JP4763966B2 - 複数ターゲットスパッタリング用の装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置及び方法の分野で、特に複合ターゲット組立体からの異なる材料層の連続蒸着に関する。

スパッタリングは制御された厚さの均一な膜の蒸着方法として商業的に好適な処理である。特に、情報記憶用の現代の媒体は概して、磁気または光学的記憶用材料のスパッタ蒸着によって製造されている。

コバルト及び白金の層６及び８が交互に基板4上に蒸着されるところの図１に示されるような多層媒質を形成することが特に所望される。多くの応用においてこれらの層は、最小の単一層の厚さが２から３オングストロームであるのに対し、全体として１０^２から１０^３オングストロームのオーダーの厚さに達する。この種の多層構造は優れた磁気特性を示し、特に非常に高密度な情報記憶に応用できる。そこでは保存されたビットの磁気ベクトルが多層媒体の平面と実質的に垂直方向に向けられる。最初の下層及び最終層（図示せず）は所期の目的の多層構造を完成させる。隣接層（バイレイヤー）の連続数は、典型的な記憶装置の応用において１５〜３０付近である。特定の応用に対して、層６及び８の厚さは個々に制御可能でありかつ蒸着中互いに汚染することなく配置されることが所望される。選択された応用において、２つ以上のスパッタ可能材料を含む多層化シーケンスが要求される。

反応処理を通じて別個の層の連続を蒸着するために共通の真空ハウジング内で複数の独立不連続スパッタソースを採用する装置が周知である。この種の代表的な装置は、多くの基板を支持するためのスパッタソースのアレイに面した回転可能なパレットの軸に関して方位方向に４つのDCマグネトロンを配置する。DCマグネトロンの間の位置には他に、基板上にアルミナ層を生成するようスパッタされたアルミニウム層の酸化を制御するための４つの反応ガスプラズマセルが存在する。パレットの回転は、連続または指示された回転モードのいずれかに調節される。この説明の装置は本発明の譲受人からALX１０００と指定すれば購入可能である。

他の従来技術のスパッタリングシステムは、同心コイルマグネトロンに関して同軸に配置された同心ターゲットリングを含む複数種スパッタリングソースを含む。このシステムにおいて、スパッタリングターゲットの選択は、内側または外側ターゲットリングのいずれかに近接するリング形状領域へのプラズマの磁気的操作によって達成される。
米国特許第5,705,044号

所望の組成の薄膜合金を被処理体上へ蒸着するために異なるスパッタリング材料の異なる領域部分から成るスパッタリングターゲットを使用することも周知技術である。
Handbook of Sputter Deposition Technology, K. Wasa and S. Hayakawa, Noyes Publication, 1992

情報記憶媒体は本発明の応用例であるが、他の応用として光学回路用部品及び特殊光学部品、並びに周期的及び非周期的形式の薄膜ラミネート構造体の製造が含まれる。

本発明は、基板を過度にハンドリングせず、早いスループットによる商業的効果を獲得しながら、個々の蒸着層の相互汚染を例外的に減少させた点を特徴とするスパッタ蒸着の優れた制御を有する複数層構造体の製造を可能とする。

本発明において、広面積スパッタリングターゲットが異なる表面域部分から形成される。隣接する一対の表面域部分は、例えば白金部分に隣接するコバルト部分のように、異なるスパッタ可能材料から成る。被処理体はターゲット近傍に配置され、異なる表面域部分から成るスパッタターゲットの異なるスパッタ可能域に対向して相対的に変位することができる。被処理体の直線寸法はターゲットの所与のスパッタ可能部分の寸法を超えない。その結果、被処理体は全体として選択された表面部分に対向して配置されるかまたはターゲットに関して連続的に相対的に回転（または別の方向に並進）される。近傍のスパッタ可能部分からスパッタされた膜は従来の形式で被処理体上に付着する。好適実施例において、ターゲットが平坦な被処理体に関して移動する際、ターゲット上の被処理体の投影は動かない。動作の動的モードにおいて、被処理体及びターゲットの選択部分が並置されるとき、相対運動の選択されたインターバルの間スパッタはイネーブルになる。動作の静的モードにおいて、選択されたターゲットは被処理体に対向する位置にインデックスされ、所望の蒸着時間中スパッタリングはイネーブルとなり、その後ターゲットは次の蒸着のために再配置（インデックス）される。スパッタリングは、例えば選択されたターゲット部分がターゲット上の良く画成されたプラズマ投影近傍にある所望のインターバルの間のみ空間的に良く画成されたプラズマ放電を励起するよう高電圧電源をゲートオンすることによりイネーブルとなる。同様にして、ターゲット上のプラズマ放電の移動する良く画成された投影（動的モード）が隣接ターゲット部分の範囲を定める境界に近づくに従い、スパッタリング放電はゲートオフされる。スパッタリングインターバルが、選択されたターゲット部分を横切るシングルパスで被処理体上に所望の厚さの膜を与えるのに十分であれば、放電は早めに終了される。この動作は、被処理体上にそれぞれの材料の交互の膜を生成するべく次の隣接するターゲット部分に関して繰り返される。

ターゲットは、被処理体が導入されるところのハウジング内に配置される。好適な構成において、被処理体は動かず、例えばコバルト及び白金の約１８０°セクタのような少なくとも２つのセクタから成る回転ターゲットホイールに面する。ターゲットとハウジングとの間に適当なポテンシャルを印加すると同時にプラズマ放電を維持するべく被処理体とターゲットとの間にそれぞれに垂直になるよう磁場が軸方向に位置合わせされる。該磁場は半径方向の範囲を鋭く制限された概して円筒形領域を占める分布領域を与えるよう注意深く設計される。プラズマ放電はターゲットと被処理体との間の領域内に分配され、磁場分布の性質によりターゲット上に良く画成された投影を見せる。開孔されたシールドが被処理体とターゲットとの間に配置され、ターゲット上のプラズマの投影を包囲し、バックスパッタリングによる相互汚染からターゲットを保護し、被処理体以外の面上へのスパッタ蒸着を制限する。ターゲットホイール上のこの孔の投影が完全に所望のセクタ内にあるとき、イネーブル論理レベルにより電源はプラズマ放電を励起し、同様にして、ターゲット上のプラズマ投影の前縁が隣接セクタを分ける境界に近づくに従い、非励起ゲート信号が生成される。ターゲットホイールの角度位置は、スパッタモジュール制御器へ入力を与えるシャフト位置エンコーダから導出される。シングルパスの蒸着で達成可能な厚さのスケールは、スパッタリング材料、回転速度、圧力、プラズマ内で消費される電力、被処理体に印加される可能バイアス、及びプラズマ励起のデューティサイクルに依存する。隣接層に対して厚さの所望の比率を分散させるために複数回のフル回転が使用される。

他の実施例において、被処理体は、所望のスパッタ膜を蒸着するために適当な位置を符号化して上記と同様に制御器に知らせることにより、ターゲット部分のアレイに関して直線動作で平行移動される。

本発明の説明が、図２に示されている。図２に示されるように、システムは、処理装置10及び基板ハンドリングシステム20を含み、両者は特殊モジュールまたは処理ステーションにおいて特定の処理工程を実行するためのシステムプラットフォームを形成する。処理装置10はメイン真空チャンバ40に設置された複数の処理ステーション30、32、34等を含む。この例において、処理ステーション30、32、34等は、円形のメイン真空チャンバ40に関して円形に配置されるように設置される。処理装置10はさらに、処理用にシステム内へ基板／被処理体をロードするためのロードステーション、次の処理用にシステムから処理済みの被処理体をアンロードするためのアンロードステーション44を含む。典型的な応用において、被処理体は磁気ディスクまたは光ディスク用の基板である。基板処理システムはさらに、真空ポンプ、電源及びシステム制御器（図示せず）を含む。

30、32、34等のようないくつかの処理ステーションはそれぞれ、両面を処理するために、基板処理位置の反対側に対向する関係で配置された処理デバイスを含む。図２の従来のシステム内で、処理デバイスは、スパッタ被覆ソース、加熱装置、冷却装置、またはあらゆる他の処理デバイスである。異なる処理ステーション30、32、34等内の処理デバイスはシステムの要求に応じて同じかまたは異なる。図２の例において、システムは１２個の処理ステーション、ロードステーション42及びアンロードステーション44を有し、それらは対称的に配置されている。

図２を参照して、基板ハンドリングシステム20は、バッファ真空チャンバ22、ロードロック24、入口コンベア26、アンロードロック28、及び出口コンベア27を含む。処理用基板を運搬するカセット100a、100b、100c及び100dはロードロック24を通じてバッファ真空チャンバ22へ入り、アンロードロック28を通じてバッファ真空チャンバ22から出る。この構成において、ロードアーム102はカセット100bからロードステーション42内のディスクグリッパ35へ基板を搬送する。メイン真空チャンバ40内の回転ラック組立体は円形に配置された複数の基板またはディスクグリッパ70を含む。これらは図中のステーション１〜１２で示されるようなステーションからステーションへ基板またはディスクを運ぶ。アンロードアーム37はアンロードステーション44内のディスクグリッパ35からカセット100cへ基板を搬送する。基板ハンドリングシステム20は、ここに参考文献として組み込む上記米国特許第5,215,420号に詳細に記載されている。

本発明の特徴に従い、強化された基板処理システムを形成するべく、上記図２の例で示された基板処理システムにひとつまたはそれ以上のモジュールが付加される。特に、強化された基板処理システムは、図２に示された処理組立体のような一次処理組立体、及び該一次処理組立体へ付加されるひとつまたはそれ以上のモジュールから成る特殊処理モジュールを含む。適当なモジュールの例は上記米国特許第5,215,420号に略示されている。これらのモジュールは、基板が真空で一次処理組立体からさまざまなモジュールへ搬送され、また一次処理組立体に戻るように構成される。また、一次処理組立体は組立体間の汚染物質の移動を最小化するようひとつまたはそれ以上の真空分離チャンバによって処理モジュールから分離される。処理ステーションの有効数を増加させ、処理中のフレキシビリティを増加させ、汚染物質を生成する処理を汚染物質に敏感な他のものから分離するため、またはあらゆる他の理由により、強化された基板処理システムへモジュールが付加される。通常、個々のモジュールはそのモジュール／処理ステーションによって実行される特定の処理工程に関連する局所モジュール制御器を含み、それによってシステム制御器は全てのモジュールに共通のグローバルレベルで機能する。したがって、システムプラットフォーム制御器は、基板ハンドリングシステムまたはいくつかの処理モジュール内で生じるエラー状態報告に応答して被処理体の移送を調節しかつ同期させ、真空モニタリング、処理ガス供給、被処理体バイアス等のような特定の処理モジュールに関連する事項に関する機能が設計者の選択で割り当てられる。

図３a及び３bを参照して、図１で提案されるような連続層膜構造を生成するための複数種スパッタリング用のスパッタリング組立体50（図２の代表的システムの概念に入る）を含む本発明の特定のモジュールの概念的表現が示されている。特定の目的のために、２層シーケンスを直列化するための装置が仮定される。図３bに示されるように、好適にスパッタモジュール50は、被処理体の対向する面を同時に処理するべく平坦な被処理体の平面付近でミラー対称に配置された一対のサブモジュールを包含する。スパッタリング組立体50（図３A参照）は真空ハウジング101含む。基板48はシステム汚染を避けるため搬送ロックを通じて動作する周知の基板搬送機構（図示せず）によってハウジング101の内部空間内へ挿入される。これらの搬送機構は周知であり、これ以上説明の必要はない。モジュラースパッタリング組立体50は基板48の反対面を同時に処理するためのスパッタリング組立体51及び52から成る。載置プレート110はこのシステムのさまざまなコンポーネントを支持する。これらの組立体は好適には対称的で、機能的に独立であり、また構造的にも実質的に独立である。スパッタリング組立体50内で、基板48はターゲット組立体と対向して配置され、後者は、コバルト及びプラチナの約１８０°のセクタ91a及び91bがその上に支持されるところの面であって、基板／被処理体48に面する面と熱連通する回転ヒートシンク80から成る。シャフト81は周知の回転真空シールを通じて適当なモータ84及びベルト181によって駆動され、ここでモータ84は真空ハウジング101の外側に設置される。スパッタモータはこの機能に役立つが、サーボモータが機械的及び電気的設計の必要な修正に応じて採用されてもよい。回転ヒートシンク80の反対側で基板／被処理体48と位置合わせされて、スパッタ放電を閉じ込めるための必要な磁場を与える磁極組立体86が配置されている。この磁極組立体は固定されているか、またはスパッタ被覆に要求されるさらに高度な均一性を達成するために独立に回転してもよい。図３bにおいて、スパッタ組立体51及び52の各々に対する同じエレメントを示すために文字A及びBが使用されている。例えば、磁石ドライブAは組立体51で使用される磁気ドライブを示し、磁石ドライブBは組立体52で使用される同様のドライブを示す。これらのドライブに対する駆動力はモジュール制御器64から図３Bの組立体51及び52へ供給されるように示されている。シャフトエンコーダ89及びターゲット駆動の各々に対しても同じ事が言える。シャフト位置エンコーダ89は基準点を与え、そこからターゲットシャフト81のシャフト角度位置の情報を引き出す。そのようなエンコーダは周知であり、商業的に入手可能である。本発明においてシャフト角度分解能は象限あたり1／１０^３が使用される。この目的のための適当なシャフト位置エンコーダはワシントン州バンクーバーのU.S. Digitalのようないくつかのソースから商業的に入手可能である。

被処理体がハウジング101内に導入され、被処理体ハンドリングの技術で周知の代表的機構である支持アームまたはペデスタル（図示せず）によってその中で支持される。バッフル107は、ハウジング101の内部の残りの部分と完全に配置された被処理体及びペデスタルによって占められる空間との境界を定める。被処理体とターゲットホイール91との間には、マスク102内の第1プラズマ制限アパーチャ104が位置する。第２マスク106内の第２スパッタ制限アパーチャは被処理体とプラズマ制限アパーチャ104との間に位置する。これらのアパーチャの組合せは、支持アーム及び対称的サブモジュール52の対面するターゲットホイール（図示せず）を保護する。特に、所望の高度の脱相互汚染を保つために、対面ターゲットホイール（サブモジュール52）のターゲットセクタと隣接セクタ91b（サブモジュール51の）の両方がターゲットセクタ91aからのスパッタリングから保護されることが重要である。被処理体を包囲する環境に対する更なる保護がバッフル107によって与えられる。図３bは、図２に示されるような装置によって例示される処理ツール内に組み込むための、本発明の主要なコンポーネント組立体及びスパッタリングモジュールの機能エレメントの配置を示す。この特定の例は被処理体または基板の反対側に同時に配置される２層シーケンスを意図している。図３bはモジュール50のコンポーネントのサブアセンブリの関係及び好適実施例におけるそれらの関係を示す。モジュール50はスパッタリングターゲットカソードを励起するための電源66、一対のスパッタリングソース91a、91b、制御器64、冷媒管理組立体62（ポンプ、流量制御及びモニタリング、熱伝達デバイスを含む）及びユーザーインターフェース69を含む。モジュール50は上記したようにシステムプラットフォーム上で支持され、該システムプラットフォームは処理チャンバ101内への被処理体／基板の搬入60a及び処理チャンバ101からの搬出60bを制御する。チャンバ圧力はモニターされ、処理ガスのソース68は、制御器64の制御の下でまたはシステムプラットフォーム制御器によって好適に制御されながら、チャンバへ通じている。モジュール50は好適には２つのモードのいずれかで動作する。動的モードにおいて、各スパッタリング組立体91a及び91bは被処理体／基板に対して相対的に移動しながら蒸着のためにイネーブルにされる。スパッタリングは回転の角度インターバルの間にイネーブルにされ、選択されたターゲットセクタが完全にターゲットホイール上の被処理体／基板の投影を包含する。動作のインデックスまたは静的モードにおいて、ターゲットホイールは被処理体の投影を完全に包含するべく選択されたターゲットセクタと一直線となるよう回転され、ターゲット及び被処理体が静的関係の状態のままでスパッタリングはイネーブルにされる。

図４a及び４bを参照して、同軸通路82及び83から成るシャフト81上に支持されたターゲットヒートシンク80から成る２つのターゲット組立体の好適実施例が略示されている。冷媒流は周知の構造の回転可能な流体継手を通じて回転シャフト81へ結合される。そのような回転可能な流体継手は、例えば、イリノイ州ウォークガンのDeublin Companyから商業的に入手可能である。ヒートシンク80及びターゲット面から熱を除去するために同軸面82と83との間に冷媒ダクトを与えるべく蛇行通路88がヒートシンク80上に形成され、ターゲット面はヒートシンク80に接着された金属セクタ板91a及び91bから形成される。シャフト位置エンコーダの部分89aが概念的に示されている。ここに示された２つのスパッタ材料の例において、ひとつのセクタ91aはコバルトから成り、もうひとつのセクタ91bは白金から成り、記憶媒体のCo-Pt連続バイレイヤーを生成する。ヒートシンクはセクタターゲット用の共通の電気的ベースを与える。しかし、変形的に、それぞれのセクタ板は互いに電気的に分離されてもよい。領域90a及び90bはスパッタリングにより生成されるそれぞれの腐食空洞を表す。そのようなターゲットから薄膜バイレイヤーの所望の合成連続体を形成する方法が以下に説明される。質量及び腐食速度が異なるため、バランス重り92によって表される調節可能なバランス重りが与えられ、回転ターゲットに慣性バランスを与える。異なるスパッタリング材料間の質量の大きな差に加えて、そのような異なるスパッタ材料は異なる速度で腐食し、したがってターゲットに動的に進行する非平衡を与える。さらに、プラズマ中に分散される電力はそれぞれのターゲットごとに全く異なり、それがターゲット材料の腐食速度の差を減少または増加させる。ターゲット組立体を駆動するために与えられるサーボモータ及び機械継手の仕様に適合する限度内にあらゆる非平衡を維持することが所望される。許容バランスを維持するためにさまざまな手段が採用されるが、より早く腐食するセクタを過平衡(overbalance)にするべく周囲のバランス重りのセット92を許容量だけ相対的に調節し、かつ十分な相対的腐食が発生したとき、回転するターゲット組立体の非平衡(imbalance)が非平衡の同じ増分だけ反対のセクタを選んで逆転するまで動作を続けるための、ひとつの単純な装置が与えられる。経験上、消耗可能なスパッタ材料を取り替えることが必要である。スパッタリングターゲットの消費を記録し、ターゲット寿命の終わりが近いことを指示することが知られている。この機能は必要ならば以下に説明されるようにスパッタモジュール制御器64内に組み込まれても良い。

スパッタリング蒸着の間、被処理体及びハウジングに関して１０^３ボルトのオーダーの高電圧バイアスがターゲット91に印加され、プラズマ放電が始まる。従来のスリップリング構造は以下に説明するように高電圧源へのシャフト81の結合を与える。

図４cを参照して、所望の磁場分布が従来の多極放射状デザインから得られる。プラズマ分布の性質は磁場分布により決定される。固定磁石アレイ210の一例は、磁気内側及び外側ハウジング218及び220内で非磁気ベース212上に放射対称に配置された２４個の磁石から成る。内側及び外側ハウジングは磁石210用のフラックス帰還路を与える。内側及び外側磁場クランプ214及び216は、磁場クランプ214及び216に面する領域内に磁場分布B(r,θ,z)を成形するよう調節される。典型的な使用において、磁石アレイ210はそれぞれ約３５から４５Mエルステッド−ガウスの磁場エネルギーを示すNdFeBプリズムである。この極組立体の固定配列は、カソード面からR＝５０mmの距離に配置された直径６５から９５mmの範囲の被処理体上に満足な均一のスパッタ層を製造するのに受け入れられることがわかった。他の実施例において、磁極組立体86は、改良された空間的に平均化されたプラズマ閉じ込め磁場を得るために別々のモータ（図示せず）によって被処理体に関して固定された軸の周りに回転可能である。多くの磁極構成が本目的を達成するのに周知である。

スパッタリング体積内の局所圧力状態はスパッタリング処理工程に対して重要な特性である。局所非汚染真空ポンプ（図示せず）は、プラズマガス（典型的にアルゴン）の制御された流入及びチャンバ圧力測定装置と組み合わせて所望の周囲圧力を維持するために作動する。ガス流量制御は、商業的に入手可能な質量流量制御器により選択された流量に維持される。

プラズマ密度分布は磁場による閉じ込めにより決定される。プラズマ密度は分布の横方向エッジにおいて鋭く減少し、生成された幾何学的画成はプラズマ分布のターゲット上の投影を制限するべくこの装置に本質的なものである。アパーチャ１０４を有するマスク１０２はさらに被処理体の方向と反対方向への、スパッタされたスパッタリング材料のフラックスの軌道（バックスパッタリング）を制限する。マスク１０６のスパッタ制限アパーチャは被処理体と位置合わせされ、被処理体へとスパッタされたスパッタリング材料のフラックスを制限する。これらのアパーチャ及び被処理体は典型的に接地ポテンシャルに保持されるが、非接地バイアスを使用する実施例は本発明の態様の中にあるとみなされる。

例示モジュール50用の設計パラメータが典型的な動作条件（４０mTorrのアルゴンガス、−２００から−６００ボルトのカソードポテンシャル）の下での固定ターゲット上の腐食パターンの研究から得られた。これらの研究から、付与の磁石アレイ210に対してターゲットに入射する荷電粒子分布の横方向範囲が得られる。これらの腐食パターンはスパッタリングがターゲット面上で２.５インチの領域に空間的に閉じ込められるべきであることを示す。したがって、２.５インチのアパーチャ104が磁石アレイ210の中心軸と位置合わせされ、ターゲット面から離隔（０.０８インチ）される。被処理体から０.２５インチ離隔されたアパーチャ106のサイズは、被処理体のサイズとほぼ一致している。円対称が議論されてきたが、発明は特定の幾何形状に限定されない。

スパッタリングは、選択された材料の薄い層を蒸着するために４０年以上の間使用されてきた良く理解されている現象である。スパッタされた膜は、スパッタターゲット材料の性質、幾何（スパッタリングターゲット及びプラズマ放電に関する被処理体の位置）、プラズマの特性（放電内に分散される電力、プラズマガスの特性及び圧力）、スパッタリング露出時間及び被処理体及び／またはスパッタリング装置のエレメントに印加される電気的バイアスの関数である厚さを示す。

動的な動作モードにおいて、厚さT(Pw,p,δ,Vs)のスパッタ膜が角度インターバル(dθ/dt)Δtの間に得られる。ここで、θは回転するターゲット組立体の角度座標であり、Δtは時間増分であり、Pwはプラズマ中に分散される瞬間的な電力でありpは圧力であり、Vsは被処理体のバイアスであり、δは被処理体とターゲット面の相対的分離の尺度である。付与の回転速度に対して、付与の層の厚さはターゲットセクタへの任意の一度の露出中に制限される。図５aから５bは被処理体48及び２つのセクタターゲット（ここでは、コバルト及び白金）の相対的な方向を示す。ターゲットの回転が被処理体の投影及びプラズマ分布の投影を白金セクタ内のターゲット上に完全に配置する際（図５a）、制御器64はシャフト位置エンコーダ89に応答して従来のブラッシュ装置を通じて回転するスパッタリングターゲット91へ高電圧を印加し、それによって被処理体上への白金層の蒸着が開始される。白金蒸着限界（Co−Pt境界付近）に達するよう被処理体投影及びプラズマ分布投影に対して十分な角度増分（ここでは、９０°）を通じてターゲット91が回転されると、蒸着は終了する。制御器はシャフト位置エンコーダ89によって与えられた信号を通じてこの付近を検出し、ターゲットへ供給されるカソード高電圧を遮る（図５b）。ターゲットのさらなる回転により被処理体の投影及びプラズマ分布の投影はシャフト位置エンコーダ信号を通じて示されるようにCoセクタ内に完全に配置され、それと同時に制御器64は再び電源66からターゲットへ高電圧を印加する（図５c）。シャフト位置エンコーダ信号がPt−Co境界に近接した予め選択されたスパッタ停止位置に近いことを指示するまで、スパッタリングはCoセクタの回転を通じて続けられる。ターゲット上の被処理体及びプラズマ分布の投影にとって、ひとつのターゲットセクタ内に完全に配置されることが好適であるため、その間スパッタリングが存在しない角度インターバルが存在する。生成されたデューティサイクルは、被処理体／プラズマ分布及び限界としてのターゲットの相対的な寸法、及び実際に選択された開始及び停止位置に依存し、それは制限角度内で置換され得る。図５a〜dに示された場合において、ターゲットセクタ91a及び91bの両方の部分がターゲット91上のプラズマ分布投影に近づくと、角度インターバルの間にスパッタリングはイネーブルにならないことを保証するべく、有効動作用のデューティサイクルは５０％に近づくことがわかる。

ここに示されるような円対称に基づく蒸着モジュールに対して、被処理体及びターゲット91の相対的寸法はシステムの動作パラメータの重要な基本である。直線方向に配置された複数の不連続なターゲットアレイは上記処理モジュールの変形である。１リットル／秒の冷媒流量（水、周囲入口温度）を使ってスパッタリング組立体50のスパッタリング装置から約１.５キロワットの熱電力を除去する要求をサポートするべく、冷却ポンプ、熱交換器、水冷器、温度及び質量流量センサ等を含む冷却サブシステム62の作用でスパッタリング装置51及び52のスパッタリングターゲットの各々から熱が除去される。冷却管理サブシステム62は従来のデザイン及び構造であり、詳細に説明する必要はない。

スパッタモジュール制御器64（制御器64）は、スパッタターゲット91a、91b（及び付加的に、回転するプラズマ閉じ込め磁石）を組み込む回転ターゲット91を駆動し、回転ターゲットを支持するそれぞれのシャフト位置エンコーダからシャフト角度位置情報を受信する。このシャフト位置エンコーダ情報から、制御器64は、対応する複数元素ターゲットホイールの回転の予め選択された角度インターバルの間にそれぞれのスパッタリング組立体51及び52のスパッタリングターゲットに対して高電圧電源66の出力をイネーブルにする。制御器はまたゲート電源をオンする前に対応するターゲットセクタに対する電力レベルを選択する。

制御器64はまたさまざまな局所エラー条件を連続的にモニターし、エラー状態条件をシステムプラットフォーム制御器へ戻す。制御器64はまたユーザーインターフェース69を通じて供給された情報から指定されたレシピを実行するために自身を初期化する。

幾何及び圧力は本質的に製造シーケンス中は変化しないが、電力、バイレイヤーの数及び層の厚さは制御器64の動作を通じて選択可能である。特に、電力は広範囲にわたって選択的に制御可能であり、ターゲット材料に対応する選択された不連続値で確立される。図８は、１５バイレイヤーPt−Coシーケンスに関する、さまざまな電力分散値及びターゲット組立体回転速度に対する相対的な膜厚の依存性を示す。曲線は６０オングストローム／kW-sのスパッタリング速度で蒸着するのに要求されるターゲットでの電力分散のさまざまな値に対して計算されている。ダイヤ形状の点は１kWの公称電力分散において得られかつ蛍光X線によって測定された実際の蒸着膜データを表す。一定のカソード回転速度で実際の電力分散の関数としてさまざまな膜厚が正方形データポイントによって示されている。膜厚は放電がイネーブルである時間インターバルによって明確に制限される。このインターバルはさらにパルス動作により制限され、または該インターバルは複数のターゲット組立体の連続回転中にたったひとつの選択された材料を蒸着するスパッタによって拡張されてもよい。

情報記憶用媒体の製造のために、媒体の反対平面上に記憶能力を生成するのが通常の方法である。ここで説明されたモジュールは、被処理体の第２面付近に第２ターゲット組立体52を配置することによって、上記したようにこの目的のために単純に対称化される。モジュールのいくつかのコンポーネントは別々のプレーナ蒸着間で共有される。例えば、同じモータ84が両方のターゲット組立体のシャフトへトルクを与えてもよい。典型的に、制御器64は両方のターゲット組立体を作動する。０.２kVから１.０kVの範囲で動作可能な５kW高電圧電源が本発明に従うスパッタリング用の放電を励起しかつ維持するのに十分であることがわかった。

本発明のモジュール用の制御器は、モジュール内への導入とともに被覆用基板の載置を動作する。図７aからfは、固定被処理体に関して回転する共通のカソード／ヒートシンク上に配置されたTG1及びTG2の２つのターゲットからスパッタされたバイレイヤーのシーケンスの動的実行用の代表的なフローチャートを示す。400において、一般的なユーザーインターフェースがシーケンス用の動作レシピを供給する。ブロック402においてモジュール50が初期化され、制御プログラム論理変数は、ユーザーインターフェース400から引き出されたレシピデータを反映させるべく406、408及び409で同様に初期化される。サーボモータ84が所定の回転速度まで上げられ、プラズマ電力が対応するターゲット用の制限角度位置を検出後ゲートオンされ（502、602、702、802）、ターゲット用のスパッタリングセクタの端部を検出後ゲートオフされる（504、604、704、804）とき、それぞれのターゲットに対応するプラズマ内への電力分散の程度を選択するよう電力レベルのひとつを選択するのにシーケンスは利用可能である。スパッタされた層（またはスパッタされるべき層）の数は更なる層蒸着用のループインデックスとして処理するべく増分（減分）される。単純なバイレイヤーシーケンスにおいて、対応するターゲットに対してスパッタされる層にはそれぞれの大きさでプラズマ中の電力分散が達成され、電力レベルは次のターゲットセクタを見越してすぐにリセットされる。

図７a〜gの処理実行のメインスレッドから離れ、状態スレッド（図７f）がさまざまな条件をモニターし、モジュール50の状態をシステムプラットフォーム制御器へ提供する。例えば、実行停止を要求するモジュール50内のエラー条件は前の処理ステーション及び基板移送システム20の動作に影響を与えることがわかる。図６bに例示されるようなより複雑なレシピは、類似ではあるが、対応するより複雑な制御器シーケンスを要求する。ターゲットホイールは所望の角度位置に配置されるため、静的処理実行は指令のより単純なセットで指定される。

図７a〜fは特定のスパッタモジュール50内に生じる複数蒸着の特定シーケンスの管理に関連する。このフロー図を説明するために、多くの図面及び頁をまたぐ必要がある。このため、異なる図面のどこへ続くのかを示すようインデックス番号が使用されている。例えば、410は図７a及び図７fの両方に現れ、７aから７fへの流れを示している。470は図７a、７c及び７dにインデックスされて示されている。他のさまざまなインデックス番号、例えば420（７aから７b、７cへ）、440（７bを出て７dに入る）、450（７cから７bへ）、460（７bから７cへ）、430（７bから７cへ）、490（７dに２つ及び７e）、480（７dから７eへ）及び409（７eから７dへ）は、フローチャートのセグメントをリンクする目的を果たす。識別用に使用されているすべての番号は円で囲まれている。一般に、基板はひとつまたはそれ以上のサブステーション内で前処理を経験し、ベース層が生成される。後続の処理ステーションは、最終デバイスに要求されるようなひとつまたはそれ以上の異なる機能層または表面保護層を蒸着するのに有効である。

図７a〜fの代表的フローチャートに示される以外の多くの条件がモニターされるかまたは調節される。例えば、回転可能な磁極組立体86の回転、チャンバ圧力、システムプラットフォーム制御器内に生じる状態情報が制御器64内で扱われる他のパラメータの典型である。各ターゲット部分の腐食は別々に記録され、ターゲットの状態（例えば、差し迫ったターゲット寿命の終了、残りの有用寿命）が決定されかつ他のモジュール状態情報とともに表示されまたは処理される。

２つの材料のNが等しいバイレイヤーのシーケンスを適用したタイミング図が図６aに与えられる。ディスクの回転は図の下側のサイン曲線で示されている。カソード電力信号に対応してターゲットへ高電圧が印加される。この例において、それぞれの材料からの独立的スパッタリングを維持するべく２つの材料はそれぞれターゲットの約１８０°を占め（図５a〜d）、カソード電力オン条件は回転エンコーダから引き出されたそれぞれの材料設定値論理内で中心に置かれたターゲット回転の９０°を占める。材料設定値論理はスパッタされる次の材料とプラズマ電力用の特定値を関連づける動作を含む。図６bは、２つの材料が連続層として層の厚さの比が３：１、２：２、３：２であるようにスパッタされるケースの一般的な例である。このシーケンスにおいて、５π回転インターバル中に、第１材料M1は３回スパッタされ（カソード電力が３回印加された）、第２材料M2は次のπ角度インターバルの間に一度スパッタされる。その後M1は次の３πインターバルの間に一度スパッタされ、M2も同様に続く３πインターバルの間に一度スパッタされる。次の５πインターバルの間、M1は適当なπ/2ウインドウの間に３回スパッタされ、続く３π回転インターバルの間にM2スパッタリングがイネーブルになる。

典型的なディスク状被処理体に対して、説明したような回転複数ターゲットスパッタリング装置に対する回転ごとのデューティサイクルは、ターゲットセクタの相対角度サイズ及びプラズマ分布のターゲット上への投影によって境界を作られる角度サイズに依存する。処理のすべての他の態様は等しく、処理の動的モード用のデューティサイクルに対して幾何学的ベースが存在する。被処理体のサイズは発明により束縛されるが、被処理体のサイズは普通に理解されているのでデューティサイクルの主な決定要素でなない。連続する隣接層間の非相互汚染に対する要求は厳しく、プラズマ分布のターゲットセクタ上への投影がそのセクタ内に完全に収まらなければスパッタリングは開始できないという束縛によって満足される。典型的な応用において、被処理体のターゲット上への投影は位置合わせされ、適当なアパーチャによって制限されるのでターゲット上へのプラズマ分布投影より大きくはない。相対的回転において、ターゲット上へのプラズマ投影の後縁が第１セクタ境界を横切るまでスパッタリングはイネーブルにされず、その投影の前縁がそのセクタの残りの境界に近づくに従いスパッタリングはディスエーブルにされなければならない。したがって、セクタの角度サイズはターゲット回転の中心からプラズマ分布によって境界を作られる角度サイズより大きくなければならない。ここに例示されるような最も単純な場合において、等しい角度サイズの２つのターゲットセクタが存在する。プラズマ分布の最大角度サイズはπ／２であり、各スパッタ蒸着膜に対する回転あたりのデューティサイクルは５０％に近づく。

本発明の製品の商業的に重要なジャンルは回転する大容量メモリ用の媒体である。実際問題として、基板寸法の範囲を調節することは設計的選択であるが、そのようなディスクメモリ媒体の寸法は工業規格によって固定される。ターゲットホイール半径の比較的大きな値に対し、スパッタリングターゲットセクタは比例的により高価となり、回転の慣性モーメントはターゲット半径のほぼ自乗で増加する。結果として、ターゲットホイールを駆動するためのモータはそれに従って特定されなければならない。上記した実施例に対して、２セクタターゲットから直径９５mmまでの基板の両側面上に連続のCo-Pt層を生成するために直径１２.５インチのターゲットホイールを使って原型が構成されており、各セクタは実質的にπの境界を作る。

動的動作用のデューティサイクルは不動作インターバルを含む。上記構成に対して、デューティサイクルは幾何形状の結果である。動作のわずかな変更において、回転の非スパッタリング領域内でモータ84を加速し、ターゲットセクタ境界が近づくに従い動作の前の状態に減速して戻すことによって、デューティサイクルは動的に増加する。動的モードの蒸着が相対運動の一定速度で生じることは好適であるが必要ではない。

上記された円形幾何の例は、ターゲット領域部分に対するサイズ選択の更なる自由度を有する。等しい１８０°セクタが議論されかつ示されてきたが、セクタサイズの選択は処理及び被処理体サイズに依存する。最小サイズのセクタは処理の静的モードに適応するよう被処理体と少なくとも同じ大きさでなければならず、ターゲット上へのプラズマ投影が完全に付与のセクタの境界内にある間のみスパッタリングがイネーブルにされるという要求に従い、相互汚染が無い動的モード処理のために、ターゲット上のプラズマトラックの角度サイズはターゲットセクタの角度サイズより小さくなければならない。

２つの処理モードの組合せは発明の柔軟性を示す他の実施例を表す。例えば、π／２サイズのターゲットセクタA及び３π／２サイズのターゲットセクタBを考えることができる。この例において、π／２サイズの被処理体はターゲットセクタAから静的スパッタリングを受け、ターゲットセクタBから動的スパッタリングを受ける。

発明は特定の実施例について説明されてきたが、上記教示を考慮して他の修正及び変形が可能であることは当業者の知るところである。ターゲットセクタ及び被処理体の相対サイズは上記以外であってもよい。ターゲットセクタの数は処理の選択的事項である。本発明は特許請求の範囲の態様内において、特定的に上記されるもの以外でも実行可能であることを理解すべきである。

図１は、本発明により製造される媒体の一部を示す。 図２は、従来の処理システムの内容を示す。 図３Aは、図２のシステムに組み込むための本発明のモジュールを示す。 図３Bは、図３Aのスパッタリングステーションを含むモジュールのブロック図である。 図４Aは、複数元素のスパッタリングターゲットの一部を示す。 図４Bは、２元素セクタスパッタリングターゲットである。 図４Cは、プラズマ放電閉じ込め用の固定多重極磁石である。 図５AからDは、２元素スパッタリングプログラム用の回転進行を示す。 図６Aは、２つの材料の等しい厚さの連続層を可能にするタイミング図を示す。 図６Bは、比率が3：1、2：2、及び3：2の２層シーケンス用のタイミング図である。 図７Aは、図３のモジュールを作動させる制御器用の代表的フローチャートである。 図７Bは、図３のモジュールを作動させる制御器用の代表的フローチャートである。 図７Cは、図３のモジュールを作動させる制御器用の代表的フローチャートである。 図７Dは、図３のモジュールを作動させる制御器用の代表的フローチャートである。 図７Eは、図３のモジュールを作動させる制御器用の代表的フローチャートである。 図７Fは、図３のモジュールを作動させる制御器用の代表的フローチャートである。 図８は、ターゲット回転速度及びプラズマ電力の関数として単一層の膜厚を示したものである。

Claims (14)

1. 連続する均質層を被処理体上にスパッタ蒸着する方法であり、隣接する層は異なる種から成り、真空ハウジング内で実行されるところの方法であって、
   (a)ターゲット基板の第１部分に第１スパッタ可能種を用意し、前記ターゲット基板の第２部分に第２スパッタ可能種を用意する工程と、
   (b)前記被処理体を前記ターゲット基板の前記第１部分及び前記第２部分のうちの選択した部分に実質的に近接して配置する工程と、
   (c)不活性ガスを前記真空ハウジング内に導入し、前記ターゲットからスパッタリングするためのイオンのソースを与えるべく前記真空ハウジング内に電気的プラズマ放電を確立する工程と、
   (d)前記プラズマ放電を閉じ込めるよう磁場を付勢し、前記ターゲット部分にバイアスポテンシャルを印加し、前記プラズマから前記ターゲットの前記選択した部分へ入射するイオンを制限するための第１プラズマ制限アパーチャを有する第１マスクを挿入し、前記選択した部分の種のみを前記被処理体上へスパッタ蒸着する工程と、
   (e)前記被処理体を前記ターゲット基板の選択した他の部分に実質的に近接して配置する工程と、
   (f)第１スパッタ可能種、続いて第２スパッタ可能種を順に前記被処理体にスパッタリングする際、前記ターゲット基板を連続的に回転させ、それによって被処理体上に異なる種から成る連続する均質層を蒸着する工程と、
   から成り、
   前記ターゲット基板の第１部分及び第２部分の両方の部分が、前記第１プラズマ制限アパーチャに近づく角度の間は、スパッタリングが有効とならない、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、選択された他の部分から他の種を前記被処理体上へスパッタ蒸着する工程を含む方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記配置する工程は、前記被処理体の表面を、前記ターゲット基板から離隔しかつそれに面して、実質的に等角に方向付ける工程から成る、ところの方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記スパッタ蒸着する工程は、前記ターゲット基板から離隔された前記表面へのスパッタ蒸着を、前記第１プラズマ制限アパーチャを有する第１マスクに加え、前記被処理体と前記第１マスクとの間に第２スパッタ制限アパーチャを有する第２マスクを前記被処理体に位置合わせして配置することにより制限する工程から成る、ところの方法。
5. 共通のターゲット基板の連続したスパッタリングターゲット部分からのスパッタリングによって被処理体上に連続被覆を施す方法であって、
   (a)スパッタリング処理中に前記被処理体と前記共通のターゲット基板との間に連続的な相対運動状態を生じさせる工程であって、第１プラズマ制限アパーチャを有する第１マスクが前記被処理体と前記ターゲット基板との間に配置され、前記第１プラズマ制限アパーチャは前記スパッタリングターゲット部分のいずれよりもサイズが小さいところの工程と、
   (b)前記被処理体に対する前記ターゲット基板のひとつの部分の第１の予め選択した相対的配置を検知し、前記ターゲット基板の前記ひとつの部分からのスパッタ蒸着を開始する工程であって、前記相対的配置の間、前記ターゲット基板のひとつの部分のみが前記第１プラズマ制限アパーチャを通じて露出し、それにより第１種の第１均質層が被処理体に蒸着されるところの工程と、
   (c)前記被処理体と前記共通のターゲット基板との間で連続的な相対運動を続ける間、前記第１プラズマ制限アパーチャを通じて前記ターゲットのひとつの部分のみが露出し、第２の予め選択した相対的配置を検知するとただちに前記ターゲット基板のひとつの部分からのスパッタ蒸着を終了する工程と、
   (d)他の材料から成るターゲット基板の他の部分について、工程(b)及び(c)を繰り返す工程であって、それによって第１種と異なる第２種の第２の均質層を蒸着する工程と、
   から成り、
   前記ターゲット基板の前記ひとつの部分及び他の部分の両方の部分が、前記第１プラズマ制限パーチャに近づく相対的配置の間は、スパッタリングが有効とならない、
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記開始及び終了工程は前記相対運動状態中に生じる、ところの方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、さらに、前記感知する工程の後に前記相対運動状態を停止する工程を含む方法。
8. 請求項６に記載の方法であって、前記終了する工程は、前記ターゲット基板の他の部分の相対的配置への接近が感知されるまで前記ターゲット基板を加速し、その後相対運動状態へ戻すよう前記ターゲット基板を減速する工程から成る、ところの方法。
9. 複数のスパッタ可能材料をスパッタ蒸着するためのターゲット組立体であって、
   (a)冷媒の循環用の入口及び出口を有するダクトのネットワークから成るヒートシンクと、
   (b)前記ヒートシンクと熱連通するよう配置された複数のスパッタ可能なターゲット部分であって、該ターゲット部分の各々はひとつの選択したスパッタ可能材料を含み、各々は非同時的にスパッタ蒸着される、ところのターゲット部分と、
   (c)回転駆動のための前記ヒートシンクを支持するシャフトであって、前記シャフトは、前記ヒートシンクの方向及びそれから離れる方向への前記冷媒の通路用の２つの空間を画成する同軸管状構造から成り、前記冷媒は前記ヒートシンクと熱連通している、ところのシャフトと、
   (d)前記シャフトの角度位置を確立するためのシャフト位置エンコーダと、
   を含むターゲット組立体。
10. 請求項９に記載のターゲット組立体であって、さらに、前記複数のスパッタ可能なターゲット部分間に電気的分離体を含む、ターゲット組立体。
11. 被処理体の表面上に連続の異なるスパッタ膜を蒸着するためのスパッタ蒸着モジュールであって、
    (a)前記被処理体の挿入及び除去のために適応された真空ハウジングと、
    (b)前記真空ハウジングの一部を形成するターゲット組立体であって、前記被処理体上に複数のスパッタ可能材料の各々を非同時的にスパッタ蒸着するためのターゲット組立体であり、
    ヒートシンクを通じて冷媒を循環させるための入口及び出口を有するダクトのネットワークから成るヒートシンクと、
    前記ヒートシンクと熱連通するように配置された複数のスパッタ可能なターゲット部分であって、前記ターゲット部分の各々はひとつの選択したスパッタ可能材料を含むスパッタ可能なターゲット部分と、
    前記被処理体と前記ターゲット部分との間に配置された、第１プラズマ制限アパーチャを有する第１マスクと、
    前記被処理体と前記第１マスクとの間に、前記被処理体と位置合わせして配置された第２スパッタ制限アパーチャを有する第２マスクと、
    を含むターゲット組立体と、
    (c)スパッタリング処理中に、前記ターゲット組立体と前記被処理体との間に連続的な相対運動を生成するよう適応されたモータと、
    (d)プラズマ放電を開始するための電力ソースと、
    (e)前記ターゲット組立体と前記被処理体の相対的位置を検知するためのシャフト位置エンコーダと、
    から成るスパッタ蒸着モジュール。
12. 請求項１１に記載のスパッタ蒸着モジュールであって、さらに、前記プラズマ放電を選択した領域に閉じ込めるための磁極組立体を含む、スパッタ蒸着モジュール。
13. 請求項１２に記載のスパッタ蒸着モジュールであって、前記選択した領域はスパッタ蒸着される前記被処理体の面より大きい面積から成る、ところのスパッタ蒸着モジュール。
14. 共通のターゲット基板上に配置された複数のスパッタリングターゲット部分からのスパッタリングにより、被処理体上に連続被覆を施す方法であって、
    (a)スパッタリング処理中に、前記被処理体と前記共通のターゲット基板との間に連続的な相対運動状態を生じさせる工程と、
    (b)前記被処理体に対する、第１スパッタリング種から成る前記ターゲットの第１部分の予め選択した第１の相対的配置を検知する工程と、
    (c)前記被処理体に対する前記ターゲット基板の第１部分の予め選択した第２の相対的配置を検知し、前記ターゲット基板の第１部分からのスパッタ蒸着を終了させる工程と、
    (d)前記被処理体に対する、第１スパッタリング種と異なる第２スパッタリング種から成る前記ターゲット基板の第２部分の予め選択した第１の相対的配置を検知し、前記ターゲット基板の第２部分からのスパッタ蒸着を開始する工程であって、それによって第２スパッタリング種の第２の均質層を蒸着する工程と、
    から成り、
    前記被処理体と前記ターゲット基板との間に第１プラズマ制限アパーチャを有する第１マスクが配置され、前記ターゲット基板の前記第１及び第２部分の両方の部分が、前記第１プラズマ制限アパーチャに近づくとき、スパッタリングは有効とならない、ことを特徴とする方法。

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