JP3920955B2

JP3920955B2 - スパッタ装置

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Publication number: JP3920955B2
Application number: JP27867596A
Authority: JP
Inventors: 歩三好
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JPH10102236A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板の表面に磁性薄膜を作成するスパッタ装置に関し、特に、磁気ヘッド等の製作に必要な磁気異方性を有する薄膜を作成するスパッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板の表面への磁性薄膜の作成には、従来よりスパッタ装置が多く用いられている。このうち、磁気記録媒体の信号読み出し用等に使用される磁気ヘッド用の磁性薄膜の作成においては、磁気異方性を有する薄膜を作成することが必要である。
図４は、このような磁気異方性を有する薄膜を作成することが可能な従来のスパッタ装置の構成を示した正面断面概略図であり、図５は、図４の装置のＢ−Ｂでの断面を上から見た平面断面概略図である。
【０００３】
図４に示すスパッタ装置は、排気系１１を備えた真空容器１と、真空容器１内の所定の位置に設けられた試料台２と、試料台２に対向した真空容器１内の位置に配設された複数のカソード３と、試料台２に保持された基板２０の表面に所定の磁場を設定する磁石４１，４２と、試料台２とカソード３との間に配設されて使用するカソード３を選択するシャッター板５とから主に構成されている。
【０００４】
試料台２は円盤状の部材であり、その下面に基板２０を保持するようになっている。基板２０の保持は、基板２０の周縁を機械的に保持する機構によって行われる。
この試料台２の上面中央には、上方に向けての延びる回転軸２１が固定されている。回転軸２１は、不図示の回転機構が連結されており、試料台２は回転軸２１を介して中心軸Ａの周りに自転するようになっている。
尚、基板２０は、試料台２の中心軸Ａから偏心した位置に配置される。従って、試料台２が自転した際、基板２０は試料台２の中心軸Ａの周りに公転することになる。
【０００５】
また、カソード３は、図４及び図５から分かるように、試料台２の中心軸Ａと同心円周上に等間隔をおいて複数配置されている。そして、試料台２が自転して所定位置に停止した際、基板２０と特定のカソード３は同軸上に対向した状態となるようになっている。各々のカソード３は、所定の材料よりなるターゲット３１と、ターゲット３１の下側に配設された磁石機構３２とから構成され、不図示のカソード電源によって所定の電圧が印加されるようになっている。尚、各カソード３のターゲット３１は、異なる磁性材料で形成される場合が多い。これは、基板２０の表面に異種の薄膜を積層する必要があるためにである。
【０００６】
磁石４１，４２は、図２から分かるように、二本の棒状の永久磁石である。二本の磁石４１，４２は、基板２０の直径よりも若干大きな離間間隔で平行に配置されており、図４中矢印４００で示す向きの磁場を印加するようになっている。尚、二本の磁石４１，４２は、試料台２の下面に固定されており、従って、試料台２の回転とともに回転するようになっている。
【０００７】
カソード３と試料台２との間に配置されたシャッター板５は、試料台２と同軸上に配置された円板状の部材である。シャッター板５は、中心軸Ａからのカソード３の半径距離と同じ距離の位置に開口５１を有している。開口５１の大きさは、カソード３よりも僅かに大きい程度である。
シャッター板５の下面中央には回転軸５２が固定されて下方に延びており、連結された不図示の回転機構によってシャッター板５は中心軸Ａの周りに自転するようになっている。そして、上記基板２０と特定のカソード３が対向した状態で、その基板２０とカソード３の間に開口５１が位置するようにシャッター板５を回転停止させることで、特定のカソード３を選択してスパッタリングに使用することができる。
【０００８】
また、図４及び図５に示す装置は、真空容器１内に所定のガスを導入する不図示のガス導入系を備えている。このガス導入系は、アルゴン等の不活性ガスを導入し、カソード３が与える電界によってスパッタ放電を生じさせるよう構成されている。
【０００９】
図４及び図５に示すスパッタ装置では、不図示のゲートバルブを通して基板２０を真空容器１内に搬入し、試料台２上の所定位置に保持させた後、排気系１１を動作させて所定圧力まで真空容器１内を排気する。並行して、試料台２及びシャッター板５を回転させ、所定のカソード３が基板２０に対向し、その間にシャッター板５の開口が位置する状態とする。
【００１０】
この状態で、ガス導入系を動作させて所定のガスを所定の流量で導入し、基板２０に対向したカソード３を動作させる。即ち、当該カソード３のカソード電源を動作させてスパッタ放電を生じさせ、ターゲット３１をスパッタする。スパッタされたターゲット３１の材料は、シャッター板５の開口５１を通って基板２０の表面に達し、当該表面に所定の薄膜が作成される。
【００１１】
次に、試料台２及びシャッター板５を回転させ、基板２０が別のカソード３に対向し、その間にシャッター板５の開口５１が位置した状態となるようにする。この状態で、所定のガスを所定量導入しながら、当該別のカソード３を動作させる。これによって、当該別のカソード３を構成するターゲット３１の材料の薄膜が積層される。
このようにして、使用するカソード３を順次選択しながら所定の薄膜を積層する。そして、複数のカソード３のうちの一部又は全部は磁性材料よりなるターゲット３１を備えており、磁性薄膜を含む所定の薄膜が積層されるようになっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスパッタリングによる磁性薄膜の積層技術の重要な適用分野の一つに、磁気記録媒体の信号読み出し用等に使用される磁気ヘッドの製作が挙げられる。最近では、外部磁界によりその電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗効果(ＡＭＲ，anisotropic magnetoresistance effect) を使用した磁気ヘッドが多く生産されている。
【００１３】
このうち、巨大磁気抵抗ヘッド（ＧＭＲ）等のある種の磁気ヘッドの製作においては、異なる向きに一軸異方性を持つ強磁性薄膜を積層した構造をとる。このような磁気ヘッドの製作においては、基板に対して異なる向きに磁場を印加しながらスパッタ成膜することが必要になるが、述した従来のスパッタ装置では、スパッタ成膜される基板に対しては一つの向きの磁場を印加できるのみであり、基板２０に対して異なる向きに磁場を印加する機能はなかった。従って、このような異なる向きに一軸異方性を有する磁性薄膜を積層する必要のある磁気デバイスについては、従来のスパッタ装置で成膜工程を行うことはできなかった。
【００１４】
基板に対して異なる向きに磁場を印加するには、（１）磁石を基板の中心軸の周りに回転させる、（２）磁石に電磁石を採用し、磁場の向きを電気的に変化させる、（３）磁石は固定された状態とし、自転機構による回転又はアームによる再配置などの方法により成膜のたびに基板の向きを変える、等の構成が考えられる。
【００１５】
しかしながら、（１）や（３）の構成では、基板を公転させる試料台の回転機構に付加するようにして基板中心軸周りの回転機構が必要になるため、機械的に非常に複雑になる欠点がある。また、（２）の構成では、真空容器１内に複雑な配線を設ける必要が生じ、放電からの配線の保護等のやっかいな問題が発生する。さらに、電磁石は永久磁石に比べて大きくなり易いので、試料台周辺の構成が大がかりになり易いという欠点もある。
【００１６】
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、基板に対して異なる方向に磁場を印加することが可能な簡易な構成のスパッタ装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えた真空容器と、真空容器内の所定の位置に設けられるとともに中心軸の周りに回転可能に設けられた試料台と、試料台に対向した真空容器内の位置であって試料台の中心軸と同心円周上に所定間隔をおいて配置された複数のカソードと、試料台に保持された基板の表面に異なる向きの磁場を設定することが可能な複数組の磁石と、試料台を回転させる試料台回転機構とを備え、成膜する基板を試料台の中心軸から偏心した所定位置に配置するとともに使用するカソードに対向した位置に基板が配置されるよう試料台を回転停止させて成膜を行うスパッタ装置であって、
前記複数組の磁石の各組は、試料台とカソードとの間の位置に試料台と同軸上に配設された磁石保持体によって一体に保持されるとともに中心軸と同心円周上に所定間隔をおいて配置されており、この磁石保持体は、カソードからのスパッタ粒子の通過を許容する形状を有し、さらに、磁石保持体を前記試料台の中心軸の周りに回転させて使用する磁石の組を基板の表面近傍の位置に配置する磁石回転機構が設けられており、
試料台と磁石保持体とは分離して設けられていて、それぞれの回転機構により別々に回転するものとなっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記磁石保持体に保持された磁石の組が、基板に接近した第一の位置と、基板から離間した第二の位置とを取り得るよう磁石保持体を移動させる移動機構が設けられているとともに、前記試料台に保持された基板をクリーニングするための放電を生じさせる放電手段が設けられているという構成を有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示した正面断面概略図であり、図２は、図１の装置のＢ−Ｂでの断面を上から見た平面断面概略図である。尚、図１の（ａ）（ｂ）は、異なる動作状態を示している。
【００１９】
図１に示すスパッタ装置は、排気系１１を備えた真空容器１と、真空容器１内の所定の位置に設けられるとともに中心軸Ａの周りに回転可能に設けられた試料台２と、試料台２に対向した真空容器１内の位置であって試料台２の中心軸Ａと同心円周上に所定間隔をおいて配置された複数のカソード３と、試料台２に保持された基板２０の表面に異なる向きの磁場を設定することが可能な複数の磁石４１，４２，４３，４４とを備えている。
【００２０】
真空容器１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。排気系１１は、例えば拡散ポンプやクライオポンプ等を備えて、真空容器１内を１０^-5パスカル程度の圧力まで排気可能に構成される。
試料台２は、図４に示す装置と同様、円盤状の形状であり、回転軸２１が上面に固定され、不図示の回転機構によって中心軸Ａの周りに回転するようになっている。試料台２は、基板２０の周縁を機械的に保持する不図示のチャック機構を有し、その下面に基板２０を保持するよう構成されている。基板２０は、従来と同様に試料台２の中心軸Ａから偏心した位置に配置され、試料台２が自転した際に、試料台２の中心軸Ａの周りに公転するようになっている。
【００２１】
カソード３についても、従来と同様に、試料台２の中心軸Ａと同心円周上に等間隔をおいて複数配置されている。そして、試料台２が回転して所定位置に停止した際、基板２０と特定のカソード３は同軸上に対向した状態となるようになっている。
各々のカソード３は、所定の材料よりなるターゲット３１と、ターゲット３１の下側に配設された磁石機構３２とから構成され、不図示のカソード電源によって所定の電圧が印加されるようになっている。尚、各カソード３のターゲット３１は、異なる磁性材料で形成されており、基板２０の表面に異種の薄膜を積層することが可能になっている。また、磁石機構３２は、マグネトロンスパッタリングのための磁場をターゲット３１の表面上に形成するものである。
【００２２】
複数の磁石４１，４２，４３，４４についての構成は、本実施形態の装置の大きな特徴点を成している。複数の磁石４１，４２，４３，４４は、図１及び図２に示すように、棒状の二組の永久磁石からなるものである。一つの組を構成する磁石４１，４２，４３，４４の上面には、相異なる磁極が現れるようになっており、基板２０の表面に沿うようにして一方向性の磁場が設定されるよう構成されている。
【００２３】
そして、二組の磁石４１，４２，４３，４４は、基板２０の表面に異なる向きの磁場を設定することが可能になっている。具体的には、各組を構成する棒状の磁石４１，４２，４３，４４は、互いに平行な方向に長いものである。そして、第一の組を構成する磁石４１，４２と第二の組を構成する磁石４３，４４とは、９０度異なる方向に長い形状となっている。この結果、各組の磁石４１，４２，４３，４４によって９０度異なる向き（図２中、矢印４００，４０１で示す）の一方向性磁場が設定されるようになっているのである。
【００２４】
これらの複数の磁場４１，４２，４３，４４は、図１及び図２に示すように、試料台２とカソード３との間の位置に試料台２と同軸上に配設された磁石保持体４０の上面に固定されており、磁石保持体４０によって一体に保持されている。各組の磁石４１，４２，４３，４４は、その中心点が中心軸Ａの同心円周上になるように所定間隔をおいて配置されている。
【００２５】
磁石保持体４０は、円盤状の部材であり、その下面中央には回転軸４５が設けられている。回転軸４５には、不図示の回転機構が付設されており、磁石保持体４０は、中心軸Ａの周りに回転可能になっている。回転機構は、回転軸４５に連結されたギヤ又はベルト等の運動伝達系とモータ等の回転駆動源とから構成される。
【００２６】
また、磁石保持体４０は、基板２０と特定のカソード３が対向した際に基板２０とそのカソード３との間に位置する開口４６を有している。開口４６は、カソード３よりも若干大きく、カソード３から飛来するスパッタ粒子を充分通過させて基板２０に到達させるようになっている。
【００２７】
さらに、磁石保持体４０には、磁石保持体４０を中心軸Ａの方向に直線移動させる不図示の移動機構が付設されている。この移動機構は、磁石保持体４０の回転軸４５に連結されたものであり、回転軸４５を介して磁石保持体４０を移動させ、磁石保持体４０上の磁石が、基板２０に接近した第一の位置と、基板２０から離間した第二の位置とを取り得るよう構成されている。
【００２８】
移動機構は、磁石保持体４０の回転軸４５に連結された直線運動機構であり、回転軸４５又は回転軸４５に固定されたアームを上下動させるエアシリンダ等の直線駆動源と、この直線駆動源をガイドするリニアガイド等から構成される。この移動機構は、前述した回転機構に回転軸４５との連結を着脱することが可能な部材を設け、回転軸４５を回転機構から切り離した状態で回転軸４５を上下動させるよう構成してもよい。
【００２９】
また、上記磁石保持体４０の下側には、シャッター板５が配設されている。シャッター板５は、図４及び図５に示す従来のものとほぼ同様の構成である。即ち、シャッター板５は、試料台２と同軸上に配置された円板状の部材であり、中心軸Ａからのカソード３の半径距離と同じ距離の位置に開口５１を有している。開口５１の大きさは、カソード３よりも僅かに大きい。尚、図２中、シャッター板５の図示は省略されている。
【００３０】
そして、シャッター板５の下面中央には回転軸５２が固定されて下方に延びており、連結された不図示の回転機構によってシャッター板５が中心軸Ａの周りに回転し、上記開口５１を基板２０とカソード３の間に位置させることが可能となっている。このシャッター板５により、使用されていないカソード３から不必要にスパッタ材料が基板２０に飛来するのが防止される。
【００３１】
尚、本実施形態の装置では、シャッター板５の回転軸５２は円筒状の形状になっており、内部に磁石保持体４０の回転軸４５が挿通されている。また、シャッター板５の回転軸５２と真空容器１の器壁の間、及び、シャッター板５の回転軸５２の内面と磁石保持体４０の回転軸４５の間には、不図示の真空シールが設けられて気密封止している。真空シールは、磁性流体等を用いたメカニカルシールであり、回転軸５２，４５の回転を許容しつつ気密封止を確保している。また、前述した試料台２の回転軸と真空容器１の器壁との間に不図示の同様な真空シールが設けられている。
【００３２】
また、図１及び図２に示す装置は、従来の装置と同様、真空容器１内に所定のガスを導入する不図示のガス導入系を備えている。ガス導入系は、アルゴン等の不活性ガスを導入し、カソードが与える電界によってスパッタ放電を生じるようになっている。
【００３３】
さらに、本実施形態の装置では、試料台２に保持された基板２０をクリーニングするための放電を生じさせる放電手段６が設けられている。放電手段６は、試料台２に所定の電圧を印加する試料台電源６１を含む電力供給系である。試料台電源６１は、例えば所定の周波数の高周波を試料台２に印加するように構成される。
不図示のガス導入系によって所定のガスを真空容器１内に導入させた状態で放電手段６を動作させると、基板２０が高周波スパッタされる。この高周波スパッタによって、基板２０の表面の汚れ等が除去されるようになっている。
【００３４】
次に、図３を併用しながら、上記構成に係る本実施形態のスパッタ装置の動作について説明する。図３は、図１及び図２に示すスパッタ装置の動作を説明する斜視概略図である。
【００３５】
まず、不図示のゲートバルブを通して基板２０を真空容器１内に搬入し、試料台２上の所定位置に保持させた後、排気系１１を動作させて所定圧力まで真空容器１内を排気する。並行して、試料台２及びシャッター板５を回転停止させ、所定のカソード３が基板２０に対向し、その間にシャッター板５の開口５１が位置する状態とする。また、図３（ａ）に示すように、磁石保持体４０に設けられた不図示の回転機構及び移動機構を動作させて第一の組の磁石４１，４２が基板２０の近傍に位置するようにする。
【００３６】
この状態で、不図示のガス導入系を動作させて所定のガスを所定の流量で導入し、基板２０に対向したカソード３を動作させる。即ち、当該カソード３のカソード電源を動作させてスパッタ放電を生じさせ、ターゲット３１をスパッタする。スパッタされたターゲット３１の磁性材料は、シャッター板５の開口５１を通って基板２０の表面に達し、当該表面に第一の磁性薄膜が作成される。この際、基板２０の近傍に位置する第一の組の磁石４１，４２によって基板２０の表面に所定の一方向性磁場が印加されているため、作成される第一の磁性薄膜は、この磁場の向き（矢印４００）に沿った一軸異方性を有するものになる。
【００３７】
そして、試料台２及びシャッター板５を回転させ、基板２０が別のカソード３に対向し、その間にシャッター板５の開口が位置した状態になるようにする。また、図３（ｂ）に示すように、磁石保持体４０の回転機構を動作させて第二の組の磁石４３，４４が基板２０の近傍に位置するようにする。
この状態で所定のガスを所定量導入しながら、当該別のカソード３を動作させる。これによって、当該別のカソード３を構成するターゲット３１の材料よりなる第二の磁性薄膜が積層される。この際、第二の組の磁石４３，４４は、第一の磁石４１，４２とは９０度異なる向きの磁場を印加するようになっているため、作成される第二の磁性薄膜は、前記第一の磁性薄膜に比べて９０度異なる向き（矢印４０１）の一軸異方性を有することになる。
【００３８】
このようにして、使用するカソード３を順次選択しながら所定の薄膜を積層する。尚、複数のカソード３のうち、特定のカソード３のターゲット３１には非磁性材料を使用することもある。例えば、ある種の磁気ヘッドの製作においては、Ｔａ（タンタル）シート層を磁性薄膜に積層して形成することがあるが、このような場合には、Ｔａ製のターゲット３が使用される。
【００３９】
上述のような成膜に際して、基板２０の表面クリーニングを行うことがある。この表面クリーニングは、基板２０の表面に付着した油脂等の汚れや表面保護膜等をスパッタエッチングによって除去するものである。
上記クリーニングは、以下の手順で行われる。即ち、試料台２に基板２０を保持させた後、磁石保持体４０に設けられた移動機構を動作させ、図１（ａ）に示すように、磁石４１，４２，４３，４４を基板２０から離間した第二の位置に配置させる。この状態で、ガス導入系によって所定のガスを所定量導入しながら、放電手段６を動作させる。この結果、高周波スパッタによって基板２０の表面がスパッタエッチングされ、表面の汚れ等が除去される。
【００４０】
この際、磁石４１，４２，４３，４４が基板２０から離間した第二の位置に位置するので、基板２０の表面には本質的に磁場は印加されない。このため、高周波放電によって生ずるプラズマの状態は磁場の影響を受けずに安定して均一なものとなり、安定した均一なクリーニングが行われる。基板２０の近傍に磁石４１，４２，４３，４４を位置させたままでクリーニングを行うと、プラズマが磁石４１，４２，４３，４４の影響を受けて不安定になったり不均一になったりして、クリーニングが充分行えない問題があるが、本実施形態の装置によれば、このような問題がない。
【００４１】
このようにしてクリーニングが終了し、その後、前述した磁性薄膜の成膜を行う場合、磁石保持体４０の移動機構を動作させ、図１（ｂ）に示すように、磁石を基板２０の近傍の位置に配置する。そして、同様に、クリーニング後の基板２０について成膜を行う。この際、基板２０の表面が清浄になっているので、薄膜の付着性等の点で問題になることがない。
【００４２】
上述した構成及び動作に係る本実施形態のスパッタ装置では、異なる向きの磁場を印加する複数の磁石４１，４２，４３，４４が磁石保持体４０に一体に保持されており、その磁石保持体４０を中心軸Ａの周りに回転させる機構によって特定の組の磁石４１，４２，４３，４４を選択しているので、基板２０に対する異なる向きの磁場の印加が簡易な構成によって行えるという長所がある。
【００４３】
以上説明した本実施形態のスパッタ装置の構成において、二組の磁石４１，４２，４３，４４は９０度異なる向きの磁場を基板２０に印加するものであったが、１８０度等の他の角度異なる向きの磁場を基板２０に印加するものであってもよい。また、磁石の組数は、三組以上であってもよい。さらに、各組を構成する磁石が一つの磁石で兼用される場合もあり、従って、磁石の数が二の倍数になるとは限らない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明した通り、請求項１の発明によれば、基板に対して異なる方向に磁場を印加することが可能な簡易な構成のスパッタ装置が提供できる。
また、請求項２の発明によれば、上記請求項１の発明の効果に加え、基板の表面のクリーニングを安定して均一に行えるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示した正面断面概略図である。
【図２】図１の装置のＢ−Ｂでの断面を上から見た平面断面概略図である。
【図３】図１及び図２に示すスパッタ装置の動作を説明する斜視概略図である。
【図４】磁気異方性を有する薄膜を作成することが可能な従来のスパッタ装置の構成を示した正面断面概略図である。
【図５】図４の装置のＢ−Ｂでの断面を上から見た平面断面概略図である。
【符号の説明】
１真空容器
１１排気系
２試料台
２０基板
３カソード
３１ターゲット
４０磁石保持体
４１磁石
４２磁石
４３磁石
４４磁石
５シャッター板
６放電手段

Claims

排気系を備えた真空容器と、真空容器内の所定の位置に設けられるとともに中心軸の周りに回転可能に設けられた試料台と、試料台に対向した真空容器内の位置であって試料台の中心軸と同心円周上に所定間隔をおいて配置された複数のカソードと、試料台に保持された基板の表面に異なる向きの磁場を設定することが可能な複数組の磁石と、試料台を回転させる試料台回転機構とを備え、成膜する基板を試料台の中心軸から偏心した所定位置に配置するとともに使用するカソードに対向した位置に基板が配置されるよう試料台を回転停止させて成膜を行うスパッタ装置であって、
前記複数組の磁石の各組は、試料台とカソードとの間の位置に試料台と同軸上に配設された磁石保持体によって一体に保持されるとともに中心軸と同心円周上に所定間隔をおいて配置されており、この磁石保持体は、カソードからのスパッタ粒子の通過を許容する形状を有し、さらに、磁石保持体を前記試料台の中心軸の周りに回転させて使用する磁石の組を基板の表面近傍の位置に配置する磁石回転機構が設けられており、
試料台と磁石保持体とは分離して設けられていて、それぞれの回転機構により別々に回転するものとなっていることを特徴とするスパッタ装置。
前記磁石保持体に保持された磁石の組が、基板に接近した第一の位置と、基板から離間した第二の位置とを取り得るよう磁石保持体を移動させる移動機構が設けられているとともに、前記試料台に保持された基板をクリーニングするための放電を生じさせる放電手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。