KR19980064471A

KR19980064471A - 스퍼터링 장치, 스퍼터링 성막 장치, 및자기저항 헤드 소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR19980064471A
Application number: KR1019970071961A
Authority: KR
Inventors: 호시노아끼라; 우찌야마도요시; 다까기겐-이찌; 야마모또다다시
Original assignee: 나까무라규조; 니혼신꾸기쥬쯔가부시끼가이샤
Priority date: 1996-12-25
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1998-10-07
Also published as: TW350074B; US6254747B1; KR100486330B1

Abstract

스퍼터링 장치는 타겟의 전방에 마그네트론 방전용 자계를 형성하는 영구자석을 갖는다. 이 영구자석은 타겟의 배후에 설치되고, 상기 타겟의 전방에는 RF 유도방전용 코일이 설치된다. 상기 영구자석은 냉각수의 순환통로를 구비한 용기형태의 진공 캐소드 케이스 내부에 수용된다. 이 캐소드 케이스 및 RF 유도방전용 코일의 주위는 스퍼터 입자 방출용 개구를 갖는 금속제 커버로 덮힌다. 자기저항 헤드 소자를 제조하기 위해, 기판은 로드 로크실로부터 전처리실로 반입되어 에칭 장치에 의해 클리닝된다. 이후, 상기 기판은 초고진공으로 배기된 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치를 복수대 구비한 초고진공의 진공 성막실에 반송된다. 상기 기판에 평탄한 비자성층과 자성층의 극히 얇은 층을 교대로 다수층 형성한다. 스퍼터 입자의 기판에의 비산을 방지하기 위해 설치된 셔터의 개폐에 의해 성막을 제어한다. 성막실내의 각 스퍼터링 장치의 위치에 기판을 이동시켜 상이한 종류의 막을 성막한다.

Description

스퍼터링 장치, 스퍼터링 성막 장치, 및 자기저항 헤드 소자의 제조 방법

본 발명은 고진공중에서 안정한 마그네트론 방전을 발생시켜서 성막을 실시하기 위한 스퍼터링 (sputtering) 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 자기저항 효과를 이용하여 자기기록을 재생하는 자기저항 헤드 소자의 제조에 적당한 스퍼터링 성막 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 자기저항 헤드 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 스퍼터링 장치로서는, 타겟의 배후에 영구자석을 설치하고, 이 영구자석에 의해 타겟의 전면에 자계를 형성하며, 타겟에 캐소드 전위를 투입하여 타겟의 전방에 마그네트론 방전을 발생시키고, 타겟의 스퍼터 입자를 상기 타겟에 대향하여 설치한 기판에 박막형태로 부착시키는 형식의 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 구성의 마그네트론 스퍼터링 장치는, 10^-2Pa 대의 진공중에서는 방전이 발생하지 않거나 또는 방전 불안정이 되어 성막을 실시할 수 없게 된다는 단점을 가지고 있어서, 이것을 해소하기 위해 타겟의 전방에 RF (radiofrequency) 유도방전용 코일을 설치하고 이 RF 유도방전용 코일로의 통전에 의해 생기는 방전을 마그네트론 방전과 중합시키는 형식의 마그네트론 스퍼터링 장치가 제안되어 오고 있다. 이러한 형식의 장치는 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치로 불리고 있다. 이 장치에서는, 스퍼터 전력으로서 직류 및 고주파 모두를 사용할 수 있다. 또한, 타겟의 배후에 자석을 설치한 형식의 마그네트론 캐소드에서는, 기판에 형성되는 막두께 분포의 균일성이 나빠진다. 예컨대, 기판 직경이 6 인치인 면내에서 3% 이하의 균일성을 얻기 위해서는 직경 12 인치의 캐소드를 설치해야만 한다. 그러므로, 기판에 다층의 막을 형성하기 위해 다수의 캐소드를 설치하는 경우에는, 성막 장치가 굉장히 커지게 되는 결점이 생긴다.

최근, 고밀도로 기록된 자기기록의 재생수단으로서 자기저항 헤드가 개발되고 있다. 이 자기저항 헤드는 강자성막과 비자성막을 순차적으로 적층하여 자기저항 효과를 얻는 것으로서, 재생출력이 기록 디스크의 주속 (peripheral speed) 에 의존하지 않고, 코일에 의한 공진 주파수의 제한이 없으며, 임피던스 노이즈를 저감할 수 있는 등의 이점을 가지고 있어서, 고밀도 자기기록의 재생수단으로서 적당하다. 이러한 자기저항 헤드의 종류와 구조는 여러 가지이다. 예컨대, 실드형의 자기저항 헤드로서는 도 1 에 도시한 막구성을 갖는 것이 알려져 있다. 이 도면에 있어서, 부호 a 는 AlTiC 등의 내마모성 및 저열팽창성의 기판, 부호 b 는 FeSiAl 등의 하부 실드층, 부호 c 는 Al₂O₃등의 하부 갭층, 부호 d 는 Co계 합금이나 Fe₃O₄ 등의 강자성체의 하드 바이어스층, 부호 e 는 NiFe계 합금이나 Co계 아모르포스 등의 강자성체의 SAL (Soft Adjacent Layer)층, 부호 f 는 Ta, Cu 등의 자기 분리층, 부호 g 는 NiFe 등의 MR 스트라이프 (강자성 박막), 부호 h 는 Cu, Au, W 등의 전극, 부호 i 는 Al₂O₃등의 상부 갭층, 부호 j 는 NiFe 등의 상부 실드층이다. 여기서, MR 스트라이프층 (g) 은 자기저항 효과에 의해 기록매체로부터의 신호 자계를 전압으로 변환하는 기능을 하고, 자기 분리층 (f) 은 MR 스트라이프층 (g) 과 SAL층 (e) 의 자기적 분리를 행하는 기능을 하며, SAL층 (e) 은 MR 스트라이프층 (g) 에 횡바이어스를 가하고, 하드 바이어스층 (d) 은 SAL층 (e) 을 자화시키기 위한 것이다.

또한, 기록매체에는 초고밀도로 자기기록하는 것이 바람직한데, 이 기록매체에 기록된 예컨대 1∼20 Gbit/in²또는 그 이상의 초고밀도의 자기기록을 양호하게 재생하기 위해, MR 스트라이프층 (g) 을 구성하는 강자성 박막을 자구 (magnetic domain) 가 하나인 단일 자구 구조로 하고, 이것에 Cu 등의 비자성 자기분리층, Co 의 자성층, FeMn 등의 반강자성층을 2∼3 층으로 적층하여 스핀 밸브 자기저항막으로 한 것이나, 단일 자구 구조의 MR 스트라이프층 (g) 에 Cu 의 자기분리층, Fe 의 자성층, Ni 의 반강자성층의 세트로 이루어지는 층을 교대로 적층하여, 예컨대 8회 적층하여, 자이언트 자기저항막과 같은 자성 다층막으로 하는 것이 제안되고 있다.

이러한 종류의 다층막의 성막에는 이온빔 스퍼터링 장치가 사용되고 있으나, 생산성이 나쁘다. 한편, 본 발명의 출원인은, 도 2 에 도시한 바와 같이, 플레이너 마그네트론 캐소드 (k) 의 상방에 RF 유도방전용 코일 (1) 을 설치한 구성이며 초고진공으로 스퍼터링을 행할 수 있는 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (헬리콘 스퍼터링 장치) 를 개발하였는데, 이 장치를 사용해도 자기저항 헤드의 다층막을 형성할 수 있다는 것이 실험으로 판명되었다.

상기의 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치는 성막실의 내부를 고진공의 클린 분위기로 하여 스퍼터링 성막을 행할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 타겟은 소모품이어서 교체가 필요한데, 이들의 교환을 위해 스퍼터링 장치를 빼내면 성막실 내부의 클린 분위기가 파괴되어 버린다. 이 성막실 내부의 진공압으로서 예컨대 10^-7Pa 대 이하의 초고진공이 요구되는 경우에는, 짧은 배기시간으로 클린 분위기를 얻기 위하여, 재사용시에는 스퍼터링 장치를 부착한 후에 성막실 내부를 베이킹 (baking) 할 필요가 있다. 그러나 이 스퍼터링 장치에서는, 베이킹 열 때문에 배킹 (backing) 플레이트에 접착되어 있는 타겟이 떨어지거나 또는 RF 코일이 손상을 입게되므로, 이러한 종류의 손상은 바람직하지 않으며 회피되어야 한다.

상기한 바와 같은 자성 다층막의 자기저항 헤드를 제작하기 위해서는, 막의 계면이 클린하고 0.4∼11 ㎚ 정도로 극히 얇은 자성막이나 자기 분리층을 다층으로 형성할 필요가 있다. 예컨대, 실리콘 기판상에 5.0 ㎚ 의 두께로 Fe 막을 형성하고, 그 위에 소정 두께의 Cu 자기 분리층과 1 ㎚ 두께의 NiFe 층을 번갈아 20회 적층하여 자성다층막 (자이언트 자기저항막) 을 형성하는 경우에는, 이 막의 자기저항치 (MR 비 : Magnetoresistance Ratio) 는 도 3 에 도시하는 바와 같이 10 Å 정도인 Cu 자기분리층의 두께 변화로 대폭 변해버린다. 그러므로, 자기분리층을 1 ㎚ 의 균일한 두께로 형성하는 것은 용이하지 않다. 도 3 의 2.1 ㎚ 부근의 제 2 차 피크에서의 MR 치는 낮지만 자계의 변화에 대한 감도가 좋기 때문에, 이 두께는 실용용으로 고려되고 있다. 평탄하며 계면이 클린한 2.1 ㎚ 의 Cu 막이나 10 ㎚ 정도의 자성막을 능률적으로 형성하기 위해서는, 0.1 ㎚ 이하의 정밀한 막두께 제어와 극히 클린한 분위기가 필요하다. 종래의 이온빔 스퍼터링 장치에서는 생산성이 나쁘고, 다른 한편으로 종래 유형의 마그네트론 스퍼터링 장치에서는 분위기 압력이 높고 성막 레이트가 너무 빠르기 때문에 제작이 어렵다. 또한, 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (헬리콘 스퍼터링 장치) 를 사용하여 이러한 종류의 다층막을 제작하는 양산 장치는 아직 구체적으로 개발되어 있지 않다. 그리고, 상기한 바와 같이, 종래 유형의 스퍼터링 장치에서는 막두께의 균일성이 나쁘고, 기판보다도 훨씬 큰 대형의 캐소드를 사용할 필요가 있어서, 결과적으로 성막실이 대형이 되며, 그 때문에 복수의 성막실을 설치하여 다층막을 성막하는 멀티-챔버 형식의 성막장치는 아주 대형이 되므로, 실제 제조라인에서는 채용되고 있지 않다.

또한, 자기저항 헤드는 직경이 5 인치 정도인 기판에 필요한 자성층을 형성한 후에 그 기판을 소정 치수로 커팅함으로써 다수개가 제작되는데, 자성층의 자화 방향이 각 기판에서 실질적으로 균일하지 않으면 MR 스트라이프층의 전기 저항치가 기판으로부터 기판으로 일정하지 않게 되어, 균질한 자기저항 헤드를 얻을 수 없다.

본 발명의 일 목적은, 베이킹을 견딜 수 있고, 또한 스퍼터 입자 (sputtered particles) 의 방향성이 균일하며, 초고진공중에서의 사용에 적합하고, 1 ㎛ 이하의 극미세부에도 성막이 가능한 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 상기 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여, 십여 ㎚ 이하의 극히 얇고 평탄한 막을 다층으로 형성할 수 있고, 0.1 ㎚ 정도의 막두께 제어가 가능하며, 막의 계면이 클린한 자기저항 헤드용 다층막을 능률적으로 형성할 수 있는 비교적 소형인 스퍼터링 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 또다른 목적은, 상기 장치를 사용하여, 소자가 평탄하고 극히 얇은 십여 ㎚ 이하의 막에 교대로 형성되고 또한 각 층의 계면이 클린하도록 자기저항 헤드용 소자를 능률적으로 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1 은 자기저항 헤드용 막구성을 설명하는 개략도;

도 2 는 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치의 요부 단면도;

도 3 은 자성 다층막의 자기저항치를 나타내는 선도;

도 4 는 본 발명의 실시형태를 나타내는 단면도;

도 5 는 도 4 의 2-2선 부분의 평면도;

도 6 은 본 발명에 따른 스퍼터링 성막 장치의 실시형태를 나타내는 개략 사시도;

도 7 은 도 6 의 평면도;

도 8 은 본 발명에서 사용한 전자 사이클로트론 공명형 이온원의 요부 확대 단면도;

도 9 는 도 6 의 진공 성막실의 측단면도;

도 10 은 도 9 의 8-8 선을 따른 단면도;

도 11 은 도 9 의 11-11 선을 따른 단면도;

도 12 는 도 9 의 12-12 선을 따른 단면도;

도 13 은 도 9 의 13-13 선을 따른 확대도;

도 14 는 반송아암 요부의 확대 사시도;

도 15a 및 15b 는 반송아암에 기판이 위치가 어긋나서 놓여진 상태를 설명하는 도면;

도 16a 및 16b 는 도 15a 및 15b 의 기판의 위치가 어긋난 것이 수정된 상태를 설명하는 도면; 및

도 17 은 본 발명의 장치에 의해 제작된 자기저항 헤드의 다층막의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 타겟 3a,3b : 영구자석

4 : RF 유도방전용 코일 12 : 냉각수의 순환통로

13 : 스퍼터 입자 방출용 개구 14 : 금속제 커버

21 : 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치

22 : 로드 로크실 23 : 기판

24 : 전처리실 25 : 에칭 장치

26 : 진공 성막실 27 : 반송실

29,31,33,37 : 터보 분자 펌프 30,32,35,38 : 배기계

36 : 트랩 54 : 셔터

55 : 턴 테이블 59 : 투공

본 발명에서는, 타겟의 전방에 마그네트론 방전용 자계를 형성하는 영구자석으로서 상기 타겟의 배후에 설치된 영구자석과, 상기 타겟의 전방에 설치된 RF 유도방전용 코일을 포함하는 스퍼터링 장치에 있어서, 냉각수의 순환통로를 구비한 용기형태의 진공 캐소드 케이스 내부에 상기 영구자석이 수용되고, 상기 캐소드 케이스 및 RF 유도방전용 코일의 주위가 스퍼터 입자 방출용 개구를 갖는 금속제 커버로 덮힌 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치로써 상기 목적들을 달성케 하였다.

상기 스퍼터링 장치는 상기 캐소드 케이스 내부에 영구자석을 수용하는 공간을 밀폐하기 위한 배킹 플레이트를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은, 기판을 대기중과의 사이에서 출입하는 대기압과 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로의 변경이 자유로운 로드 로크실 (load lock chamber) 과, 상기 로드 로크실에 기밀한 기판 반송로를 통하여 접속되는 전처리실로서, 내부에 반입된 기판을 클리닝하는 에칭 장치를 구비하고 있으며 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 배기되는 전처리실과, 상기 전처리실 및 로드 로크실에 기밀한 기판 반송로를 통하여 접속되는 진공 성막실로서, 내부에 반입된 기판에 다층의 성막을 실시하는 복수대의 스퍼터링 장치를 구비하고 있으며 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기되는 진공 성막실과, 상기 각 스퍼터링 장치의 전방에 설치된 셔터를 포함하는 스퍼터링 성막 장치로서, 상기 각 스퍼터링 장치는 타겟의 배면에 설치된 자석과 상기 타겟상에 설치된 RF 유도방전용 코일을 구비한 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치로 구성되고, 상기 진공 성막실은 상기 기판의 표면에 균일한 방향의 자장을 부여하는 영구자석과, 상기 기판을 각 타겟과 대향하는 위치에 순차로 이동시키는 턴 테이블 (turn table) 을 내장한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치에 의해 달성된다.

이러한 목적은, 상기 에칭 장치는 이온원을 구비한 전자 사이클로트론 공명형 이온빔 에칭 장치로 하고, 또한 상기 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치는, 상기 타겟의 스퍼터링 면과 대향하는 위치에 투공을 갖고 또한 상기 타겟 및 상기 RF 유도방전용 코일의 외측면을 덮는 금속제 커버를 포함하며, 또한 상기 진공 성막실의 하방에는 상기 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치가 서로 간격을 두어 배치되고, 상기 진공 성막실의 상방에는 상기 턴 테이블이 배치되며, 상기 간격에는 경계벽이 설치되고, 또한 상기 진공 성막실의 배기계는 극저온의 트랩 (trap) 을 통하여 터보 분자 펌프를 포함하며, 또한 상기 기판을 상기 전처리실로부터 상기 진공 성막실로 반송하기 전에 상기 전처리실을 10^-7Pa 보다도 낮은 진공압까지 재배기하여, 가스가 상기 전처리실로부터 진공 성막실까지 유출하지 않는 상태로 하여 상기 기판을 반송하는 구성에 의해 한층 더 적절히 달성될 수 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 자기저항 헤드용 기판상에 극히 얇은 비자성층과 자성층을 교대로 다수층 형성하여 자기저항 헤드용 소자를 제조하는 방법에 있어서, 고진공의 로드 로크실과, 에칭 장치를 내장한 고진공의 전처리실과, 비자성체 타겟 또는 자성체의 타겟을 갖고 또한 타겟에 RF 유도방전용 코일을 갖는 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치를 복수대 구비함과 동시에 스퍼터 입자의 비산을 방지하는 셔터를 구비한 초고진공의 진공 성막실을 준비하는 단계와 ; 외부로부터 상기 로드 로크실로 반입한 기판을 고진공하에서 상기 전처리실 및 진공 성막실로 순차로 반송하여, 상기 전처리실에서 상기 에칭 장치에 의해 기판의 클리닝을 실시하는 단계와 ; 및, 상기 진공 성막실내에서 각 스퍼터링 장치에 대향하는 위치로 상기 기판을 이동시켜, 상기 셔터의 개폐에 의해 극히 얇고 평탄한 비자성층과 자성층을 각 스퍼터링 장치에서 기판에 교대로 다수층 형성하는 단계들을 포함하는 자기저항 헤드 소자의 제조방법에 의해 달성된다.

이러한 목적은, 상기 로드 로크실 및 전처리실을 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 각각 배기하고, 상기 기판을 10^-7Pa 대 이하의 초고진공중에 반송하며, 상기 진공 성막실을 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기하고, 또한 상기 진공 성막실 내에서 자성체의 타겟을 구비한 상기 스퍼터링 장치들중의 하나에 의해 상기 기판에 스퍼터링할 때, 상기 기판의 성막면에 일정방향의 자계를 걸어서, 일정방향으로 자화된 자성층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 또한 상기 진공 성막실 내에서 상기 기판으로의 스퍼터링 성막중에 스퍼터링 가스를 계속 흘려보내는 것을 특징으로 하는 자기저항 헤드 소자의 제조 방법에 의해 한층 더 적절하게 달성할 수 있다.

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명하면, 도 4 및 도 5 에 있어서, 부호 1 은 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (21) 를 구성하는 배킹 플레이트 (2) 에 접착된 타겟을 나타낸다. 부호 3a, 3b 는 상기 타겟 (1) 의 배후에 설치된 영구자석을 나타낸다 (배후 라는 용어는 도 4 와 같은 위치관계를 말하는 것이다). 부호 4 는 상기 타겟 (1) 의 전방에 설치된 원호상의 RF 유도방전용 코일을 나타낸다 (전방 이라는 용어는 도 4 와 같은 위치관계를 말하는 것이다). 상기 영구자석 (3a, 3b) 은 플랜지 (5) 에 부착된 원통형 전극유지통 (6) 에 캐소드 케이스 (7) 를 통하여 부착된다. 이 플랜지 (5) 에는 전극유지통 (6) 의 외주를 덮는 금속제 외통 (8) 을 부착하고, 이 금속제 외통 (8) 의 선단부에는 타겟 (1) 의 면적보다도 다소 큰 개구 (9) 를 갖는 어스 실드 (earth shield : 10)를 부착하였다. 상기 RF 유도방전용 코일 (4) 의 양단은 외통 (8) 을 따라서 설치한 2 개의 급전 (power supply) 로드 (11, 11) 에 의해 지지된다. 상기 타겟 (1), 배킹 플레이트 (2), 영구자석 (3a, 3b), 및 캐소드 케이스 (7) 는 캐소드 (20) 를 구성한다. 이 캐소드 (20) 에 직류 혹은 RF 전력이 투입되면, 캐소드 (20) 와 적당한 애노드와의 사이에서 방전이 발생한다.

이상의 구성은 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 구성과 거의 동일하다. 즉, 캐소드 (20) 로의 통전에 의해, 영구자석 (3a, 3b) 의 자계에 구속된 마그네트론 방전이 발생한다. 이러한 방전은 초고진공중에서는 불안정해지는 등의 단점이 있으므로, RF 유도방전용 코일 (4) 에도 통전하여 이것에 방전을 생기게 한다. 이 유도방전이 마그네트론 방전과 결합함으로써, 초고진공중에서도 안정한 방전이 유지될 수 있다. 그러나, 이상의 구성에서는, 베이킹시에 상기 RF 유도방전용 코일 (4) 이 손상되는 등의 단점이 생긴다. 그러므로, 본 발명의 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (21) 에서는, 캐소드 케이스 (7) 내부에 냉각수의 순환통로 (12) 를 설치하고, 영구자석 (3a, 3b) 을 캐소드 케이스 (7) 내부를 배기한 상태로, 즉 진공상태로 캐소드 케이스 (7) 내에 밀폐하여 수용하며, RF 유도방전용 코일 (4) 및 캐소드 전극의 주위를 스퍼터 입자 방출용 개구 (13) 를 갖는 내면처리한 금속제 커버 (14) 로 덮는 구성을 채용하였다.

도시한 예에서, 냉각수 순환통로 (12) 는 캐소드 케이스 (7) 내부의 중간에 설치한 구획벽 (15) 을 환형으로 움푹 패이게 하여 이 패인 부분에 커버 (16) 를 덮음으로써 형성한다. 상기 금속제 커버 (14) 는 내면을 거울면과 같이 처리한 스테인레스강으로 제작한다. 스퍼터 입자 방출 개구 (13) 는 타겟 (1) 의 직경보다도 다소 큰 직경의 원형 개구를 형성하여 제작한다. 외통 (8) 의 선단부에는 커버 (14) 를 부착한다. 냉각수는 커버 (16) 에 접속한 파이프 (17, 17) 를 통하여 급수되고 배수된다. 부호 19 는 요크 (yoke) 이다.

상기 스퍼터링 장치 (21) 는 진공배기된 성막실 (18) 내에 설치된다. 상기한 바와 같이 캐소드 (20) 및 RF 유도방전용 코일 (4) 에의 통전에 의해 스퍼터링 성막을 행한다. 작동시간의 경과와 함께 타겟 (1) 이 소모되므로, 성막실 (18) 내를 일단 대기압으로 돌리고, 스퍼터링 장치 전체를 성막실 (18) 밖으로 빼내어 소모 타겟 (1) 을 새로운 것으로 교환한다. 그 후, 스퍼터링 장치를 성막실 (18) 내로 다시 넣어 재차 스퍼터링 성막을 행한다. 성막실 (18) 내를 초고진공으로 하려는 요망이 있는 경우에는, 스퍼터링 장치 및 성막실을 베이킹할 필요가 있다. 그러나, 이 때의 베이킹 열은 금속제 커버 (14) 에 의해 차단됨과 동시에 순환통로 (12) 에 순환시킨 냉각수에 의해 냉각되므로, 타겟 (1) 이나 RF 유도방전용 코일 (4) 이 베이킹 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수가 있다. 또한, 영구자석 (3a, 3b) 이 진공의 캐소드 케이스 (7) 내에 설치되어 있기 때문에 열에 의한 손상을 받지 않고, 자석으로부터의 방출 가스가 성막실 (18) 로 새어나가는 일도 없다.

도 6 및 도 7 은 상기 스퍼터링 장치 (21) 를 사용하여 자기저항 헤드 소자의 제조에 적용할 수 있도록 구성한 스퍼터링 성막 장치의 개략도이다. 이 스퍼터링 성막 장치는 열산화막이 있는 실리콘 웨이퍼나 AlTiC 등의 형태인 다수매의 기판 (23) 을 외부 대기중과의 사이에서 출입하는 기밀한 로드 로크실 (22) 과, 그 기판 (23) 에의 클리닝을 행하는 에칭 장치 (25) 를 구비한 전처리실 (24) 과, 복수대의 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (21) 를 구비하여 기판 (23) 에 다층의 성막을 실시하며 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기되는 진공 성막실 (26) 을 포함하고 있다 (여기서, 이하 라는 말은 10^-8Pa 쪽으로의 진공을 말한다). 도시된 예에서는, 4개의 진공 성막실 (26) 을 설치하였다 (이하의 설명에서는, 서로간의 구별이 필요한 경우에 26a, 26b, 26c, 및 26d 로 표시하기는 하지만, 이들 부호는 도면에 없다). 이들 진공 성막실 (26) 은 고진공으로 배기되는 반송실 (27) 의 주위에 배치되고, 또한 기판 반송로 및 반송실 (27) 을 통하여, 기판을 반송하도록 서로 연통된다.

로드 로크실 (22) 은 크라이오 펌프 (cryo pump) 또는 터보 분자 펌프 (29) 를 구비한 배기계 (30) 에 의해 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 배기된다. 이 로드 로크실 (22) 에 이어지는 반송실 (27) 은 티탄 게터 (titan getter) 와 이온 펌프의 조합으로 이루어지는 배기계 혹은 터보 분자 펌프 (31) 를 구비한 배기계 (32) 에 의해 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기된다. 또한, 전처리실 (24) 은 터보 분자 펌프 (33) 와 크라이오 펌프 (34) 를 구비한 배기계 (35) 에 의해 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 배기된다. 각 진공 성막실 (26) 은 액체 헬륨에 의해 극저온으로 냉각된 트랩 (36) 을 통해 터보 분자 펌프 (37) 로 배기하는 배기계 (38) 에 의해 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 신속히 배기된다.

로드 로크실 (22) 에는, 승강 테이블 (40) 에 의해 승강이 자유롭도록 카세트 케이스 (39) 가 설치된다. 이 카세트 케이스 (39) 는 기판 (23) 이 올려놓여지는 다단의 트레이를 구비하고 있다. 각 기판 (23) 은 반송실 (27) 로부터 카세트 케이스 (39) 의 트레이들간의 공간으로 신장하는 반송아암 (41) 에 올려져서 전처리실 (24) 에 혹은 진공 성막실 (26) 들중의 하나에 반송된다. 진공 성막실 (26) 에서 성막이 완료한 기판 (23) 은 반송아암 (41) 에 의해 로드 로크실 (22) 내의 카세트 케이스 (39) 로 복귀된다. 도시한 반송아암 (41) 에는 프로그-레그 타입 (frog-leg type) 의 아암을 사용하였지만, 자기부상형 등의 로봇 반송장치를 사용하는 것도 가능하다.

전처리실 (24) 에는, 8 인치 정도의 비교적 큰 구경인 전자 사이클로트론 공명형 이온원 (42), 또는 카우프먼형 (Kaufman type) 이온원, 또는 RF형 이온원 등과 같이 직진성이 비교적 양호한 이온원을 구비한 이온빔 에칭 장치 (25) 를 설치한다. 반송실 (27) 로부터 반입되어 이온빔 에칭 장치 (25) 와 대향하는 적당한 위치에 유지장치 (도시되지 않음) 에 의해 유지된 기판 (23) 에 이온빔을 조사하여, 성막면의 클리닝을 행한다. 전자 사이클로트론 공명형 이온원 (42) 은 도 8 과 같은 종래 구조의 것이다. 이 구조에서는, 주위의 전자석 (43) 에 의해 전자 사이클로트론 공명 자장이 형성된 방전실 (44) 에 마이크로파 도입관 (45) 을 통해 마이크로파를 도입하고, 가스 도입관 (46) 으로부터 방전실 (44) 로 도입한 예컨대 Ar 및 O₂의 혼합가스를 방전시켜, 이에 의해 생기는 이온을 인출전극 (47) 에 의해 빼내며, 대향위치의 기판 (23) 에 이온 에칭에 의한 클리닝 및 필요한 미세가공을 실시한다. 혼합가스 대신에 Ar 가스만 혹은 다른 희가스를 방전실 (44) 에 도입해도 된다.

각 진공 성막실 (26) 의 상세한 구성은 도 9 내지 도 12 에 도시하는 바와 같다. 하방이 경계벽 (48) 에 의해 4 개의 단면으로 구획된 거의 원형인 진공 성막실 (26) 의 측면에는 Ar 스퍼터링 가스를 도입하는 가스 도입구 (49) 와 배기구 (50) 를 설치한다. 이 배기구 (50) 에 15K 정도의 상기 극저온 트랩 (36) 을 구비한 배기계 (38) 를 접속한다. 진공 성막실 (26) 의 경계벽 (48) 에 의한 구획부 하면에는, 스퍼터링 면을 위로 향하게 한 4기의 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (21)를 벨로우즈 (51)를 구비한 상하이동 장치 (52) 에 의해 승강이 자유롭도록 서로 같은 간격으로 설치한다. 각 스퍼터링 장치 (21) 의 스퍼터링 면의 상방에는, 4 매의 기판을 올려 놓고서 상하이동 및 선회를 할 수 있는 원반형의 턴 테이블 (55) 이 설치된다. 이 턴 테이블 (55) 은 벨로우즈 (51)를 구비한 상하이동 장치 (52) 에 의해 승강이 가능하다. 각 스퍼터링 장치 (21) 의 전방에는, 즉 스퍼터링 장치 (21) 와 턴 테이블 (55) 간에는 셔터 (54)를 설치한다 (전방 이라는 말은 도 9 에 도시된 바와 같은 위치관계를 나타낸다). 이 셔터 (54) 는 회전축 (53) 에 의한 회전을 통해 개폐된다. 또한, 몇 개의 스퍼터링 장치 (21) 상방에는 그곳에 위치하는 기판 (23) 에의 성막중에 일정방향의 자장을 주기 위한 영구자석 (56, 57) 을 승강장치 (58) 에 의해 승강이 자유롭도록 설치한다. 상기 셔터 (54) 도 상하이동 장치 (52) 에 의해 승강되는 회전축 (53) 에 의해 승강이 가능하다.

각 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (21) 는 상기의 구성을 갖는다. 캐소드 (20) 에 급전 로드 (11) 를 통하여 직류 혹은 고주파 전류를 투입하고 RF 유도방전용 코일 (4) 에 RF 전류를 투입하면, 타겟 (1) 의 전면에 자석 (3) (3a,3b) 의 자계에 의해 구속된 플라즈마가 발생하여, 이 플라즈마중의 이온이 타겟 (1) 을 스퍼터링한다. 스퍼터 입자 (sputtered particles) 는 RF 유도방전용 코일 (4) 의 전계에 의해 이온화되어, 타겟 (1) 에 대향하는 위치의 턴 테이블 (55) 상의 기판 (23) 을 향해 비상하게 되고, 이로써 기판 (23) 의 표면에는 박막이 형성된다. 캐소드 (20) 의 인접 타겟 (1) 의 종류를 서로 다르게 하면, 하나의 기판 (23) 이 각 캐소드 (20) 상의 위치에 순회할때, 상기 기판 (23) 상에 다른 재료의 4층 막을 형성할 수 있다. 타겟 (1) 의 직경은 기판 (23) 의 직경보다도 작은 것이 사용된다.

턴 테이블 (55) 은, 도 11 및 도 13 에 도시한 바와 같이, 예컨대 4 매의 기판 (23) 을 올려놓기 위해 가장자리로부터 잘라낸 거의 원형의 투공 (59)을 4 개 구비한 테이블로 구성된다. 각 투공 (59) 의 주위에는, 기판 (23) 을 안정하게 올려놓기 위한 단부 (60 : stepped portion) 를 형성한다. 진공 성막실 (26) 을 통하여 외부로 도출한 턴 테이블 (55) 의 승강회전축 (61)은 진공 성막실 (26) 외부의 승강장치 (62) 와 회전장치 (63) 에 의해 상하이동과 선회가 가능하도록 설치하였다. 턴 테이블 (55) 의 상하이동은 반송실 (27) 의 반송아암 (41) 과 턴 테이블 (55) 의 사이에서 기판 (23) 을 주고받기 위해 행해지는 것이다. 반송아암 (41) 으로부터 기판 (23) 을 받을 때에, 턴 테이블 (55) 은 미리 하강위치에 대기한 후에 상승하여 기판 (23) 을 받게 되며, 반송아암 (41) 은 퇴거한다. 상기의 역작동에 의해, 턴 테이블 (55) 상의 기판 (23) 이 반송아암 (41) 에 전해진다.

턴 테이블 (55) 상의 기판 (23) 에 자성체인 타겟 (1) 에 의해 자성막을 성막할때는, 성막중에 기판 (23) 의 성막면과 반대측에 1 쌍의 길쭉한 영구자석 (56, 57) 을 위치시켜서, 상기 성막면에 예컨대 100 에르스텟 (oersted : Oe) 의 균일한 강도의 일정방향의 자계를 준다. 성막된 자성막에는 자기저항 헤드로서의 자기저항 효과를 얻기 위한 일정의 자화방향을 부여하도록 하였다. 영구자석 (56, 57) 은 판형의 홀더 (64) 에 부착되어, 턴 테이블 (55) 의 승강을 방해하지 않도록, 외부의 승강장치 (58) 에 의해 승강되는 승강축 (65) 에 의해 승강된다. 자기저항 헤드의 기판 (23) 에 복수의 자성층을 형성하는 경우에는, 영구자석 (56, 57) 을 설치한 상기 홀더 (64) 를 자성층을 성막하는 각 캐소드 (20) 에 대향시켜 설치한다. 각 자성층의 자화방향을 균일하게 하기 위해, 기판 (23) 에 대해 일정 위치관계로 영구자석 (56, 57) 이 위치하도록 하였다. 또한, 기판 (23) 의 가장자리 일부에는, 도 15a 및 도 15b 에 도시된 바와 같이, 직선으로 커팅된 오리엔테이션 플랫 (66) 이 형성된다. 턴 테이블 (55) 의 투공 (59) 에 대해 기판 (23) 을 일정방향으로 올려놓기 위해, 도 14 에 도시된 바와 같이, 반송아암 (41) 의 선단부에 상기 오리엔테이션 플랫 (66) 면을 따르는 직선상의 계지연 (67 : engaging edge) 과, 기판 (23) 의 최단경에 상당하는 길이의 나이프-형상 평탄면 (68) 과, 반송아암 (41) 의 근부측에 기판의 원호를 따르는 원호상의 계지연 (69) 을 형성하고, 상기 계지연 (67) 의 정상부로부터 상기 평탄면 (68) 에 이어지는 하향 경사면 (70) 을 형성하였다. 이러한 구성에 따르면, 기판 (23) 을 반송아암 (41) 에 올릴 때, 기판 (23) 의 끝가장자리가 경사면 (70) 을 따라 미끄러져 오리엔테이션 플랫 (66) 이 계지연 (67) 을 따르게 되어, 결과적으로 기판 (23) 의 각도방향이 반송아암 (41) 상에서 일정방향으로 설정된다. 따라서, 턴 테이블 (55) 상에는 일정방향으로 설정하여 기판 (23) 을 반송아암 (41) 으로부터 올려놓을 수가 있고, 자성층을 형성할때의 영구자석 (56, 57) 의 위치를 일정하게 한다면 다수 매의 기판 (23) 에 자화방향이 맞는 자성층을 형성할 수가 있으므로, 성막을 마치고 기판 (23) 을 동일하게 커팅함으로써 자화방향이 맞는 균일한 자기저항 헤드를 다수 제작할 수 있다.

이상과 같이 구성된 상기 장치에 의해, 예컨대 열산화막이 있는 직경 6 인치의 실리콘 웨이퍼의 기판 (23) 에 자기저항 헤드용의 도 17 과 같은 막구성의 성막을 행하는 경우의 작동을 설명하면 다음과 같다. 이 막의 상부 구성은 두께 20.9 Å 인 Cu 와 18 Å 인 NiFe (퍼멀로이) 의 세트를 8 회 적층한 것이다.

16 매의 기판 (23) 을 수용한 카세트 케이스를 로드 로크실 (22) 에 넣어 그 로드 로크실 (22) 내를 배기계 (30) 에 의해 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 배기함과 동시에, 반송실 (27) 을 배기계 (32) 에 의해 10^-7Pa 대의 초고진공으로 배기하고, 전처리실 (24) 을 배기계 (35) 에 의해 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 배기한다. 이렇게 함으로써, 기판 (23) 에 부착한 수분이나 가스성분이 배제된다. 이어서, 로드 로크실 (22) 의 게이트 밸브를 열고, 반송실 (27) 내의 반송장치의 반송아암 (41) 을 상기 로드 로크실 (22) 에 진입시켜 카세트 케이스로부터 1 매의 기판 (23) 을 꺼내고, 전처리실 (24) 의 게이트 밸브를 열어서 전처리실 (24) 내부의 유지장치 (도시되지 않음) 상에 기판 (23)을 놓는다. 이후, 전처리실 (24) 을 밀폐하고 3% (vol) 의 산소가스를 혼입한 Ar 가스를 전처리실 (24) 에 도입하여 전처리실 (24) 의 압력을 예컨대 10^-2Pa 대 정도로 조정한 후에 300 V 의 가속전압을 부여하여 이온빔 에칭 장치 (25) 를 작동시키고, 기판 (23) 하면의 성막면을 에칭하여 클리닝하고, 필요한 경우, 도전부 등을 0.3 ㎛ 정도의 폭으로 에칭한다. 이 예에서의 에칭시간은 30 분이고, 에칭 레이트는 100 Å/min 이며, 동일성은 ± 5% 이다. 이 전처리에 의해, 기판 (23) 의 성막면이 완전히 클리닝된다. 또한, 전처리실 (24) 에의 도입 가스는 Ar 가스만이여도 되고 또는 다른 희가스라도 된다.

전처리가 끝나면, 전처리실 (24)을 10^-7Pa 대까지 재배기하고 게이트 밸브를 열어 반송아암 (41) 에 의해 기판 (23) 을 꺼내고, 배기계 (38) 에 의해 미리 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기해둔 하나의 진공 성막실 (26a) 에 게이트 밸브를 열어서 기판 (23)을 반입한다. 이때, 고진공의 반송실 (27) 을 통하여 기판 (23) 을 더럽히지 않도록 반입한다. 전처리-완료된 기판 (23) 은 하강위치에 있는 턴 테이블 (55) 의 상방으로 반입되고, 턴 테이블 (55) 의 상승으로 턴 테이블 (55) 은 기판 (23) 을 반송아암 (41) 으로부터 받는다.

이상의 작동을 합계 2 회 반복한다. 턴 테이블 (55) 상에서 180°선회한 위치로 2 매의 전처리-완료된 기판 (23) 이 올라가면 진공 성막실 (26a) 의 게이트 밸브가 닫히며, 이후, 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치 (21) 의 타겟 (1)과 기판 (23) 간의 간격을 조정하기 위해 턴 테이블 (55) 이 승강한다. 진공 성막실 (26a) 에서는 4 기의 스퍼터링 장치 (21) 에 예컨대 파이브-나인 (99.999%) 의 Fe 타겟 (1) 과 Ni₈₁Fe₁₉(wt%) 의 타겟 (1) 을 교대로 배치하여 준비해둔다. 진공 성막실 (26a) 에 Ar 가스를 도입하여 10^-2Pa 대로 압력을 조정하고, 각 스퍼터링 장치를 작동시킨다. 각 기판 (23) 이 스퍼터링 장치 (21) 의 타겟으로부터 예컨대 150 ㎜ 상방에 위치하고 또한 각 기판 (23) 의 배후에 영구자석 (56, 57) 이 소정 위치에 위치하면, 각 셔터 (54) 를 열어서 막두께 모니터에 의해 막두께를 감시하면서 Fe 막을 성막한다. 스퍼터링 레이트는 0.2∼0.8 Å/sec 로 극히 작다. 100 Å의 소정 막두께가 되었을 때, 각 셔터를 닫고 턴 테이블 (55) 을 90°선회하여 NiFe 타겟의 다음의 스퍼터링 장치 상방에 각 기판을 위치시키고, 그 기판의 배후에 다른 영구자석 (56, 57) 을 배치시켜서 100 Å의 소정 두께로 NiFe 막의 성막을 행한다. 이 경우, 스퍼터링 장치 (21) 의 캐소드 (20) 에 예컨대 60 W 의 직류를 투입함과 동시에 RF 유도방전용 코일 (4) 에 70 W 의 RF 전력을 투입함으로써, 10^-2Pa 대에서도 각 타겟 (1) 의 전면에 마그네트론 방전이 가능한 고밀도 플라즈마가 형성되고, 극히 작은 스퍼터링 레이트로 스퍼터링된 스퍼터 입자의 대부분이 상기 RF 유도방전용 코일 (4) 에 의해 이온화되어 기판 (23) 으로 입사하여, 얇고 평탄한 막 또는 층이 형성된다.

이렇게 자화방향이 맞는 하층의 2 막이 형성되면, 이들 기판 (23) 을 미리 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기해둔 다음의 진공 성막실 (26b) 에 반송아암 (41) 에 의해 반입하고, 상기 진공 성막실 (26a) 의 경우와 동일하게 기판 (23) 의 주고받음을 행하여 턴 테이블 (55) 상의 180°떨어진 위치에 기판 (23) 을 올린다. 상기 진공 성막실 (26b) 의 4 기의 스퍼터링 장치에는 Cu 타겟 및 Fe 타겟이 교대로 준비된다. 먼저, Cu 타겟의 각 스퍼터링 장치상에 각 기판 (23) 을 각각 위치시켜, 셔터 (54) 의 개폐를 제어하여 전술한 스퍼터링 레이트로 20.9Å 두께로 Cu 막을 각 기판 (23) 에 형성한다. 하나의 진공 성막실내에 4 기의 스퍼터링 장치 (21) 를 배치함으로써, 막을 성막할때의 시간차를 최소화할 수 있다. 막의 표면상태를 액티브한 상태로 유지하면서 스퍼터링을 행하기 위해서는, 동일 진공 성막실에 4 기 이상의 스퍼터링 장치를 배치하는 것이 유리하다. 이어서, 각 기판 (23)을 턴 테이블 (55) 의 90°선회에 의해 NiFe 타겟의 스퍼터링 장치상에 위치시킴과 동시에, 각 기판 (23) 의 배후에 상기 하층의 2 막과 같은 방향의 자화방향을 부여하도록 영구자석 (56, 57)을 위치시키고, 막두께를 감시하면서 셔터를 제어하여 상기 스퍼터링 레이트로 Cu 막에 18Å 두께의 NiFe 막을 형성한다. 턴 테이블 (55) 을 선회시켜서, Cu 막 및 NiFe 막의 성막을 8 회 반복한다. 이렇게 함으로써, 자화방향이 맞는 자기저항 헤드용 자기다층막을 갖는 기판을 얻을 수 있다. 이 기판은 반송아암 (41) 에 의해 로드 로크실 (22) 의 카세트 케이스에 복귀된다. 필요하다면, 기판 (23) 을 반송아암 (41) 에 의해 다시 다른 진공 성막실 (26d) 로 옮겨 보호막을 형성한 후에 로드 로크실 (22) 로 복귀시킬 수 있다. 각 진공 성막실 (26) 의 배기계 (38) 에는 15 K 정도의 극저온 트랩 (36) 이 설치되어 있다. 약간의 물분자도 진공 성막실 (26) 로부터 확실히 배제되어 클린 초고진공을 얻을 수 있으며, 계면이 깨끗한 막 또는 층을 형성할 수 있다. 또한, 자이언트 자기저항 (GMR) 소자를 제작함에 있어서, 클린 가스를 각 초고진공실에 제공하는 것이 중요하다. 본 장치에서는, 가스 순화 및 필터는 물론이고 가스배관이나 밸브 등의 부품에 이르기까지 공지의 부동태 처리나 Ni 도금처리 등의 내면처리를 하고, 배관을 둥글게 말아서 각부 (角部) 가 생기지 않게 하였으며, 벤트-앤드-런 (vent-and-run) 방식으로 스퍼터링시 이외에도 스퍼터링 가스를 오버플로우 (또는 벤트) 라인으로 흘려보내는 것을 행하였다.

이상은 설명의 간단화를 위해 2 매 단위로 기판에 성막하는 작동을 설명한 것인데, 진공 성막실 (26b) 에서의 성막중에, 로드 로크실 (22) 로부터 꺼낸 다음의 기판에 전처리실 (24) 에서 전처리를 행하고 이 기판을 진공 성막실 (26a) 로 옮겨와서 그곳에서의 성막후에 다른 진공 성막실 (26c) 에서 Cu 막 및 NiFe 막의 세트를 8회 성막하면, 로드 로크실 (22) 로 운반된 기판 (23) 에 자성 다층막을 구비한 스핀 밸브 MR 의 자기저항 헤드용 성막을 신속하게 행할 수 있고, 상기 Cu 막 및 NiFe 막의 세트를 30 회 성막하여 자이언트 MR 의 자기저항 헤드용 성막을 행할 수 있다.

턴 테이블 (55) 상에서의 기판 위치에 관해서는, 반송아암 (41) 에 설치한 계지연 (67) 과 하향 경사면 (69) 에 의해 반송아암 (41) 에 올렸을때 기판의 방향이 정확히 결정된다. 그러므로, 턴 테이블 (55) 상에서의 기판의 방향도 일정하여, 각 기판에 일정 자화방향의 자성층을 형성할 수 있다. 또한, 자성 다층막 및 보호막의 형성을 마친 기판은 자화방향을 맞추어 MR 소자로서 기능하는 다이스 (dies) 형상으로 커팅되고나서 실드형 혹은 요크형의 자기저항 헤드로 조립된다.

실시예

열산화막이 있는 실리콘 웨이퍼로 제작된 자기저항 헤드용의 6 인치 직경의 16 매의 기판 (23) 을 카세트 케이스에 올려서 로드 로크실 (22) 에 넣고, 이 로드 로크실 (22), 반송실 (27), 전처리실 (24), 및 진공 성막실 (26) 을 각각 10^-6Pa 대, 10^-7Pa 대, 10^-6Pa 대, 및 10^-7Pa 대로 배기하고, 반송아암 (41) 에 의해 먼저 1 매의 기판을 진공인 반송실 (27) 을 통하여 전처리실 (24) 에 반입하였다. 전처리실 (24) 에 3% (vol) 의 산소가스를 혼입한 Ar 가스를 도입하여 1.3 × 10^-2Pa 로 압력을 조정하고, ECR 에칭 장치 (25) 에 300 V 의 가속전압을 주어 50 Å/min 의 에칭 레이트로 ± 5% 의 동일성 에칭을 실시하였다. 이어서, 10^-7Pa 대로 배기한 진공 성막실 (26a) 에 상기 기판 (23)을 반입하였다. 상기 작업을 반복하여 진공 성막실 (26a) 의 턴 테이블 (55) 에 2 매의 기판이 실리면, 진공 성막실 (26a) 에 Ar 가스를 도입하여 압력을 7 × 10^-2Pa 로 조정하였다. 그리고 나서, Fe 타겟 및 NiFe 타겟을 각각 설치한 2 기의 캐소드 (20) 에 60 W 의 직류를 가하고, RF 유도방전용 코일 (4) 에 70 W 의 고주파 전력을 투입하여, 영구자석 (56, 57) 에 의해 기판 (23) 의 성막면에 100 에르스텟의 자계를 부여하면서 0.1∼0.8 Å/sec 의 스퍼터링 레이트로 100 Å 의 Fe 막 및 NiFe 막을 순차적으로 성막하였다. 이것은 셔터의 개폐속도가 기계적으로 수백 밀리초∼1 초이기 때문에, 스퍼터링 레이트가 0.1 Å/sec 일때는 1 초에 0.1 Å 의 막두께를 제어할 수 있기 때문이다. 예컨대, Si 원자 1 층의 막두께가 3 Å 인 사실에 비하면, 이 예에서는 0.1 모노-레이어 (0.1 층) 이하의 제어를 행하는 것을 가능케 하고 있다. 이들 2 매의 기판을 다시 Cu 타겟 및 NiFe 타겟을 2 기씩 설치한 상기 진공 성막실 (26b) 로 반입하고 이들을 Cu 타겟상의 턴 테이블상에 올려, 진공 성막실 (26b) 내를 상기 진공 성막실 (26a) 내의 압력 조건과 동일하게 하여 턴 테이블을 간헐적으로 선회시켜, 20.9 Å 의 Cu 막과 18 Å 의 NiFe 막의 세트층을 8층 형성하고 도 17 에 도시된 바와 같은 막구성의 자기저항 헤드용 기판을 2 매 제작하였다.

이들 기판 (23) 을 3 ㎜ 폭으로 커팅하여 MR 소자로 하고, 각 소자를 단자 간격 5 ㎜ 인 4 단자 프로브 (probes) 를 사용하여 직류단자법으로 MR 특성을 평가한 결과, 각 소자는 모두 MR 스트라이프의 저항율 변화량/MR 스트라이프의 저항율로 정의되는 MR 비가 5.83 % 를 나타내어, 이들 소자들은 균질하고 자기저항 헤드로 적합하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 각 층의 면내막압 분포를 측정한 결과, Cu 층은 ± 1.1%, NiFe 층은 ± 2.0∼± 2.1% 이여서, 각 층이 동일성이 아주 양호한 다층막을 얻을 수 있었다. 각 층의 계면을 X 선으로 측정한 결과, 계면이 극히 평탄하고 또한 배향성이 좋으며 가스의 유입이 적고 클린하다는 것이 관찰되었다.

이상의 스퍼터링 장치, 스퍼터링 성막 장치, 및 자기저항 헤드 소자의 제조 방법은 전술한 모든 목적에 부합하며, 그 상업적 유용성의 범위가 넓다. 또한, 이상의 본 발명의 특정한 형태는 단지 예적인 것이며, 이상의 교시의 범위내에서 소정의 수정이 가능함을 당업자는 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 전체 범위를 결정함에 있어서는 청구의 범위에 기재된 청구항들을 참조하여야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, RF 유도방전용 코일을 구비한 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치의 캐소드 케이스에 냉각수의 순환통로를 설치하고, 상기 캐소드 케이스내를 진공으로 배기하여 그 내부에 영구자석을 수용하고 상기 캐소드 케이스 및 RF 유도방전용 코일의 주위를 스퍼터 입자 방출용 개구를 갖는 금속제 커버로 덮었기 때문에, RF 유도방전용 코일 및 타겟이 손상없이 베이킹에 견딜 수 있게 되며, 성막실이 신속하게 배기될 수 있고 그 구성도 간단하여 저가로 제작할 수 있는 등의 효과가 있고, 또한 스퍼터 입자의 방향성이 극히 뛰어나기 때문에, 1 ㎛ 이하의 라인이나 구멍 등의 극미세부에의 성막도 가능하다는 효과가 있다.

또한, 스퍼터링 성막 장치가, 대기압과 10^-6Pa 대 이하의 고진공 사이에서 압력변경이 자유로운 로드 로크실과, 이 로드 로크실에 기밀한 기판 반송로를 통해 접속되며 또한 에칭 장치를 구비한 10^-6Pa 대 이하의 고진공의 전처리실과, 이 전처리실 및 상기 로드 로크실에 기밀한 기판 반송로를 통하여 접속되고 또한 기판에 다층의 성막을 실시하는 복수 대의 스퍼터링 장치를 구비하며 또한 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기되는 진공 성막실을 포함하고, 각 스퍼터링 장치가 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치로 구성되며, 각 스퍼터링 장치에 의한 성막을 셔터에 의해 제어하면서 영구자석에 의해 일정방향의 자장을 부여하면서 행하도록 하였으므로, 계면이 평탄하고 깨끗하며 두께가 극히 얇은 다층막을 성막할 수 있으며, 다층막중의 자성막에 일정 자화방향을 부여하여 자기저항 헤드에 적합한 MR 비를 갖는 기판을 능률적으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 스퍼터링 장치에 비자성체 또는 자성체의 타겟을 설치하고, 로드 로크실로 반입한 기판을 고진공중에서 전처리실 및 진공 성막실로 순차 반송하며, 상기 전처리실에서 에칭 장치에 의해 기판의 클리닝을 실시하고, 이어서 진공 성막실내의 기판을 각 스퍼터링 장치에 대향하는 위치로 이동시키며, 셔터의 개폐에 의해 극히 얇은 평탄한 비자성층과 자성층을 각 스퍼터링 장치로써 교대로 다수층 형성하게 하였으므로, 평탄하고 또한 극히 얇은 비자성층과 자성층을 교대로 다층으로 갖고 또한 각 층의 계면이 깨끗한 자기저항 헤드용 소자를 능률적으로 제조할 수 있고, 진공 성막실내에서 자성체의 타겟을 스퍼터링할때, 성막면에 일정방향의 자계를 걸어서 일정방향으로 자화된 자성층을 형성함으로써 소자를 한층 더 능률적으로 제조할 수 있으며, 진공 성막실에서의 스퍼터링 성막중에 스퍼터링 가스를 흘려보냄으로써 한층 더 클린한 계면을 갖는 층을 형성할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims

타겟의 전방에 마그네트론 방전용 자계를 형성하는 영구자석으로서 상기 타겟의 배후에 설치된 영구자석과, 상기 타겟의 전방에 설치된 RF 유도방전용 코일을 포함하는 스퍼터링 장치에 있어서,

상기 영구자석은 냉각수의 순환통로를 구비한 용기형태의 진공 캐소드 케이스 내부에 수용되고, 상기 캐소드 케이스 및 RF 유도방전용 코일의 주위는 스퍼터 입자 방출용 개구를 갖는 금속제 커버로 덮힌 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 캐소드 케이스 내부에 영구자석을 수용하는 공간을 밀폐하기 위한 배킹 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
대기중과의 사이에서 기판이 출입하는 대기압과 10^-6Pa 대 이하의 고진공 사이에서 압력변경이 자유로운 로드 로크실과,

상기 로드 로크실에 기밀한 기판 반송로를 통하여 접속되는 전처리실로서, 내부에 반입된 기판을 클리닝하는 에칭 장치를 구비하고 있으며 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 배기되는 전처리실과,

상기 전처리실 및 로드 로크실에 기밀한 기판 반송로를 통하여 접속되는 진공 성막실로서, 내부에 반입된 기판에 다층의 성막을 실시하는 복수대의 스퍼터링 장치를 구비하고 있으며 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기되는 진공 성막실과,

상기 각 스퍼터링 장치의 전방에 설치된 셔터를 포함하는 스퍼터링 성막 장치로서,

상기 각 스퍼터링 장치는 타겟의 배면에 설치된 자석과 상기 타겟상에 설치된 RF 유도방전용 코일을 구비한 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치로 구성되고,

상기 진공 성막실은 상기 기판의 표면에 균일한 방향의 자장을 부여하는 영구자석과, 상기 기판을 각 타겟과 대향하는 위치에 순차로 이동시키는 턴 테이블을 내장한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 에칭 장치는 이온원을 구비한 전자 사이클로트론 공명형 이온빔 에칭 장치인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치는, 상기 타겟의 스퍼터링 면과 대향하는 위치에 투공을 갖고 또한 상기 타겟 및 상기 RF 유도방전용 코일의 외측면을 덮는 금속제 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 진공 성막실의 하방에는 상기 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치가 서로 간격을 두어 배치되고, 상기 진공 성막실의 상방에는 상기 턴 테이블이 배치되며, 상기 간격에는 경계벽이 설치된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 진공 성막실의 배기계는 극저온의 트랩을 통하여 터보 분자 펌프를 내장한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 기판을 상기 전처리실로부터 상기 진공 성막실로 반송하기 전에 상기 전처리실을 10^-7Pa 보다도 낮은 진공압까지 재배기하여, 가스가 상기 전처리실로부터 진공 성막실까지 유출하지 않는 상태로 하여 상기 기판을 반송하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 장치.
자기저항 헤드용 기판상에 극히 얇은 비자성층과 자성층을 교대로 다수층 형성하여 자기저항 헤드용 소자를 제조하는 방법에 있어서,

고진공의 로드 로크실과, 에칭 장치를 내장한 고진공의 전처리실과, 비자성체 타겟 또는 자성체의 타겟을 갖고 또한 타겟에 RF 유도방전용 코일을 갖는 유도결합 RF 플라즈마-지원 마그네트론 스퍼터링 장치를 복수대 구비함과 동시에 스퍼터 입자의 비산을 방지하는 셔터를 구비한 초고진공의 진공 성막실을 준비하는 단계와,

외부로부터 상기 로드 로크실로 반입한 기판을 고진공하에서 상기 전처리실 및 진공 성막실로 순차로 반송하여, 상기 전처리실에서 상기 에칭 장치에 의해 기판의 클리닝을 실시하는 단계와, 및

상기 진공 성막실내에서 각 스퍼터링 장치에 대향하는 위치로 상기 기판을 이동시켜, 상기 셔터의 개폐에 의해 극히 얇고 평탄한 비자성층과 자성층을 각 스퍼터링 장치에서 기판에 교대로 다수층 형성하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 헤드 소자의 제조방법.
제 9 항에 있어서, 상기 로드 로크실 및 전처리실을 10^-6Pa 대 이하의 고진공으로 각각 배기하고, 상기 기판을 10^-7Pa 대 이하의 초고진공중에 반송하며, 상기 진공 성막실을 10^-7Pa 대 이하의 초고진공으로 배기하는 것을 특징으로 하는 자기저항 헤드 소자의 제조 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 진공 성막실 내에서 자성체의 타겟을 구비한 상기 스퍼터링 장치들중의 하나에 의해 상기 기판에 스퍼터링할 때, 상기 기판의 성막면에 일정방향의 자계를 걸어서, 일정방향으로 자화된 자성층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 헤드 소자의 제조 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 진공 성막실 내에서 상기 기판으로의 스퍼터링 성막중에 스퍼터링 가스를 계속 흘려보내는 것을 특징으로 하는 자기저항 헤드 소자의 제조 방법.