JP4477357B2 - 複数の層で基板を被覆するためのスパッタリングカソードならびに装置および方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、特に磁性および／または磁化可能材料で基板を被覆するためのスパッタリングカソードに関する。本発明はさらに、カソードスパッタリングにより、特に磁性材料で基板を被覆するための装置および方法に関する。

ドイツ公開特許第196,43,841号は、特に磁化可能材料で、基板を被覆するための装置を開示する。前記装置は、少なくとも1つの基板を収容するための円板形状の回転可能に支持された基板ホルダ(基板からみて外方に向く側およびその周囲に沿って同心の暗部シールド(dark space shield)が提供される)と、基板面に平行な外部磁場(outer field)を発生させるための手段と、コーティングプロセス中にその下で基板ホルダが回転する少なくとも１つのカソードと、を備える。前記装置の外部磁場はヨークを有する電磁石により発生され、励起コイルを有する低ヨーク部が暗部シールド内に配列され、その細長いポールシュー(pole shoes)は基板に近接する基板キャリヤ内に電気的に分離された様式で配列される。基板ホルダに挿入されると、基板はカソード下で回転し、前記装置の動的動作中にターゲット材料で被覆される。

ドイツ公開特許第41,35,999号では、細長いまたは長いカソードとして構成することができる回転可能な対称スパッタリングカソードが開示されている。前記スパッタリングカソードが長いカソードとして構成されると、基板はカソードに対し移動する時に被覆される。

他の従来技術の文書は、国際公開公報第97/03220号、欧州公開特許第1,067,577号、米国特許第4,601,806号、米国特許第5,630,916号、米国特許第6,217,272号、日本特許平成5年第171432号および日本特許平成01年第004472号である。

いわゆるMRAM(磁性ランダムアクセスメモリ)は、不揮発メモリまたは記憶としてメモリまたは記憶技術においてますます使用されている。これらの記憶装置では、保存されるべき情報は磁気コーティング粒子の磁化方向で保存される。情報を読み出す方法には2つの方法があり、いわゆるTMR(トンネル磁気抵抗)効果と、いわゆるGMR(巨大磁気抵抗)効果である。

この種の記憶では、基板に非常に均一に塗布される非常に薄い層(数Åのオーダー)を提供する必要がある。この非常に薄い層の記憶容量は基板上の層を磁化することにより達成される。磁性材料、例えば強磁性材料の容易磁化軸が基板全体の領域で1つの方向に整合される。容易磁化軸を整合させる場合、せいぜい+/-2°の間のずれは許容される。

さらに、そのような磁気記憶では、互いに10またはそれ以上の層を塗布する必要がある。

これまでに周知のスパッタリングカソードによっては、容易磁化方向の整合に関し、必要な精度でそのような非常に薄い層を製造することはできない。回転対称スパッタリングカソードの使用は、例えば、スパッタリングに必要なスパッタリングカソードの回転対称磁場が、基板層の1方向の容易磁化軸の整合を妨害するという点で不都合である。

回転対称マグネトロンスパッタリングカソードの他の欠点は、必要とされる数Åの層厚では、必要とされる極度の均質性および均一性が達成できないことである。

特にMRAMのために、基板上に磁化可能な層を製造することに関する他の問題は、必要とされるほど極度に均一に基板上に非常に薄い層を塗布することを可能とするには非常に高い真空が必要となることである。

本発明の目的は、磁化可能な材料の容易磁化軸が、基板に材料を塗布している間に整合されるスパッタリングカソードを提供することである。

さらに、カソードスパッタリングにより、同じ材料または異なる材料の複数の層で基板を被覆するための装置および方法であって、必要とされるように著しく均一に、磁気記憶に必要な異なる材料の複数の薄層を提供するのに適した装置および方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、この目的は請求の範囲の特徴により達成される。

基板に磁性材料を塗布し、これにより材料の容易磁化軸の必要な整合を達成するために、本発明は、外部磁場を発生させる手段を備えたスパッタリングカソードを提供する基本アイデアから開始する。この場合、磁場は本質的に被覆されるべき基板の平面内に存在する本質的に平行な磁力線を有する。好ましくは、外部磁場の強度は、使用する磁性材料によって変化させることができ、そのため、磁性層内の容易磁化軸を整合させる場合に、使用する材料を考慮することができる。

より好ましくは、本発明によるスパッタリングカソードは長いカソード(long cathode)である。長いカソードを使用すると、磁石配列により誘導される迷走磁場(stray field)が回転対称に延在せず、外部磁場の本質的に平行な磁力線に重なり、そのためこれらの迷走磁場は磁性粒子の整合において小さな役割しか果たさないという点で好都合である。さらに、長いカソードを使用すると、被覆すべき基板を、ターゲットの下で、その面内で、長いカソードの長軸方向に垂直に、容易に移動させることができるという利点が得られる。この従来技術に対する違い(従来技術では、磁場は基板と共に移動する)、すなわち本発明の外部固定磁場により、ターゲット下で外部磁場を通る基板の相対的な動きにより、一方では容易磁化軸の容易で正確な整合が達成され、他方では、塗布すべき材料の所望の薄い層厚を、スパッタリングカソードのパワーに関係なく、容易に調節することができるという特別な利点が得られる。この種のコーティングを使用すると、基板の速度により塗布すべき層の厚さが決定される。

スパッタリングカソードが長いカソードである好ましい態様では、外部磁場発生手段は長いカソードのターゲットの縦方向または長軸方向に沿って延在する。これは、ターゲットの全長に沿って、外部磁場がターゲットの長軸方向に本質的に垂直に、本質的に基板面内で整合され、そのため、ターゲットに対し移動される基板に塗布される材料の容易磁化軸が外部磁場の方向に整合できることを意味する。

基板はコーティングプロセス中ターゲットから一定距離のところに必ず配列されるので、被覆すべきでないカソード領域をシールドするためにターゲットと基板との間にシールドを提供するのが好ましい。

好ましくは、カソードスパッタリングプロセス中にカソードに対し基板を相対的に移動させる手段も必要である。より好ましくは、この移動手段により、カソードに対し基板の直進相対移動が提供される。

本発明によるスパッタリングカソードでは、上にターゲットが配列されたカソードベースボディはより好ましくはプロセスチャンバ内に配置され、カソードベースボディおよびターゲットに割り当てられた磁石配列は前記プロセスチャンバ内に備えられず、壁により分離され、大気雰囲気中に配置される。この配列は特に、磁気記憶を提供するために基板をコーティングする間必要な極めて高い真空を提供するのに特に好都合である。この好ましい態様により、すなわち、ターゲットと磁石配列との間の分離により、プロセスチャンバに向かう開口をずっと小さくすることができる。これはプロセスチャンバに供給されなくてはならないのはカソード用の冷却流体および電流のみであるからである。しかしながら、これを結合させることができ、そのため、好ましい態様ではこの結合させた供給だけは密閉されなければならない。このように、ずっと小さな密閉長が可能である(これまでのところ、1ターゲットあたり約1mであった)。

カソードスパッタリングにより異なる材料、特に磁性または磁化可能材料の複数の層で基板を被覆するための本発明による装置は、各々がカソードベースボディを有し、各々が個々の材料で作製されたターゲットを備え、各々が各ターゲットの後に配置された磁石配列を有する複数のスパッタリングカソードから構成される配列が提供されることを特徴とし、ここで、複数のスパッタリングカソードは1つの円上に配置され、個々のターゲットの有効領域は放射状に外に向き、スパッタリングカソード配列は基板に対し前記円の中心周りに回転可能である。基板は本質的にはスパッタリングカソード配列を取り囲む円の接平面内に配列される。

複数の異なる層を基板に塗布するのに必要ないくつかのスパッタリングカソードが、円形態またはドラム形態で配列された本発明によるこの配列により、複数の層の塗布中に非常に高い均一性および均質性を達成することができる。これは基板を様々なコーティング工程中にその面内に維持したまま、異なるターゲットを回転させて個々のスパッタリング位置に配置することができるからである。ターゲットドラム形態のスパッタリングカソード配列は、コーティング装置全体が非常にコンパクトになるという点でさらに好都合である。そのようなターゲットドラムは、例えば定位置にある、水平長軸を有する従来の基板供給モジュールに容易に取り付けることができる。

スパッタリングカソードは好ましくは長いカソードである。上記記述は関連する利点に関し準用することができる。

より好ましくは、本発明によるコーティング装置は、磁力線が本質的に平行で、基板の面内に延在する外部磁場発生手段を備える。このように、磁性粒子はその容易磁化軸に対し整合される。上記記述は関連する利点に関し準用することができる。

外部磁場発生手段はスパッタリングカソード配列に対し固定され、すなわち、スパッタリングカソード配列は磁場発生手段に対し回転させることができる。使用するターゲットにより、後者は、基板に対するスパッタリング配置にあるスパッタリングカソード配列を回転させることによりコーティング方向に回転され、このように、外部磁場の影響の範囲内にあり、外部磁場は現在使用されているターゲットから基板に塗布される層に作用する。

本発明によるコーティング装置では、各スパッタリングカソードおよび／または各ターゲットはマグネトロン磁場の発生のために別個の磁石配列を有する必要はなく；むしろ、使用するターゲット上に選択的に配置可能な１または２の磁石配列のみが存在するのが好ましい。これにより、本発明によるコーティング装置がさらにコンパクト化される。すなわち、ターゲットドラムは比較的小さな直径を有することができる。内部には1または選択的に2のマグネトロン磁石配列のみに対する空間しか必要ないからである。例えば、このように磁性または非磁性ターゲット材料に対し、異なる磁石配列を提供することができ、または使用することができる。

特に本発明によるスパッタリングカソードによるカソードスパッタリングにより、基板を被覆するための本発明による方法は、スパッタリングプロセス中に外部磁場を提供することを特徴とし、この場合、その磁力線は本質的に平行に、基板の面内に延在する。

基板を複数の層、特に磁性材料で被覆するための方法では、好ましくは、基板は、本質的に基板面内で、スパッタリングカソードに対し直進移動し、これにより層が基板に塗布される。カソードに対するこの基板の好ましい移動は、必要な層厚を達成するのに必要であれば、好ましくは複数回繰り返すことができる。スパッタリングカソードはその後、ドラムを回転することにより異なる材料のターゲットを有する異なるスパッタリングカソードと置換され、前の工程が繰り返される。

本発明は、MRAM技術の適用分野以外であっても、多くの異なる材料からなる多層コーティングに特に適している。

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。

図1は、長軸が図の面(drawing plane)に垂直な長いカソードを有する本発明によるスパッタリングカソード1の原理構造を示した断面図である。この好ましい態様によるスパッタリングカソード1はその上に配置されたターゲット3を有するカソードベースボディ2を有する。ターゲット3とカソードベースボディ2との間には、冷却液用の冷却チャネル9が存在する。ターゲットから見て外側を向くカソードベースボディの側には、磁場MF、すなわちマグネトロンフィールドがターゲットの下方に図示されている磁石配列4が設けられる。基板6はターゲット3から離される。図示した態様では、基板6はターゲット3に本質的に平行な面内に位置する。その代わりに、基板の面はまた、ターゲット3の面に対してわずかに傾斜させることもできる。

さらに、基板の領域内で外部磁場を発生させるための手段5が備えられる。図1では、この手段の2つのポールシューのみが図示されている。このポールシュー5'はコイル配列(図示せず)と電磁気的に接続される。前記磁場発生手段5は磁力線8が図1でポールシュー5'の間に図示される外部磁場を発生させる。前記外部磁場または指向性磁場の磁力線8は本質的には基板6の面内に、本質的に互いに平行に延在し、そのため容易磁化軸MAの望ましい平行整合が基板6において達成される。

さらに、ターゲット3と基板6との間のシールド7はスパッタされるターゲット材料に対し被覆されるべきでないスパッタリングカソードの部品をシールドする。前記シールド7はターゲットと基板との間のプロセスチャンバの残りの1領域を形成するのみである。

容易磁化軸MAの望ましい整合は、本発明によるスパッタリングカソード1により達成され、すなわち、基板6がコーティングプロセス中にその面内で、かつ本質的にターゲットに対する磁力線8の方向で移動する場合、および基板6がコーティングプロセス中にターゲット3の下に存在する場合の両方において、達成される。

容易磁化軸の最適整合は、特に長いカソードを使用した場合に達成される。この場合、マグネトロン磁石配列4の迷走磁場がすでに、外部磁場発生手段5の磁場8と重なっているからである。回転対称スパッタリングカソードまたは磁石配列4の場合、迷走磁場は外部磁場発生手段5の磁場と重なっておらず、容易磁化軸の整合の低下が引き起こされることがある。しかしながら、そのようなおよび他の長くないカソード配列もまた、本発明の範囲の一部を形成する。

容易磁化軸MAの整合の概略を図2に示す。図2に示した容易磁化軸の整合、すなわち1方向の均一な整合は、被覆されるべき基板を磁気記憶、特にMRAM材料として使用すべき場合に、特に重要である。

図3は本発明によるカソードスパッタリングにより異なる材料の複数の層で基板6を被覆するための装置10の概略側面図である。図の上部は、複数のスパッタリングカソード11-1、11-2、...、11-nを備えたスパッタリングカソード配列11を示す。スパッタリングカソードは1つの円上に配置され、そのターゲットの有効領域は放射状に外に向き、スパッタリングカソード配列11またはターゲットドラムは、基板に対しドラムハウジングTG内で前記円の中心周りに回転することができる。基板6はハウジングG内で、基板ホルダ12上で、スパッタリングカソード配列、すなわちターゲットドラム11に対し矢印Pの方向に、ターゲット3-iのターゲット表面に対し水平にかつ平行に移動させることができる。現在コーティング用に使用されているスパッタリングカソード11-iは、ターゲットドラム11内の最低部に、すなわち基板6のコーティング位置の上方にターゲット3-iと共に配列される。ドラムハウジングTGおよびハウジングGは共にポンプ（例えば、ターボ分子ポンプTP）を介して排気される真空チャンバを形成する。

必要に応じて、所望の層の厚さによりターゲット3-iからスパッタするべき材料の1または複数の層が、ターゲット3-iの下で水平に1回または複数回基板6を移動させることにより、基板6に塗布される。

ターゲット3-iによるスパッタリングが終了すると、ターゲットドラムが軸15周りに回転し、次に所望の異なるターゲット材料を有するターゲットを備えたスパッタリングカソードがスパッタリング位置、すなわちターゲットドラム11の最低位置に達する。その後、基板6は必要に応じてもう一度または複数回、ターゲットの下で移動され、層が塗布される。

シールドシート19ならびにシールド7はスパッタされる未使用ターゲット材料に対し環境をシールドする目的で機能する。

本発明による装置により基板に塗布した層を磁化させようとする場合、図1を用いて説明したように、本発明により磁場発生装置5も提供される。必要であれば、前記手段を作動させる。

基板6を有する基板ホルダ12を移動させるために、ターゲットドラム11に対し基板の非常に正確な直線移動を可能とするマルチピースロボットアーム13が備えられる。輸送ユニット(図示せず)は、ロボットアーム13の基板ホルダ12まで、およびそこからまた基板6を輸送する。

適用場によっては、ターゲットドラム11はターゲットを備えた複数のスパッタリングカソードを有する。8または10のスパッタリングカソードが好ましい。

異なるスパッタリングカソード11-1、11-2、...、11-nのターゲット3-1〜3-nは基板6に塗布される層の望ましい構成に応じた異なる材料から構成される。

図4は本発明による、ターゲット3とマグネトロン磁石配列との間の分離を示したものである。ターゲットドラムのドラム壁17は水および電流を供給するための小さな開口のみしか有さない。ターゲット3はプロセスチャンバ内のベースプレート上、例えば銅プレート14上に備えられる。本発明によれば、マグネトロン磁石配列4(図4において概略のみが図示される)はプロセスチャンバから分離され、ドラム壁17の外側に配列される(すなわち、リング形状ドラム11内で放射状に)。ターゲット3とマグネトロン磁石配列4との間の距離はできるだけ小さくするのが好ましい。

図4はまた絶縁ストリップ16を示す。この絶縁ストリップはドラム壁17に対しカソードを電気的に絶縁すると共に、常圧下のドラム18内部に対し、排気したプロセスチャンバを密閉する。

図5は本発明による2つのコーティング装置10が供給モジュール(supply module)30に結合された完全コーティングアセンブリの概略上面図である。被覆すべき基板が供給モジュール30によりコーティング装置10内に導入され、その後、コーティング装置内で個々のコーティングが提供される。図5示されるように、ターゲットドラム11の軸15は供給モジュール30からコーティング装置10内への基板の移動方向(矢印AおよびB)に対し垂直に配列される。コーティング装置10では、基板6は最低部に配置されたターゲット3-iの下で移動することはすでに説明した。基板上の所望のコーティング構造によっては、ターゲットドラム11はその後、軸15周りに回転され、次の所望のターゲットが、基板6の移動経路上方に配列され、コーティングが実施される。

図5はさらに、2つの追加のモジュール20を示す。このモジュールにより、基板の被覆表面または未被覆表面をさらに処理することができる。例えば、目的により酸化することができ、または選択的に平滑化することができる。

図6は、図3と同様に、本発明によるコーティング装置の部品、すなわち、基板6をターゲットドラム下で移動させるための移動手段(ハウジングG無し)の断面図である。図6はまた、ターゲットに対し基板6の正確な直線移動を可能とするマルチピースロボットアームも示している。

長いカソード形態の、本発明によるスパッタリングカソードの概略断面図である。 基板上の強磁性材料の容易磁化軸の整合の概略図である。 長いカソードを備えた本発明による基板コーティング装置の断面図である。 本発明による磁石配列とターゲットの好ましい分離の断面図である。 本発明による2つのコーティング装置を備えた完全なコーティング配列の概略図である。 基板の直進移動のための移動手段の概略斜視図である。

Claims (14)

1. 基板（６）を磁性または磁化可能材料で被覆するための装置であって、
   カソードベースボディ（２）と、その上に配列されたターゲット（３）と、前記ターゲット（３）の後に備えられ、マグネトロンフィールドを発生させるように意図された磁石配列（４）と、を備えたスパッタリングカソード（１）と、
   本質的に互いに平行で、本質的に基板（６）の面内に延在する磁力線（８）を有する外部磁場を発生させるための手段（５）と、
   前記スパッタリングカソード（１）に対して相対的に基板（６）を移動させる手段と、
   を備え、
   前記スパッタリングカソード（１）は一方向に長く、前記スパッタリングカソード（１）の長軸方向は前記磁力線（８）に対して垂直で且つ前記基板（６）の面に対して平行であり、
   前記磁力線（８）の方向における外部磁場の長さは、長手方向に垂直な方向における前記スパッタリングカソード（１）の幅よりも大きく、
   前記磁石配列（４）により生じる迷走磁場が回転対称に延在せず、前記外部磁場の前記磁力線（８）と重なり、
   コーティング中に、前記基板（６）は前記ターゲット（３）に対し固定配置可能であり、または本質的には外部磁場の磁力線（８）の向きで且つ前記スパッタリングカソード（１）の長軸方向と垂直な方向に、基板（６）の面内で、前記基板（６）を移動させる前記手段によって基板（６）を移動させることができる、装置。
2. 前記外部磁場が、前記基板（６）に被覆される材料の容易磁化軸を整合させる、請求項１記載の装置。
3. 前記外部磁場発生手段（５）が、前記スパッタリングカソード（１）の長軸方向に延在する、請求項１または２記載の装置。
4. 前記ターゲット（３）と前記基板（６）との間に配置されるシールド（７）をさらに備え、前記シールド（７）は、被覆される領域を規定する請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
5. 前記ターゲット（３）が上に備えられた前記カソードベースボディ（２）がプロセスチャンバ内に配列され、前記磁石配列（４）が壁によりそれから分離され、大気雰囲気内に配置される請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
6. 前記外部磁場の強度が調節可能である、請求項１ないし５のいずれかに記載の装置。
7. 基板（６）をカソードスパッタリングにより、磁性および/または磁化可能材料から成る複数の層で被覆するための装置（１０）であって、
   複数のスパッタリングカソード(１１−１、１１−２、...、１１−ｎ)を有する円筒カソードスパッタリング配列（１１）と、
   本質的に互いに平行で、本質的に前記基板（６）面内に延在する磁力線（８）を有する外部磁場を発生させるための手段（５）と、
   前記スパッタリングカソードに対して相対的に基板（６）を移動させる手段と、を備え、
   複数のスパッタリングカソード(１１−１、１１−２、...、１１−ｎ)の各々が、カソードベースボディ（２、１４）と、その上に配列されたターゲット（３−１、３−２、...、３−ｎ）と、前記ターゲット（３）の後に設けられてマグネトロンフィールドを発生させるように意図された磁石配列（４）と、を備え、
   前記複数のスパッタリングカソードが１つの円上に配置され、そのターゲットの有効領域が放射状に外に向き、前記スパッタリングカソード配列（１１）が、スパッタリングカソード配列（１１）を囲む円の接平面内に本質的に配列される前記基板（６）に対し軸（１５）周りに回転することができ、
   前記スパッタリングカソードは一方向に長く、前記スパッタリングカソードの長軸方向は前記磁力線（８）に対して垂直で且つ前記基板（６）の面に対して平行であり、
   前記磁力線（８）の方向における外部磁場の長さは、長手方向に垂直な方向における前記スパッタリングカソード（１）の幅よりも大きく、
   前記磁石配列（４）により生じる迷走磁場が回転対称に延在せず、且つ前記外部磁場の前記磁力線（８）と重なり、
   コーティング中に、前記基板（６）は前記ターゲット（３）に対し固定配置可能であり、または本質的には前記外部磁場の磁力線（８）の向きで且つ前記スパッタリングカソード（１）の長軸方向と垂直な方向に基板の面内で前記基板（６）を移動させる手段によって移動させることができる装置（１０）。
8. 前記外部磁場が、前記基板（６）に被覆される材料の容易磁化軸を整合させる、請求項７記載の装置。
9. 前記磁場発生手段（５）が、前記スパッタリングカソード（１）の長軸方向に延在する、請求項７または８記載の装置。
10. 上にターゲット（３）が配列された前記カソードベースボディ（２）がプロセスチャンバ内に備えられ、前記マグネトロン磁石配列（４）が壁（１７）によりそれから分離され、大気雰囲気内に配置される、請求項７ないし９のいずれかに記載の装置。
11. 請求項７ないし１０の磁石配列（４）に換えて、１または２のマグネトロン磁石配列（４）のみが前記複数のスパッタリングカソード配列のために備えられ、
    ターゲット（３）が上に配列された前記カソードボディ（２）は前記マグネトロン磁石配列（４）に対し移動可能である、請求項７ないし１０のいずれかに記載の装置。
12. カソードスパッタリングにより請求項１ないし６のいずれかに記載の装置により基板（６）を被覆する方法であって、
    本質的に互いに平行で、基板（６）の面内で延在する磁力線（８）を有する外部磁場がスパッタリング中に提供される方法。
13. 請求項７ないし１１のいずれかに記載の装置により、基板を磁性および/または磁化可能材料から成る複数の層で被覆するための方法であって、
    （ａ）スパッタリングカソードにより前記基板（６）上に層を被覆する工程であって、スパッタリング中に、本質的に互いに平行で、基板（６）の面内に延在する磁力線（８）を有する外部磁場が提供される工程と、
    （ｂ）前記スパッタリングカソードを異なるスパッタリングカソードで置き換える工程と、
    （ｃ）工程（ａ）中に、選択的に、本質的に前記基板（６）の面内で、本質的に前記外部磁場の磁力線（８）の方向で且つ前記スパッタリングカソード（１）の長軸方向と垂直な方向に、スパッタリングカソード（１）に対し基板を直進移動させる工程と、
    （ｄ）工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返す工程と、
    を含む方法。
14. 前記基板面内での基板（６）の移動速度が、前記カソードスパッタリングによる層の被覆中に所望の層の厚さに基づき制御される、請求項１２又は１３に記載の方法。

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