrPt-Films und der Substrattemperatur darstellt.
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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.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Ausführungsformen
dieser Erfindung werden durch Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzlich ist
eine Abschirmung 38 des Erdpotenzials montiert, um den
Targetperimeter, die Stützplatte
und die Seitenfläche
der Kühlmittelkanalbildungsplatte
abzuschirmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
FePd-Film kann auch auf dieselbe Weise wie der FePt-Film hergestellt
werden.
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Als
Nächstes
ist die dritte Ausführungsform dieser
Erfindung in 4 dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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)).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als
die vierte Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Drehkathodeneinheit, die zur Herstellung von Überstrukturfilmen
für ein
optisches Röntgenstrahlelement
verwendet wird, in 6 dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.