離子化薄膜形成方法及裝置的製作方法

2023-07-01 22:05:56

專利名稱：離子化薄膜形成方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠用來製造諸如大規模集成電路(LSI)的半導體器件，和諸如磁光碟的記錄媒體的薄膜形成方法及裝置，更確切地說，涉及一種能夠通過利用離子化微粒來製取各種類型澱積薄膜的離子化薄膜形成方法及裝置。
薄膜形成方法通常被用於在各種半導體器件上形成布線和層間絕緣膜，或者在記錄媒體上形成磁性層和保護層。但是，這些必須顯現多種特性的薄膜形成方法，在近幾年來又被用於製取在襯底中形成的溝槽內部尤其是溝槽底部具有改進的覆蓋率的薄膜。
圖5示出了一種利用常規濺射方法所澱積的薄膜的剖視圖。其中溝槽底部104上的薄膜102的厚度遠小於該溝槽外側襯底7的頂部103上薄膜100的厚度。這意味著由該濺射方法所提供的覆蓋層質量較差。圖5還示出了澱積在該溝槽側面101上的薄膜。質量較差的覆蓋率以及溝槽側面上的薄膜都會對在襯底上形成薄膜產生不利影響。
下文中描述了一種磁疇壁移動類型(magnetic domain wall displacementtype)的磁光碟，其在日本已公開專利申請No.6-290496中公開。同心形成在常規磁光碟和只讀光碟上的溝槽不能用來錄製信息。但是，由於信息也錄製在磁疇壁移動類型記錄媒體中的溝槽底部上，所以必須在所述底部上如同在溝槽外部媒體的平整部分(在下文中被稱作「紋間表面(lands)」)上那樣形成功能薄膜。另外，該記錄媒體必須適於能夠使得不會從溝槽的側面產生磁光信號，從而防止溝槽與紋間表面之間發生幹涉，其中由所述溝槽側面將溝槽底部與紋間表面隔開。為了達到這個目的，在溝槽側面上的薄膜澱積量必須達到最小化。也就是說，一種磁疇壁移動類型的記錄媒體所需的薄膜形成必須具有高度的定向性並且具有較高的底部覆蓋率。所述底部覆蓋率被定義為形成在溝槽底部表面上的薄膜形成率與溝槽外側表面上的薄膜形成率的比值。所述底部覆蓋率可以利用公式tA/tB×100％而得到，其中tA指的是形成在溝槽底部表面上的薄膜厚度，而tB指的是形成在溝槽外側表面上的薄膜厚度(參看圖4)。
能夠提供較高底部覆蓋率的常規薄膜形成方法包括有低壓遠程濺射方法(the low-pressure remote sputtering method)，準直濺射方法(collimatesputtering method)，和一種在日本已公開專利申請No.10-259480中披露的高頻等離子體輔助濺射方法(high-frequency plasma assisted sputteringmethod)。
由於所述的低壓遠程濺射方法採用了較低的壓力和比普通濺射方法更長的自由行程(free path)，所以該方法能夠使得濺射微粒平直飛行而不會發生散射。這種低壓遠程濺射方法還適於在靶與襯底之間形成較長距離並且能夠使得微粒垂直於該襯底飛行。
所述的準直濺射方法僅能夠使得濺射微粒垂直於襯底飛行到達襯底，並通過在靶與襯底之間放置一圓柱體來使得所述微粒澱積其上，其中所述的圓柱體上帶有多個垂直於襯底的孔。
所述的高頻等離子體輔助濺射方法通過在一等離子體區域對飛行的濺射微粒進行電離而使得其發生澱積，其中所述的等離子體區域是通過向襯底供送一高頻電壓而在襯底附近產生的，並利用由等離子體在襯底上所產生的負電壓(自偏壓(self bias))將經電離的濺射微粒垂直地導向所述襯底。
但是，由於靶與襯底之間的距離較長而造成薄膜形成率和原材料(靶)利用率較低，所以在大多數生產過程中所述低壓遠程濺射方法被限制在用於帶有溝槽形狀比不超過4的襯底。
由於濺射微粒澱積在準直管上造成損耗，所以所述準直濺射方法也具有薄膜形成率和原材料利用率較低的問題，並且也被限制在用於帶有溝槽形狀比不高於3的襯底。
所述高頻等離子體輔助濺射方法可以用於溝槽形狀比為4或者更高的襯底。但是，該濺射方法允許等離子體中帶有電荷的微粒穿透襯底，又由於等離子體是通過向所述襯底供送一高頻電壓而產生的，所以會使得襯底發熱。因此在該濺射方法中，難以在由低耐熱性材料，譬如用作只讀光碟和磁光碟等記錄媒體的襯底材料的樹脂所製成的襯底上形成薄膜。
本發明的目的在於為了解決前述問題，提供一種薄膜形成方法和薄膜形成裝置，它們可以用於在表面帶有深溝槽的襯底上以較高的底部覆蓋率均勻地形成薄膜。
本發明的另外一個目的在於提供一種能夠防止襯底溫度升高的薄膜形成方法及薄膜形成裝置。
本發明的再一個目的在於提供一種離子化薄膜形成方法和離子化薄膜形成裝置，它們能夠促進放電氣體的激發和電離，從而提高蒸發微粒的電離效率。
這些目的均可以利用一種通過濺射形成澱積薄膜的方法而得以實現，其中所述方法包括如下步驟對濺射微粒進行電離；對一設置在襯底附近的電極供送一周期性變化的電壓，其中等於或大於前述電壓中最大與最小值之間中間值的電壓供送時間比等於或小於該中間值的電壓供送時間要短。
所述目的還可以利用一種離子化濺射裝置(ionization sputteringapparatus)來實現，其中該裝置用於通過利用一在襯底附近所產生的電場來將濺射微粒導引到襯底上從而形成一澱積薄膜，並且包括一個帶有一抽氣系統的濺射腔室；用於將一種工藝氣體(processing gas)導入該濺射腔室的氣體導入裝置；設置在該濺射腔室中的一陰極；設置在陰極與襯底之間的電離裝置；一設置在襯底附近的電極；以及用於向電極供送一周期性變化電壓的電壓供送裝置，其中等於或大於所供送電壓中最大與最小值之間中間值的電壓供送時間比等於或小於該中間值的電壓供送時間要短。詳細說明將在下文中參照示例給出。


圖1是一個示意性的剖視圖，示出了根據本發明實施例的薄膜形成裝置的結構；圖2是一個示意性的剖視圖，示出了本發明中電離機構的一實施例；圖3示出了根據本發明供送到電板10上的電壓波形圖；圖4是一個示意圖，示出了根據本發明計算底部覆蓋率的方法；圖5是利用一種常規濺射方法所澱積的薄膜剖視圖；圖6示出了本發明的例3中供送到電極10上的電壓頻率與底部覆蓋率之間的關係；圖7示出了本發明的例4中供送到電極10上的電壓的佔空比(duty ratio)(所供送電壓V1的時間T1與所供送電壓V2的時間T2之間的比值)與底部覆蓋率之間的關係；圖8示出了本發明的例6中供送到電極10上的電壓佔空比與介電強度之間的關係；圖9是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例8中離子化薄膜形成裝置的結構；圖10是一個示意圖，示出了當安裝在本發明例8中離子化薄膜形成裝置內的磁場發生裝置單獨使用時所形成的磁力線；圖11是一個示意圖，示出了由陰極與離子化裝置之間的磁場發生裝置和由圖9中陰極下方的磁場發生裝置所共同形成的磁力線；圖12是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例11中離子化薄膜形成裝置的結構；圖13是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例15中離子化薄膜形成裝置的結構；圖14是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例18中離子化薄膜形成裝置的結構；圖15是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例20中離子化薄膜形成裝置的結構；圖16示出了本發明的例20中襯底和電極10之間的尺寸比與底部覆蓋率之間的關係；圖17示出了本發明的例21中襯底和電極10之間的尺寸比與底部覆蓋率之間的關係；圖18是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例22中離子化薄膜形成裝置的結構；圖19A和19B分別是本發明的例22中離子化薄膜形成裝置內的電離裝置6的頂視圖和該裝置的側視圖；圖20示出了本發明的例22中建立在設置隔熱板，隔熱板被冷卻，和沒有設置隔熱板三種情況下的薄膜形成時間與襯底溫度之間的關係；圖21示出了根據由玻璃，特氟隆(Teflon)，和聚碳酸酯(polycarbonate)製成的隔熱板是否進行水冷卻(water-cooled)而得到的底部覆蓋率之間的差別；
圖22是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例25中離子化薄膜形成裝置的結構；圖23是本發明的例25中其上形成有薄膜的襯底的剖視圖；圖24示出了利用本發明例25中的磁疇壁移動類型記錄媒體來對CN比率進行測定的結果；圖25是一個示意性的剖視圖，示出了本發明的例25中離子化薄膜形成裝置的另一實施例；圖26是用於表示A點處的磁通強度與在襯底上形成澱積薄膜的速率之間依附關係的圖表。
下面參照附圖對本發明進行詳細描述。
圖1的示意圖示出了根據本發明實施例的薄膜形成裝置。在圖1中，附圖中的標記10用於指代位於襯底背面上的電極，而附圖中的標記11和12用於指代向所述電極10供送周期性變化電壓的電壓供送裝置。
根據本發明中的薄膜形成機構，利用電離機構6來對從靶2蒸發出來的微粒進行電離，並且在襯底7上電場9的作用下，將這些經過電離具有方向性的濺射微粒入射到襯底7上。
作為由不鏽鋼，鋁，或類似材料製成的金屬容器的薄膜形成腔室1，被設定為一基準電位並且由一未示出的門閥保持密閉。
抽氣系統14是一個複合抽氣裝置，它能夠在大氣壓和大約10-6帕的壓力範圍內進行抽取。該抽氣系統的抽取速率可以利用未示出的抽氣速度調節裝置進行調節，譬如節流孔或者導流閥(conductance valve)。
對於本實施例來說，靶2是一個3毫米厚並且直徑約為3英寸(76.2毫米)的圓盤，其經過一後擋板和一絕緣層安裝於濺射腔室1中。根據需要還可以設置利用致冷劑對靶進行冷卻的機構，譬如利用水。
作為磁場發生裝置的磁體3安裝在靶2的後側，以便能夠實現磁控濺射。
用於向靶2供送預定電功率從而造成放電的濺射電源4，適用於向靶2供送相對於基準電壓為-200伏或-600伏的負直流電。
加工氣體導入裝置5用於導入一種濺射放電氣體，譬如稀有氣體。由於該氣體被高度電離，所以最好該加工氣體被導入到電離區域的中部。由於氣體是被均勻導入的，所以更優選的是利用一個其中部側壁上形成有多個吹氣孔的環形管道。
作為利用彭寧(PENNING)電離作用的熱陰極型電離機構6，通過使得由熱陰極發射出的熱電子在電離區域中對濺射微粒和濺射放電氣體微粒進行碰撞來對濺射離子進行電離或者產生濺射放電氣體激發中子和離子，其中所述電離區域設置在從靶2到襯底7的濺射微粒運動軌跡中。放電氣體激發中子和離子也在該電離區域中與濺射微粒發生碰撞從而對濺射微粒進行電離。正如前面所述，濺射微粒主要是通過這兩個作用原理進行電離的。
圖2示出了電離機構6的結構。具體地說，即通過從直流電源604向與其串聯的絲極601供送電流，使得該電離機構6對該絲極601進行加熱，從而使得其發射出熱電子。柵格602具有網狀結構。直流電源605用於向其供送負電壓，以便從絲極601發出的熱電子能夠朝柵格602加速運動。經過加速的熱電子並不立即被柵格602所俘獲，而是穿過柵格602和濺射微粒運動軌跡中的電離區域前進。該熱電子與濺射微粒及濺射放電氣體微粒發生碰撞從而對這些微粒進行電離或激發，並隨後由柵格602進行俘獲。絲極601由熱電子發射係數較大的材料製成，譬如ReW或W，而具有網狀結構的柵格602由金屬絲，譬如直徑為1毫米的金屬絲以約3毫米的相互間隔而組成。對於電離機構來說，絲極601一個側面的電位與套筒603的電位相等。因而，可以利用直流電源607來向套筒603供送直流電壓，該電壓相對於基準電壓來說為負值，以便能夠防止電子發生漫射，或者該套筒603也可以保持為基準電位。
也可以採用設置在腔室1中的襯底夾持裝置8，以便能夠利用該夾持裝置將襯底7保持與靶2平行。一絕緣體17設置在襯底夾持裝置8與襯底7之間。電極10最好被安裝成與襯底7相平行。
電極10與由被用作信號發生器的函數綜合器11和能量放大器12組成的電壓供送裝置相連。該電壓供送裝置向電極10供送周期性變化的電壓。
圖3舉例性地說明了供送到電極10的偏電壓。該偏電壓在預定周期內在最大電壓V1(相對於浮置電位來說振幅最小的電壓)和最小電壓V2(相對於浮置電位來說振幅最大的電壓)之間變化。該浮置電位是指置於等離子體中的絕緣襯底在等離子體作用下所產生的電位。在本實施例中，該浮置電位是指沒有向電極10供送電壓時襯底7上所產生的電位。
這個偏電壓在襯底7附近生成大致與襯底7垂直的電場9，以便於經過電離的濺射微粒可以沿該電場9進行加速，從而到達襯底7。由於經過電離的微粒沿電場9的方向入射到襯底7上，所以希望在該襯底上方均勻形成的電場9儘可能地垂直於該襯底。任何波形和電壓均可以從信號發生器11和能量放大器12供送到電極10上。
下面將對根據本發明實施例的離子化薄膜形成方法進行描述。
當將襯底7安裝到襯底夾持裝置8中之後，利用複合抽氣系統14將腔室中壓力抽取到約為10-6帕。然後啟動電離機構6。也就是說，首先開啟直流電源607並且設定為某一個值。接著，開啟絲極直流電源604通過對絲極601進行激發而對其進行加熱。最後，利用柵格直流電源605，將+10伏左右至+200伏左右的正直流電壓供送到柵格602上，從而使得其在電離區域606中發射熱電子。
根據通過濺射而製取薄膜的速度不同，所希望流過柵格602的電流值(發射電流)在薄膜形成過程中被設定為5安或更大。
接著利用工藝氣體導入裝置5，來導入濺射氣體，譬如氬氣，並且對用於複合抽氣系統14的抽氣速度調節器進行控制，以使得腔室1中的氣壓保持在0.2至2.5帕。接著，通過開啟濺射電源4，執行濺射放電來開始進行濺射。與此同時，通過開啟信號發生器11和能量放大器12，向電極10供送一個周期性變化的電壓，從而生成大致與襯底7的表面相垂直的電場9。
例如，如前所述將具有圖3中所示矩形波的電壓供送到電極10上，以便電子可以在接近於矩形波浮置電位的最大電壓V1時入射到襯底上。更具體地說，由於浮置電位通常位於0至-10伏之內或其附近，所以所希望的最大電壓V1也在這個範圍內進行選定。根據濺射條件不同，該浮置電位可以超過-0伏。在這種情況下，最大電壓V1必須根據浮置電位來進行選定。正如前面所述，作為供送到襯底7附近的電壓，其以浮置電位周圍或者高於浮置電位的最大電壓V1為基礎而加以確定，以便能夠使得電子入射到襯底上，並且供送最小電壓V2，以便陽性離子可以入射到襯底上。另外，為了防止由於反向濺射作用的影響而造成薄膜形成速度明顯降低，所希望的最小電壓被設定為-20伏至-100伏。
為了能夠在防止襯底被充電的同時，使得離子高效地入射到襯底上，所希望的頻率為100千赫茲或更高，而所希望的波形佔空比(waveform duty ratio)被設定為1∶50或更高，也就是說，最大電壓V1的供送時間與最小電壓V2的供送時間之比被設定為1/50或者更低。
在預噴鍍被執行幾分鐘之後，保持條件不再發生變化，打開襯底防護罩13來開始進行薄膜形成。通過濺射發電而濺射出的微粒在電離區域606中經電離後，被導向到襯底7上，並且在襯底7附近的電場9作用下使其加速，以便所述微粒能夠被吸引到襯底7上並且高效地澱積在襯底中的溝槽底部上。
當製得預定厚度的薄膜後，關閉防護罩13，並且首先中斷信號發生器11，能量放大器12，濺射電源4，以及工藝氣體導引裝置5，接著再中斷電離機構6中的絲極電源604，柵格電源605，以及浮置電源607。最後，將未示出的門閥關閉，濺射腔室1中被抽空，並且將襯底7從襯底夾持裝置8中取出。
對於電離機構6來說，並不希望在絲極601上澱積濺射微粒。這是因為絲極上的澱積薄膜會改變其阻值，從而會導致該絲極易於損壞。為了防止這個問題的發生，就希望無論濺射電源4是否處於工作狀態，絲極電源604均處於備用狀態。
在前述的實施例中，各種用於形成薄膜而需要被蒸發的材料，包括金屬，合金以及化合物在內，均可加以利用。在該實施例中利用了能夠通過利用熱電子對蒸發出的微粒和放電氣體微粒發生碰撞從而來對蒸發出的微粒進行電離的機構。但是，根據本發明中的離子化薄膜形成方法，各種電離裝置，譬如可以在蒸發源與襯底之間對蒸發微粒進行電離的雷射輔助電離(laser assistedionization)和高頻感應式等離子體輔助電離(high-frequency coil plasmaassisted ionization)方法，均可以加以利用。
通過舉出一些例子，來在下面對本發明進行更詳細的描述。雖然下面的例子代表了本發明中的最佳實施例，但是本發明並不局限於這些例子。(例1)伴隨前述實施例中的加工工序，在下面給出的條件下形成薄膜。
·用於靶2的材料GdFeCr(三元合金)·向靶2供送的功率400瓦·濺射腔室中的壓力0.8帕·放電氣體氬氣·放電氣體流速200 sccm·電離機構中的柵格電壓50伏·電離機構中的發射電流20安·電離機構中的浮置電源電壓-30伏在這些條件下，設定將供送到電極10上的電壓頻率為500千赫茲，及佔空比1∶100，並且利用不同大小的最小和最大電壓V2和V1向電極10供送，以在襯底7上連續形成薄膜5分鐘來製取樣本襯底。當製成後，在所述樣本襯底表面上的測定溫度。圖1示出了所測定的結果。它們表明了合適地設定向襯底供送的電壓將能夠明顯減少襯底溫度的增加。
例如，如果將V1和V2分別設定為-5和-10伏，那麼薄膜將可以在襯底7的溫度為60℃左右時形成。相應地，這意味著薄膜可以平滑地形成在由某種低耐熱性的材料譬如聚碳酸酯所製成的襯底上。例如，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，以及環氧樹脂大約分別具有95至105℃，120至132℃，和135℃左右的熱變形溫度。本例子允許在由這種低耐熱性材料製成的襯底上形成令人滿意的薄膜。
在本例子中的條件下對薄膜進行形成的過程中，浮置電位正如前面所述那樣位於0至10伏的範圍內。從本例子的結果來看，通過將最大電壓V1設定為由浮置電位減去10伏所得到的值，從而可以獲得一個更為適合的結果。(例2)根據例1，在下述的條件下，在帶有溝槽的矽襯底上形成薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米，形狀比為4。在本例子中，以不同大小的最大和最小電壓V1和V2來製取樣本襯底。並對這些樣本襯底的底部覆蓋率進行測定。表2示出了所測定的結果。
為了用於進行參考，表2還給出了利用常規的低壓遠程濺射及高頻等離子體輔助離子化濺射裝置所獲得的底部覆蓋率。
例如，尤其是當供送到電極10的最大電壓V1為-10伏而最低電壓為-40伏時，常規的低壓遠程濺射方法所形成的底部覆蓋率為16％左右，而本例子所形成的底部覆蓋率為40％左右。
在本例子中條件下對薄膜進行形成的過程中，浮置電位正如前面所述那樣位於0至10伏的範圍內。從本例子的結果來看，通過將最大電壓V1設定為由浮置電位減去10伏所得到的值，從而可以獲得更為適合的結果。
(例3)根據例1，通過向電極10供送最大電壓V1為-10伏而最小電壓V2為-40伏的電能，來在帶有溝槽的矽襯底7上形成薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米，形狀比為4。並對這些所獲得樣本的底部覆蓋率進行測定。
圖6示出了所測定的結果，與常規濺射方法相比較，其顯示出本例子能夠顯著地增大底部覆蓋率。例如，尤其是當供送到電極10的電壓頻率被設定為100赫茲或更大時，常規的低壓遠程濺射方法所形成的底部覆蓋率為16％左右，而本例子所形成的底部覆蓋率為40％左右。
在本例子中的條件下對薄膜進行形成的過程中，浮置電位正如前面所述那樣位於0至10伏的範圍內。從本例子的結果來看，通過將最大電壓V1設定為由浮置電位減去10伏所得到的值，從而可以獲得更為適合的結果。
(例4)根據例1，在供送到電極10的電壓為不同的佔空比(該佔空比即最大電壓V1的供送時間T1與最小電壓V2的供送時間T2之間的比值)，並且將所述的最大電壓V1和最小電壓V2分別設定為-10伏和-40伏的條件下，來在帶有溝槽的矽襯底7上形成薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米，形狀比為4。並對所獲得樣本的底部覆蓋率進行測定。圖7示出了所測定的結果，與常規濺射方法相比較，其顯示出本例子能夠顯著地增大底部覆蓋率。例如，尤其是當供送到電極10的電壓佔空比，也就是T1/T2，被設定為1/50或更小時，常規的低壓遠程濺射方法所形成的底部覆蓋率為16％左右，而本例子所形成的底部覆蓋率為40％左右。
在本例子中的條件下對薄膜進行形成的過程中，浮置電位正如前面所述那樣位於0至10伏的範圍內。從本例子的結果來看，通過將最大電壓V1設定為由浮置電位減去10伏所得到的值，從而可以獲得更為適合的結果。
(例5)根據例1，利用二氧化矽作為靶2並且利用RF電源作為濺射電源4，通過向電極10供送不同大小的最大和最小電壓，來在帶有溝槽的矽襯底上形成二氧化矽薄膜。通過反應離子的蝕刻，製得多個帶有底部寬度為0.5微米、形狀比為4的溝槽的樣本矽襯底。另外，根據例1，利用GdFeCr作為靶2，通過向電極10供送不同的最大和最小電壓，來在帶有溝槽的矽襯底上形成GdFeCr薄膜。所述二氧化矽和GdFeCr薄膜在溝槽外側的厚度分別為100納米和80納米。然後，在各個樣本襯底中的所述底部處，對矽襯底與形成其上的GdFeCr薄膜之間的介電強度進行測定。(對比用例子)除了電離機構未工作之外，通過濺射工藝來在與例5中相同的條件下，在矽襯底的紋間表面上形成20納米厚的二氧化矽薄膜和80納米厚的GdFeCr薄膜。
在各個樣本襯底中的所述底部處，對矽層與其上的GdFeCr層之間的介電強度進行測定。
表3給出了例5中所形成的樣本薄膜的介電強度，和利用常規濺射方法在對比用例子中所得到的樣本薄膜的介電強度。
表3表明對比用例子中的介電強度為2伏左右，而在例5中通過對V1和V2的值進行適當選取而使得該介電強度猛增到13伏。(例6)根據例5，在向電極10供送不同佔空比的電壓並且最大電壓V1和最小電壓V2分別被設定為-10伏和-40伏的條件下，在襯底7上形成薄膜，並對所得到樣本的介電強度進行測定。圖8中示出了所測定的結果。為了進行比較，圖8還示出了利用常規濺射方法所獲得的樣本的介電強度。
圖8表明在例6中通過將佔空比設定到1∶50或更大，將可以製得介電強度明顯超過13伏的樣本襯底。(例7)根據例1，利用三氮化矽(SiN3)作為靶2的材料，並且利用RF電源作為濺射電源4，通過向電極10供送不同的最大和最小電壓，來在帶有溝槽的襯底上形成SiNx薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米，形狀比為4。並對所獲得樣本的底部覆蓋率進行測定。表4示出了所測定的結果。
通過對V1和V2的值進行合適選取，本例子將能夠使得底部覆蓋率顯著增加，從而製得底部覆蓋率高達33％左右的樣本襯底。(例8)圖9是一個示意圖，示出了根據本發明的離子化薄膜形成裝置。在該例子中，磁場發生裝置70被設置在圖1中所示薄膜形成裝置中電離區域606的附近下面將對本例子中的磁場發生裝置進行詳細描述。該磁場發生裝置70為環形電磁體，其設置在靶2與電離機構6之間，並且固定在該電離機構上。從靶2發射出的濺射微粒穿過磁場發生裝置70中心處的孔進入到電離區域606中進行電離，並且澱積在襯底7上。由磁場發生裝置70所形成的磁場在靶2的一側形成N極，而在電離機構6的一側形成S極。只要在該磁場發生裝置附近沒有鐵磁體，那麼在電離區域606附近所形成的磁場就會如圖10中示出。在本例子中，該磁場發生裝置70與用於磁控濺射的磁性機構3相互幹擾，從而形成如圖11中所示的磁力線48。本例子中利用了一個用於磁場發生裝置70的電磁體。但是，也可以利用一個能夠產生相同磁場的永磁體來將其替代。
由磁場發生裝置70所產生的磁力線48來將熱電子和濺射放電氣體離子向靶2進行導引，並且增大在襯底7上的薄膜形成速度。由於所述磁場增大了電離的效率，所以所述磁力線還用於保持電離區域穩定。例如，電離機構利用等離子體來使得磁力線48在電離區域中心附近將等離子體凝聚，並且保持等離子體在該電離區域內高度密集，以便能夠增大電離效率。所希望的磁場發生裝置70可以如圖9中所示那樣設置成與電離機構6的下部相接觸，或者是如圖12中所示那樣與設置在電離機構6與磁場發生裝置70之間距靶2表面20至80毫米處。所希望的磁場適於使得從所述陰極中部朝所述襯底距30毫米左右處的磁通密度約為150至300G。參照圖9，下面將對根據本例子的離子化薄膜形成方法進行描述。當將襯底7安裝到襯底夾持裝置8中後，利用複合抽氣系統14將濺射腔室中的氣壓抽取到5×10-5帕。然後開啟磁場發生裝置70以形成磁力線48，並且同時也開啟電離機構6。也就是說，開啟電磁體電源70a並對其進行設定，以便能夠在靶2與電離機構6之間的A點處形成150至300G的磁通密度。與此同時，開啟浮置直流電源607並將其設定為某一值。另外，絲極直流電源604也被打開，通過對絲極601進行激發來對其進行加熱，以便該絲極能夠向電離區域606發射熱電子。然後利用工藝氣體導入裝置5，將某種濺射氣體譬如氬氣導入，並且對用於複合抽氣系統14的抽氣速度調節器進行控制以調節濺射腔室1中的壓力。接著，通過開啟濺射電源4，執行濺射放電來開始進行濺射。與此同時，通過開啟信號發生器11和能量放大器12，將電壓供送到電極10上，用於在襯底7附近產生電場9。在這種情況下，作為供送到電極1上的電壓，例如具有圖3中所示波形的電壓，如前所述那樣被供送到電極10上，以便電子能夠在接近浮置電位的最大電壓V1時入射到襯底上。更具體地說，該最大電壓應該在0至-10伏的範圍內進行選定。在這種情況下，V1必須設定為接近浮置電位。為了防止由於反向濺射而造成薄膜形成的速度明顯下降，所希望的最小電壓V2被設定為-20伏至-100伏。為了使得離子能夠高效地入射到襯底上並且防止襯底被充電，所希望的頻率被設定為100千赫茲或者更高，並且波形佔空比被設定為1∶50或者更高，也就是說，最大電壓V1的供送時間與最小電壓V2的供送時間之間的比值被設定為1/50或者更低。當進行了幾分鐘的預濺射之後，保持條件不發生變化，打開襯底防護罩13來開始進行薄膜形成。通過濺射發射出的濺射微粒在電離區域606中進行電離，並被導向到襯底上，並且在襯底7附近電場9的作用下被加速，以便所述微粒能夠垂直地被導向襯底7並且澱積在襯底7上。當製得預定厚度的薄膜之後，關閉防護罩13，並且首先中斷信號發生器11，能量放大器12，濺射電源4，以及工藝氣體導入裝置5，然後中斷電離機構6中的絲極電源604，柵格電源605，浮置電源607以及電磁體電源70a。最後，關閉未示出的門閥，將濺射腔室1內抽空，並將襯底7從襯底夾持裝置8中取出。
利用前述的薄膜形成裝置，在下述條件下對薄膜進行形成·靶2的材料鋁；·靶尺寸直徑為76.2毫米，厚度為3毫米；·供送到靶2的功率300瓦；·靶與襯底之間的距離155毫米；·襯底矽晶片；·襯底尺寸直徑為76.2毫米；·薄膜厚度200毫米；·濺射腔室中的壓力1.0帕；·工藝氣體氬氣；·工藝氣體流速143 sccm；·電離機構中的柵格電壓50伏；·電離機構中的柵格電流15安；·電離機構中的浮置電源電壓-40伏；·供送到電極10的交流電壓0伏(最大)，-30伏(最小)；·供送到電極10的交流電壓頻率500 KHz；·供送到電極10的交流電壓佔空比1∶100。
通過在前述條件下改變電磁體電源70a的輸出，使得在電離機構6附近所產生的磁場發生變化而形成薄膜。在此薄膜的形成過程中，對襯底7上的薄膜形成率進行測定。圖26示出了所測定的結果。
在圖26中，橫坐標代表了靶2與電離機構6之間A點處的磁通密度，而縱坐標代表了薄膜形成率。正如圖26中所示那樣，本例子中允許將A點處的磁通密度設定為某一預定的值從而來增大薄膜形成率。例如，當A點的磁通密度為150G時，與沒有磁場產生的情況相比，薄膜的形成率將增加50％或者更多。(例9)在本例子中，對在例8中的條件下所澱積薄膜的底部覆蓋率進行測定。尤其是，如果電離機構6附近所產生的磁場在靶2與電離機構6之間的A點處的磁通密度為200G，並且是在帶有底部寬度為0.25微米、形狀比為4的溝槽的樣本襯底上形成薄膜時，那麼所測定的澱積薄膜底部覆蓋率將達到令人滿意的40％底部覆蓋率。(例10)在例9的條件下，利用二氧化矽和鋁作為靶2並且利用DC和RF電源作為濺射電源，來分別在鋁襯底上澱積厚度為100納米和200納米的二氧化矽和鋁層。通過蝕刻反應而製成的所述襯底，帶有底部寬度為0.5微米、形狀比為4的溝槽。當對鋁襯底與鋁層之間的介電強度進行測定時，可以得到令人滿意的50伏介電強度。(例11)在本例子中，工藝氣體導入裝置5如圖9中所示那樣在靶2與磁場發生裝置70之間緊貼靶2的上方設置，或者是如圖12中所示那樣設置在電離機構6與磁場發生裝置70之間。通過保持導入的氬氣的量恆定並且鎖定複合抽氣系統4中的導氣閥，來使得濺射腔室1中的壓力P設定為2帕，而氬氣在該濺射腔室1中的停留時間t被設定為0.3秒。然後在帶有溝槽的襯底上形成薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米而形狀比為4。
·靶2的材料鐵；·靶尺寸直徑為76.2毫米，厚度為3毫米；·向靶2供送的功率400瓦；·靶與襯底之間的距離155毫米；·襯底尺寸直徑為2英寸(50.8毫米)；·薄膜厚度200納米；·濺射腔室中的壓力1.0帕；·濺射放電氣體氬氣；·A點的磁通密度200G；·電離機構中的柵格電壓50伏；·電離機構中的柵格電流20安；·電離機構中的浮置電源電壓-40伏；
·向電極10供送的電壓0伏(最大)，-60伏(最小)；·向電極10供送的電壓頻率500 KHz；·向電極10供送的電壓佔空比1∶100；·A點處的磁場強度150G。(對比用例1)除了將工藝氣體導入裝置5設置在電離機構6與襯底夾持裝置8之間之外，在例11中的條件下，在一帶有底部寬度為0.25微米、形狀比為4的溝槽的樣本襯底上形成薄膜。(對比用例2)除了利用單孔型結構的工藝氣體導入裝置5之外，在與例11中工況相同的條件下，在帶有底部寬度為0.25微米、形狀比為4的溝槽的樣本襯底上形成薄膜。(對比用例3)除了將工藝氣體導入裝置5距磁場發生裝置70的外周邊10釐米處設置之外，在與對比用例2中工況相同的條件下，在一帶有底部寬度為0.25微米，形狀比為4的溝槽的樣本襯底上形成薄膜。
在所述樣本襯底的中部對底部覆蓋率進行測定。表5示出了所測定的結果。
該結果表明如果如本例子中那樣對工藝氣體導入裝置5進行設置，也就是說，構造如圖6和9中所示那樣的裝置，並且使得該裝置為帶有多個孔的環形結構，那麼與對比用例子相比，將可以提高底部覆蓋率。當利用常規的低壓遠程濺射方法在帶有底部寬度為0.25微米、形狀比為4的溝槽的樣本襯底上形成薄膜時，底部覆蓋率為16％左右。這表明與常規的低壓遠程濺射方法相比，本例子提供了更高的底部覆蓋率。(例12)在例11中的條件下，利用銅作為靶來形成薄膜。(對比用例子)在用於例子11的對比用例子1,2，和3中的條件下，利用銅作為陰極來形成薄膜。並在樣本襯底的中部對底部覆蓋率進行測定。表6示出了所測定的結果。
該結果表明如果如本例子中那樣對工藝氣體導入裝置5進行設置並且使得該裝置為一帶有多個孔的環形結構，那麼可以象例11中那樣提高底部覆蓋率。(例13)
在例11中的條件下，利用作為用於製取靶的三元合金TbFeCo，來形成薄膜。(對比用例子)在用於例11的對比用例子1,2,3中的條件下，利用作為製取陰極的三元合金TbFeCo來形成薄膜。並在樣本襯底中部對底部覆蓋率進行測定。表7示出了所測定的結果。
該結果表明如果如本例子中那樣對工藝氣體導入裝置5進行設置並且使得該裝置為帶有多個孔的環形結構，那麼可以象例11中那樣提高底部覆蓋率。該結果還表明了甚至用於磁光記載媒體的材料，譬如TbFeCo，也能夠獲得較高的底部覆蓋率。(例14)在例11中的條件下，利用二氧化矽作為靶，並且利用RF電源作為濺射電源4來形成薄膜。並在樣本襯底中部對底部覆蓋率進行測定。表8示出了所測定的結果。
該結果表明，甚至當利用RF電源作為濺射電源時，通過如本例子中那樣對工藝氣體導入裝置5進行設置，並且使得該裝置為帶有多個孔的環形結構，也能夠象例11中那樣提高底部覆蓋率。(例15)圖13是本發明中離子化薄膜形成裝置的示意圖。本例子適於能夠使得通過將某種反應氣體導入到腔室中來形成活性薄膜，其中所述腔室內安裝有反應氣體導入裝置80。用於導入某種反應氣體，譬如氮氣的所述反應氣體導入裝置80，如同工藝氣體導入裝置5那樣進行構造，並且被設置成能夠將所述氣體均勻地送向電離區域606。例如，對於用作保護薄膜的氮化矽和二氧化矽來說，分別導入氮氣和氧氣，而對於用作阻擋膜的氮化鈦來說，則導入氮氣。用於靶2的材料和導入反應氣體導入裝置80的反應氣體類型，可以根據所需的活性薄膜而發生變化。所述反應氣體也與電離區域606中的濺射微粒和工藝氣體微粒一起被電離。
在本例子中，利用如上所述構造的離子化薄膜形成裝置，在下述條件下利用5分鐘在帶有溝槽的矽襯底上和平整的襯底上形成活性薄膜(SiNx薄膜)，其中所述的溝槽底部寬度為0.25微米，形狀比為4。並對所得到的底部覆蓋率和襯底溫度進行測定。為了生成電場9，所供送的脈衝波形的最大幅值電壓為30伏，所供送的最大電壓為0伏，500赫茲，並且佔空比為1∶100。
·用於靶2的材料矽；·向靶2供送的功率300瓦；·濺射腔室中的壓力1帕；·工藝氣體氬氣；·工藝氣體的流速200 sccm；·反應氣體氮氣；·反應氣體的流速60 sccm；·電離結構中的柵格電壓50伏；·電離結構中的發射電流20安·電離結構中的電位控制電源浮置。(對比用例1)在例15中的條件下，通過以13.56兆赫的RF頻率向電極10供送200瓦的能量來形成薄膜。並對底部覆蓋率進行測定。(對比用例2)在例15中的條件下，不利用電離結構來形成薄膜。並對底部覆蓋率進行測定。
表9示出了所測定的結果。它們表明與利用向電極10供送RF或者利用常規濺射方法形成的薄膜相比，本例子顯著地提高了底部覆蓋率。
上面的結論是由下述原因而得出的。如果反應氣體的分子接近於襯底7，那麼垂直入射到該襯底上的濺射微粒的量將會減少。這是因為在電場9的作用下朝襯底7垂直移動的一些電離濺射微粒會在與反應氣體微粒碰撞時將會被反應氣體微粒進行漫射。從而導致底部覆蓋率降低。在另一方面，在本例子中，反應氣體微粒也被電離並且沿電場9入射到襯底7上而形成活性薄膜，以便能夠增大所述的底部覆蓋率。常規低壓遠程濺射方法所提供的底部覆蓋率為20％左右，但本例子則可提供40％左右顯著增大的底部覆蓋率。當將RF供送到電極10上時，襯底的溫度達到200℃或者更高。相反，本例子則能夠提供明顯降低的襯底溫度50℃。這大致與利用常規濺射方法形成薄膜情況下的襯底溫度相同。該結果表明不僅可以在半導體襯底上而且能夠在由低耐熱性材料製成的襯底上形成澱積薄膜，譬如在由廣泛用於製造只讀光碟和磁光碟的樹脂材料所製成的襯底。(例16)
在與例15中相同的條件下，當形成薄膜時，通過向電極供送最大供送電壓被設定為0伏的正弦，矩形，三角形波以及偏置的正弦，矩形，脈衝和三角形波來生成電場9。所供送的矩形波為三種類型矩形波1,2,和3。矩形波1橫跨基準電壓而發生周期性變化，以便使得最大電壓的供送時間與最小電壓的供送時間大致相等。矩形波2為負值並且周期性變化，以便使得最大電壓的供送時間與最低電壓的供送時間相等。矩形波3則是能夠使得最大電壓的供送時間為最低電壓的供送時間的1/100或者更短。在30伏的最大幅值電壓和不同頻率條件下來形成薄膜，並且對底部覆蓋率和襯底溫度進行測定。表10示出了所測定的結果。
任何波形和頻率均可提供實際的底部覆蓋率。尤其是，矩形波3和脈衝波可以形成令人滿意的薄膜。並且矩形波3和脈衝波還能夠將襯底溫度控制在實用的範圍內，尤其是在較高頻率的條件下。(例17)在例17中的條件下，利用供送到電極10的0伏最大電壓在500KHz和不同的最大幅值電壓條件下形成薄膜。並對底部覆蓋率和襯底溫度進行測定。表11示出了所測定的結果。
任何波形均可在30伏至100伏的最大幅值電壓條件下提供實際的底部覆蓋率。尤其是，脈衝波和矩形波3在最大幅值電壓為30至100伏的條件下能夠帶來顯著的效果。該結果表明由於這些波形能夠較其他波形在襯底溫度上產生的升高較小，所以脈衝波和矩形波3可以用於由低耐熱性材料所製成的襯底。(例18)圖14是本例子中離子化薄膜形成裝置的示意圖。該薄膜形成裝置為圖1中所示的布局，並且帶有設置在襯底7附近的輔助電極23。安裝在襯底7背面上的電極10具有第一電壓供送裝置11和12，用於向電極10供送周期性變化的電壓。該輔助電極23用於使得電場9在襯底7端部的分布與襯底中間部的分布相同。該輔助電極23適於使得由第二供送裝置，即函數綜合器21和能量放大器22，向該輔助電極供送與供送到電極10上的電壓相同的電壓。可以向輔助電極23供送負的直流電壓。也可以利用直流電源來替代函數綜合器21和能量放大器22。必需向輔助電極供送與供送到電極10上的電壓相同的電壓，例如，具有圖3中所示波形的電壓。利用圖14中所示的裝置，在下述條件下形成薄膜·靶尺寸直徑為76.2毫米；
·電極10的尺寸直徑為76.2毫米；·輔助電極的尺寸(襯底的表面尺寸)內徑為86.2毫米，外徑為96.2毫米；·電極10與輔助電極之間的間隙5毫米；·靶材料鋁；·向靶供送的功率500瓦；·襯底尺寸直徑為76.2毫米；·濺射腔室中的壓力1.3帕；·放電氣體氬氣；·放電氣體的流速200 sccm；·電離機構中的柵格電壓50伏；·電離機構中的柵格電流20安(在薄膜形成過程中)；·電離機構中的浮置電源電壓0伏；·供送到電極10上的電壓0伏(最大)，-30伏(最小)；·供送到電極10上的電壓頻率500 KHz；·供送到電極10上的電壓佔空比1∶100；·供送到輔助電極23上的電壓頻率500 KHz；·供送到輔助電極23上的電壓佔空比1∶100。
在這些條件下，通過向輔助電極23供送不同大小的最大和最小電壓V1和V2，來在帶有溝槽的襯底上形成薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米，形狀比為4。在襯底的中部和從襯底端部朝其中部距離3毫米處對底部覆蓋率進行測定。表12中給出了所測定的結果。
為了比較起見，在前述條件下，利用輔助電極23在基準電壓和浮置電壓條件下形成薄膜。表12也給出了比較用樣本中底部覆蓋率的測定值。正如表12中所示，該結果表明本例子顯著地提高了襯底7端部的底部覆蓋率。例如，當輔助電極為基準電壓時從襯底端部朝其中部距離3毫米處的底部覆蓋率為8％，而當輔助電極為浮置電壓時為20％。另一方面，當供送到輔助電極上的最大電壓V1和最小電壓V2分別被設定在-10伏至0伏和-60伏時，從襯底端部朝其中部距離3毫米處的底部覆蓋率為40％左右，這與襯底中部的底部覆蓋率相同。這個事實表明襯底的有效面積增大了。相應地，這也意味當製取下一代DRAM，磁疇壁移動類型的磁光記載媒體，等等時，可以在襯底的整個表面上形成較高的底部覆蓋率。(例19)通過反應蝕刻，來在多個鋁製樣本襯底上形成底部寬度為0.5微米、形狀比為4的溝槽。根據例18，利用二氧化矽作為靶材料並且利用RF作為濺射電源，通過向輔助電極23供送不同大小的最大電壓V1和最小電壓V2來在鋁製樣本襯底上形成二氧化矽薄膜。
根據例18，通過向輔助電極23供送不同大小的最大電壓V1和最小電壓V2，來在已經如前所述形成二氧化矽薄膜的鋁製樣本襯底上形成鋁薄膜。從而在溝槽外側分別得到20納米和300納米厚度的二氧化矽和鋁薄膜。
在各個樣本襯底的中部和從其端部朝其中部距離3毫米處的溝槽底部，對鋁製襯底與形成於其上的鋁薄膜之間的介電強度進行測定。表15示出了所測定的結果。
為了進行比較，表13中還示出了在前述條件下利用輔助電極在基準電壓和浮置電壓時所得到的介電強度測定結果。
正如表13中所示，該結果表明本例子顯著地提高了襯底端部的介電強度。例如，當將-60伏的直流電壓或者將最大電壓V1為0至-10伏並且最小電壓為-60伏的電壓供送到輔助電極23上時，在襯底端部所形成的介電強度為13伏左右，其與襯底中部的介電強度相同。
在本例子中的條件下對薄膜進行形成的過程中，浮置電位如前所述那樣位於0至10伏範圍內。從本例子中的結果來看，通過將最大電壓V1設定為由浮置電位減去10伏所得到的值，從而可以得到更適合的結果。(例20)圖15是本例子中離子化薄膜形成裝置的示意圖。該裝置具有圖1中所示的布局，並且假定電極10大於襯底7。例如，當襯底7為圓盤形時，電極10也為比襯底直徑更大的圓盤形。電極10延伸超出襯底7的端部。並由電極10的延伸突出部30來形成電場。該電場使得襯底7端部的電場與其表面相垂直，從而使得電場均勻地分布在襯底7的整個表面上。利用這樣一個裝置，在下述條件下形成薄膜·靶2所尺寸直徑為76.2毫米；·靴2的材料鋁；·向靶2供送的功率500瓦；
·濺射腔室中的壓力1.3帕；·襯底7的尺寸直徑為76.2毫米；·放電氣體氬氣；·放電氣體流速200 sccm；·電離機構中的柵格電壓50伏；·電離機構中的柵格電流20安(在薄膜形成過程中)；·電離機構中的浮置電源電壓0伏·電極10的形狀圓盤形·供送到電極10的電壓0伏(最大)，-60伏(最小)；·供送到電極10的電壓頻率；500KHz；·供送到電極10的電壓佔空比1∶100。
在這些條件下，並且在由於電極10的形狀(尺寸)不同而使得電極10的直徑與襯底7的直徑之比不同的條件下，在帶有溝槽的襯底上形成薄膜，其中所述溝槽的底部寬度為0.25微米，形狀比為4。在襯底中部和從襯底端部朝其中部距離3毫米處對底部覆蓋率進行測定。如圖16中所示，結果表明本例子顯著地提高了襯底7端部的底部覆蓋率。當電極10具有二倍於襯底7直徑的直徑時，在從襯底端部朝其中部距離3毫米處所得到的底部覆蓋率為40％左右，其與襯底中部的底部覆蓋率相同。
在本例子中的條件下形成薄膜的過程中，浮置電位如前所述那樣位於0至10伏的範圍內。從本例子中的結果來看，通過將最大電壓V1設定為由浮置電位減去10伏所得到的值，從而可以得到較為適合的結果。(例21)在例20中的條件下。利用二氧化矽和鋁作為靶材料，並且利用RF電源作為濺射電源。通過反應蝕刻，來在多個鋁製樣本襯底上形成底部寬度為0.5微米、形狀比為4的溝槽。
在由於電極10直徑的不同而使得電極10的直徑與襯底7的直徑之比不同的條件下，以二氧化矽薄膜和鋁薄膜的順序來對它們進行形成。在溝槽外側的二氧化矽薄膜和鋁薄膜分別為100納米和300納米。
在各個樣本襯底中部和從襯底端部朝其中部距離3毫米處的溝槽底部上，對鋁製襯底與形成於其上的鋁層之間的介電強度進行測定。圖17示出了所測定的結果。它們表明本例子能夠顯著地提高襯底7端部的介電強度。當電極10的直徑為襯底7的直徑或者其最長的對角線的二倍時，從襯底7端部朝其中部距離3毫米處所得到的介電強度為13伏左右。(例22)圖18是本例子中離子化薄膜形成裝置的示意圖。該裝置具有圖1中所示的布局，並且使得該電離機構6帶有熱屏蔽機構608。圖19A和19B是電離機構6的結構示意圖。圖19A和19B分別是該電離機構6的頂視圖和側視圖。該電離機構6和柵格602適於從絲極直流電源603向絲極601供送電流以對其進行加熱，從而使得所述絲極發射出熱電子，其中電離機構6中帶有相互平行並串聯的絲極601。柵格602具有平面柵格結構。該裝置適於通過從柵格直流電源604向柵格602供送正電壓來使得熱電子從絲極601朝柵格602加速前移。該電離機構6的周邊被屏蔽面板608和側板罩住，從而將絲極601和柵格602包覆其內。該屏蔽面板608被設置成既能夠使得其不會阻斷濺射微粒從靶2向襯底7的移動軌跡，而且又能夠使得從絲極601和柵格602輻射出的熱量不會直接到達襯底7。帶有水冷卻裝置609的屏蔽面板608，被構造成用於防止由於輻射熱量和射入電子而造成溫度急劇升高，並且還用於防止熱量輻射到周圍的環境中。柵格602和絲極601一側的電位與外殼的電位相同。該外殼被正常浮置。但是，為了防止電子發生漫射，可以利用電位控制直流電源605來向外殼供送正的直流電壓。前述薄膜形成裝置用於在下述條件下形成薄膜·用於靶2的材料鋁；·向靶2供送的功率500瓦；·濺射腔室中的壓力1.33帕；·工藝氣體氬氣；·工藝氣體流速200 sccm；·電離機構中的柵格電壓100伏；·電離機構中的電位控制電源電壓浮置；·供送到電極10的交流電壓頻率100 KHz。
圖20示出了當將屏蔽面板608從該電離機構6中去除，和當在該機構中安裝不被水冷卻的屏蔽面板時所觀察到的薄膜形成時間與襯底溫度之間的關係。在本例子中，其用於研究襯底溫度如何根據是否安裝屏蔽面板608而發生變化。
如圖20中所示，當屏蔽面板被去除時，隨著薄膜形成時間的增加襯底的溫度也發生升高，以致於當薄膜形成時間超過10分鐘時襯底溫度達到200℃。雖然當安裝沒有水冷作用的屏蔽面板時襯底溫度也隨薄膜形成時間的增加而升高，但是溫度升高得比較小，並且薄膜形成時間超過10分鐘後襯底溫度將不再升高。另外，襯底溫度僅能夠達到50℃。正如前面所述，安裝屏蔽面板將能夠明顯減少襯底溫度的升高。該研究表明本例子允許通過高頻等離子體輔助濺射工藝來在低耐熱性的襯底上形成薄膜，並且本例子可以真正實際地應用到低耐熱性的襯底上。(例23)在本例子中，其用於研究襯底溫度是如何根據安裝在電離機構中的屏蔽面板是否進行水冷卻而變化的。圖20示出了當屏蔽面板被水冷卻和當其不被水冷卻時所觀察到的薄膜形成時間與襯底溫度之間的關係。當該屏蔽面板經過水冷卻時的襯底溫度比其不被水冷卻時的襯底溫度要低。另外，當屏蔽面板被水冷卻時，在薄膜形成時間超過10分鐘後襯底溫度不再升高。這意味著水冷卻屏蔽面板能夠使得襯底溫度的升高進一步減少。因而發現，與例22相比，水冷卻的屏蔽面板能夠允許在具有更低耐熱性的襯底上形成薄膜。(例24)在例22中的條件下，在三種帶有形狀比為4的溝槽的襯底上形成薄膜。在安裝有屏蔽面板和沒有安裝屏蔽面板的情況下對底部覆蓋率進行測定。圖21示出了所測定的結果。它們表明在本例子中可以在具有低耐熱性的襯底上形成較高底部覆蓋率的薄膜。例如，當沒有安裝屏蔽面板而在其上形成薄膜時，特氟隆(Teflon)和聚碳酸酯(polycarbonate)襯底將會變形或灼燒。但另一方面，通過安裝水冷卻屏蔽面板，襯底將不會變形，並且可以得到較高的底部覆蓋率。在本例子中，由於在電離機構6與襯底7之間設置屏蔽面板608作為包覆電離機構6的外殼，所以從電離機構6中的絲極601和柵格602朝襯底7輻射的熱量將會被阻止，從而使得襯底7上的溫度升高最小化。因而，可以得到較高的底部覆蓋率，以便在具有低耐熱性的襯底上可靠地形成薄膜，但是在其上卻不能夠利用高頻等離子體輔助電離濺射工藝來形成薄膜。相應地，這意味著當製取下一代DRAM，磁疇壁移動類型的磁光碟或者類似物時，經過電離的微粒會在具有較高形狀比的溝槽或孔中澱積以形成具有較高底部覆蓋率的薄膜。(例25)圖22示出了本例子中離子化薄膜形成裝置的結構。該裝置具有圖l中所示的布局，並且還帶有磁場發生裝置7，反應氣體導入裝置80，輔助電極23，以及用於電離裝置6的熱屏蔽元件608。利用該裝置，在日本專利申請No.6-290496中公開的磁疇壁移動型記載媒體上來形成薄膜。磁性複合層至少由三層組成，也就是說，由用於記載的第一，第二和第三層組成。該第一磁性層由具有室溫下低於第三磁性層的磁壁矯頑力的磁性薄膜製成，該第二磁性層由具有低於第一和第三磁性層的居裡溫度(Curie point)的磁性薄膜製成，而第三磁性層由豎直磁性薄膜(Vertical magnetic film)製成。該裝置帶有GdFeCoCr,TbFeCr，和TbFeCoCr合金靶，分別用於形成第一，第二和第三磁性層，並且帶有一個矽靶，用於形成被用作幹涉層和保護層的氮化矽薄膜。圖23示出了用於本例子中的襯底外形。該襯底如下所述而得以形成。溝槽之間的間隔和它們的深度分別為1.0微米和0.2微米。在溝槽之間的紋間表面和溝槽底部上帶有平行於襯底表面的0.43微米寬的平整表面。紋間表面與溝槽之間的斜面相對於直徑為86毫米的襯底表面大約傾斜70％。在下面給定的條件下，在如前所述所形成的襯底上連續地形成薄膜，以便真空狀態不會喪失。
·靶尺寸直徑為127毫米，厚度為3毫米；·向靶2供送的功率500瓦；·靶與襯底之間的距離155毫米；·襯底尺寸直徑為2英寸(50.8毫米)；·薄膜厚度200納米；·濺射腔室中的壓力1至2.5帕；·濺射放電氣體氬氣；·反應氣體氮氣(在SiNx薄膜形成過程中)；·電離機構中的柵格電壓30伏；·電離機構中的柵格電流20安；·電離機構中的浮置電源電壓-30伏；·供送到電極10的電壓0伏(最大)，-30伏(最小)；·供送到電極10的電壓頻率500 KHz；·供送到電極10的電壓佔空比1∶100；
A點處的磁通密度150G。
薄膜的結構和厚度如下所述襯底/SiNx,90納米/GdFeCoCr,30納米/TbFeCr,10納米/TbFeCoCr,80納米/SiNx,80納米；襯底/幹涉層/第一磁性層/第二磁性層/第三磁性層/保護層上面給出的厚度是在紋間表面上所測定到的值。通過在靶上設置2毫米見方的晶片，來對Co和Cr的量進行調整以便使得各個磁性層的結構近似於補償結構。第一，第二和第三磁性層的居裡溫度被分別設定為210℃,120℃和290℃左右。工作壓力被調節到最適於各個層。通過導入氮氣，利用矽襯底來形成用作幹涉和保護層的SiNx薄膜。為了對所製取的襯底進行防護，利用UV固化樹脂對其進行包覆。(對比用例子)當電離機構6不工作時，除了濺射壓力和陰極與襯底之間的距離被設定為0.3帕和180毫米之外，利用常規磁控濺射方法在例26中的條件下形成薄膜。將利用這種方式製取的樣本安置在帶有能夠產生680納米波長雷射光頭和帶有NA 0.55物鏡的驅動裝置中。使得該樣本以7.5赫茲的頻率轉動，來觀測半徑為31至33毫米處的記錄性能。當利用固態磁頭將磁場調製到7.5MHz時，通過利用直流雷射束對紋間表面和溝槽進行輻射來在標記長度中重複進行0.1微米圖譜的磁場調製記錄。對所記錄的這些信號在2.5毫瓦的還原功率下進行還原，用於與所述樣本進行記錄功率上的C/N比值進行比較。利用普通的單束光系統進行評估。通過還原光束的加熱，形成溫度差來移動磁疇壁。圖24示出了所測定的結果。在本例子中，與對比用例子中的樣本相比，當用於紋間表面和溝槽的錄製功率為4毫瓦或更大時，C/N比率增大了5dB或者更多。另外，如果以預定的或者較大的記錄功率來利用光束在磁軌道和斜面的端部上形成被加熱區域，那麼澱積在所述斜面上的薄膜量將非常少，以致於可以忽略磁場合成，並且在磁疇的側壁上也不會形成磁疇壁。從而記錄標記可以被製成磁疇，使得記錄軌道中的前磁疇壁與後磁疇壁大體分開。正因為如此，可以利用溫度差來使得記錄軌道中的磁疇壁沿軌道方向穩定地移動。另一方面，在對比用例子中，如果在記錄軌道和斜面的端部上形成被加熱區域，那麼由於磁疇壁也會形成在斜面上所以在磁疇的側面上也會存在磁疇壁。從而記錄際記被製成緊湊的磁疇，其中經磁疇側面上的磁疇壁使得記錄軌道中的前磁疇壁與後磁疇壁組合在一起。正因為如此，當利用溫度差使得記錄軌道中的磁疇壁沿該軌道方向發生移動時，依照磁疇壁是否在磁疇延伸或裁切的方向發生移動而使得磁疇壁的移動幅度不一致。因而，磁疇壁將不可能穩定移動，從而增大了噪音，並且C/N比值降低。根據本例子中的另外一種模式，如圖25中所示，可以利用電極10的延伸部替代輔助電極23而設置在該裝置中，從而得到具有相同性能的記錄媒體。
如前所述，本發明能夠在可靠地抑制襯底溫度升高的同時，在帶有較高形狀比的溝槽(包括連續的凹槽和獨立的凹槽，譬如孔)的襯底上以較高的底部覆蓋率形成薄膜。
由於本發明能夠使得反應氣體微粒垂直入射到襯底上，所以本發明還能夠澱積縱向生長較好的活性薄膜。本發明還可以提供一種薄膜形成方法與一種薄膜形成裝置，它們最好被用於磁疇壁移動類型的記錄媒體和類似物，並且在所述記錄媒體和類似物中紋間表面與溝槽之間的斜面不同於其他紋間表面與溝槽之間的斜面。
表1襯底溫度
表2底部覆蓋率
表3介電強度
表4底部覆蓋率
表5
表6
表7
表8
表9
表10 說明襯底溫度是指樹脂襯底的溫度表11 說明襯底溫度是指樹脂襯底的溫度表12底部覆蓋率(％)
表13介電強度(伏)
權利要求
1．通過濺射形成澱積薄膜的方法，包括下述步驟對濺射微粒進行電離；向襯底附近的電極供送周期性變化的電壓；其中等於或大於該周期性變化電壓的最大與最小值之間的中間值的電壓的供送時間比等於或小於該中間值的電壓的供送時間要短。
2．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是該周期性變化電壓中的最大值足能夠防止襯底被充電，而該周期性變化電壓的最小值又足能夠將所述微粒導向所述襯底。
3．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是該周期性變化電壓的最大值的範圍為-20伏至0伏。
4．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是向設置在襯底附近的電極所供送的周期性變化的電壓的幅值範圍為0至-100伏。
5．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是供送到所述電極的電壓以100千赫茲或者更高的頻率進行周期性變化。
6．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是供送到所述電極的電壓具有矩形波形，並且最大電壓的供送時間與最小電壓的供送時間之比為1/50或者更小。
7．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是所述的電離藉助於熱陰極型來實現。
8．根據權利要求1中所述的方法，還包括有在用於進行電離的電離區域附近生成磁場的步驟。
9．根據權利要求7中所述的方法，其特徵是在電離區域所產生的熱電子被所述磁場導向靶。
10．根據權利要求8中所述的方法，其特徵是磁場方向至少包括沿連接靶與襯底的直線方向的分量。
11．根據權利要求1中所述的方法，還包括有在電離區域對反應氣體微粒進行電離的步驟。
12．根據權利要求1中所述的方法，還包括有向設置在襯底附近的輔助電極供送電壓的步驟，該電壓與供送到襯底附近電極上的電壓相同或者為負的恆定電壓。
13．根據權利要求12中所述的方法，其特徵是供送到所述襯底附近的電極與輔助電極上的電壓範圍為0至-100伏。
14．根據權利要求12中所述的方法，其特徵是供送到所述襯底附近的電極與輔助電極上的電壓以100千赫茲或者更高的頻率進行周期性變化。
15．根據權利要求12中所述的方法，其特徵是供送到所述襯底附近的電極與輔助電極上的電壓具有矩形波形，並且最大電壓的供送時間與最小電壓的供送時間之比為1/50或者更小。
16．根據權利要求12中所述的方法，其特徵是所述電離藉助於熱陰極型來實現。
17．根據權利要求1中所述的方法，其特徵是所述襯底附近的電極在該襯底的周邊上具有延伸突出部。
18．根據權利要求17中所述的方法，其特徵是供送到所述襯底附近電板上的電壓範圍為0至-100伏。
19．根據權利要求17中所述的方法，其特徵是供送到所述襯底附近電極上的電壓以100千赫茲或者更高的頻率進行周期性變化。
20．根據權利要求17中所述的方法，其特徵是供送到電極上的電壓具有矩形波形，並且最小電壓的供送時間與最大電壓的供送時間之比為1/50或者更小。
21．根據權利要求17中所述的方法，其特徵是所述電離藉助於熱陰極型來實現。
22．根據權利要求1中所述的方法，還包括有對電離過程中所產生的朝襯底輻射的熱量進行屏蔽的步驟。
23．根據權利要求22中所述的方法，其特徵是對熱輻射的屏蔽是由屏蔽結構元件來實現的。
24．根據權利要求22中所述的方法，其特徵是對熱輻射的屏蔽是在電離微粒運動路徑之外的區域內進行的。
25．根據權利要求23中所述的方法，還包括有對所述屏蔽結構元件進行冷卻的步驟。
26．根據權利要求23中所述的方法，還包括有向所述屏蔽結構元件供送預定電壓的步驟。
27．通過濺射形成澱積薄膜的方法，包括如下步驟對濺射微粒進行電離；向襯底附近的電極供送周期性變化的電壓；其中該周期性變化的電壓的最大值等於或者高於浮置電位減去10伏所得到的值。
28．通過濺射形成澱積薄膜的方法，包括如下步驟對濺射微粒進行電離；向襯底附近的電極供送周期性變化的電壓；其中該周期性變化的電壓的最大值接近於浮置電位。
29．通過將濺射微粒導向襯底形成澱積薄膜的電離濺射裝置，包括帶有抽氣系統的濺射腔室；將工藝氣體導入該濺射腔室的氣體導入裝置；設置在該濺射腔室中的靶；設置在靶與襯底之間的電離裝置；設置在襯底附近的電極；用於向所述電極供送周期性變化的電壓的電壓供送裝置，以便等於或高於該周期性變化電壓的最大與最小值之間的中間值的電壓的供送時間比等於或者低於該中間值的電壓的供送時間要短。
30．根據權利要求29中所述的裝置，其特徵是所述電離裝置為熱陰極型。
31．根據權利要求30中所述的裝置，還包括有設置在所述電離裝置附近的磁場發生裝置。
32．根據權利要求31中所述的裝置，其特徵是由所述磁場所形成的磁力線方向至少包括連接靶與襯底的直線方向的分量。
33．根據權利要求31中所述的裝置，其特徵是該磁場發生裝置包括設置在靶與電離裝置之間的第一磁體；相對於所述靶位於所述襯底對面的第二磁體。
34．根據權利要求33中所述的裝置，還包括有由被導向靶一側的電子來激發從氣體導入裝置導入的工藝氣體的裝置。
35．根據權利要求31中所述的裝置，其特徵是從所述靶的中心朝所述襯底方向30毫米處的磁通密度範圍為150至300G。
36．根據權利要求29中所述的裝置，還包括環繞所述襯底設置的輔助電極。
37．根據權利要求36中所述的裝置，還包括用於向所述襯底附近的電極供送周期性變化的電壓的第一電壓供送裝置，使得等於或者高於該周期性變化的電壓的最大與最小值之間的中間值的電壓的供送時間比等於或者低於該中間值的電壓的供送時間要短；第二電壓供送裝置，用於向所述輔助電極供送等於供送到襯底附近電極上的電壓或者負的恆定電壓。
38．根據權利要求36中所述的裝置，其特徵是所述電離裝置為熱陰極型。
39．根據權利要求29中所述的裝置，其特徵是所述襯底附近的電極在襯底周邊帶有延伸突出部。
40．根據權利要求39中所述的裝置，其特徵是所述電離裝置為熱陰極型。
41．根據權利要求29中所述的裝置，還包括有熱屏蔽結構，用於防止薄膜形成過程中的熱輻射直接到達所述襯底。
42．根據權利要求41中所述的裝置，其特徵是所述電離裝置為熱陰極型。
43．根據權利要求41中所述的裝置，其特徵是所述熱屏蔽結構設置在所述電離裝置與襯底之間。
44．根據權利要求43中所述的裝置，其特徵是所述熱屏蔽結構被設置成使得所述已電離微粒從所述靶到所述襯底的運動路徑不受幹擾。
45．根據權利要求41中所述的裝置，還包括用於冷卻所述屏蔽結構的冷卻裝置。
46．根據權利要求45中所述的裝置，其特徵是所述冷卻裝置為水冷卻型。
47．根據權利要求31中所述的裝置，其特徵是所述氣體導入裝置設置在所述靶與磁場施加裝置之間或者所述磁場施加裝置與電離裝置之間。
48．根據權利要求29中所述的裝置，其特徵是所述氣體導入裝置為帶有設置在其中部側面上的多個出氣口的圓柱形管道，並且所述氣體導入裝置被設置成環繞由電離裝置所形成的電離區域的中央。
全文摘要
本發明提供了一種薄膜形成方法,其包括對濺射微粒進行電離和向襯底附近的電極供送周期性變化的電壓的步驟,其中等於或者高於該周期性變化的電壓的最大與最小值之間的中間值的電壓的供送時間比等於或者低於該中間值的電壓的供送時間要短,並且還提供了用於執行前述方法的薄膜形成裝置。
文檔編號H01J37/34GK1303953SQ00137610
公開日2001年7月18日 申請日期2000年11月30日 優先權日1999年11月30日
發明者山口裕人, 金井正博, 小池淳, 大矢克典 申請人:佳能株式會社