磁場発生装置及びスパッタリング装置
【課題】基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電力を制御することで回転磁場を発生可能であるとともに、基板マグネットのサイズを低コストで変更することができる磁場発生装置を提供する。
【解決手段】磁場発生装置は、磁性材料からなる略棒状のコアエレメント２１に導線２３が巻回された有芯コイルエレメント２０を、磁性材料からなる接続部品３１を介して多角形状に連結して構成されており、基板保持台に載置された基板表面に平行な磁界を発生することができる。
【解決手段】磁場発生装置は、磁性材料からなる略棒状のコアエレメント２１に導線２３が巻回された有芯コイルエレメント２０を、磁性材料からなる接続部品３１を介して多角形状に連結して構成されており、基板保持台に載置された基板表面に平行な磁界を発生することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場発生装置及びスパッタリング装置に関し、特に容易に基板の成膜面での磁界の大きさや向きを変えることができる磁場発生装置及びこのような磁場発生装置を備えたスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置においては、益々の記録密度向上が要求されており、記録媒体に記録された磁気信号を電気信号に変換する磁気記録再生ヘッドにおいても高性能化が要求されている。磁気再生ヘッドに関する技術課題を克服するために様々な研究が進められてきている。その中でも、反強磁性層の上に軟磁性膜（ピン層）を形成し、さらに非常に薄い非磁性膜を間にはさんで別の軟磁性膜（フリー層）によって構成されるスピンバルブ方式が好んで使用されている。これらの薄膜は、スパッタ法を利用して積層状態に成膜される（特許文献１参照）。
【０００３】
スピンバルブ構造をもつヘッドでは、記録媒体からの磁場によりフリー層の磁化方向が変化し、これによる電気抵抗の変化で記録信号を検出している。普通の軟磁性膜は、多くの磁区から構成されているが、このような膜をフリー層として使用すると、フリー層の磁化方向が変化する際に、磁区の不連続的な移動に伴うノイズ（バルクハウゼンノイズ）が発生する。従って、スピンバルブ構造のヘッドに使用する軟磁性膜は、できるだけ磁区の移動が少なく、バルクハウゼンノイズの少ない膜が望まれる。
【０００４】
このような、制御された磁化容易軸を持つ軟磁成膜は、スパッタ成膜中に均一で方向性の揃った磁界内に配置された基板上に成膜することで得ることができる。そして、バルクハウゼンノイズを十分なレベルまで低減させるためには、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃える必要がある。また、このときの磁界強度として８０ガウス程度が必要とされている。
【０００５】
基板に対して均一な方向に磁場を投入する技術は従来から知られており、基板外周部もしくは基板下部に磁石や電磁石（以下、基板マグネットとする）を配置するなど基本構造は同じである。特許文献２に記載された技術によれば、リング状に固定された永久磁石を使用して、基板に対して均一な方向に磁場を投入する方法が提案されている。
【０００６】
しかし、必要なときにのみ磁場を投入したい場合には永久磁石では都合が悪い。例えば、１つの真空容器（真空モジュールとする）にスパッタカソードが複数個設置されていて、非磁性膜と磁性膜を交互に成膜するような場合、非磁性膜の成膜中にも基板マグネットからの磁場の影響を受けてしまうことで膜厚分布は悪化するという問題がある。
【０００７】
この対策としては、非磁性成膜専用真空モジュール、磁性成膜専用真空モジュールといったように成膜種別に分けることが考えられる。しかしこの場合、同一の真空モジュール内に格納できるターゲットの組み合わせが限定されることになる。永久磁石リングを基板から遠ざけることで磁場の影響を減らすことは可能であるが、基板上の磁場を完全に取り去ることは困難であり、非磁性膜の膜厚分布に影響を与えてしまうおそれがあった。
【０００８】
更に、基板マグネットを搭載している真空モジュールの隣に基板エッチング、基板クリーニングなどの真空モジュールがある場合、基板マグネットのわずかな漏洩磁場により隣の真空モジュール内のプラズマが影響を受けてエッチング分布に影響を与えてしまう問題も知られている。すなわち、真空モジュールの配置についても制限されることになる。このような問題に鑑みて、基板マグネットとして電磁石を使用することも提案されている。電磁石を用いることにより、必要なときにだけ基板に磁場を投入することができる。
【０００９】
基板マグネットとしての電磁石に関しても様々な技術が既に提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。これら二つの特許文献に記載された技術は、リング状の強磁性体（コア）に均等配置に複数のコイルを巻きつけ、これらのコイルに電流を流すことでコアから磁場を発生させる方式を採用している点で共通している。これらの特許文献ではコイルの個数を１０個〜３０個とした例が記載されており、これらのコイルを複数のコイル群としてグループ化するとともに、コイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能に構成されている。
【００１０】
特許文献４では、基板位置決め板（ステージ）下部に電磁石を配置する方法が取られている。この方法の利点は基板直下から磁場を投入することができるため、電磁石の寸法を比較的小さくできることと、コイルに流す電流を少なくすることができる点にある。しかし近年、基板を極低温まで冷却しながらの成膜や、５００℃、８００℃まで加熱するようなアプリケーションが見られ、これらの目的に対応したステージを設計するにあたり、ステージ直下に電磁石を入れることは、電磁石の温度管理やステージ部材との干渉の面から困難である。一方、特許文献３では、基板よりも外側に電磁石を配置する方法を採用しておりこの場合、ステージの機構に関わらず電磁石を配置することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１５８９７５号
【特許文献２】ＵＳ６７４３３４０
【特許文献３】特許公報第４１７０４３９号
【特許文献４】特表２００４−５０２３１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献３、４のいずれにおいても、磁場の方向が均一である領域は基板マグネットの中心付近に限られている。たとえ直径１５０ｍｍ基板面内でスキュー分散角が小さくても直径２００ｍｍ基板では特に基板外周領域にてスキュー分散角が悪化する場合が多い。具体的には、特許文献４の図８のように直径１５０ｍｍ以内では±１°以内のスキュー分散角が得られたとしても、直径２００ｍｍでは±３°以上のスキュー分散角となってしまうことが示されている。
【００１３】
そのため、基板サイズを変更した場合には電磁石のサイズも変更しなければならないにもかかわらず、リング状のコアは寸法が決まってしまっていることからコアやコイルの再利用は困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能であるとともに、基板マグネットのサイズを低コストで変更することができる磁場発生装置及びスパッタリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る磁場発生装置は、前記基板表面近傍に当該表面に平行な方向の磁界を生成するスパッタリング装置の磁界発生装置において、磁性材料からなる略棒状のコアエレメントに導線が巻回されてなる複数の有芯コイルエレメントと、
前記有芯コイルエレメントと同数の磁性材料からなる接続部品とを有して構成され、有芯コイルエレメントは、接続部品を介して多角形状に連結されていることを特徴とする。また、本発明に係るスパッタリング装置は、上述の磁場発生装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る磁界発生装置及びスパッタリング装置を用いることで、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能であるとともに、基板サイズが変わった場合でも、共通の部材を用いて容易に基板マグネットのサイズを変更させることが可能になるため、装置の変更に伴うコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る有芯コイルエレメントの正面図と断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁場発生ユニットと接続部品の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構の真空容器への構成例である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁場発生ユニットの概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁場発生ユニットの概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構の模式図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構の制御回路の模式図である。
【図９】本発明の一実施形態（実施例１）に係る磁場発生ユニットの概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態（実施例１）に係る磁場発生ユニットの概略図と磁場強度とスキュー分散角の分布図である。
【図１１】本発明の一実施形態（実施例２）に係る磁場発生ユニットの概略図と磁場強度とスキュー分散角の分布図である。
【図１２】本発明の一実施形態（実施例３）に係る磁場発生ユニットの概略図と磁場強度とスキュー分散角の分布図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構から磁場を発生させるタイミングを示す説明図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構から磁場を発生させる方法の説明図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構からの磁場方向を基板の方向・速度に合せて回転させるために行う電源の電流制御方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。また、各図面は煩雑化を防ぐため一部を除いて省略している。
【００１９】
図１に示すスパッタリング装置１００は、真空容器１０１内にスパッタリングカソード１０２、スパッタリングターゲット１０３そして基板保持台１１２を備えている。真空容器１０１は、プロセスガス１１０を導入するための流量制御器（マスフローコントローラー：ＭＦＣ）１１０−１、及び、プロセスガス１１０や不純物ガスを排気するための排気機構１０４を備えている。
【００２０】
スパッタリングカソード１０２は整合器１０８を介して高周波電源１０６ならびに直流電源１０７に接続されている。これにより、スパッタリングカソードには高周波のみの電力供給、高周波＋直流重畳による電力供給、そして直流電力のみの電力供給のいずれかが可能になっている。
【００２１】
基板保持台１１２には基板保持リング１１１が設けられ、基板Ｗを押し付け固定することが可能になっている。基板保持台１１２の周りには台座１１４に固定された磁場発生機構１１３（ここでは、磁場発生ユニット３０）が配置されている。磁場発生機構１１３は、複数の有芯コイルエレメント２０を、接続部材３１を介してリング状（多角形状）に連結して構成されている。
【００２２】
磁場発生機構１１３は、磁場発生ユニット３０、５０，６０などを示し、本実施形態においては磁場発生ユニット３０である。なお、磁場発生機構１１３から、真空容器１０１の間は不図示の導入配管が設置されており、内部を大気に保つように構成されている。
【００２３】
次に、図２を用いて本発明を適用できる基板発生機構１１３の有芯コイルエレメント２０について説明する。有芯コイルエレメント２０は、強磁性体（ＳＳ４００やＳＵＹ等）からなる断面略直方体状のコアエレメント２１にコイル２２を形成して構成されており、コイル２２は導線２３をコアエレメント２１に幾重にも巻くことで構成されている。本実施形態においては、導線２３として直径１．５ｍｍポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）が用いられている。
【００２４】
更に図３（ａ）、（ｂ）を用いて本発明を適用できる磁場発生ユニットを説明する。ここでは正六角形状の磁場発生ユニット３０を例にとる。磁場発生ユニット３０は、６つの有芯コイルエレメント（２０）を正六角形の辺上に配置し各端部を強磁性体からなる接続部品３１によって機械的・磁気的に接続されている。接続部品３１の材料は強磁性体であればよいが、コアエレメント２１と同一の材質が好適である。本実施形態においては、ネジ３２によって接続部品３１と有芯コイルエレメント２０とを接続している。ネジ３２の材質に関しては特に限定するものではないが、強磁性体から構成されることが望ましい。
【００２５】
図４は本発明を適用できる磁場発生機構を真空容器に設置する場合の構成例である。接続部品３１によって接続された有芯コイルエレメント２０からなる磁場発生機構はケース４２内部に収められる。ケース４２には外部より電流を供給するための導線、並びに有芯コイルエレメントを冷却するための冷却媒体を導入するために、ポート４４が設けられている。ケース４２上には蓋４５が溶接固定される。
【００２６】
ポート４４には不図示の配管が真空容器外まで接続されており、ケース４２と蓋４５によって密封されたケース内から冷却媒体などがリークすることはない。符号４０はケースが多角形状に、符号４１はケースが円形状構造になっており適宜選択すればよい。また仕切り４６、４７は冷却媒体がケース内全体に行き渡るようにポート４４，４４の間に設置すればよい。冷却媒体としては、窒素、ドライエアー、水などを使用することができる。
【００２７】
図５には有芯コアエレメント２０が接続部品５１によって正八角形に接続された磁場発生ユニット５０、図６では有芯コアエレメント２０が接続部品６１によって正十角形に接続された磁場発生ユニット６０を示している。これらの磁場発生ユニット５０，６０は、本発明の適用可能例を表しており、例えば、磁場発生ユニット５０（６０）を構成していた有芯コアエレメント２０を流用して、異なる形状の磁場発生ユニット６０（５０）を構成することができる。その際、接続部品５１（６１）は、磁場発生ユニット５０（６０）の形状に合った部品に変更する必要がある。
【００２８】
図７は本発明を適用できる磁場発生機構の模式図、図８は磁場発生機構の制御系の模式図であり、接続図９０は磁場発生機構への電流供給回路を示している。この適用例では、８つの有芯コイルエレメントが正八角形に配置された磁場発生機構９１としている。８つの有芯コイルエレメント（Ｃ１１〜Ｃ４２）に電流源（Ｐ１〜Ｐ４）が導線９２によって接続されている。
【００２９】
電流源（Ｐ１〜Ｐ４）は信号線９３によりＣＰＵ（中央演算処理装置）９４に接続されている。ＣＰＵ９４は電流源Ｐ１〜Ｐ４に対して、電流の大きさ、電流投入時間、電流の方向を任意に命令することが可能であり、かつ不図示の記憶装置に制御内容を記憶、記憶装置からの制御内容の読みだしも可能となっている。また、基板Ｗを保持する回転可能なステージ（例えば基板保持台１１２）に搭載されたモーターエンコーダー（不図示）の情報がＣＰＵ９４によって読み出される。
【００３０】
有芯コイルエレメント（Ｃ１１〜Ｃ４２）の関係を図７に基づいて説明する。磁場発生機構９１において正八角形の中心、言い換えれば、磁場発生機構９１に内接もしくは外接する円の中心Ｏを対称点として、互いに平行である有芯コイルエレメントの組み合わせを定義する。すなわち［Ｃ１１とＣ１２］、［Ｃ２１とＣ２２］、［Ｃ３１とＣ３２］、［Ｃ４１とＣ４２］の４つの組み合わせを定義する。これは、下記に示す磁場９５を少ない電源で賄い、磁場９５の方向を一方向にそろえるために必要なものである。
【００３１】
次に、各有芯コイルエレメント２０と各電流源の接続について、図７に基づいて説明する。図７（ａ）のとおり有芯コイルエレメント２０のコイル２２は巻き線方向を持っている。すなわち、電流の向きが同じでも巻き線方向が変わると、有芯コイルエレメント２０に発生する磁場の方向も変わる。本例では、図７（ａ）に示すような巻き線方向をもつコイル２２の端子９８を接続端子９８ｍ、接続端子９８ｋと呼ぶ。図７（ａ）の場合、接続端子９８ｍから接続端子９８ｋに電流を流すと矢印方向に磁力線９６が発生する。
【００３２】
一方、有芯コイルエレメント２０を例えば八角形沿って組み立てる場合を図７（ｂ）を用いて説明する。このとき有芯コイルエレメント２０は八角形に沿って全て同一方向に接続端子９８が並ぶように接続される。すなわち接続端子９８は八角形に沿って、ｍ，ｋ，ｍ，ｋ・・・・ｍ，ｋ，ｍ，ｋの順番で並んでいる。そして、基板Ｗに一軸一様な磁場９５を投入させるために、図７（ｂ）のような磁力線９６が得られるように各有芯コイルエレメント２０に流す電流と接続端子９８の接続方法を決めればよい。
【００３３】
磁場９５を発生させる方法を図７、図８と図１４に基づいて説明する。磁場９５を発生させるにはコイルに電流を流してコアエレメント内に磁力線９６を発生させることが必要である。このとき、各コイルに流す電流の方向は下記の方法に従う。コイルは、図８のとおりＣ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２、Ｃ４１とＣ４２の対で組み合わせられていて、それぞれの対において流れる電流は互いに逆向きになっている。
【００３４】
このようなことから、図７（ｂ）に示される磁場発生機構９１のＸ軸正側の領域では反時計回りに磁力線９６が形成され、Ｘ軸負側の領域では時計回りに磁力線９６が形成されている。また、磁場発生機構９１の上下領域で磁力線９６同士がぶつかり、コアエレメントより外部に漏れ出し、磁場発生機構９１の上から下方向に向く磁場９５を形成させる。なお、コイルに流す電流値を図１４のように調整することで、磁場９５の強度と方向を最適化することができる。
【００３５】
これらの実施形態は、磁場発生機構が正六角形状、若しくは正十角形状の磁場発生ユニット３０，６０であっても、正八角形状磁場発生ユニット５０（９１）と同様に適用することができる。すなわち磁場発生機構が正ｎ角形（ｎ＝６，８，１０）の場合、有芯コイルエレメントはｎ／２個の組み合わせとし、電流源はｎ／２個だけ必要になる。
【００３６】
次に、図１５に基づいて、磁場発生機構からの磁場方向を基板の方向・速度に合せて回転させるために行う電源Ｐ１〜Ｐ４の電流制御方法を説明する。図１５には、有芯コイルエレメントに流れる電流の時間変化が示されている。横軸は制御時間、縦軸は電流値を表しておりゼロを中心に上側が＋、下側が−を表している。電源性能を考慮すると電流の立ち上がり時間は数１０ｍｓｅｃかかるので厳密には電流波形は台形となる。
【００３７】
各電源の電流投入は、基板回転と同期させることが望ましい。例えば、図５のような正八角形の磁場発生機構の場合、図１５に示すとおりの電源制御により４５°おきに磁場方向を変えることが可能である。このような制御にすることで、磁界が４５°おきに回転し、磁界の回転各速度と基板の各速度をそろえれば、基板には４５°おきに、基板から見て常に同一方向に磁場を投入することが可能になる。図１５は回転している基板において、基板ノッチと基板中心を結んだ仮想線に対して並行な磁場を投入していることを表している。
なお、基板ノッチとは、基板の向き等を判別するために、基板端部に形成された切り欠きのことをいう。
【００３８】
有芯コイルエレメントに電流を投入する時間は基板の回転速度に依存する。電流投入時間が短ければ短いほど基板に対する磁界の方向は厳密に決定付けられるが、電流投入時間が長くなるとその間に基板が回転するため基板に対する磁界の方向はぶれてしまう。このようなことを踏まえ、電流を投入することが可能な最大時間ｔ［ｓｅｃ］は、狙いの磁場方向に対して基板が±５°以内にあるとき（図１３）が好適で、基板の回転数Ｒ［ｒｐｍ］を用いて一般化すれば、式２のようになる。
ｔ＝１０／（６×Ｒ）［ｓｅｃ］ （式１）
例えば、１０ｒｐｍで回転するならば所定の電流電源を０．１６７ｓｅｃ以下の時間投入すればよい。ここで、図１５で電流を投入しない期間があるが、これは０［Ａ］を０．１６７ｓｅｃ以下の期間投入すると解釈すればよい。
【００３９】
有芯コイルエレメントに電流を投入するタイミングは、基板を回転させるためのモーターにエンコーダーを持たせれば常に位置情報を得ることが可能になるので。狙いの磁場方向に対して±５°以内で図１５のような電流値を（式１）の時間だけ投入すればよい。一方、ステージの回転信号が一回転につき一度しか出力されないような場合、ステージの位置情報が常に把握できるわけではなくなるので、下記に示すような周期で電流電源を投入する。
【００４０】
ノッチと基板中心を結んだ仮想線を狙いの磁場方向（図１３）とすると、Ｄ°おきに磁場方向を変える場合の電流電源を投入する周期ｄｔ［ｓｅｃ］は、基板の回転数Ｒ［ｒｐｍ］を用いて一般化すれば、式２のようになる。
ｄｔ＝Ｄ／（６×Ｒ）［ｓｅｃ］ （式２）
ただし、電流を投入するタイミングが仮想線では、狙いの方向からずれてしまうので、（式１）で示されるｔを用いればＤ°ごとに−ｔ／２だけシフトさせる必要がある。例えば、１０ｒｐｍで回転する基板に対して４５°おきに磁場を投入する場合ならば、所定の電流電源を０．７５ｓｅｃごとに投入すればよい。ここで、図１５では電流を投入しない期間があるが、これは０［Ａ］を投入すると解釈すればよい。なお、接続部品を用いず、一体に成形された多角形コアを用いた場合でも上記と同様の効果を得ることができることはもちろんである。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
本発明を適用できる図９に示されるような構成にて磁場発生確認を行った。有芯コイルエレメント２０のうち、コアエレメント２１は直方体で長手方向の長さが１４０ｍｍ、断面は１６ｍｍ×４５ｍｍとした。コアエレメント２１には導線２３として直径１．５ｍｍのポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）を５４０回、均一にかつ密に巻いた。有芯コイルエレメント２０同士の接続と電源接続を考え、有芯コイルエレメント２０からは接続用端子が伸びている。この有芯コイルエレメント２０を正八角形に配置し、各コアエレメントは接続部品５１を用いて磁気的に機械的・磁気的に接続されている。このとき、磁場発生機構の中心Ｏからコアエレメント中心軸までの距離は１９０ｍｍである。
【００４２】
次に、有芯コイルエレメント２０のうち、コイル２２に流す電流について図１４を使用して説明する。コイル２２に流す電流は、基板Ｗへの磁性膜成膜中に必要な磁場強度と、抑えなければいけないスキュー分散角（狙いの磁場方向からのズレ角度）の大きさで決めればよい。なお、磁場強度とスキュー分散角に対する、電流の大きさ等に明確な規則性は無く、実測を繰り返して最適化をするのが一般的である。また、コイルの組み合わせＣ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２、Ｃ４１とＣ４２は、図７の模式図９０のように互いに逆方向に結線されて、向かい合うコイル２２に流れる電流の正負が異なっている（図１４参照）。
【００４３】
図１４のように電流値を定めたところ、図１０のような結果が得られた。図１０の結果は基板上磁場のうち１／４領域についてのものである。基板面は磁場発生機構中心面から高さ方向に４０ｍｍの位置である。ホール素子タイプの磁場測定器により基板領域の磁場を確認したところ、基板上での磁場は８０Ｇ〜１１０Ｇとなり、狙いの磁力線９６からのズレ角すなわちスキュー分散角は±１度以内になった。このとき、電磁石には２２．５℃の空気を強制的に流し込む空冷を行った。コイルに取り付けた熱電対（Ｋタイプ）の３０分後の表示は４５．３℃であり、空冷の効果も得られている。
【００４４】
（実施例２）
次に、本発明を適用できる図１１に示されるような構成にて磁場発生確認を行った。有芯コイルエレメント２０のうち、コアエレメント２１は直方体で長手方向の長さが１４０ｍｍ、断面は１６ｍｍ×４５ｍｍとした。コアエレメント２１には直径１．５ｍｍのポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）を５４０回、均一にかつ密に巻いた。有芯コイルエレメント組み合わせと電源接続を考え、有芯コイルエレメント２０からは接続用端子が伸びている。このような有芯コイルエレメント２０を正八角形に配置し、各コアエレメントは接続部品５１を用いて磁気的に機械的に接続されている。このとき、磁場発生機構の中心からコアエレメント中心軸までの距離は１９０ｍｍである。
【００４５】
実施例１と異なるのは磁場発生機構中心からの中心線が有芯コアエレメント２０２の中心を通過するか、接続部品を通過する方向に設置するかの違いである。すなわち実施例１の配置から２２．５度時計回りに回した配置となっている。
【００４６】
次に、有芯コイルエレメント２０のうち、コイル２２に流す電流について説明する。コイル２２に流す電流は、基板Ｗへの磁性膜成膜中に必要な磁場強度と、抑えなければいけないスキュー分散角（狙いの磁場方向からのズレ角度）の大きさで決めればよい。なお、磁場強度とスキュー角に対する、電流の大きさ等に明確な規則性は無く、実測を繰り返して最適化をするのが一般的である。また、コイルの組み合わせＣ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２、Ｃ４１とＣ４２は、図７の模式図９０のとおり、互いに逆方向に結線されているので、図１４のようにコイル２２に流れる電流が正負で異なる。
【００４７】
実施例２では｜Ｃ１１｜＝｜Ｃ１２｜＝４．０Ａ、｜Ｃ２１｜＝｜Ｃ２２｜＝２．４Ａ、｜Ｃ３１｜＝｜Ｃ３２｜＝２．４Ａ、｜Ｃ４１｜＝｜Ｃ４２｜＝４．０Ａとした。ここで｜｜は絶対値を示す。このように電流値を定めたところ、図１１（ａ）、（ｂ）のような結果が得られた。図１１の結果は基板上磁場のうち１／４領域についてのものである。基板上の磁場は８０Ｇ〜１１０Ｇとなり、狙いの磁力線９６からのズレ角すなわちスキュー分散角は±１度以内になった。
【００４８】
（実施例３）
次に、本発明を適用できる図１２に示されるような構成にて磁場発生確認を行った。有芯コイルエレメント２０のうち、コアエレメント２１は直方体で長手方向の長さが１４０ｍｍ、断面は１６ｍｍ×４５ｍｍとした。コアエレメント２１には直径１．５ｍｍのポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）を５４０回、均一にかつ密に巻いた。有芯コイルエレメント２０組み合わせと電源接続を考え、有芯コイルエレメント２０からは接続用端子が伸びている。
【００４９】
つまりコアエレメント２１は、実施例１、および実施例２で使用した形状と同じである。このような有芯コイルエレメント２０を正六角形に配置しなおし、各コアエレメント２１は接続部品３１を用いて磁気的に機械的に接続されている。このとき、磁場発生機構の中心からコアエレメント中心軸までの距離は１４０ｍｍまで縮まった。すなわち、接続部品５１を接続部品３１に変え、有芯コアエレメントを２つ減らすだけで正八角形の実施例２から正六角形の磁場発生機構に変更することができる。
【００５０】
次に、有芯コイルエレメント２０のうち、コイル２２に流す電流について説明する。コイル２２に流す電流は、基板Ｗへの磁性膜成膜中に必要な磁場強度と、抑えなければいけないスキュー角（狙いの磁場方向からのズレ角度）の大きさで決めればよい。なお、磁場強度とスキュー角に対する、電流の大きさ等に明確な規則性は無く、実測を繰り返して最適化をするのが一般的である。また、コイル２２の組み合わせは、Ｃ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２で互いに逆方向に結線されているので、コイル２２に流れる電流が正負で異なる。
【００５１】
本実施例２では｜Ｃ１１｜＝｜Ｃ１２｜＝４．０Ａ、｜Ｃ２１｜＝｜Ｃ２２｜＝２．９Ａ、｜Ｃ３１｜＝｜Ｃ３２｜＝２．９Ａとした。ここで｜｜は絶対値を示す。このように電流値を定めたところ、図１２（ａ）、（ｂ）のような結果が得られた。図１２の結果は基板上磁場のうち１／４領域についてのものである。基板上の磁場は１３０Ｇ〜１６５Ｇとなり、狙いの磁力線からのズレ角すなわちスキュー分散角は±１度以内になった。
【００５２】
すなわち、共通の有芯コイルエレメント２０を用いて接続部品のみを変更することで、簡単に磁場発生機構のサイズを変えられる。かつ、各サイズの磁場発生機構において磁場強度、スキュー分散角、磁場回転制御につても従来以上の結果を得ることができ、本発明の効果を確認することができた。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。
【００５４】
本発明に係る磁界発生装置を用いることで基板サイズが変わった場合でも、共通の部材を用いて容易に基板マグネットのサイズを変更させることが可能になるため、装置の変更に伴うコストを低減することができる。もちろん、基板マグネットのサイズを変更しても、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能である。
【符号の説明】
【００５５】
２０ 有芯コイルエレメント
２１ コアエレメント
２２ コイル
２３，９２ 導線
３０，４０，４１，５０，６０，９１ 磁場発生ユニット
３１，５１，６１ 接続部品
３２ ネジ
４２，４３ ケース
４４ ポート
４５ 蓋
４６，４７ 仕切り
９３ 制御信号線
９４ ＣＰＵ
９５ 磁場
９６ 磁力線
１００ スパッタリング装置
１０１ 真空容器
１０２ スパッタリングカソード
１０３ スパッタリングターゲット
１０４ 排気機構
１０６ 高周波電源
１０７ 直流電源
１０８ 整合器
１１０ プロセスガス
１１０−１ 流量制御器
１１１ 基板保持リング
１１２ 基板保持台
１１３ 磁場発生機構
１１４ 台座
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場発生装置及びスパッタリング装置に関し、特に容易に基板の成膜面での磁界の大きさや向きを変えることができる磁場発生装置及びこのような磁場発生装置を備えたスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置においては、益々の記録密度向上が要求されており、記録媒体に記録された磁気信号を電気信号に変換する磁気記録再生ヘッドにおいても高性能化が要求されている。磁気再生ヘッドに関する技術課題を克服するために様々な研究が進められてきている。その中でも、反強磁性層の上に軟磁性膜（ピン層）を形成し、さらに非常に薄い非磁性膜を間にはさんで別の軟磁性膜（フリー層）によって構成されるスピンバルブ方式が好んで使用されている。これらの薄膜は、スパッタ法を利用して積層状態に成膜される（特許文献１参照）。
【０００３】
スピンバルブ構造をもつヘッドでは、記録媒体からの磁場によりフリー層の磁化方向が変化し、これによる電気抵抗の変化で記録信号を検出している。普通の軟磁性膜は、多くの磁区から構成されているが、このような膜をフリー層として使用すると、フリー層の磁化方向が変化する際に、磁区の不連続的な移動に伴うノイズ（バルクハウゼンノイズ）が発生する。従って、スピンバルブ構造のヘッドに使用する軟磁性膜は、できるだけ磁区の移動が少なく、バルクハウゼンノイズの少ない膜が望まれる。
【０００４】
このような、制御された磁化容易軸を持つ軟磁成膜は、スパッタ成膜中に均一で方向性の揃った磁界内に配置された基板上に成膜することで得ることができる。そして、バルクハウゼンノイズを十分なレベルまで低減させるためには、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃える必要がある。また、このときの磁界強度として８０ガウス程度が必要とされている。
【０００５】
基板に対して均一な方向に磁場を投入する技術は従来から知られており、基板外周部もしくは基板下部に磁石や電磁石（以下、基板マグネットとする）を配置するなど基本構造は同じである。特許文献２に記載された技術によれば、リング状に固定された永久磁石を使用して、基板に対して均一な方向に磁場を投入する方法が提案されている。
【０００６】
しかし、必要なときにのみ磁場を投入したい場合には永久磁石では都合が悪い。例えば、１つの真空容器（真空モジュールとする）にスパッタカソードが複数個設置されていて、非磁性膜と磁性膜を交互に成膜するような場合、非磁性膜の成膜中にも基板マグネットからの磁場の影響を受けてしまうことで膜厚分布は悪化するという問題がある。
【０００７】
この対策としては、非磁性成膜専用真空モジュール、磁性成膜専用真空モジュールといったように成膜種別に分けることが考えられる。しかしこの場合、同一の真空モジュール内に格納できるターゲットの組み合わせが限定されることになる。永久磁石リングを基板から遠ざけることで磁場の影響を減らすことは可能であるが、基板上の磁場を完全に取り去ることは困難であり、非磁性膜の膜厚分布に影響を与えてしまうおそれがあった。
【０００８】
更に、基板マグネットを搭載している真空モジュールの隣に基板エッチング、基板クリーニングなどの真空モジュールがある場合、基板マグネットのわずかな漏洩磁場により隣の真空モジュール内のプラズマが影響を受けてエッチング分布に影響を与えてしまう問題も知られている。すなわち、真空モジュールの配置についても制限されることになる。このような問題に鑑みて、基板マグネットとして電磁石を使用することも提案されている。電磁石を用いることにより、必要なときにだけ基板に磁場を投入することができる。
【０００９】
基板マグネットとしての電磁石に関しても様々な技術が既に提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。これら二つの特許文献に記載された技術は、リング状の強磁性体（コア）に均等配置に複数のコイルを巻きつけ、これらのコイルに電流を流すことでコアから磁場を発生させる方式を採用している点で共通している。これらの特許文献ではコイルの個数を１０個〜３０個とした例が記載されており、これらのコイルを複数のコイル群としてグループ化するとともに、コイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能に構成されている。
【００１０】
特許文献４では、基板位置決め板（ステージ）下部に電磁石を配置する方法が取られている。この方法の利点は基板直下から磁場を投入することができるため、電磁石の寸法を比較的小さくできることと、コイルに流す電流を少なくすることができる点にある。しかし近年、基板を極低温まで冷却しながらの成膜や、５００℃、８００℃まで加熱するようなアプリケーションが見られ、これらの目的に対応したステージを設計するにあたり、ステージ直下に電磁石を入れることは、電磁石の温度管理やステージ部材との干渉の面から困難である。一方、特許文献３では、基板よりも外側に電磁石を配置する方法を採用しておりこの場合、ステージの機構に関わらず電磁石を配置することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１５８９７５号
【特許文献２】ＵＳ６７４３３４０
【特許文献３】特許公報第４１７０４３９号
【特許文献４】特表２００４−５０２３１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献３、４のいずれにおいても、磁場の方向が均一である領域は基板マグネットの中心付近に限られている。たとえ直径１５０ｍｍ基板面内でスキュー分散角が小さくても直径２００ｍｍ基板では特に基板外周領域にてスキュー分散角が悪化する場合が多い。具体的には、特許文献４の図８のように直径１５０ｍｍ以内では±１°以内のスキュー分散角が得られたとしても、直径２００ｍｍでは±３°以上のスキュー分散角となってしまうことが示されている。
【００１３】
そのため、基板サイズを変更した場合には電磁石のサイズも変更しなければならないにもかかわらず、リング状のコアは寸法が決まってしまっていることからコアやコイルの再利用は困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能であるとともに、基板マグネットのサイズを低コストで変更することができる磁場発生装置及びスパッタリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る磁場発生装置は、前記基板表面近傍に当該表面に平行な方向の磁界を生成するスパッタリング装置の磁界発生装置において、磁性材料からなる略棒状のコアエレメントに導線が巻回されてなる複数の有芯コイルエレメントと、
前記有芯コイルエレメントと同数の磁性材料からなる接続部品とを有して構成され、有芯コイルエレメントは、接続部品を介して多角形状に連結されていることを特徴とする。また、本発明に係るスパッタリング装置は、上述の磁場発生装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る磁界発生装置及びスパッタリング装置を用いることで、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能であるとともに、基板サイズが変わった場合でも、共通の部材を用いて容易に基板マグネットのサイズを変更させることが可能になるため、装置の変更に伴うコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る有芯コイルエレメントの正面図と断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁場発生ユニットと接続部品の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構の真空容器への構成例である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁場発生ユニットの概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁場発生ユニットの概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構の模式図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構の制御回路の模式図である。
【図９】本発明の一実施形態（実施例１）に係る磁場発生ユニットの概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態（実施例１）に係る磁場発生ユニットの概略図と磁場強度とスキュー分散角の分布図である。
【図１１】本発明の一実施形態（実施例２）に係る磁場発生ユニットの概略図と磁場強度とスキュー分散角の分布図である。
【図１２】本発明の一実施形態（実施例３）に係る磁場発生ユニットの概略図と磁場強度とスキュー分散角の分布図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構から磁場を発生させるタイミングを示す説明図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構から磁場を発生させる方法の説明図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る磁場発生機構からの磁場方向を基板の方向・速度に合せて回転させるために行う電源の電流制御方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。また、各図面は煩雑化を防ぐため一部を除いて省略している。
【００１９】
図１に示すスパッタリング装置１００は、真空容器１０１内にスパッタリングカソード１０２、スパッタリングターゲット１０３そして基板保持台１１２を備えている。真空容器１０１は、プロセスガス１１０を導入するための流量制御器（マスフローコントローラー：ＭＦＣ）１１０−１、及び、プロセスガス１１０や不純物ガスを排気するための排気機構１０４を備えている。
【００２０】
スパッタリングカソード１０２は整合器１０８を介して高周波電源１０６ならびに直流電源１０７に接続されている。これにより、スパッタリングカソードには高周波のみの電力供給、高周波＋直流重畳による電力供給、そして直流電力のみの電力供給のいずれかが可能になっている。
【００２１】
基板保持台１１２には基板保持リング１１１が設けられ、基板Ｗを押し付け固定することが可能になっている。基板保持台１１２の周りには台座１１４に固定された磁場発生機構１１３（ここでは、磁場発生ユニット３０）が配置されている。磁場発生機構１１３は、複数の有芯コイルエレメント２０を、接続部材３１を介してリング状（多角形状）に連結して構成されている。
【００２２】
磁場発生機構１１３は、磁場発生ユニット３０、５０，６０などを示し、本実施形態においては磁場発生ユニット３０である。なお、磁場発生機構１１３から、真空容器１０１の間は不図示の導入配管が設置されており、内部を大気に保つように構成されている。
【００２３】
次に、図２を用いて本発明を適用できる基板発生機構１１３の有芯コイルエレメント２０について説明する。有芯コイルエレメント２０は、強磁性体（ＳＳ４００やＳＵＹ等）からなる断面略直方体状のコアエレメント２１にコイル２２を形成して構成されており、コイル２２は導線２３をコアエレメント２１に幾重にも巻くことで構成されている。本実施形態においては、導線２３として直径１．５ｍｍポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）が用いられている。
【００２４】
更に図３（ａ）、（ｂ）を用いて本発明を適用できる磁場発生ユニットを説明する。ここでは正六角形状の磁場発生ユニット３０を例にとる。磁場発生ユニット３０は、６つの有芯コイルエレメント（２０）を正六角形の辺上に配置し各端部を強磁性体からなる接続部品３１によって機械的・磁気的に接続されている。接続部品３１の材料は強磁性体であればよいが、コアエレメント２１と同一の材質が好適である。本実施形態においては、ネジ３２によって接続部品３１と有芯コイルエレメント２０とを接続している。ネジ３２の材質に関しては特に限定するものではないが、強磁性体から構成されることが望ましい。
【００２５】
図４は本発明を適用できる磁場発生機構を真空容器に設置する場合の構成例である。接続部品３１によって接続された有芯コイルエレメント２０からなる磁場発生機構はケース４２内部に収められる。ケース４２には外部より電流を供給するための導線、並びに有芯コイルエレメントを冷却するための冷却媒体を導入するために、ポート４４が設けられている。ケース４２上には蓋４５が溶接固定される。
【００２６】
ポート４４には不図示の配管が真空容器外まで接続されており、ケース４２と蓋４５によって密封されたケース内から冷却媒体などがリークすることはない。符号４０はケースが多角形状に、符号４１はケースが円形状構造になっており適宜選択すればよい。また仕切り４６、４７は冷却媒体がケース内全体に行き渡るようにポート４４，４４の間に設置すればよい。冷却媒体としては、窒素、ドライエアー、水などを使用することができる。
【００２７】
図５には有芯コアエレメント２０が接続部品５１によって正八角形に接続された磁場発生ユニット５０、図６では有芯コアエレメント２０が接続部品６１によって正十角形に接続された磁場発生ユニット６０を示している。これらの磁場発生ユニット５０，６０は、本発明の適用可能例を表しており、例えば、磁場発生ユニット５０（６０）を構成していた有芯コアエレメント２０を流用して、異なる形状の磁場発生ユニット６０（５０）を構成することができる。その際、接続部品５１（６１）は、磁場発生ユニット５０（６０）の形状に合った部品に変更する必要がある。
【００２８】
図７は本発明を適用できる磁場発生機構の模式図、図８は磁場発生機構の制御系の模式図であり、接続図９０は磁場発生機構への電流供給回路を示している。この適用例では、８つの有芯コイルエレメントが正八角形に配置された磁場発生機構９１としている。８つの有芯コイルエレメント（Ｃ１１〜Ｃ４２）に電流源（Ｐ１〜Ｐ４）が導線９２によって接続されている。
【００２９】
電流源（Ｐ１〜Ｐ４）は信号線９３によりＣＰＵ（中央演算処理装置）９４に接続されている。ＣＰＵ９４は電流源Ｐ１〜Ｐ４に対して、電流の大きさ、電流投入時間、電流の方向を任意に命令することが可能であり、かつ不図示の記憶装置に制御内容を記憶、記憶装置からの制御内容の読みだしも可能となっている。また、基板Ｗを保持する回転可能なステージ（例えば基板保持台１１２）に搭載されたモーターエンコーダー（不図示）の情報がＣＰＵ９４によって読み出される。
【００３０】
有芯コイルエレメント（Ｃ１１〜Ｃ４２）の関係を図７に基づいて説明する。磁場発生機構９１において正八角形の中心、言い換えれば、磁場発生機構９１に内接もしくは外接する円の中心Ｏを対称点として、互いに平行である有芯コイルエレメントの組み合わせを定義する。すなわち［Ｃ１１とＣ１２］、［Ｃ２１とＣ２２］、［Ｃ３１とＣ３２］、［Ｃ４１とＣ４２］の４つの組み合わせを定義する。これは、下記に示す磁場９５を少ない電源で賄い、磁場９５の方向を一方向にそろえるために必要なものである。
【００３１】
次に、各有芯コイルエレメント２０と各電流源の接続について、図７に基づいて説明する。図７（ａ）のとおり有芯コイルエレメント２０のコイル２２は巻き線方向を持っている。すなわち、電流の向きが同じでも巻き線方向が変わると、有芯コイルエレメント２０に発生する磁場の方向も変わる。本例では、図７（ａ）に示すような巻き線方向をもつコイル２２の端子９８を接続端子９８ｍ、接続端子９８ｋと呼ぶ。図７（ａ）の場合、接続端子９８ｍから接続端子９８ｋに電流を流すと矢印方向に磁力線９６が発生する。
【００３２】
一方、有芯コイルエレメント２０を例えば八角形沿って組み立てる場合を図７（ｂ）を用いて説明する。このとき有芯コイルエレメント２０は八角形に沿って全て同一方向に接続端子９８が並ぶように接続される。すなわち接続端子９８は八角形に沿って、ｍ，ｋ，ｍ，ｋ・・・・ｍ，ｋ，ｍ，ｋの順番で並んでいる。そして、基板Ｗに一軸一様な磁場９５を投入させるために、図７（ｂ）のような磁力線９６が得られるように各有芯コイルエレメント２０に流す電流と接続端子９８の接続方法を決めればよい。
【００３３】
磁場９５を発生させる方法を図７、図８と図１４に基づいて説明する。磁場９５を発生させるにはコイルに電流を流してコアエレメント内に磁力線９６を発生させることが必要である。このとき、各コイルに流す電流の方向は下記の方法に従う。コイルは、図８のとおりＣ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２、Ｃ４１とＣ４２の対で組み合わせられていて、それぞれの対において流れる電流は互いに逆向きになっている。
【００３４】
このようなことから、図７（ｂ）に示される磁場発生機構９１のＸ軸正側の領域では反時計回りに磁力線９６が形成され、Ｘ軸負側の領域では時計回りに磁力線９６が形成されている。また、磁場発生機構９１の上下領域で磁力線９６同士がぶつかり、コアエレメントより外部に漏れ出し、磁場発生機構９１の上から下方向に向く磁場９５を形成させる。なお、コイルに流す電流値を図１４のように調整することで、磁場９５の強度と方向を最適化することができる。
【００３５】
これらの実施形態は、磁場発生機構が正六角形状、若しくは正十角形状の磁場発生ユニット３０，６０であっても、正八角形状磁場発生ユニット５０（９１）と同様に適用することができる。すなわち磁場発生機構が正ｎ角形（ｎ＝６，８，１０）の場合、有芯コイルエレメントはｎ／２個の組み合わせとし、電流源はｎ／２個だけ必要になる。
【００３６】
次に、図１５に基づいて、磁場発生機構からの磁場方向を基板の方向・速度に合せて回転させるために行う電源Ｐ１〜Ｐ４の電流制御方法を説明する。図１５には、有芯コイルエレメントに流れる電流の時間変化が示されている。横軸は制御時間、縦軸は電流値を表しておりゼロを中心に上側が＋、下側が−を表している。電源性能を考慮すると電流の立ち上がり時間は数１０ｍｓｅｃかかるので厳密には電流波形は台形となる。
【００３７】
各電源の電流投入は、基板回転と同期させることが望ましい。例えば、図５のような正八角形の磁場発生機構の場合、図１５に示すとおりの電源制御により４５°おきに磁場方向を変えることが可能である。このような制御にすることで、磁界が４５°おきに回転し、磁界の回転各速度と基板の各速度をそろえれば、基板には４５°おきに、基板から見て常に同一方向に磁場を投入することが可能になる。図１５は回転している基板において、基板ノッチと基板中心を結んだ仮想線に対して並行な磁場を投入していることを表している。
なお、基板ノッチとは、基板の向き等を判別するために、基板端部に形成された切り欠きのことをいう。
【００３８】
有芯コイルエレメントに電流を投入する時間は基板の回転速度に依存する。電流投入時間が短ければ短いほど基板に対する磁界の方向は厳密に決定付けられるが、電流投入時間が長くなるとその間に基板が回転するため基板に対する磁界の方向はぶれてしまう。このようなことを踏まえ、電流を投入することが可能な最大時間ｔ［ｓｅｃ］は、狙いの磁場方向に対して基板が±５°以内にあるとき（図１３）が好適で、基板の回転数Ｒ［ｒｐｍ］を用いて一般化すれば、式２のようになる。
ｔ＝１０／（６×Ｒ）［ｓｅｃ］ （式１）
例えば、１０ｒｐｍで回転するならば所定の電流電源を０．１６７ｓｅｃ以下の時間投入すればよい。ここで、図１５で電流を投入しない期間があるが、これは０［Ａ］を０．１６７ｓｅｃ以下の期間投入すると解釈すればよい。
【００３９】
有芯コイルエレメントに電流を投入するタイミングは、基板を回転させるためのモーターにエンコーダーを持たせれば常に位置情報を得ることが可能になるので。狙いの磁場方向に対して±５°以内で図１５のような電流値を（式１）の時間だけ投入すればよい。一方、ステージの回転信号が一回転につき一度しか出力されないような場合、ステージの位置情報が常に把握できるわけではなくなるので、下記に示すような周期で電流電源を投入する。
【００４０】
ノッチと基板中心を結んだ仮想線を狙いの磁場方向（図１３）とすると、Ｄ°おきに磁場方向を変える場合の電流電源を投入する周期ｄｔ［ｓｅｃ］は、基板の回転数Ｒ［ｒｐｍ］を用いて一般化すれば、式２のようになる。
ｄｔ＝Ｄ／（６×Ｒ）［ｓｅｃ］ （式２）
ただし、電流を投入するタイミングが仮想線では、狙いの方向からずれてしまうので、（式１）で示されるｔを用いればＤ°ごとに−ｔ／２だけシフトさせる必要がある。例えば、１０ｒｐｍで回転する基板に対して４５°おきに磁場を投入する場合ならば、所定の電流電源を０．７５ｓｅｃごとに投入すればよい。ここで、図１５では電流を投入しない期間があるが、これは０［Ａ］を投入すると解釈すればよい。なお、接続部品を用いず、一体に成形された多角形コアを用いた場合でも上記と同様の効果を得ることができることはもちろんである。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
本発明を適用できる図９に示されるような構成にて磁場発生確認を行った。有芯コイルエレメント２０のうち、コアエレメント２１は直方体で長手方向の長さが１４０ｍｍ、断面は１６ｍｍ×４５ｍｍとした。コアエレメント２１には導線２３として直径１．５ｍｍのポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）を５４０回、均一にかつ密に巻いた。有芯コイルエレメント２０同士の接続と電源接続を考え、有芯コイルエレメント２０からは接続用端子が伸びている。この有芯コイルエレメント２０を正八角形に配置し、各コアエレメントは接続部品５１を用いて磁気的に機械的・磁気的に接続されている。このとき、磁場発生機構の中心Ｏからコアエレメント中心軸までの距離は１９０ｍｍである。
【００４２】
次に、有芯コイルエレメント２０のうち、コイル２２に流す電流について図１４を使用して説明する。コイル２２に流す電流は、基板Ｗへの磁性膜成膜中に必要な磁場強度と、抑えなければいけないスキュー分散角（狙いの磁場方向からのズレ角度）の大きさで決めればよい。なお、磁場強度とスキュー分散角に対する、電流の大きさ等に明確な規則性は無く、実測を繰り返して最適化をするのが一般的である。また、コイルの組み合わせＣ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２、Ｃ４１とＣ４２は、図７の模式図９０のように互いに逆方向に結線されて、向かい合うコイル２２に流れる電流の正負が異なっている（図１４参照）。
【００４３】
図１４のように電流値を定めたところ、図１０のような結果が得られた。図１０の結果は基板上磁場のうち１／４領域についてのものである。基板面は磁場発生機構中心面から高さ方向に４０ｍｍの位置である。ホール素子タイプの磁場測定器により基板領域の磁場を確認したところ、基板上での磁場は８０Ｇ〜１１０Ｇとなり、狙いの磁力線９６からのズレ角すなわちスキュー分散角は±１度以内になった。このとき、電磁石には２２．５℃の空気を強制的に流し込む空冷を行った。コイルに取り付けた熱電対（Ｋタイプ）の３０分後の表示は４５．３℃であり、空冷の効果も得られている。
【００４４】
（実施例２）
次に、本発明を適用できる図１１に示されるような構成にて磁場発生確認を行った。有芯コイルエレメント２０のうち、コアエレメント２１は直方体で長手方向の長さが１４０ｍｍ、断面は１６ｍｍ×４５ｍｍとした。コアエレメント２１には直径１．５ｍｍのポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）を５４０回、均一にかつ密に巻いた。有芯コイルエレメント組み合わせと電源接続を考え、有芯コイルエレメント２０からは接続用端子が伸びている。このような有芯コイルエレメント２０を正八角形に配置し、各コアエレメントは接続部品５１を用いて磁気的に機械的に接続されている。このとき、磁場発生機構の中心からコアエレメント中心軸までの距離は１９０ｍｍである。
【００４５】
実施例１と異なるのは磁場発生機構中心からの中心線が有芯コアエレメント２０２の中心を通過するか、接続部品を通過する方向に設置するかの違いである。すなわち実施例１の配置から２２．５度時計回りに回した配置となっている。
【００４６】
次に、有芯コイルエレメント２０のうち、コイル２２に流す電流について説明する。コイル２２に流す電流は、基板Ｗへの磁性膜成膜中に必要な磁場強度と、抑えなければいけないスキュー分散角（狙いの磁場方向からのズレ角度）の大きさで決めればよい。なお、磁場強度とスキュー角に対する、電流の大きさ等に明確な規則性は無く、実測を繰り返して最適化をするのが一般的である。また、コイルの組み合わせＣ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２、Ｃ４１とＣ４２は、図７の模式図９０のとおり、互いに逆方向に結線されているので、図１４のようにコイル２２に流れる電流が正負で異なる。
【００４７】
実施例２では｜Ｃ１１｜＝｜Ｃ１２｜＝４．０Ａ、｜Ｃ２１｜＝｜Ｃ２２｜＝２．４Ａ、｜Ｃ３１｜＝｜Ｃ３２｜＝２．４Ａ、｜Ｃ４１｜＝｜Ｃ４２｜＝４．０Ａとした。ここで｜｜は絶対値を示す。このように電流値を定めたところ、図１１（ａ）、（ｂ）のような結果が得られた。図１１の結果は基板上磁場のうち１／４領域についてのものである。基板上の磁場は８０Ｇ〜１１０Ｇとなり、狙いの磁力線９６からのズレ角すなわちスキュー分散角は±１度以内になった。
【００４８】
（実施例３）
次に、本発明を適用できる図１２に示されるような構成にて磁場発生確認を行った。有芯コイルエレメント２０のうち、コアエレメント２１は直方体で長手方向の長さが１４０ｍｍ、断面は１６ｍｍ×４５ｍｍとした。コアエレメント２１には直径１．５ｍｍのポリエステルエナメルワイヤー（φ１．５ＰＥＷ）を５４０回、均一にかつ密に巻いた。有芯コイルエレメント２０組み合わせと電源接続を考え、有芯コイルエレメント２０からは接続用端子が伸びている。
【００４９】
つまりコアエレメント２１は、実施例１、および実施例２で使用した形状と同じである。このような有芯コイルエレメント２０を正六角形に配置しなおし、各コアエレメント２１は接続部品３１を用いて磁気的に機械的に接続されている。このとき、磁場発生機構の中心からコアエレメント中心軸までの距離は１４０ｍｍまで縮まった。すなわち、接続部品５１を接続部品３１に変え、有芯コアエレメントを２つ減らすだけで正八角形の実施例２から正六角形の磁場発生機構に変更することができる。
【００５０】
次に、有芯コイルエレメント２０のうち、コイル２２に流す電流について説明する。コイル２２に流す電流は、基板Ｗへの磁性膜成膜中に必要な磁場強度と、抑えなければいけないスキュー角（狙いの磁場方向からのズレ角度）の大きさで決めればよい。なお、磁場強度とスキュー角に対する、電流の大きさ等に明確な規則性は無く、実測を繰り返して最適化をするのが一般的である。また、コイル２２の組み合わせは、Ｃ１１とＣ１２、Ｃ２１とＣ２２、Ｃ３１とＣ３２で互いに逆方向に結線されているので、コイル２２に流れる電流が正負で異なる。
【００５１】
本実施例２では｜Ｃ１１｜＝｜Ｃ１２｜＝４．０Ａ、｜Ｃ２１｜＝｜Ｃ２２｜＝２．９Ａ、｜Ｃ３１｜＝｜Ｃ３２｜＝２．９Ａとした。ここで｜｜は絶対値を示す。このように電流値を定めたところ、図１２（ａ）、（ｂ）のような結果が得られた。図１２の結果は基板上磁場のうち１／４領域についてのものである。基板上の磁場は１３０Ｇ〜１６５Ｇとなり、狙いの磁力線からのズレ角すなわちスキュー分散角は±１度以内になった。
【００５２】
すなわち、共通の有芯コイルエレメント２０を用いて接続部品のみを変更することで、簡単に磁場発生機構のサイズを変えられる。かつ、各サイズの磁場発生機構において磁場強度、スキュー分散角、磁場回転制御につても従来以上の結果を得ることができ、本発明の効果を確認することができた。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。
【００５４】
本発明に係る磁界発生装置を用いることで基板サイズが変わった場合でも、共通の部材を用いて容易に基板マグネットのサイズを変更させることが可能になるため、装置の変更に伴うコストを低減することができる。もちろん、基板マグネットのサイズを変更しても、基板に投入する磁界の方向を基板面内で±１°以内に揃えることができ、且つコイル群毎に印加する電流を制御することで回転磁場を発生可能である。
【符号の説明】
【００５５】
２０ 有芯コイルエレメント
２１ コアエレメント
２２ コイル
２３，９２ 導線
３０，４０，４１，５０，６０，９１ 磁場発生ユニット
３１，５１，６１ 接続部品
３２ ネジ
４２，４３ ケース
４４ ポート
４５ 蓋
４６，４７ 仕切り
９３ 制御信号線
９４ ＣＰＵ
９５ 磁場
９６ 磁力線
１００ スパッタリング装置
１０１ 真空容器
１０２ スパッタリングカソード
１０３ スパッタリングターゲット
１０４ 排気機構
１０６ 高周波電源
１０７ 直流電源
１０８ 整合器
１１０ プロセスガス
１１０−１ 流量制御器
１１１ 基板保持リング
１１２ 基板保持台
１１３ 磁場発生機構
１１４ 台座
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載置可能な基板保持台を有するスパッタリング装置に備えられ、前記基板保持台に載置された状態の前記基板の表面近傍に平行な磁界を発生する磁場発生装置であって、
磁性材料からなる略棒状のコアエレメントに導線が巻回されてなる複数の有芯コイルエレメントと、
前記有芯コイルエレメントと同数の磁性材料からなる接続部品とを有して構成され、
前記有芯コイルエレメントは、前記接続部品を介して多角形状に連結されていることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記多角形状は、正六角形または正八角形または正十角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の磁場発生装置。
【請求項３】
前記磁場発生装置の中心を挟んで、平行に対向する一対の前記有芯コイルエレメントには共通の電源が接続され、
前記電源は外部からの信号により電流の大きさ及び方向を任意に制御可能に構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場発生装置。
【請求項４】
前記多角形状の内接円の直径は、前記基板の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
【請求項５】
前記有芯コイルエレメントは密閉された非磁性ケースに収納され、
前記非磁性ケースは、前記有芯コイルエレメントを冷却する手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
【請求項６】
前記多角形状は正ｎ角形であり、
前記基板保持台に載置された前記基板の所定位置を基準とした回転角度が、３６０／ｎ °毎の±５°の範囲で磁場を発生させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁場発生装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁場発生装置を備えていることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項１】
基板を載置可能な基板保持台を有するスパッタリング装置に備えられ、前記基板保持台に載置された状態の前記基板の表面近傍に平行な磁界を発生する磁場発生装置であって、
磁性材料からなる略棒状のコアエレメントに導線が巻回されてなる複数の有芯コイルエレメントと、
前記有芯コイルエレメントと同数の磁性材料からなる接続部品とを有して構成され、
前記有芯コイルエレメントは、前記接続部品を介して多角形状に連結されていることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記多角形状は、正六角形または正八角形または正十角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の磁場発生装置。
【請求項３】
前記磁場発生装置の中心を挟んで、平行に対向する一対の前記有芯コイルエレメントには共通の電源が接続され、
前記電源は外部からの信号により電流の大きさ及び方向を任意に制御可能に構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場発生装置。
【請求項４】
前記多角形状の内接円の直径は、前記基板の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
【請求項５】
前記有芯コイルエレメントは密閉された非磁性ケースに収納され、
前記非磁性ケースは、前記有芯コイルエレメントを冷却する手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
【請求項６】
前記多角形状は正ｎ角形であり、
前記基板保持台に載置された前記基板の所定位置を基準とした回転角度が、３６０／ｎ °毎の±５°の範囲で磁場を発生させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁場発生装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁場発生装置を備えていることを特徴とするスパッタリング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１０２４２７（Ｐ２０１１−１０２４２７Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５８６４３（Ｐ２００９−２５８６４３）
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]