KR100333939B1 - 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 이온빔 증착 막의 특성을 개선하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 이온빔 증착 막의 특성을 개선하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 챔버, 이온 빔 소스, 다중 타겟, 셔터 및 챔버 내에서 이온 빔 스퍼터 증착 공정 중에 웨이퍼 기판을 단단하게 지지하기 위한 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 스퍼터링 시스템에 관한 것이다. 기판 스테이지는 자신의 수직축에 대해 기울기를 가질 수 있도록 만들어지므로, 타겟에서 나온 플럭스는 웨이퍼 기판을 비수직각으로 충돌하여 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 기판에 증착되는 박막의 두께 균일성은 물론 물리적, 전기적 및 자기적 특성이 개선된다.

Description

이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 이온 빔 증착 막의 특성을 개선하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS TO IMPROVE THE PROPERTIES OF ION BEAM DEPOSITED FILMS IN AN ION BEAM SPUTTERING SYSTEM}
본 발명은 이온 빔 스퍼터 증착을 사용한 박막 제조에 관한 것으로, 구체적으로는 기판에 증착되는 다중층의 특성이 원자가 기판에 증착되는 각도를 제어하는 방법으로 제어되는 이온 빔 스퍼터 증착을 하여 자기저항 센서와 같은 다층의 박막 구조를 제조하는 것에 관한 것이다.
자기 기록 센서(예를 들면, 자기저항 센서) 및 기억 매체와 같은 박막 소자의 제조를 위해 고주파(RF) 또는 직류(DC) 마그네트론 스퍼터 증착 시스템을 사용하는 것은 주지의 종래 기술이다. 그와 같은 스퍼터 증착 시스템은, 아르곤과 같이 불활성이고 이온화가 가능한 가스를 채운 진공 챔버 안에서 전기장과 자기장이 교차되는 것이 특징이다. 상기 가스는 전기장으로 가속된 전자들에 의해 이온화되어 타겟 구조에 근접하여 플라즈마를 형성한다. 교차된 전기장과 자기장은 전자를 타겟과 기판 구조 사이의 소정 영역에 가둔다. 가스 이온은 타겟 구조를 때려서, 소재(workpiece)에 입사(入射)되는 원자의 방출을 야기하는데, 대표적인 소재로는 선택된 타겟 물질로 이루어진 하나 이상의 층을 증착하고자하는 웨이퍼 기판이 있다.
종래의 스퍼터링 증착 시스템에서, 기판에서 무 지향성 스퍼터링 플럭스(flux)를 갖게 하는, 낮은 내부 응력을 갖는 박막을 얻기 위해 상대적으로 높은 동작 압력이 사용된다. 그러나, 이러한 무 지향성 플럭스는 소자의 크기가 점점 작아짐에 따라 제조 공정에 난점을 제공한다.
종래의 RF/DC 스퍼터 기술에서 직면하는 몇몇 어려움을 극복하기 위해 특정 응용에서 이온 빔 스퍼터 증착을 사용하는 것이 알려져 있다. 이온 빔 스퍼터 증착은 여러 가지 면에서 종래 스퍼터 증착 시스템과 다르며, 상당한 이점을 제공한다. 예를 들면, (1) 낮은 백그라운드 압력을 사용하면 스퍼터되는 입자들이 타겟에서 웨이퍼 기판으로 이동 중에 산란이 적어지고; (2) 이온 빔의 지향성을 제어하면 타겟에서 빔의 입사각의 변화가 가능하며; (3) 좁은 에너지 분산을 갖는 거의 단일한 에너지 빔은 스퍼터 수율과 증착 공정을 이온 에너지의 함수로 제어할 수 있으며, 정밀한 빔 포커싱과 스캐닝을 가능하게 하고; (4) 이온 빔은 타겟 및 기판 공정들과 독립적인데, 이로 인해 일정한 빔 특성을 유지하고, 빔 에너지와 전류 밀도의 독립적인 제어를 가능하게 하면서, 타겟과 기판 물질 및 기하학적 형태의 변경도 가능하게 해 준다.
이온 빔 스퍼터링 증착 시스템을 사용하여 기판 상에 박막을 증착하는 장치와 방법은, 예를 들면, Krauss 등에게 허여된 미국 특허 제4,923,585호(이하 `585 특허)와 Pinarbasi에게 허여된 미국 특허 제5,942,605호(이하 `605 특허)에 기술되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다. '585 특허는 서로 다른 물질들로 이루어진 다중 타겟으로부터 임의의 두께를 갖는 적층 구조 및 임의의 조성을 갖는 증착된 박막을 제조하기 위해 수정 모니터가 구비된, 컴퓨터로 제어되는 단일 이온 빔을 개시하고 있다. `605 특허는 벌크의 특성값에 매우 근사한 밀도와 물리적 특성을 갖는 박막을 제조하기 위해 이온 빔 가스의 원자 질량을 타겟 물질의 원자 질량과 일치시키는 방법을 개시하고 있다. '585 특허와 '605 특허가 다층 박막을 증착하기 위한 방법을 개시하고 있기는 하지만, 서로 인접한 증착층들 사이의 접합부에 증착되는 플럭스(flux)의 양을 제어하는 문제는 다루고 있지 않다.
이온 빔 스퍼터 증착 시스템은 자기 디스크 드라이브용으로 사용되는 이방성 자기저항(AMR) 센서와 거대 자기저항(GMR) 센서의 개별층들을 증착시키는데 사용되어 왔다. GMR 센서에서, 예를 들면, 자기저항(MR) 감지층의 저항 변화는 비자성층(스페이서층)에 의해 분리된 강자성층들 사이의 전도 전자의 스핀 의존 투과, 및 그에 따른 강자성층과 비자성층 사이의 인터페이스와 강자성층들 내에서 발생하는 스핀 의존 산란의 함수이다. GMR을 증진시키는 비자성 금속 물질(예를 들면, 구리) 층에 의해 분리된 강자성 물질(예를 들면, NiFe 또는 Co 또는 NiFe/Co)로 이루어진 두개의 층만을 사용하는 GMR 센서들은 일반적으로 스핀 밸브(spin valve; SV) 센서라고 불린다. GMR 원리에 따라 동작하는 MR 센서를 개시하고 있는 미국 특허 제5,206,590호(이하 '590 특허)는 Dieny 등에게 허여되었으며, 그 내용은 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.
자기저항(MR) 센서(AMR 또는 GMR 센서)들은 일반적으로 대구경 웨이퍼 기판 상에 스퍼터링 증착으로 제조되는 매우 작은 소자로서, 한 웨이퍼에 수천 개의 센서를 형성하기 위해 보통 구경이 5인치 이상인 웨이퍼 기판을 사용한다. 그 후 웨이퍼를 잘라서 자기 기억 장치에 사용되는 개개의 자기 판독 변환기를 만든다.
서로 인접한 증착층들 사이에 형성된 접합부(junction)의 물리적, 전기적, 자기적 특성을 정밀하게 제어하는 것이 MR 센서의 제조 공정에서 주된 문제점 중의 하나이다. 그와 같은 접합부의 한 예는 MR 센서의 MR층과 길이방향의 바이어스층 사이에 형성되는 인접 접합부(contiguous junction)이다.
MR 센서의 제조 공정에서 또 다른 주요 문제점은 소정의 웨이퍼의 전체 사용 영역 위에 증착되는 모든 증착층의 두께의 균일성인데, 이것은 상기 소정의 웨이퍼 상에서 제조되는 전체 MR 센서의 동작 특성(예를 들면, 저항 및 자기저항)의 균일성을 제어하기 위한 것이다.
본 발명자의 실험에서, 서로 인접한 증착층들 사이에 형성되는 접합부의 특성을 결정하고, 5인치 구경 웨이퍼 기판(도 3) 상에 형성된 SV 센서(200)의 단부 영역(206, 204)에 증착되는 여러 층(도 2a)의 두께 균일성(thick uniformity)을 결정하기 위한 이온 빔 스퍼터링 시스템(120)(도 1)이 개발되어 사용되어 왔다.
도 1을 참조하면, 본 발명자에 의해 개발되고 사용된 상기 이온 빔 스퍼터 증착 시스템(120)을 예시한 간략화된 도면이 도시되어 있다. 이온 빔 스퍼터 증착 시스템(120)은 내부에 이온 빔 소스(121)가 장착된 진공 챔버(122)를 포함한다. 이온 빔 시스템(120)은 회전식 타겟 지지대(125) 상에 형성되거나 장착되는 선택 가능 다중 타겟(123)을 추가로 포함한다. 이온 빔 소스(121)에 의해 제공되는 이온 빔(133)은 선택 가능 다중 타겟(123) 중 하나의 타겟으로 향하는데, 타겟에서는 충돌한 이온이 선택된 타겟 물질의 스퍼터링을 야기한다. 선택된 타겟 물질에서 방출된 스퍼터 원자(126)는 거의 수직에 가까운 각도(85-95도)로 소재(웨이퍼 기판, 웨이퍼, 증착 기판)(131) 상으로 향하는데, 그 소재 상에는 선택된 타겟 물질층이 형성된다. 스퍼터 원자(126)는 거의 수직에 가까운 각도(85-95도)로 소재(131)를 때린다(충돌한다). 죔쇠(clamp) 또는 진공 흡인(도시되지 않음)을 사용하여 소재(131)를 기판 스테이지(소재 스테이지)(141) 상에 단단히 고정시킨다. 기판 스테이지(141)는 소재(131)를 바꾸기 위해 게이트 밸브(138)를 통해 로딩 포트(139)로 복귀될 수 있다.
소재(131)에 매우 근접하게 위치한 두께 모니터(137)는 소재(131)의 전체 사용 영역 상에서 증착이 이루어지는 동안 성장하는 막 두께의 모니터링을 실시간으로, 현장에서 제공한다. 소재(131)의 전면(front)에 부착된 고정형(non-movable) 플럭스 조정기(flux regulator)는 스퍼터된 원자 플럭스를 부분적으로 차단하고, 소재(131)의 회전과 함께 사용되어 증착 공정 중에 증착층 두께의 균일성을 개선한다. 고정형 플럭스 조정기는 하나 이상의 증착층의 이온 빔 스퍼터링 증착 전에 위치가 고정되어, 전체 증착 공정 도중 고정 상태를 유지하는 플럭스 조정기를 지칭한다(즉, 플럭스 조정기의 위치는 상기 하나 이상의 증착층의 증착 공정 중에 바뀌지 않는다). 이온 빔 스퍼터 증착 시스템의 동작 중에 포트(135)에 연결된 진공펌프(도시되지 않음)를 사용하여 진공 챔버(122)를 적정한 저압으로 유지한다.
이제 도 2a를 참조하면, 중앙 영역(202)에 의해 서로 분리되는 단부 영역(204, 206)을 구비한 SV 센서(200)의 단면이 도시되는데, 이러한 SV 센서(200)에서는 발명자의 이온 빔 스퍼터링 시스템(120)을 사용해서 상기 단부 영역에 시드층, 바이어스층, 리드층을 증착한다. 자유층(자유 MR층, 자유 강자성층)(210)은 비자성이며 전기적으로 전도성인 스페이서층(spacer layer)(215)에 의해 고정층(고정 MR층, 고정 강자성층)(220)으로부터 이격된다. 대안적으로는 비자성 금속 도체(예를 들면, 루테늄)로 상호 이격된 다층의 강자성 물질(예를 들면, 코발트, NiFe)로 이루어진 고정층을 만들 수도 있다. 그 같은 다중 고정층은 일반적으로 역평행(anti-parallel; AP) 고정층으로 불린다. 고정층(220)의 자화는 일반적으로 반강자성(AFM)층(225)과의 교환 결합(exchange coupling)을 통해서 고정되지만, 반드시 그럴 필요는 없다). 일반적으로 NiMn이나 FeMn 또는 NiO로 AFM층(225)을 만든다. 그러나 자유층의 자화는 외부 필드에 응답하여 자유롭게 회전한다. 집합적으로 MR 물질로 불리는 자유층(210), 스페이서층(215), 고정층(220) 및 AFM층(225)(AFM층이 사용되는 경우)은 모두 기판(228) 위의 중앙 영역(202)에 형성된다. 단부 영역(204, 206)에 각각 형성되는 하드 바이어스(hard bias; HB)층(230, 235)은 MR 자유층(210)에 길이 방향의 바이어스를 제공한다. 하드 바이어스층(230, 235)은 일반적으로 시드층(280, 285) 위에 증착되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 하드 바이어스층(230, 235)은 인접 접합부(274, 276)를 각각 형성하며, 적어도 자유층(210)을 구비한다 . 하드 바이어스층(230, 235) 위에 각각 형성되는 리드(240, 245)는 전류 소스에서 MR 센서(200)로 감지 전류(IS)가 흐르도록 전기적 연결을 제공한다. MR 물질은 제1·제2 측면 에지(270, 272)를 추가로 갖는다(도 2b).
도 3은 본 발명자의 이온 빔 스퍼터링 시스템으로 제조된 SV 센서 제조 웨이퍼(300)를 도시한다. 도 3은 여러 블록(301)의 일반적인 패턴을 개략적으로 예시하며, 각 블록은 복수의 열(302)을 포함한다. 각 열(302)은 각 열을 따라 위치하고 웨이퍼 기판(306) 상에 형성되는 (SV 센서(200 또는 900)와 같은) 복수의 SV 센서를 포함한다.
앞서 언급한 것처럼, 본 발명자는 이온 빔 스퍼터링 시스템(120)을 사용하여 웨이퍼 기판(306) 상에 SV 센서(200)를 만드는 실험을 수행했다. 상기 실험 수행에서는 SV 센서(200)의 중앙 영역(202)의 층 구조를 포함하는 스퍼터된 물질층이 전체 웨이퍼 상에 개별적으로 증착된다. 그 후 포토레지스트 물질(290, 291)이 전체 웨이퍼 상에 증착된 다음, 선택된 영역에서 빛에 노출되고, 현상되어 중앙 영역(202) 밖의 증착 물질을 제거하기 위한 개구부를 제공한다. 도 2b는 포토레지스트(290, 291)가 현상되고 중앙 영역(202) 밖에 증착된 물질이 이온 밀링(ion-milling)으로 제거된 후의 SV 센서(200) 제조 공정 단계를 도시한다. 도 2b에 도시된 단계에 뒤이어, 시드층 물질, 하드 바이어스 물질 및 리드 물질이 단부 영역(204, 206)에 순차적으로 스퍼터 증착된다. 단부 영역(204, 206)에 증착되는 물질은 화살표(292)(도 2c)로 도시된 바와 같이 거의 수직에 가까운 각도(85-95도)로 스퍼터 증착된다.
SV 센서(200)(도 2a)를 정밀하게 조사해보면 전술한 방법으로 형성된 SV 센서(200)에는 다음과 같은 결점들이 있다.
i) 시드층(280, 285)의 두께가 균일하지 않다.
ii) 하드 바이어스층(230, 235)의 두께가 균일하지 않고, 하드 바이어스층(230, 235)은 각각 제1·제2 측면 에지(270, 272) 까지 점차 가늘어지며, MR 물질의 측면 에지(270, 272) 근처의 하드 바이어스층(230, 235) 각각에 노치(notch)가 형성된다. 하드 바이어스가 점차 가늘어지면 MR 물질의 에지에 증착된 하드 바이어스 물질의 보자력(保磁力)이 낮아지게 되어 MR 센서가 판독 동작 중에 불안정하게 된다.
iii) 리드층(240, 245) 두께가 균일하지 않고, MR 물질의 측면 에지(270, 272) 근처에서 점차 가늘어진다. 리드가 점차 가늘어지면 전기 신호의 손실을 초래한다.
또한 발명자는 이온 빔 스퍼터링 시스템(120)을 사용하여 웨이퍼 기판(306)의 사용 영역 위에 SV 센서(200)를 만들고, 웨이퍼(300)의 직경에 표시된 다섯 지점(305)에서 각 증착층의 시트 저항(sheet resistance)을 측정하는 방법으로 웨이퍼의 전체 사용 영역을 가로질러 증착층의 균일성을 측정하는 또 다른 실험을 했다. 웨이퍼를 가로지르는 시트 저항의 균일성은 소정의 웨이퍼에서 볼 수 있는 막 두께 최대 변화 측정값인 균일성 백분률(percent uniformity)로 표현된다.
도 4는 웨이퍼(300)를 가로지르는 다섯 지점(305)에서 측정한 SV 센서의 구리(Cu) 격리막(215)의 정규화된 시트 저항을 보여주는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, Cu막 두께는 웨이퍼(300)의 사용 영역을 가로질러 11.3%만큼 변한다. 웨이퍼(300)를 가로지르는 동일한 다섯 지점(305)에서 측정된 NiFe층 및 Co층의 두께 변화는 각각 약 3.5% 및 2.7% 정도이다.
웨이퍼(300)를 가로질러 Cu 스페이서막의 두께가 11.3% 변하는 것은 웨이퍼(300) 상의 MR 센서 중 다수가 정상적으로 동작하지 않거나 수용할 수 없을 정도로 변화가 큰 응답 특성을 갖는 것을 의미한다. 또한 생산성을 높이기 위해 웨이퍼 크기를 증가시키면, 웨이퍼를 가로질러 달성해야 할 막의 균일성 문제가 더 욱 악화된다.
종래 기술은 다음과 관련된 문제들을 다루거나 인식하지 못하고 있다.
i) 이온 빔 스퍼터 증착 시스템 내에서 형성되는, 각 MR 센서의 시드층, 하드 바이어스층 및 리드층의 두께 균일성 결여;
ii) 서로 인접한 증착 물질 사이의 인접 접합부에서 물리적, 전기적, 자기적 특성의 불량; 및
iii) 이온 빔 증착 시스템 내에서 웨이퍼의 전체 사용 영역 상에 증착된 박막층의 두께 균일성 결여.
따라서, 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 웨이퍼 기판 상에 서로 인접하게 증착된 다층 박막 구조에서 개별 박막의 특성과 두께를 제어하기 위한 방법과 장치가 필요하다.
또한 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 웨이퍼 기판 상에 증착되는 다층 박막 구조에서 개별 막의 두께 균일성을 제어하기 위한 방법과 장치도 필요하다.
또한, 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 웨이퍼 기판 상에 서로 인접하게 증착된 MR 센서의 다층 구조에서 개별 층의 두께를 제어하기 위한 방법과 장치가 필요하다.
본 발명의 목적은 미리 정해진 각도로 기울일 수 있는 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 스퍼터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 증착 공정 전이나 증착 공정 중에 기울일 수 있고 수직 축에 대해서 비수직각(non-normal angle)을 형성할 수 있는 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 스퍼터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 스테이지 암에 연결되는 기판 스테이지를 가지며, 기판 스테이지가 스테이지 암(arm)의 주축(major axis)(길이방향 축)에 대해 기울어 질 수 있는 이온 빔 스퍼터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 스테이지 암에 연결되는 기판 스테이지를 가지며, 기판 스테이지가 스테이지 암(arm)의 종축(minor axis)에 대해 기울어 질 수 있는, 이온 빔 스퍼터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 기울어진 상태로 회전할 수 있는 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 스퍼터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 웨이퍼 기판 상에 증착된, 다층 구조로 이루어진 개별층들 각각의 물리적 특성이 개선된 MR(AMR, GMR, 또는 SV) 센서를 형성하는 이온 빔 스퍼터링 증착 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 기울어 질 수 있는 기판 스테이지와 이동가능 플럭스 조정기를 갖는 이온 빔 스퍼터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적들과 다른 목적들은 소재(workpiece)가 이온 빔 스퍼터링 증착 공정 중에 기판 스테이지의 상단 표면에 단단히 고정되는, 본 발명자의 발명품인 이온 빔 스퍼터 증착 시스템에 의해서 달성된다. 기판 스테이지는 기울어질 수 있고 수직축에 대해서 비수직각을 형성할 수 있으므로, 소재 또한 입사되는 증착 원자들(incoming deposition atoms)에 대해서 비수직각을 이룬다. 기판 스테이지는 수직축에 대해 기울기를 가지면서 수직축에 대해 회전하도록 만들어진다. 기울어 질 수 있는 기판 스테이지는 비수직 증착 각(즉, 90도가 아닌 각)으로 스퍼터 원자(플럭스)가 소재에 증착되도록 해줌으로써 증착된 막의 물리적 특성을 제어할 수 있다.
이온 빔 스퍼터 증착 시스템은 타겟과 소재 사이에 위치한 이동가능 플럭스 조정기를 추가로 포함하는데, 플럭스 조정기는 기판에 대해 직교 좌표계의 X, Y, Z 세축 방향 각각으로 이동할 수 있으며, 길이 방향축에 대해 회전할 수 있고, 미리 정해진 각도로 미리 정해진 축의 평면 내에서 진동할 수 있다. 소재에 대한 이동가능 플럭스 조정기의 위치는 웨이퍼의 전체 사용 영역 상에서 그 전체 사용 영역위를 가로질러 증착되는 박막 두께의 균일성에 영향을 미친다. 이동가능 플럭스 조정기의 가장 양호한 위치는 동일한 이온 빔 시스템 내에서 상이한 타겟으로부터 증착된 상이한 물질마다 다르다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다. 본 발명자의 이동가능 플럭스 조정기는 소재에 대한 위치가 증착 물질에 따라 변할 수 있는 플럭스 조정기로 불린다.
따라서, 기울어질 수 있는 기판 스테이지를 갖는 본 발명자의 이온 빔 스퍼터링 시스템은 소재에 비수직각으로 스퍼터 플럭스 증착을 할 수 있도록 함으로써 서로 인접한 증착층들 사이에 형성된 인접 접합부의 물리적, 전기적, 자기적 특성을 개선시킨다. 또한 이동가능 플럭스 조정기를 구비한 본 발명자의 이온 빔 스퍼터링 시스템은 웨이퍼의 전체 사용영역 위에 증착되는 각 층의 두께를 균일하게 하는 수단을 제공한다.
이하에 기술하는 상세한 설명과 첨부한 도면을 함께 참조하면 본 발명의 특징과 장점 및 바람직한 사용 모드를 완전히 이해할 수 있다.
도 1은 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템의 블록도.
도 2a는 전류 소스와 연결되는 스핀 밸브(SV) 센서의 공기 베어링 표면도(단, 축척은 비례가 아님).
도 2b는 도 2a의 SV 센서 제작시의 어느 한 단계에 있는 공기 베어링 표면 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 2c는 도 2a의 SV 센서 제작의 다른 한 단계에 있는 공기 베어링 표면 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 3은 본 발명자의 이온 빔 스퍼터 증착 시스템 내에서 웨이퍼 상에 형성된 SV 센서의 일반적인 패턴을 보여주는 웨이퍼의 평면도.
도 4는 도 1의 이온 빔 스퍼터링 시스템을 사용하여 증착되며, 도 3의 웨이퍼를 가로지르는 구리층의 시트 저항의 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 기울일 수 있는 기판 스테이지를 갖는 본 발명 이온 빔 스퍼터링 시스템의 바람직한 실시예의 블록도.
도 6a는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템에서 타겟과 기판 사이에 위치한이동가능 플럭스 조정기와 관련된 본 발명의 기판 스테이지를 도시한 도면(단, 축척은 비례가 아님).
도 6b는 도 6a에 도시된 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 7a와 7b는 수직축에 대해 각각 아래 방향과 위 방향으로 기울어지는 본 발명의 기울일 수 있는 기판 스테이지를 도시한 도면(단, 축척은 비례가 아님).
도 8a와 8d는 각각 본 발명에서 기울어짐이 없는 기판 스테이지의 정면도와 측면도(5-5 면에서 봄).
도 8b와 8e는 각각 본 발명에서 길이 방향축을 기준으로 제1 방향으로 기울어진 기판 스테이지의 정면도와 측면도.
도 8c와 8f는 각각 본 발명에서 길이 방향축을 기준으로 제2 방향으로 기울어진 기판 스테이지의 정면도와 측면도.
도 9a는 기울일 수 있는 기판 스테이지를 갖는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 자기저항(MR) 센서(900) 제조시의 포토레지스트 증착 단계의 공기 베어링 표면(ABS) 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 9b는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 MR 센서(900) 제조시의 포토레지스트 현상 단계의 ABS 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 9c는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 MR 센서(900) 제조시의 시드 물질 증착 단계의 ABS 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 9d는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 MR 센서(900) 제조시의 하드 바이어스 물질 증착 단계의 ABS 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 9e는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 MR 센서(900) 제조시의 리드 물질 증착 단계의 ABS 예시도(단, 축척은 비례가 아님).
도 9f는 기울일 수 있는 기판 스테이지를 갖는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템을 사용하여 제조된 MR 센서(900)의 ABS 도면.
도 10은 기울일 수 있는 기판 스테이지를 갖는 본 발명의 대안적인 실시예의 블록도를 도시한 도면(단, 축척은 비례가 아님).
도 11은 본 발명에서 이동가능 플럭스 조정기의 X 설정 함수로 증착 기판을 가로질러 구리 시트 저항 균일성을 보여주는 그래프.
도 12는 본 발명에서 이동가능 플럭스 조정기의 X 설정 함수로 증착 기판을 가로질러 코발트 시트 저항 균일성을 보여주는 그래프.
이하에서 본 발명의 구현을 위해 현재 고려될 수 있는 최적의 실시예가 설명된다. 이러한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서에서 청구된 발명의 개념을 제한하기 위한 것이 아니다.
도 5-8을 참조하면, 본 발명에 따른 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템(Ion Beam System; IBS)(500)의 여러 가지 도면이 도시되어 있다. 이온 빔 시스템(500)은 게이트 밸브(506)로 닫을 수 있는 포트(505)를 통하여 진공 펌프(507)에 의해 적합한 저압으로 가스를 배출하는 진공 챔버(522)를 포함한다. 이온 빔 소스(521)는 강한 에너지를 갖는 이온(533)을 하나 이상의 물질로 된 선택 가능한 다중 타겟(523)으로 향하게 하는데, 여기서 타격 이온(impacting ion)은 선택된 타겟 물질의 스퍼터링을 야기한다. 선택된 타겟 물질에서 방출된 스퍼터된 원자(526)는 소재(웨이퍼)(531)에 스퍼터 증착된다. 소재(531)는 도 3에 도시된 웨이퍼(300)와 유사한 웨이퍼이다. 이온 빔 소스(521)로는 카프만(Kaufman) 소스와 같은 적합한 임의의 이온 빔 소스가 사용될 수 있다. 선택 가능한 다중 타겟(523)은 일반적으로 회전식 타겟 지지대(525) 위에 장착된다. 대안으로, 선택 가능 다중 타겟(523) 대신에 단일 타겟이 사용될 수도 있다.
이온 빔 시스템(500)은 상단 표면(532)을 갖는 기판 스테이지(541)를 추가로 포함하는데, 길이 방향 축(537)은 상기 상단 표면(532) 상의 평면에 놓이고 수직축(535)은 상기 상단 표면(532)에 수직하게 놓여 있다. 기판 스테이지(541)는 기계식 기어(도시되지 않음)를 통해서 스테이지 암(543)에 연결된다. 길이 방향의 축(564)과 수직축(566)을 갖는 스테이지 암(543)은 연결점(568)을 통하여 일반적으로 스테이지 암(543)의 동작을 제어하기 위한 기계식 기어를 포함하는 스테이지 제어기(560)에 연결된다. 스테이지 제어기(560)는 제어 시스템(570)에 연결되고, 제어 시스템에 의해서 제어된다. 소재(531)는 죔쇠(도시되지 않음)를 사용하여 또는 진공 흡인(vacuum suction)(도시되지 않음)으로 기판 스테이지(541) 상에 단단하게 장착되므로, 기판 스테이지(541)의 기울기 및/또는 회전에 의해 소재(531)의 기울기 및/또는 회전이 야기된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스테이지 암(543)을 자신의 길이 방향축(주축)(564)으로 회전시킴으로써 기판 스테이지(541)가 기울어질 수 있다. 그 결과, 기판 스테이지(541)는 수직축(535)에 대해 기울어져 상단 표면(532)은 수직축(535)에 대해 비수직각을 이룬다. 따라서 소재(531)의 상단 표면은 선택된 타겟 물질에서 방출된 스퍼터된 원자(526)에 대해 비수직각을 이룬다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판 스테이지(541)는 임의의 증착 단계 중에 소재(531)를 회전시키기 위해 회전/선형 모터(도시되지 않음)를 사용하여 수직축에 대해서 회전할 수 있게 만들어진 원형 스테이지인 것이 바람직하다.
제어 시스템(570)과 스테이지 제어기(560)를 연결하는 통신 버스(561, 563, 565, 567)는 기판 스테이지(541)를 회전시킬 것인지 아닌지의 여부, 얼마나 빨리 회전할 것인지의 여부, 및 기판 스테이지(541)에 기울기를 줄 것인지의 여부와, 기울기의 방향과 같은 정보를 제어 시스템(570)과 스테이지 제어기(560) 사이에서 전송하는데 사용된다. 제어 시스템(570)이 스테이지 제어기(560)에 회전, 회전 속도, 기판 스테이지(541)의 기울기 및/또는 상하 이동 및 막 증착 공정 중의 기울기 방향과 같은 명령들을 일단 발행하면, 스테이지 제어기(560)는 스테이지 암(543)을 통해 기판 스테이지(541)의 회전, 회전 속도, 기울기 및 기울기 방향을 제어한다. 스테이지 암(543)은 연결점(568)을 통해서 스테이지 제어기(560)에 연결되므로, 스테이지 암(543)은 연결점(568)에 대해 모든 방향으로(X 방향, Y 방향, Z 방향, XY 평면, XZ 평면, YZ 평면) 기울임, 회전 및 선회가 가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스테이지 암(543)을 길이 방향축(564)에 대해 회전시킴으로써 기판 스테이지(541)에 기울기를 줄 수 있다(도 8a-8d, 8b-8e, 8c-8f). 대안적으로, 스테이지 암(543)을 연결점(568)에 대해 상하로 이동시켜, 스테이지 암(543)이 수직축(566)과 비수직각을 이루도록기판 스테이지(541)에 기울기를 줄 수 있다(도 7a-7b).
이온 빔 시스템(500)은 플럭스 조정기 축(shaft)(551)에 연결된 이동가능 플럭스 조정기(550)를 추가로 포함한다. 플럭스 조정기 축(551)은 제1 단부(552)와 제2 단부(554)를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 플럭스 조정기 축(551)의 제2 단부(554)를 챔버(522) 벽에 장착된 플럭스 조정기 제어기(540)에 직접 연결함으로써(도 5 및 도 6b), 플럭스 조정기 축(551) 운동과 스테이지 암(543) 운동은 완전히 독립적이다. 대안으로, 플럭스 조정기 축(551)의 제2 단부(554)를 플럭스 조정기 암(553)에 연결할 수 있으며, 이경우 플럭스 조정기 암(553)은 도 6a에 도시된 바와 같이 스테이지 암(543)에 연결된다. 플럭스 조정기(550)가 타겟(523)과 소재(531) 사이에 위치하여 스퍼터된 원자 플럭스가 소재(531)에 충돌하고 그에따라 전체 소재(531) 상에 증착된 플럭스 분포가 변경되는 것을 부분적으로 차단한다. 스퍼터된 원자 입사 플럭스의 평균값을 구하기 위한 플럭스 조정기(550)의 정상(proper) 동작은 각 증착 단계 중에 수직축(535)에 대한 소재(531)의 연속적 회전에 좌우된다. 일반적으로 스퍼터 원자의 입사 플럭스는 기판의 중앙에서 최대가 되므로, 이동가능 플럭스 조정기(550)의 바람직한 모양은 끝(556)에서부터 너비가 점차적으로 증가하여 최대 폭(557)(약 2.5cm)이 되고 다시 플럭스 조정기 축(551)의 폭까지 점차적으로 감소하는(점차 가늘어짐) 화살촉 모양이다. 플럭스조정기(550)의 끝(556)에서 플럭스 조정기 축(551)의 제1 단부(552)까지의 길이는 약 5cm이다. 화살촉 모양의 플럭스 조정기(550)를 사용하면 소재(531)의 외부 반경보다 내부 반경에서 더 큰 원자 플럭스의 차단 효과를 가져온다. 플럭스 조정기(550)는 연결점(555)에 대해 움직일 수 있는 플럭스 조정기 축(551)을 움직임으로써 소재(531)에 대해 이동 가능하다(도 6a-6b). 도 6a에 도시된 실시예의 경우에, 플럭스 조정기 암(553)을 움직여 플럭스 조정기(550)가 움직이도록 할 수 있다. 플럭스 조정기 제어기(540)에는 일반적으로 3차원 직교 선형 구동 시스템인 X 방향 구동기(540), Y 방향 구동기(542), Z 방향 구동기(544)와 미리 정한 축의 평면에서 각θ(180도 보다 작음)로 플럭스 조정기(550)을 스윙시키는 제4 구동 시스템(546)(도 6a), 및 길이 방향의 축에 대해 각 Φ(180도 보다 작음)로 플럭스 조정기를 회전시키는 제5 구동 시스템(548)이 구비되어 있다. 타겟 물질을 소재(531) 상에 이온 빔 스퍼터 증착하는 중에 플럭스 조정기 제어기(540)는 플럭스 조정기(550)를 (회전/선형 모터를 사용하여)미리 정해진 위치로 이동시키는 제어 시스템(570)에 의해 제어된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이동가능 플럭스 조정기(550)의 X 방향, Y 방향, Z 방향의 위치는 소재(531) 상에 스퍼터 증착될 각 타겟 물질에 따라 조절된다. 이동가능 셔터(shutter)(510)가 또한 플럭스 조정기(550)와 소재(531) 사이에 위치하여 단지 증착 단계 중에만 원자가 소재(531)에 도달하도록 타겟에서 방출된 원자의 입사를 차단한다.
도 6a와 7a-b를 참조하면, 이 실시예에서 기판 스테이지(541)가 상하로 이동할 때 기판 스테이지(541)와 플럭스 조정기(550) 사이의 거리가 항상 일정하게 유지되는데, 그 이유는 플럭스 조정기 암(553)이 스테이지 암(543)에 단단하게 고정되어 있기 때문이다. 그러나 도 6b를 참조하면, 앞서와는 반대로 기판 스테이지(541)가 상하로 이동할 때 기판 스테이지(541)와 플럭스 조정기(550) 사이의 거리가 각각 감소하거나 증가하는데, 그 이유는 스테이지 암(543)의 운동이 플럭스 조정기 축(551)의 운동과 독립적이기 때문이다. 스퍼터링 증착 공정 중에 기판 스테이지(541)에 기울기를 주면 선택된 타겟 물질의 원자가 비수직각으로 소재(531)를 때리도록 하여 소재(531) 상에서 서로 인접한 증착 물질들 사이에 형성되는 인접 접합부의 두께 균일성은 물론 전기적, 물리적, 자기적 특성을 개선시킨다.
이제 도 9a-9f를 참조하면, 기울기를 줄 수 있고 회전 가능한 기판 스테이지(541)를 갖는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템(500)을 사용하여 소재(기판)(931)(도 3에 도시한 웨이퍼(300) 및 도 5에 도시한 웨이퍼(531)와 유사함) 상에 복수의 SV 센서(900)를 제조하는 여러 단계가 도시된다. 이하에 기술하는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 소재(931)는 모든 스퍼터 증착 단계 중에 회전 가능하다.
도 9a는 복수의 SV 센서(900)를 만드는데 사용되는 SV 물질 위에 포토레지스트(포토레지스트 1(995)과 포토레지스트 2(990))가 순차적으로 증착된 후의 단계를 도시하는 공기 베어링 표면(ABS)의 예시도이다. 본 발명의 이온 빔 시스템 내에서 기판(931) 상에 많은 SV 센서(900)가 동시에 만들어지지만, 이후의 설명은 단지 하나의 SV 센서에 대해서만 기술하기로 한다. 도 9a에서 알 수 있는바와 같이 자유층(910)(통상적으로 NiFe나 NiFe/Co로 만들어짐)은 기판(931)의 전체 사용 영역 위에 첫 번째로 증착되며, 뒤이어 비자성 스페이서층(915)(통상적으로 Cu나 Ag 또는 Au로 만들어짐), 서브층(sub-layer; 918)(통상적으로 Co로 만들어짐)을 추가로 포함하는 고정층(920)(통상적으로 NiFe와 같은 강자성(FM) 물질로 만들어짐), 및 반강자성(AFM)층(925)(통상적으로 NiO나 FeMn 또는 NiMn으로 만들어짐)이 순차적으로 증착된다. 형태 조정기(550)의 Y·Z 방향의 위치가 고정된 상태에서 미리 정해진 X 위치에 형태 조정기를 위치시키고 각 층은 증착된다. 형태 조정기(550)의 위치 지정을 위한 기준점은 기판 스테이지(541)의 중앙(539)(x=y=z=0)이다. 표 1은 (1) 고정형 플럭스 조정기(모든 증착 단계에서 X축, Y축, Z축 위치가 고정됨)를 갖는 도 1의 이온 빔 시스템 및 (2) 이동가능 플럭스 조정기의 위치가 Y·Z 방향에서는 고정되고 X축에서는 증착된 각각의 층에 맞게 최적화되는 이동가능 플럭스 조정기를 갖는 본 발명의 이온 빔 스퍼터링 시스템을 사용하여, 5인치 구경 웨이퍼 상에 만든 SV 센서(900)의 이온 빔 스퍼터된 여러 물질의 균일성 데이터를 보여준다. 웨이퍼의 전체 사용 영역 상에서 균일성의 개선, 특히 결정적인 Cu 스페이서층(915)의 균일성의 개선이 달성되어 극히 유사한 특성을 갖는 복수의 SV 센서가 제조된다.
표 1
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증착층의 균일성
물질 X 방향 설정값(mm) 균일성(%)
고정형 NiFe +1.0 3.5
플럭스 조정기 Co +1.0 2.7
Cu +1.0 11.3
이동가능 NiFe +1.5 1.2
플럭스 조정기 Co +1.0 2.7
Cu -1.0 3.7
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도 9b는 본 발명의 이온 빔 시스템(500)을 사용한 SV 센서(900)의 제조에서 포토레지스트(990)의 현상과 SV 물질의 이온 밀링 후의 단계를 도시하는 ABS 예시도이다. 증착된 SV 물질을 이온 밀링하면 경사진 측면 에지(970, 972)가 형성된다는 점에 유의하여야 한다.
도 9c는 본 발명의 이온 빔 시스템을 사용한 SV 센서(900)의 제조에서 단부 영역들(904, 906)에 각각 시드층들(980, 985)을 증착하고 포토레지스트(990) 위에 시드층 물질을 증착한 후의 단계를 도시하는 ABS 예시도 이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 도 8b나 도 8c에 도시한 바와 같이 기판 스테이지(541)를 미리 정해진 크기로 기울기를 주고(따라서 기판(931)도 기울기를 가짐) 시드층(980, 985)을 증착한다.
도 8b나 도8c에 도시한 바와 같이 전술한 기울기를 주는 단계는 스퍼터된 원자 플럭스(926a, 926b)가 소재(931)를 비수직각으로 때리도록 하여 기판(931) 상단 표면의 노출된 부분(960, 965) 상 뿐만 아니라 측면 에지(970, 972)에도 시드층(980, 985)을 형성하게 한다. 측면 에지(970, 972)와 기판(931)의 노출 부분(960, 965) 상에 형성된 시드층의 두께는 대체로 균일한데, 그 이유는 시드층 물질 증착 중에 기판 스테이지(541)가 기울기를 갖고 회전했기 때문이다. 기판(931)이, 예를 들면, 죔쇠나 진공 흡인에 의해 기판 스테이지(541)에 단단하게 연결되기 때문에 기판 스테이지(541)가 기울기를 가질 경우 기판(931)도 또한 기울어진다는 점에 유의하여야 한다.
시드층(980, 985)은 기판 스테이지(541)가 위로 또는 아래로 이동(도 7a-b)하거나, 기판 스테이지(541)가 도 8a-8c에 도시된 바와 같이 길이 방향 축(537)에 대해 기울기를 갖거나, 기판 스테이지(541)가 자신의 길이 방향 축에 대해 미리 정해진 각만큼 기울기를 갖는 동시에 아래로 또는 위로 이동하는 단일 단계에서 증착될 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판 스테이지(541)의 움직임(상하로 이동, 길이 방향축에 대해 기울어짐 및 이들 동작들의 조합)은 종래 기술에서 필수적인 공지의 기계식 기어를 사용하여 스테이지 암(543)을 연결점(568)에 대해 움직임으로써 제어된다.
도 9d는 본 발명의 이온 빔 시스템(500)을 사용한 SV 센서(900)의 제조에서 단부 영역(904, 906)의 시드층(980, 985) 위에 하드 바이어스(HB) 물질의 증착층(930, 935)과 포토레지스트(990) 위에 하드 바이어스 물질의 증착층을 증착한 후의 단계를 도시하는 ABS 예시도이다. 하드 바이어스층(930, 935)은 먼저 소재에 수직으로 스퍼터링 하드 바이어스 원자(스퍼터된 원자 플럭스 (926a))에 의해 부분적으로 증착된다. 다음으로, 기판 스테이지(541)는 제1 방향으로 미리 정해진 각만큼 기울어지고(도 8a 또는 8b), 추가 하드 바이어스 물질(스퍼터된 원자 플럭스 (926b))이 단부 영역(904, 906)에 증착된 후 추가 하드 바이어스 물질(스퍼터 원자 플럭스 (926c))을 단부 영역(904, 906)에 증착하기 위해 기판 스테이지(541)는 제2 방향으로 미리 정해진 각만큼 기울어진다(도 8a 또는 8b). 바이어스 물질 증착 단계 중에 기판 스테이지(541)가 기울기를 가진 결과, 최종 하드 바이어스 층(930, 935)은 두께가 균일하고 측면 에지(970, 972)근처에 노치가 없다. 대안으로, 단부 영역(904, 906)에 하드 바이어스 물질을 증착하는 단계는 기판 스테이지(541)를 미리 정해진 방향으로 미리 정해진 각도만큼 기울인 후 단부 영역(904, 906)에 하드 바이어스 물질을 스퍼터 증착하는 단일 단계에 의해 수행될 수 있다.
도 9e는 본 발명의 이온 빔 시스템(500)을 사용한 SV 센서(900)의 제조에서 단부 영역(904, 906)에 각각 리드층(940, 945)을 증착하고 포토레지스트(990) 위에 리드층 물질을 증착한 후의 단계를 도시하는 ABS 예시도이다. 리드층(940, 945)은 매번 다른 각도로 기판 스테이지(541)를 여러번 기울이는 여러 단계로 증착될 수있다. 도 9e에 도시한 것처럼, 리드층(940, 945)은 단부 영역(904, 906)에 스퍼터된 원자를 5회 부분 증착하여 증착된다. 부분 증착은 먼저 수직으로 스퍼터된 원자를 증착하고(926a), 다음에 제1 비수직각으로 스퍼터된 원자를 증착하고(926b), 그 다음에 제2 비수직각으로 스퍼터된 원자를 증착하고(926c), 그 다음에 제3 비수직각으로 스퍼터된 원자를 증착하고(926d), 그 다음에 제4 비수직각으로 스퍼터된 원자를 증착함으로써(926e) 수행된다. 비수직각 926a, 926b, 926c 및 926d는 기판 스테이지(541)의 기울기를 미리 정해진 각도만큼 4개의 상이한 정해진 방향으로 순차적으로 기울여 얻어진다. 전술한 단계들에 따라 리드층(940, 945)은 두께가 균일하고, 측면 에지(970, 972) 근처에 노치가 없으며, AFM층(925)과 접촉하고, 포토레지스트(995)의 밑을 도려내서 생긴 공간(991, 992)을 부분적으로 채울 수 있다. 대안으로, 단부 영역(904, 906)에 리드층 물질을 증착하는 단계는 미리 정해진 방향으로 미리 정해진 각도만큼 기판 스테이지(541)를 기울인 후 단부 영역(904, 906)에 리드층 물질을 스퍼터 증착하는 단일 단계에 의해 수행될 수 있다.
도 9f는 포토레지스트(990, 995)가 제거된, 본 발명의 이온 빔 시스템을 사용해서 제조한 완전한 SV 센서(900)의 ABS 도면이다. 기울일 수 있고 회전 가능한 기판 스테이지(541)를 갖는 본 발명자의 이온 빔 시스템(500)으로 제조한 SV 센서(900)와 기울일 수 없는 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 시스템(120)으로 제조한 SV 센서(200)를 비교하면, SV 센서(200)의 모든 단점과 결점이 SV 센서(900)에서 실질적으로 제거되었다는 것을 쉽게 알 수 있다. 즉, 기울일 수 있는 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 시스템(500)은 다음과 같은 필요한 도구를 제공한다.
(i) 이미 증착된 물질에 인접해서 증착되는 물질의 균일성을 개선하는 도구;
(ii) 서로 인접한 증착 물질 사이에 형성된 인접 접합부의 전기적, 자기적 특성을 개선하는 도구; 및
(iii) 하드 바이어스 물질과 센서 물질 사이의 불연속을 유발하여 MR 센서의 불안정을 가져오는, 바이어스층의 모든 노치를 제거하는 도구.
이제 도 10을 참조하면, 스테이지 서브시스템(580)을 갖는 본 발명의 대안적인 이온 빔 시스템(500)의 개략도가 도시되어 있다. 스테이지 서브시스템(580)은 기판 스테이지(541)를 포함하는데, 기판 스테이지(541)는 스테이지축(566)에 연결되고, 스테이지축(566)은 스테이지 제어기(560)에 연결된다. 스테이지 제어기(560)는 제어 시스템(570)(도시되지 않음)에 연결된다. 이 실시예에서, 축(566)은 (선형 모터를 사용하여) 선회점(pivot point; 568)에 대해 추축을 선회시켜X 방향, Y 방향 또는 XY 평면에서 기울기를 줄 수 있으므로 기판 스테이지(541)가 기울어지도록한다. 대안으로, 스테이지축 내부에 위치하며 기판 스테이지(541)에 기울기를 줄 수 있는 기계식 기어를 사용하여 스테이지축(566)의 기울임 없이 기판 스테이지(541)를 X 방향, Y 방향 또는 XY 평면으로 기울일 수 있다. 스퍼터 증착 공정 동안, 기판 스테이지(541)는 회전 모터(도시되지 않음)에 의한 스테이지축(566)의 회전을 통해 회전된다. 회전 및 선형 동작을 일으키는 기계식 기어, 회전 및 선형 모터를 사용하는 것은 잘 알려진 종래 기술이다.
이제 도 11을 참조하면, Cu 박막 증착의 경우 이동가능 플럭스 조정기(550)의 X축 위치의 효과가 소재(931)(도 3에 도시된 웨이퍼(300)및 도 5에 도시된 웨이퍼(531)와 유사함) 상의 위치 함수로 나타낸 정규화 시트 저항의 그래프로 도시되어 있다. 이동가능 플럭스 조정기의 위치를 Y·Z 방향으로는 계속 동일하게 고정 상태를 유지하면서, X 방향으로만 +1.0mm에서 -1.0mm로 변경함으로써 스페이서층(915)을 형성하는데 사용되는 Cu 막의 균일성이 11.3%에서 3.7%로 상당히 개선됨을 쉽게 알 수 있다.
도 12를 참조하면, Co 박막 증착의 경우 이동가능 플럭스 조정기(550)의 X축 위치의 효과가 소재 상의 위치 함수로 나타낸 정규화 시트 저항의 그래프로 도시되어 있다. 이동가능 플럭스 조정기의 위치를 Y·Z 방향으로는 계속 동일하게 고정 상태를 유지하면서, X 방향으로만 +2.0mm에서 +1.0mm로 변경함으로써 고정층(918)을 형성하는데 사용되는 Co 막의 균일성이 9.0%에서 2.7%로 상당히 개선됨을 쉽게 알 수 있다.
도 11과 12를 다시 참조하면, Cu막 균일성의 개선을 가져오는 이동가능 플럭스 조정기의 X축 위치는 Co막 균일성의 개선을 가져오는 이동가능 플럭스 조정기의 X축 위치와 다르다는 것을 알 수 있다.
SV 센서를 제조하기 위해 다중 타겟(523)은 증착된 각 물질마다 개별 타겟을 포함해야 한다는 점에 유의하여야한다. 상기 설명되고 도 9a-9f에 예시된 SV 센서(900)의 경우 중앙 영역(902)에 있는 구조의 증착은 반강자성(AFM) 고정시키는 층(NiO 또는 NiMn 또는 FeMn), 고정 MR층과 자유 MR층을 위한 퍼멀로이(NiFe), Co 인터페이스층, 스페이서층(Cu 또는 금 또는 은) 및 고정층이 역평행(AP)고정층(FM/Ru/FM)일 경우 Ru층을 위한 타겟을 필요로 한다. 자유 MR층 물질은 고정 MR층의 강자성층을 위한 타겟과 동일한 타겟을 사용하여 증착된다. 또한, 단부 영역(904, 906)에 있는 구조의 증착은 Cr 시드층, CoPtCr 하드 바이어스층 및 Ta 리드층을 위한 타겟들을 필요로 한다. 각 타겟 물질에 대해서 이동가능 플럭스 조정기의 X축 설정값을 최적화하기 위해, 한 세트의 박막을 각 박막마다 이동가능 플럭스 조정기(550)의 X축 설정값을 각각 다르게 하여 기판에 스퍼터 증착하는 실험이 수행된다. 예를 들어 시트 저항과 같은 적당한 측정법으로 기판 직경을 가로질러 각 막의 두께 균일성을 측정한다. 도 11과 도 12의 그래프는 각각 Cu막과 Co막에 대해 얻은 결과를 보여준다. 전술한 실험 수행의 결과로 웨이퍼 기판 상에 증착될 물질의 각 층들에 대해 가장 높은 두께 균일성을 달성하는 이동가능 플럭스 조정기의 X축 위치 설정값이 선택된다. 이동가능 플럭스 조정기에 대한선택된 설정값은 MR 센서의 후속 다층 증착 중에 사용될 설정값이다.
본 발명이 특히 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 정신, 범위, 교시에서 벗어남 없이 본 발명에 여러 가지 변경을 가할 수 있다.
예를 들어, MR 센서를 만들기 위해 웨이퍼 기판 상의 증착층의 두께 균일성과 물리적, 전기적, 자기적 특성을 개선하는데 본 발명의 이온 빔 시스템이 주로 사용되었지만, 본 발명은 기판에 증착되는 이온 빔 스퍼터 증착층의 물리적, 전기적, 자기적 특성과 두께 균일성을 개선함으로써 이익을 얻을 수 있는 어느 기술에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 원형 기판 스테이지(541)가 본 발명의 바람직한 실시예에 사용되었지만, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다이아몬드형 또는 기타 다른 형태도 본 발명의 정신으로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있다.
또한, 기울어진 스테이지축 또는 회전과 기울어짐이 가능한 스테이지 암이 기판 스테이지(541)에 기울기를 주는데 사용되었지만, 다른 기구들도 본 발명의 정신으로부터 벗어남이 없이 기판 스테이지에 기울기를 주는데 사용될 수 있다.
따라서 본 명세서에 개시된 본 발명은 예시된 실시예에 의해 제한되지 않고, 첨부한 특허 청구범위에 의해서만 제한된다.
본 발명의 방법과 장치는 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 웨이퍼 기판 상에 서로 인접하게 증착된 다층 박막 구조 및 다층 박막 구조에서 개별막의 특성과 두께를 제어하여 증착막의 두께 균일성과 물리적, 전기적, 자기적 특성이 개선 된다.

Claims (27)

  1. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내의 물질 타겟;
    c) 상기 진공 챔버 내에 위치한 웨이퍼 상에 상기 타겟 물질을 증착하기 위해 이온을 상기 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스;
    d) 상기 웨이퍼를 붙잡기 위한 기판 스테이지―여기서 기판 스테이지는 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 제1 방향 및 제2 방향으로 기울여질 수 있음―; 및
    e) 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 타겟 물질이 상기 웨이퍼 상에 증착되는 것을 부분적으로 차단하기 위해 상기 타겟과 상기 웨이퍼 사이에 배치되는 이동가능 플럭스 조정기―여기서 상기 이동가능 플럭스 조정기는 상기 웨이퍼에 대하여 X축, Y축, Z축 방향으로 이동가능함―를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내의 물질 타겟;
    c) 상기 진공 챔버 내에 위치한 웨이퍼 상에 상기 타겟 물질을 증착하기 위해 이온을 상기 타겟으로 향하게하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 타겟 물질이 상기 웨이퍼 상에 증착되는 것을 부분적으로 차단하기 위해 상기 타겟과 상기 웨이퍼 사이에 배치되는 이동가능 플럭스 조정기―여기서 상기 이동가능 플럭스 조정기는 상기 웨이퍼에 X축, Y축, Z축 방향으로 이동가능함―;
    e) 상기 이동가능 플럭스 조정기와 상기 웨이퍼 사이에 배치되는 셔터; 및
    f) 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 기울임 가능한 기판 스테이지- 여기서, 상기 기울임 가능한 기판 스테이지는 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 제1 방향 및 제2 방향으로 기울어질 수 있음 - 를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기판 스테이지가 상기 타겟 물질의 증착 중에 자신의 수직축에 대해 회전할 수 있는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  7. 삭제
  8. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내의 물질 타겟;
    c) 상기 진공 챔버 내에 위치한 웨이퍼 상에 상기 타겟 물질을 증착하기 위해 이온을 상기 타겟으로 향하게하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 타겟 물질이 상기 웨이퍼 상에 증착되는 것을 부분적으로 차단하기 위해 상기 타겟과 상기 웨이퍼 사이에 배치되는 이동가능 플럭스 조정기―여기서 상기 이동가능 플럭스 조정기는 상기 웨이퍼에 대하여 X축, Y축, Z축 방향으로 이동가능함―;
    e) 상기 이동가능 플럭스 조정기와 상기 웨이퍼 사이에 배치되는 셔터; 및
    f) 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 기울임 가능한 기판 스테이지- 여기서, 상기 기울임 가능한 기판 스테이지는 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 제1 방향 및 제2 방향으로 기울어질 수 있고, 상기 기판 스테이지는 수직축을 가지고, 상기 기판 스테이지는 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 수직축에 대해 비수직각을 가짐- 를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기울어질 수 있는 기판 스테이지가 또한 상기 타겟 물질의 증착 중에 자신의 수직축에 대해 회전할 수 있는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  10. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내의 다수의 물질 타겟;
    c) 웨이퍼 상에 여러개의 타겟 물질을 순차적으로 증착하기 위해 이온을 상기 다수의 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 웨이퍼 상에 증착되는 상기 다수의 타겟 물질 각각의 두께 균일성을 제어하기 위해 상기 다중 타겟과 상기 웨이퍼 사이에 배치되는 이동가능 플럭스 조정기―여기서 상기 이동가능 플럭스 조정기는 상기 기판에 대해 X축, Y축, Z축 방향으로 이동가능함―;
    e) 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 제1 및 제2 방향으로 기울임 가능한 기판 스테이지- 상기 다수의 타겟 물질의 증착 중 상기 기판 스테이지 상에는 웨이퍼가 놓이고, 상기 웨이퍼는 수직축을 가지고, 상기 웨이퍼 상에 상기 다수의 타겟 물질 증착 중 상기 웨이퍼가 상기 수직축에 대해 비수직인 각을 가짐- 를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 기울어질 수 있는 기판 스테이지가 상기 웨이퍼 상으로 상기 복수의 타겟 물질의 증착 중에 회전할 수 있는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 비수직각이 상기 웨이퍼 상에 증착되는 타겟 물질에 따라 조정되는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 복수 타겟의 홀더를 회전시키기 위한 회전 가능 스테이지를 추가로 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 다수의 타겟 물질 중 하나가 구리, 코발트, NiFe, NiMn, NiO, Ni, Ru,Ta, Cr, CoPtCr로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질인 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  17. 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내의 복수의 타겟 물질, 이온 빔 소스, 이동가능 플럭스 조정기, 및 웨이퍼를 지지하기 위한 기울어질 수 있는 기판 스테이지를 갖는 이온 빔 스퍼터링 시스템 내에서 상기 웨이퍼 상에 자기저항 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    a) 상기 웨이퍼 상에 MR 물질―여기서 MR 물질은 비자성 물질층에 의해 서로 분리된 두 개의 강자성 물질층을 포함함―을 증착하는 단계;
    b) 상기 MR 물질 상에 포토레지스트―여기서 포토레지스트는 패터닝 후 현상되어 개구부를 형성함―물질을 증착하는 단계;
    c) 상기 개구부를 통하여 노출된 상기 MR 물질을 제거하는 단계;
    d) 상기 웨이퍼 기판이 자신의 수직축에 대해 비수직각으로 기울어진 상태로 상기 웨이퍼 기판에 제1 타겟 물질의 원자를 스퍼터 증착하는 단계; 및
    e) 상기 웨이퍼 기판이 자신의 수직축에 대해 비수직각으로 기울어진 상태로 상기 제1 타겟 물질 상에 상기 제2 타겟 물질의 원자를 스퍼터 증착하는 단계를 포함하는 자기저항 센서 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제1 타겟 물질이 Cr인 자기저항 센서 제조 방법.
  19. 삭제
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 제2 타겟 물질이 CoPtCr인 자기저항 센서 제조 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 웨이퍼 기판이 자신의 수직축에 대해 비수직각으로 기울어진 상태로 상기 제2 타겟 물질 위에 제3 타겟 물질의 원자를 스퍼터 증착하는 단계를 추가로 포함하는 자기저항 센서 제조 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제3 타겟 물질이 Ta인 자기저항 센서 제조 방법.
  23. a) 진공 챔버;
    b) 웨이퍼 기판을 지지하기 위한 기판 스테이지―여기서 기판 스테이지는 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 제1 방향 및 제2 방향으로 기울여질 수 있어 자신의 수직축과 비수직각을 형성함―;
    c) 물질 타겟;
    d) 상기 진공 챔버 내에 위치한 웨이퍼 상에 상기 타겟 물질을 증착하기 위해 이온을 상기 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스; 및
    e) 상기 타겟 물질의 증착 중 상기 타겟과 상기 웨이퍼 사이에 배치되어 상기 웨이퍼 기판에 증착되는 상기 타겟 물질의 균일성을 제어하기 위한 이동가능 플럭스 조정기―여기서 상기 이동가능 플럭스 조정기는 상기 웨이퍼에 대하여 X축, Y축, Z축 방향으로 이동가능함―를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  24. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내의 물질 타겟;
    c) 상기 진공 챔버 내에 위치한 웨이퍼 상에 상기 타겟 물질을 증착하기 위해 이온을 상기 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 기판 스테이지―여기서 기판 스테이지는 스테이지 제어기와의 연결점을 갖는 스테이지 암에 고정되고, 상기 스테이지 암은 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 상기 연결점에 대해 제1 (x-y) 평면, 제2 (y-z) 평면 및 제3 (z-x) 평면으로 기울어질 수 있음 ―를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  25. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내의 물질 타겟;
    c) 상기 진공 챔버 내에 위치한 웨이퍼 상에 상기 타겟 물질을 증착하기 위해 이온을 상기 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 웨이퍼가 장착되는 상면을 갖는 기판 스테이지―여기서 기판 스테이지는 상기 상면에 대해 수직인 수직축을 가지고, 상기 기판 스테이지는 상기 수직축에 대해 수직인 길이 방향축을 갖는 스테이지 암에 고정되고, 상기 스테이지 암은 스테이지 제어기와의 연결점을 가지며, 상기 스테이지 암은 상기 연결점에서 제1축에 대해 기울임 가능하여 제1면으로 상기 기판을 기울일 수 있고, 상기 스테이지 암은 상기 길이 방향축에 대해 회전 가능하여 제2면으로 상기 기판을 기울일 수 있음 ―를 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  26. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내에서 복수의 타겟 물질을 지지하는 다중 타겟 홀더;
    c) 웨이퍼 상으로 상기 복수의 타겟 물질을 순차 증착하기 위해 이온을 상기 복수의 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 기판 스테이지―여기서 기판 스테이지는 스테이지 제어기와의 연결점을 갖는 스테이지 암에 고정되고, 상기 스테이지 암은 상기 타겟 물질의 증착 전에 또는 증착 중에 상기 연결점에 대해 제1 (x-y) 평면, 제2 (y-z) 평면 및 제3 (z-x) 평면으로 기울어질 수 있고, 상기 기판 스테이지는 상기 타겟 물질의 증착 중에 상기 기판 스테이지의 상면에 대해 수직인 수직축에 대해 비수직인 각을 형성함 ―을 포함하는 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템.
  27. a) 진공 챔버;
    b) 상기 진공 챔버 내에서 복수의 타겟 물질을 지지하는 다중 타겟 홀더;
    c) 웨이퍼 상으로 상기 복수의 타겟 물질을 순차 증착하기 위해 이온을 상기 복수의 타겟으로 향하게 하는 이온 빔 소스; 및
    d) 상기 웨이퍼가 장착되는 상면을 갖는 기판 스테이지―여기서 기판 스테이지는 상기 상면에 대해 수직인 수직축을 가지고, 상기 기판 스테이지는 상기 수직축에 대해 수직인 길이 방향축을 갖는 스테이지 암에 고정되고, 상기 스테이지 암은 스테이지 제어기와의 연결점을 가지며, 상기 타겟 물질의 증착 전 또는 증착 중에 상기 스테이지 암은 상기 연결점에서 제1축에 대해 기울임 가능하여 제1면으로 상기 기판을 기울일 수 있고, 상기 스테이지 암은 상기 길이 방향축에 대해 회전 가능하여 제2면으로 상기 기판을 기울일 수 있고, 상기 타겟 물질의 증착 중 상기 기판 스테이지는 상기 수직축에 대해 비수직각을 형성함 ―을 포함하는 이온빔 스퍼터링 증착 시스템.
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