(57)【要約】【課題】所要の特性を有する精密な薄膜を低温および／または高速で形成可能であるとともに、小型かつ安価で、簡易かつ省エネ運転が可能で、保守が容易であるスパッタ装置の提供。【解決手段】間隔をおいて対向配置された一対のターゲット２ａ，２ｂと、ターゲットのそれぞれを支持する一対の電極部材３ａ，３ｂと、ターゲットの間に磁界空間を形成するために電極部材の背面側に配置された一対の磁石６ａ，６ｂと、ターゲットの前面中央に向けて迫出した環状の一対の電極ワッシャ部８１ａ，８１ｂを有する一対のシールド部材８ａ，８ｂと、ターゲットの間の側方に、磁界空間を臨んで配置された基板と、を備え、各ターゲットと各電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２とが、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］となるようにしたことを特徴とする。【選択図】図１
2010156018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をおいて対向配置された第１ターゲットおよび第２ターゲットと、
前記第１ターゲットおよび前記第２ターゲットのそれぞれを接続かつ支持する第１電極部材および第２電極部材と、
前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間に磁界空間を形成するために前記第１電極部材および前記第２電極部材のそれぞれの背面側に配置された一対の磁石と、
前記第１電極部材および前記第２電極部材の側面を囲んで周設された周壁部から、前記第１ターゲットおよび前記第２ターゲットの前面中央に向けて迫出した環状の第１電極ワッシャ部および第２電極ワッシャ部を有する第１シールド部材および第２シールド部材と、
前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間の側方に、前記磁界空間を臨んで配置される基板を設置するホルダを備え、
前記第１ターゲットと前記第１電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ１と、前記第２ターゲットと前記第２電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ２とが、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］となるようにしたことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間に交流電圧を印加するための変圧器を備え、前記変圧器の二次側高電圧コイルの両端に前記第１電極部材および前記第２電極部材のそれぞれを接続し、前記二次側高電圧コイルの中性点を接地するとともに、前記第１シールド部材および前記第２シールド部材を前記中性点に接続したことを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記基板と、前記第１シールド部材または前記第２シールド部材との間に、前記基板側が負の電位となるバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記各磁石から前記第１ターゲットまたは前記第２ターゲットの背面側に向けて延設されたヨークを有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記ヨークが、方向性珪素鋼で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
前記第１電極部材および前記第２電極部材、ならびに前記第１シールド部材および前記第２シールド部材が、Ｃｕで形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項７】
前記第１電極部材および前記第２電極部材と、前記第１シールド部材および前記第２シールド部材とは、ポリイミドからなる絶縁部材を介して連結されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項８】
前記第１電極ワッシャ部および前記第２電極ワッシャ部が、４５度を中心として４３〜４７度の範囲の角度で前記磁界空間から前記第１ターゲットまたは前記第２ターゲットに向けて拡径するように形成されたテーパ部を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項９】
前記第１電極部材および第２電極部材のそれぞれは、内部に冷却用空気流通空間を有し、前記冷却用空気流通空間に冷却用大気を導入する空気導入管および熱せられた大気を排気する熱気排気管が挿設されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項１０】
前記第１シールド部材および前記第２シールド部材の周壁部に、前記第１電極部材および第２電極部材と、前記第１シールド部材および第２シールド部材とのギャップ中の残留ガスが流出可能な放熱・排気孔が穿設されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタ装置に関し、特に、電子デバイス・電気機器等に組み込まれる精密薄膜を作製するスパッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子デバイス・電気機器の技術進歩は目覚しく、特に精密（極薄、均質、平坦）な薄膜が作製できるスパッタ技術に依るところが大きい。従来、これらのデバイス・機器の技術の更なる進歩に対応するため、新材料の開発や、膜の超薄化、均質・平坦化、付着力の強化等に加えて、さらに、装置の小型化・マイクロマシン化を実現する薄膜作製用スパッタ技術が求められ、また、デバイス・機器の多様性にも応える薄膜作製スパッタ技術が要求される。
【０００３】
従来、公知のスパッタ装置として、各種の形式のものがある。以下では、その代表として、２極式（ダイオード式）のスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法をそれぞれ用いた装置について、放電の特性あるいは磁界の特性を挙げることにする。まず、図８に、電極の配置の観点で２極式（ダイオード式）と対向ターゲット式とを例示する。例えば、図８（ａ）に示す２極式スパッタ装置は、真空槽１００内に、基板１０１背後の陽極１０１ａと、ターゲット１０２を接続・保持する陰極１０２ａとを対向させ、直流電源１０３によって陽極１０１ａと陰極１０２ａの間に直流電圧を印加して、基板１０１とターゲット１０２の間にプラズマを発生させる装置である。なお、基板１０１は、基板バイアスするため陽極１０１ａと電気接続されていてもよいし、側方においてもよく、いずれの場合であってもプラズマは形成される。
【０００４】
また、図８（ｂ）は、対向ターゲット式スパッタ装置を、後記する励磁手段（外部励磁コイルまたは内蔵磁石）の図示を省略した状態で示したものである。この装置は、陰極１０４に接続・保持されたターゲット１０５ａと、陰極１０６に接続・保持されたターゲット１０５ｂとが、空間１０７を挟んで対向配置され、空間１０７の側方に基板１１６が配置され、さらに、ターゲット１０５ａ，１０５ｂのそれぞれの外周に円環状の陽極ワッシャ１０４ａ，１０６ａが周設された形式の装置である（例えば、特許文献１参照）。この装置では、陰極１０４／ターゲット１０５ａ、陰極１０６／ターゲット１０５ｂと陽極ワッシャ１０４ａ，１０６ａの間に直流電源１０８によって直流電圧が印加される。なお、特許文献１では、陰極１０４，１０６は筒状に構成されており、陽極ワッシャ１０４ａ，１０６ａは、陰極１０４，１０６およびターゲット１０５ａ，１０５ｂを外側から取り囲むように筒状に構成されており、外部励磁コイルを備えている。
【０００５】
次に、図９に、励磁手段として陰極の外部に励磁コイルを配設したスパッタ装置を図示する。図９（ａ）に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図８（ａ）に示す２極式スパッタ装置において、側方に、基板１０１とターゲット１０２の間の空間に磁界を印加する外部励磁コイル１０９を配設した装置である。また、図９（ｂ）に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図８（ｂ）に励磁手段を省略して示した装置において、側方に、ターゲット１０５ａとターゲット１０５ｂの間の空間に磁界を印加する外部励磁コイル１０９を配設した対向ターゲット式スパッタ装置である。
【０００６】
次に、図１０に、励磁手段として陰極の内部（内側：ターゲット面の反対側）に磁石を配設したスパッタ装置を図示する。図１０（ａ）に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図８（ａ）に示す２極式スパッタ装置において、基板１０１とターゲット１０２の間の空間に磁界を印加するための永久磁石１１０を、ターゲット１０２の背面側に配設した構成を有する装置である。つまり、この図１０（ａ）に示す装置は、いわゆるマグネトロンスパッタ法を用いた装置（マグネトロン式スパッタ装置）である。また、図１０（ｂ）に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図８（ｂ）に励磁手段を省略して示した装置において、ターゲット１０５ａとターゲット１０５ｂの間の空間に磁界を印加するための永久磁石１１０を、ターゲット１０５ａ，１０５ｂの背面側に配設した構成を有する対向ターゲット式スパッタ装置である。
【特許文献１】特公昭６２−１４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、２極式（ダイオード式）のスパッタ法を用いた場合（磁石を使わない２極式スパッタ装置：図８（ａ）参照）、成膜速度が遅く、高エネルギー粒子が基板に衝突するため膜面損傷、基板温度の上昇を招き、さらに、印加電圧および雰囲気ガス圧力が高いことが求められる。この磁石を使わない２極式スパッタ装置に対して、図９（ａ）に示すように外部励磁コイル１０９を用いるスパッタ装置では、成膜速度は１０倍程度までは高速となるが、前記の２極式スパッタ装置よりさらに高エネルギー粒子が基板に衝突するため過度の膜面損傷、基板温度の上昇を招き、さらに、大型の直流電源と励磁コイルを併設し、発熱する励磁コイルを強力に冷却する必要がある。さらに、マグネトロンスパッタ法を用いた装置（マグネトロン式スパッタ装置：図１０（ａ）参照）では、磁石を使わない２極式スパッタ装置の課題である、低成膜速度、高い印加電圧および雰囲気ガス圧力（１０−３Ｔｏｒｒ程度）の問題を解決できるが、強磁性体の低温および／または高速な成膜を行うスパッタが困難である、また、ターゲットの利用効率が低い、という不利がある。
【０００８】
また、対向ターゲット式スパッタ法を用いた場合、外部励磁コイル１０９を配設した対向ターゲット式スパッタ装置（図９（ｂ）参照）は、雰囲気ガス圧力が１０−４Ｔｏｒｒ程度と低く、また、低温および／または高速で成膜できるが、対向するターゲットの間のプラズマ閉じ込め空間に形成される磁界分布が一様過ぎる。つまり、プラズマ閉じ込め空間において磁界分布が中心部よりも境界部の方が相対的に強くなってはいない。したがって、プラズマ閉じ込め空間の境界部のプラズマ閉じ込めが弱く、境界部においてプラズマ粒子が側方（プラズマ閉じ込め空間の外側）に逃げやすいため、逆にプラズマ閉じ込め空間の中心付近では、ターゲット面中央部の侵蝕が周縁部に比べて過大となる。また、このスパッタ装置（図９（ｂ）参照）には、真空槽内部の温度上昇を招くという問題、さらに、ターゲットの使用効率が不十分である、という問題もある。なお、図９（ａ）に示す装置のように外部励磁コイル１０９を強力に冷却する必要もある。
【０００９】
これに対して、対向ターゲット式スパッタ法を用いたとしても、図１０（ｂ）に示す装置、すなわち、陰極１０４，１０６の内部に永久磁石１１０を配設した対向ターゲット式スパッタ装置では、図９（ｂ）に示す装置と比べると、外部励磁コイル１０９を駆動するための大型直流電源が不要であり、さらに、プラズマ閉じ込め空間において磁界分布が中心部よりも境界部の方が相対的に強いため、ターゲット前面の磁界分布が理想的なものとなる。また、図９（ｂ）に示す装置と比べてさらに低ガス圧化を図ることができる。例えば、雰囲気ガスの供給を止めたとしても、一方のターゲット表面から叩き出された原子がイオン化して他方のターゲットに衝突する現象によるスパッタ（セルフスパッタ）も可能となるなどの利点がある。しかしながら、陰極１０４，１０６の内部に永久磁石１１０を単純に配設しただけの構造では、永久磁石１１０で形成される磁束が漏れ易くなる。この磁束漏れによってプラズマ空間において磁界が不足する領域が生じてしまうので、良質な成膜のためにプラズマを安定に制御しようとしても品質が不十分となってしまう。また、このスパッタ装置（図１０（ｂ）参照）には、陰極１０４，１０６の内部に配設した永久磁石１１０の温度上昇等の問題がある。このスパッタ装置において、プラズマ閉じ込めの磁界を強力にすると共に、磁束漏れが生じないように、強い永久磁石を単純に用いようとすれば、そのような磁石を効率よく冷却するために水冷が好ましいが、次のような問題がある。
【００１０】
従来のスパッタ装置では、基板、ターゲット、磁石等の高温となる構成部材を冷却するため、必要な箇所に冷却水を流通させて冷却する水冷方式が採用されている。この水冷方式では、冷却水の流通経路あるいは磁石や電極板に水垢が付着して、各種の問題が発生する。例えば、水垢の付着や蓄積による流通経路の目詰りによる水漏れまたは断水、冷却不足による構成部材の破損に伴う温度上昇や磁石上付着膜の断熱に伴う磁石温度上昇による磁力低下等の各種の問題が発生する。そのため、冷却水の流通経路の点検、整備を定期的に行うなど保守の手間および費用が掛かり、また、冷却水の循環設備を必要とするため、装置が大型化、高価となる原因となっている。その他、水道の導入工事の費用や水道の使用料も多額となる。
【００１１】
さらに、従来のスパッタ装置では、２極式スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法に限らず、陽極とターゲット／陰極の間に電圧を印加するための直流電源が、商用交流電源（ＡＣ１００または２００［Ｖ］、５０または６０［Ｈｚ］）から電源装置を介して手軽に得られているわけではなく、図１１に示すような複雑な回路構成を必要としている。すなわち、図１１において最も左側の商用交流電源の電圧は、第１段目として、変圧器（昇圧器）によって５００〜２０００［Ｖ］に昇圧され、第２段目に、整流器と平滑Ｃ（コンデンサ回路）により直流電圧（ＤＣ）とされる。このうち、第１段目の装置は、小型かつ安価なものであるが、第２段目の装置は、比較的大型かつ高価なものであって、平滑Ｃに大量の電荷が蓄積される。したがって、スパッタ装置およびその装置を作動させる全体の装置構成が大型化、高価となりがちで、その保守が容易でなく、また、消費エネルギーが多いものであった。
また、ＤＣ（直流電圧）の代わりに高周波電源を用いる場合には、図１１において、第２段目までに生成された直流電圧（ＤＣ）を、さらに、第３段目の発振器により、周波数を１３．５６［ＭＨｚ］に調整する。こうして得られた高周波電源（ＲＦ）を、ＲＦの負荷であるスパッタ装置とのインピーダンス整合をとる整合器を通して、スパッタ装置に入力する。このように高周波電源を用いる場合には、ＤＣの場合に発生する問題に加え、第３段目の発振器の発生するＲＦのために、発振器周囲の計器にノイズが生じて測定に支障をきたす。さらに、４段目の整合器は、スパッタ装置毎に、あるいはターゲット毎に調節する必要がある。
【００１２】
以上のとおり、従来のスパッタ装置は、前述の各種の問題を有し、所要の特性を有する精密な薄膜を低温および／または高速で形成するためには、大規模かつ高価な装置となり、また、その運転も煩雑な操作が必要となり、エネルギー消費、保守の観点からも不利である。また、従来のスパッタ装置は、同一物を多数かつ手軽に量産する場合にのみ適用し得る、生産性を重視したものである。そのため、従来のスパッタ装置は、今後のデバイスの微小化や多様性に伴って生じる要求に柔軟に対応することが困難または不可能である。
【００１３】
そこで、本発明の課題は、前記の各種の問題を解決し、所要の特性を有する精密な薄膜を低温および／または高速で形成可能であるとともに、小型かつ安価で、簡易かつ省エネ運転が可能で、保守が容易であるスパッタ装置を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の他の課題は、水冷方式における冷却水の流通経路で生じる水垢の付着等に起因する各種の問題を解消し、簡易な構成で構成部材を冷却することで所要の性能を発揮することができ、また、保守が容易で装置の小型化、低価格化、運転費用の低減を図ることができるスパッタ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】
本発明者は、前記課題を乗り越えるために鋭意検討した。その結果、蛍光灯の点灯用電気回路を調査した結果、その動作原理において、その放電モードと電極フィラメントのスパッタ現象に着目し、一対のターゲットの間に設けられた変圧器の二次側高電圧コイルの両端に前記各ターゲットを接続して、前記一対のターゲットのそれぞれに相互に逆の極性の交流電圧を交互に印加することによって、一対のターゲットの間に高密度のプラズマが、完全電離した状態で安定して形成され、平坦かつ均一な薄膜を形成できることを知見した。そして、これによって、小型、安価、簡易で、かつ省エネ運転および保守が容易で、低温および高速のスパッタを行うことができることを見出した。また、冷却を必要とするターゲット等の各構成部材を空冷方式によって冷却することによって、水冷方式における各種の問題を克服できることを見出した。
【００１６】
そこで、請求項１に係る発明のスパッタ装置は、前記課題を解決するために、間隔をおいて対向配置された第１ターゲットおよび第２ターゲットと、前記第１ターゲットおよび前記第２ターゲットのそれぞれを接続かつ支持する第１電極部材および第２電極部材と、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間に磁界空間を形成するために前記第１電極部材および前記第２電極部材のそれぞれの背面側に配置された一対の磁石と、前記第１電極部材および前記第２電極部材の側面を囲んで周設された周壁部から、前記第１ターゲットおよび前記第２ターゲットの前面中央に向けて迫出した環状の第１電極ワッシャ部および第２電極ワッシャ部を有する第１シールド部材および第２シールド部材と、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間の側方に、前記磁界空間を臨んで配置される基板を設置するホルダを備え、前記第１ターゲットと前記第１電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ１と、前記第２ターゲットと前記第２電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ２とが、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］となるようにしたことを特徴とする。
【００１７】
このスパッタ装置では、第１電極部材と第１電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ１と、第２電極部材と第２電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧Ｖ２とを、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］とすることによって、昇圧器、整流器、整合器等の一連の付加機器を必要とせずに、第１電極部材および第２電極部材に支持された第１ターゲットおよび第２ターゲットに正負の逆極性の交流電圧を直接印加して、ターゲット間に高密度プラズマが完全電離した状態で安定して形成され、平坦かつ均一な薄膜を形成できる。特に、絶縁性化合物や高分子材料でも平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。
【００１８】
また、請求項２に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間に交流電圧を印加するための変圧器を備え、前記変圧器の二次側高電圧コイルの両端に前記第１電極部材および前記第２電極部材のそれぞれを接続し、前記二次側高電圧コイルの中性点を接地するとともに、前記第１シールド部材および前記第２シールド部材を前記中性点に接続したことを特徴とする。
【００１９】
このスパッタ装置では、変圧器の二次側高電圧コイルの両端に第１電極部材および第２電極部材のそれぞれを接続し、二次側高電圧コイルの中性点を接地するとともに、第１シールド部材および第２シールド部材を中性点に接続することによって、昇圧器、整流器、整合器等の一連の付加機器を必要とせずに、前記第１ターゲットおよび第２ターゲットに正負の逆極性の交流電圧を直接に印加して、ターゲット間に高密度プラズマが完全電離した状態で安定して形成され、平坦かつ均一な薄膜を形成できる。特に、絶縁性化合物や高分子材料でも平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。
【００２０】
請求項３に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記基板と、前記第１電極部材または前記第２電極部材との間に、前記基板側が負の電位となるバイアス電圧を印加することを特徴とする。
【００２１】
このスパッタ装置では、基板と、第１電極部材または第２電極部材との間に、基板側が負の電位となるバイアス電圧を印加することによって、ナノサイズの粒子および薄膜の均一性、平坦性、結晶性を制御して適正な範囲に調整が可能となる。
【００２２】
請求項４に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記各磁石から前記第１ターゲットまたは前記第２ターゲットの背面側に向けて延設されたヨークを有することを特徴とする。
【００２３】
このスパッタ装置では、各磁石から前記第１ターゲットまたは前記第２ターゲットの背面側に向けて延設されたヨークを有することによって、一対の磁石からの第１電極部材または第２電極部材の内部空間への磁力線の漏れを１０％以下に低減することができる。なお、ヨークは漏斗形状の漏斗形ヨークであることがより好ましい。
【００２４】
請求項５に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記ヨークが、方向性珪素鋼で形成されていることを特徴とする。
【００２５】
このスパッタ装置では、漏斗形ヨークが、交流変圧器の磁芯材と同じ方向性珪素鋼（３．５％Ｓｉ−Ｆｅ）で形成されていることが好ましい。
【００２６】
請求項６に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第１電極部材および前記第２電極部材、ならびに前記第１シールド部材および前記第２シールド部材が、Ｃｕ（高純度銅）で構成されていることを特徴とする。
【００２７】
このスパッタ装置では、第１電極部材および第２電極部材、ならびに第１シールド部材および第２シールド部材が、反磁性かつ、熱伝導率、電気伝導率や熱輻射率が高い材料であるＣｕで形成されていることによって、これらの部材を通過する磁束を低減させ、また、大きな放熱効果や等電位（局所放電防止）効果を得ることができる。
【００２８】
請求項７に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第１電極部材および前記第２電極部材と、前記第１シールド部材および前記第２シールド部材とは、ポリイミドからなる絶縁部材を介して連結されていることを特徴とする。
【００２９】
このスパッタ装置では、耐熱温度が従来用いられているテフロン（登録商標）の２００℃に対して、４５０℃と高く、さらに、絶縁耐力やトラッキング耐圧も高く、気密性や加工性にも優れるポリイミドからなる絶縁部材を新規材料として採用することによって、第１電極部材および第２電極部材、ならびに第１シールド部材および第２シールド部材を連結することによって、両部材の間をボイド放電や破壊がなく電気絶縁するとともに、両部材の間からの空気の漏れや部材分解ガスの漏れを遮断することができる。
【００３０】
請求項８に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第１電極ワッシャ部および前記第２電極ワッシャ部が、４５度を中心として４３〜４７度の範囲の角度で前記磁界空間から前記第１ターゲットまたは前記第２ターゲットに向けて拡径するように形成されたテーパ部を有することを特徴とする。
【００３１】
このスパッタ装置では、第１電極ワッシャ部および第２電極ワッシャ部が、４５度を中心として４３〜４７度の範囲の角度で前記磁界空間から前記第１ターゲットまたは前記第２ターゲットに向けて拡径するように形成されたテーパ部を有することによって、第１電極ワッシャ部および第２電極ワッシャ部の内側とターゲットの面側縁の間隙の異常短絡放電を防止できる。
【００３２】
請求項９に係る発明のスパッタ装置は、前記スパッタ装置において、前記第１電極部材および第２電極部材は、内部に冷却用空気流通空間を有し、前記冷却用空気流通空間に冷却用大気を導入する空気導入管および熱せられた大気を排気する熱気排気管が挿設されていることを特徴とする。
【００３３】
このスパッタ装置では、第１電極部材および第２電極部材の冷却用空気流通空間に挿設された空気導入管を通じて冷却用空気流通空間に冷却用空気を導入してターゲット、磁石等を空冷し、冷却で使用されて熱せられた大気を熱気排気管により排気することによって、水冷式における水垢の発生・水漏れ・断水等のトラブルを回避できる。
【００３４】
請求項１０に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第１シールド部材および前記第２シールド部材の側壁に、ギャップ中残留ガスが流出可能な放熱・排気孔が穿設されていることを特徴とする。
【００３５】
このスパッタ装置では、第１シールド部材および前記第２シールド部材の側壁に穿設された放熱・排気孔を通して、電極部材の側壁部とシールド部材のギャップ中の残留ガスを排気して、ターゲット、磁石等で発生する熱を排除できる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明のスパッタ装置は、ターゲット間に印加する交流電圧を昇圧器、整流器、整合器等の一連の付加機器を必要とせずに、前記一対のターゲットに交流電圧を直接印加して、ターゲット間に発生するプラズマを高密度で安定化させ、平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。そのため、本発明のスパッタ装置は、小型、安価、簡易かつ省エネ運転また保守容易、低温または高温で、成膜することができる。
【００３７】
また、本発明のスパッタ装置は、水冷方式における冷却水の流通経路で生じる水垢の付着等に起因する各種のトラブルを免れ、空冷方式で構成部材を冷却することで所要の性能を発揮することができ、また、保守が容易で装置の小型化、低価格化、運転費用の低減を図ることができる。さらに、装置の設置に際して、水道工事や水道使用料も不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明のスパッタ装置について、図１に示す本発明の実施形態に係るスパッタ装置１に基づいて詳細に説明する。なお、図１は、真空槽（図示せず）内に設けられる電極、ターゲットおよび基板等の構成を示す断面模式図である。この図１は、スパッタ装置を構成する真空槽、真空槽内を減圧する真空ポンプ等の機器を省略した図である。
【００３９】
図１に示すスパッタ装置１は、対向配置された一対の第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂと、第１ターゲット２ａおよび第２ターゲット２ｂをそれぞれ接続・支持する第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂと、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの内側に設けられた冷却用空気流通空間４ａ，４ｂの内側隅に配設された磁石６ａ，６ｂと、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間の側方に配置された基板７と、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂおよび第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂを囲むように配設された第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂと、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間に交流電圧を印加するための変圧器９とを備える。このスパッタ装置１において、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂ、磁石６ａ，６ｂ、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂは、基本的に筒状の形状を有するものである。
【００４０】
第１ターゲット２ａおよび第２ターゲット２ｂは、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの、ターゲットを接続し、かつ、支持するターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂに取付けられ、真空槽（図示せず）内に適当な間隔をおいて平行に対向配置される。この第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間の空間に、磁石６ａ，６ｂによって磁界空間Ａが形成される。そして、この磁界空間Ａ内にプラズマが閉じ込められる。
【００４１】
第１電極部材３ａおよび第２電極部材３ｂは、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂを支持するターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂと、ターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂの側部に設けられた側壁部３２ａ，３２ｂを有する中空筒状の部材である。これらの第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂのターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂと、側壁部３２ａ，３２ｂとで囲まれる内部に冷却用空気流通空間４ａ，４ｂが設けられている。この冷却用空気流通空間４ａ，４ｂには、冷却用空気を導入する空気導入管３３ａ，３３ｂが挿設されている。そして、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂは、空気導入管３３ａ，３３ｂを通って冷却用空気流通空間４ａ，４ｂに導入された冷却用空気が熱気となって排出するための熱気排気管１０ａ，１０ｂを有する。
【００４２】
図１に示すスパッタ装置において、空気導入管３３ａ，３３ｂは、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの冷却用空気流通空間４ａ，４ｂに冷却用空気を導入して第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂ、磁石６ａ，６ｂ等を空冷するためのものである。なお、空気導入管３３ａ，３３ｂから導入された冷却用空気は、図示しない冷却機構を介して所定の温度に冷却される。また、熱気排気管１０ａ，１０ｂは、冷却用空気流通空間４ａ，４ｂからの空気排出口１１ａ，１１ｂと、内部に開口した空気吸入口１２ａ，１２ｂとを有する。そして、ここでは、空気吸入口１２ａ、１２ｂは、ターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂにそれぞれ近づけた状態で配置され、熱源となる位置（ターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂの中央）に対して開口するように設定されている。
【００４３】
なお、図１に示すスパッタ装置１において、空気導入管３３ａ，３３ｂの空気導入口に送気ポンプ（図示せず）を連結し、あるいは、空気排出口１１ａ，１１ｂに吸気ポンプ（図示せず）を連結して、冷却用空気を強制的に冷却用空気流通空間４ａ，４ｂに流通させ、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂ、磁石６ａ，６ｂ等を空冷するようにしてもよい。
【００４４】
このように、空気導入管３３ａ，３３ｂを通って冷却用空気流通空間４ａ，４ｂに導入される冷却用空気によって、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂ、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂ、磁石６ａ，６ｂ等を空冷することによって、従来、所要箇所に冷却水を流通させて第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂ、磁石６ａ，６ｂ等を冷却する水冷機構において生じていた問題、例えば、冷却水の流通経路に水垢が付着して目詰まり、水漏れまたは断水を起こし、ターゲット、電極部材、磁石等の冷却が不十分となる等のトラブルを避けられる。
【００４５】
また、磁石６ａ，６ｂは、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂの背面側の第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂに設けられた冷却用空気流通空間４ａ，４ｂの内側隅に配設されている。この磁石６ａ，６ｂは、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの内周面に沿って配置された筒状の磁石である。この磁石６ａと磁石６ｂは、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂ、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂを挟んで対向配置され、対向する磁石６ａの第１ターゲット２ａ側の端部６２ａと磁石６ｂの第２ターゲット２ｂ側の端部６２ｂのいずれか一方がＮ極、他方がＳ極となるように構成される。図１においては、磁石６ａの第１ターゲット２ａ側の端部６２ａがＮ極、磁石６ｂの第２ターゲット２ｂ側の端部６２ｂがＳ極となっている。この磁石６ａ，６ｂによって、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間に磁界空間Ａが形成される。この磁石６ａ，６ｂでは、磁石６ａのＮ極（端部６２ａ）から出た磁束の全てが磁界空間Ａを通過し、対向する磁石６ｂのＳ極（端部６２ｂ）に入るようにするのが理想的である。
【００４６】
さらに、この磁石６ａおよび磁石６ｂのそれぞれから、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂの背面側に向けて漏斗形ヨーク６３ａ，６３ｂが延設されている。ここでは、漏斗形ヨーク６３ａ，６３ｂのそれぞれは、第１電極部材３ａあるいは第２電極部材３ｂの筐体の後部から縮径部分が突出した状態で配置され、熱気排気管１０ａ，１０ｂを支持する形状に形成されている。この漏斗形ヨーク６３ａ，６３ｂによって、磁石６ａ，磁石６ｂから第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの内部空間（冷却用空気流通空間４ａ，４ｂ）への磁束の漏れを低減することができる。この漏斗形ヨーク６３ａ，６３ｂは、飽和磁化が大きく、保磁力が低く、さらに、一軸異方性が強いことが好ましく、この観点から、方向性珪素鋼（３．５％Ｓｉ−Ｆｅ）を磁界中で加熱処理された軟磁性材で構成されていることが好ましい。
【００４７】
第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂは、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの側面および第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂの側縁を囲むように、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの外側に周設された周壁部８０を有する中空筒状の部材である。そして、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂは、周壁部８０の端部８０ａ，８０ｂから、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂの前面中央に向けて迫出した環状の第１電極ワッシャ部８１ａ，第２電極ワッシャ部８１ｂを有する。
【００４８】
この第１電極ワッシャ部８１ａ，第２電極ワッシャ部８１ｂは、図２に示すように、４５度を中心として４３〜４７度の範囲の角度で磁界空間Ａから第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂのそれぞれに向けて拡径するように形成されたテーパ部８２を有することが好ましい。このテーパ部８２を設けることによって、第１電極ワッシャ部８１ａ，第２電極ワッシャ部８１ｂの内縁下端と第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂの側縁２１の間の異常短絡放電（スパーク）の発生を防止できる。
【００４９】
この第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂと、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂとは、高熱伝導率、高輻射率かつ高電気伝導率を有し、かつ耐蝕性および加工性に優れるもので構成することが好ましく、この点で、４Ｎ（９９．９９％)以上の高純度Ｃｕで構成されていることが好ましい。第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂと、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂとを、反磁性かつ熱伝導率、輻射率が高い材料であるＣｕで構成することによって、これらの部材を通過する磁束を低減させ、また、大きな放熱効果を得ることができるため、有効である。
【００５０】
これらの第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂと、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂとは、耐熱性に優れるポリイミドからなる絶縁部材１３を介して連結されていることが好ましい。この絶縁部材１３によって、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂと、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂとの間を電気的に完璧に絶縁するとともに、真空槽内と外気とを遮断して、耐電圧性、耐トラッキング性、耐蝕性、耐熱性および耐水（湿）性を向上させることができる。なお、トラッキングは、絶縁物の表面に微弱な電流が流れることで絶縁物が炭化して発熱する現象であり、耐トラッキング性とは、電極部材やシールド部材に積層された絶縁部材１３の表面に微弱な電流が流れたとしてもトラッキングが起きないことをいう。
【００５１】
さらに、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの周壁部８０には、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すとおり、放熱・排気孔８５が穿設されていることが好ましい。この放熱・排気孔８５によって、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂ、磁石６ａ，６ｂ等で発生する熱を効率的に排熱できる。この放熱・排気孔８５を穿設する部位、孔径、孔数、また、放熱・排気孔８５の分布形態等は、ターゲット、ターゲット表面スパッタ箇所等における熱の発生状況、磁石６ａ，６ｂの構造や寸法等に応じて適宜決定することができる。例えば、放熱・排気孔８５の孔径は、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの内面と、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの外面の間のギャップ１４の幅ｄ（図３（ｂ）参照）より小さく、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの肉厚ｔ（図３（ｂ）参照）より大きいことが好ましい。
【００５２】
また、放熱・排気孔８５は、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの周壁部８０の第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂに近接する側と、絶縁部材１３に近接する側で孔数を多くすることが好ましい。さらに、第１シールド部材８ａ，８ｂの絶縁部材１３の側に設ける放熱・排気孔８５は、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの内面と、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの外面の間のギャップ１４に残留して排気されにくい残留ガスを排気して、残留ガスの圧力を低減してスパークを完全防止するために有効である。
【００５３】
また、変圧器９は、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間に交流電圧を印加するためのものである。この変圧器９の二次側コイル９ｂの両端に、配線１５ａ，１５ｂを介して、第１ターゲット２ａおよび第２ターゲット２ｂのそれぞれが接続されている。また、変圧器９の二次側コイル９ｂの中性点Ｍに、第１シールド部材８ａおよび第２シールド部材８ｂが、配線１６ａ，１６ｂを介して接続されている。さらに、中性点Ｍは接地されている。
【００５４】
スパッタ装置１においては、前記のように接続することによって、接地されている中性点Ｍに接続されている第１シールド部材８ａの第１電極ワッシャ部８１ａと、第２シールド部材８ｂの第２電極ワッシャ部８１ｂの電位は０［Ｖ］となる。そのため、第１電極ワッシャ部８１ａと第２電極ワッシャ部８１ｂの間の空間（磁界空間Ａ）のプラズマ電位（Ｖｐ）は０［Ｖ］となる。一方、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂのそれぞれが、変圧器９の二次側コイル９ｂの両端に、配線１５ａ，１５ｂを介して接続されている。そのため、二次側コイル９ｂの両端に生起する交流電圧Ｖに対して、第１電極部材３ａ（第１ターゲット２ａ）と第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）の間に加わる交流電圧Ｖ１と、第２電極部材３ｂ（第２ターゲット２ｂ）と第２シールド部材８ｂ（第２電極ワッシャ部８１ｂ）の間に加わる交流電圧Ｖ２は、絶対値（１／２｜Ｖ｜）が等しく相互に逆の極性を有することになる。したがって、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］、｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝１／２｜Ｖ｜の関係を有することとなる。ここで、Ｖはある時間のときの交流電圧である。これによって、図５に示すように、完全対称のプラズマが形成され安定化し加速イオンや原子が有効にスパッタする。そのため、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間に印加する交流電圧を昇圧、整流、整合等のための一連の機器を必要とせずに、一対の第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂに超安定な交流電圧を直接印加して、ターゲット間に発生するプラズマを安定化させ、平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。
【００５５】
基板７は、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間の側方に、ホルダ７１に支持されて、磁石６ａ，６ｂによって形成された磁界空間Ａに臨んで配置され、ホルダ７１に設置される。この基板７の表面にスパッタリングによって第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂの成分が堆積して成膜される。この基板７の材質は、特に限定されず、金属、プラスチック、あるいは絶縁材料等のいずれの材質のものを用いることができる。特に、従来、高エネルギー粒子衝撃があり高温となるため、薄膜を形成することが困難であったプラスチック、ソーダガラス等の低融点の材料からなる基板に薄膜を形成することができる。
【００５６】
この基板７と、第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）との間に、バイアス回路１７を介して、基板７の側が負の電位となるバイアス電圧を印加することが好ましい。これによって、バイアス電圧を調整するだけで特に基板を加熱しなくても、薄膜のナノ粒子、結晶性・組成、一様性などを制御できる。バイアス回路１７は、交流電源１８と、整流素子１９ａ，１９ｂとを、図１に示すように接続することにより、第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）に対して、基板７が負の電位や正の電位となるバイアス電圧を印加することができる。これによって、プラズマ中から所望のエネルギーと数のイオンが出され、基板や成長中の膜を衝撃できるので、特に基板加熱が不要となる。
【００５７】
次に、このスパッタ装置１におけるスパッタリングについて、図４〜７に基づいて説明する。なお、以下の説明において、変圧器９の一次側に供給される交流電力を１００［Ｖ］、５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］の商用電力とし、変圧器９の巻き線比ｎ＝１：１０、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間の空間に供給されるスパッタガスとしてＡｒを用いる場合について説明する。
【００５８】
このスパッタ装置１においては、図４に示すように、一次側と二次側の巻き線比Ｎ＝１：１０の変圧器９の一次側コイル９ａに供給される１００［Ｖ］、５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］の商用交流電力に対して、二次側コイル９ｂの両端に１０００［Ｖ］、５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］の交流電圧Ｖが発生する。このとき、前記のとおり、変圧器９の二次側コイル９ｂの両端に、配線１５ａ，１５ｂを介して、第１電極部材３ａ（第１ターゲット２ａ）および第２電極部材３ｂ（第２ターゲット２ｂ）のそれぞれが接続されている。また、変圧器９の二次側コイル９ｂの中性点Ｍに、第１シールド部材８ａおよび第２シールド部材８ｂが、配線１６ａ，１６ｂを介して接続され、さらに、中性点Ｍは接地されている。そのため、接地されている中性点Ｍに接続されている第１シールド部材８ａの第１電極ワッシャ部８１ａと、第２シールド部材８ｂの第２電極ワッシャ部８１ｂの電位は０［Ｖ］となり、第１電極ワッシャ部８１ａと第２電極ワッシャ部８１ｂの間の空間（磁界空間Ａ）のプラズマ電位（Ｖｐ）は０［Ｖ］となる。一方、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂが、変圧器９の二次側コイル９ｂの両端に、配線１５ａ，１５ｂを介して接続されている。そのため、二次側コイル９ｂの両端に生起する交流電圧Ｖ（１０００［Ｖ］）に対して、第１電極部材３ａ（第１ターゲット２ａ）と第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）の間に加わる交流電圧Ｖ１と、第２電極部材３ｂ（第２ターゲット２ｂ）と第２シールド部材８ｂ（第２電極ワッシャ部８１ｂ）の間に加わる交流電圧Ｖ２は、図４に示すように、絶対値（５００［Ｖ］）が等しく相互に逆の極性を有することになる。すなわち、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］、｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝１／２｜Ｖ｜＝５００［Ｖ］の関係となる。そして、このように、第１電極部材３ａ（第１ターゲット２ａ）と第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）の間に交流電圧Ｖ１が印加され、第２電極部材３ｂ（第２ターゲット２ｂ）と第２シールド部材８ｂ（第２電極ワッシャ部８１ｂ）の間に交流電圧Ｖ２が印加されることによって、第１電極ワッシャ部８１ａと第１ターゲット２ａの間、および第２電極ワッシャ部８１ｂと第２ターゲット２ｂの間に生じる電界によって、磁界空間Ａ（Ｖｐ＝０［Ｖ］）と第１ターゲット２ａの間の空間Ｂ１と、磁界空間Ａ（Ｖｐ＝０［Ｖ］）と第２ターゲット２ｂの間の空間Ｂ２に、高密度の荷電粒子（電子／イオン）が生じる。
【００５９】
図５は、以下に説明する動作において、交流電圧ＶＥのプラス側（ＶＥ２）とマイナス側（ＶＥ１）の状態を同時に示している。
このような状態のスパッタ装置１において、Ｖ１−Ｖ２（＝５００［Ｖ］−（−５００［Ｖ］）＝１０００［Ｖ］）の交流電圧が印加された第２ターゲット２ｂの間の空間（磁界空間Ａ）にＡｒが供給されると、図５に示すように、Ａｒの電離（Ａｒ０→Ａｒ＋＋ｅ−）または帯電（Ａｒ０＋ｅ−→Ａｒ−）、さらに、電離したＡｒまたは帯電したＡｒ同士の衝突によって、Ａｒ＋、Ａｒ０、Ａｒ−および電子（ｅ−）を含むプラズマが形成される。このとき、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂの間の空間に磁石６ａ，６ｂによって磁界空間Ａが形成されているため、磁界空間Ａ内に、Ａｒ＋、Ａｒ０、Ａｒ−、ｅ−、およびγ（ガンマ）電子（ターゲットより放出される電子）が閉じ込められ、高密度かつ安定なプラズマが形成される。
【００６０】
そして、例えば、ある時点で、第１電極部材３ａ（第１ターゲット２ａ）と第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）の間に負極性の交流電圧ＶＥ１（ＶＥ１＝０〜−５００［Ｖ］）が印加され、第２電極部材３ｂ（第２ターゲット２ｂ）と第２シールド部材８ｂ（第２電極ワッシャ部８１ｂ）の間に正極性の交流電圧ＶＥ２（ＶＥ２＝０〜＋５００［Ｖ］）が印加されている状態では、図５に示すように、第１電極ワッシャ部８１の周辺に存在している電離したＡｒ＋は、第１電極ワッシャ部８１ａから第１電極部材３ａに向かう電界Ｅによって加速され、その時点で負極として機能している第１ターゲット２ａに向かって移動して衝突しスパッタする。この第１ターゲット２ａに衝突したＡｒ＋は、電気的に中性なＡｒ０になって反跳して、第２ターゲット２ｂに向かって移動して衝突する。この衝突したＡｒ０は、図６に示すように、電離してＡｒ＋として第２ターゲット２ｂ近傍に存在していて、電圧極性反転時には、逆方向に加速されることになる。一方、磁界空間Ａに存在するマイナスイオンである、帯電したＡｒ−、電子（ｅ−）は、その時点で電気的にプラスとなっている第２ターゲット２ｂに引かれて移動して衝突する。このとき、第２ターゲット２ｂ近傍に存在している電離したＡｒ＋を跳ね飛ばし、電離したＡｒ＋を磁界空間Ａに押し込むので、磁界空間Ａのプラズマ密度は増加することになる。
【００６１】
さらに、この時点で、電離したＡｒ＋が衝突した第１ターゲット２ａからは、第１ターゲット２ａを構成する成分がスパッタされ、図６に示すように、負スパッタイオンＭ−がターゲット面から飛散する。この第１ターゲット２ａから飛散する負スパッタイオンＭ−は、電界Ｅで加速され第２ターゲット２ｂに向かうが、途中で、電離したＡｒ＋と衝突して電気的に中性なスパッタ原子Ｍ０となり、プラズマ中では充分重い粒子なので、大部分のスパッタ原子Ｍ０は、側方に配置された基板７の表面に堆積して成膜する。
【００６２】
一方、図示を省略するが、交流電圧Ｖ１と、交流電圧Ｖ２の電圧極性が反転すると、第１ターゲット２ａと第２ターゲット２ｂに衝突するプラズマイオンが前記と逆となる。すなわち、第１電極部材３ａ（第１ターゲット２ａ）と第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）の間に正極性の交流電圧ＶＥ１（ＶＥ１＝０〜＋５００［Ｖ］）が印加され、第２電極部材３ｂ（第２ターゲット２ｂ）と第２シールド部材８ｂ（第２電極ワッシャ部８１ｂ）の間に負極性の交流電圧ＶＥ２（ＶＥ２＝０〜−５００［Ｖ］）が印加される。そして、電離したＡｒ＋は、第２ターゲット２ｂに向かって移動して衝突し、スパッタする。また、第２ターゲット２ｂに衝突したＡｒ＋は、電気的に中性なＡｒ０となって反跳して第１ターゲット２ａに向かって移動する。一方、帯電したＡｒ−は、第１ターゲット２ａに引かれて移動して衝突し、Ａｒ＋を跳ね飛ばし、電離したＡｒ＋を磁界空間Ａに押し込む。さらに、電離したＡｒ＋が衝突した第２ターゲット２ｂからは、第２ターゲット２ｂを構成する成分がスパッタされ、側方に配置された基板７の表面に堆積して成膜する。
【００６３】
次に、スパッタ装置１においては、図１に示すように、ホルダ７１に設置された基板７と、第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）との間に、バイアス回路１７を介して、例えば、基板７の側が負の電位となるバイアス電圧が印加される。詳細には、バイアス回路１７のスイッチ２０が図１において右側にセットされることで、電位０の中性点に対して、バイアス電極としてのホルダ７１には、負の電位が与えられ、基板７が例えば絶縁性基板ならば正に帯電する。このバイアス回路１７には整流素子１９ｂを介してマイナス方向の脈流が流れる。この場合、磁界空間Ａから電子（ｅ−）が基板７に衝突することで熱が発生するので、基板７を加熱するためのヒータを別に設けたときと同じ成膜効果を奏することになる。これによって、バイアス電圧を調整するだけで特に基板７を加熱しなくても、薄膜へのナノ粒子、結晶性・組成、一様性などを制御できる。基板７と、第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）との間にバイアス電圧を印加しない場合には、基板７はプラズマフリーで浮游電位となる。また、基板７と、第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）との間に直流バイアス電圧を印加する場合には、マイナス向き整流素子を通して可変交流電源を付設すれば可能となる。これに対して、基板７と、第１シールド部材８ａ（第１電極ワッシャ部８１ａ）との間に、バイアス回路１７を介して、基板７の側が負の電位となるバイアス電圧が印加されると、種々のバイアス効果の活用が可能である。なお、従来の２極式スパッタ装置では基板がプラズマに曝されているので、この効果は得られない。また、仮に、図１の整流素子１９ａ．１９ｂを逆向きに配設しておいた場合には、スイッチ２０が図１において右側にセットされることで、電位０の中性点に対して、バイアス電極としてのホルダ７１には、正の電位が与えられ、基板７が例えば絶縁性基板ならば負に帯電し、バイアス回路１７には整流素子１９ｂを介してプラス方向の脈流が流れる。この場合、磁界空間Ａから、電離したＡｒ＋（イオン）が基板７に衝突することで同様な効果を奏することになる。
【００６４】
一方、このバイアス回路１７のスイッチ２０が図１において左側にセットされると、バイアス用交流電源１８を介して交流電流が流れるので、バイアス電極としてのホルダ７１には、負の電位と正の電位とが周期的に与えられる。この場合、磁界空間Ａから電子（ｅ−）が出る現象と、電離したＡｒ＋（イオン）が出る現象とが交互に発生する。図７に示すＶＳは、基板７側に与えられた電位の１周期（１／ｆ）分の変化を示す。電位の１周期の前半で、基板７に負の電位が与えられると、磁界空間Ａにおいて電離したＡｒ＋が基板７に衝突する。基板７が例えば絶縁性であれば、図６に示すように、例えば、ある時点で、負に帯電していると、磁界空間Ａにおいて電離したＡｒ＋が基板７に衝突することになる。これにより、基板７には、正の電荷が蓄積されることになる。すると、電離したＡｒ＋が基板７に衝突せず、バイアス効果が弱まってしまう。しかしながら、スパッタ装置１においては、交流電源１８の極性が反転した時点（電位の１周期の後半）では、同様に反転したバイアス電圧が印加されるので、図７に示すように、磁界空間Ａに存在する電子（ｅ−）が基板７に衝突する。これにより、基板７に蓄積されていた正の電荷がキャンセルされることになる。したがって、バイアス効果が弱くならず、電離したＡｒ＋の衝撃エネルギーが低下せず、その結果、基板７に対してスパッタ原子Ｍ０が系時的に一様に堆積され、品質の良好な成膜を可能とすることができる。この実施形態では、一例として、バイアス用交流電源１８とスパッタ用交流電源２とが同期しているものとする。つまり、バイアス用交流電源１８と、スパッタ用交流電源２と、例えば、第２電極部材３ｂの交流電圧ＶＥ２とが正極性のとき、第１電極部材３ａの交流電圧ＶＥ１が負極性となる。
【００６５】
次に、スパッタ装置１における各構成部材の冷却について説明する。
スパッタ装置１においては、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂのターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂと、側壁部３２ａ，３２ｂとで囲まれる冷却用空気流通空間４ａ，４ｂに、空気導入管３３ａ，３３ｂを通じて冷却用空気が導入される。冷却用空気流通空間４ａ，４ｂに導入された冷却用空気は、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂ、磁石６ａ，６ｂ、さらに第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂを介して、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂを冷却し、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの空気排出口１１ａ，１１ｂから排気される。これによって、従来の水冷機構において生じていた水垢の付着、目詰まり、水漏れ、断水等のトラブルの発生を解消することができる。また、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの周壁部８０に穿設されている放熱・排気孔８５は、第１ターゲット２ａ，第２ターゲット２ｂ、磁石６ａ，６ｂ等で発生する熱の輻射に有効である。そして、放熱・排気孔８５は、第１シールド部材８ａ，第２シールド部材８ｂの内面と、第１電極部材３ａ，第２電極部材３ｂの外面の間のギャップ１４に残留して排気されにくい残留ガスを排気して、残留ガスの圧力を低減し、ギャップ１４中のスパーク発生を防止するために有効である。また、水冷方式では、冷却水の循環設備、冷却水の流通経路の点検、整備を必要とするため、装置の大型化、高価格化を招き、運転費用、メンテナンスの費用および手間が掛かる。これに対して、本発明に係るスパッタ装置１は、空冷方式を採用することによって、保守が容易で装置の小型化、低価格化、運転費用およびメンテナンス費用を低減できる。
【実施例】
【００６６】
本発明の交流対向ターゲット式（図１：実施例１）、およびマグネトロン式（図８（ａ）：比較例１）と対向ターゲット式（図８（ｂ）：比較例２）のスパッタ装置を用いた場合の代表的実施例等を比較表示する。表１に、超高密度磁気ディスクの記録層として採用されているＣｏ−Ｃｒ：Ｔａ合金薄膜を形成した場合、それぞれのスパッタ方式で最良の性能を示したスパッタ条件と磁気記録特性を示す。ここでは比較のために、バイアス電圧を印加しない場合のものを示した。なお、表１において、Ａｒガス圧力の単位については１［Ｔｏｒｒ］＝１３３．３２２［Ｐａ］で換算可能であり、保磁力の単位については、１［Ｏｅ］＝７９．５７７［Ａ／ｍ］で換算可能である。また、線密度の単位ＢＰＩ（bit per inch）は、２５．４ｍｍ当たりのビット数を表す。
【００６７】
表１に示す実施例１および比較例１〜２の結果を得るに当たり、試料作製および特性測定に用いたそれぞれの装置の構成は、以下のとおりである。
実施例１の本発明のスパッタ装置は、一対の直径１０ｃｍ（４インチ）のＣｏ−Ｃｒ：Ｔａ合金ターゲットを設置し、スパッタ電源装置は、図１に示す構成の交流変圧器に一般商用周波数５０［Ｈｚ］、１００［Ｖ］を入力し、出力電圧５００［Ｖ］（中性点付）をスパッタ電圧とした。真空排気には、大阪真空製作所製ターボポンプを用いた。真空槽内ガス圧力とスパッタガスのアルゴン（Ａｒ）ガス圧力測定は、アネルバ製電離真空計を用いた。基板温度は、基板ホルダに設置した熱電対により温度を測定した。成膜速度は、形成した膜厚を断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により測定した膜厚とスパッタ電圧の印加時間から、計算により求めた。保磁力は、理研電子製振動試料型磁力計（ＶＳＭ）により、線密度は、特注のリード・ライトテストスタンドにより測定した。
【００６８】
また、比較例１のマグネトロン式スパッタ装置は、直径２０ｃｍ（８インチ）のＣｏ−Ｃｒ：Ｔａ合金ターゲットを設置し、スパッタ電源として特注の直流電源装置を用いた。真空排気には、大阪真空製作所製拡散ポンプを用いた。
比較例２の対向ターゲット式スパッタ装置は、一対の直径１５ｃｍ（６インチ）のＣｏ−Ｃｒ：Ｔａ合金ターゲットを設置し、スパッタ電源として特注の直流電源装置を用いた。真空排気には、大阪真空製作所製ターボポンプを用いた。
比較例１および比較例２のガス圧力、基板温度、成膜速度、保磁力、線密度測定には、実施例１と同じ装置および手法を用いた。
【００６９】
【表１】
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【００７０】
以上の実験結果から、本発明の交流対向ターゲット式（図１）が低温かつ高速で最優性能の記録層を成膜できるスパッタ法であると見なせる。
以上説明したように、スパッタ装置１では、各部材により構成されることで、一般的な電圧で使用することができ、空冷で十分作動させることができる等、優れた効果を奏するものであるが、図面等により説明した各部材あるいは構成に限定されるものではなく、同じ機能を発揮するものであれば、例えば、以下のような種々の変更をしても構わない。
【００７１】
スパッタ装置１では、ヨークとして漏斗形ヨーク６３ａ，６３ｂを一例として説明したが、第１電極部材３ａあるいは第２電極部材３ｂの筐体内に収まるように円筒形状に形成されていても構わない。なお、ヨークが円筒形状に形成される場合には、熱気排気管１０ａ，１０ｂを支持する案内部材を設置することとなる。また、ここでいう漏斗形とは、一端側が大きく開口して他端側がそれよりも小さく開口した状態をいい、一端側から他端側に向かって傾斜状（図１では傾斜せずに互い平行）に形成される状態であっても構わない。
【００７２】
さらに、スパッタ装置１は、第１ターゲット２ａと第１電極ワッシャ部８１ａの間に印加される交流電圧Ｖ１と、第２ターゲット２ｂと第２電極ワッシャ部８１ｂの間に印加される交流電圧Ｖ２とが、Ｖ１＋Ｖ２＝０［Ｖ］となるように設定される構成であればよく、ヨークを設置した状態であればよりよいものとなる。
そして、電極部材３ａ，３ｂあるいは両シールド部材８ａ，８ｂの形状は、円筒形状あるいは直方体形状、円錐台形状（広い面が基板側）等、特に限定されるものではない。
【００７３】
また、スパッタ装置１では、基板７の温度の上昇が小さいため、空気導入管３３ａ，３３ｂは、熱気排気管１０ａ，１０ｂを中央にして左右のどちらかに設けられた構成として説明したが、熱気排気管１０ａ，１０ｂを中央にして互いに均等な距離となる位置に複数配置しても構わない。空気導入管３３ａ，３３ｂを複数設けることで、供給された冷却用大気（空気、冷却気体：不活性ガス）が中央のターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂに向かって冷却するようになるため、冷却効果が向上して熱に弱い基板材料についてのスパッタ作業を行うことができる。
【００７４】
さらに、空気導入管３３ａ，３３ｂおよび熱気排気管１０ａ，１０ｂの太さは、同じ太さとしてもよく、また、開口高さ位置についてもターゲット接続・支持平板３１ａ，３１ｂを設置面に対して上下に配置する構成であれば、例えば、下方となるターゲット接続・支持平板３１ａ側では、空気導入管３３ａおよび熱気排気管１０ａを図１と同じ配置とし、上方となるターゲット接続・支持平板３１ｂ側では、熱気排気管１０ｂの位置を空気導入管３３ｂの開口する面に近づけるように管を短くした状態で設置して、上下非対称な構成としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す断面模式図である。
【図２】第１電極ワッシャ部および第２電極ワッシャ部の構造を示す図である。
【図３】（ａ）は、第１シールド部材および第２シールド部材の放熱・排気孔を示す斜視図、（ｂ）は、第１シールド部材および第２シールド部材の放熱・排気孔を示す断面模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係るスパッタ装置における各構成部材への印加電圧について説明する図である。
【図５】本発明の実施形態に係るスパッタ装置におけるプラズマの発生・構成およびスパッタ粒子の動作について説明する図である。
【図６】本発明の実施形態に係るスパッタ装置におけるスパッタリング現象を説明する図である。
【図７】基板と第１電極ワッシャ部の間に印加するバイアス電圧について説明する図である。
【図８】従来の装置を示し、（ａ）は、２極式スパッタ装置の概略構成を示す図、（ｂ）は、対向ターゲット式スパッタ装置の概略構成を示す図である。
【図９】従来の装置を示し、（ａ）および（ｂ）は、２極式および対向ターゲット式外部励磁コイルによるプラズマ収束スパッタ装置の概略構成を示す図である。
【図１０】従来の装置を示し、（ａ）は、マグネトロン式スパッタ装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）は、磁石内蔵対向ターゲット式スパッタ装置の概略構成を示す図である。
【図１１】従来のスパッタ装置における陽極とターゲット／陰極の間に電圧を印加するための設備について説明する図である。
【符号の説明】
【００７６】
１      スパッタ装置
２      スパッタ用交流電源
２ａ    第１ターゲット
２ｂ    第２ターゲット
３ａ    第１電極部材
３ｂ    第２電極部材
３１ａ，３１ｂ    ターゲット接続・支持平板
３２ａ，３２ｂ    側壁部
３３ａ，３３ｂ    空気導入管
４ａ，４ｂ    冷却用空気流通空間
６ａ，６ｂ    磁石
６２ａ，６２ｂ    端部
６３ａ，６３ｂ    ヨーク
７      基板
７１    ホルダ
８ａ    第１シールド部材
８ｂ    第２シールド部材
８０    周壁部
８０ａ，８０ｂ    端部
８１ａ    第１電極ワッシャ部
８１ｂ    第２電極ワッシャ部
８２    テーパ部
８３    内縁下端
８５    放熱・排気孔
９      変圧器
９ａ    一次側コイル
９ｂ    二次側コイル
１０ａ，１０ｂ    熱気排気管
１１ａ，１１ｂ    空気排出口
１２ａ，１２ｂ    空気吸入口
１３      絶縁部材
１４      ギャップ
１５ａ，１５ｂ    配線
１６ａ，１６ｂ    配線
１７      バイアス回路
１８      バイアス用交流電源
１９ａ，１９ｂ    整流素子
２０    スイッチ
２１        側縁
１００      真空槽
１０１      基板
１０１ａ      陽極
１０２      ターゲット
１０２ａ    陰極
１０３      直流電源
１０４      陰極
１０５ａ，１０５ｂ    ターゲット
１０６      陰極
１０４ａ，１０６ａ    陽極ワッシャ
１０７      空間
１０８      直流電源
１０９      外部励磁コイル
１１０      永久磁石
１１６      基板
Ａ      磁界空間
Ｂ１，Ｂ２    強電界空間
Ｍ      中性点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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