(57)【要約】【課題】アーケード状の磁場分布が超電導体の前面に広く形成され、超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができ、スパッタリング装置に適用する場合であっても、ターゲットの使用効率を高めるのに有利な超電導磁場発生装置、超電導磁場発生装置の励磁方法、スパッタリング装置を提供するにある。【解決手段】超電導磁場発生装置は、超電導遷移温度以下に冷却され磁場を捕捉することにより外部に磁場を発する超電導体１０と、超電導体１０を冷却する冷却手段２０２と、超電導体１０を収容する断熱容器３０とを含む。超電導体１０では、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域１と、第１領域１と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域２とが、超電導体１０の中心から外側に向かうに従い交互に存在している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導遷移温度以下に冷却され磁場を捕捉することにより外部に磁場を発する超電導体と、前記超電導体を冷却する冷却手段と、前記超電導体を収容する断熱容器とを含む超電導磁場発生装置において、
前記超電導体は、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域と、前記第１領域と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域とが、前記超電導体の中心から外側に向かうに従い交互に存在していることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１領域は前記超電導体において内側領域および外側領域のいずれか一方であり、前記第２領域は前記超電導体において外側領域および内側領域のいずれか他方であることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記超電導体から発生する磁場は、前記第１領域から出て、前記第１領域と前記第２領域との境界近傍に至るアーケード状の磁場分布を前記断熱容器の外部に形成することを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２において、前記第１領域と前記第２領域との境界が複数設けられており、前記第１領域から出て一方の境界近傍に戻るアーケード状の磁場分布と、前記一方の境界近傍から出て他方の境界近傍に戻るアーケード状の別の磁場分布を前記断熱容器の外部に形成することを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記超電導体の周囲には強磁性体が配設されるとともに、前記強磁性体のうちの少なくとも一部は前記超電導体の側面を取り囲むようにリング状に配設されていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項６】
請求項５において、前記強磁性体は、前記断熱容器の内部に収容されており、かつ、軟磁性体からなるヨークであることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項７】
請求項５または６において、前記強磁性体は、前記断熱容器の内部に収容されており、前記強磁性体のうち前記超電導体の側面を取り囲むように配設されている強磁性体部分は永久磁石であることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項８】
請求項５〜７のうちのいずれか一項において、前記超電導体から発する磁場は、前記第１領域から、または、前記第２領域から、または、前記第１領域と前記第２領域との境界から前記強磁性体に戻るアーケード状の磁場分布を前記断熱容器の外部に形成することを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のうちのいずれか一項において、前記超電導体の外周部から発せられる磁場が、前記超電導体の外周部よりも内側から発する磁場に比べ、前記超電導体から離れる方向に伸びていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記超電導体は、溶融法により作製した、その主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｄｙ，Ｈｏのうちの１種以上）で表されるものであることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちのいずれか一項に係る超電導磁場発生装置を励磁する励磁方法であって、一方向の磁場１と前記一方向の磁場と逆向きの磁場２とを交互に印加して前記超電導体を着磁することを特徴とする超電導磁場発生装置の励磁方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記超電導体の外周側の側面を取り囲むように永久磁石が配設されており、前記一方向の磁場１と前記逆向きの磁場２とを交互に印加して前記超電導体および前記永久磁石を着磁することを特徴とする超電導磁場発生装置の励磁方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、前記磁場１を印加した後に、前記磁場２を印加して前記超電導体を着磁することを特徴とする超電導磁場発生装置の励磁方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちのいずれかに記載する超電導磁場装置を用いるスパッタガンであって、前記第１領域と前記第２領域を環流する超電導電流によるアーケード状の磁場分布、または、前記第１領域もしくは前記第２領域を環流する超電導電流および前記強磁性体によるアーケード状の磁場分布をターゲットの前面に形成することを特徴とするスパッタガン。
【請求項１５】
請求項１４において、前記アーケード状の磁場分布は前記超電導体の前面にほぼ同心円状に複数形成されていることを特徴とするスパッタガン。
【請求項１６】
薄膜原料を含むターゲットと、スパッタガンとを有し、前記スパッタガンから発せられる磁場の作用で前記ターゲットの表面近傍にプラズマを集中させてスパッタを行い、放出される薄膜原料を基材の表面に被着させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、
前記スパッタガンには、請求項１〜請求項１０のうちのいずれか一つに記載する超電導磁場発生装置が組み込まれていることを特徴とするスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導磁場発生装置、超電導磁場発生装置の励磁方法、スパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石の代わりに超電導バルク磁石をスパッタガンに用いたマグネトロンスパッタ成膜装置が特許文献１，２に開示されている。
【０００３】
この装置の特徴は、従来の１０倍以上の強力な磁場をターゲット表面に生成してプラズマをターゲット表面に集中させることにより、永久磁石を用いたスパッタリング装置に比較して、高速成膜、低スパッタガス圧成膜、低ダメージ成膜などができる。
【０００４】
この場合、ターゲットの前面には、ターゲットの中央から出て前面に出てループを描いて周縁に戻るアーケード状の磁場分布が形成される。このアーケード状の強い磁場中に密度の高いプラズマが生成され、プラズマ中のスパッタガス（通常はアルゴンガス）のイオンが負電位のターゲットに衝突してターゲットのプラズマに面した部分がスパッタされる。
【０００５】
上記した文献に開示の超電導バルクを用いたスパッタガンでは、冷凍機で冷却した超電導体を一方向に着磁してこれを中央電極とし、その周囲に強磁性体を配置することにより、中央磁極から出て周囲磁極に入るアーケード状の磁場分布を実現している。
【特許文献１】特開２００４−９１８７２号公報
【特許文献２】特開２００３−２８９３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらこれには次のような問題があった。即ち、超電導体を中央磁極とし、強磁性体を周囲磁極としているため、アーケード状の磁場は、ターゲットの径方向で観察したとき、超電導体と超電導体よりも外側の強磁性体とを結ぶように形成される。この結果、ターゲットの面積のうちスパッタに使われた消耗部分は、主として、超電導体の外周縁よりも径方向において外側の部分だけであり、ターゲットの使用効率が悪く、また、成膜速度も充分ではなかった。ターゲットの面積のうち超電導体の外周縁よりも内側の部分は、ターゲットの使用効率が悪かった。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、アーケード状の磁場分布が超電導体の前面に広く形成され、超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができ、スパッタリング装置に適用する場合であっても、ターゲットの使用効率を高めるのに有利な超電導磁場発生装置、超電導磁場発生装置の励磁方法、スパッタリング装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
様相１の本発明にかかる超電導磁場発生装置は、超電導遷移温度以下に冷却され磁場を捕捉することにより外部に磁場を発する超電導体と、超電導体を冷却する冷却手段と、超電導体を収容する断熱容器とを含む超電導磁場発生装置において、超電導体は、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域と、第１領域と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域とが、超電導体の中心から外側に向かうに従い交互に存在していることを特徴とするものである。環流とは、超電導体の内部において超電導電流がエンドレス状に流れることをいう。この場合、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域と、第１領域と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域とが、超電導体の中心から外側に向かうに従い交互に存在しているため、アーケード状の磁場分布が超電導体の前面に広く形成され、超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができる。
【０００９】
様相２の本発明に係る超電導磁場発生装置の励磁方法は、上記した各請求項のうちのいずれか一項に係る超電導磁場発生装置を励磁する励磁方法であって、一方向の磁場１と前記一方向の磁場と逆向きの磁場２とを交互に印加して超電導体を着磁することを特徴とするものである。この場合、第１領域および第２領域とが、超電導体の中心から外側に向かうに従い交互に存在するように着磁することができる。
【００１０】
様相３の本発明に係るスパッタガンは、上記した各請求項のうちのいずれかに記載する超電導磁場装置を用いるスパッタガンであって、第１領域と第２領域を環流する超電導電流によるアーケード状の磁場分布、または、第１領域もしくは第２領域を環流する超電導電流および強磁性体によるアーケード状の磁場分布をターゲットの前面に形成することを特徴とするものである。この場合、超電導体の前面においてアーケード状の磁場分布が径方向に広がり易くなる。従って、スパッタリングするとき、ターゲットの超電導体外周より内側の領域がスパッタされたり、またはターゲット前面にスパッタされる領域を複数形成することができるので、ターゲット前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）を広げることができる。
【００１１】
様相４の本発明に係るスパッタリング装置は、薄膜原料を含むターゲットと、スパッタガンとを有し、スパッタガンから発せられる磁場の作用でターゲットの表面近傍にプラズマを集中させてスパッタを行い、放出される薄膜原料を基材の表面に被着させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、スパッタガンには、各請求項のうちのいずれか一つに記載する超電導磁場発生装置が組み込まれていることを特徴とするものである。この場合、超電導体の前面においてアーケード状の磁場分布が径方向に広がり易くなる。従って、スパッタリングするとき、ターゲットの前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）を広げることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超電導体では、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域と、第１領域と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域とが、超電導体の中心から外側に向かうに従い交互に存在している。このためアーケード状の磁場分布が超電導体の前面に形成され、超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る超電導磁場発生装置は、超電導体と、超電導体を冷却する冷却手段と、超電導体を収容する断熱容器とを含む。超電導体では、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域と、第１領域と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域とが、超電導体の中心から外側に向かうに従い交互に存在している。このためアーケード状の磁場分布が超電導体の前面に広く形成され、超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができる。ここで、第１領域は超電導体において内側領域および外側領域のいずれか一方であり、第２領域は超電導体において外側領域および内側領域のいずれか他方である形態を例示することができる。冷却手段としては、窒素、酸素、アルゴン、ネオン、水素、ヘリウムなどの液体または気体の冷媒を用いてもよいし、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機などの冷凍機を用いてもよいし、冷媒を冷凍機で冷却して循環させる方法でもよい。
【００１４】
本発明によれば、超電導体から発生する磁場は、第１領域から出て第２領域に至ると共に前記第１領域と第２領域との境界に至るアーケード状の磁場分布を前記断熱容器の外部に形成する形態を例示することができる。また、第１領域と第２領域との境界が複数設けられており、第１領域から出て一方の境界に戻るアーケード状の磁場分布と、一方の境界から出て他方の境界に戻るアーケード状の別の磁場分布を断熱容器の外部に形成する形態を例示することができる。これによりアーケード状の磁場分布が超電導体の前面に広く形成され、超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができる。
【００１５】
本発明によれば、超電導体の周囲には強磁性体が配設されるとともに、強磁性体のうちの少なくとも一部は前記超電導体の側面を取り囲むようにリング状に配設されている形態を例示することができる。この場合、超電導体の前面においてアーケード状の磁場分布の領域が径方向に広がり易くなる。従って、スパッタに適用するときには、ターゲットの前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）が広がる。更に、このような磁気回路を構成しているので、超電導体の前面に磁場分布が強くなる。故に超電導体の前面以外への漏れ磁場が少なくなるので、安全性をより高くすることができる。強磁性体としては、断熱容器の内部に収容されており、かつ、軟磁性体からなるヨークである形態を例示することができる。強磁性体としては、断熱容器の内部に収容されており、強磁性のうち超電導体の側面を取り囲むように配設されている強磁性体部分は永久磁石である形態を例示することができる。
【００１６】
上記した超電導磁場発生装置を励磁するにあたり、一方向の磁場１と磁場と逆向きの磁場２を交互に印加して超電導体を着磁する形態を例示することができる。超電導体の外周側の側面を取り囲むように永久磁石が配設されている場合には、一方向の磁場１と逆向きの磁場２とを交互に印加して超電導体および永久磁石を併せて着磁することができる。ここで、一方向の磁場１を印加した後に、逆向きの磁場２を印加して超電導体を着磁することができる。
【００１７】
上記した超電導磁場装置を用いるスパッタリング装置であって、第１領域と第２領域を環流する超電導電流によるアーケード状の磁場分布、または、第１領域または第２領域を環流する超電導電流によるアーケード状の磁場分布、または、第１領域または第２領域を環流する超電導電流と強磁性体によるアーケード状の磁場分布をターゲットの前面に形成する形態を例示することができる。これにより超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができる。この場合、ターゲット状の磁場分布はターゲットの前面に複数形成されている形態を例示することができる。
【００１８】
本発明によれば、薄膜原料を含むターゲットと、スパッタガンとを有し、スパッタガンから発せられる磁場の作用でターゲットの表面近傍にプラズマを集中させてスパッタを行い、放出される薄膜原料を基材の表面に被着させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、スパッタガンは、前記請求項のうちのいずれか一つに記載する超電導磁場発生装置が組み込まれている形態を例示することができる。超電導体の前面においてプラズマを広く分布させることができ、スパッタリング装置に適用する場合であっても、ターゲットの使用効率を高めるのに有利である。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例１について図１〜図４を参照しつつ具体的に説明する。超電導磁場発生装置は、超電導遷移温度以下に冷却され磁場を捕捉することにより外部に磁場を発する超電導体１０と、超電導体１０を冷却する冷却手段２０と、超電導体１０を収容する断熱容器３０とを含む。断熱容器３０は冷却手段２０で冷却されるものであり、側面壁３１と先端壁３２とを有する。Ｐ１は超電導体１０の中心線を示す。
【００２０】
冷却手段２０は、冷凍機２１と、冷凍機２１の先端に冷凍機構成部分の一部２２ａを介して設けられた冷却機能をもつコールドヘッド２２とを有する。超電導体１０は円柱形状をなしている。超電導体１０では、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域１と、第１領域１と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域２とが、超電導体１０の中心から径方向の外側に向かうに従い、つまり超電導体１０の径方向において隣接した状態で交互に存在している。即ち、超電導体１０は、第１領域１からなる内側領域と、第２領域２からなる外側領域とを備えている。○の中に付されている『・印』は、超電導電流が図１の紙面の向こう側から紙面の手前側に流れることを意味する。○の中に付されている『×印』は、図１の紙面の手前側から紙面の向こう側に流れることを意味する。
【００２１】
図１に示すように、真空に排気された断熱容器３０内には超電導体１０が収容されており、超電導体１０が冷凍機２１のコールドヘッド２２に固定されている。超電導体１０は、溶融法により作製した、その主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｄｙ，Ｈｏのうちの１種以上）で表されるものであることが好ましい。この点、一旦融点以上に加熱して溶融し再び凝固させる溶融法で合成したＲＥ−ＢａーＣｕ−Ｏ系の超電導体１０は、結晶粒が粗大で、かつ、超電導となる母相に絶縁相組織を有している。この絶縁相が磁場のピン止め点として働くため、捕捉磁場の強度が大きい超電導体１０が得られ、磁場発生装置としての性能が向上する。Ｐｔ，Ｒｈ，Ｃｅを含有するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の超電導体は、母相である超電導相に絶縁相がより微細に分散しており、より強いピン止め力を示すので、超電導体１０による捕捉密度が増加する。また、Ａｇ，Ａｕを含有すると、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体の機械的強度が向上する。従ってＡｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｃｅのうちの少なくとも１種類を超電導体１０に含ませれば、超電導磁場発生装置としての信頼性が向上する。
【００２２】
この超電導体１０の着磁としては、リング形状の超電導マグネットのボアの中に磁極（着磁前の超電導体１０が収容された断熱容器３０）を入れた状態で、図２に示した着磁操作で実施する。図２の横軸は超電導体１０の径方向を示し、縦軸は着磁の際における磁場の強さを示す。縦軸の０点は磁場の強さがゼロを示す。縦軸のゼロよりも上側と下側とでは磁場の向きが反対である。ここで、上側を順向きの磁場とし、下側を逆向きの磁場として取り扱う。図２に示す線αの勾配が電流密度に比例する。この超電導体１０の着磁の操作は次のようである。
【００２３】
（１）所定の大きさＢ１の順向きの磁場を一方向に印加した状態で、超電導体１０を超電導遷移温度以下に冷却する。
【００２４】
（２）印加した順向きの磁場を下げてゼロにする「１」の操作を行う。さらに、逆向きのＢ２まで逆向きの磁場を印加する「２」の操作を行う。
【００２５】
（３）逆向きの磁場の大きさを下げてゼロにする「３」の操作を行う。その後、磁極（超電導体１０が収容された断熱容器３０）を超電導マグネットのボアから取り出す。
【００２６】
上記したように超電導体１０を着磁した後、超電導体１０の電流分布および磁束密度は、図３のようになる。即ち、超電導体１０は、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域１と、第１領域１と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域２とを有している。そして超電導体１０の中心から外側に向かうに従い、つまり径方向において隣接した状態で第１領域１および第２領域２が超電導体１０に存在している。但し、図３に示したのは、超電導体１０が無限に近い理想的な場合の電流分布であり、実際の試料は有限長さのため、電流領域の境界は完全な真っ直ぐではなく、超電導体１０の前面および背面では、内側に湾曲した境界となる。
【００２７】
図２に示した着磁操作で磁場変化がなかった超電導体１０の中心部には超電導電流が誘起されず、超電導体１０の中心部における電流密度Ｊはゼロとなる。図３に示すように、超電導体１０の中心部の周囲には超電導電流が一方向（Ｚ＞０からみて反時計回り）にリング状に環流する第１領域１（内側領域）が形成される。更に第１領域１（内側領域）の外周囲には、超電導電流が逆向きにリング状に環流する第２領域２（外側領域）が形成される。結果として、図３に示すように、超電導体１０の先端側の前面には、つまりターゲット５０に対向する側には、第１領域１（内側領域）から出て第２領域２（外側流域）に戻るとともに第１領域１（内側領域）と第２領域２（外側流域）との境界に戻るアーケード状の磁場分布が広く形成される。
【００２８】
この超電導体磁場装置をスパッタガンとして用いる場合には、アーケード状の磁場分布がターゲット５０の前面に形成されるように、ターゲット５０の大きさを選定して配置する。スパッタ成膜時には、図１に示すように、上記した磁場分布によりターゲット５０の表面にプラズマＰが広く分布する。上記した磁場分布により、ターゲット５０では、超電導体１０の外周縁１０ｆの部分よりも内側の部分がスパッタされる。このように超電導体１０の外周縁１０ｆの部分よりも内側の部分においてもスパッタできるので、ターゲット５０の前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）が広がり、ターゲット５０のうちスパッタされない無駄部分を減らすことができる。
【００２９】
本実施例によれば、上記した着磁の操作「１」〜「３」を工夫するだけで、上記したアーケード状の磁場分布が超電導体１０の前面において広く得られる。故に、断熱容器３０の外側に配置する強磁性体リングの取り付けが不要となり、スパッタガンとしての立ち上げが簡単となる。また磁極の周囲に強磁性体のリングがないので、スパッタガンが小型化し、コンパクトになる。
【実施例２】
【００３０】
図４〜図６は実施例２を示す。以下、本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。図４に示すように、超電導磁場発生装置は、超電導遷移温度以下に冷却され磁場を捕捉することにより外部に磁場を発する超電導体１０と、超電導体１０を冷却する冷却手段２０と、超電導体１０を収容する断熱容器３０とを含む。超電導体１０は円柱形状をなしており、中央側に設けられた第１領域１と、第１領域１の外周側に位置する第２領域２と、第２領域２の外周側に位置する第１領域１とを備えている。
【００３１】
この超電導体１０の着磁としては、超電導マグネットのボアの中に磁極（超電導体１０が収容された断熱容器３０）を入れた状態で、図５に示した操作で実施する。図２の横軸は径方向を示し、縦軸は磁場の強さを示す。縦軸の０点は磁場の強さがゼロを示す。ゼロよりも上側と下側とでは磁場の向きが反対である。
【００３２】
（１）順向きの所定の磁場Ｂ１を一方向に印加した状態で、超電導体１０を超電導遷移温度以下に冷却する。
【００３３】
（２）印加した順向きの磁場の大きさを下げてゼロにする「１」の操作を行う。さらに、逆向きのＢ２の大きさまで逆向きの磁場を印加する「２」の操作を行う。
【００３４】
（３）逆向きの磁場の大きさを下げてゼロにする「３」の操作を行う。その後、さらに順向きの磁場Ｂ１と同じ向きでＢ３の大きさまで逆向きの磁場を印加する「４」の操作を行う。なお本実施例では、磁場の大きさについてはＢ３はＢ１よりも大きくなっているが、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の大きさを変えることにより、着磁後の磁場分布の形状を制御することができる。
【００３５】
（４）順向きの磁場の大きさを下げてゼロにする「５」の操作を行う。その後、磁極を超電導マグネットのボアから取り出す。
【００３６】
上記したように着磁した後の超電導体１０内の電流密度と磁束分布は図６の通りである。但し、図６に示したのは超電導体１０が無限に長い理想的な場合の分布であり、実際の試料は有限長さのため、電流領域の境界は真っ直ぐでなく、超電導体１０の上面および下面では内側に湾曲した境界となる。
【００３７】
図５及び図６に示した超電導体１０の着磁操作では、超電導体１０の内部で磁場変化がなかった部分は無いので、超電導体１０のすべての領域で超電導電流が誘起される。図４および図６に示すように、超電導体１０の中心域には超電導電流が一方向（Ｚ＞０からみて反時計回り）に環流する第１領域１が径方向の中央域に形成される。第１領域１の周囲には、超電導電流が逆向き（時計回り）に環流する第２領域２が形成される。第２領域２の周囲には、超電導電流が逆向きに環流する第１領域１が形成される。結果として、図４に示すように、超電導体１０の前面には、第１領域１から出て第２領域２に戻るとともに第１領域１から出て第１領域１と第２領域２との境界に戻るアーケード状の磁場分布Ｍ１と、第１領域１と第２領域２の界面から出て第２領域２と第１領域１との境界に戻るアーケード状の磁場分布Ｍ２がほぼ同心円状に形成されるので、磁場分布が超電導体１０の前面において広く形成される。スパッタガンとして用いる場合には、複数のアーケード状の磁場分布Ｍ１、Ｍ２がターゲット５０の前面に形成されるようにターゲット５０の大きさを選定し配置する。スパッタガンの成膜時には、上記した磁場分布により、ターゲット５０表面にプラズマＰが広く分布する。
【００３８】
このようにアーケード状の磁場分布Ｍ１、Ｍ２が超電導体１０の前面、つまり、ターゲット５０の前面にほぼ同心円状に複数形成されるので、磁場分布が広くなり、プラズマＰが広く分布し、ターゲット５０の前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）が広がり、ターゲット５０の利用効率が向上する。つまりターゲット５０のうちスパッタされない無駄部分を減らすことができ、ターゲット５０を平均的に消耗させるのに有利となる。また、成膜速度が向上する。ターゲット５０を従来のリング状ではなく、広い面積を有する面状の蒸発源としてみなすことができるので、大面積の均一成膜に有利である。
【実施例３】
【００３９】
図７は実施例３を示す。以下、本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。本実施例は、図７に示すように、超電導体１０の外周側の側面を取り囲むようにリング状のヨーク６０を配置した磁場発生装置である。本実施例においても、超電導体１０は、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域１と、第１領域１と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域２とが、超電導体１０の中心から径方向の外側に向かうに従い、つまり径方向において隣接した状態で交互に存在している。
【００４０】
即ち第１領域１は超電導体１０の内側領域を形成している。第２領域２は超電導体１０の外側領域を形成している。超電導体１０の外周側の側面の周囲には、強磁性体としてリング形状のヨーク６０が配置されている。超電導体１０の背面（下面）には下ヨーク６０ｕが形成されている。ヨーク６０および下ヨーク６０ｕは、パーメンジュール（ＦｅーＣｏーＶ）、電磁軟鉄（Ｆｅ）、珪素鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ）などの高透磁率材料で形成された軟磁性体が用いられる。このように超電導体１０の外周側の側面と超電導体１０の背面とでは、ヨーク６０、下ヨーク６０ｕといった強磁性体が磁路を形成している。このため、図７に示すように、超電導体１０の前面において超電導体１０の中央部から出て、超電導体１０の周縁に戻るような閉じた広いアーケード状の磁場分布を形成する。
【００４１】
本実施例によれば、実施例１に記載した効果の他に、次の効果が得られる。即ち、超電導体１０の外周側の側面の周囲に、強磁性体としてリング形状のヨーク６０が配置されている。このため、ターゲット５０の前面においてアーケード状の磁場分布の領域が径方向に広がる。従って、ターゲット５０の前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）が広がる。このような磁気回路を構成しているので、ターゲット５０の前面の磁場分布が強くなる。故にターゲット５０の前面以外への漏れ磁場が少なくなるので、安全性をより高くすることができる。
【実施例４】
【００４２】
図８は実施例４を示す。以下、本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。本実施例によれば、図８に示すように、断熱容器３０内において、超電導体１０の外周側の側面の周囲に配置される強磁性体として、リング状の永久磁石７０が配置されている。永久磁石７０は前面及び背面に磁極を有する。永久磁石７０は公知の材質のものを採用できる。超電導体１０の下部には、下ヨーク６０ｕがコールドヘッド２２に付設された状態で配置されている。着磁操作は実施例１と同様に図２に示す場合と同様であるが、以下の点において実施例１と異なる。即ち、永久磁石７０は、超電導体１０の励磁前に着磁されていてもよいし、あるいは、超電導体１０とともに着磁してもよい。この場合、図２に示す、最後に印加する逆向きとする「３」の操作の磁場の大きさが永久磁石７０の保持力を越えるように設定することで、図８に示すように超電導体１０は着磁される。ターゲット５０の前面にはアーケード状の磁場分布が超電導体１０の径方向に広がり、ターゲット５０においてスパッタされる領域が広がる。更に、超電導体１０の外周の側面の周囲に永久磁石７０が強磁性体として配置されているため、超電導体１０の外周の側面の周囲にヨークを用いる場合よりも、ターゲット５０付近の磁場強度が強くなる。
【実施例５】
【００４３】
図９は実施例５を示す。以下、本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。超電導体１０の外周側の側面の周囲には、強磁性体としてヨーク６０がリング状に配置されている。超電導体１０の背面には円盤形状の下ヨーク６０ｕがコールドヘッド２２に保持された状態で配置されている。超電導体１０の外周側の側面と超電導体１０の背面とでは、ヨーク６０、下ヨーク６０ｕといった強磁性体が磁路を形成している。このため、超電導体１０の前面において超電導体１０の中央部から出て、超電導体１０の周縁に戻る閉じたアーケード状の磁場分布を形成する。
【００４４】
本実施例によれば、リング状のヨーク６０は、超電導体１０の外周側の側面の周囲において、ヨーク６０と超電導体１０との間に隙間６２をリング状に形成するように配置されている。図７に示す実施例３と異なる点は以下のようである。
【００４５】
超電導体１０の外周の側面の周囲に配置されたヨーク６０は、超電導体１０に対して隙間６２をリング状に形成するように断熱容器３０の内部に配置されている。従って図９に示すように、ターゲット５０の前面には複数のアーケード状の磁場分布が形成されている。
【００４６】
本実施例によれば、図７に示す実施例３に記載した効果の他には次の効果が挙げられる。ヨーク６０と超電導体１０との間に隙間６２を形成している。このため、図９に示すように、第１領域１から出て第２領域２に戻るとともに第１領域１から出て第１領域１と第２領域２との境界に戻るアーケード状の磁場分布Ｍ１と、第１領域１と第２領域２との境界から出てヨーク６０に戻るアーケード状の磁場分布Ｍ２とがターゲット５０の前面にほぼ同心円状に複数形成される。従って、超電導体１０の前面において磁場分布を広く形成できる。従って、ターゲット５０の前面においてスパッタされる領域（エロージョン領域）が広がり、ターゲット５０のうち消耗していない無駄な部分の面積を小さくでき、ターゲット５０の利用効率が向上する。また、スパッタにおける成膜速度が向上する。なお、前記した隙間６２の幅は適宜設定する。隙間６２の代わりに、セラミックス、オーステナイト系ステンレス等の非磁性材料で形成した非磁性材料部を、ヨーク６０と超電導体１０との間に配置してもよい。
【実施例６】
【００４７】
図１０は実施例６を示す。以下、本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。実施例１と異なる点は以下のようである。図１０に示すように、超電導体１０を収容する断熱容器３０の外側には、永久磁石７０を有する強磁性体のリング７２が配置されている。リング７２は、リング形状のヨーク６０と、ヨーク６０に保持された永久磁石７０とを有する。強磁性体のリング７２は、断熱容器３０内の超電導体１０を着磁した後に、断熱容器３０の外周側に取り付けられる。
【００４８】
本実施例によれば、実施例３に記載した効果の他には次の効果が挙げられる。即ち、超電導体１０の前面、つまり、ターゲット５０の前面には、複数のアーケード状の磁場分布が形成される。またヨーク６０と超電導体１０との間に隙間６２を形成している。このため、図１０に示すように、第１領域１から出て第２領域２に戻るとともに第１領域１から出て第１領域１と第２領域２との境界に戻るアーケード状の磁場分布Ｍ１と、第１領域１と第２領域２との境界から出てヨーク６０に戻るアーケード状の磁場分布Ｍ２とが、ターゲット５０の前面においてほぼ同心円状に複数形成される。従って、超電導体１０の前面において磁場分布を広く形成できる。このためターゲット５０のうち消耗していない無駄な部分の面積を小さくでき、ターゲット５０の利用効率が向上する。このため、ターゲット５０のうち消耗していない無駄な部分の面積を小さくでき、ターゲット５０の利用効率が向上する。また、スパッタにおける成膜速度が向上する。前記した隙間６２の幅は適宜設定する。隙間６２の代わりに非磁性材料で形成した非磁性材料部をヨーク６０と超電導体１０との間に配置してもよい。
【実施例７】
【００４９】
図１１は実施例７を示す。以下、本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。実施例１と異なる点は以下のようである。図１１に示すように、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域１と、第１領域１と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域２とが、径方向において超電導体１０の中心から外側に向かうに従い、つまり、径方向において隣接した状態で存在している。図１１に示すように、超電導体１０の中心部の周囲には超電導電流が一方向に環流する第１領域１（内側領域）が形成される。更に第１領域１（内側領域）の周囲には、超電導電流が逆向きに環流する第２領域２（外側領域）が形成される。
【００５０】
本実施例によれば、「３」の操作で行う磁場の大きさＢ２を実施例１の場合よりも大きく設定している。その結果、超電導体１０の内側の第１領域１の容積が減少し、超電導体１０の外周側の第２領域２の容積が増加する。従って、図１１に示すように、超電導体１０の先端側の前面には、つまりターゲット５０に対向する側には、第１領域１（内側領域）から出て、第１領域１と第２領域２（外側流域）との境界に戻るアーケード状の磁場分布が形成されるとともに、第１領域１と第２領域２との境界から超電導体１０から離れるように上向きに伸びる磁場分布が断熱容器３０の外側に形成される。ここで、超電導体１０の外周部から発せられる磁場は、超電導体１０の内側から発する磁場に比べ、超電導体１０から離れる方向に伸びている。
【００５１】
上記した着磁の操作で、超電導体１０の外周側に位置する第２領域２の強い磁場分布を実現できる。よって、超電導体１０の外側における磁束の総量を、超電導体１０の中央部の磁束の総量よりも強くできる。超電導発生装置がスパッタガンとして用いられる場合には、周囲磁極の磁場が中央磁極の磁場よりも強い非平衡型のマグネトロンガンが実現される。故に、ターゲット５０と基材との間の空間に高密度のプラズマＰが形成される。よって、通常の永久磁石を用いたマグネトロンスパッタリング装置に比べて、更に緻密で密着性が良い膜が形成される。また、本実施例のように磁場の強いマグネトロンガンをプラズマ装置に用いると、通常のコイルや永久磁石を用いた装置よりも、密度が高いプラズマを被処理物に照射できる。
【実施例８】
【００５２】
図１２は、実施例５に係る超電導磁場発生装置をマグネトロンスパッタリング装置に適用した実施例８を示す。以下、本実施例は実施例５と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。超電導体１０では、一方向に環流する超電導電流を有する第１領域１と、第１領域１と逆向きに環流する超電導電流を有する第２領域２とが、径方向において超電導体１０の中心から外側に向かうに従い、つまり、径方向において隣接した状態で交互に存在している。
【００５３】
冷却手段２０は断熱容器３０の下部に設けられている。冷却手段２０の下部には、超電導体１０を昇降させる昇降部３００が設けられている。昇降部３００は台車３０１に載せられている。昇降部３００は、超電導磁場発生装置を搭載しており、超電導体３を収容する超電導磁場発生装置を矢印Ｙ１，Ｙ２方向に昇降させるものであり、伸縮可能なパンタグラフ構造をもつジャッキで構成されている。
【００５４】
図１２に示すように、スパッタ成膜装置２００は、基台２０１と、基台２０１の上側に設置されスパッタガス（一般的にはアルゴンガス）を導入しながら図略のポンプにより減圧状態（例えば１０-4〜１０-5Ｔｏｒｒ程度）に維持される成膜室２０２をもつ減圧チャンバ２０３と、磁場の作用でターゲット５０の表面の近傍の領域にプラズマＰを集中させるスパッタガンとなる超電導磁場発生装置を具備する。減圧チャンバ２０３は、成膜原料を含むターゲット５０を保持するように成膜室２０２の下部に設けられターゲット５０を保持するターゲットホルダとして機能するプレート５２と、成膜対象物としての基材２１０を保持するように成膜室２０２の上部に設けられた成膜対象物ホルダ２１１とを有する。
【００５５】
上記した超電導磁場発生装置をスパッタ成膜装置に組み付けるときには、図１２に示すように、超電導バルク磁石とされた超電導体１０をもつ超電導磁場発生装置を、減圧チャンバ２０３の挿入空間の下方に配置する。次に、超電導磁場発生装置の昇降部３００を上昇作動させて断熱容器３０を超電導体１０と共に矢印Ｙ１方向に上昇させ、図１２に示すように断熱容器３０の先端壁３２をプレート５２に対面させ、超電導体１０の先端をプレート５２に接近または接触させる。このようにすれば、超電導体１０で形成された超電導バルク磁石の磁気回路が成膜室２０２のうちターゲット５０の付近に形成される。
【００５６】
成膜時には、先ず、図略の真空排気装置により、成膜室２０２を不純物ガスが残留しないように高真空（例えば１０-6Ｔｏｒｒ台）に排気する。次に、真空排気をしながら図略のガス導入ポートからスパッタガスを導入し、例えば数ミリＴｏｒｒのスパッタガスの雰囲気にする。この状態で、ターゲット５０と成膜対象物２１０との間に、所定の電圧（例えば数ＫＶ）を印加する。この場合、一般的には、ターゲット５０をマイナスとし、成膜対象物２１０をプラスとなるように電圧を印加させる。これにより成膜室２０２内においてプラズマ放電を発生させる。プラズマＰ中の電子は磁場によって運動をしながら、スパッタガス分子（一般的にはアルゴンであるが、これに限定されるものではない）をイオン化する。このプラズマＰ状のスパッタガスイオンは、ターゲット５０の表面において集束されるため、加速されてターゲット５０の表面に衝突する。これによりターゲット５０の表面よりターゲット５０の構成物質をスパッタさせて、成膜対象物２１０の表面に堆積させ、大きな成膜速度で薄膜を成膜対象物２１０に形成することができる。この場合、超電導体１０の強磁場によりプラズマＰをターゲット５０付近に集中させることができる利点が得られる。このため成膜室２０２において高真空での放電が可能となり、成膜速度の向上を図ることができ、薄膜中の不純物が低減し、薄膜の成膜品質の向上、生産性の向上を図ることができる。なおターゲット５０をマイナスとし、ターゲット５０をプラスとなるように電圧を印加させるとしているが、これに限らず、ターゲット５０と成膜対象物２１０との間に交流電圧を印加することにしても良い。
【００５７】
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は超電導体による磁場発生源を有する分野に利用することができる。例えば、スパッタ成膜装置、エッチング装置に限らず、例えば、超電導磁場発生装置は磁気分離装置、磁場プレス機、核磁気共鳴装置、発電機、モータ等の強磁場利用装置にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施例１に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図２】実施例１に係り、超電導体を励磁するときにおいて超電導体の径方向における磁場分布を示す構成図である。
【図３】実施例１に係り、励磁された超電導体における電流密度分布を示す構成図である。
【図４】実施例２に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図５】実施例２に係り、超電導体を励磁するときにおいて超電導体の径方向における磁場分布を示す構成図である。
【図６】実施例２に係り、励磁された超電導体における電流密度分布を示す構成図である。
【図７】実施例３に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図８】実施例４に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図９】実施例５に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図１０】実施例６に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図１１】実施例７に係り、超電導磁場発生装置の断面図である。
【図１２】実施例８に係り、超電導磁場発生装置をマグネトロンスパッタリング装置に適用して示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１は第１領域、２は第２領域、１０は超電導体、２０は冷却手段、２１は冷凍機、２２はコールドヘッド、３０は断熱容器、５０はターゲット、６２は隙間、７０は永久磁石を示す。
【図１】
2006351592.tif 000003
【図２】
2006351592.tif 000004
【図３】
2006351592.tif 000005
【図４】
2006351592.tif 000006
【図５】
2006351592.tif 000007
【図６】
2006351592.tif 000008
【図７】
2006351592.tif 000009
【図８】
2006351592.tif 000010
【図９】
2006351592.tif 000011
【図１０】
2006351592.tif 000012
【図１１】
2006351592.tif 000013
【図１２】
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