JP2010144247A

JP2010144247A - スパッタリング装置および成膜方法

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Publication number: JP2010144247A
Application number: JP2009143965A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Endo; 徹哉遠藤; Einstein Noel Abara; アインシタインノエルアバラ
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】磁気異方性の方向のバラツキを低減した磁性膜を形成可能なスパッタリング装置および成膜方法を提供すること。
【解決手段】本発明のスパッタリング装置は、回転可能なカソード８０２と、回転可能なステージ８０１と、回転可能な遮蔽板８０５とを備える。上記スパッタリング装置は、スパッタリング中において、ターゲット８０３ａから発生したスパッタ粒子のうち、基板８０４の法線との成す角度が０°以上５０°以下の角度で入射するスパッタ粒子を基板８０４に入射させるように、カソード８０２、ステージ８０１、および遮蔽板８０５の少なくとも１つの回転を制御する。
【選択図】図８

Description

本発明は、スパッタリング装置および成膜方法に関する。

近年、読み込み・書き込みヘッドやマイクロインダクタ、マイクロ変圧器などにおいて磁気素子の高周波用途が広がってきており、ＧＨｚ帯域においても良好な高周波特性をもつ磁性薄膜が求められていることから、これらに関係する研究開発も積極的に行われている。磁性薄膜を高周波帯域で使用するには、薄膜の電気抵抗を高めることで渦電流損を減らし、かつ共鳴周波数を高めることが必要である。この共鳴周波数を高める方法としては異方性磁界Ｈｋや飽和磁化Ｍｓを高めることが挙げられるが、ＨｋとＭｓを同時に高めることは一般的に困難であり、トレードオフの関係を持つ。しかし近年、スパッタリング法やイオンビーム法を使用して、基板に対してスパッタ粒子を斜めに入射、配向させることで結晶の形状効果による一軸磁気異方性を高めることが可能になり、高いＭｓを保持しつつ、Ｈｋも高めることが可能となった。

上述のようにスパッタ粒子を斜め入射する目的は、該斜め入射により膜内で形状磁気異方性を発生させ、高い磁気異方性を付与することである。そこで重要となるのは、
［１］磁気異方性のバラツキを如何に抑えるか、
［２］磁化容易軸（磁化困難軸）をどの程度そろえるか、
である。これは、一枚のウエハからヘッドチップを大量に切り出すため、ウエハ面内において、上記２点のバラツキが大きいと、切り出された個々のヘッド性能がマチマチになってしまうからである。

現在の、スパッタ粒子の斜め入射成膜においては、量産性を考慮した場合、様々な入射角度を持つスパッタ粒子が基板に到来し、該様々な入射角度が磁気異方性のバラツキを生じさせる。

＜ケース１＞
例えば、スパッタ粒子の入射角度をそろえるための成膜では、図１＜ケース１＞に示すように、コリメータ１をターゲット２と基板４との間に配置することが挙げられる。これにより、ターゲット２から発生したスパッタ粒子３の入射方向を選別することで均一性の高い成膜が可能である。ところが、この方法では、スパッタ粒子３の飛来数が減少し、生産性を落としてしまう。

＜ケース２＞
図１の＜ケース２＞に示すように、コリメータ１の径を広げると、様々な方向からスパッタ粒子３が基板４に入射することになる。従って、磁気異方性のバラツキを生じさせる可能性はあるが、量産性には期待が持てる。

＜ケース３＞
しかしながら＜ケース２＞の場合、基板４全面にわたり均一に成膜するには、基板４またはターゲット２を移動させる必要がある。この際、ターゲット２と基板４との相対的な位置関係に応じて基板４へのスパッタ粒子３の入射角度が異なることになる。すなわち、図１の＜ケース３＞に示すように、ターゲット２を固定し、基板４を移動させる場合、移動する基板４の位置によってはスパッタ粒子３の入射角度が大きくなったり、小さくなったりする。よって、このスパッタ粒子３の入射角度が異なることで、基板４に形成される膜の磁気異方性にバラツキが生じることになる。

なお、本明細書において、「入射角度」とは、スパッタ粒子を入射する成膜対象の基板の法線と、入射するスパッタ粒子の入射方向とのなす角度を指す。従って、「低入射角度」とは、スパッタ粒子の入射方向の、基板法線からの傾きが相対的に小さい場合の入射角度であり、「高入射角度」とは、スパッタ粒子の入射方向の、基板法線からの傾きが相対的に大きい場合の入射角度である。

さて、入射角度によって磁気異方性にバラツキが生じる理由は、磁化容易軸（磁化困難軸）の方向や異方性磁界の大きさ（Ｈｋ）が入射角度に強く依存するからである。
例えば、図２に示すように、スパッタ粒子５の入射角度が１０°〜７０°の範囲では、入射方向に対して垂直な方向に磁化容易軸６が形成される。一方、スパッタ粒子５の入射角度が７０°以上では、入射方向に対して平行に磁化容易軸６が形成される。つまり、磁性膜がどの入射角度で入射したスパッタ粒子で構成されるかに応じて、磁化容易軸の方向が変わってくるため、最終的にｓｋｅｗ分散角（定義：磁化容易軸の角度ズレ幅）に影響を与える。

特許文献１では、カルーセル形式のスパッタリング装置において、形成される強磁性膜の異方性を制御する技術が開示されている。具体的には、磁性体ターゲットと、回転する基板ホルダーとの間に、開口幅を変えることができるマスクを配置し、該マスクの開口幅を変えることで、磁気異方性の方向および大きさを制御している。

また、特許文献２には、磁気ヘッドに絶縁薄膜を堆積させる方法であって、大きな表面積に均一に絶縁薄膜を形成するための方法が開示されている。図３は、特許文献２に開示された堆積装置の概略図である。図３に示す堆積装置は、第１のイオンビームガン１２、第２のイオンビームガン１３、ターゲットホルダー１４、および基板支持体１６を収納したチャンバ１１を備えている。

基板支持体１６は、シャフト１６ｂの周り（軸２１ａの周り）を回転可能なターンテーブル１６ａと、軸２１ｂの周りを回転可能な基板取付台１６ｃとを有している。基板支持台１６ｃ上にはターゲット材を堆積させる基板１７を配置することができる。一方、ターゲットホルダー１４は、矢印方向２２に揺動可能に構成されており、ターゲット１５を取り付けることが可能である。

第１のイオンビームガン１２は、イオンビーム１８がターゲット１５に入射するように配置されており、該イオンビーム１８によりターゲット１５からターゲット材がランダムな方向２０に分散される。また、第２のイオンビームガン１３は、堆積プロセス中に、もう１つのイオンビーム１９を基板１７に入射するように設けられている。

特許文献２に開示された方法では、上述の構成においてターゲットホルダー１４、ターンテーブル１６ａ、基板取付台１６ｃを適切に回転させることにより、基板１７上に均一な膜厚を達成することができる。

特開平７−５４１４５号公報特開平８−２９６０４２号公報

上述のように特許文献１に開示された方法では、基板の第１の方向（例えば、Ｘ方向）に磁化容易軸の方向を設定する場合、マスクの開口幅を狭くなるように制御している。この制御により、回転する基板ホルダーに配置された基板面とターゲット面とが対向する位置（平行な位置）以外の位置（位置Ａ）に基板が位置する場合は、基板に入射するスパッタ粒子のうち、第１の方向に平行な成分（Ｘ）、および第１の方向とは直交する第２の方向（Ｙ方向）に平行な成分（Ｙ）は、マスクにより基板に入射しないということが特許文献１には開示されている。一方、回転する基板ホルダーに配置された基板面とターゲット面とが対向する位置（位置Ｂ）に基板が位置する場合は、上記第１の方向に平行な成分（Ｘ）は基板に対して垂直に近い角度で入射し、上記第２の方向（Ｙ方向）に平行な成分（Ｙ）は基板に対して鋭角（高入射角度）で入射するようになる。これにより、上記第１の方向の磁化容易軸の増加を図っている。

しかしながら、図４に示すように、マスク４２の開口幅を狭くしても、位置Ａに基板が位置する場合において、基板４１に対して鋭角（高入射角度）に入射するスパッタ粒子（第１の方向に平行な成分（Ｘ）４４）が存在する場合がある。この成分（Ｘ）は第２の方向に磁化容易軸を形成することになる。従って、第１の方向のみならず、第２の方向にまで磁化容易軸が形成されることになり、磁化容易軸の乱れを招いてしまう。

また、基板ホルダーを回転させながら成膜をする場合、図５Ａおよび５Ｂに示すように、基板５１の両端において、ターゲット５３から基板５１へと入射されるスパッタ粒子５４の入射角度が異なってしまう。これは、まさに＜ケース３＞にて説明した、現在抱えている問題に他ならない。図５Ａは、マスク５２の開口幅が狭い場合についての説明図であり、図５Ｂは、マスク５２の開口幅が広い場合についての説明図である。
なお、図４、５Ａ，５Ｂにおいて、基板４１、５１が配置される基板ホルダーを、図面の簡便化を図って省略している。

さらに、特許文献１のカルーセル型のスパッタリング装置の基板ホルダーの回転速度は一定であるため、膜厚分布を調節することが難しい。

このように、特許文献１に開示された技術では、形成される磁化容易軸の方向を制御することは可能であるが、磁気異方性や膜厚分布を均一にすることは難しかった。

また、特許文献２では、厚みが均一になるように絶縁薄膜を形成することを目的として、ターンテーブル１６ａ、および基板取付台１６ｃを回転させながら成膜を行っている。従って、各入射角度のスパッタ粒子はあらゆる方向から基板１７に入射することになる。さらに、基板１７には、低入射角度から高入射角度まであらゆる角度で基板１７に入射することになる。従って、基板１７に形成される磁気異方性は等方的なものとなり、磁化容易軸を良好に揃えることは困難であった。そもそも、特許文献２には、磁気異方性のバラツキを低減させることについては何ら議論されていない。

さらに、特許文献２では、良好な密度を有する薄膜を形成するために、第２のイオンビームガン１３を用いている。すなわち、特許文献２では、第２のイオンビームガン１３から照射される補助ビームによる適度のボンバード（叩き）により膜の接着性の改善を図っている。

このように、特許文献２では、形成される薄膜の密度を良好にしつつ、均一な薄膜を形成するために、第１のイオンビームガンおよび第２のイオンビームガンが必要であり、装置の複雑化、コストアップに繋がっている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、磁気異方性の方向のバラツキを低減した磁性膜を形成可能なスパッタリング装置および成膜方法を提供することにある。

さらに、他の目的は、簡便な構成で、スパッタリングにより形成される膜中の原子密度の均一化を図ることが可能なスパッタリング装置および成膜方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、スパッタリング装置であって、スパッタリングターゲット支持面を有するカソードであって、第１の回転軸を中心に前記スパッタリングターゲット支持面が回転可能なカソードと、基板支持面を有するステージであって、前記第１の回転軸と平行に配置された第２の回転軸を中心に前記基板支持面が回転可能なステージと、前記スパッタリング支持面と前記基板支持面との間に配置され、前記第１の回転軸、または第２の回転軸を中心に回転可能な遮蔽板とを備え、前記カソードは、複数のスパッタリングターゲット支持面を有し、該複数のスパッタリングターゲット支持面の各々は前記カソードの周囲に配置されており、前記複数のスパッタリングターゲット支持面の各々は、前記第１の回転軸に平行にターゲットを支持するように構成され、スパッタリング中において、前記スパッタリングターゲット支持面に支持されるスパッタリングターゲットから発生したスパッタ粒子のうち、前記基板支持面の法線との成す角度が０°以上５０°以下の角度で入射するスパッタ粒子を前記基板支持面に支持される基板に入射させるように、前記スパッタリングターゲット支持面、前記基板支持面、および遮蔽板の少なくとも１つの回転を制御することを特徴とする。

また、本発明は、成膜方法であって、スパッタリングターゲット支持面を有するカソードであって、第１の回転軸を中心に前記スパッタリングターゲット支持面が回転可能なカソードと、基板支持面を有するステージであって、前記第１の回転軸と平行に配置された第２の回転軸を中心に前記基板支持面が回転可能なステージと、前記スパッタリング支持面と前記基板支持面との間に配置され、前記第１の回転軸または第２の回転軸を中心に回転可能な遮蔽板とを備えるスパッタリング装置による成膜方法であって、前記カソードは、複数のスパッタリングターゲット支持面を有し、該複数のスパッタリングターゲット支持面の各々は前記カソードの周囲に配置されており、前記複数のスパッタリングターゲット支持面に設けられた複数のターゲットの各々は、前記第１の回転軸に平行になるように前記カソードに支持されており、スパッタリング中において、前記スパッタリングターゲット支持面に支持されるスパッタリングターゲットから発生したスパッタ粒子のうち、前記基板支持面の法線との成す角度が０°以上５０°以下の角度で入射するスパッタ粒子を前記基板支持面に支持される基板に入射させるように、前記スパッタリングターゲット支持面、前記基板支持面、および遮蔽板の少なくとも１つを独立に回転させることを特徴とする。

従来の、様々な入射角度も持つスパッタ粒子により、磁気異方性のバラツキが生じることを説明するための図である。入射角度によって、形成される磁化容易軸の方向が変化する様子を説明するための図である。従来の、堆積装置の概略構成図である。特許文献１に開示されたスパッタリング方法において磁化容易軸の乱れが発生することを説明するための図である。特許文献１に開示されたスパッタリング方法において磁化容易軸の乱れが発生することを説明するための図である。特許文献１に開示されたスパッタリング方法において磁化容易軸の乱れが発生することを説明するための図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の側面図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の斜視図である。本発明の一実施形態に係る基板載置用ステージの側面図である。本発明の一実施形態に係る基板載置用ステージの斜視図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の一例を示す図である。従来のカルーセル型スパッタリング装置により形成された磁性膜の磁化容易軸の方向にバラツキが生じることを説明するための図である。磁性特性のバラツキ、磁化容易軸のバラツキを説明するための模式図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置を示す図である。本発明の一実施形態に係るスパッタ粒子の入射角度と磁気特性との入射角依存性を示す図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の制御を説明するための図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の動作を説明するための図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置により作製した磁性膜の効果を説明するための図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

＜基本構成＞
図６Ａは、本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置６００の側面図である。図６Ｂは、本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置６００の斜視図である。
図６Ａ及びＢにおいて、スパッタリング装置６００は、基板６０４を載置するステージ６０１と、ターゲット６０３を支持するカソード６０２及び遮蔽板６０６とを備えており、カソード６０２のターゲット支持面とステージ６０１の基板支持面とが互いに対面するように配置されている。ステージ６０１及びカソード６０２はそれぞれ、回転軸Ａ及び回転軸Ｂを備えており、且つ、ステージ６０１及びカソード６０２はそれぞれ、回転軸Ａ及び回転軸Ｂを中心に任意の角度で回転可能である。例えば、ステージ６０１及びカソード６０２は、モーターなどの回転手段を用いて回転させることが回転させることが可能であり、この回転手段を制御装置により制御することが可能である。

回転軸Ａと回転軸Ｂは、互いに平行に配置されており、カソード６０２は、ターゲット６０３を回転軸Ｂに対して平行となるように支持することができる。回転軸Ｂを中心に任意の角度で回転可能であるカソード６０２により支持されるターゲット６０３は、静止中及び回転中いずれの場合においても、プラズマ中のイオンをターゲット６０３表面に衝突させることによってスパッタ粒子６０５を基板６０４に堆積させることが出来る。

成膜処理時では、ターゲット６０３によって成膜処理が施される基板６０４は、回転軸Ａを中心に任意の角度で回転可能であるステージ６０１上に載置される。ステージ６０１の基板支持面とカソード６０２のターゲット支持面とは、それぞれ回転軸Ａ及び回転軸Ｂを中心として、独立して回転可能に構成されている。

さらに、ターゲット６０３とステージ６０１との間に遮蔽板６０６が設けられている。遮蔽板６０６は、回転軸Ａ又は回転軸Ｂのいずれかを中心に任意の角度で回転するための手段を有しており、堆積される膜の膜厚分布の微調整やスパッタ粒子の入射角の選択性を高める機能を果たす。遮蔽板６０６は、任意の方法で、回転軸Ａ又は回転軸Ｂを中心として回転することが出来るが、以下で説明する実施形態では回転軸Ａを中心として回転可能と構成している。遮蔽板６０６は、カソード６０３又はステージ６０１とは独立して回転運動をするように、制御装置により制御することが可能である。

図７Ａは、図６Ａのスパッタリング装置のステージとして利用可能なステージ７０１の側面図である。ステージ７０１は基板載置台７０２を有しており、基板載置台７０２上には基板７０３が載置されている。図７Ｂは、本発明に一実施形態に係るステージ７０１の斜視図である。ステージ７０１は、図６と同様に、回転軸Ａを中心に回転可能に構成されている。ステージ７０１の基板載置台７０２は、回転軸Ａに垂直であり且つ基板７０３の中心を通過する回転軸Cを中心に回転可能に構成されており、回転軸Cを中心に基板７０３を回転させることが可能である。基板載置台７０２は、例えばモーターなどの回転手段を用いて回転させることが可能であり、この回転手段を制御装置により制御することが可能である。

図８は、本発明の別の実施形態に係るスパッタリング装置の一例を示す図である。スパッタリング装置８００は、基板８０４を載置するステージ８０１と、ターゲット８０３を支持するカソード８０２及び遮蔽板８０５とを備えている。ステージ８０１及びカソード８０２はそれぞれ、回転軸Ａ及び回転軸Ｂを備えており、且つ、ステージ８０１及びカソード８０２の少なくとも一方は、回転軸Ａ及び回転軸Ｂを中心に任意の角度で回転するように構成されている。例えば、ステージ８０１及びカソード８０２の少なくとも一方は、モーターなどの回転手段を用いて回転させることが可能であり、回転手段を制御装置によって制御することが可能である。回転軸Ａと回転軸Ｂは、互いに平行に配置されており、ターゲット８０３は、回転軸Ｂに対して平行となるように、カソード８０２によって支持されている。

回転軸Ｂを中心に任意の角度で回転可能であるカソード８０２により支持されるターゲット８０３は、静止中及び回転中いずれの場合においても、プラズマ中のイオンをターゲット８０３表面に衝突させることによってスパッタ粒子を基板８０４上に堆積させることが出来る。

ターゲット８０３ａ〜８０３ｃによって成膜処理が施される基板８０４は、回転軸Ａを中心に任意の角度で回転可能であるステージ８０１上に載置されている。ステージ８０１は基板載置台８０７を有しており、基板載置台８０７上には基板８０４を設けることができる。ステージ８０１の基板載置台８０７は、回転軸Ａに垂直であり且つ基板８０４の中心を通過する回転軸（不図示）を中心に回転可能に構成されており、該回転軸を中心に基板８０４を回転させることが可能である。基板載置台８０７は、例えばモーターなどの回転手段を用いて回転させることが可能であり、この回転手段を制御装置により制御することが可能である。

さらに、ターゲットとステージ８０１との間に遮蔽板８０５が設けられており、遮蔽板８０５は、回転軸Ａを中心に任意の角度で回転するための手段を有しており、堆積される膜の膜厚分布の微調整やスパッタ粒子の入射角の選択性を高める機能を果たす。遮蔽板８０５は、遮蔽板用回転手段８０６を制御装置によって適切に制御することによって、カソード８０２又はステージ８０１とは独立して、回転軸Ａを中心に回転することができる。

通常、配向性を高めた膜は複数層からなっており、その代表例はＴａ／ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ／ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅＣｒ／ＦｅＣｏである。このような複数層からなる膜を製作するためには、カソード８０２に支持されるターゲット８０３は複数であることが望ましい。図８の形態においては、複数のターゲット８０３ａ、８０３ｂ及び８０３ｃが存在しており、使用用途に応じて適宜ターゲット８０３ａ、８０３ｂ及び８０３ｃを使い分けることが可能である。回転軸Ａと回転軸Ｂは、互いに平行に配置されており、ターゲット８０３ａ、８０３ｂ及び８０３ｃは、回転軸Ｂに対して平行となるように、カソード８０２によって支持されている。回転軸Ｂを中心に回転可能であるターゲット８０３ａ、８０３ｂ及び８０３ｃは、プラズマ中のイオンをターゲット８０３表面に衝突させることによってスパッタ粒子を基板８０４に堆積させる。

（第１の実施形態）
本発明で重要なことの１つは、スパッタリングにより形成される磁性膜の磁化容易軸（困難軸）のバラツキを低減し、かつ簡便な構成で、形成される磁性膜中の原子密度を均一にすることである。

例えば、特許文献１に開示されたカルーセル型のスパッタリング装置の場合、以下に示すように、形成される磁性膜の磁化容易軸の方向にバラツキが生じる。図９は、従来のカルーセル型スパッタリング装置により形成された磁性膜の磁化容易軸の方向にバラツキが生じることを説明するための図である。

図９において、回転可能な基板ホルダー９０１には、基板９０２が支持されており、基板ホルダー９０１と所定の距離だけ離間してターゲット９０３が配置されている。このような構成でスパッタリングを開始すると、図９の工程１に示すように、ある基板９０２へのスパッタリングの初期段階では、基板９０２の第１の端９０４にはスパッタ粒子９０６が高入射角度で入射する。一方、基板９０２の第２の端９０５にはスパッタ粒子９０６が低入射角度で入射する。その後、図９の矢印方向に基板ホルダー９０１が回転してスパッタリングが進行すると、図９の工程２→工程３が行われる。

このとき、第１の端９０４に着目すると、図９の工程１から工程３へと処理が進行する際に、第１の端９０４に入射されるスパッタ粒子９０６の入射角度は、高入射角度から低入射角度へと連続的に変化する。従って、第１の端９０４においては、堆積される膜の厚さ方向に沿って、異なる方向の磁化容易軸が分布することになる。同様に、第２の端９０５に着目すると、図９の工程１から工程３へと処理が進行する際に、第１の端９０５に入射されるスパッタ粒子９０６の入射角度は、低入射角度から高入射角度へと連続的に変化する。従って、この場合も、第２の端９０５においては、堆積される膜の厚さ方向に沿って、異なる方向の磁化容易軸が分布することになる。

すなわち、上述したように、基板に入射するスパッタ粒子の入射角度により、磁化容易軸の方向が９０°変わることがある。よって、基板面内でスパッタ粒子の入射角度依存性が発生すると、膜厚方向において磁化容易軸が９０°異なっている領域が発生することがあり、ｓｋｅｗ分散角を悪化させる可能性がある。

また、スパッタ粒子の入射角度が大きいほど、形成される磁性膜中の原子密度が下がり、該磁性膜の面内の比抵抗にも分布が生じることになると共に、飽和磁束密度も減少することになる。

さらに、膜厚分布が均一でも、図１０に示すように、基板９０２の左右で結晶成長が変わる可能性がある。図１０は、磁性特性のバラツキ、磁化容易軸のバラツキを説明するための模式図である。図１０において、符号１００１は、スパッタリングにより形成された磁性膜を示す。また、符号１００１ａは、図９の工程１〜２において形成される磁性膜であって、磁気特性のバラツキ、および磁化容易軸のバラツキを模式的に表現した磁性膜である。同様に、符号１００１ｂは、図９の工程２〜３において形成される磁性膜であって、磁気特性のバラツキ、および磁化容易軸のバラツキを模式的に表現した磁性膜である。図１０において、磁性膜１００１ａおよび１００１ｂにおいて、斜線の傾きが基板９０２の法線方向より大きな角度であるほど、高入射角度で入射したスパッタ粒子が多かったことを示し、斜線の傾きが基板９０２の法線方向より小さな角度であるほど、低入射角度で入射したスパッタ粒子が多かったことを示す。

なお、磁性膜１００１ａおよび１００１ｂは模式図であり、図１０では、磁性膜１００１ａと磁性膜１００１ｂとを離間して示しているが、これは、図面を見やすくするためである。

図９の工程１に示されるように、工程１から工程２にかけては、基板９０２の第１の端９０４ではスパッタ粒子の多くは高入射角度で入射し、第２の端９０５ではスパッタ粒子の多くは低入射角度で入射する。よって、符号１００１ａに示すように磁性膜が形成される。一方、図９の工程３に示されるように、工程２から工程３にかけては、第１の端９０４ではスパッタ粒子の多くは低入射角度で入射し、第２の端９０５ではスパッタ粒子の多くは高入射角度で入射する。よって、符号１００１ｂに示すように磁性膜が形成される。従って、最終的に形成された磁性膜１００１においては、初期段階で成長した領域と、最終段階で成長した領域とで、膜形成に寄与するスパッタ粒子の入射角度が異なることになる。よって、初期段階で成長した領域と、最終段階で成長した領域とにおいて、磁化容易軸の方向が異なることがあり、磁化容易軸のバラツキや、磁気特性のバラツキに繋がってしまう。

本実施形態では、遮蔽板６０６、８０５といったマスク機構、およびその動作を最適化し、磁化容易軸のバラツキや磁気特性のバラツキを低減することを目的の一つとしている。このような目的を達成するに当たり本出願の発明者は、鋭意検討、実験した結果、スパッタ粒子の、基板への入射角度が低角度であっても、形成される膜に磁気異方性が付与されることを見出した。

さて、上述のように、高入射角度でスパッタ粒子が入射すると、形成される膜中の原子密度が下がり、膜面内の比抵抗の分布が生じ、さらに飽和磁束密度も減少することになり、磁気特性のバラツキに繋がってしまう。

そこで、本実施形態では、高入射角度で入射するスパッタ粒子を適切に遮蔽し、低入射角度で入射するスパッタ粒子を基板に入射するように、遮蔽板を制御することを特徴としている。このように制御することで、磁気特性の低下の原因となる高入射角度で入射するスパッタ粒子の入射を抑制し、かつ入射するスパッタ粒子の入射角度を、磁気異方性を付与可能な低入射角度に可能な限り限定することができる。従って、基板に入射するスパッタ粒子の入射角度を小さく抑えることで、比抵抗のバラツキを抑え、飽和磁束密度の低下を抑えつつ、磁化容易軸の方向の均一化を図ることができる。

以下では、図８に示したスパッタリング装置を用いて本実施形態に係るスパッタリング装置の構造、動作を説明する。

図１１は、本実施形態に係るスパッタリング装置を示す図である。
図１１において、ターゲット８０３ａにはエロージョントラック（侵食部）８０８が形成されている。このエロージョントラックは、ターゲット８０３ｂ、８０３ｃに形成されている場合もある。また、基板８０４は、ステージ８０１の基板支持面の法線方向である回転軸Ｃを中心に任意の角度で回転可能な基板載置台８０７上に配置されている。

本実施形態では、上述した通り、スパッタリング中において、基板に高入射角度で入射するスパッタ粒子を適切にブロックし、ターゲットから基板へ入射されるスパッタ粒子の入射角度を低入射角度の範囲に可能な限り統一することが重要である。すなわち、低入射角度で入射するスパッタ粒子により成膜が行われるように、遮蔽板８０５の動作を制御している。

従って、本実施形態では、スパッタリングの開始時において、ターゲットに形成されたエロージョントラックに囲まれる領域に対向する位置に、遮蔽板８０５の、該遮蔽板８０５の回転方向における第１の端８０９ａの少なくとも一部を位置させる。すなわち、基板８０４に対して、基板８０４の移動方向（すなわち、ステージ８０１の回転方向）においてエロージョントラック８０８の遮蔽板８０５側を少なくとも遮蔽し、遮蔽板８０５の第１の端８０９ａがエロージョントラックに囲まれた領域上に位置するように、遮断板８０５を配置する。このように遮断板８０５を配置させると、結果的に、遮断板８０５の第１の端８０９ａがエロージョントラックの領域８０８ａと８０８ｂとの間に位置することになる。遮蔽板８０５は、スパッタリング中において、遮蔽板８０５の第１の端８０９ａが領域８０８ａと領域８０８ｂとの間の範囲内に位置していれば、移動（回転）動作してもかまわない。あるいは、スパッタリング中に遮蔽板８０５を止めていても良い。

このように、スパッタリング中において、第１の端８０９ａを領域８０３ａと領域８０３ｂとの間に位置させることによって、エロージョントラック８０８の領域８０８ａから発生するスパッタ粒子のうち、高入射角度で基板８０４に入射するスパッタ粒子を適切にブロックすることができる。すなわち、基板８０４への高入射角度でのスパッタ粒子の入射を抑制することができる。また、エロージョントラック８０８の領域８０８ｂから発生するスパッタ粒子は遮蔽板８０５によって適切にブロックされるので、ターゲット８０８から基板８０４へのスパッタ粒子の入射角度を、低入射角度の範囲内に収めることができる。

本実施形態では、スパッタリング中に、回転軸Ｂを中心に回転可能なカソード８０２を回転させても良いし、止めたままでも良い。

また、ステージ８０１の回転角速度を調節して膜厚分布を調節しても良い。ステージ８０１の回転角速度が速くなるほど、基板８０４上の、対応する領域の成膜レートは遅くなる。従って、成膜レートが遅いスパッタリング開始時等では回転角速度を遅くし、成膜レートが早い、ターゲット表面と基板表面とが平行になる場合等では回転角速度を早くするようにステージ８０１の回転を制御すれば良い。

さて、本実施形態では、スパッタリング中に、遮蔽板８０５の第１の端８０９ａの少なくとも一部を、対象となるターゲット８０３ａに形成されたエロージョントラック８０８に囲まれる領域上（領域８０８ａと領域８０８ｂとの間）に位置させる状態を維持しながら、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５の少なくとも１つを回転させている。このような制御により、ターゲット８０８から基板８０４へのスパッタ粒子の入射角度を所定の範囲内に収めている。すなわち、エロージョントラック８０８のうち、基板８０４に対して遮蔽板８０５により遮蔽されていない領域からの入射角度が所定の低入射角度の範囲内になるように、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５の少なくとも１つを回転制御する。

本実施形態において、上記所定の低入射角度の範囲は、０°以上５０°以下であることが好ましく、１０°以上５０°以下がさらに好ましい。図１２は、本実施形態のスパッタ粒子の入射角度と磁気特性との入射角依存性を示す図である。

図１２から分かるように、入射角度が０°以上５０°以下（範囲１２０１）の範囲内に収まるようにすれば、磁化容易軸の方向を良好に揃えることができ、かつ飽和磁束密度も大きくすることができる。さらに、入射角度が１０°以上５０°以下（範囲１２０２）の範囲内に収まるようにすれば、異方性磁界が多少下がってしまう０°以上１０°未満の入射角度をカットできるので、磁化容易軸の方向をさらに良好に揃えることができる。

これに対して、入射角度が５０°より大きくなると（範囲１２０３）、形成された磁性膜の飽和磁束密度が低下してしまう。さらに、入射角度が７０°以上となると（範囲１２０４）、磁化容易軸の方向が９０°変わってしまう。

このように、図１２からも分かるように、スパッタリング中に入射角度が範囲１２０１、１２０２内となるように、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５させることで、飽和磁束密度を大きくしつつ、磁化容易軸の方向のバラツキを抑えることができる。本実施形態では、スパッタリングの各瞬間において、上記範囲１２０１内でスパッタ粒子が基板８０４に入射するように、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５の回転を独立に制御する。

ただし、低入射角度の好ましい範囲である範囲１２０１、１２０２でのスパッタ粒子を積極的に増やしても、５０°よりも大きな入射角度で入射するスパッタ粒子の入射割合が増えると、上述したように、磁化容易軸の方向が９０°変わったり、膜中の原子密度の低下を招いてしまう。このため、本来狙うべき方向と異なる方向に異方性が形成されてしまい、磁化容易軸の面内分布のバラツキに繋がってしまう。

そこで、本実施形態では、５０°より大きい入射角度のスパッタ粒子の入射が基板８０４に入射しないように、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５の回転を独立に制御している。すなわち、図１３に示すように、例えば、エロージョントラック８０８の領域８０８ａから発生するスパッタ粒子のうち、入射角度が５０°以下であるスパッタ粒子１３０１を基板８０４に入射させ、領域８０８ａからの５０°よりも大きな入射角度のスパッタ粒子、および領域８０８ｂから発生するスパッタ粒子１３０２を基板８０４に入射させないように制御している。

次に、図１４を用いて本実施形態に係るスパッタリング装置の動作を説明する。
まずは、スパッタリングの開始に先立って、スパッタリング装置は、遮蔽板８０５の第１の端８０９ａが、エロージョントラック８０８の領域８０８ａと８０８ｂとの間に位置するように、カソード８０２および遮蔽板８０５を制御する。次いで、ターゲット８０３ａから基板８０４へと入射されるスパッタ粒子のうち、５０°よりも大きな入射角度を遮蔽するように、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５を位置決めする。なお、このような位置決めは、予め実験等により求めておけば良い。

次いで、スパッタ処理が開始されると、図１４の工程ａ〜工程ｅに従ってスパッタリングが行われる。このとき、スパッタリング装置は、工程ａ〜ｅの各々において、ステージ８０１を矢印Ｐに沿って回転させ、カソード８０２を矢印Ｑに沿って回転させる。また、遮蔽板８０５が領域８０８ａと８０８ｂとの間に位置し、かつターゲット８０３ａからの５０°よりも大きな入射角度で入射するスパッタ粒子１４０２を遮蔽し、０°以上５０°以下の入射角度のスパッタ粒子１４０１を基板８０４に入射させるように、遮蔽板８０５を適宜回転させる。すなわち、スパッタリング装置は、スパッタ処理中において、入射角度が０°以上５０°以下のスパッタ粒子１４０１が基板８０４に入射するように、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５の回転を独立に制御している。このような条件の制御は、予め実験等によって求めておけば良い。

なお、図１４の工程ａから工程ｃに向かってステージ８０１の回転を遅い状態から早い状態に連続的に変化させ、工程ｃから工程ｅに向かってステージ８０１の回転を早い状態から遅い状態に連続的に変化させることによって、膜厚分布を調節することができる。

このように動作させることで、遮蔽板８０５によって、高入射角度（例えば、５０°よりも高い入射角度）のスパッタ粒子が成膜に寄与しないようにすることができる。従って、成膜に寄与するスパッタ粒子の入射角度を低入射角度の範囲内（例えば、０°以上５０°以下）になるべく収めることができるので、磁化容易軸のバラツキ、および飽和磁束密度の低下を抑えることができる。

なお、上記説明では、エロージョントラックが形成されたターゲットを用いた場合について説明したが、本実施形態は、新品のターゲット等のエロージョントラックが形成されてないターゲットを用いる場合にも適用可能である。例えば、一方の極性の第１の磁石と、該第１の磁石を囲むようにかつ、接しないように配置された、他方の極性の第２の略矩形状磁石とを有するカソードを用いる場合、ターゲット上に発生した磁場のうち、第１の磁石と第２の略矩形磁石との間に生じる磁気トンネルのうち、カソードのターゲット支持面に対する垂直成分が０になる領域の集合体がエロージョントラックに略対応する。よって、エロージョントラックが形成されていないターゲットを用いる場合は、上記集合体に囲まれる領域の上に、第１の端を配置すれば良い。上記集合体はスパッタリングが進行するについてエロージョントラックになる。従って、ターゲットにエロージョントラックがあろうが無かろうが、上記集合体に囲まれる領域上に遮蔽板の一方の端の少なくとも一部が存在するようにすれば、上記効果を奏することができる。

なお、本実施形態では、第２の矩形状磁石の代わりに円形状磁石を用いても良い。本実施形態では、他方の磁性の磁石により、第１の磁石を囲むようにループ形態を形成することが重要であり、該ループ形態の形状はいずれの形状でも良い。

（実施例）
以下の条件に従ってスパッタリングを行った。
＜装置構成＞
ステージ８０１の回転中心から基板面までの距離：３３０ｍｍ
基板サイズ（直径）：２００ｍｍ
遮蔽板８０５の径：３９０ｍｍ
ターゲットと基板とが略平行に向かい合ったときの距離：１００ｍｍ
カソード８０２の回転軸Ｂとターゲット面までの距離：１６０ｍｍ
ターゲットサイズ：４５０ｍｍ×１３０ｍｍ
ターゲット厚み：４ｍｍ
ターゲット材質：Ｆｅ_６５Ｃｏ_３５（ａｔｏｍｉｃ％）
＜成膜条件＞
ガス：アルゴン
ガス圧：０．０５Ｐａ
放電電力：４０００Ｗ
メインに入射されるスパッタ粒子の入射角度：３５°

上記条件で、図１１に示したスパッタリング装置を用いて、図１４にて説明した動作によりスパッタリングを行った。該スパッタリングにより得られた磁性膜のＳｋｅｗ発散および規格化シート抵抗、並びに従来の方法で作製したＳｋｅｗ発散および規格化シート抵抗を図１５に示す。
図１５において、符号１５０１は、本実施例にて作製された磁性膜のＳｋｅｗ分散を示す図であり、符号１５０２は、スパッタ粒子の高入射角度成分を除去していない従来の方法にて作製された磁性膜のＳｋｅｗ分散を示す図である。また、符号１５０３は、本実施例にて作製された磁性膜の規格化シート抵抗を示す図であり、符号１５０４は、上記従来の方法にて作製された磁性膜の規格化シート抵抗を示す図である。

本発明のＳｋｅｗ発散を示す図１５０１から分かるように、本実施例にて作製された磁性膜においては、Ｓｋｅｗ発散が均一であり、形成された磁化容易軸が良好に揃っている。一方、従来のＳｋｅｗ発散を示す図１５０２から分かるように、従来の方法にて作製された磁性膜においては、領域１５０５ａではＳｋｅｗ発散にズレが生じており、磁化容易軸のバラツキの原因となっている。この領域１５０５ａは、入射角が５０°より大きいスパッタ粒子が多い領域である。

また、本発明の規格化シート抵抗を示す図１５０３から分かるように、本実施例にて作製された磁性膜の規格化シート抵抗は良好である。これに対し、従来の規格化シート抵抗を示す図１５０４から分かるように、従来の方法にて作製された磁性膜においては、領域１５０５ｂにおいてシート抵抗値の上昇が見られ、膜中の原子密度が低下している。この領域１５０５ｂは、入射角が５０°より大きいスパッタ粒子が多い領域である。

本実施例では、高入射角度成分（例えば、５０°よりも大きい角度）をなるべく基板に入射させず、低入射角度成分（例えば、０°以上５０°以下）を基板に入射するようにスパッタリング装置を制御している。従って、９０°ずれた磁化容易軸の形成を抑制することができ、磁化容易軸の方向を良好に揃えることができる。また、高入射角度で入射するスパッタ粒子を基板になるべく入射しないようにしているので、形成された膜の原子密度の低下を抑制することができる。

このように、従来の方法では、スパッタ粒子の高入射角度成分を除去していないので、磁気特性分布が大きくなってしまうが、本実施形態を適用することで、スパッタ粒子の入射角度の選択性が高まり、磁気特性分布を改善することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態にて説明したスパッタリング装置にさらに第２の遮蔽板を設けている。このように、追加の遮蔽板を設けることで、低入射角度のうち、０°側の所定の範囲（例えば、０°以上１０度未満）の入射角度成分をブロックすることができる。

図１６は、本実施形態に係るスパッタリング装置を示す図である。
図１６において、符号１６０１は、第２の遮蔽板である。第２の遮蔽板１６０１は、回転軸Ａを中心に任意の角度で回転するための手段を有しており、遮蔽板８０５と共に堆積される膜の膜厚分布の微調整やスパッタ粒子の入射角の選択性を高める機能を果たす。第２の遮蔽板１６０１は、遮蔽板用回転手段を制御装置によって適切に制御することによって、カソード８０２、ステージ８０１、または遮蔽板８０５とは独立して、回転軸Ａを中心に回転することができる。

本実施形態では、例えばエロージョントラック８０８の領域８０８ａから発生するスパッタ粒子において、高入射角度成分（５０°よりも大きい角度）を遮蔽板８０５にてブロックし、０°以上１０°未満の入射角度成分を第２の遮蔽板１６０１にてブロックするように、スパッタリング装置はステージ８０１、カソード８０２、遮蔽板８０５、および第２の遮蔽板１６０１の少なくとも１つを制御する。よって、基板８０４への入射角度を、より好ましい低入射角度の範囲である１０°以上５０°以下の範囲内に収めることができる。

（第３の実施形態）
上述の実施形態では、図１４の工程ａ〜工程ｅに示すように、一度に基板全面にスパッタリングを行っている。本実施形態では、スパッタリング中の基板搬送方法、またはマスク機構、基板、およびターゲットの位置関係を最適に制御することで、形成された膜中の上下（左右）における磁気特性が対称になるようにしている。すなわち、本実施形態では、形成すべき膜の半分までの成膜が完了したら、基板を１８０°回転させる、または遮蔽板を移動させて、残り半分の成膜を行う。

例えば、基板の半分の成膜が終わった時点で基板を１８０°回転させる場合は、図１４の工程ａ〜工程ｃまで行って基板の半分について成膜を行い、基板８０４の半分まで成膜が終わった後、一旦スパッタ動作を停止し、基板載置台８０７を１８０°回転させ、ステージ８０１、カソード８０２、および遮蔽板８０５を図１４の工程ａに示す位置に戻す。その後、また図１４の工程ａ〜工程ｃを行うことで、基板８０４の残りの半分について成膜を行う。

また、例えば、基板の半分の成膜が終わった時点で遮蔽板８０５を移動させる場合は、遮蔽板８０５の第２の端８０９ｂが、エロージョントラック８０８の領域８０８ａと領域８０８ｂとの間に位置するように遮蔽板８０５を回転させ、遮蔽板８０５により基板８０４に対して遮蔽する領域を、領域８０８ｂから領域８０８ａに変更する。後は、図１４の工程ａから工程ｃを同様な制御で行えば、基板８０４の残りの半分の成膜を行うことができる。
このように、基板の半分ずつ、同様の工程で成膜することで、成膜された膜の面内の非対称性を低減することができる。

なお、上述の実施形態は、上述のターゲット材料（Ｆｅ_６５Ｃｏ_３５）のみならず、ＦｅＣｏＢなどに代表されるＦｅＣｏ合金や、ＮｉＦｅ合金にも展開できる。

８０１ステージ
８０２カソード
８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃターゲット
８０４基板
８０５遮断板

Claims

スパッタリングターゲット支持面を有するカソードであって、第１の回転軸を中心に前記スパッタリングターゲット支持面が回転可能なカソードと、
基板支持面を有するステージであって、前記第１の回転軸と平行に配置された第２の回転軸を中心に前記基板支持面が回転可能なステージと、
前記スパッタリング支持面と前記基板支持面との間に配置され、前記第１の回転軸、または第２の回転軸を中心に回転可能な遮蔽板とを備え、
前記カソードは、複数のスパッタリングターゲット支持面を有し、該複数のスパッタリングターゲット支持面の各々は前記カソードの周囲に配置されており、
前記複数のスパッタリングターゲット支持面の各々は、前記第１の回転軸に平行にターゲットを支持するように構成され、
スパッタリング中において、前記スパッタリングターゲット支持面に支持されるスパッタリングターゲットから発生したスパッタ粒子のうち、前記基板支持面の法線との成す角度が０°以上５０°以下の角度で入射するスパッタ粒子を前記基板支持面に支持される基板に入射させるように、前記スパッタリングターゲット支持面、前記基板支持面、および遮蔽板の少なくとも１つの回転を制御することを特徴とするスパッタリング装置。
前記ステージの回転を、遅い状態から早い状態に連続的に変化させた後、該早い状態から遅い状態に連続的に変化させることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
スパッタリングターゲット支持面を有するカソードであって、第１の回転軸を中心に前記スパッタリングターゲット支持面が回転可能なカソードと、
基板支持面を有するステージであって、前記第１の回転軸と平行に配置された第２の回転軸を中心に前記基板支持面が回転可能なステージと、
前記スパッタリング支持面と前記基板支持面との間に配置され、前記第１の回転軸または第２の回転軸を中心に回転可能な遮蔽板とを備えるスパッタリング装置による成膜方法であって、
前記カソードは、複数のスパッタリングターゲット支持面を有し、該複数のスパッタリングターゲット支持面の各々は前記カソードの周囲に配置されており、
前記複数のスパッタリングターゲット支持面に設けられた複数のターゲットの各々は、前記第１の回転軸に平行になるように前記カソードに支持されており、
スパッタリング中において、前記スパッタリングターゲット支持面に支持されるスパッタリングターゲットから発生したスパッタ粒子のうち、前記基板支持面の法線との成す角度が０°以上５０°以下の角度で入射するスパッタ粒子を前記基板支持面に支持される基板に入射させるように、前記スパッタリングターゲット支持面、前記基板支持面、および遮蔽板の少なくとも１つを独立に回転させることを特徴とする成膜方法。
前記ステージの回転を、遅い状態から早い状態に連続的に変化させた後、該早い状態から遅い状態に連続的に変化させることを特徴とする請求項３に記載の成膜方法。