JP2020076131A - 成膜装置、成膜方法、及び高周波加速空洞管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多連セル構造を持った空洞管の内壁に被膜を均一に形成する。【解決手段】成膜装置は、スパッタリングターゲットと、電力供給源と、ガス供給源と、制御装置とを具備する。上記スパッタリングターゲットは、第１内径を有する第１管部と、上記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管の内部に挿入可能であり、上記空洞管の中心軸方向に移動可能になっている。上記電力供給源は、上記スパッタリングターゲットに放電電力を供給することができる。上記ガス供給源は、上記空洞管内に放電ガスを供給することができる。上記制御装置は、上記中心軸方向における上記スパッタリングターゲットの位置を制御し、上記中心軸の方向と直交する方向における上記空洞管と上記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、上記放電電力または上記放電ガスの圧力を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置、成膜方法、及び高周波加速空洞管の製造方法に関する。

荷電粒子加速器に用いられる高周波加速空洞管として、大径の膨らみ部と小径の括れ部とが交互に連結した多連セル構造の高周波加速空洞管が提供されている。このような高周波加速空洞管は、高周波を印加すると発熱する可能性があることから、その材料として超伝導材が用いられている。超伝導材としては、例えば、ニオブ（Ｎｂ）系材料があげられる。近年、高周波加速空洞管を構成する基体の内壁に窒化ニオブ（ＮｂＮ）を被覆する例が報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２６０５９９号公報

上記の多連セル構造を持った高周波加速空洞管では、荷電粒子の加速性能を向上させるために、空洞管の内壁により均一な被膜を形成するかが重要になる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、多連セル構造を持った空洞管の内壁に被膜を均一に形成することができる成膜装置、成膜方法、及び高周波加速空洞管の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、スパッタリングターゲットと、電力供給源と、ガス供給源と、制御装置とを具備する。上記スパッタリングターゲットは、第１内径を有する第１管部と、上記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管の内部に挿入可能であり、上記空洞管の中心軸方向に移動可能になっている。上記電力供給源は、上記スパッタリングターゲットに放電電力を供給することができる。上記ガス供給源は、上記空洞管内に放電ガスを供給することができる。上記制御装置は、上記中心軸方向における上記スパッタリングターゲットの位置を制御し、上記中心軸の方向と直交する方向における上記空洞管と上記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、上記放電電力または上記放電ガスの圧力を制御する。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜装置においては、上記中心軸を中心とする、上記空洞管と上記スパッタリングターゲットとの相対回転角が変更可能に構成されてもよい。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、空洞管とスパッタリングターゲットとの相対回転角が変更可能なので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜装置においては、上記制御装置は、上記距離が長くなるほど、上記放電電力を高く制御してもよい。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、制御装置が上記距離が長くなるほど、放電電力が高く制御されるので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜装置においては、上記制御装置は、上記距離が短くなるほど、上記放電ガスの圧力を高く制御してもよい。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、制御装置が上記距離が短くなるほど、上記放電ガスの圧力が高く制御されるので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜装置においては、上記スパッタリングターゲットを上記空洞管とによって挟む磁気回路が配置され、上記中心軸の方向におけるエロージョン領域の長さが上記第２管部の長さよりも短く、上記第２内径よりも短くてもよい。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、スパッタリングターゲットを空洞管とによって挟む磁気回路が配置され、中心軸の方向におけるエロージョン領域の長さが第２管部の長さよりも短く、第２内径よりも短く構成されているので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜装置においては、上記スパッタリングターゲットは、上記中心軸方向に延在する円筒状ターゲットであってもよい。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、スパッタリングターゲットが中心軸方向に延在する円筒状ターゲットなので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜装置においては、上記空洞管に連結され、上記空洞管内に導入された上記放電ガスを排気するガス排気機構をさらに具備し、上記ガス排気機構により、上記空洞管内が上記空洞管外よりも減圧となる状態が維持されてもよい。

このような成膜装置であれば、多連セル構造を持った空洞管がガス排気機構により直接的に排気されるので、放電ガス圧の制御の精度が向上し、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜方法では、第１内径を有する第１管部と、上記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管が準備される。上記空洞管内にスパッタリングターゲットを挿入して、上記空洞管の中心軸方向における上記スパッタリングターゲットの位置が決定される。上記中心軸方向と直交する方向における上記空洞管と上記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、上記スパッタリングターゲットに投入する放電電力または上記空洞管内に導入する放電ガスの圧力を調整して、上記空洞管の内壁に膜が形成される。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記中心軸を中心とする、上記空洞管と上記スパッタリングターゲットとの相対回転角を調整して、上記内壁に上記膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、中心軸を中心とする、空洞管とスパッタリングターゲットとの相対回転角を調整して、内壁に膜が形成されるので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記距離が長くなるほど、上記放電電力を高く設定して、上記内壁に上記膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、上記距離が長くなるほど、放電電力を高く設定して、内壁に膜を形成するので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記距離が短くなるほど、上記放電ガスの圧力を高く設定して、上記内壁に上記膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、上記距離が短くなるほど、放電ガスの圧力を高く設定して、内壁に膜を形成するので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記スパッタリングターゲットを上記中心軸方向に移動させつつ、上記内壁に上記膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、スパッタリングターゲットを中心軸方向に移動させつつ、内壁に膜を形成するので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記スパッタリングターゲットを上記空洞管とによって挟む磁気回路を配置し、上記中心軸の方向におけるエロージョン領域の長さが上記第２管部の長さよりも短く、上記第２内径よりも短く形成される上記スパッタリングターゲットを用いて上記内壁に上記膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、スパッタリングターゲットを空洞管とによって挟む磁気回路を配置し、中心軸の方向におけるエロージョン領域の長さが第２管部の長さよりも短く、第２内径よりも短く形成されるスパッタリングターゲットを用いて内壁に膜を形成するので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記スパッタリングターゲットとして、上記中心軸方向に延在する円筒状ターゲットを用いてもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、スパッタリングターゲットとして、中心軸方向に延在する円筒状ターゲットを用いるので、その内壁に膜を均一に形成することができる。

上記成膜方法においては、上記空洞管として、ニオブまたは銅で構成された空洞管を用い、スパッタリング法により、上記内壁に、ニオブ、窒化ニオブ、ニオブ錫、及びホウ化マグネシウムの少なくともいずれかを有する膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管であっても、空洞管として、ニオブまたは銅で構成された空洞管を用い、スパッタリング法により、内壁に、ニオブ、窒化ニオブ、ニオブ錫、及びホウ化マグネシウムの少なくともいずれかを有する均一な膜が形成される。

上記成膜方法においては、上記空洞管と上記膜との間に、絶縁膜を形成してもよい。

このような成膜方法であれば、多連セル構造を持った空洞管の高周波超伝導特性がより向上する。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る高周波加速空洞管の製造方法では、第１内径を有する第１管部と、上記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管であって、ニオブまたは銅で構成された上記空洞管が準備される。上記空洞管内にスパッタリングターゲットを挿入して、上記空洞管の中心軸方向における上記スパッタリングターゲットの位置が決定される。上記中心軸方向と直交する方向における上記空洞管と上記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、上記スパッタリングターゲットに投入する放電電力または上記空洞管内に導入する放電ガスの圧力を調整して、上記空洞管の内壁に、ニオブ、窒化ニオブ、ニオブ錫、及びホウ化マグネシウムの少なくともいずれかを有する膜が形成される。

上記高周波加速空洞管の製造方法においては、上記空洞管と上記膜との間に、絶縁膜を形成してもよい。

以上述べたように、本発明によれば、多連セル構造を持った空洞管の内壁に被膜を均一に形成することができる成膜装置、成膜方法、及び高周波加速空洞管の製造方法が提供される。

本実施形態の成膜装置を表す模式図である。 スパッタリングターゲット付近を表す模式図である。 本実施形態の成膜方法の概念を表す模式図である。 連続的に放電電力と放電ガス圧とを変える場合のＸ軸方向の位置と、放電電力及び放電ガス圧との関係の一例を示すグラフ図である。 ターゲットの変形例を表す模式図である。 成膜装置の変形例を表す模式図である。 成膜装置の別の変形例を表す模式図である。 成膜装置の別の変形例を表す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。

まず、本実施形態の成膜装置の構成を説明する。

図１は、本実施形態の成膜装置を表す模式図である。図２（ａ）、（ｂ）は、図１のスパッタリングターゲット付近を表す模式図である。図１、図２（ａ）、（ｂ）では、空洞管１００の中心軸１００ｃ方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向またはＺ軸方向としている。Ｚ軸方向は、成膜装置１の上下方向である。Ｙ軸方向は、中心軸方向及び上下方向に直交する方向である。Ｘ軸方向を軸心方向、Ｙ軸方向を横方向としてもよい。

成膜装置１は、真空容器１０と、スパッタリングターゲット２０と、電力供給源３０と、ガス供給源４０と、駆動機構５０と、排気系６０と、制御装置７０と、圧力計８０、８１とを具備する。

真空容器１０は、排気系６０によって、その内部のガスが排気される。真空容器１０は、減圧状態を維持する金属製容器である。真空容器１０は、例えば、スパッタリングターゲット２０と、バッキングチューブ２１と、空洞管１００とを収容する。成膜装置１における成膜対象は、例えば、スパッタリングターゲット２０が対向する空洞管１００の内壁１１５である。以下、スパッタリングターゲット２０は、単に、ターゲット２０とする。

空洞管１００は、大型の超伝導高周波加速器の１ユニットを構成する空洞管の基体である。空洞管１００は、多連セル部１１０と、第１パイプ部１２１と、第２パイプ部１２２とを有する。多連セル部１１０は、さらに、複数の括れ部１１２（第１管部）と、複数の膨らみ部１１１（第２管部）とを有する。

多連セル部１１０においては、括れ部１１２と、膨らみ部１１１とがＸ軸方向に交互に直列状に連結されている。例えば、複数の膨らみ部１１１のそれぞれは、括れ部１１２を介してＸ軸方向に周期的に配列されている。膨らみ部１１１の内径は、括れ部１１２の内径よりも大きい。ここで、内径とは、Ｙ−Ｚ軸平面における内径である。

多連セル部１１０において、膨らみ部１１１と、括れ部１１２とは一体的に構成されている。製造方法の一例としては、多連セル部１１０は、円筒状のニオブ素管または銅素管からネッキング工程、及び液圧成形工程によって形成される。膨らみ部１１１の外周面は、外側に向かって凸になる曲面となり、括れ部１１２の外周面は、外側に向かって凹になる曲面になっている。多連セル部１１０は、筒状のシームレス管である。なお、括れ部１１２は、Ｘ軸方向に短く延在するストレート型のパイプでもよい。多連セル部１１０は、例えば、Ｘ軸方向に並ぶ３個〜９個の膨らみ部１１１を有する。なお、製造方法については、上記の例に限らず、例えば、膨らみ部１１１が中央部で分割されたたハーフセルを複数準備し、２つのハーフセル同士を合わせ込んだ後、合わせた部分を電子ビームで溶接して、多連セル部１１０を形成してもよい。

第１パイプ部１２１は、多連セル部１１０の一端に接合され、第２パイプ部１２２は、その一端とは反対側の多連セル部１１０の他端に接合される。第１パイプ部１２１、及び第２パイプ部１２２は、例えば、電子ビーム溶接等で、多連セル部１１０の両端に接合される。第１パイプ部１２１には、フランジが付設されている他、少なくとも１つのポート管１２１ｐが付設されている。また、第２パイプ部１２２には、フランジが付設されている他、少なくとも１つのポート管１２２ｐが付設されている。ポート管１２１ｐ、１２２ｐは、例えば、ビーム管等として機能する。

また、成膜装置１では、中心軸１００ｃを中心とする、空洞管１００とターゲット２０との相対回転角が変更可能に構成されている。例えば、空洞管１００の一端は、成膜装置１内で、駆動機構５０に固定され、この駆動機構５０によって、中心軸１００ｃの周りを回転することができる。なお、空洞管１００の両端は、回転可能なように支持されてよい。これにより、空洞管１００は、中心軸１００ｃの周りをより安定して回転することができる。また、空洞管１００の両端のうち、少なくとも１つの端は、真空容器１０に向けて開口されている。これにより、空洞管１００の内部は、排気系６０によって排気可能になっている。

空洞管１００のＸ軸方向における全長は、５００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である。膨らみ部１１１のピッチは、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。膨らみ部１１１の最大内径は、１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。括れ部１１２の最小内径は、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。括れ部１１２の最小内径、第１パイプ部１２１の内径、及び第２パイプ部１２２の内径は同じである。空洞管１００は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）、銅（Ｃｕ）等で構成されている。

ターゲット２０は、Ｘ軸方向に延在する円筒状のターゲットである。ターゲット２０は、棒状のバッキングチューブ２１に軸支されている。例えば、ターゲット２０は、バッキングチューブ２１の先端部２１ｔに固定されている。ターゲット２０の外径は、空洞管１００の最小内径よりも小さい。これにより、ターゲット２０は、空洞管１００に接触せずに、空洞管１００の内部に挿入可能になっている。

また、ターゲット２０は、駆動機構５０によって、空洞管１００内をＸ軸方向に移動可能になっている。例えば、バッキングチューブ２１は、駆動機構５０に軸支され、駆動機構５０によって、バッキングチューブ２１がＸ軸方向に移動することにより、ターゲット２０が駆動機構５０から遠ざかったり、近づいたりする。

先端部２１ｔの内部には、磁気回路２２が配置されている。ターゲット２０は、空洞管１００と磁気回路２２とにより挟まれている。磁気回路２２は、例えば、Ｘ軸方向に延出する複数の永久磁石で構成されている。一例として、図２（ａ）では、磁気回路２２として、Ｘ軸方向に２つの永久磁石が配置された例が示されている。永久磁石の数は、この例に限らない。例えば、少なくとも１つの永久磁石がＸ軸方向に列状に配列されてもよい。

また、Ｘ軸方向に隣り合う永久磁石では、同極が対向するように配置されている。例えば、１つの永久磁石のＳ極は、隣り合う永久磁石のＳ極に対向し、１つの永久磁石のＮ極は、隣り合う永久磁石のＮ極に対向する。

磁気回路２２から発せられた磁場Ｂは、ターゲット２０の表面付近にまで漏洩する。この漏れた磁場Ｂにプラズマ中の電子が拘束されることにより、ターゲット表面付近のプラズマ密度が上昇する。つまり、成膜装置１では、マグネトロンスパッタリングが実施される。

Ｘ軸方向において、ターゲット２０の長さ２０Ｌは、膨らみ部１１１の長さよりも短い。例えば、長さ２０Ｌは、Ｘ軸方向における膨らみ部１１１の長さの１／２以下である。また、Ｘ軸方向においてターゲット２０に形成されるエロージョン領域２０Ｅの長さは、膨らみ部１１１の長さよりも短く、膨らみ部１１１の内径よりも短い。例えば、エロージョン領域２０Ｅの長さは、膨らみ部１１１の長さの１／２以下であり、膨らみ部１１１の内径の１／３以下である。ここで、エロージョン領域とは、プラズマ中のイオンによってターゲット２０が優先的に彫られる領域である。

例えば、エロージョン領域２０Ｅの長さが膨らみ部１１１の長さの１／２よりも大きく、膨らみ部１１１の内径の１／３よりも大きいと、ターゲット２０から飛び出すスパッタリング粒子Ｓ１の放射角度が広角になり、内壁１１５に均一な膜が形成されにくくなり好ましくない。

エロージョン領域２０Ｅに形成される各々のエロージョンは、中心軸１００ｃの周りにおいて繋がり、ターゲット２０の表面で環状の溝を形成する。これは、ターゲット２０の表面に漏洩する磁場Ｂがターゲット２０の周りで形成されているためである。

中心軸１００ｃの方向におけるエロージョンの数は、Ｘ軸方向に配置する永久磁石の数で調整される。例えば、図２（ａ）の例示では、Ｘ軸方向において隣り合う永久磁石において同極が対向しているため、１つの永久磁石内でＮ極からＳ極への磁力線のループが形成される。これにより、例えば、ターゲット２０表面から磁力線が漏れる位置にエロージョンが形成される。

このようにして、Ｘ軸方向におけるエロージョン領域２０Ｅの長さを調整することができる。さらに、個々の永久磁石の長さを調整しても、Ｘ軸方向におけるエロージョン領域２０Ｅの長さを調整することができる。また、ターゲット２０を中心軸１００ｃ周りで局部的に開口するスリット機構を設けてもよい。このようなスリット機構を設けることにより、ターゲット２０から飛遊するスパッタリング粒子の放射角度がスリット開口幅と、スリットとターゲット２０との間の距離によって制御される。

ターゲット２０は、ニオブ（Ｎｂ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、ニオブ錫（Ｎｂ_３Ｓｎ）、ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）、及び酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）等の絶縁材の少なくともいずれかの材料を有する。なお、これらの化学量論比は、荷電粒子の高周波加速効果が同じであれば、若干のずれが許容される。

バッキングチューブ２１内には、ガス供給源４０から供給された放電ガスをターゲット２０付近にまで導入するガス流路２１０が設けられている。バッキングチューブ２１には、ターゲット２０の手前に、バッキングチューブ２１から延出された円形状のフランジ部２５が設けられている。

フランジ部２５には、複数の噴射口２５０が設けられ、複数の噴射口２５０のそれぞれがガス流路２１０に連通している。これにより、放電ガスが噴射口２５０からターゲット２０の表面に向かって噴射される。ターゲット２０の表面に噴射されるガス圧の均一性を向上させるために、例えば、４つの噴射口２５０が中心軸１００ｃの周りに９０度おきに配置されている。噴射口２５０の数は、この例に限らない。噴射口２５０の数が増加するほど、ターゲット２０の表面付近のガス圧は、より均一になる。

バッキングチューブ２１の内部には、先端部２１ｔにまで冷媒体を導入し、先端部２１ｔから冷媒体を還流することができる還流路２１１が設けられている。例えば、バッキングチューブ２１の内部には、平行に並ぶ２本の還流路２１１が設けられている。これにより、ターゲット付近にプラズマが炊かれても、プラズマによるターゲット２０の加熱が抑制される。

電力供給源３０は、ターゲット２０に放電電力を供給する。放電電力は、ＤＣ電力、パルスＤＣ電力、ＡＣ電力、ＲＦ電力、ＲＦ重畳のＤＣ電力等である。ガス供給源４０は、マスフローコントローラを有し、Ａｒ、Ｈｅ等の希ガス、Ｎ_２、Ｏ_２等のガスをバッキングチューブ２１内のガス流路２１０に供給する。これにより、空洞管１００内に所定の圧力の放電ガスが供給される。

制御装置７０は、例えば、真空容器１０内の圧力、電力供給源３０を通じてターゲット２０に投入される電力、ガス供給源４０を通じて真空容器１０内に導入されるガス圧（または、ガス流量）、駆動機構５０を通じてターゲット２０のＸ軸方向に位置、及び中心軸１００ｃの周りの回転角、及び排気系６０のそれぞれを制御する。例えば、制御装置７０は、Ｘ軸方向と直交する方向における、空洞管１００の内壁１１５とターゲット２０との間の距離に応じて、放電電力または放電ガスの圧力を制御する。

真空容器１０外で空洞管１００が準備されると、空洞管１００の一端が成膜装置１の駆動機構５０に固定される。この後、排気系６０によって、真空容器１０が真空引された後、制御装置７０によって空洞管１００内におけるターゲット２０の位置が決定されて、内壁１１５への成膜が自動的に行われる。空洞管１００内の圧力は、真空容器１０に付設された圧力計８０で計測される。真空容器１０内の圧力は、ターゲット２０近傍のバッキングチューブ２１に付設された圧力計８１で計測される。圧力計８１は、駆動機構５０に取り付けてもよい。なお、圧力計８０においては、その計測目的と周囲環境、及び設置寸法（コンダクタンス上昇を回避）等の問題を解決するため、ＭＥＭＳ技術を用いた隔膜真空計を用いることが好適である。

例えば、空洞管１００内の圧力が真空容器１０を介して所定の圧力になるまで排気された後、Ｘ軸方向におけるターゲット２０の位置が調整されて、内壁１１５に対する成膜が開始される。例えば、ターゲット２０は、予め、第１パイプ部１２１内に設定される。次に、ターゲット２０は、第１パイプ部１２１に隣接する膨らみ部１１１、この膨らみ部１１１に隣接する括れ部１１２、この括れ部１１２に隣接する膨らみ部１１１、・・・・第２パイプ部１２２と次々に移動して、内壁１１５への成膜がなされる。

成膜装置１によって、空洞管１００の内壁にＮｂＮ等が形成された高周波加速空洞管が荷電粒子加速器に適用された場合、高周波加速空洞管は、真空容器に格納され、液体ヘリウム等を用いて極低温に冷却される。また、高周波加速空洞管の外周は、磁気シールドによって取り囲まれる。また、ポート管１２１ｐ、１２２ｐには、高周波電力を空洞に供給する入力結合器、周波数調整器等が接続される。

以下の例では、Ｎｂで構成された空洞管１００を用いて、内壁１１５にＮｂＮ膜をスパッタリング成膜する例を説明する。この場合、ＮｂＮで構成されたターゲット２０を用いて、Ａｒスパッタリングにより、空洞管１００上にＮｂＮ膜を形成してもよく、Ｎｂで構成されたターゲット２０を用いて、窒素プラズマを利用した反応性スパッタリングにより、空洞管１００上にＮｂＮ膜を形成してもよい。

次に、本実施形態の成膜方法の概念について説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の成膜方法の概念を表す模式図である。

本実施形態では、Ｚ−Ｙ軸平面におけるターゲット２０と空洞管１００の内壁１１５との間の距離（以下、Ｔ／Ｓ距離）が長くなるほど、放電電力が高く設定されて、内壁１１５に膜が形成される。または、Ｔ／Ｓ距離が短くなるほど、放電ガスの圧力が高く設定されて、内壁１１５に膜が形成される。

例えば、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸方向において、ターゲット２０が括れ部１１２の中心に位置しているときは（位置Ａ）、位置ＡにおけるＴ／Ｓ距離が空洞管１００内で最も短くなる。このような場合、ターゲット２０には、比較的に低い放電電力ＰＷ_ｌｏｗが投入される。一方、図３（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向において、ターゲット２０が膨らみ部１１１の中心に位置しているときは（位置Ｂ）、位置ＢにおけるＴ／Ｓ距離が空洞管１００内で最も長くなっている。このような場合、ターゲット２０には、ＰＷ_ｌｏｗよりも高い放電電力ＰＷ_ｈｉｇｈが投入される。ここで、ＰＷ_ｌｏｗは、最小放電電力、ＰＷ_ｈｉｇｈは、最大放電電力としてもよい。

このような成膜方法によれば、位置Ｂでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の量は、位置Ａでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の量よりも大きくなる。また、位置Ｂでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の初期速度は、位置Ａでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の初期速度よりも大きくなる。

但し、位置ＢにおけるＴ／Ｓ距離は、位置ＡにおけるＴ／Ｓ距離よりも長い。このため、位置Ａ及び位置Ｂにおける、それぞれの成膜時間が同じであれば、位置Ｂの内壁１１５に付着するスパッタリング粒子Ｓ１の量と、位置Ａの内壁１１５に付着するスパッタリング粒子Ｓ１の量とが均衡する。さらに、位置Ｂの内壁１１５に入射するスパッタリング粒子Ｓ１の運動エネルギーと、位置Ａの内壁１１５に入射するスパッタリング粒子Ｓ１の運動エネルギーとが均衡する。

さらに、本実施形態の成膜方法では、放電電力以外にも、放電ガス圧を調整して内壁１１５に対し成膜がなされる。例えば、放電ガスの圧力が高くなるほど、成膜速度が降下するプロセス条件領域が選択されている場合には、以下のような制御が行われる。

例えば、ターゲット２０が位置Ａに位置しているときは、空洞管１００内に導入される放電ガスの圧力が比較的に高く調整される。このときの圧力をＰ_ｈｉｇｈとする。一方、ターゲット２０が位置Ｂに位置しているときは、放電ガスの圧力がＰ_ｈｉｇｈよりも低く調整される。このときの圧力をＰ_ｌｏｗとする。ここで、Ｐ_ｌｏｗは、最小圧力、Ｐ_ｈｉｇｈは、最大圧力としてもよい。但し、位置Ａ、Ｂにおける放電電力は同じ電力に設定される。

位置Ａ、Ｂにおける放電電力は同じなので、位置Ｂでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の初期速度は、位置Ａでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の初期速度と実質的に同じになる。但し、位置Ｂでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１においては、位置Ａでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１に比べて、内壁１１５に到達するまでの粒子に衝突する頻度が低くなる。これは、位置Ｂでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の平均自由行程が位置Ａでターゲット２０から放出されるスパッタリング粒子Ｓ１の平均自由行程に比べて、短くなるからである。

従って、位置Ａ及び位置Ｂにおける、それぞれの成膜時間が同じであれば、位置Ｂの内壁１１５に付着するスパッタリング粒子Ｓ１の量と、位置Ａの内壁１１５に付着するスパッタリング粒子Ｓ１の量とが均衡する。さらに、位置Ｂの内壁１１５に入射するスパッタリング粒子Ｓ１の運動エネルギーと、位置Ａの内壁１１５に入射するスパッタリング粒子Ｓ１の運動エネルギーとが均衡する。

一方、放電ガスの圧力が高くなるほど、成膜速度が上昇するプロセス条件領域が選択された場合には、ターゲット２０が位置Ｂに位置しているときは、空洞管１００内に導入される放電ガスの圧力がＰ_ｈｉｇｈに調整され、ターゲット２０が位置Ａに位置しているときは、放電ガスの圧力がＰ_ｈｉｇｈよりも低く調整される。

また、成膜速度が放電電力に主に依存し、膜質が放電ガスの圧力に主に依存する場合には、放電電力及び放電ガスのどちらか一方を固定して他方を制御するのではなく、放電電力及び放電ガスの圧力のそれぞれを制御してもよい。

このような成膜方法によれば、内径が異なる位置Ａ及び位置Ｂにおいて膜厚が実質的に同じになり、結晶性、結晶配向性、密度、抵抗率、表面粗さ等の膜質、膜組成も実質的に同じになる。すなわち、位置Ａ及び位置ＢにおけるＴ／Ｓ距離が異なっても、位置Ａ及び位置Ｂにおいて、実質的に同じ膜が形成される。

次に、位置Ａから位置Ｂにかけての内壁１１５に連続的な膜を成膜する場合には、ターゲット２０を位置Ａから位置Ｂにかけて段階的に移動させ、移動毎にターゲット２０に投入する放電電力をＰＷ_ｌｏｗからＰＷ_ｈｉｇｈまで段階的に上昇させたり、あるいは、移動毎に放電ガス圧をＰ_ｈｉｇｈからＰ_ｌｏｗまで段階的に下降させたりする。例えば、ターゲット２０を位置Ａから位置Ｂにまで移動させる距離をＮ回（例えば、２回以上１０回以下）に分けて、移動毎に放電電力または放電ガス圧を変更する。

ここで、各段階における成膜時間は、適宜変更してもよい。これにより、位置Ａから位置Ｂにかけての膜厚がより均一に制御される。これは、成膜時間が長くなるほど、内壁１１５に付着する膜の厚みが増加するからである。

このような成膜方法によれば、位置Ａから位置Ｂにかけての内壁１１５に均一な膜が形成される。ここで、均一な膜とは、内壁１１５の面内方向における膜の厚み、結晶性、結晶配向性、密度、抵抗率、表面粗さ等の膜質、膜組成が同じであることを意味する。

また、段階的にターゲット２０を移動するのではなく、Ｎを無限大、すなわち、ターゲット２０を位置Ａから位置Ｂにかけて連続的に移動してもよい。すなわち、ターゲット２０をＸ軸方向に移動させつつ、位置Ａから位置Ｂにかけての内壁１１５に膜を形成してもよい。

例えば、位置Ａから位置Ｂにかけて連続的に放電電力をＰＷ_ｌｏｗからＰＷ_ｈｉｇｈまで連続的に上昇させたり、位置Ａから位置Ｂにかけて連続的に放電ガス圧をＰ_ｈｉｇｈからＰ_ｌｏｗまで連続的に下降させたりして、成膜を実行する。このような成膜方法によれば、位置Ａから位置Ｂにかけての内壁１１５により均一な膜が形成される。

なお、連続成膜では、ターゲット２０の移動速度を変動してもよい。これにより、位置Ａから位置Ｂにかけての膜厚がさらに均一になる。これは、ターゲット２０の移動速度が遅くなるほど、内壁１１５に付着する膜の厚みが増加するからである。

次に、位置Ｂにまで移動したターゲット２０をさらに移動させて、次の位置Ａにまで移動させる場合は、ターゲット２０を位置Ｂから位置Ａにかけて段階的に移動させ、移動毎に放電電力をＰＷ_ｈｉｇｈからＰＷ_ｌｏｗまで段階的に下降させたり、放電ガス圧をＰ_ｌｏｗからＰ_ｈｉｇｈまで段階的に上昇させたりする。ここで、各段階における成膜時間を変更してもよい。

または、位置Ｂから位置Ａにかけて連続的に移動させて、位置Ｂから位置Ａにかけて連続的に放電電力をＰＷ_ｈｉｇｈからＰＷ_ｌｏｗまで連続的に下降させたり、放電ガス圧をＰ_ｌｏｗからＰ_ｈｉｇｈまで連続的に上昇させたりする。ここで、ターゲット２０の移動速度を一定にせず、変動させてもよい。

連続的に放電電力と放電ガス圧とを変える場合のＸ軸方向の位置と、放電電力及び放電ガス圧との関係の一例を図４に示す。横軸は、Ｘ軸方向の位置であり、縦軸は、放電電力または放電ガス圧の規格値（Ｎ．Ｕ．）である。

このような成膜方法を空洞管１００の内壁１１５の全域に実行、すなわち、空洞管１００の第１パイプ部１２１、第１パイプ部１２１に隣接する膨らみ部１１１、この膨らみ部１１１に隣接する括れ部１１２、この括れ部１１２に隣接する膨らみ部１１１、・・・・第２パイプ部１２２に対して実行することにより、空洞管１００の内壁１１５の全域に、均一な膜が形成される。

なお、成膜は、ターゲット２０を空洞管１００内を１回のパスのみで行うことに限らず、空洞管１００内を少なくとも１回、往復させてもよい。これにより、さらにより均一な膜が形成される。

また、空洞管１００とターゲット２０との間の相対回転角は、固定せず、中心軸１００ｃを中心とする、空洞管１００とターゲット２０との相対回転角を適宜調整して、内壁１１５に膜を形成してもよい。例えば、バッキングチューブ２１及びターゲット２０を固定して、空洞管１００を中心軸１００ｃを中心に回転させながら成膜を行う。これにより、さらにより均一な膜が形成される。これは、空洞管１００とターゲット２０との間に存在する空間において、ガスの圧力分布が空洞管１００の径方向に存在したり、ターゲット表面における磁場強度を径方向の全周囲おいて同一となっていなかったりする課題を解決する手法にもなっている。

成膜条件の一例を説明する。成膜装置１においては、成膜条件の各パラメータと、内壁１１５に形成される膜の厚み、膜質、及び膜組成との関係は、実験、シミュレーション等により、データベース化されている。

放電ガス：ＡｒまたはＮ_２／Ａｒ
空洞管内ガス圧：０．２Ｐａ以上１．０Ｐａ以下
ターゲット投入電力：０．５Ｗ／ｃｍ^２以上５Ｗ／ｃｍ^２以下
ターゲット移動速度（連続成膜時）：０．５ｍｍ／秒以上５ｍｍ／秒以下
Ｔ／Ｓ距離：１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下／位置Ａ、３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下／位置Ｂ
空洞管回転速度：５ｒｐｍ以上３０ｒｐｍ以下

このように、本実施形態では、Ｘ軸方向と直交する方向における空洞管１００とターゲット２０との間の距離に応じて、ターゲットに投入する放電電力または空洞管１００内に導入する放電ガスの圧力を調整して、空洞管１００の内壁１１５に、窒化ニオブ膜を形成する。

内壁１１５に形成する膜は、窒化ニオブ膜に限らず、ニオブ、窒化ニオブ、ニオブ錫、及びホウ化マグネシウムの少なくともいずれかを有する膜を形成してもよい。例えば、空洞管１００を基体とした場合の積層体の組み合わせとして、以下のものがあげられる。

例えば、積層構造は、空洞管１００を基体とした場合に、Ｎｂ基体／ＮｂＮ膜、Ｎｂ基体／Ｎｂ_３Ｓｎ膜、Ｎｂ基体／ＭｇＢ_２膜、Ｃｕ基体／Ｎｂ膜、Ｃｕ基体／ＮｂＮ膜、Ｃｕ基体／ＭｇＢ_２膜などがあげられる。また、基体に成膜される膜は、単層に限らず、複数の層を基体上に積層してもよい。特に、Ｎｂ基体にＮｂＮ膜、Ｎｂ_３Ｓｎ膜、及びＭｇＢ_２膜のいずれかを形成した空洞管１００は、Ｎｂ単体の空洞管１００に比べて、その高周波超伝導特性がさらに向上する。

また、基体と金属膜との間には、超伝導特性をさらに向上させるために、絶縁膜を形成してもよい。ここで、絶縁膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）等の絶縁材の少なくともいずれかの材料を有する。これら積層構造における各分子式における化学量論比は、荷電粒子の高周波加速効果が同じであれば、若干のずれが許容される。

また、空洞管１００が駆動機構５０によって中心軸１００ｃの周りを回転する構成に限らず、空洞管１００、ターゲット２０、及び磁気回路２２の少なくともいずれかが中心軸１００ｃの周りを回転する構成であってもよい。このような構成であれば、磁気回路２２から内壁１１５に向かって拡がる磁力線が中心軸１００ｃに対して点対象にならなくても、空洞管１００、ターゲット２０、及び磁気回路２２の少なくともいずれを回転させることにより内壁１１５には均一な厚みまたは膜質の膜が形成され得る。

（変形例１）

図５（ａ）、（ｂ）は、ターゲットの変形例を表す模式図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ターゲット２０は、筒状に限らず、プレーナ型であってもよい。この場合、先端部２１ｔは、プレーナ型のターゲット２０を支持するために、Ｙ−Ｚ軸平面における形状が矩形になっている。また、磁気回路２２のターゲット２０とは反対側にヨーク部材２３が配置されている。これにより、磁気回路２２のターゲット２０とは反対側への磁場の漏洩が抑制されて、バッキングチューブ２１の不要なスパッタリングが抑制される。

このようなターゲット２０を用い、ターゲット２０をＸ軸方向に移動し、空洞管１００を中心軸１００ｃを中心に回転しながら成膜を行う。このような構成でも、空洞管１００の内壁１１５には、均一が膜が形成される。

（変形例２）

図６は、成膜装置の変形例を表す模式図である。

図６に示すように、成膜装置１には、ターゲット２０と、空洞管１００との間にバイアス電圧を印加するバイアス電源３１が設けられてもよい。例えば、バイアス電源３１は、バッキングチューブ２１を通じてターゲット２０にＶｔの電位を印加し、空洞管１００にはＶｔよりも低いＶｃの電位を印加する。例えば、Ｖｃ電位を負電位、Ｖｔ電位を正電位とする。

このような構成であれば、プラズマ中の金属陽イオンがターゲット２０から空洞管１００の内壁１１５に向かって加速されるとともに、金属陽イオンの内壁１１５に対する入射角が垂直に近づく。従って、内壁１１５に形成される膜の密度、結晶性、結晶配向性等の均一性がより向上する。

（変形例３）

図７は、成膜装置の別の変形例を表す模式図である。

図７に示すように、成膜装置１には、ターゲット２０と空洞管１００との間で発光するプラズマ光を集光する光ファイバユニット２７が設けられてもよい。光ファイバユニット２７は、例えば、バッキングチューブ２１に支持される。光ファイバユニット２７によって集光されたプラズマの発光スペクトルは、制御装置７０に取り込まれる。

本構成では、例えば、プラズマ中に存在する、放電ガスまたは金属の特定のイオン、特定のラジカルに帰属する波長光の発光強度に応じて、放電電力または放電ガス圧が調整される。このような構成によれば、空洞管１００内のプラズマがin-situ観察されるので、発光強度によって臨機応変に放電電力または放電ガス圧の制御が可能になる。

（変形例４）

図８は、成膜装置の別の変形例を表す模式図である。

図８に示す成膜装置２では、空洞管１００の一端が駆動機構５０に固定され、さらに、封止されている。また、空洞管１００の他端がガス排気機構６０に連結されている。成膜装置２では、空洞管１００内に導入された放電ガスがガス排気機構６０によって直接的に排気される。このガス排気機構６０により、空洞管１００内が空洞管１００外よりも減圧となる状態が維持される。

このような構成によれば、装置構成が成膜装置１に比べて小型化になる。さらに、空洞管１００内の放電ガスがガス排気機構６０によって直接的に排気されるので、空洞管１００内の放電ガス圧をさらに精度よく制御することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。

１、２…成膜装置
１０…真空容器
２０…ターゲット、スパッタリングターゲット
２０Ｅ…エロージョン領域
２１…バッキングチューブ
２１ｔ…先端部
２２…磁気回路
２３…ヨーク部材
２５…フランジ部
２７…光ファイバユニット
３０…電力供給源
３１…バイアス電源
４０…ガス供給源
５０…駆動機構
６０…排気系
７０…制御装置
８０、８１…圧力計
１００…空洞管
１００ｃ…中心軸
１１０…多連セル部
１１１…膨らみ部
１１２…括れ部
１１５…内壁
１２１…第１パイプ部
１２１ｐ、１２２ｐ…ポート管
１２２…第２パイプ部
２１０…ガス流路
２１１…還流路
２５０…噴射口

Claims (18)

1. 第１内径を有する第１管部と、前記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管の内部に挿入可能であり、前記空洞管の中心軸方向に移動可能なスパッタリングターゲットと、
   前記スパッタリングターゲットに放電電力を供給することが可能な電力供給源と、
   前記空洞管内に放電ガスを供給することが可能なガス供給源と、
   前記中心軸方向における前記スパッタリングターゲットの位置を制御し、前記中心軸の方向と直交する方向における前記空洞管と前記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、前記放電電力または前記放電ガスの圧力を制御する制御装置と
   を具備する成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置であって、
   前記中心軸を中心とする、前記空洞管と前記スパッタリングターゲットとの相対回転角が変更可能に構成された
   成膜装置。
3. 請求項１または２に記載の成膜装置であって、
   前記制御装置は、前記距離が長くなるほど、前記放電電力を高く制御する
   成膜装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の成膜装置であって、
   前記制御装置は、前記距離が短くなるほど、前記放電ガスの圧力を高く制御する
   成膜装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の成膜装置であって、
   前記スパッタリングターゲットを前記空洞管とによって挟む磁気回路が配置され、
   前記中心軸の方向におけるエロージョン領域の長さが前記第２管部の長さよりも短く、前記第２内径よりも短い
   成膜装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の成膜装置であって、
   前記スパッタリングターゲットは、前記中心軸方向に延在する円筒状ターゲットである
   成膜装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の成膜装置であって、
   前記空洞管に連結され、前記空洞管内に導入された前記放電ガスを排気するガス排気機構をさらに具備し、
   前記ガス排気機構により、前記空洞管内が前記空洞管外よりも減圧となる状態が維持される
   成膜装置。
8. 第１内径を有する第１管部と、前記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管を準備し、
   前記空洞管内にスパッタリングターゲットを挿入して、前記空洞管の中心軸方向における前記スパッタリングターゲットの位置を決定し、
   前記中心軸方向と直交する方向における前記空洞管と前記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、前記スパッタリングターゲットに投入する放電電力または前記空洞管内に導入する放電ガスの圧力を調整して、前記空洞管の内壁に膜を形成する
   成膜方法。
9. 請求項８に記載の成膜方法であって、
   前記中心軸を中心とする、前記空洞管と前記スパッタリングターゲットとの相対回転角を調整して、前記内壁に前記膜を形成する
   成膜方法。
10. 請求項８または９に記載の成膜方法であって、
    前記距離が長くなるほど、前記放電電力を高く設定して、前記内壁に前記膜を形成する
    成膜方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
    前記距離が短くなるほど、前記放電ガスの圧力を高く設定して、前記内壁に前記膜を形成する
    成膜方法。
12. 請求項８〜１１のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
    前記スパッタリングターゲットを前記中心軸方向に移動させつつ、前記内壁に前記膜を形成する
    成膜方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
    前記スパッタリングターゲットを前記空洞管とによって挟む磁気回路を配置し、
    前記中心軸の方向におけるエロージョン領域の長さが前記第２管部の長さよりも短く、前記第２内径よりも短く形成される前記スパッタリングターゲットを用いて前記内壁に前記膜を形成する
    成膜方法。
14. 請求項８〜１３のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
    前記スパッタリングターゲットとして、前記中心軸方向に延在する円筒状ターゲットを用いる
    成膜方法。
15. 請求項８〜１４のいずれか１つに記載の成膜方法であって、
    前記空洞管として、ニオブまたは銅で構成された空洞管を用い、
    スパッタリング法により、前記内壁に、ニオブ、窒化ニオブ、ニオブ錫、及びホウ化マグネシウムの少なくともいずれかを有する膜を形成する
    成膜方法。
16. 請求項１５に記載の成膜方法であって、
    前記空洞管と前記膜との間に、絶縁膜を形成する
    成膜方法。
17. 第１内径を有する第１管部と、前記第１内径よりも大きい第２内径を有する第２管部とが交互に直列状に連結された空洞管であって、ニオブまたは銅で構成された前記空洞管を準備し、
    前記空洞管内にスパッタリングターゲットを挿入して、前記空洞管の中心軸方向における前記スパッタリングターゲットの位置を決定し、
    前記中心軸方向と直交する方向における前記空洞管と前記スパッタリングターゲットとの間の距離に応じて、前記スパッタリングターゲットに投入する放電電力または前記空洞管内に導入する放電ガスの圧力を調整して、前記空洞管の内壁に、ニオブ、窒化ニオブ、ニオブ錫、及びホウ化マグネシウムの少なくともいずれかを有する膜を形成する
    高周波加速空洞管の製造方法。
18. 請求項１７に記載の高周波加速空洞管の製造方法であって、
    前記空洞管と前記膜との間に、絶縁膜を形成する
    高周波加速空洞管の製造方法。

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