B E S C H R E I B U N G

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER GERICHTETEN SCHICHT MITTELS KATHODENZERSTäUBUNG UND VORRICHTUNG ZUR DURCHFüHRUNG DES VERFAHRENS

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gerichteten Schicht auf einer Substratfläche mit einer jeweils in der Tangentialebene derselben liegenden ausgezeichneten Richtung mittels Kathodenzerstäubung. Derartige Schichten sind oft magnetische Schichten oder Trägerschichten für magnetische Schichten, die eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweisen. Sie werden vor allem in Speichereinrichtungen für Datenverarbeitungsanlagen eingesetzt, z.B. in Schreib/Leseköpfen für Festplatten und MRAMs. Die Erfindung betrifft ausserdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Ein gattungsgemässes Verfahren ist aus US 6 790 482 B2 bekannt. Dort wird auf einer ebenen Substratfläche eine gerichtete magnetische Schicht hergestellt, welche in einer bestimmten, im wesentlichen konstanten ausgezeichneten Richtung leichter magnetisierbar ist (sog. easy axis) als in anderen Richtungen, insbesondere normal zur ausgezeichneten Richtung. Zur Ausrichtung der Magnetschicht sind unterhalb des Substrats Elektromagnete angeordnet, die ein Magnetfeld erzeugen, an dessen Feldlinien sich die auf die Substratfläche auftreffenden Partikel magnetisch ausrichten, derart, dass die ausgezeichnete Richtung zu den Feldlinien parallel ist.

Diese Lösung ist nicht in jedem Anwendungsfall befriedigend, da die tatsächliche Ausrichtung zonenweise ziemlich weit von der meist erwünschten konstanten ausgezeichneten Richtung abweicht. Ausserdem sind Ausdehnung und Form des Substrats beschränkt, wenn annehmbare Ergebnisse erzielt werden sollen.

Ein ähnliches Verfahren, bei dem Permanentmagnete zum Einsatz kommen, ist in US 2003/0 146 084 Al beschrieben. Hier wird ein zwischen Target und Substrat angeordneter geerdeter Kollimator zur Beschränkung des Einfallswinkels von Partikeln auf die Substratfläche durch Abfangen von Partikeln mit stärker von der Flächennormalen abweichenden Winkeln eingesetzt und ausserdem dazu, das Plasma vom Substrat fernzuhalten.

Ein weiteres, dem eben beschriebenen ähnliches Verfahren ist aus WO 96/08 817 Al bekannt. Auch hier wird ein Kollimator eingesetzt, dessen Längenverhältnis dazu benutzt wird, Parameter der magnetischen Schicht so zu steuern, dass die Ausrichtung der Kristalle entweder in der Ebene der Substratfläche erfolgt oder aber normal zu dieser. Im ersteren Fall wird dabei allerdings keine ausgezeichnete Richtung innerhalb der besagten Ebene angestrebt.

Ein weiteres derartiges Verfahren, bei dem zur Vermeidung von Unregelmässigkeiten und magnetischer Anisotropie flacher Einfall von Partikeln auf die Substratfläche durch einen Kollimator unterbunden werden, ist aus US 6 482 301 Bl bekannt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemässes Verfahren anzugeben, mit welchem auf einfache und allgemein einsetzbare Weise auf einer Substratfläche eine gerichtete Schicht angelegt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren angegeben, mit dem eine gerichtete Schicht hergestellt werden kann, die eine weitgehend flexibel festlegbare ausgezeichnete Richtung mit grosser Genauigkeit einhält. Die ausgezeichnete Richtung kann z.B. konstant oder bezüglich eines Mittelpunkts radial sein. Dabei sind im einzelnen viele verschiedene Ausführungen möglich. So können Substrat und Target fest montiert oder gegeneinander beweglich sein. Die relative Lage oder Bewegung kann jeweils so eingestellt sein bzw. gesteuert werden, dass die erfindungsgemässen Merkmale eintreten, doch kann dies auch durch den Einsatz mechanischer Abschirmmittel erreicht werden. Zusätzlicher Einsatz von Magnetfeldern zur Ausrichtung der gerichteten Schicht ist nicht ausgeschlossen. Dementsprechend können auch die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens stark voneinander abweichen. Im allgemeinen können sie jedoch verhältnismässig einfach aufgebaut sein. Oft ist auch eine Nachrüstung bestehender Anlagen derart, dass erfindungsgemässe Verfahren auf ihnen ausgeführt werden können, möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Vorrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Schnitt längs II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Frontansicht eines Targets der Vorrichtung nach Fig. 1, 2,

Fig. 4 einen schematischen Aufriss einer erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Abschirmvorrichtung der Vorrichtung gemäss Fig. 4,

Fig. 6 ein Element einer Abschirmvorrichtung gemäss einer besonderen Ausführungsform,

Fig. 7a einen Schnitt durch eine Einfallskeule an einem

Zielpunkt einer Substratfläche parallel zu einer ausgezeichneten Richtung,

Fig. 7b einen Schnitt durch die Einfallskeule normal zur ausgezeichneten Richtung und

Fig. 8 einen kumulierten Partikeleinfall am Zielpunkt als Funktion der Richtung in der Tangentialebene.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Vorrichtung gemäss Fig. 1-3 ist in einer Vakuumkainmer (nicht dargestellt) angeordnet. Sie weist einen zylindrischen Korb 1 auf, der um einer Achse 2 drehbar ist und an seiner Aussenseite Halterungen trägt, an denen

Substrate 3 mit nach aussen weisenden ebenen Substratflächen 4 befesteigt sind. Die Substrate 3 können etwa Scheiben von ca. 200mm Durchmesser sein, welche nach ihrer Fertigstellung z.B. zur Herstellung von Komponenten für Schreib/Leseköpfe zersägt werden. Der Korb 1 ist mit einigem Abstand von

Targets 5 umgeben, welche als längliche senkrechte Platten ausgebildet sind, die der Achse 2 eine Targetfläche 6 zuwenden. Die Targets 5 sind in bekannter Weise als Magnetron-Targets ausgebildet, d.h. hinter der Targetfläche 6 sind Magnete angeordnet, welche ein im Bereich der Targetfläche 6 um eine geschlossene Kurve 7 (Fig. 3). konzentriertes Magnetfeld erzeugen, sodass das Target 5 vor allem in diesem Bereich abgetragen wird und sich entsprechende Erosionsgräben in der Targetfläche 6 ausbilden.

Zwischen jedem der Targets 5 und dem Korb 1 ist, etwas näher an der Substratfläche 4 als an der Targetfläche 6, als Abschirmvorrichtung ein Kollimator 8 angeordnet, der als Kammkollimator mit mehreren mit Abstand kongruent übereinander angebrachten parallelen rechteckigen Platten 9, welche z.B. aus Aluminium bestehen, ausgebildet ist. Der Abstand zwischen der Targetfläche 6 und der Substratfläche 4 kann z.B. 75mm betragen, der Abstand zwischen dem Kollimator 8 und Substratfläche 4 30mm, die Länge der Platten 9 10mm und ihr Abstand 50mm.

Zur Herstellung jeweils einer gerichteten Schicht auf jeder der Substratflächen 4 werden die Substrate 3 während einer Beschichtungszeit mittels Kathodenzerstäubung in an sich bekannter Weise mit Targetmaterial bedampft, während der Korb 1 langsam und gleichmässig, z.B. mit 0,lU/s gedreht wird. Durch die Drehung einerseits und die Wirkung der Kollimatoren 8 andererseits wird dabei jeweils eine Schicht hergestellt, welche eine über die Substratfläche 4 konstante ausgezeichnete Richtung hat, die jeweils der Richtung der Schnittlinien der zur Achse 2 normalen Ebenen mit der Substratfläche 4 entspricht, im vorliegenden Fall also horizontal ist. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.

Das schliesslich angestrebte Ergebnis kann etwa eine weichmagnetische Schicht auf der Substratfläche sein, welche eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweist, d.h. eine Richtung, in welcher die Schicht schon durch ein verhältnismässig kleines Magnetfeld magnetisierbar ist (sog. easy axis) , während in der dazu normalen Richtung ein wesentlich höheres Magnetfeld erforderlich ist (sog. hard axis) . Dabei kann so vorgegangen werden, dass Targets 5 verwendet werden, die im wesentlichen aus dem weichmagnetischen Material wie Nickel-Eisen, z.B. NiFe21, oder Kobalt-Eisen bestehen und somit auf eine die Substratfläche 4 bildende Grundschicht direkt eine Schicht aus dem weichmagnetischen Material aufgesputtert wird, welche eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweist. In den meisten Fällen entspricht diese der ausgezeichneten Richtung, doch kann sie bei anderer Materialwahl auch anders ausgerichtet sein, gewöhnlich normal zur ausgezeichneten Richtung. Mit einer Anlage, die wie oben beschrieben aufgebaut war, wurde eine gerichtete Schicht hergestellt, bei der die ausgezeichnete Richtung um höchsten 0.5° vom Sollwert abwich.

Eine andere Möglichkeit, eine magnetische Schicht mit einer bevorzugten Magnetisierungsrichtung auf der Substratfläche 4 anzulegen, besteht darin, zuerst eine gerichete Trägerschicht, z.B. aus Chrom, Vanadium oder Wolfram aufzudampfen und anschliessend auf dieser Trägerschicht, eine Schicht aus magnetischem Material anzulegen, deren bevorzugte Magnetisierungsrichtung dann durch die ausgezeichnete Richtung der Trägerschicht bestimmt wird, gewöhnlich, indem sie sich je nach den eingesetzten Materialien parallel oder auch normal zu derselben einstellt. Dabei sind beim Anlegen der magnetischen Schicht, die gewöhnlich ebenfalls durch Kathodenzerstäubung erfolgt, keine besonderen Massnahmen zur Herstellung einer ausgezeichneten Richtung erforderlich, obwohl sie zusätzlich getroffen werden können. In jedem Fall kann etwa die

Ausbildung der bevorzugten Magnetisierungsrichtung in an sich bekannter Weise dadurch unterstützt werden, dass beim Aufdampfen der magnetischen Schicht ein Magnetfeld angelegt wird, das im Bereich der Substratfläche 4 wirksam ist, indem z.B. seine Projektion auf die Substratfläche in jedem

Zielpunkt derselben mit der bevorzugten Magnetisierungsrichtung übereinstimmt.

Eine weitere erfindungsgemässe Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ist das Substrat 3 derart stationär am Boden einer Vakuumkammer 10 angeordnet, dass die ebene Substratfläche 4 nach oben weist. An der Decke der Vakuumkammer 10 ist ein Target 5 mit einer nach unten gegen das Substrat 3 weisenden Targetfläche 6 angebracht. Das Substrat 3 und das Target 5 sind scheibenförmig. Die wiederum hinter der Targetfläche 6 angeordneten Magnete sind drehbar. Zwischen dem Target 5 und dem Substrat 3 ist wieder eine Abschirmvorrichtung angeordnet, welche wiederum als Kollimator 8 ausgebildet ist.

Der Kollimator 8 ist wieder als Kainmkollimator ausgebildet, der sich (Fig. 5) aus parallelen, ebenen Platten 9 zusammensetzt, die wieder aus Aluminium bestehen können und normal zur Substratfläche 4 gerichtet sind, also im vorliegenden Fall vertikal. Parallel zur Substratfläche 4 sind sie nach einer y-Richtung ausgerichtet. Die Abstände, mit der benachbarte Platten 9 in einer zur y-Richtung normalen, ebenfalls zur Substratebene parallelen x-Richtung aufeinanderfolgen, nehmen vorzugsweise von der Mitte nach den äusseren Rändern hin langsam zu. Die Platten 9 können unterschiedliche Längen oder mittlere Längen und/oder Dicken oder mittlere Dicken aufweisen, vorzugsweise so, dass die Länge und/oder die Dicke von einer Mitte nach beiden Aussenrändern hin in x-Richtung im allgemeinen abnimmt entsprechend abnimmt. Bei über die Fläche, insbesondere in y-Richtung, also parallel zur Targetfläche 4 sich ändernder Dicke der einzelnen Platte 9 nimmt diese ebenfalls vorzugsweise von der Mitte nach beiden Aussenrändern hin ab, wie das in Fig. 6 dargestellt ist.

Der Kollimator 8 ist gegenüber dem Substrat 3 um eine zentrale Achse 11 drehbar, wobei es gewöhnlich einfacher ist, das Substrat 3 drehbar zu lagern, während der Kollimator 8 fest montiert ist. Die Platten 9 sind so angeordnet, dass jede der Platten 9 mit Ausnahme einer Randplatte durch eine Drehung um 180°, durch die der Kollimator 8 aus einer ersten in eine zweite Position umgestellt wird, an eine Stelle gebracht wird, die etwa in der Mitte zwischen zwei Stellen liegt, an denen vor der Drehung einander benachbarte Platten 9 angeordnet waren und die in der ersten Position des Kollimators 8 von den Platten 9 eingenommenen Lagen in der zweiten Position frei werden. Exakt lässt sich dies nur realisieren, wenn benachbarte Platten 9, wie in Fig. 5 dargestellt, gleichen Abstand

haben, doch kann das Ziel auch bei wie bevorzugt nach aussen langsam zunehmendem Abstand der Platten ausreichend genau erreicht werden.

Zur Herstellung einer gerichteten Schicht mit konstanter, der y-Richtung entsprechender ausgezeichneter Richtung auf der Substratfläche 4 wird wiederum in an sich bekannter Weise Kathodenzerstäubung eingesetzt, wobei Targetmaterial in dieseme Fall vor allem längs einer herzförmigen Kurve auf der Targetfläche 6 abgetragen wird. Durch die beschriebenen Weisen, die Platten 9 auszubilden, können Unterschiede in der Dicke der gerichteten Schicht, wie sie sich sonst aus den Asymmetrien der Anordnung ergeben würden, weitgehend vermieden werden, indem geringere lokale Partikeldichte durch Erweiterung des bevorzugten Winkelbereichs kompensiert wird. Umstellung des Kollimators 8 wie ebenfalls oben beschrieben, etwa nach Verstreichen der Hälfte der Beschichtungszeit, dient dem gleichen Zweck, indem dadurch Schattenwirkungen der Platten 9 vergleichmässigt werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann jedoch in einem breiteren Rahmen angewendet werden als aus den obigen

Anwendungsbeispielen hervorgeht. So können auch gekrümmte Substratflächen beschichtet werden und die ausgezeichnete Richtung kann eine - vorzugsweise stetige - Funktion des Ortes sein, also vom Zielpunkt abhängen. Entscheidend ist in jedem Fall, dass der Einfall von Partikeln auf die

Substratfläche so gesteuert wird, dass im zeitlichen Mittel in Summe jene Einfallsrichtungen dominieren, deren Projektion auf die Tangentialflache der Substratfläche - welche im Fall einer ebenen Substratfläche mit dieser zusammenfällt - am jeweiligen Zielpunkt mit der ausgezeichneten Richtung übereinstimmt. Die ausgezeichnete Richtung ist dabei vorzeichenlos definiert, es kommt also

nicht darauf an, ob der Einfall von der einen oder der anderen Seite erfolgt.

Wenn die Dichte der Partikeleinfallsrate an einem Zielpunkt mit p(θ,φ,t) bezeichnet wird, wobei θ den Winkel der Einfallsrichtung zur Normalen auf die Substratfläche 4 bezeichnet und φ den Winkel zwischen der Projektion der Einfallsrichtung auf die Tangentialebene und einer festen Richtung in derselben, so ist die gesamte, über die Beschichtungszeit T integrierte Einfallsdichte als Funktion der Richtung

(1) r(θ,φ) = JV p(θ,φ,t) dt, 0<θ<π/2, 0<φ<2π

Diese Funktion ist in Fig. 7a, b in zwei zur Tangentialebene der Substratfläche 4 normalen Schnitten dargestellt, wobei die y-Richtung die ausgezeichnete Richtung ist und die x- Richtung die dazu normale. Was die ausgezeichnete Richtung in der Tangentialebene schliesslich bestimmt, ist jedoch eine kumulierte Einfallsdichte, d.h. eine gewichtete Summe über den die Steilheit des Einfalls widerspiegelnden Winkel θ, also

(2) R(φ) = /o ^π/2 r(θ,φ)w(θ) dθ, 0<φ<2π

w(θ) ist eine Gewichtsfunktion, welche z.B. zu sinθ, d.h. der relativen Länge der Normalprojektion auf die Tangentialebene, proportional sein kann. R(φ) ist in Fig. 8 dargestellt. Die Funktion hat dort, wo φ der ausgezeichneten Richtung entspricht, Maxima, da der Partikeleinfall gezielt so gesteuert wurde, dass die Projektion der Einfallsrichtung überwiegend auf einen die ausgezeichnete Richtung umgebenden Winkelbereich von z.B. ±π/4 konzentriert oder beschränkt

war. Wegen der Definition der ausgezeichneten Richtung als vorzeichenloser Grösse genügt es im Grunde, wenn R _s (φ) =R (φ) +R (φ+π) , 0≤φ<π dort ein Maximum hat, doch ist R in der Regel mindestens annähernd spiegelsymmetrisch.

Für die Steuerung des Partikeleinfalls auf die

Substratfläche 4 werden zwei Vorgehensweisen bevorzugt, nämlich der Einsatz mechanischer Abschirmmittel wie des Kollimators 8 oder eine Einstellung oder Steuerung der relativen Lage des Substrats und des Targets. So kann etwa das Substrat eine Bewegung relativ zum Target oder den

Targets ausführen derart, dass bestimmte Einfallsrichtungen, deren Projektion auf die Tangentialflache nahe bei der ausgezeichneten Richtung liegen, bevorzugt auftreten. Die Bewegung kann dabei auch ungleichmässig und/oder intermittierend sein und es kann zusätzlich auch die

Leistung der Vorrichtung, d.h. die Dichte des vom Target ausgehenden Teilchenstroms mit der Stellung des Substrats zum Target gezielt verändert werden, etwa so, dass sie bei überwiegend flachem Partikeleinfall parallel zur ausgezeichneten Richtung besonders hoch ist. Beide

Vorgehensweisen können, wie im ersten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1-3 gezeigt, auch in Kombination angewandt werden, etwa indem dort die Rotation des Korbes 1 verlangsamt oder angehalten wird, wenn sich die Substrate 3 etwa in der Mitte zwischen zwei benachbarten Targets 5 befinden. Zusätzlich kann dann auch die Leistung erhöht werden.

Die Abschirmmittel sollten dann so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Bahnen der Partikel, die im wesentlichen geraden, einen Punkt der Targetfläche mit dem Zielpunkt auf der Substratfläche verbindenden Linien folgen, mit dem Abschirmmittel kollidieren, die Partikel also

abgefangen werden, wenn sie andernfalls im Zielpunkt aus einer Richtung einträfen, deren Projektion auf die Tangentialflache ausserhalb des bevorzugten Winkelbereichs liegt. Mindestens sollte dies im Mittel über Beschichtungszeit und gewichteten Mittel über die Steilheit des Einfalls, d.h. den Winkel θ überwiegend der Fall sein. Dabei ist es u.U. nötig, auch zu berücksichtigen, dass die Targetfläche unterschiedlich aktive Bereiche aufweist, die Partikel also überwiegend von einem verhältnismässig kleinen Teil derselben stammen, etwa im ersten Ausführungsbeispiel aus der Umgebung der Kurve 7.

Zusätzlich kann, wie oben erwähnt, auch ein Magnetfeld im Bereich des Substrats angelegt werden, doch ist dies in den meisten Fällen nicht erforderlich.

Bezugszeichenliste

1 Korb

2 Achse

3 Substrat

4 Substratfläche 5 Target

6 Targetfläche

7 Kurve

8 Kollimator

9 Platte 10 Vakuumkammer

11 Achse