JP4678481B2 - 超電導磁場発生装置、スパッタガン及びスパッタリング成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は超電導磁場発生装置、スパッタガン及びスパッタリング成膜装置に関する。

超電導磁場発生装置を搭載するスパッタリング成膜装置を例にとって従来技術について説明する。従来の永久磁石の代わり、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リング成膜装置が特許文献1，2，3に報告されている。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の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、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ことである。これらの特徴は、磁場が強いほどより顕著となる。

超電導バルク磁石で形成されている超電導体は通常の永久磁石とは異なり、磁場を発生するのに超電導繊維温度以下に冷却する必要があるため、超電導体は、断熱が取れる真空容器に収納されて冷凍機で冷却される。超電導体を中央磁極とし、この周囲に軟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磁場分布がこれら磁極の前面に形成される。

スパッタガンは、薄膜の材料となるターゲットを取り付けるバッキングプレートの背面に上記中央磁極と周縁磁極とを配置することにより形成されており、ターゲットの前面に上述した磁場分布を形成してプラズマを集中させる。バッキングプレートは、成膜を行う成膜用真空チャンバに取付けられ、ターゲットの表面でプラズマを発生させる真空空間（この真空空間には通常はAr等のスパッタガスが大気圧以下で導入される）を保つための真空チヤンバを形成する壁の一部としての機能も併せもつ。

特許文献1〜3に記載のスパッタリング成膜装置では、タ一ゲットの表面に強力な磁場を発生させるため、バッキングプレートの全体の厚みを薄くし、バッキングプレートと磁極との間にターゲットを間接冷却するために冷却水を流す層を設けている。

しかしながら、上記した特許文献1及び２に記載の超電導磁場発生装置を搭載するスパッタリング成膜装置では、以下のような問題点があった。

（Ａ）超電導体から発生する磁場は、非常に強くヨーク材に使われる軟磁性体の飽和磁化を超えてしまうため、超電導体の前面にヨーク材を取り付けて、強磁場を導くには限界がある。従って、磁場の作用空間であるバッキングプレートの前面に強磁場を発生させるためには、超電導体を有する中央磁極をできるだけプレートの表面に近づける必要がある。しかし、従来の構造ではバッキングプレートの全体の厚みを薄くすることは、バッキングプレートの強度や冷却の点から限界があった。

（Ｂ）ターゲットサイズが大きくなると、バッキングプレートのサイズも増加するため、バッキングプレートの全体の厚みを薄くしたときには、バッキングプレートが大気圧で変形し、ターゲットをバッキングプレートに取り付けられなくなるおそれがある。一方、パッキングプレートの厚みを厚くすると、パッキングプレートの変形を抑制できるものの、バッキングプレートの前面に強磁場を発生させるためには限界があり、ターゲットの表面の磁場が弱くなるおそれがある。
特開平10−72667号公報 特開2004−91872号公報 上記した特許文献によれば、超電導体からの強い磁場をプレートの前面側に発生させるには限界があった。本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、超電導体からの強い磁場をプレートの前面側に発生させることができる超電導磁場発生装置、スパッタガン及びスパッタリング成膜装置を提供することを課題とする。

（１）第１様相に係る超電導磁場発生装置は、超電導遷移温度以下で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装置と、超電導体を収容する先端部をもつ断熱容器とを有する中央磁極と、
超電導体の周囲に配置された強磁性体で形成された周縁磁極と、
中央磁極と周縁磁極とが存在する空間と超電導体による磁場作用空間とを仕切るプレートとを具備しており、
プレートは、プレートの径方向において、超電導体に対面すると共に非磁性体で形成されている中央部と、中央部の外周側に配置され超電導体の磁場を透過させる強磁性体を有する中間部と、中間部の外周側に配置されている非磁性体で形成されている周縁部とを備えており、
プレートのうち中央磁極に対面する中央部は、中央磁極の先端部に対面する部分において、断熱容器内の超電導体を断熱容器の先端部と共に収容すると共に周縁磁極を収容しない窪みを有すると共に、
プレートの中央部の厚みは、プレートの中間部の周囲の厚みおよびプレートの周縁部の厚みよりも薄く設定されていることを特徴とするものである。

（２）第２様相に係るスパッタガンは、
超電導遷移温度以下で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装置と、超電導体を収容する断熱容器とを有する中央磁極と、
超電導体の周囲に配置された強磁性体で形成された周縁磁極と、
中央磁極と周縁磁極とが存在する空間と磁場作用空間とを仕切るプレートとを具備する超電導磁場発生装置を有するスパッタガンにおいて、
超電導磁場発生装置のプレートは、ターゲットを固定するバッキングプレートであり、超電導磁場発生は前記した様相に係る超電導磁場発生装置で行なわれることを特徴とするものである。

（３）第３様相に係るスパッタリング成膜装置は、
成膜原料を含むターゲットを保持するターゲットホルダと成膜対象物を保持する成膜対象物ホルダとを有する減圧チャンバと、
ターゲットの表面の近傍の領域にプラズマを集中させる磁場を発生させるスパッタガンとを具備しており、
ターゲットから放出される成膜原料を成膜対象物の表面に被着させて成膜対象物に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、前記した各様相に係る超電導磁場発生装置を有することを特徴とするものである。

（４）各様相によれば、プレートは、プレートの径方向において、超電導体に対面すると共に非磁性体で形成されている中央部と、中央部の外周側に配置され強磁性体を有する中間部と、中間部の外周側に配置されている非磁性体で形成されている周縁部とを備えている。プレートのうち中央磁極に対面する中央部は、中央磁極の先端部に対面する部分において、断熱容器内の超電導体を断熱容器の先端部と共に収容すると共に周縁磁極を収容しない窪みを有する。プレートの中央部の厚みは、プレートの中間部の周囲の厚みおよびプレートの周縁部の厚みよりも薄く設定されている。

プレートのうち超電導体に対面する中央部は、中央磁極の先端部に対面する部分に、超電導体および断熱容器の先端部を収容する窪みを有すると共に、プレートの中央部の厚みは当該中央部の周囲の厚みよりも薄く設定されている。このためプレートに中央磁極の超電導体をできるだけ近づけることができ、中央磁極の超電導体からの強い磁場をプレートの前面側に発生させるのに有利となる。従って、強い磁場で捕獲されるプラズマをプレートの前面の近くで閉じ込めるのに有利となる。

本発明に係る超電導磁場発生装置、スパッタガン、スパッタリング成膜装置によれば、プレートのうち超電導体に対面する中央部は、中央磁極の先端部に対面する部分において、断熱容器内の超電導体を断熱容器の先端部と共に収容する窪みを有すると共に、プレートの中央部の厚みは当該中央部の周囲の厚みよりも薄く設定されている。このためプレートに中央磁極の超電導体をできるだけ近づけることができ、中央磁極の超電導体からの強い磁場をプレートの前面側に発生させるのに有利となる。従って、プレートに中央磁極の超電導体をできるだけ近づけることができ、強い磁場で捕獲されるプラズマをプレートの前面側で閉じ込めるのに有利となる。

本発明に係る超電導磁場発生装置は、超電導遷移温度以下で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装置と、超電導体を収容する先端部をもつ断熱容器とを有する中央磁極を有すると共に、更に、超電導体の周囲に配置された強磁性体を具備する周縁磁極と、中央磁極と周縁磁極とが存在する空間と超電導体による磁場作用空間とを仕切るプレートとを有する。プレートのうち超電導体に対面する中央部は、超電導体の先端部に対面する部分に窪みを有すると共に、中央部の厚みは中央部の周囲の厚みよりも薄く設定されている。なお窪みの深さは、超電導体の厚みと同程度でも良いし、超電導体の厚みよりも大きくても良いし、超電導体の厚みよりも小さくても良い。

ここで、プレートのうち超電導体に対面する前記中央部の厚みをｔ１とし、前記プレートのうち当該中央部の周囲の厚みをｔ２とすると、ｔ２／ｔ１=１．３〜２００に設定されている形態を採用できる。殊に、ｔ２／ｔ１=１．５〜１００、または２〜８０、または３〜５０、または３〜２０に設定されている形態を採用できる。ｔ２／ｔ１の上限値としては、２００，または１００，または８０，または５０，または３０，または２０を例示できる。この上限値と組み合わせ得る下限値としては、１．５，または２，または２．５，または３，または３．５，または４，５を例示できる。このようにプレートのうち超電導体に対面する中央部の厚みは薄く設定されているものの、当該中央部の周囲の厚みは当該中央部よりも厚く設定されているため、プレートの強度が確保され、プレートの圧力や熱による変形は抑制される。

本発明によれば、プレートの中央部は非磁性体で形成されている。これにより中央磁極からの磁場をプレートの前面に透過させ易くなっており、プレートの前面側にプラズマを形成させるのに有利となる。

本発明によれば、プレートは、超電導体を収容する断熱容器の先端部に対面する中央部と、中央部の外周側に配置されている中間部と、中間部の外周側に配置されている周縁部とを備えている形態を例示できる。プレートの周縁部は非磁性体で形成されている。この場合、磁束が外方に飛散することが抑制される。

本発明によれば、プレートの中間部は強磁性体で形成されている形態を例示できる。この場合、中央磁極の磁束を中間部を透過させ、良好な磁場分布を形成するのに有利である。本明細書では、強磁性体は永久磁石及び軟磁性体のうちの１種または２種をいう。

本発明によれば、プレートの中間部を構成する強磁性体は超電導体の磁場を透過させるものであり、永久磁石と軟磁性体とで形成されており、永久磁石と軟磁性体は、プレートの面方向において互いに隣設されていない形態を採用することができる。この場合、永久磁石と軟磁性体は、プレートの面方向において互いに隣設されていないため、超電導体から発生される強い磁場をプレートの前面側に形成するのに有利となる。

本発明によれば、中央磁極を構成する超電導体の外周側に永久磁石を配置する形態を採用することができる。この場合、超電導体から発生される磁束が周囲に飛散することが抑制され、磁場分布の中央と周囲とでバランスが良い強力な磁場分布をプレートの前面側に形成できる利点が得られる。このようにバランスが良い強力な磁場分布を形成できるため、成膜装置に適用した場合において、成膜速度の増加、成膜時間の短縮、膜のダメージの低減を図り得る。

プレートの中間部が強磁性体で形成されている場合には、その強磁性体は軟磁性体で形成されている形態を例示できる。この場合、中央磁極の磁束を中間部を透過させるのに有利である。プレートの中間部を構成する強磁性体は、永久磁石と軟磁性体とで形成されており、永久磁石と軟磁性体は、プレートの面方向において互いに隣接していない形態を採用することができる。つまり、永久磁石と軟磁性体は、プレートの厚み方向に積層されている形態を例示できる。

また本発明によれば、プレートの中間部は、非磁性体で形成された内側部と、強磁性体で形成された外側部とを備えている形態を例示できる。非磁性体で形成された内側部に冷却通路を形成すれば、外側部を構成する強磁性体の体積を確保するのに有利になる。

本発明によれば、プレートの中間部を構成する外側部は、永久磁石と、永久磁石に積層された軟磁性体とを備えている形態を例示できる。このため、中央磁極を構成する超電導体から発せられる強力な磁場（磁束）を周縁磁極で効果的に吸収することができる。故に、プレートの中央と周囲とでバランスが取れた磁場分布がターゲットの表面に形成できる。

本発明によれば、プレートの中間部は軟磁性体で形成されており、この軟磁性体は、プレートの径方向において、周縁磁極を構成する強磁性体の外周面と同一または内側に配設されている形態を例示できる。これにより中央磁極を構成する超電導体から発せられる強力な磁場（磁束）を周縁磁極で効果的に吸収することができる。故に、プレートの中央と周囲とでバランスが取れた磁場分布がターゲットの表面にできる。

本発明によれば、周縁磁極はプレートに固定され、中央磁極は磁場を発生した状態で、プレートと周縁磁極とを結合した結合磁極に取り付ける構造を有する形態を例示できる。この場合、中央磁極の最終取付位置において、超電導体の上下対称面が、周縁磁極の上下対称面よりプレート側に近く配設されている形態を例示できる。この場合には、中央磁極の最終取付位置において、中央磁極に働く力がゼロまたはプレートに対して反発力を発揮するように中央磁極が配設されている形態を採用しやすい。このように中央磁極の最終取付位置において、中央磁極に働く力がゼロまたはプレートに対して反発力を発揮するようにすれば、中央磁極とプレートとの衝突が回避され易く、中央磁極とプレートの保護性を高めることができる。

本発明によれば、プレートと周縁磁極とを結合した結合磁極には、中央磁極の取付位置を規定するガイドが具備されている形態を例示することができる。この場合、ガイドは、中央磁極を結合磁極に取り付ける際に、プレートに対して中央磁極を遠ざける反発力を発揮する位置、または、プレートに対して中央磁極を反発及び吸引させない位置を内包するように設定されている形態を採用することができる。これにより中央磁極を結合磁極に取り付ける際に、中央磁極がガイドに強く衝突することが避けられる。更に、中央磁極の超電導体がこれの最終取付位置に接近するとき、中央磁極がプレートから遠ざかる方向に反発力を発揮させる位置をガイドが内包していることが好ましい。この場合、中央磁極の超電導体がこれの最終取付位置に接近するとき、中央磁極にブレーキ作用を与えることができるため、中央磁極がプレートに強く衝突することが避けられる。

本発明によれば、プレートは冷却媒体が流れる冷却通路を有する形態を例示できる。冷却通路によりプレートを冷却できる。冷却通路は、プレートの前面に形成されるプラズマの直下または直下近傍の領域に配設されていることが好ましい。

本発明によれば、超電導体は、溶融凝固法により作製されており、その主成分がRE−Ba−Cu−O（REはY，La，Nd，Sm，Eu，Gd，E r，Yb，Dy，Hoのうちの1種以上）で表される形態を例示できる。この場合、超電導体の構成材料を一旦融点以上に加熱して溶融し再び凝固させる溶融凝固法で、超電導体は合成されている。この製法によれば、超電導体において結晶粒が粗大で、かつ、超電導となる母相に絶縁相が微細に分散した組織を有することができる。このように微細に分散した絶縁相が磁場のピン止め点として働くため、捕捉磁場の大きい超電導体が得られ、超電導磁場発生装置としての性能が向上する利点が得られる。この超電導体は、超電導遷移温度以下に冷却して着磁すると、磁場を捕捉して強力な磁場を発生する磁石となる。

以下、本発明の実施例１について図１及び図２を参照して具体的に説明する。図１では複雑化を避けるため、ハッチングを適宜省略している。本実施例に係る超電導磁場発生装置１は中央磁極２を有する。中央磁極２は、超電導遷移温度以下で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３と、超電導体３を冷却する冷却装置４と、超電導体３を収容する真空断熱室５０をもつ真空断熱容器５（断熱容器）とを有する。上記した冷却装置４は、冷凍機４０と、真空断熱容器５の真空断熱室５０内に配置された寒冷部として機能するコールドヘッド４１とをもつ。冷凍機４０としては、無冷媒で冷却が可能な冷凍機、あるいは、有冷媒で冷却が可能な冷凍機を例示することができる。冷凍機４０としては具体的にはＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機などを例示することができる。

超電導体３は円盤形状をなしており、その主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏの組成式で表されるバルク状（塊状）の超電導体で形成されている。ＲＥはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｄｙ，Ｈｏのうちの１種または２種以上を意味する。この場合、超電導体３の構成材料を一旦融点以上に加熱して溶融し再び凝固させる溶融凝固法で、超電導体３は合成されている。この製法によれば、超電導体３において結晶粒が粗大で、かつ、超電導となる母相に絶縁相が微細に分散した組織を有することができる。このように微細に分散した絶縁相が磁場のピン止め点として働くため、捕捉磁場の大きい超電導体３が得られ、超電導磁場発生装置１としての性能が向上する利点が得られる。この超電導体３は、超電導遷移温度以下に冷却して着磁すると、磁場を捕捉して強力な磁場を発生する磁石となる。超電導体３は上下方向に磁極を有する。具体的には本実施例では、図１に示すように、超電導体３の上面はＮ極とされ、超電導体３の下面はＳ極とされているが、逆としても良い。

超電導体３は、真空断熱容器５の真空では断熱室５０内において冷却装置４のコールドヘッド４１に強磁性体としての下ヨーク４２を介して固定されている。下ヨーク４２は上記した超電導体３の下側に設けられている。下ヨーク４２の材質は、飽和磁束密度または残留磁束密度の大きいものが好ましい。具体的には、下ヨーク４２の材質としては、パーメンジュール（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ系）、電磁軟鉄（Ｆｅ）、珪素鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ系）、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）などの高透磁率材料を用いることができる。なお上記した強磁性体としての下ヨーク４２としては、場合によっては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系などの永久磁石材料を用いることができる。

図１に示すように、周縁磁極６は、中央磁極２の周囲にリング形状に同軸的またはほぼ同軸的に配置されている。周縁磁極６の材質は下ヨーク４２と同様な軟磁性体６ａで形成されている。周縁磁極６は、真空断熱容器５の外方に配置されており、超電導体３及び下ヨーク４２に対して同軸的とされている。なお本明細書では軟磁性体は高透磁率材料を意味する。

図１に示すように、超電導体３の周囲には周縁磁極６がリング形状に配置されている。周縁磁極６は真空断熱容器５の外方に位置するように下ヨーク４２の側方に配置されている。周縁磁極６は強磁性体としての軟磁性体６ａで形成されている。周縁磁極６の材質は飽和磁束密度または残留磁束密度の大きいものが好ましい。周縁磁極６を構成する軟磁性体６ａの材質としては、具体的には、パーメンジュール（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ系）、電磁軟鉄（Ｆｅ）、珪素鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ系）、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）などの高透磁率材料を用いることができる。

図２に示すように、プレート７は中央磁極２の超電導体３と同軸的な盤状をなしており、中央磁極２と周縁磁極６とが存在する空間ＷＢと、プラズマ５００が発生する磁場作用空間ＷＡとを仕切る仕切部材として機能する。図２に示すように、プレート７のうち、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３に対面する部分に凹状の窪み７０が形成されている。窪み７０は中央磁極２の先端部を収容できる深さを有する。窪み７０の深さは、超電導体３の厚みと同程度または超電導体３の厚みよりも大きく設定されている。

本実施例によれば、プレート７のうち超電導体３に対面する部分である中央部７１の厚みをｔ１とし、中央部７１以外の厚みをｔ２とすると、ｔ１はｔ２よりも厚みが薄く設定されている。ここでｔ２／ｔ１=２〜５０、２〜２０、殊に３〜１０に設定されている。なお、プレート７において、超電導体３に対面する部分である中央部７１の前面（上面）、中間部７２の前面（上面）、周縁部７３の前面（上面）は、同一の高さを有する平坦面とされている。

プレート７のうち超電導体３に対面する薄肉化された中央部７１は、非磁性体で形成されている。これにより中央磁極２の超電導体３からの磁場をプレート７の前面７ｆに透過させ易くなっており、プレート７の前面７ｆ側にプラズマ５００を形成させるのに有利となる。本明細書に係る非磁性体としては、オーステナイト系の合金鋼（ステンレス鋼等）、あるいは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、場合によってはセラミックス等を例示できる。但しこれに限定されるものではない。

図１に示すように、プレート７は、非磁性体で形成された中央部７１の他に、当該中央部７１の外周側に設けられた強磁性体からなるリング形状の中間部７２と、中間部７２の外周側に設けられた非磁性体からなるリング形状の周縁部７３とを備えている。このようにプレート７の周縁部７３が非磁性体で形成されているため、超電導体３から発せられた磁束が外方に広く飛散することが抑制される。なお、中間部７２及び周縁部７３の厚みはｔ２とされている。前記したように中央部７１の厚みｔ１は、中間部７２及び周縁部７３の厚みｔ２よりも薄く設定されている。

図１に示すように、プレート７の中間部７２は、中央部７１に近いリング状の内側部７４と、周縁部７３に近いリング状の外側部７５とで形成されている。内側部７４は非磁性体７４ａで形成されている。このように窪み７０の外周側は非磁性体７４ａで形成されている。プレート７の径方向におけるプラズマ５００の位置に対応させたものである。プレート７の外側部７５は強磁性体で形成されている。プレート７の中間部７２を構成する外側部７５の強磁性体は、永久磁石７８と、永久磁石７８を厚み方向に挟持する上側軟磁性体７９ａ及び下側軟磁性体７９ｂとで形成されている。上記したような構造を採用しているため、永久磁石７８を用いているとしても、プレート７を構成する中央部７１、中間部７２、周縁部７３を溶接やロウ付け等の接合手段で一体的に接合しやすく、プレート７を一体化させ易い利点が得られる。永久磁石７８、上側軟磁性体７９ａ及び下側軟磁性体７９ｂはリング状をなしており、同軸的に形成されている。なお、図１に示すように、周縁磁極６を構成する軟磁性体６ａの内径は、永久磁石７８の内径よりも小さく設定されている。

なお図１に示すように永久磁石７８は上下方向に磁極を有する。具体的には本実施例では永久磁石７８の上面の磁極（Ｓ極）は超電導体３の上面の磁極（Ｎ極）と逆の極とされており、かつ、永久磁石７８の下面の磁極（Ｎ極）は超電導体３の下面の磁極（Ｓ極）と逆の極とされている。なお、Ｓ極をＮ極とし、N極をＳ極としても良い。

上記したようにプレート７を構成する中央部７１、中間部７２、周縁部７３は一体化されているため、プレート７を真空チャンバの隔壁の一部として利用したときであっても、プレート７を介してのリークが抑えられる。また、図１に示すように永久磁石７８と上側軟磁性体７９ａ及び下側軟磁性体７９ｂがプレート７の径内方向に隣接しているのではなく、プレート７の厚み方向に積層されて構成されている。このため、プレート７の前面７ｆにおいて、中央と周囲とでバランスが取れたループ状の磁場分布が得られ易い。

図１に示すように、プレート７は、冷却媒体としての冷却液が流れる空洞リング状の冷却通路７７を内蔵している。冷却媒体としての冷却液が冷却通路７７に流れると、プレート７はその内部から冷却される。冷却通路７７は、プレート７の前面７ｆに形成されるプラズマ５００の直下または直下近傍の領域に配設されている。プラズマ５００で加熱されるプレート７の部位の昇温を抑制するためである。具体的には、冷却通路７７は、プレート７の中間部７２のうち、非磁性体７４ａからなる内側部７４においてこれの厚み方向の中間域に形成されている。このように冷却通路７７はプレート７のうち非磁性体７４ａからなる内側部７４に形成されており、永久磁石７８を有する外側部７５には形成されていないため、必要な磁場分布を形成する永久磁石７８の必要容積を確保するのに有利となる。冷却通路７７は永久磁石７８の面７８ｉに直接的に対面しているため、永久磁石７８の面７８ｉを効果的に冷却することができ、ひいては永久磁石７８の過熱に伴う磁力低下が抑制される。

本実施例では、超電導磁場発生装置１の対象物として機能する成膜処理用の対象物８０がプレート７の前面７ｆに取り付けられている。対象物８０はプレート７のうち中央部７１から中間部７２にかけて取り付けられている。なお、対象物８０の外周部はプレート７の周縁部７３には到達していない。

図１から理解できるように、プレート７の背面７ｒ（下面）では、超電導体３、下ヨーク４２、周縁磁極６、プレート７の中間部７２の永久磁石７８がループ状の磁路を形成する。すなわち、中央磁極２を構成する超電導体３の磁極から発した磁束がプレート７の前面７ｆ（上面）に出て、永久磁石７８、周縁磁極６、下ヨーク４２を透過し、超電導体３に戻るループ状の磁場分布５１０を形成する。

本実施例はスパッタリング成膜装置に適用することができる。この場合には、上述したような磁場分布により、ターゲットとなる対象物８０の上面である表面付近にプラズマ５００が集中する。スパッタリング成膜時には、放電により対象物８０が加熱され、ひいてはプレート７が加熱される。プレート７の内部に形成されている冷却通路７７を流れる冷却媒体としての冷却水により、プレート７を介して対象物８０は間接的に冷却される。対象物８０の昇温加熱は、プラズマ５００が集中している場所（即ち、対象物８０がスパッタされて消耗する場所）が最も激しい。このため図１に示すように冷却通路７７はプレート７においてプラズマ発生位置またはこれの近傍の領域位置に形成されており、対象物８０及びプレート７の過熱が抑制されている。

本実施例によれば、周縁磁極６は図略の取付具を介してプレート７の中間部７２の背面側に固定されている。そして中央磁極２は磁場を発生した状態で、プレート７と周縁磁極６とを結合した結合磁極に取り付けられる構造を有する。超電導体３の最終取付位置では、超電導体３の上下対称面３ｘが、周縁磁極６よりもプレート７側に近く配設されている。超電導体３の上下対称面３ｘは、超電導体３の厚みを均等且つ対称に分割する仮想的な面をいう。

以上説明した本実施例によれば、図２に示すように、プレート７の中央部７１の厚みｔ１をプレート７の他の部位の厚みｔ２よりも薄肉化している。このため、超電導体３からの強い磁場をプレート７の前面７ｆ側に発生させることができ、プレート７の前面７ｆ側にプラズマ５００を閉じ込めるのに有利となる。このため対象物８０のサイズが大きくなっても、より強い磁場を発生することができる。

また本実施例によれば、プレート７の中央部７１のみを薄肉にし、中央部７１の外周囲に存在する中間部７２及び周縁部７３を厚肉とする構造になっている。このようにプレートのうち超電導体３に対面する中央部７１の厚みは薄く設定されているものの、当該中央部７１の周囲の厚みは当該中央部７１よりも厚く設定されているため、プレート７全体の強度が確保され、プレート７の圧力や熱による変形は抑制される。この結果、中央磁極２と周縁磁極６とが存在する空間ＷＢと、プラズマ５００が発生する磁場作用空間ＷＡとの間で圧力差が生じるときであっても、プレート７の変形は抑制される。この結果、対象物８０が大きくなってプレート７の径サイズが増加したとしても、プレート７の全体の強度が確保され易く、プレート７の変形等を抑制できる。

本実施例によれば、中央磁極２の超電導体３の外周側に、起磁体となる永久磁石７８がリング状に配置されているため、超電導体３から発生される磁束が周囲に飛散することが抑制され、磁場分布の中央と周囲とでバランスが良い強力な磁場分布をプレート７の前面７ｆ側に形成できる。このようにバランスが良い強力な磁場分布を形成できるため、成膜装置に適用した場合において、成膜速度の増加、成膜時間の短縮、膜のダメージの低減を図り得る。

加えて本実施例によれば、プレート７の中間部７２を構成する強磁性体は、永久磁石７８と軟磁性体７９ａ，７９ｂを備えており、永久磁石７８と軟磁性体７９ａ，７９ｂは、プレート７の厚み方向に積層しているものの、プレート７の面方向において互いに隣設されていない。このように永久磁石７８と軟磁性体７９ａ，７９ｂは、プレート７の面方向において互いに隣設されていないため、超電導体３から発生される強い磁場をプレート７の前面７ｆ側に形成するのに有利となる。

ところで、プレート７の冷却能に限界があるときには、対象物８０に大電力を投入して成膜することができない。冷却能を増加させるべく冷却通路７７の厚みを厚くすると、超電導体３と対象物８０との距離が増加し、対象物８０の表面の磁場が弱くなるおそれがある。この点本実施例によれば、プレート７自体に冷却通路７７を形成しているため、プレート７の冷却能を良好に確保できる。故に、対象物８０に大電力を投入して成膜することも可能となる。

また本実施例によれば、図１に示すように、プレート７のうちプラズマ５００が集中しない中央磁極２の中央部７１に冷却通路７７を設けず、プレート７のうち中央磁極２の外周側に位置する中間部７２の上面側においてプラズマが集中する部位または当該部位の近傍の領域に、冷却通路７７を形成している。その結果、プレート７のうち加熱され易い部分を効果的に冷却でき、プレート７の熱変形を効果的に抑制できる。このようにプレート７の熱変形を効果的に抑制できるため、前述したようにプレート７の中央部７１を薄肉化することができ、超電導体３からの強い磁場をプレート７の前面７ｆ（上面）側に発生させることができる。

本実施例によれば、図１に示すように、磁場作用空間ＷＡに最も近い構造物であるプレート７を構成する中間部７２に、起磁体として機能する永久磁石７８を組み込んで、周縁磁極６の一部（延長部）として利用している。このため、中央磁極２を構成する超電導体３から発せられる強力な磁場（磁束）を周縁磁極６で効果的に吸収することができる。故に、プレート７の中央と周囲とでバランスが取れた磁場分布が対象物８０の表面にできる。その結果、本実施例に係る超電導磁場発生装置１をスパッタリング成膜装置に適用したときであっても、速い成膜速度、短い成膜時間が得られ、成膜された膜のダメージが低減される利点が得られる。

超電導磁場発生装置１を立ち上げる際には、プレート７に周縁磁極６を固定した状態で、プレート７の中央部７１の下側の窪み７０の内に、着磁した中央磁極２（冷凍機４０＋超電導体３＋真空断熱容器５）を下から上に向けて挿入することになる。

なお本実施例では、プレート７を構成する中央部７１、プレート７を構成する中間部７２の内側部７４は、非磁性体７４ａで形成されているが、これに限定されるものではなく、対象物８０の表面の磁場分布形状を補正するためにこれらの部分に強磁性体（永久磁石または軟磁性体）を用いることにしても良い。また周縁磁極６は、中央磁極２の真空断熱容器５の外方に配置されているが、これに限らず、中央磁極２の外周側であれば、真空断熱容器５内または冷凍機４０に固定されていても良い。

図３は実施例２を示す。本実施例は基本的には実施例１と同様の構成、作用効果を有する。本実施例に係る超電導磁場発生装置１では、プレート７の中間部７２を構成する強磁性体として軟磁性体を用い、且つ、周縁磁極６として永久磁石６１を用いている。以下、実施例１と異なる点を中心として説明を加える。プレート７は盤状をなしており、中央磁極２と周縁磁極６とが存在する空間ＷＢと、プラズマ５００が発生する磁場作用空間ＷＡとを仕切る仕切部材として機能する。プレート７のうち超電導体３に対面する中央部７１の厚みをｔ１とし、当該中央部７１の外周側の厚みをｔ２とすると、ｔ１はｔ２よりも厚みが薄く設定されている。ここでｔ２／ｔ１=２〜５０、２〜２０、殊に３〜１０に設定されている。

本実施例においても、プレート７のうち超電導体３に対面する薄肉化された中央部７１は、非磁性体で形成されている。これにより中央磁極２からの磁場をプレート７の前面７ｆに透過させ易くなっており、プレート７の上面側にプラズマ５００を形成させるのに有利となる。

図３に示すように、プレート７は、非磁性体で形成された中央部７１の他に、当該中央部７１の外周側に設けられたリング形状の中間部７２と、中間部７２の外周側に設けられた非磁性体から成るリング形状の周縁部７３とを備えている。図３に示すように、プレート７の中間部７２は、中央部７１に近い内側部７４と、周縁部７３に近い外側部７５とで形成されている。内側部７４は中央部７１と同様に非磁性体７４ａで形成されている。外側部７５は強磁性体としての軟磁性体７５ｃで形成されている。この軟磁性体７５ｃは、バーメンジュール（Fe−Co−V）、電磁軟鉄（Fe）、珪素鋼板（Fe-Si）等の軟磁性体で形成されている。

図３に示すように周縁磁極６は下ヨーク４２に対して同軸的なリング形状をなしており、リング状の永久磁石６１と、永久磁石６１の下面に積層されたリング状の軟磁性体６２とから構成されている。永久磁石６１は、リング形状をなす一体物でも良いし、瓦状や板状等の複数の永久磁石片をリング状に並設して組みつけて形成しても良い。なお永久磁石６１は上下方向に磁極を有する。具体的には本実施例では永久磁石６１の上面の磁極（Ｓ極）は超電導体３の上面の磁極（Ｎ極）と逆の極とされており、かつ、永久磁石６１の下面の磁極（Ｎ極）は超電導体３の下面の磁極（Ｓ極）と逆の極とされている。なお、Ｓ極及びＮ極は逆にしても良い。

周縁磁極６は図略の取付具によりプレート７側に固定されている。超電導磁場発生装置１を立ち上げる際には、周縁磁極６が固定されているプレート７の中央部７１の下側に形成されている窪み７０の内に、着磁した中央磁極２（冷凍機４０＋超電導体３＋真空断熱容器５）を下から上方に向けて挿入することになる。

本実施例によれば、プレート７の中央部７１の厚みｔ１をプレート７の他の部位の厚みｔ２よりも薄肉化している。このため、超電導体３からの強い磁場をプレート７の前面７ｆ側に発生させることができ、プラズマ５００を閉じ込めるのに有利となる。このため対象物８０の径サイズが大きくなっても、より強い強磁場を発生することができる。

またプレート７の中央部７１のみを薄肉にし、中央部７１の外周囲に存在する中間部７２及び周縁部７３を厚肉とする構造になっている。このようにプレート７のうち超電導体３に対面する中央部７１の厚みは薄く設定されているものの、当該中央部７１の周囲の厚みは当該中央部７１よりも厚く設定されているため、プレート７全体の強度が確保され、プレート７の圧力や熱による変形は抑制される。この結果、対象物８０が大きくなってもプレート７の中間部７２及び周縁部７３の厚みを変える必要がなく、プレート７の全体の強度が確保され易い。

本実施例によれば、図３に示すように、中央磁極２の超電導体３の外周側に、周縁磁極６の永久磁石６１がリング状に配置されているため、超電導体３から発生される磁束が周囲に飛散することが抑制され、磁場分布の中央と周囲とでバランスが良い強力な磁場分布をプレート７の前面７ｆ側に形成できる。このようにバランスが良い強力な磁場分布を形成できるため、成膜装置に適用した場合において、成膜速度の増加、成膜時間の短縮、膜のダメージの低減を図り得る。

更に本実施例によれば、次の効果が得られる。即ち、一般的に永久磁石は昇温すると、磁力が低下する傾向がある。使用の際には、プラズマ５００の影響により対象物８０と共にプレート７は昇温しがちである。この点について本実施例によれば、永久磁石６１はプレート７自体に内蔵されておらず、プレート７の下側に配置されているので、超電導磁場発生装置１を、スパッタガン等として用いたときに起こる対象物８０の温度上昇やプレート７の温度上昇に起因する永久磁石の磁力低下の問題を抑えることができる。

また永久磁石は６１はプレート７に内蔵されていないので、周縁磁極６を構成する永久磁石６１の大きさや位置の変更が可能である。故に本実施例に係る超電導磁場発生装置１の用途に応じて磁場分布の変更が可能である。

図４は実施例３を示す。本実施例は基本的には実施例１と同様の構成、作用効果を有する。本実施例においても、プレート７のうち超電導体３に対面する中央部７１の厚みをｔ１とし、当該中央部７１の外周囲の部位の厚みをｔ２とすると、ｔ１はｔ２よりも厚みが薄く設定されている。ここでｔ２／ｔ１=２〜５０、２〜２０、殊に３〜１０に設定されている。プレート７は、ターゲットとなる対象物８０を保持するターゲットホルダであるバッキングプレートとして機能することができる。本実施例によれば、プレート７のうち超電導体３に対面する薄肉化された中央部７１は、非磁性体で形成されている。これにより中央磁極２からの磁場をプレート７の前面７ｆに透過させ易くなっており、プレート７の前面７ｆ側にプラズマ５００を形成させるのに有利となる。

図４に示すように、プレート７は、非磁性体で形成された中央部７１の他に、当該中央部７１の外周側に設けられたリング形状の中間部７２と、中間部７２の外周側に設けられた非磁性体から成るリング形状の周縁部７３とを備えている。実施例２と異なる主な点は以下の通りである。

図４に示すように、プレート７の中間部７２の外側部７５を構成する軟磁性体７５ｃを、プレート７の径方向において、周縁磁極６を構成する永久磁石６１の外周面と同一位置または内側に配置している。換言すれば、プレート７の中間部７２を構成する軟磁性体７５ｃの外周面の外径Ｄ４は、周縁磁極６を構成する永久磁石６１の外周面の外径Ｄ５と同一または小さくなるように設定されている。このため、プレート７の前面７ｆにおいて、より狭い範囲（より小さ半径範囲内）に閉じた磁場分布を形成できる利点が得られる。したがって、プレート７の前面７ｆ、つまり対象物８０の表面に平行となる磁場の強度を強くできる。

更に、プレート７の中間部７２を構成する軟磁性体７５ｃの外径Ｄ４が、周縁磁極６を構成する永久磁石６１の外径Ｄ５よりも小さいと、閉じた磁場分布をさらに狭い範囲に形成できる。したがって、プレート７の前面７ｆ、つまり対象物８０の表面に平行となる磁場の強度を強くできる。故に、対象物８０の外径が小さい場合であっても、対象物８０が存在するところ（永久磁石の外径よりも内側の位置）にプラズマ５００を集約させることがでてきる利点が得られる。

図５及び図６は実施例４を示す。本実施例は基本的には実施例１と同様の構成、作用効果を有する。本実施例はスパッタリング成膜処理を行うためのスパッタガンに適用している。本実施例においても、中央磁極２、周縁磁極６及びプレート７の構成は、実施例３と基本的には同一である。従ってプレート７は、非磁性体で形成された中央部７１の他に、当該中央部７１の外周側に設けられた軟磁性体７２ｅで形成されたリング形状の中間部７２と、中間部７２の外周側に設けられた非磁性体から成るリング形状の周縁部７３とを備えている。プレート７の中間部７２は軟磁性体７２ｅのみで形成されている。この軟磁性体７２ｅは、バーメンジュール（Fe−Co−V）、電磁軟鉄（Fe）、珪素鋼板（Fe-Si）等で形成されている。

図５に示すように、周縁磁極６は下ヨーク４２に対して同軸的なリング形状をなしており、リング状の永久磁石６１と、永久磁石６１の下面に積層されたリング状の軟磁性体６２とから構成されている。軟磁性体７２ｅで形成された中間部７２と永久磁石６１との間にはリング形状の支持材１２０が介在している。周縁磁極６をプレート７に取り付けるとき、軟磁性体で形成された中間部７２と永久磁石６１とが衝突することを支持材１２０が抑制する。このためプレート７の薄肉部分などの変形が抑制される。

本実施例によれば、プレート７のうち超電導体３に対面する中央部７１の厚みは薄く設定されているものの、当該中央部７１の周囲の厚みは当該中央部７１よりも厚く設定されているため、プレート７全体の強度が確保され、プレート７の圧力や熱による変形は抑制される。この結果、中央磁極２と周縁磁極６とが存在する空間ＷＢと、プラズマ５００が発生する磁場作用空間ＷＡとの間で圧力差が生じるときであっても、プレート７の熱変形は抑制される。この結果、対象物８０が大きくなってプレート７の径サイズが増加したとしても、プレート７の全体の強度が確保され易く、プレート７の熱変形等を抑制できる。なお磁場作用空間ＷＡは一般的には高真空雰囲気とされ、空間ＷＢは大気圧雰囲気とされるため、空間ＷＢと磁場作用空間ＷＡとでは圧力差が発生し易い。

本実施例によれば、支柱１００及び下プレート１０１は、本実施例に係る超電導磁場発生装置１に設けられている。支柱１００及び下プレート１０１はフランジ１０２を固定する部材である。下プレート１０１の上面に支柱１００が設置されている。支柱１００の上面にはリング形状のフランジ１０２が設けられている。フランジ１０２はスパッタガンをスパッタリング成膜装置に取り付けるための部材として機能できる。フランジ１０２は、スパッタ成膜時に後述するターゲット押さえ部材１３０がプラズマ中のイオンでスパッタされて不純物として薄膜に混入するのを防止するためのシールド１０２ａを有する。

図５に示すように、真空断熱容器５のうち超電導体３に対面する先端壁部とプレート７の下面との間には、リング状の第１絶縁スペーサ１０５が設けられている。フランジ１０２とプレート７との間には、リング状の第２絶縁スペーサ１０６が設けられている。プレート７の周縁部７３は第２絶縁スペーサ１０６を介してフランジ１０２に気密的に宛われている。第１絶縁スペーサ１０５、第２絶縁スペーサ１０６は、プレート７及び周縁磁極６を中央磁極２から電気的に絶縁するための部材であり、テトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂等の樹脂材料で形成されている。第２絶縁スペーサ１０６とフランジ１０２との間、第２絶縁スペーサ１０６とプレート７との間にはシール部材のＯリング１０８が介在している。下プレート１０１の挿入孔を通した図略の取付具が支柱１００に取り付けられることにより、プレート７の周縁部７３は第２絶縁スペーサ１０６の下面１０６ｒに気密的に圧着されている。

図５に示すように、下プレート１０１の取付孔１０３には、テトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂等の樹脂材料で形成された筒形状のガイド１０７が嵌め込まれた状態で設けられている。ガイド１０７は、中央磁極２を案内させるためのガイド面１０８をもつ筒部１０９と、筒部１０９と一体的をなすように筒部１０９の外径方向に延設された取付片部１１０とを備えている。ガイド１０７は、中央磁極２を取り付ける際に中央磁極２を径方向位置を案内する位置決め用部材として機能できる。ターゲット押さえ部材１３０がプレート７の前面７ｆに設けられている。ターゲット押さえ部材１３０は、対象物８０をプレート７に密着させて固定する部材である。上記した構成を有する本実施例によれば、プレート７及び周縁磁極６は、その他の部材から電気的に絶縁されている。

周縁磁極６はプレート７側に固定されている。超電導磁場発生装置１を立ち上げる際には、周縁磁極６が固定されているプレート７の中央部７１の下側の窪み７０の内に、着磁した中央磁極２（冷凍機４０＋超電導体３＋真空断熱容器５）を下から上方に向けて挿入することになる。図６はガイド１０７を利用して中央磁極２をプレート７に向けて挿入する過程を示す。図６における位置（ａ）は、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３がガイド１０７の入口１０７ｋからガイド１０７内に少し入った位置を示す。図６における位置（ｂ）は、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３の上下対称面３ｘと永久磁石６１の上下対称面６１ｘとの位置が挿入方向（高さ方向）において一致する位置を示す。ここで、超電導体３の上下対称面３ｘは、超電導体３においてこれの厚みが上下対称となる仮想面をいう。また永久磁石６１の上下対称面６１ｘは、永久磁石６１においてこれの厚みが上下対称となる仮想面をいう。更に、図６における位置（ｃ）は、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３が最終的に取り付けられる最終取付位置を示す。本実施例に係る超電導磁場発生装置１によれば、図６に示すように、中央磁極２の超電導体３の最終取付位置は、中央磁極２の超電導体３の上下対称面３ｘの位置が、周縁磁極６を構成する永久磁石６１の上下対称面６１ｘの位置よりも高くなるように設定されている。

図７は、中央磁極２をガイド１０７内に挿入することにより、中央磁極２の超電導体３をプレート７の中央部７１に近づけたときにおいて、中央磁極２に働く力を磁場解析した結果を示すグラフである。図７において特性線Ｆは中央磁極２に働く力を示す。図７の横軸は距離ｚを示す。距離ｚは、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３の先端面と永久磁石６１の下面との間の距離を意味する。図７の縦軸は中央磁極２に働く力（吸引力及び反発力）を示す。図７の縦軸において、０よりも上側は、中央磁極２に吸引力が働くことを示す。０よりも下側は、中央磁極２に反発力が働くことを示す。

図７の特性線Ｆに示すように、上下方向においてプレート７よりも遠方に中央磁極２の超電導体３が存在するときには、つまり距離ｚが大きいときには、弱い反発力Ｆ１が中央磁極２に働く領域ＦＡが存在する。このように中央磁極２を結合磁極に取り付ける際に、プレート７に対して中央磁極２を遠ざける反発力を発揮する領域ＦＡをガイド１０７が内包するように設定されている。これにより中央磁極２を結合磁極に取り付ける際に、中央磁極２がガイド１０７に強く衝突することが避けられる。

更に、中央磁極２の超電導体３がガイド１０７内に少し入った位置（ａ）では、中央磁極２に働く力はほぼゼロとなり、吸引力も反発力も中央磁極２に作用しない。ガイド１０７は当該位置（ａ）も内包している。

中央磁極２をガイド１０７内に更に進入させて中央磁極２の超電導体３をプレート７の中央部７１に近づけると、中央磁極２に次第に吸引力Ｆ２が働く領域ＦＢが存在する。そして、超電導体３の上下対称面３ｘの位置と永久磁石６１の上下対称面６１ｘの位置とが一致する位置（ｂ）付近においては、図７に示すように、中央磁極２に働く吸引力及び反発力は再びゼロ付近またはゼロとなる。このように中央磁極２に働く吸引力及び反発力がゼロ付近またはゼロになる位置（ｂ）は、中央磁極２の超電導体３の最終取付位置（ｃ）の直前である。この結果、中央磁極２の超電導体３の最終取付位置（ｃ）の直前において、中央磁極２の取り付け操作が容易となる。

なお、上記したように中央磁極２に働く吸引力及び反発力がゼロ付近またはゼロになる位置（ｂ）は、超電導体３や永久磁石６１に取り付けるヨーク材の材質・形犬・場所等により多少変わるものの、磁場の発生源である超電導体３の上下対称面３ｘと永久磁石６１の上下対称面６１ｘとが一致する位置が一つの目安となる。磁場の発生源である超電導体３と永久磁石６１の形状や磁気的特性が上下対称でない場合には、両者間に働く力がゼロとなる位置を両者の高さが一致した位置とみなす。

更に、上記した位置（ｂ）よりも中央磁極２をガイド１０７内に更に進入させて超電導体３をプレート７の中央部７１に接近させると、中央磁極２をプレート７の中央部７１から遠ざける反発力Ｆ３（中央磁極２を下向きに付勢する力）が再び中央磁極２に働くようになる。このように中央磁極２をプレート７の中央部７１に接近させるときには、中央磁極２に反発力Ｆ３が働くため、中央磁極２の挿入操作に対してブレーキが作用することになる。従って、中央磁極２の超電導体３をこれの最終取付位置（ｃ）に取り付ける際に、中央磁極２がプレート７の肉薄な中央部７１に衝突することが抑制され、プレート７の肉薄な中央部７１及び中央磁極２の破損が抑えられる。

換言すれば、本実施例によれば、中央磁極２と周縁磁極６との間に働く力が反発力から吸引力に変わる位置（ａ）よりも下方に向けて、ガイド１０７の下端を延ばしている。このため、中央磁極２がプレート７の肉薄な中央部７１に急激に引き付けられることが抑制され、中央磁極２を最終取付位置（ｃ）に安全に移動させることができる。

上記したように本実施例によれば、中央磁極２の超電導体３がこれの最終取付位置（ｃ）に接近するとき、中央磁極２がプレート７から遠ざかる方向に反発力を中央磁極２に発揮させることにより中央磁極２にブレーキをかける位置をガイド１０７が内包している。

図８は実施例５を示す。本実施例は、超電導磁場発生装置１をマグネトロンスパッタリング成膜装置２００に組み付けた適用例を示す。超電導磁場発生装置１は中央磁極２を有する。中央磁極２は、超電導遷移温度以下で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３と、超電導体３を冷却する冷却装置４と、超電導体３を収容する真空断熱容器５とを有する。更に、超電導体３の周囲に配置された強磁性体としての軟磁性体６ａで形成された周縁磁極６が設けられている。中央磁極２と周縁磁極６とが存在する空間ＷＢと磁場作用空間ＷＡとを仕切るプレート７が設けられている。冷却装置４は真空断熱容器５の下部に設けられており、冷却装置４の下部に昇降部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１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１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。

図８に示すように、スパッタリング成膜装置２００は、基台２０１と、基台２０１の上側に設置され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、磁場の作用で対象物８０の表面の近傍の領域にプラズマ５００を集中させるスパッタガンとなる超電導磁場発生装置１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なる対象物８０を保持するように成膜室２０２の下部に設けられた対象物８０を保持するターゲットホルダとして機能するプレート７と、成膜対象物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。

上記した超電導磁場発生装置１をスパッタリング成膜装置２００に組み付けるときには、図８に示すように、超電導バルク磁石とされた超電導体３をもつ超電導磁場発生装置１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１の昇降部３００を上昇作動させて真空断熱容器５を超電導体３と共に矢印Ｙ１方向に上昇させ、図９に示すように真空断熱容器５の先端壁をプレート７の中央部７１の窪み７０に挿入し、中央磁極２の先端をターゲットホルダとしてのプレート７に接近または接触させる。このようにすれば、超電導体３で形成された超電導バルク磁石の磁気回路が成膜室２０２のうち対象物８０の付近に形成される。

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、対象物８０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、対象物８０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５００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５００状のスパッタガスイオンは、対象物８０の表面において集束されるため、加速されて対象物８０の表面に衝突する。これにより対象物８０の表面より対象物８０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に形成することができる。この場合、超電導体３２の強磁場によりプラズマ５００を対象物８０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。なお対象物８０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としているが、これに限らず、対象物８０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。

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。

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、スパッタリング成膜装置、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。

実施例１に係り、超電導体をもつ超電導磁場発生装置の断面図である。 実施例１に係り、プレートの断面図である。 実施例２に係り、超電導体をもつ超電導磁場発生装置の断面図である。 実施例３に係り、超電導体をもつ超電導磁場発生装置の断面図である。 実施例４に係り、超電導体をもつ超電導磁場発生装置をスパッタガンに適用した断面図である。 実施例４に係り、超電導体をもつ超電導磁場発生装置をスパッタガンに適用した断面図である。 実施例４に係り、超電導体をもつ中央磁極を取り付けるときにおいて中央磁極に働く力を示すグラフである。 実施例５に係り、超電導体をもつ中央磁極を有する超電導磁場発生装置をスパッタリング成膜装置に組み付けた状態を示す断面図である。

図中、１は超電導磁場発生装置、２は中央磁極、３は超電導体、３ｘは上下対称面、４は冷却装置、５は真空断熱容器、６は周縁磁極、６１は永久磁石、６２は軟磁性体、７はプレート、７０は窪み、７１は中央部、７２は中間部、７３は周縁部、７４は内側部、７５は外側部、７７は冷却通路、７８は永久磁石、８０は対象物、２００はスパッタリング成膜装置を示す。

Claims (13)

1. 超電導遷移温度以下で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装置と、前記超電導体を収容する先端部をもつ断熱容器とを有する中央磁極と、
   前記超電導体の周囲に配置された強磁性体で形成された周縁磁極と、
   前記中央磁極と前記周縁磁極とが存在する空間と前記超電導体による磁場作用空間とを仕切るプレートとを具備しており、
   前記プレートは、前記プレートの径方向において、前記超電導体に対面すると共に非磁性体で形成されている中央部と、前記中央部の外周側に配置され超電導体の磁場を透過させる強磁性体を有する中間部と、前記中間部の外周側に配置されている非磁性体で形成されている周縁部とを備えており、
   前記プレートのうち前記中央磁極に対面する前記中央部は、前記中央磁極の先端部に対面する部分において、前記断熱容器内の前記超電導体を前記断熱容器の先端部と共に収容すると共に前記周縁磁極を収容しない窪みを有すると共に、
   前記プレートの中央部の厚みは、前記プレートの前記中間部の周囲の厚みおよび前記プレートの前記周縁部の厚みよりも薄く設定されていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
2. 請求項１において、前記プレートのうち前記超電導体に対面する前記中央部の厚みをｔ１とし、前記プレートのうち当該中央部の周囲の厚みをｔ２とすると、ｔ２／ｔ１=１．３〜２００に設定されていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
3. 請求項１または２において、前記プレートの前記中間部を構成する前記強磁性体は、永久磁石と軟磁性体とで形成されており、前記永久磁石と前記軟磁性体は、前記プレートの面方向において互いに隣設されていないことを特徴とする超電導磁場発生装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記プレートの前記中間部は、非磁性体で形成された内側部と、強磁性体で形成された外側部とを備えており、
   前記プレートの前記中間部を構成する外側部は、永久磁石と、前記永久磁石の厚み方向に積層された軟磁性体とを備えていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
5. 請求項１または２において、前記プレートの前記中間部は軟磁性体で形成されており、前記軟磁性体は、前記プレートの径方向において、前記周縁磁極を構成する前記強磁性体の外周面と同一または内側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。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記周縁磁極は前記プレートに固定され、前記中央磁極は磁場を発生した状態で、前記プレートと前記周縁磁極とを結合した結合磁極に取り付ける構造を有することを特徴とする超電導磁場発生装置。
7. 請求項１〜６のうちの一項において、前記中央磁極の前記超電導体の上下対称面が、前記周縁磁極の上下対称面より前記プレート側に近く配設されていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、前記中央磁極の最終取付位置において、前記中央磁極に働く力がゼロまたは前記プレートに近づく方向に対して反発力を発揮するように前記中央磁極が配設されていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
9. 請求項１〜８のうちのいずれか一項において、前記プレートと前記周縁磁極とを結合した結合磁極には、前記中央磁極の取付位置を規定するガイドが具備されており、
   前記ガイドは、前記中央磁極を前記結合磁極に取り付ける際に、前記プレートに対して前記中央磁極を遠ざける反発力を発揮する位置、または、前記プレートに対して前記中央磁極を反発及び吸引させない位置を内包するように設定されていることを特徴とする超電導磁場発生装置。
10. 請求項１〜９のうちのいずれか一項において、前記プレートは冷却媒体が流れる冷却通路を有することを特徴とする超電導磁場発生装置。
11. 請求項１０において、前記冷却通路は、前記プレートの前面に形成されるプラズマの直下または直下近傍の領域に配設されていることを特徴とするスパッタガン。
12. 超電導遷移温度以下で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装置と、前記超電導体を収容する断熱容器とを有する中央磁極と、
    前記超電導体の周囲に配置された強磁性体で形成された周縁磁極と、
    前記中央磁極と前記周縁磁極とが存在する空間と磁場作用空間とを仕切るプレートとを具備する超電導磁場発生装置を有するスパッタガンにおいて、
    前記超電導磁場発生装置の前記プレートは、ターゲットを固定するバッキングプレートであり、
    前記超電導磁場発生は請求項１〜１１のうちのいずれか一項に記載の超電導磁場発生装置で行われることを特徴とするスパッタガン。
13. 成膜原料を含むターゲットを保持するターゲットホルダと成膜対象物を保持する成膜対象物ホルダとを有する減圧チャンバと、
    前記ターゲットの表面の近傍の領域にプラズマを集中させる磁場を発生させるスパッタガンとを具備しており、
    前記ターゲットから放出される成膜原料を前記成膜対象物の表面に被着させて前記成膜対象物に薄膜を形成するスパッタリング成膜装置において、
    前記スパッタガンは、請求項１〜請求項１１のうちのいずれか一項からなる超電導磁場発生装置を有することを特徴とするスパッタリング成膜装置。

Images