JP5185285B2 - 陰極スパッタリングによって方向性を有する層を形成する方法、および上記方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、陰極スパッタリングによって基板表面上に方向性を有する層を形成する方法に関する。この方法において、上記の層は、基板表面の接平面にて特定の方向性を有している。このような種類の層は、多くの場合、磁気層（磁性体層）であるか、または、好ましい磁化方向を特徴とする磁気層を支持するための支持層である。これらの磁気層または支持層は、主に、データ処理システムのメモリモジュールにおいて、例えば、ハードディスクやＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ−Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：磁気ランダムアクセスメモリ）用の読み書きヘッドにおいて使用される。さらに、本発明は、上記方法を実施するための装置にも関する。

前述のようなカテゴリに属する方法が、従来技術として、下記の特許文献１（米国特許第６，７９０，４８２号）に記述されている。この方法は、平らな基板上に形成され且つ方向性を有する磁気層を提供する。この方向性を有する磁気層は、明確で且つほぼ一定であるような特定の方向（いわゆる容易軸）における磁化が、他の方向における磁化、特に当該特定の方向に対し垂直な方向における磁化よりも容易であることを可能にする。上記の磁気層を特定の方向に配向させるために、所定の磁界が生成されるように基板の下側に電磁石が配置される。これによって、選択された特定の方向が電気力線（ｌｉｎｅｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｌｕｘ）に対し平行に伸びていく状態で、基板表面に衝突する複数の微粒子が、電磁石により生成された磁界の磁力線（ｌｉｎｅｓ ｏｆ ｆｌｕｘ）に沿って磁気的に整列させられるであろう。

正確にいえば、実際の磁気層の方向性は、各々の領域間で、通常望まれている一定且つ特定の方向からかなり大きくそれるので、上記の従来技術による解は、全ての応用分野に対して満足のいくものではない。さらに、基板の大きさおよび形状があまりにも制限されてしまうので、満足できる結果を得ることができない。

永久磁石を使用した同様の方法が、下記の特許文献２（米国特許出願公開第２００３／０１４６０８４号）に記述されている。この特許文献２では、ターゲットと基板との間に配置され且つ設置されたコリメータが、基板の法線から大きくそれた角度を有する複数の微粒子をインターセプト（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）することによって、これらの微粒子の基板表面に対する入射角を制限する機能を有すると共に、プラズマが基板に影響されないようにし続ける機能を有する。

たった今説明した特許文献２の方法と類似している他の方法が、下記の特許文献３（国際公開第９６／０８８１７号）に記述されている。この特許文献２の方法もまた、コリメータを使用している。ここでは、磁気層における結晶の方向性が、基板表面の面内方向に伸びるかまたは基板表面に対し直角の方向に伸びるような状態で、コリメータのアスペクト比が、磁気層のパラメータを制御する役目を果たしている。ただし、特許文献２および特許文献３のケースでは、基板表面の面内で明確且つ特定の方向性が何ら求められていないことは確かである。

下記の特許文献４（米国特許第６，４８２，３０１号）においては、前述の特許文献２および特許文献３に類似のさらに他の方法が記述されている。この特許文献４においては、複数の微粒子が基板表面に衝突して入射される際に発生し得る当該微粒子の不規則性および磁気異方性が、コリメータにより抑止されるようになっている。

米国特許第６，７９０，４８２号 米国特許出願公開第２００３／０１４６０８４号 国際公開第９６／０８８１７号 米国特許第６，４８２，３０１号

上記の観点より、本発明の目的は、簡単で且つ普遍的に適用され得る方法によって、基板の表面上に方向性を有する層を形成することを可能にするための包括的な方法を提供することにある。

この目的は、添付の特許請求の範囲の請求項１に記載された本発明の特徴により達成される。
より詳しくいえば、このような本発明の特徴は、陰極スパッタリングによって、コーティング期間（ｃｏａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）内で基板表面上に方向性を有する層を形成する方法であって、上記の層は、全ての場合において、基板表面の接平面にて特定の方向性を有しており、これによって、ターゲット表面の少なくとも１つの領域から出てくる複数の微粒子が、基板表面の各々の目的点に衝突するような状態で、ターゲット表面を有する少なくとも１つのターゲットがチャンバ内に配置され、ここで、ターゲット表面上の各々の起点が、基板表面の各々の目的点における複数の微粒子の入射方向を決定するようになっており、さらに、コーティング期間にわたって平均化された複数の微粒子の累積的な入射の密度であって、基板表面の目的点における基板表面の接平面上にて、複数の微粒子の入射方向から同一の法線方向への投影に従って衝突する複数の微粒子の累積的な入射の密度が、上記特定の方向性に対応する特定の方向において最大値を示すようになっている。

本発明は、十分な精度でもって、極めて柔軟に選択できる特定の方向性を維持するような方向性を有する膜を形成することを可能にする方法を提供する。例えば、このような特定の方向性は、一定になっているかまたは中心点から放射状になっている。本発明の種々の実施形態が実現可能である。例えば、基板およびターゲットは、互いにしっかりと結び付けられていてもよいし、あるいは、互いに移動可能であってもよい。これらの基板およびターゲットの相対的な位置または動きは、それぞれ、独創的な機能性を作り出すことができるように選択されるかまたは制御される。ただし、このような独創的な機能性は、機械的スクリーニングを使用することによっても達成されることが可能である。方向性を有する層を整列させるために磁界を付加的に使用することは、排除されるべきことではない。本発明に係る方法を実施するための装置は、非常に多様な形態にて構成され得るという結果になる。しかしながら、一般に、これらの装置は、比較的簡単な設計で作製されることが可能である。多くの場合、本発明による新規の方法を実施することができるようにするために、現存する装置を改良することも可能である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。ただし、添付の図面は、単に例示的な実施例を提示しているにすぎない。

第１の実施例を表す本発明に係る装置の概略的な上面図である。 図１のラインＩＩ−ＩＩに沿って得られる断面図である。 図１および図２における装置のターゲットの概略的な正面図である。 第２の実施例を表す本発明に係る装置の概略的な正面図である。 図４に関する装置のスクリーニング系の概略的な上面図である。 特殊な設計バージョンにおけるスクリーニング系の要素を示す図である。 基板表面の目的点において、基板表面の特定の方向に対し平行な微粒子の入射ローブ（ｉｎｃｅｄｅｎｔ ｌｏｂｅ）の断面図である。 特定の方向に対し垂直な微粒子の入射ローブの断面図である。 基板表面の目的点において、基板表面の接平面における方向性の関数として累積的な微粒子の入射の度合いを示す図である。

図１は、第１の実施例を表す本発明に係る装置の概略的な上面図、図２は、図１のラインＩＩ−ＩＩに沿って得られる断面図、そして、図３は、図１および図２における装置のターゲットの概略的な正面図である。
図１〜図３に示す装置は、真空チャンバ（図示していない）内に設置されている。この真空チャンバは、軸２の周りを回転する円筒形のバスケットであって、その外側にて基板３が取り付けられるホルダが設けられた円筒形のバスケット１を備えることを特徴とする。基板３は、約２００ｍｍの直径を有する複数のディスクであってよい。これらのディスクは、コーティングプロセスの完了後に、例えば読み書きヘッド用の構成部品を作製する際に切断されて使用されるであろう。少し離れた位置で、バスケット１は、長く伸びた垂直の平板の形状を有するターゲット５により取り囲まれている。このターゲット５のターゲット表面６は、軸２の方に方向付けられている。ターゲット５は、一般のマグネトロン・ターゲット（ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｔａｒｇｅｔ）として構成される。より詳しくいえば、このマグネトロン・ターゲットでは、ターゲット表面６の所定の領域における閉じたループ７（図３）の周囲部にて集中する磁界を生成するための磁石が、ターゲット表面６の後方に設けられている。ここでは、対応する浸食溝（ｅｒｏｓｉｏｎ ｔａｒｇｅｔ）をターゲット表面６に形成することによって、主としてターゲット表面６の所定の領域で、ターゲット５が除去された状態になっている。

各々のターゲット５とバスケット１との間に、且つ、どちらかといえばターゲット６よりも基板表面４に近い状態で、コリメータ８の形態を有するスクリーニング系が配置されている。このコリメータ８は、数枚の長方形の互いに平行なプレート９を有するくし形コリメータとして構成される。これらのプレート９は、アルミニウム（Ａｌ）から作製され、互いに一定の間隔で適切に配置される。ターゲット表面６と基板表面４との間の間隔は、例えば、７５ｍｍであってよい。コリメータ８と基板表面４との間の間隔は、例えば、３０ｍｍであってよい。プレート９の長さは、例えば、１０ｍｍであってよいし、相隣り合うプレート間の間隔は、例えば、５０ｍｍであってよい。

陰極スパッタリングプロセスにおいて、基本的に一般的な方法で所定のコーティング期間中にターゲット材料を基板３上に蒸着することによって、方向性を有する層が、各々の基板表面４上に形成される。また一方で、バスケット１は、０．１回転／秒の速さでゆっくりと且つ規則正しく回転する。この場合、バスケット１の回転と、コリメータ８の効果とを組み合わせることによって、基板表面を横切るようにして一定且つ特定の方向性を有する層が形成される。この層の特定の方向性に対応する特定の方向は、軸２に対し垂直に伸びる平面と基板表面４との間の交差線に対応している。ここで論じられている特定の方向は、水平方向にて図示されている。これ以降、上記の点に関して、より詳細に説明する。

最終的に望まれている結果は、おそらくは、好ましい磁化方向（すなわち、比較的小さな磁界によって層が直ちに磁化され得る方向）を有する低保磁力層（ｌｏｗ−ｒｅｔｅｎｔｉｖｉｔｙ ｌａｙｅｒ）が基板表面上に形成されることであろう（いわゆる磁化容易軸）。これに反して、好ましい磁化方向に対し直角の方向は、かなり大きな磁界を必要とするであろう（いわゆる磁化困難軸）。好ましい磁化方向を示す軟磁性材料が、基板表面４を構成するベース層上にスパッタリングにより直接被覆されるようにするために、基本的に、例えばニッケル鉄２１（ＮｉＦｅ２１）のようなニッケル鉄合金、またはコバルト鉄合金等の低保磁力層からなるターゲット５を使用することが可能である。大抵の場合、軟磁性材料の好ましい磁化の方向は、層の特定の方向に一致しているであろう。ただし、上記の低保磁力層と異なる材料を選択することによって、特定の方向と異なる方向の方向性、例えば、特定の方向に対し垂直の方向の方向性が得られてもよい。前述のようなシステムを使用することによって、望まれている方向から特定の方向への最大のずれが、０．５°を超えないような方向性を有する層が形成されている。

基板表面４上に好ましい磁化方向を有する磁気層を形成するための他の可能なアプローチにおいて、最初のステップは、例えば、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、またはタングステン（Ｗ）からなる方向性を有する支持層を蒸着し、その後に、この支持層上に磁性材料の層を被覆することである。ここでは、通常、使用される磁性材料に応じて、当該磁性材料が支持層に対し平行に整列されるかまたは垂直に整列されるという点において、磁性材料の層の好ましい磁化方向が、支持層の特定の方向により決定される。さらに、通常、陰極スパッタリングを行うことによって磁気層を形成する際に、特定の方向性を確立するための特殊なステップが付加的に選択されることはあっても、このような特殊なステップを何ら必要としない。いかなる場合でも、もし適切であれば、基本的に一般的な方法で、基板表面４の領域内で効果的な磁界の下で磁気層を蒸着することによって、好ましい磁化方向の形成を助けることが可能である。この場合、例えば、各々の目的点における基板表面上での投影は、好ましい磁化方向に合致している。

図４は、第２の実施例を表す本発明に係る装置の概略的な正面図である。図４では、本発明に係る他の装置を例示している。この場合、基板３は、真空チャンバ１０の底部の固定された位置に設置されており、平面状の基板表面４は、基板３の上部に位置している。ターゲット５は、真空チャンバ１０の天井部に設置されており、ターゲット表面６は、基板３と向かい合っている。基板３およびターゲット５は、ディスクの形状を有している。前述の第１の実施例の場合と同様にターゲット表面６の後方に配置される磁石は、回転することが可能である。ターゲット５と基板３との間に、前述の第１の実施例の場合と同様にコリメータ８の形状を有するスクリーニング系が配置される。

コリメータ８は、前述の第１の実施例の場合と同様に、互いに平行で且つ平面状の複数のプレート９（図５）からなるくし形コリメータとして構成される。これらのプレート９は、前述の第１の実施例の場合と同様に、アルミニウム（Ａｌ）から作製され、基板表面４に対し垂直の方向（この場合には、水平面に対し垂直の方向）に伸びることが可能である。さらに、これらのプレート９は、基板表面４に対し平行であって且つｙ方向に整列される。ｘ方向において連続的に相隣り合うプレート間の間隔は、ｙ方向に対し直角に伸びると共に基板表面４に対し平行に伸びており、好ましくは、中心から外側端部に向かうにつれてゆっくりと増加する。複数のプレート９は、異なる長さ、もしくは異なる平均の長さを有しており、且つ／または、異なる厚さ、もしくは異なる平均の厚さを有している。好ましくは、プレート９の長さおよび／または厚さは、ｘ方向において中心点から外側端部に向かうにつれて次第に減少する。個々のプレート９の厚さが、当該プレートの表面を横切って変化する場合（特に、基板表面４に対し平行に伸びるｙ方向に変化する場合）、好ましくは、上記の場合と同様に、且つ、図６に示すように、中心から外側端部に向かうにつれて次第に減少する。

コリメータ８は、基板３に対して、中心軸１１の周りを回転することが可能である。ここでは、通常、基板３を回転可能に設置すると共に、コリメータ８を固定された位置に取り付けるほうが、より簡単である。複数のプレート８は、周辺部のプレートを除いて、各々のプレート９が、コリメータ８の１８０°の回転により移動可能であるように設置される。このようなコリメータ８の回転によって、各々のプレート９は、第１の位置から第２の位置へシフトする。この第２の位置は、コリメータ８が回転する前に相隣り合うプレート９が位置する２つの点のほぼ中間に位置している。ここで、コリメータ８の第１の位置において相隣り合うプレート９により占有されていた２つの点は、これらのプレート９が第２の位置にシフトしたときに空き状態になる。このようなコリメータ８の第１の位置から第２の位置へのシフトは、図５に示すように、相隣り合うプレート９の間の間隔が等距離である場合にのみ正確に達成され得る。しかしながら、好ましくは、相隣り合うプレート間の間隔が外側に向かうにつれて次第に増加する場合においても、ある程度の精度でコリメータ８の第１の位置から第２の位置へのシフトが達成され得る。

ここでは、前述の第１の実施例の場合と同様に、基板４上のｙ軸に対応する一定且つ特定の方向に方向性を有する層が、一般の陰極スパッタリングにより形成される。この場合には、ターゲット材料は、主として、ターゲット表面６上のハート形のループに沿って除去される。これまで述べたようなプレート９の構成によって、かなりの程度まで、方向性を有する層の厚さが変化することが防止され得る。もしそうでなければ、好ましい角度範囲の広がりによって局所的な微粒子の密度が十分補償されないという点において、方向性を有する層を形成するシステムにおいて非対称構造が生ずる結果になるであろう。さらに、前述のようなコリメータ８の第１の位置から第２の位置へのシフトは、おそらくはコーティング時間の半分が経過した後に、複数のプレート９のシャドーイング効果（ｓｈａｄｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を互いに等しくするといったような同一の目的に貢献するであろう。

しかしながら、本発明に係る方法は、前述のような実施例が示唆するよりも広い範囲の応用分野にて使用され得る。例えば、湾曲した基板表面でもコーティングプロセスを実行することが可能であり、また一方で、特定の方向性は、好ましくは、基板表面上の位置、すなわち、基板表面の目的点の連続的な関数であってよい。全ての場合における決定的な要因として、コーティング期間にわたって平均化された複数の微粒子の入射ベクトルの合計は、複数の微粒子の基板表面の接平面領域上での投影が、基板表面の目的点における特定の方向に一致する状態において支配的であり、この状態において、複数の微粒子の基板表面上への入射が制御されなければならない。ここで、平面状の基板表面の場合には、複数の微粒子の基板表面の接平面領域上での投影は、基板表面の接平面領域に完全に一致している。このケースにおける特定の方向は、正負の符号が付かないパラメータとして規定される。換言すれば、複数の微粒子の基板表面上への入射が一方の側から生ずるかまたは他方の側から生ずるかは、重要なことではない。

基板表面４の目的点における複数の微粒子の入射速度の密度がρ（θ，φ，ｔ）により表される場合、方向の関数であって全てのコーティング時間Ｔにわたって積分される複数の微粒子の入射の密度（ｒ（θ，φ））は、次の式（１）（〔数１〕）のように表されるであろう。この式（１）において、θは、基板表面４上の法線に対する入射方向の角度を表しており、φは、入射方向の基板表面４の接平面上への投影と当該接平面における固定された方向との間の角度を表している。

このような方向の関数は、基板表面４の接平面に対し垂直の方向から見た２つの断面図によって、図７ａおよび図７ｂに示されている。ここで、ｙ方向は特定の方向であり、ｘ方向は、特定の方向に対し直角に伸びている。しかしながら、基板表面の接平面における特定の方向を最終的に決定するものは、複数の微粒子の累積的な入射の密度、すなわち、複数の微粒子の入射の傾斜を表す角度θの全範囲にわたって重み付けがなされた入射の密度の合計である。したがって、複数の微粒子の累積的な入射の密度（Ｒ（φ））は、次の式（２）（〔数２〕）のように表されるであろう。

この式（２）において、ｗ（θ）は、例えばｓｉｎθに比例する可能性のある重み付けの関数、すなわち、基板表面の接平面上での法線方向への投影の相対的な長さに比例する可能性のある重み付けの関数である。また一方で、Ｒ（φ）は、図８に示されている。この関数（Ｒ（φ））は、φが特定の方向に対応する点において最大値を示す。なぜならばここでは、複数の微粒子の入射方向の投影が、主として特定の方向を取り囲む角度範囲（例えば、±π／４）に集中しているか、且つ／または、当該角度範囲に制限されている状態で、複数の微粒子の入射が明確に制御されているからである。この場合、特定の方向は、正負の符号が付かない変数として規定されるので、この変数は、基本的に、Ｒ_S（φ）＝Ｒ（φ）＋Ｒ（φ＋π）（０≦φ＜π）が特定の方向に対応する点において最大値を有することを示すために十分機能する。ただし、一般的にいって、Ｒは、少なくとも大よそ鏡面対称である。

複数の微粒子の基板表面４上への入射を制御するための２つの好ましい方法がある。１つの方法は、コリメータ８等の機械的スクリーニング要素を使用することであり、他の方法は、基板およびターゲットの相対的な位置を調整するかまたは制御することである。例えば、複数の微粒子の基板表面上への特定の入射方向は、複数の微粒子の基板表面の接平面上での投影が、特定の方向に近くなる状態において支配的であり、この状態において、１つまたは複数のターゲットに対して基板を移動可能にすることが可能である。さらに、このような基板の移動は不規則であってよいし、且つ／または、断続的であってよい。これに加えて、本発明に係る装置の出力、すなわち、ターゲットから出てくる複数の微粒子の流れの密度を明確に変化させることも可能である。より詳しくいえば、例えば、支配的に基板表面に衝突する複数の微粒子の入射が、特定の方向に対し平行になるときに複数の微粒子の流れの密度が特に高くなるように、ターゲットに対する基板の位置を変えることによって、複数の微粒子の流れの密度の変化が遂行される。図１〜図３で述べた第１の実施例に示されるように、例えば、基板３が、２つの相隣り合うターゲット５の間のほぼ中間に位置しているときで、且つ、装置の出力が増加する可能性があるときに、バスケット１の回転を遅くしたり停止させたりすることによって、前述の２つの方法を組み合わせることが可能である。

この場合、スクリーニング要素に関していえば、複数の微粒子の経路が、ターゲット表面上の点と基板表面上の点とをつなぐ基本的に直線状の線に沿って、スクリーニング要素に衝突するような状態で、スクリーニング要素が構成され且つ配置されることが望ましい。より詳しくいえば、もしスクリーニング要素が配置されていなければ、複数の微粒子の基板表面の接平面上での投影が、好ましい角度範囲から外れている状態で、複数の微粒子がその入射方向から基板表面の目的点に衝突するであろうと思われる場合に、スクリーニング要素によって複数の微粒子をインターセプトすることが可能になる。このスクリーニング要素を配置することは、コーティング時間において講じられる手段や、複数の微粒子の入射の傾斜（すなわち、角度θ）に対する重み付けの手段に対して有効である。これに関連して、基板表面が、大部分の複数の微粒子が比較的小さな領域（例えば、前述の第１の実施例のループ７の周囲の領域）から出てくるような可変の活性化領域を有するという事実を考慮に入れることも必要である。

これに加えて、前述のように、基板の領域に磁界を印加することも可能である。しかしながら、ほとんど全ての場合において、基板の領域に磁界を印加することは不要であろう。

１ バスケット
２ 軸
３ 基板
４ 基板表面
５ ターゲット
６ ターゲット表面
７ ループ
８ コリメータ
９ プレート
１０ 真空チャンバ
１１ 軸

Claims (9)

1. 陰極スパッタリングにより基板（３）の平坦な基板表面（４）上に基板表面（４）における一定の公称の方向性で方向性を有する層を形成するための装置であって、少なくとも１つのターゲット（５）が置かれた真空チャンバ（１０）を有し、前記基板表面（４）が前記少なくとも１つのターゲット（５）のターゲット表面（６）に向かい合うような形で前記基板（３）を取り付けるに適した少なくとも１つのホルダを含み、実質的に平坦で互いに平行な複数のプレート（９）を有する少なくとも１つのコリメータ（８）が前記ターゲット表面（６）とホルダの間に置かれた装置において、
   前記プレート（９）は前記基板表面（４）に垂直な方向に整列され、プレート（９）の平均の長さは前記コリメータ（８）の中心から外側端部へ向かうにつれて減少することを特徴とする装置。
2. 前記プレート（９）の少なくとも一部の厚さは基板表面（４）に平行な方向において変化する請求項１記載の装置。
3. 前記厚さはいずれも前記プレート（９）の中心点から外側端部へ向かうにつれて減少する請求項２記載の装置。
4. 前記ホルダに対する前記コリメータ（８）の位置は、一方の位置において各プレート（９）が他方の位置においては空き状態である地点を互いに占めるような形で２つの地点間で切り換わり得る請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記コリメータ（８）の一方の位置において端のプレートは例外として各プレートはいずれも他方の位置においては他のプレート（９）によって占められる２つの位置の中間にほぼ位置する場所を互いに占める請求項４記載の装置。
6. 前記コリメータ（８）は、前記基板表面（４）に対してそれへ向かう軸の回りに半回転することでそれぞれの他の位置へ移動し得る請求項４または５記載の装置。
7. 前記プレート（９）の平均の厚さは前記コリメータ（８）の中心から外側端部へ向かうにつれて減少する請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記ホルダは前記ターゲット表面（６）に対して前記複数のプレート（９）に平行な方向に移動し得る請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 好ましい磁化方向を有する磁気層の製造のために請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置を使用する方法。

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