JP5068904B2 - 基板を製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が出発点とする問題点は、個別的には平坦で円環状の磁気的かつ／または磁気光学的な蓄積プレートのための基板のスパッタリング成膜で生じるものである。このとき、同じく特に円形または円環状で、未使用状態では平坦なターゲットが使用される。被覆は合金で行われ、ターゲットは被覆合金でできている。
【０００３】
この場合、たとえばＣｏとＰｔといった重さの異なる金属でスパッタリングないし合金ターゲットの噴霧化をすると、基板平面で偏析が起こることがわかっている。その結果、基板では層化学量論が半径座標の関数で不均一に分布することになる。その結果として、磁気的ないし磁気光学的な蓄積プレートの場合には保磁力が不均一に分布する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の最初の課題は、一義的にはこうした問題を解決することである。しかしその際さらに一般的に、平坦かつ円環状または円盤状であってよいが必ずしもそうでなくてもよい基板に、異なる重さの元素の化合物からなっていて一義的には円環状または円盤状ないし平坦であってよいが必ずしもそうでなくてもよいターゲットから被覆を生成するときに、軽い元素の割合に対する重い元素の割合の比率の所望の局地的な分布を被覆で得るという問題を解決するものである。つまりこのことは、円盤状または円環状でない基板および／または平坦でない基板についても一般的に達成されるのが望ましく、かつ未使用状態で円環状または円盤状でないターゲットないし平坦でないターゲットについて任意の組合せで達成されるのが望ましい。さらには、金属を出発点としながらも偏析の問題が重さの異なる元素について一般的に解決されることが望ましい。
【０００５】
さらに前提となる課題設定は、一義的にはターゲット化合物の層の付着であり、つまり特に合金層の付着である。しかしながら上述した偏析問題は反応性プロセスでも好ましくない形で作用する場合があるので、本発明は対象となる化合物からの、特に合金ターゲットからの反応性スパッタリング成膜も対象とする。
【０００６】
ここで問題となるのは、やはり個別的には、重量比率の点で実質的にＰｔやＣｏの金属と同じ挙動を示すターゲット合金を含む層で被覆するときに、すなわち特にＰｔとＣｏないしＴｂ，ＦｅとＣｏあるいはＴｂ，Ｇｄ，Ｆｅ，Ｃｏを含む層を付着させるときに、上述した問題を解決することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の設定する課題は、一般的には請求項１の特徴によって解決される。このとき出発点となる知見は、重い金属はスパッタ領域の面法線に関して軽い金属よりも統計的に大きな角度で優先的に放出されることである。そこで本発明では、基板の層におけるターゲット合金の金属の比率の局所的な分布が、電子トラップを形成するマグネトロン磁界と基板との相互の幾何学的配置を選択することによって、前記比率の所定の局所的分布に少なくとも近似されることによって上述の知見を考慮している。
【０００８】
このとき的確なやり方としては、好ましくは金属である重い元素と軽い元素との上述の比率を基板で局所的に増大ないし低減させる方策が提案される。好ましくは、増大と低減という上述した両方の方策によって所望の分布を得る。このとき同時に、調節の自由度が得られることによって、基板での層厚分布も同時に的確に調整でき、特に均一化できることが達成される。
【０００９】
本発明による方法の有利な実施形態はいくつかの請求項に記載されている。
ここでは特に、上述したように未使用状態では平坦で同軸で円盤状または円環状のターゲットから平坦で円盤状または円環状の基板に成膜する特定の場合において、ターゲット浸食ゾーンをターゲットの中心に設けるのが本発明ではきわめて好ましいことが示されており、それによって本発明のこの有利なケースについては円環状のターゲットが省略される。ある方法は、基本的にどのようにターゲットに中心浸食ゾーンが生成されるかが定義されている。
【００１０】
さらに本発明によるマグネトロン源が定義されており、そのマグネトロン配置はターゲットで中心の浸食プロフィルを実現するために設計されている。
【００１１】
円盤状または円環状、同軸で未使用状態では平坦なターゲットからの、円盤状または円環状、平坦な基板のためのスパッタリング成膜チャンバであって、同形性に関して改善された、基板における上述した比率の分布を得るための幾何学的な比率が定義されている。このスパッタリング成膜チャンバの有利な実施例が定義されている。
【００１２】
製造方法、スパッタリング方法、マグネトロン源、およびスパッタリング成膜チャンバというすべての観点から本発明は、磁気的または磁気光学的な蓄積基板に蓄積層を付着させるのに適するとともに、ＰｔＣｏ，ＴｂＦｅＣｏまたはＧｄＦｅＣｏを少なくとも含む合金層で基板被覆するのに適している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下の説明においては、使用する用語の定義と本発明で発見された現象の説明に続いて、本発明で講じる方策を詳細に説明するとともに本発明の実施例を解説する。
【００１４】
所与の材料のスパッタ放射特性は、あるスパッタ点で飛散した物質が（スパッタ面法線に関して）どれだけの確率である方向へスパッタ面から飛散していくかを表した、立体角に依存する確率関数として定義される。
【００１５】
図１には、ターゲット６のスパッタ表面３におけるスパッタ点Ｐを横軸として、２種類の物質固有の放射特性１ａおよび１ｂが純粋に定性的に図示されている。この場合、（ｃｏｓα）ⁿ関数の物質固有の係数ｎによって放射特性を表すのが普通であり、αは図１の面法線Ｎに対する角度である。
【００１６】
以下において、図１の点Ｐからのある特定の物質の放射角α₀という表現を使うが、この表現は、対象となる物質が高い確率ないし頻度で飛散する、面法線Ｎに対する立体角のことである。たとえば図１の１ｂのように確率が角度範囲Δにわたって一定であるとき、α₀はΔの平均角として定義される。
【００１７】
本発明は基本的に、たとえば好ましくは金属も含まれる重い元素は軽い元素ないし金属よりも大きな放出角α₀で飛散するという知見から出発している。そこで図１に戻ると、特性１ｂは重い元素ないし金属Ｓの特性であり、特性１ａはこれに関して軽い元素ないし金属Ｌの特性である。
【００１８】
以下においては元素比率ないし金属比率Ｖという概念を導入するが、これはある特定の場所における軽い元素ないし金属ｍ_Lの割合に対する、重い元素ないし金属ｍ_Sの割合の比率によって定義される。
【００１９】
冒頭に述べた偏析問題は、被覆された基板表面に沿った比率Ｖの好ましくない局地的変動につながる。
【００２０】
図２には偏析作用を発見論的に説明するために、平坦な円盤状の基板７の表面５が、円形で平坦なターゲット６に対して軸Ａで同軸に模式的に描かれており、ターゲットは同じく同軸に周回するマグネトロン浸食ゾーン９を備えている。次の幾何学量を導入する：
ｄ：基板面５からターゲット未使用面６₀までの面間隔
ｒ：基板半径
Ｒ_E：浸食溝９における最大の浸食Ｅ_maxの地点の半径
Ｒ_H：公知の技術および方法で浸食プロフィル９を惹起するマグネトロントンネルフィールド１１の、ターゲット未使用面に平行な最大の磁界強度Ｈの半径Ｒ_EとＲ_Hは、些細な程度にではあるが互いに異なっている。
【００２１】
いま、図２に示す通常の場合のように次式：
Ｒ_E＜ｒ
ないし
Ｒ_H＜ｒ
が成立しているとき、基板７ではＶの推移ないし分布が得られ、この様子は図２では同じく純粋に定性的に記入されている。そうなる理由は基本的には、浸食溝９ないし一般に浸食ゾーンに関して半径方向内方または外方へずれている基板ゾーンと比較して、浸食プロフィル９と向き合っている基板領域には重い元素ないし軽い元素よりも比較的多く軽い元素ないし金属Ｌが付着することにある。
【００２２】
そこで本発明ではこの事実から明らかなように、元素重量ないし金属重量で異なる放射分布ないし放射角α₀を考慮したうえで、ターゲット６の浸食ゾーン９と基板７との相対的な幾何学配置を設定ないし変更することによって、基板に沿って付着する層に関する元素比率ないし金属比率Ｖの局所的分布を調整することができる。上述した相対的な幾何学配置はさしあたりごく一般的には、湾曲した基板面および／または湾曲したターゲット面、ならびに円盤状、長方形、楕円形等のように形状の異なる基板、ないし同様の形状をもつターゲット面ないしそこで具体化される浸食プロフィルを考えてみれば理解できる。
【００２３】
優先的に考察する本例では基盤が円盤状であり、さらに好ましくは平坦であり、ならびに被覆がこれと同軸に配置された円環状または円盤状の、同じく好ましくは未使用状態で平坦なターゲットによって行われ、上述した幾何学的な相対配置はｒ，ｄ，Ｒ_EないしＲ_Hの各量の設定によって得られる。
【００２４】
さらに、上述した種類の元素化合物ないし合金からなるターゲットを起点として反応性スパッタリングにより、もはや合金ではなく反応プロセスで生じた化合物のなかでターゲットの元素ないし合金を含んでいる基板に層を付着させる場合にも、上に説明した偏析現象が生じて影響を及ぼすことを強調しておかなくてはならない。本例でＶを合金比率とは呼ばず、元素比率ないし金属比率と呼んでいるのはこの理由による。
【００２５】
本発明は、冒頭に述べたとおり、たとえば特に磁気的または磁気光学的な蓄積アプリケーションのための円盤状で平坦な基板を金属層でスパッタ被覆し、しかもこれをＶの均一な分布と同形の層厚分布で行うという必要性から出発している。以下においてはこの課題を解決するための本発明の方法について説明し、ここに記載の方法を反応性プロセス向けに相応に構成したり、ないしは別種のマグネトロンターゲットから、かつ／または別種の基板の成膜向けとして相応に構成することは、関連する当業者にとっては容易に可能である。
【００２６】
図３では、すでに図２を援用して説明した項目には同一の符号が使用されている。図２と比較して図３に示す本発明の構成では、ターゲット浸食ゾーンないし周回する浸食溝９が基板７の半径領域に関して軸Ａに対して半径方向で外方へ移動している。次式が成立する。
Ｒ_E＞ｒないしＲ_H＞ｒ （１）
このとき特に
Ｒ_E≦１．２ｒないしＲ_H≦１．２ｒ
である。これにより、図２で言えば本発明では領域Ｅ_Iが基板被覆に利用されており、Ｒ_EないしＲ_Hおよびｄは一定のままである。
【００２７】
原則として、マグネトロン浸食ゾーン９を基板縁領域に関して外方へ移動させることにより、この縁領域における基板被覆に関する比率Ｖは上昇する。すなわち付着する重い元素ないし金属Ｓの割合が、付着する軽い元素ないし金属Ｌの割合に対して増大する。
【００２８】
図４には図２および図３と同様の図面で、それ自体本発明に基づく別の方策が描かれている。これによればターゲット６がその中央領域で（浸食プロフィル９′）で図示されているように）浸食されている。比率Ｖは軸Ａに関する角度αの関数で基板中央部に向かって、つまり基板半径ｒが短くなるにつれて、重い元素ないし金属Ｓの付着が減少することによって下がっていく。
【００２９】
このように、特に図３と図４に示す２通りの方策を利用可能である。これらの方策を本発明の仕方で格別に有利に組み合わせれば、図３に示す方法によって基板７の縁領域に向かって比率Ｖの増大が得られ、図４に示す方法によってその中央部に向かって当該比率Ｖの低下が得られる。さらにこれらを組み合わせることで、基板における層厚分布の均一化が得られる。
【００３０】
ただし図４に示す方法は、中央穴のないターゲットを設けるとともに、専用に設計されたマグネトロン磁場によるターゲット中央領域で電子トラップを具体化することになるが、これはきわめて異例のことである。これに関してはまた後で触れる。
【００３１】
平坦で円盤状の基板、およびこれと同軸に配置された同様のターゲットについては、比率Ｖの均一化のため（特に重量が少なくとも近似的にＣｏとＰｔと同様の挙動を示す元素、特に金属について）、特にＣｏＰｔ合金またはＴｂＦｅＣｏ合金で被覆するため、特に磁気的または磁気光学的な蓄積アプリケーションのために、次の寸法設定が推奨される：
・１．２ｒ≦Ｒ_E≦５ｒ
好ましくには ・１．２ｒ≦Ｒ_E≦２ｒ
ないし ・１．２ｒ≦Ｒ_H≦５ｒ （１ａ）
好ましくは ・１．２ｒ≦Ｒ_H≦２ｒ
ないし ・ｒ／２≦ｄ≦３ｒ
好ましくは ・ｒ／２≦ｄ≦２ｒ
図３に示す実施形態、および図３と図４を組み合わせた実施形態により、単独の浸食溝９が作用するか、または浸食溝９と中央の浸食プロフィル９′とが作用する配置がさしあたり得られる。しかし伸張した基板を被覆したいときは、（特に均一な層厚分布を求める要求に基づいて）場合によりターゲットに２つ以上の周回する浸食溝９を設け、場合により追加的に中央の浸食プロフィル９′を備えるという必要性が生じる。このような方法が図５に同じく模式的に描かれている。この図から特に明らかなように、半径方向でもっとも外側に位置する浸食溝９ａの配置に関しては、もはやこれまでに見てきたように基板７の半径ｒと浸食溝最大値Ｒ_Eないし磁場最大値Ｒ_Hとの半径比率が重要なのではなく、放射角の関連に基づいて、基板／ターゲット未使用面の間隔ｄに対する、基板７の周囲を越えるオーバーハングΔＲ_EないしΔＲ_Hの比率が重要となる。したがって次式が成り立つ：
ΔＲ_E＝Ｒ_E−ｒ ないし、
ΔＲ_H＝Ｒ_H−ｒ
この場合には次の寸法設定が推奨される：
０．３３ｄ≦ΔＲ_E≦４ｄ
好ましくは ０．３３ｄ≦ΔＲ_E≦２ｄ
ないし ０．３３ｄ≦ΔＲ_H≦４ｄ （１ｂ）
好ましくは ０．３３ｄ≦ΔＲ_H≦２ｄ
これらの条件は上記（１ａ）から得られるものである。
【００３２】
さらに、特に達成されるべきできるだけ均一な層厚分布という観点からは、浸食最大値ないしターゲット未使用面に平行な最大のトンネルフィールド成分との間隔Δρ_HないしΔρ_Eをできるだけ次式
Δρ_E≦２ｄ
よりも大きくならないように、ないしは
Δρ_H≦２ｄ （２ａ）
よりも大きくならないように選択することが推奨され、このときすでに優れた層厚分布ないし層厚均一性が次式
ｄ≦Δρ_Eないし
ｄ≦Δρ_H
を遵守したときに得られ、つまりこのことは有利に推奨される次の領域につながる：
ｄ≦Δρ_E≦２ｄないし
ｄ≦Δρ_H≦２ｄ （２ｂ）
さらに次式が成立するのが望ましい：
２ｒ＞Δρ_E＞ｒ
ないし２ｒ＞Δρ_H＞ｒ
図３と図４の方策の組合せが次の寸法設定：
・ＲＥ≒６５ｍｍ
・中央浸食９′
・ｒ＝４７．５ｍｍ
・ｄ＝４２ｍｍ
を備えているとき、後で説明するマグネトロン配置をもつＣｏＰｔ合金を含んだ基板のスパッタ領域の場合、ターゲットでは図６に示す浸食プロフィルが得られており、このプロフィルからは周回する浸食溝９′と鐘状の中央の浸食プロフィル９′とがいずれも明らかに認められる。ターゲットのＶ分布は一定であった。
【００３３】
さらに図７に示すＶプロフィル（ａ）が得られている。図７には、さらに破線で示すＶプロフィルが基板半径ｒを横軸として記入されており、このプロフィルは、同一の配置で図４に示す中央の浸食プロフィル９′が具体化されない場合に生じるものである。これより容易に明らかなのが、一方では図４に示す本発明の方法の驚くほど大きな効果であり、ならびに図２に示すｒ＜Ｒ_Eないしｒ＜Ｒ_Hの領域を活用することの、基板７の被覆にとっての重要性である。
【００３４】
図８には、得られた被覆率分布を示している。
すでに触れたように、ターゲット中央部のマグネトロン源では電子トラップを形成するのが普通である。図９には平面図で、本発明のマグネトロン源の本発明による磁石構造部が示されている。この配置には支持プレート１０の上に外側の冠状磁石１２と内側の冠状磁石１４とを含んでいる。外側の冠状磁石１２は軸Ａの方向で一方向に分極しているのに対し、内側の冠状磁石１４はこれに関して反対方向に分極しており、この様子は図８に示唆されている。平面図では図８に示すようにトンネル状にターゲットの上を延びる磁場Ｈ₉が生じ、このことは、磁気短絡としての磁化可能な材料からなる支持プレート１０の作用によって強められる。
【００３５】
図６でも示唆されている浸食プロフィル９′を生成させるためのターゲット中心の電子トラップを実現するため、軸の回りに延びている内側の冠状磁石１４は腎臓形に窪ませて、冠状磁石１４で包囲された面の範囲外に軸Ａが位置するようにする。外側の冠状磁石１２のほうは、軸Ａの領域まで内方へ延びるスポーク部１６を有している。この結果生じる中央領域の磁場Ｈ₉′が同様に描き込まれている。
【００３６】
ここでさらに、好ましくは永久磁石で具体化される図８に示す磁石構造部が符号ωで図示するように軸Ａを中心に駆動されてターゲットの下で回転することを考慮すると、一方では、実質的に同軸に回転する両方の冠状磁石１２および１４の各領域の間で浸食溝９を発生させる電子トラップトンネルフィールドが生成されるとともに、内側の冠状磁石１４の腎臓形に窪んだと外側の冠状磁石のスポーク部１６の領域には、実質的に鐘形の中央の浸食プロフィル９′を発生させる中心フィールドが生成されることが明らかである。
【００３７】
ここで付言しておくと、スポーク部１６が軸Ａを越えて延びてはいないことによって、図９に符号Ｍで示すスポーク部の内側の磁極は軸Ａに関してやや偏心的に軸Ａの回りを回転し、このことは有利なことに、ターゲットの中心も決定的に浸食されることにつながる。図１０に模式的に描かれているように、本発明によれば第1および第２の冠状磁石１２′および１４′により、浸食溝９のための磁場を実現するとともに、冠状磁石１４″と中央の磁石構造部１２″によって中央の浸食プロフィル９′を生成する磁場を実現することが十分に可能である。この場合にも中央の磁石１２″は軸Ａに関してやや偏心的に配置されている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の方策により、すなわち本発明のマグネトロン源の利用および／または方法により、ないしは本発明のマグネトロンスパッタチャンバにより、２つまたはそれ以上の重さの異なる金属の合金からなるターゲットから、付着する合金金属の面積分布が所望の分布に従うように、特に一定になるように基板を被覆することが可能となる。このことは、反応性プロセスでも、特に合金層が付着する反応性でないプロセスでも可能である。このことは特に、付着する合金層が合金組成Ｖの関数として変化する磁気的または磁気光学的な蓄積プレートを製作する際に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】使用する用語を定義するため、定性的にスパッタ放射特性が異なる重い金属を示す図である。
【図２】模式的に描かれた公知の種類の基板／マグネトロン源の配置ないしスパッタリング成膜チャンバによって、基板における金属比率の不均一な分布の生成を示す図である。
【図３】図２の図面と同様の図で、ターゲットでの浸食と被覆されるべき基板面との幾何学的配置に関する本発明の第1方策を示す図である。
【図４】図２ないし３の図面と同様の図で、上述した比率分布に影響を及ぼすための別の方策を示す図である。
【図５】図２から４の図面と同様の図で、伸張された基板を被覆するために具体化される、図３と図４に示す本発明の方策の組合せを示す図である。
【図６】図３と図４に示す本発明の方策の組合せで、本発明に基づいて具体化されたＣｏ／Ｐｔターゲットにおけるスパッタ浸食プロフィルを示す図である。
【図７】（ａ）は上記の場合に惹起される上述したＣｏ／Ｐｔでの金属分布のプロフィルであり、破線は図３と図４に示す本発明の方策を利用しなかった場合に惹起される分布プロフィルであり、（ｂ）は本発明の方法の場合に惹起される保磁力の分布である。
【図８】基板半径を横軸にとった惹起される被覆率分布である。
【図９】本発明の成膜チャンバで、ターゲットを周回する浸食と中央の浸食プロフィルとを両方とも実現するための、有利な実施形態における本発明のマグネトロン源での磁石構造部を示す平面図である。
【図１０】図９に示す磁石構造部の別の変化例を示す模式図である。

Claims (11)

1. 外半径を有する平坦で円形または円環状の基板であって、少なくとも２つの重さの異なる元素を含む材料の、厚さが実質的に一定であり、前記基板表面に沿った前記材料における軽い元素の量に対する重い元素の量の比率の分布が実質的に一定である層で被膜される基板を製造する方法であって、前記方法は、
   ターゲット面からの前記少なくとも２つの元素を有する材料をマグネトロンスパッタリングするステップを含み、それにより前記ターゲット面において前記ターゲット面の中心のまわりの実質的に円環状の個所に沿って最大の深さを有し、溝半径を有する少なくとも１つの浸食溝を生成し、さらに第２の浸食溝を前記中心に生成し、さらに
   被覆されるべき表面を有する前記基板を前記ターゲット面に対向してかつ実質的に平行にそこから距離をおいて前記中心を中心に配置するステップと、
   前記少なくとも１つの浸食溝の前記浸食半径を前記基板の前記外半径よりも大きく選択するステップと、
   前記材料を含む前記層を有する前記基板の前記表面を被膜するステップとを含む、方法。
2. 前記少なくとも２つの元素が金属である、請求項１に記載の方法。
3. 前記材料の層の前記材料は合金である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記中心のまわりの実質的に円環状の個所に沿って最大の深さを有する前記浸食溝を１つより多く生成するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記外半径（ｒ）に対して
   １．２ｒ≦（Ｒ_E）≦５ｒ
   を満たすように前記溝半径（Ｒ_E）を選択するステップを含む、請求項１から４のいずれ
   かに記載の方法。
6. スパッタリングされない状態において前記基板を前記ターゲット面から距離ｄで配置するステップをさらに含み、前記外半径ｒに対して
   ｒ／２≦ｄ≦３ｒ
   を満たすように前記距離ｄを選択する、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 新しい状態において前記基板をターゲット面から距離ｄで配置するス
   テップをさらに含み、前記溝半径が前記外半径よりもΔＲ_Eだけ大きいように選択し、そ
   れにより
   ０．３３ｄ≦ΔＲ_E
   を適用する、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 半径を有する前記ターゲット面の前記中心のまわりの実質的に円環状の個所に沿って最大の深さを有する前記浸食溝の少なくとも２つを生成するステップをさらに含み、前記個所に続く半径の差はΔρ_Eであって、新しい状態において前記基板を前
   記ターゲット面から距離ｄでさらに配置し、
   Δρ_E≦２ｄ
   を選択する、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 磁場線が前記中心の両側でこれに偏心してそれぞれ前記ターゲット面から出たりそこへ貫通したりするトンネル状の磁場を与えることにより前記中心に前記浸食溝を生成するステップをさらに含み、さらに前記磁場を前記ターゲット面に沿って中心のまわりに回転させる、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記ターゲット面の下に磁石配列を与えるステップをさらに含み、前記配列は、前記スパッタ面に直交して前記中心を通る中心軸を囲む磁石の第１のループと磁石の第２のループとを含み、前記第２のループは腎臓形であって前記軸およびさらに前記第１のループから径方向に前記軸に向かって前記第２のループの外側に配置される磁石を囲まず、前記ターゲット面に対して前記軸のまわりに前記磁石配列を相対的に回転させる、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記少なくとも２つの元素は、Ｐｔ，Ｔｂ，Ｆｅ，Ｇｄ，Ｃｏから選択される、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。

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