JPS5944387B2 - 磁気的に増大させたスパツタ源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、真空スパッタ被覆装置の分野に属し、特にそ
ういう装置のためのマグネトロンスパッタ源に関する。

発明の背景 被覆物の真空付着は、今日広範に利用され、将来におい
ても重要性が増してくるものと思われる。

そういう付着を実現するためのより重要な処理の１つと
して、グロー放電により誘起される陰極スパッタリング
が出現している。最近の研究の多くは、うまい磁場利用
を通じて低圧でスパッタ速度と動作の増大が達成される
ような種々のマグネトロン幾何形状に関するものである
。ここ１０年の間に、広範な処方が開発され、また多く
の特許が発行された。磁場の印加を通じてグロー放電を
増加させるために、電極幾何形状、磁場強度、および磁
場幾何形状が電子捕獲を生じるように選ばれる。

大部分の場合において、交差する電場と磁場とが、その
電磁場内で閉じた電子漂遊電流をもたらす。例えば円筒
形マグネトロンの場合において、陰極および陽極円筒の
軸に平行な一様磁場によつて、半径方向の電子捕獲が形
成され得る。陰極端に電子反射表面を設けることにより
、軸方向漂流を通じて放電領域からの電子の損失を減少
させることができ、さらに放電強度を増大させ、ガス低
圧での動作を可能ならしめる。スパッタ付着のため商業
的に使用される多くのマグネトロンにおいて、スパッタ
・ターゲット（陰極）の形状に関して磁場を形状づける
ことにより電子捕獲が達成される。

特に大部分の平坦マグネトロンにおいては、平坦陰極表
面を通つてループを描き陰極表面上に閉じるトンネル形
状を形成する磁場が用いられる。正常な動作条件の下で
、グロー放電は主としてこの磁気トンネル内に閉込めら
れる。他の商業用円形マグネトロンスパッタ源が、軸対
称中央陽極を包囲するほぼ側部円錐形状の陰極（ターゲ
ット）を用いる。

そういうスパッタ源の一例が、Ｍ、Ｒａｉｎｅｙに対し
て１９７８年７月１１日に発行された米国特許第４１０
００５５号（スパッタリング装置のためのターゲットプ
ロフィール）に詳細に記載されている。そういうスパッ
タ源は、商標’“Ｓ−Ｇ皿’’の名の下にバリアン・ァ
ソシエイツ・インコーポレイテツド社により製造され入
手可能である。従来技術磁気トンネルにおいて、グロー
放電を保持するエネルギー電子は磁気トンネルから逃が
れるためには磁力線を横切る必要があり、もし磁場強度
が充分大きければ電子は磁気トンネルから逃れられない
。

また放電領域内に捕獲されたこれらの電子は、陰極に達
することがエネルギー的に不可能である。かくして、こ
れらの電子は陰極表面へ向けて磁力線に追随することが
できるけれども、陰極表面から静電的に反射されて放電
領域へと尻されるだろう。従来技術磁気トンネルにおけ
るように、もし、磁場強度が陰極表面からの距離に伴つ
て減少するならば、「磁気鏡」効果が電子反射に対して
さらに貢献し得る。

そういう磁気鏡の主要効果は、電子反射の領域を陰極表
面かられずか移動をせることである。この効果は、グロ
ー放電を閉込めるために電子を反射させる磁気トンネル
の役割について、重大というよりむしろ付帯的なもので
ある。何れにしても、磁気鏡を通じて逃げようとするこ
れらの電子は、静電的に反射されて放電領域へと戻され
るだろう。故に磁気鏡効果が生じるとしても、従来技術
における電子反射を単純に静電的であると考えるのが、
便利であり正しい。放電強度は磁気トンネルの中心にお
いて最大になる傾向を持ち、そこで磁力線は、陰極表面
にほぼ平行であり、そして磁気トンネルの側部に近づと
ころの装置。

６特許請求の範囲第４項に記載されたグロー放電スパツ
タ被覆装置であつて：前記ターゲツトが、前記ほぼ円錐
形表面に対向する底面と、該底面および前記ほぼ円錐形
表面に交差する外周面とを有し；該外周面が、前記底面
に交差する下方部分と、前記ほぼ円錐形表面に交差する
上方部分とを有し；かつ前記上方部分が前記下方部分よ
り大径であり；さらに前記下方部分を包囲する冷却筒を
有する；ところの装置。

７特許請求の範囲第６項に記載されたグロー放電スパツ
タ被覆装置であつて：前記内縁が、前記底面に向かつて
内方かつ下方に傾斜する締付け表面を有する凹部と、前
記締付け表面に係合する締付け手段とを含む；ところの
装置。

８特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパツ
タ被覆装置であつて：前記磁場手段が電磁コイルから成
り、磁場強度が調節可能である；ところの装置。

９特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパツ
タ被覆装置であつて：前記磁場手段が、前記陽極手段に
対して同心的に中央に配置された磁石手段と、前記他方
の磁気ポールへ磁気結合した磁性材料の外方円筒と、前
記磁石手段と前記外方内筒との間に磁気回路を形成する
磁性材料のプレートとを含む；ところの装置。

１０特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
ツタ被覆装置であつて：前記一方の磁気ポールにおける
磁場強度が、磁場の中心における磁場強度よりも約２の
因子だけ大きい；ところの装置。

１１特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
ツタ被覆装置であつて：前記スパツタ表面外方の離れた
点から前記一方の磁気ポールへと進む磁力線の全てが前
記スパツタ表面に交差しないで進む；ところの装置。

１２特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
ツタ被覆装置であつて：前記陽極手段が、前記陰極手段
から絶縁されて絶縁陰極手段に対して正電位で動作され
、グロー放電のための電気ポテンシヤルをもたらし；さ
らに、磁石手段と、ターゲツトの外方に隣接する前記方
の磁気ポールを形成する他方のポールピースとから成る
磁気系；から成り、前記陽極手段が、一方のポールピー
スを形成しまた前記スパツタ表面上方に磁場を達成する
ための前記一方の磁気ポールを形成するところの磁性材
料から成る；ところの装置。

１３特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
ツタ被覆装置であつて；前記一方のポールピースが前記
ターゲツトの前記内縁に沿つて前記スパツタ用表面より
も突出するように、前記一方のポールピースが前記ター
ゲツトに対して位置づけられる；ところの装置。

１４特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
ツタ被覆装置であつて：さらに前記陰極手段を包囲する
、磁性材料でできた環状の外殻；該外殻内部に配置され
た磁石手段を前記外殻へと磁気的に結合するための磁性
材料でできたベースプレート；並びに前記一方の磁気ポ
ールを前記陰極手段から電気的に絶縁するための絶縁手
段；から成る装置。

１５特許請求の範囲第１４項に記載されたグロー放電ス
パツタ被覆装置であつて：さらに前記磁石手段と前記陰
極手段との間の気密シーリング手段から成り；前記陰極
手段が排気チエンバ内にあるときに前記磁石手段が大気
圧であり得る；ところの装置。

１６スバツタ被覆装置に使用するための環状スパツタ・
ターゲツトであつて： ．材料スパツタ用の第１
の表面と、該第１の表面に交差する外方表面と、該外方
表面に交差する底表面と力ち成る断面形状を有するター
ゲツト部材：から成り、前記外方表面が、前記底表面に
隣接する第１部分と、前記底表面から離れた第２部分と
を有し；かつ該第２部分が前記第１部分から外方に延び
ている；ところのターゲツト。

１７特許請求の範囲第１６項に記載されたスパツタ・タ
ーゲツトであつて：前記断面形状が前記底表面と前記第
１の表面との間に内方表面部分を有し、該内方部分が前
記底表面に向かつて下方にテーパー付けした締付け表面
をもたらすよう凹部が設けられている，ところのターゲ
ツト。

１８特許請求の範囲第１７項に記載されたスパツタ・タ
ーゲツトであつて：前記環状形状が円形であるところの
ターゲツト。

発明の分野本発明は、真空スパツタ被覆装置の分野に属
し、特にそういう装置のためのマグネトロンスパツタ源
に関する。

発明の背景 被覆物の真空付着は、今日広範に利用され、将来におい
ても重要性が増してくるものと思われる。

そういう付着を実現するためのより重要な処理の１つと
して、グロー放電により誘起される陰極スパツタリング
が出現している。最近の研究の多くは、うまい磁場利用
を通じて低圧でスパツタ速度と動作の増大が達成される
ような種々のマグネトロン幾何形状に関するものである
。ここ１０年の間に、広範な処方が開発され、また多く
の特許が発行された。磁場の印加を通じてグロー放電を
増加させるために、電極幾何形状、磁場強度、および磁
場幾何形状が電子捕獲を生じるように選ばれる。

大部分の場合において、交差する電場と磁場とが、その
電磁場内で閉じた電子漂遊電流をもたらす。例えば円筒
形マグネトロンの場合において、陰極および陽極円筒の
軸に平行な一様磁場によつて、半径方向の電子捕獲が形
成され得る。陰極端に電子反射表面を設けることにより
、軸方向漂流を通じて放電領域からの電子の損失を減少
させることができ、さらに放電強度を増大させ、ガス低
圧での動作を可能ならしめる。スパツタ付着のため商業
的に使用される多くのマグネトロンにおいて、スパツタ
・ターゲツト（陰極）の形状に関して磁場を形状づける
ことにより電子捕獲が達成される。

特に大部分の平坦マグネトロンにおいては、平坦陰極表
面を通つてループを描き陰極表面上に閉じるトンネル形
状を形成する磁場が用いられる。正常な動作条件の下で
、グロー放電は主としてこの磁気トンネル内に閉込めら
れる。他の商業用円形マグネトロンスパツタ源が、軸対
称中央陽極を包囲するほぼ側立円錐形状の陰極（ターゲ
ツト）を用いる。

そういうスパツタ源の一例が、Ｍ．Ｒａｉｎｅｙに対し
て１９７８年７月１１日に発行された米国特許第４１０
００５５号（スパツタリング装置のためのターゲツトプ
ロフィール）に詳細に記載されている。そういうスパツ
タ源は、商標“Ｓ−Ｇｕｎ゛の名の下にバリアン・ァソ
シエイツ・インコーポレイテツド社により製造され入手
可能である。従来技術磁気トンネルにおいて、グロー放
電を保持するエネルギー電子は磁気トンネルから逃がれ
るためには磁力線を横切る必要があり、もし磁場強度が
充分大きければ電子は磁気トンネルから逃れられない。

また放電領域内に捕獲されたこれらの電子は、陰極に達
することがエネルギー的に不可能である。かくして、こ
れらの電子は陰極表面へ向けて磁力線に追随することが
できるけれども、陰極表面から静電的に反射されて放電
領域へと戻されるだろう。従来技術磁気トンネルにおけ
るように、もし、磁場強度が陰極表面からの距離に伴つ
て減少するならば、「磁気鏡」効果が電子反射に対して
さらに貢献し得る。

そういう磁気鏡の主要効果は、電子反射の領域を陰極表
面かられずか移動をせることである。この効果は、グロ
ー放電を閉込めるために電子を反射させる磁気トンネル
の役割について、重大というよりむしろ付帯的なもので
ある。何れにしても、磁気鏡を通じて逃げようとするこ
れらの電子は、静電的に反射されて放電領域へと戻され
るだろう。故に磁気鏡効果が生じるとしても、従来技術
における電子反射を単純に静電的であると考えるのが、
便利であり正しい。放電強度は磁気トンネルの中心にお
いて最大になる傾向を持ち、そこで磁力線は、陰極表面
にほぼ平行であり、そして磁気トンネルの側部に近づく
につれ急速に衰下する。

地域的陰極（ターゲツト）侵食速度がそこに近密に接す
るグロー放電の強度に大体対応するので、陰極表面の非
一様侵食が導かれる。Ｓ−Ｇｕｎ陰極の非一様侵食の一
例が、上掲の米国特許第４１０００５５号の第３図に示
されている。非一様陰極侵食からの１つの結論は、ター
ゲツト材料の最大でない利用率である。

非一様陰極侵食の他の結論は、陰極表面を離れるスパツ
タ材料の分布パターンに変化が生じることである。さら
に、陰極表面が侵食されるにつれて陰極表面への近密性
を維持するために、グロー放電は磁気トンネル内で下方
に移動する傾向がある。非一様陰極侵食に関連するこの
放電移動は、放電領域をよリシャープに集中させ、そし
て陰極侵食の非一様性を一層増大させる。さらに、そう
いう非一様陰極侵食が、スパツタ原子の放出領域を陰極
表面上のかなり狭い帯域へと制限する。このことは次に
、被覆されるべき基板へ達するスバツタ原子の方向の範
囲をも制限し、フイルム特性に対し非均一性およびステ
ツプカバレージの点で悪影響を与える。この２点は、例
えば半導体ウエハの金属配線において特に重要な点であ
る。さらに、深く侵食された陰極からの付着速度は、幾
何学的遮蔽効果により減少される。加えて、非一様陰極
侵食に伴い非一様陰極加熱が起こり、それが陰極冷却問
題および陰極の熱応力の一因となつてしまう。従来技術
磁気トンネルを用いる場合に、陰極表面の侵食に伴うグ
ロー放電の移動からのさらなる結論は、放電領域がより
大きな磁場強度の領域へと移動することである。

このことは、放電インピーダンスの低下をもたらし、そ
して一定の付着速度を維持するためには低い動作電圧、
高い放電電流、および高い放電電力が要求される。或る
応用例におけるこの問題の重要性の示唆が、Ｆｒｅｄｅ
ｒｉｃｋＴ．Ｔｕｒｎｅｒに対し１９７９年９月４日に
発行され本出願人に譲渡された米国特許第４１６６７８
３号（コンピユータ制御によるスパツタリング装置の付
着速度制御）により与えられている。

従つて本発明の一目的は、陰極（ターゲツト）寿命を通
じて一定付着速度のために入力電力を一定に維持し得る
ようなグロー放電スパツタ源を提供することである。

他の目的は、高いスパツタリング効率で動作し、電力消
費および電源寸法を減少させるようなスパツタ源を提供
することである。

他の目的は、グロー放電の電気インピーダンスが陰極（
ターゲツト）寿命を通じて実質的一定に保持され、電源
の供給および制御の問題が減少されるようなスパツタ源
を提供することである。

他の目的は、ターゲツト材料の利用率を増大させてター
ゲツト寿命を増大させることである。他の目的は、陰極
の有用寿命にわたつて陰極表面を離れるスパツタ材料の
より一様な分布を維持することである。他の目的は、改
良特性を有する被覆が得られるように、陰極からスパツ
タ原子が放出される帯域の幅を増大させることである。

他の目的は、陰極冷却問題を軽減して、高い電力でまた
それに対応する大きなスパツタ付着速度での動作を可能
にすることである。

他の目的は、陰極の熱応力を減少させ、一部の部分的な
溶融その他を回避することである。

他の目的は、陰極を適所に保持するための改良手段を提
供して、保持手段による損傷を引き起こさないで脆く弱
い陰極材料を保持し得るようにすることである。他の目
的は、陰極内の不利用ターゲツト材料の量を減少させる
ことである。

発明の概要 スパツタ源に適用される従来の磁気トンネルにおいて、
磁場は陰極表面を通つてループを描き磁気トンネル内部
にグロー放電を閉込める。

前述のように電子が陰極から静電的に反射されて放電領
域へと戻されることから、放電の閉込めが生じる。そう
いう静電反射は、磁気トンネルの両側で起こる。本発明
の好適実施例においては、磁気トンネルの一端のみが陰
極表面を通過するような修正磁気トンネルが用いられる
。

他端におけるグロー放電の閉込めが、「磁気鏡」によつ
てもたらされる。磁気トンネルの一端における電子反射
が陰極表面により静電的に生じ、他方他端において電子
が磁気鏡効果により反射される。本発明において特に重
要である磁気鏡の１特色は次の通りである：反射点は厳
密に定義された物理表面ではなく、或る内部の点におい
て磁場の方向に平行な電子速度の垂直電子速度に対する
比に依存するという意味で、磁気鏡はソフトである。

磁気鏡のこのソフト性は本発明における利点であり、放
電領域を磁気鏡側に拡張し広げるために利用できる。こ
のことは、より広くて、シヤープでない陰極侵食パター
ンに貢献する。１つまたはそれ以上の磁気鏡の使用によ
る１つの結論は次の通りである：従来技術磁気トンネル
より平坦であり、すなわちシヤープな弧とはならない磁
気トンネルを設計することが可能になる。

このことは、陰極侵食のプ様性増大に貢献し、そして陰
極侵食が進むにつれて電気インピーダンスが一定電力レ
ベルおよび一定動作圧において維持されるようなグロー
放電をもたらすことが可能になる。或る応用例において
このことは次のことを意味する：従来技術磁気トンネル
を使用するスパツタ源において従来可能であつたものよ
りも簡単な制御装置を使うことができ、所望の付着速度
を得ることができる。それはさらに次のことを意味する
：電源に要求される融通性はわずかであり、従来技術磁
気トンネルを使用するスパツタ源に要求される電源に比
較して寸法およびコストが減少される。このようにして
１つまたはそれ以上の磁気鏡を用いる磁気トンネルの利
用によつて、本発明の多くの目的が達成され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を組入れた好適実施例であるスパツタ
源の部分的断面図である。 第２図は、従来技術スパツタ源の断面図である。第３図
は、第１図のスパツタ源の１部の断面図であり、未使用
および寿命最後の陰極プロフイールを示し、また磁力線
およびそのデータを示している。第４図は、第２図の従
来技術スパツタ源の１部の断面図であり、未使用および
寿命最後の陰極プロフィールを示し、また磁力線および
そのデータを示している。第５ａ図および第５ｂ図は、
それぞれ第１図および第２図のスパツタ源について、キ
ロワツト時での陰極寿命の関数としての正規化付着速度
を示している。第６ａ図および第６ｂ図は、それぞれ第
１図および第２図のスパツタ源について、アルゴン圧力
をパラメータとした電圧一電流曲線を示している。第７
ａ図は、磁気鏡を形成するように収束する磁力線を概略
的に示し、また代表的電子軌跡を示している。第７ｂ図
は、第７ａ図の代表的磁力線に沿つての磁場強度の相対
的絶対値を概略的に示している。第８図は、第１図のス
パツタ源の一部の断面図であり、陰極保持手段を詳細に
示している。詳細な説明 第１図に本発明の好適実施例を示してあり、そこではス
パツタ被覆源１は概して円形状である。 円形中央陽極１０が、ほぼ倒立円錐形状のスパツタ表面
１３を有する円形陰極リング１２によつて包囲されてい
る。リング部材１２は、スパツタ被覆源の作動の間陽極
１０に比して負電位であり、陰極と称するにふさわしい
。リンク培財１２は、グロー放電からのイオンによる衝
撃のためのターゲツトを形成し、当技術においてスパツ
タ・ターゲツトと呼ばれる。従つて、本明細書および特
許請求の範囲において、リング１３を陰極またはスパツ
タ・ターゲツトとも呼ぶ。陰極（スパツタ・ターゲツト
）１２の断面形の詳細は、後に第８図を参照して詳述す
る。陽極１０は、電場形成用電極として、また磁場形成
用回路の一端としても機能する。 より詳しくは陽極１０は、磁性ポールピース１５から成
る。陰極の挿入および除去（後に詳述）を容易にするた
めに、好適にはポールピース１５は、取外し可能な環状
リング部分１６を含む。さらに、倒立コツプ形の取外し
可能な薄い陽極表面シート１７が、ネジ１８（１つを示
す）により適所に支持されている。陽極表面シート１７
は磁性材料でも非磁性材料でも良い。非磁性材料の場合
には、陽極表面での所望の磁場強度を維持するため充分
薄くすべきである。非磁性材料でできた環状部材２０が
、ボルト２１の手段によつてポールピース１５へと取付
けられる。内方０リング溝２２が、環状部材２０とポー
ルピース１５との間の真空気密シールを可能にする。さ
らに環状部材２０は、陰極１２から陽極１０を絶縁する
電気絶縁体リング２４の下側をシールするための外方０
リング溝２３を含む。ポールピース１５を含む陽極１０
は、同軸導管２７および２８を介して水チヤネル２６に
冷却剤を通過させることにより冷却される。倒立コツプ
形状の磁性部材３０が、ボルト３１（１つを図示する）
の手段によつてポールピース１５へと固着されている。
Ｏリング溝３２がポールピース１５内に設けられて、ポ
ールピース１５と磁性部材３０との間の冷却剤漏れを防
止する。環状磁石３３が、磁力増大スパツタ源のための
磁場をもたらす。磁石３３は、真空チエンバの外側に位
置されるので、真空適合材料でつくられる必要はない。
このように例えば、磁石３３は、ＩｎｄＯｘ５のような
バリウムフエライト永久磁石材料でつくられて良い。変
形的には永久磁石３３と組合わせて環状電磁石を用いて
も良く、その場合には電気的に制御可能な磁場部分が得
られる。そのような磁場の電気的制御はグロー放電の電
気インピーダンスを調節するために用いられることもで
き、それにより例えば陰極侵食に伴う放電インピーダン
スの変化が補償され得る。加えて放電開始をトリガする
ために、磁場の一時的増大が効果的に用いられ得る。磁
石３３は、磁気ベースプレート３４土に位置づけられ、
その上に磁引力によつて保持される。非磁性円筒体３５
の使用により磁石３３の適正な中心づけが達成される。
円筒体３５はフランジ３６に固着され、フランジ３６は
ネジ３７（図示せず）によりベースプレート３４へと固
着される。磁性リング３８が磁性部材３０と上方の磁石
３３との間に位置づけられる。磁性部材３０，３８およ
び磁石３３は、磁引力によつて互いに保持される。陰極
１２は、後に述べる新規な手段によつて、非磁性環状ベ
ース部材４０に固着される。 陰極１２は、さらに非磁性冷却筒４１によつて包囲され
ている。陰極１２および冷却筒４１は都合良く寸法づけ
られていて、それによりこれら部材間の室温間隙は、簡
単な設置・除去を可能にするよう充分に大きく、しかも
正常運転中の陰極熱膨張の際に陰極冷却のために適正な
熱接触をもたらすよう充分に小さい。冷却筒４１は、ネ
ジ４３（１つを図示する）で支持される非磁性リング部
材４２の手段によつてベース部材４０に機械的に固着さ
れる。冷却筒４１は内部に水チヤネル４５を有し、そこ
を通つて冷却剤、好適には水が導管５０（１つを図示す
る）を介して循環される。導管５０はスリーブ５１内で
ロウ付けされ、スリーブ５１はベース部材４０内でロウ
付けされて、導管５０とベース部材４０との間に真空気
密シーリングをもたらす。導管５０はさらに在来の分離
可能な圧縮備品５２および５３加えてベロ一部材５４か
ら成り、これらはベース部材４０に対する導管５０の真
空気密シーリングに働く機械的応力を減少させるために
使用される。導管５７（１つを図示する）を介して冷却
剤が循環する水チヤネル５６によつて、ベース部材４０
の直接冷却がもたらされる。この冷却は、陽極絶縁体２
４の上側をシールするためのＯリングシーリング溝５８
内のＯリングの真空無欠性を保存させるのに特に重要で
ある。ベース部材４０はさらに、陰極のための電気絶縁
体リング５９の下側をシールするためにＯリングシーリ
ング溝５５を含んでいる。最後にベース部材４０は、例
えば仮付け溶接によつて、陰極保持リング６０へと固着
される。陰極保持リング６０は、第８図にその詳細を示
す。遮蔽リング６１が外方唇状部分を有し、その部分が
保持リング６０の頂部と陰極１２との間に挟持される。
遮蔽リング６１の使用目的は、スパツタ源運転中に陽極
絶縁体２４の有害な被覆を減少させることである。保持
リング６０は複数のネジ穴を含み、遮蔽体６１はそれに
対応する複数のクリアランス・ホール６６を含み、それ
が組立の際前記のネジ穴に一致する。第８図に詳細に示
すように、陰極１２は環状溝を含む内方リム部分６２を
含み、環状溝は陰極１２の底面６４と約６０をの鋭角を
なす斜壁６３を有する。 保持リング６０内のネジ穴はネジ部材６５に係合し、ネ
ジ部材６５はドグポイント・セツトネジであつて良く、
あるいはバネ装填ボールプランジャを組入れた特別ネジ
であつても良い。遮蔽リング６１内のホール６６に道具
を通してネジ部材６５を斜壁６３に対して締めつけるこ
とによつて、室温での正常設置の後陰極１２の確実な保
持がもたらされる。ネジ部材６５の数は好適には３個で
ある。陰極１２が正常運転中熱により膨張すると、ネジ
部材６５から遠ざかつて広がるかもしれない。しかしな
がらスパツタ源が例えば倒立位置で運転されたとしても
、ネジ部材６５と協働した鉛角斜辺６３が、陰極１２が
ベース部材４０からかなりの距離だけ落ちることを防止
するよう機能する。さらに正常運転中の陰極１２の熱膨
張が、冷却筒４１内に陰極１２をしつかり保持するのに
役立つ。陰極１２の交換は、陽極表面シート１７および
環状リング部分１６をポールピース１５から取外し、次
に陰極を外すのに充分な程ＩＪ度にネジ部材６５を緩め
ることにより、達成される。 そこで、陰極１２の存在により適所に支持されていたに
すぎない遮蔽リング６１を取１外す。第８図に詳細に示
すように、陰極１２の外方表面は、下方部分６７および
該下方部分６７よりも大径の上方表面部分６８によつて
形状づけられる。上方部分と下方部分とは、傾斜した中
間部分６９により好適に結合される。内方ポールピース
１５および後述する外方ポールピース７２の相対的な形
状および位置づけが陰極１２の前記の形状と協働して、
陰極１２に関して所望の磁場形状を得る。これらの位置
関係および結果物たる侵食パターンの場合には、大径外
方部６８からまつすぐに下がつた外方表面を有する陰極
とは異なり、陰極１２の直接冷却が下方壁部分６７の領
域に制限されても良いことが、解つた。かくして第１お
よび８図の陰極形状は、スパツタ源の総径を小さいもの
にして、結果として材料のコストおよびスパツタ源の占
有空間において節約をもたらす。上述の関係はさらに陰
極１２の内方リム６２を厚くして、陰極を適所に保持す
るための新規な斜壁６３およびネジ部材６５の使用を可
能にする。陰極一陽極組立体のためのハウジング７０が
下方リング部材７１および外方磁性ポールピースリング
７２から成り、これらは円筒形壁部材７３によつて真空
気密方式で互いに結合される。 部材７１および７３は、冷間圧延鋼などのような強磁性
材料でつくられて、ポールピース７２への所要の磁場路
の一部をもたらすっ下方リング部材７１はＯリングシー
リング溝７４を含み、真空チエンバ（図示せず）の壁内
部への第１図のスパツタ源の取外し可能な真空気密設置
を容易にして、それによりスパツタ源はチエンバ壁から
チエンバ内へと突出する。ポールピース７２はさらに、
Ｏリングシーリング溝７７を含んで、陰極絶縁体５９の
上側の真空気密シールを可能にする。同心対の円筒形フ
ラツシユオーバ一絶縁体７８および７９が設けられて、
スパツタ源運転中に壁部材７３へのアーク放電を防止す
る。外方ポールピース７２へ着脱自在に取付けられてい
るもの（取付具は図示していない）は非磁性グラウンド
遮蔽部材８０と８１であり、これら２つのグラウンド遮
蔽体の間に位置づけられているのは水で冷却される非磁
性部材８２である。非磁性部材８２は、付属導管８３を
通流する水を介して冷却される。グラウンド遮蔽体８０
は特に、スパツタ源運転中に陰極絶縁体５９の有害な被
覆を減少させるよう機能する。第１図のスパツタ源の全
組立体は、締付け・リング部材９０の手段により互いに
支持される。 ボルト（図示せず）を穴９１に通過させて穴９２内のネ
ジに係合させることにより、締付けリング部材９０を下
方リング部材７１へと引き寄せる。そうすることによつ
て締付けリング部材９０がベースプレート３４を押し上
げる。それにより陽極絶縁体２４の下側および上側のそ
れぞれのＯリングシーリング溝２３および５８を圧縮す
ることによつて、また陰極絶縁体５９の下側および上側
のそれぞれのＯリングシーリング溝５５および７７を圧
縮することによつて、真空気密シールを達成する。スパ
ツタ源を真空チエンバ内に設置してチエンバを排気した
後、大気圧が上述のＯリングをさらに圧縮するよう作用
して、Ｏリングシールの真空無欠性に確実に貢献する。
Ｏリングのこの追加的な圧縮は、ベースプレート３４の
上方移動を導き、そして締付けリング部材９０を下方リ
ング部材７１の方向へと引き寄せるボルト（図示せず）
の張力の減少をも導く。そのようなボルト張力の減少に
よつて締付けリング部材９０がガタガタと弛くなるかも
しれない。すると操作者はボルトをさらに締付けたくな
る。もしそうすると、真空系が大気圧へと戻されたとき
にボルトおよび／または締付けリング部材９０の過剰応
力を導くであろう。この問題は、バネ装填ボールプラン
ジヤ（図示せず）を組入れた特別ボルトを用いてそれを
締付けリング部材９０内のネジ穴９３へとねじ込むこと
により、回避される。バネ装填プランジヤがベースプレ
ート３４を押圧し、以つてベースプレート３４が真空系
排気の際前進した後にもネジ穴９２に係合するボルト（
図示せず）の張力を維持する。以下に詳述するように、
本発明の目的は、磁気鏡により磁気トンネルの一方側が
形成されるような修正磁気トンネルを用いることによつ
て実現される。特に中央陽極ポールピース１５および外
方ポールピース７２の幾何形状を含んだ、磁気回路全体
の設計によつて、第３図に示した磁力線９５のパターン
がもたらされる。未侵食陰極スパツタ表面１３上の磁力
線は、多くの従来技術スパツタ源に見られるような陰極
表面を通る弧を描くというようなことはない。陰極スパ
ツタ表面１３を通過する磁力線は、陰極スパツタ表面１
３を２回通ることをせずに、むしろ陽極１０に向かつて
真つ直に進む。ひき続いてこの特定の磁場形状に伴う、
磁気鏡効果によつて、陽極１０からグロー放電領域への
電子反射が起こる。代表的運転において、スパツタ源を
取付けたチエンバは１０−６Ｔ０ｒｒのオーダーの圧力
まで排気される。 次にチエンバは、代表的にはアルゴンであるスパツタガ
スで充填され、０．１〜１００ｍＴ０ｒｒの範囲内の圧
力にされる。グラウンド遮蔽体８０と８１および陽極１
０は、通常大地電位（幾つかの応用例においては陽極１
０は大地電位よりわずかに高くバイアスされても良い）
に保たれる。陽極と陰極の幾何形状、磁場強度、陰極材
料、スパツタガスの種類、スパツタガス圧、および所望
の放電電流などの詳細に依存して、大地電位に対して−
３５０〜−１０００ボルトの範囲の電位が陰極１２へ印
加される。例として、陰極１２への電気的接続は冷却導
管５０との接続によつても良く、また陽極１０への電気
的接続は冷却導管２７との接続によつても良い。陽極１
０の１部分をなす内方磁性ポールピース１５は大地電位
またはその付近の電位で作動していることに、注意され
たい。 外方磁性ポールピース７２は、陰極１２から電気的に隔
離されて、同様に大地電位またはその付近の電位に保た
れる。陰極１２は大地電位に対して負の数百ボルトの電
位で運転されるので、付随スパツタリングに伴うポール
ピースへのイオン衝撃ぱ起り得ない。かくしてポールピ
ーススパツタリングによるスパツタ付着被覆の汚染可能
性は排除される。第２図に示す従来技術スパツタ源は、
円筒形対称幾何形状であり、商標「Ｓ−Ｇｕｒｌ」の名
の下にバリアン・アソシエイツ・インコーポレイテツド
によつて製造され販売されているものである。 このＳ−Ｇｕｎスパツタ源は、上掲の参照文献の−３章
、特に第１１６頁第１図および第１１７頁第３図に記載
されている。Ｒａｉｎｅｙに与えられた米国特許第４１
０００５５号、およびＰｅｔｅｒＪ．Ｃｌａｒｋｅに与
えられた米国特許第４０６０４７０号に、より詳細な説
明がされて（・る。第２図において、中央陽極１１０が
、銅のような非磁性材料でつくられ、環状陰極１１２に
よつて包囲されている。 陽極１１０は陽極ポスト１１５上に取付られる。陽極ポ
スト１１５は、非磁性材料、好適には銅でつくられる。
陽極ポスト１１５は、導管１２１を介して水が循環する
内部冷却空胴１２０を有する。陽極ポスト１１５は、フ
ランジ１２３の手段によつて非磁性ベースプレート１２
９に、導電的にあるいは絶縁的に取付けられる。陰極１
１２は、ほぼ倒立円錐形状のスパツタ表面１１３を有す
る。 陰極１１２は、下方磁性ポールピース１４２上に取付け
られ、そして非磁性冷却筒１４４により包囲されている
。締付けリング１６５が随意に設けられて、陰極１１２
をポールピース１４２へ固着する。陰極１１２および冷
却筒１４４は都合良く寸法づけられて、これらの間の室
温間隙は陰極の容易な設置・取外しに充分であり、しか
も正常運転中の加熱による陰極膨張の際には陰極冷却の
ための適切な熱接触をもたらすに充分小さい。冷却筒１
４４は、導管１５０を介して冷却剤、好適には水が循環
する内部水チヤネル１４５を有する。導管１５０は、フ
ランジ１５５の手段によつてベースプレート１２９に固
着される。導管１５０を電気非伝導材料でつくることに
より、ベースプレー口２９と導管１５０との間の電気的
絶縁が実現される。追加的な支持手段（図示せず）が用
いられて、下方ポールピース１４２とベースプレート１
２９との間の所望の間隔が維持される。この従来技術の
磁力増大スパツタ源のための主要磁場は、下方磁性ポー
ルピース１４２と上方磁性ポールピース１７２との間に
環状に配列された第１の複数の棒磁石１２８（例えば、
ＡｌｎｉｃＯ８などのような真空適合永久磁石材料でつ
くられる）によつてもたらされる。第２の複数の棒磁石
１２８′が、ポールピース１７２上方に環状に、そして
磁性反対に（すなわち主要磁場に対して逆向きの磁場を
与えるよう）配列される。この逆向き磁場配列の主要目
的は、ポールピース１７２上方領域の漂遊グロー放電を
抑制することである。非磁性円筒体１３０が、ポールピ
ース１４２および１７２に対する磁石１２８および１２
８′の正確な位置づけのための外方限界を画成する。非
磁性リング１７６が、ポールピース１７２上方の漂遊グ
ロー放電をさらに抑制するよう機能する。結果としての
磁力線９５は、第４図に最良に示される。特に興味を引
くのは、磁力線が陰極１１２のスパツタ表面１１３を通
つてまたその上方で弧を描き、そしてグロー放電を拘束
するための磁気トンネルを形成していることである。陰
極１１２を包囲してしかもそこから電気的に絶縁されて
いるのは、ほぼ円筒形でありかつ非磁性の外方ハウジン
グ１７０である。外方ハウジング１７０は、ベースプレ
ート１２９に導電的に付設された外方グラウンド遮蔽部
材１７３と、分離可能な内方グラウンド遮蔽部材１８０
とから成る。概して言えば、第２図の従来技術スパツタ
源の運転は、第１図について上述したものと同様である
。第２図の従来技術スパツタ源と、本発明の好適実施例
である第１図のスパツタ源との重要な差異を、以下に明
らかにする。第１図の好適実施例と、第２図の従来技術
スパツタ源とは、外見上非常に類似している。 あまり重要ではないが先ず物理的寸法の差異がある。例
えば、陰極１２の外径は約フインチ（１８ＣＴ！ｌ）で
あり、陰極１１２の外径は約５．５インチ（１４ＣＴｆ
Ｌ）である。ここで重要な差異は、磁場形状とそれを達
成するための磁気回路とに存する。陰極付近の磁場形状
は、好適実施例については第３図、従来技術については
第４図の部分断面図に詳細を示す。これらの図面におい
て、未使用または未侵食の陰極スパツタ表面はそれぞれ
１３および１１３で示され、他方寿命最後の陰極スパツ
タ表面のプロフイールは１３′および１１３５で示され
ている。これらのプロフイールは、アルミニウム陰極に
ついてそれぞれ４００キロワツト時および１４８キロワ
ツト時の運転経過後に得られたものである。磁場の測定
データもまた、第３図および第４図に表示してある。例
えば第３図の囲みデータ点９６、および第４図のデータ
点１９６において、その場所での磁場の方向は短い肉厚
の線分で示され、その線分の中点におけるガウス単位で
の磁場の絶対値はそこに隣接する数字によつて表示され
ている。囲みデータ点９６では１８０ガウス、囲みデー
タ点１９６の場合は１０３ガウスとなる。選択された何
本かの磁力線９５および１９５は、磁場測定データ点に
ほぼ一致させて構成された。第４図の従来技術スバツタ
源の場合においては、陰極スパツタ表面１１３を通る磁
力線１９５（すなわち陰極スパツタ表面の第１の領域か
ら伸びて、その第２の領域へと戻る磁力線）が弧状の磁
力線を形成し、電子はそれに沿つて運行しようとする。 電子が陰極表面に接近すると、それらは反射あるいは鏡
面反射され、そして各端が陰極電位で表面に交差する磁
力線により形成されるいわゆるトンネル内に保持される
。そういうトンネルは、磁気静電トンネルと呼ばれるに
ふさわしいであろう。陰極およびポールピースは環状で
あるので、その磁気静電トンネルは閉ループトンネルと
なり、そして紙面方向に進行してトンネル開口端から逃
げようとする電子を保持する。供給される磁場強度は、
それによる磁気静電トンネルがグロー放電を閉込めて磁
気的に増大させるよう機能するのに充分な程度に、大き
い。しかしながら第３図の好適実施例の場合においては
、陰極上方で弧を描き未侵食陰極スパツタ表面１３を通
過する磁力線は、第４図の従来技術におけるような２回
通過でなくただ１回だけ通過する。 或る磁力線は、外方ポールピース７２から発して、陰極
１２の外径付近マ陰極スパツタ表面１３を出る。これら
の磁力線は、陰極１２に再び進入することはなく、陰極
スパツタ表面１３から陽極へと弧を描く。通常の状況に
おいて、陰極に対して正電位に保たれた電極を通過する
磁力線は既製の導電路をもたらし、それにより電子が放
電から逃がれ得る。故にそのような磁力線は、グロー放
電を閉込めて磁気的に増大させるのに効果的であること
を期待されることはない。しかしながらこの例において
は、適当量の電子が以下に述べるような磁気鏡により反
射されることを保証するように磁力強度を充分に大きく
する方策が採られた。修正された電子捕獲トンネルがこ
のように実現され、グロー放電を閉込めて磁気的に増大
させるのに効果を奏する。正常動作の条件の下で、グロ
ー放電は、修正された電子捕獲トンネルによつて陰極の
スパツタ表面上方に閉込められる。 放電の負のグロー領域（電子一気体原子衝突または電子
一気体分子衝突によつてイオンの大部分が生成される領
域）は、陰極暗部により陰極のスパツタ表面から分離さ
れる。陰極暗部の厚さは、種々のパラメーター陽極と陰
極の幾何形状、磁場強度、陰極材料、スパツタガスの種
類および圧力、ならびに放電電流一に依存する。しかし
ながら本実施例においては、陰極暗部の厚さは約１ミリ
メートルであり、放電の負グロー領域は陰極のスパツタ
表面上方に数ミリメートルまで延びている。これらの一
般的な言明を越えて、理論的背景の下にグロー放電につ
いてのより完全な説明することは容易なことではないし
かしながら、グロー放電についての或る推論を導くため
に陰極侵食パターンを用いることができる。 何故ならば、陰極の局部的侵食率がそこに近接する放電
強度に大体対応するからである。この見地に立てば、第
４図の従来技術スパツタ源の事態は以下のようになろう
。陰極１１２が新しくてスパツタ表面が１１３によつて
決定されるときには、グロー放電は比較的広い磁気トン
ネルにより閉込められ、放電は陰極スパツタ表面１１３
の大部分の上に広がる。そこで放電強度は側方よりも磁
気トンネルの中心付近で大きくなり、磁気トンネル中心
付近で陰極の急速な侵食を導くであろう。陰極侵食が進
行するにつれて、磁気トンネルにより閉込められる放電
領域は次第に幅が小さくなりそこでの磁場強度が大きく
なる。加えて、磁気トンネルの中心部は半径方向外方へ
と移動する。寿命最後に陰極プロフイール１１３″とな
り、大部分の放電が陰極１１２の外方端付近のかなり狭
いリング内に集中され、放電領域全体にわたる平均磁場
強度は恐らく１００％またはそれ以上に増大されるかも
しれない。第３図の好適実施例の場合には、グロー放電
を閉込める磁気トンネルは大体平坦であり、すなわち第
４図の磁気トンネルよりも弧が鋭くない。 陰極侵食が進行するにつれて、第３図の磁気トンネルの
中心は半径方向外方へと移動するが、第４図の磁気トン
ネルの中心移動より急速には移動しない。加えて、放電
領域全体にわたる平均磁場強度の陰極スパツタ表面侵食
に伴う変化は、第４図の場合よりも第３図の場合のほう
が著しくなく、寿命最後までに恐らく３０％〜４０％の
増大である。第３図と第４図との磁場形状における著し
い差違から幾つかの結論が導かれる。重要な結論の１つ
に、第３図の場合においてグロー放電の電気インピーダ
ンスが高くまた陰極寿命にわたつて変化が小さいことが
ある。このことは続いて次のことを意味する：動作電圧
が高く、また所定の放電電力レベルにおいて電圧変化お
よび電流変化が小さい。高い動作電圧において、スパツ
タ収量が電圧に対してほぼ線形的に増大する。このこと
は次のことを意味する：放電インピーダンスに生ずる変
化が比較的小さいときには、入力電力を一定に保持する
ことによりスパツタ付着速度を陰極寿命にわたり一定に
保持することが可能である。上述のことについての実験
的裏づけが第５ａ図および第５ｂに与えられている。こ
こでは正規化された付着速度が、キロワツト時の陰極寿
命に対してプロツトされている。第５ａ図に示されるよ
うに本発明の好適実施例の場合には、正規化付着速度の
変化は３７５キロワツト時までの陰極寿命にわたつて±
４％の測定不確定さ以内におさまつている。比較のため
に、第２図および第４図の従来技術スパツタ源の場合を
第５ｂ図に示す。そこでは正規化付着速度は、陰極寿命
の１４０キロワツト時以後に４０％以上も下がつている
。正規化付着速度におけるこの衰下についての主な理由
は、放電インピーダンスが下がつて、動作電圧の低下を
もたらしそしてスパツタ収量の低下をもたらすことであ
る。２番目の理由として、陰極スパツタ表面が寿命最後
のプロフイール１１３７になるにつれて、陰極自身のス
パツタ表面による幾何学的遮蔽が付着速度を減少させる
ことがあげられる。 幾つかの応用例において、陰極寿命に伴う正規化付着速
度の変動が付着速度制御について重大な問題を導く。 第５ｂ図に示すような変動に直面して付着速度を制御す
るための１つの努力が、先に参照したＴｕｍｅｒへの米
国特許第４１６６７３８（コンピユータ制御によるスパ
ツタリング装置の付着速度調節）に開示されている。第
５ａ図に示す実質的に一定の正規化付着速度の場合には
、所望の付着速度を得るためにより簡単な制御装置を用
いることができる。第５ｂ図の下降する正規化付着速度
からの他の結論は、もし付着速度を一定に維持すべきな
らばスパツタ源への入力電力を増大すべきであることで
ある。 もし例えば正規化付着速度が４０％だけ落ちたとすれば
、陰極寿命初期における付着速度を得るためには入力電
力を６７％だけ増大させる必要がある。このようにより
多くの電力が消費されるならば、それに対応してスパツ
タ源の冷却問題が悪化し、また他の場合に比べて電力源
がより大きく、より融通のきく、そしてより高価なもの
にならざるを得ない。これらの問題の全ては本発明の好
適実施例とともに実質的に転減される。その理由は、第
５ａ図に示すような本質的に一定の正規化付着速度によ
る。第３図の新規な磁場形状からの他の重要な結論は、
第４図の磁場形状を有する従来技術スパツタ源に比べて
陰極材料のうち著しく多くの部分を利用し得ることであ
る。 アルミニウムでつくられた陰極１２の場合において、未
使用の、すなわち未侵食陰極スパツタ表面１３のときの
陰極１２の重量は９００グラムである。４００キロワツ
ト時の代表的動作の後に、寿命最後の陰極スパツタ表面
プロフイール１３′になると、重量損失は５６０グラム
である。 このように寿命最後までに、陰極材料の６２％を利用し
得る。従来技術を対照させると、陰極１１２の未使用重
量は２８５グラムであり、１４８キロワツト時経過後の
寿命最後の重量損失は１５１グラムであり、それは材料
利用率５３％に対応する。このように本発明の好適実施
例は、第２図および第４図の従来技術スパツタ源よりも
１７％大きい材料利用率を有する。第３図の新規な磁場
形状からのらに他の重要な結論は次の通りである：第４
図の在来の磁気静電場形状を有する従来技術スパツタ源
よりもグロー放電を横切る電圧が著しく高い。 この点は第６ａ図および第６ｂ図に、種々のアノカソ圧
力での電圧−電流曲線で図示してある。第６ａ図は第１
図および第３図に開示した本発明の好適実施例のもので
あり、第６ｂ図は第２図および第４図に記した従米技術
スパツタ源のものである。例えばスパツタガスであるア
ルゴンの圧力が１０ｍＴ０ｒｒ：動作電力レベルが４．
０キロワツトのときには、第６ａ図からの電圧および電
流の絶対値は約６０５ボルトおよび６．６アンペアであ
り、他方第６ｂ図からの電圧および電流の絶対値は約４
１０ボルトおよび９．８アンペアである。このように新
規なスパツタ源は、例にあげた従来技術スパツタ源より
も４７％以上の電圧で動作する。陰極の侵食につれて、
この差はさらに大きくなる。新規なスパツタ源の動作電
圧の変化は比較的わずかである一方、従来技術スパツタ
源の動作電圧は相当程度に下落する（第５ａ図および第
５ｂ図に関してした議論を参照）。新規なスパツタ源の
この高い動作電圧は２Ｚ次のことを意味する：高いスパ
ツタ収量で動作するので、所望の付着速度の達成に要す
る電力を減少させ、電力、冷却、および電源についての
コストの減少に貢献する。 この新規なスパツタ源に伴う高いスパツタ効率について
のさらなる証拠は、陰極材料の利用率を扱つた前出のパ
ラグラフで与えられる。 そこでは新規なスパツタ源についての４００キロワツト
時経過後の陰極重量損失は５６０グラムであることを報
告した。これは、毎キロワツト時に平均１．４０グラム
の材料放逐速度に相当する。従来技術スパツタ源の場合
には、１４８キロワツト時経過後の陰極重量損失は１５
１グラムであり、これは毎キロワツト時に平均１．０２
グラムの材料放逐速度を導く。新規なスパツタ源のスパ
ツタリング効率は、従来技術スパツタ源のそれよりも３
７％大きい。新規なスパツタ源の追加的特色が、第６ａ
図および第６ｂ図から読み取れる。 スパツタ源動作の間、スパツタガス圧力に生じ得る小さ
な変化にもかかわらず電力を一定に維持することがしば
しば望まれる。新規なスパツタ源（第６ａ図）の場合に
おいて例えばスパツタガスとしてアルゴンを用い、かつ
４．０キロワツトの動作電力レベルを用いると、４ｍＴ
０ｒｒから１０ｍＴ０ｒｒまでのアルゴン圧変化が７４
０ボルトから６１０ボルトまでの印加電圧絶対値変化を
要する。この電圧変化分１３０ボルトを平均電圧６７５
ボルトで割ると、０．１９３となる。従来技術スパツタ
源（第６ｂ図）の場合には、同一電力レベルで同一アル
ゴン圧のときに要求される電圧変化は、５２５ボルトか
ら４１０ボルトである。この電圧変化分１１５ボルトを
平均電圧４６２ボルトで割ると、０．２４９となる。か
くしてこの例においてほ、電力を一定に維持するために
要する電圧変化は、従来技術スパツタ源よりも新規なス
パツタ源のほうが約２２％も小さい。磁気トンネルの片
側が磁気鏡により形成されるところの修正された磁気ト
ンネルを使用する好適実施例によつて、本発明の諸目的
が実現されることを、先に述べた。 従来技術磁気トンネルにおいて、グロー放電を持続させ
るエネルギー電子は、陰極スパツタ表面を弧状にまたは
ループ状に貫く磁力線によつて閉込められる。陰極に向
かいあるいは遠ざかる電子は、磁力線に追随する傾向を
もつ。放電領域へと捕獲されたこれらの電子は、陰極へ
達することがエネルギー的に不可能である。かくしてこ
れらの電子は磁力線に従つて陰極スパツタ表面へと向か
うことができるけれども、それらは陰極スパツタ表面か
ら放電領域へと静電的に反射されて戻る。（従来技術磁
気トンネルにおける磁気鏡の付随的存在は、「発明の背
景］のところで簡単に述べた。）第３図に示すような本
発明の好適実施例において、陰極１２の外縁付近の磁気
トンネルの側部は、陰極が未使用のときに未侵食陰極ス
パツタ表面１３を通過する磁力線により形成される。 これらの磁力線は、陰極１２へ再び進入せず、未侵食陰
極スパツタ表面１３から陽極１０への弧を形成する。従
米技術磁気トンネルの両側における場合と同様に、磁気
トンネルの外側に沿つて電子が静電的に反射されて陰極
スパツタ表面１３からグロー放電領域へと戻る。しかし
ながら磁気トンネルの内側においては、静電力が電子を
、追い払うというよりもむしろ、陽極１０へ向けて引き
つける。電子が陽極１０に接近するにつれて磁場強度が
充分に増大するような磁場形状を使用することにより、
電子の適正数の反射が達成される。そういう磁場形状は
、磁気鏡と呼ばれる。このようにして磁力線が、（１）
陰極１２の外縁付近で電子を静電気的に反射（通常の従
来技術のように）させ、かつ（２）陰極１２の内縁付近
で電子を磁気鏡により反射させるような、修正された磁
気トンネルが形成される。磁気鏡がどのように機能する
かを理解するために、第７ａ図および第７ｂ図が参考に
なる。第７ａ図は、磁力線が左から右へと収束している
ような磁気鏡を概略的に表わしている。第７ｂ図は、或
る代表的な磁力線に沿つての磁場強度Ｂ（ｚ）の相対的
絶対値を、横軸を第７ａ図と同一スケールにして表わし
ている。第７ａ図に２つの代表的な電子軌跡を示す。ν
１１（Ｚ）およびν１（ｚ）はそれぞれ、電子速度の平
行および垂直成分である。第１の電子軌跡において、ｚ
−０のところでν１１（０）はν１（０）に比べて小さ
く、ｚ＝Ｚ，のところで電子反射が起こる。他方第２の
電子軌跡において、ν１１（０）はν、（０）に対して
評価し得る大きさであり、Ｚ−Ｚ２のところで電子反射
が生じる。すぐに解るように、Ｚ２はＺ１よりも大きい
。磁場強度の増大する領域内を電子が左から右へと移動
するにつれて、ν１１（Ｚ）を消費してνょ（ｚ）が増
大する。ν （ｚ）が零になるところで電子反射が起こ
る：この点が磁気鏡点である。電子に作用する電場が存
在しないときには、電子のエネルギー保存から次の式が
満たされる。ここにＺｒは、電子反射が起こる点でのｚ
の値である。 やはり電場が存在しないときに、螺旋運動する電子がそ
の磁気モーメントを保存しようとする。 すなわち、この関係をエネルギー保存関係と組合わせる
と、磁気鏡の条件が導かれ、それは次のようになろう。 あるいはまた磁気鏡方程式を考査すると次の事が解る゜
磁気鏡による反射は、静電反射とちがつて絶対的なもの
ではない。 例えば、Ｂ（ｚ）が２Ｂ（０）の最大値に近づくと仮定
してみよう。ν±（０）よりもν１１（０）が小さい全
ての電子が右から左へと反射されるだろう。他方ν （
０）がν−（０）よりも大きい全ての電子は右へ逃がれ
るだろう。かくしてν↓（０）よりも大きなν （０）
を有するグロー放電領域内の電子は、該放電領域から失
せるであろう。このことから、Ｂ（０）に対するＢ（ｚ
）の最大値の比によつて、磁気鏡の強度を定義するのが
有用である。今考えている例においては、磁気鏡の強度
は２となる。．磁気鏡方程式の考査から解る磁気鏡の第
２の特色は次の通りである：電子反射の領域は厳密に定
義された物理表面ではなく、むしろｚ−０で決定される
内部平面における垂直電子速度に対する平行電子速度の
比に依存するという意味で、磁気鏡はソフトである。 例えばもしνＩ（（０）−０．１ν１（０）であるなら
ば、Ｂ（Ｚｒ）＝１．０１Ｂ（０）となるｚ値のところ
が磁気鏡点である。同様にもしν （０）０．５ν．（
０）ならば、Ｂ（Ｚｒ）＝１．２５Ｂ（０）のときに電
子反射が生じる。磁気鏡の上記の扱いにおいて、電子に
作用する電場がないものと仮定した。 電場が存在するときには、電子軌跡および反射点が修正
されるだろう。スパツタガスの非存在下で第１図および
第３図の未侵食陰極１２へ電圧が印加されるときには、
グロー放電が正常には確立されず、未侵食陰極スパツタ
表面１３上方の空間内での電場分布を直接に算定あるい
は測定できる。スパツタガスの導入によつてグロー放電
を確立すると、電場分布は非常に異なつたものとなろう
。印加された電圧の大部分が、未侵食陰極スパツタ表面
１３に隣接する陰極暗部を横切つて現われるだろう。陰
極暗部領域内の電場強度が、グロー放電のないときより
も非常に大きくなろう。もちろん、電気力線は、未侵食
陰極スパツタ表面１３に対して垂直であり、故に磁力線
９５を概ね横切る。エネルギー電子がスパツタガス原子
または分子との一連のイオン化衝突を通じてそのエネル
ギーを与えることにより放電を維持するので、エネルギ
ー電子は必要不可欠である。 放電領域内へと捕獲されている大部分の電子は、正イオ
ン衝撃による陰極スパツタ表面からの２次電子放出の結
果として生じている。これらの電子は速やかに、陰極暗
部内の強電場により作用されて、陰極暗部上方の負グロ
ー領域へと加速される。このことが事実上ほぼサイクロ
イド形状である電子路をもたらし、電子は陰極１２の上
方かつ中央陽極１０のまわりを周回的に漂遊する。未侵
食陰極スパツタ表面１３の上方で電場と磁場とが互いに
ほぼ横切るということが次のことを意味する：放電領域
内に捕獲されている大部分のエネルギー電子が、磁力線
に平行というよりもむしろ垂直の速度を優勢的に有する
だろう。すなわち、ν１はν１より著しく小さいであろ
う。かくしてこれらの電子を適度の強度の磁気鏡により
閉込めることができ、このことは放電を保持する電子の
重大な役割を鑑みるに）好ましい結果となる。 強い磁気鏡の必要性は、主に放電開始要件から生ずる。
第３図に示される（囲みデータ点９６で例示されるよう
な）磁場データが次のことを明らかにしている：或る代
表的磁力線９５に沿つての磁場強度は、未侵食陰極スパ
ツタ表面１３を出る点から修正磁気トンネルのほぼ中心
までゆつくりと変化する。 この磁力線に沿つた磁場強度は、陰極１２の内縁付近で
約２倍になる。かくして本発明の好適実施例の修正磁気
トンネル内で用いられる磁気鏡は、先に定義した強度に
よれば約２の強度を有し、これはν１よりもν１１の小
さな大部分の電子をグロー放電領域へと反射させて戻す
のに充分である。前述のように実験的認証によつて、こ
の新規なスパツタ源は第２図および第４図の従来技術ス
パツタ源を越えて種々の点で優秀な性能を示す。これら
の結果は、鏡強度が２のオーダーである磁気鏡から成る
磁気増大スパツタ源の有用性を確証する。スパツタ源に
おける磁気鏡の有用性によつて、新しい設計寸法の自由
度がもたらされる。 第１図および第３図に示すように、未侵食陰極スパツタ
表面１３の上方に該表面１３に実質的に平行な磁力線を
生成するよう、磁気回路が形状づけられた。このことは
、従来技術スパツタ源と明確な対照をなす。従来技術ス
パツタ源においては、磁力線は、陰極スパツタ表面を出
てから再びそこに進入し、第２図および第４図に示すよ
うに陰極上方で比較的狭い弧を形成する。第３図の磁力
線は未侵食陰極スパツタ表面１３に実質的に平行である
ことから、在来の磁気トンネルを使用する従来技術スパ
ツタ源におけるよりも、グロー放電がより広範であり強
度がより一様となる。さらに磁気鏡が本来的にソフトで
あるので、在来の磁気トンネルで優位であつた静電反射
の場合におけるよりも、グロー放電領域は一層半径方向
内方へと延びることができる。最後に、磁気鏡の使用に
よつて、陰極がスパツタリングにより侵食されるにつれ
てのグロー放電領域全体の平均磁場強度の変化を減少さ
せることが可能になつた。これら上述の要因は、優秀な
スパツタ源性能の原因となる。磁力線を収束させるよう
磁気回路を収束させることによつて、磁気鏡の実現が達
成される。 例えば、グロー放電の中央領域内の横方向面積ＡＯを磁
力線が通過して、同じ磁力線が陽極に近接する横方向面
積Ａａを通過すると仮定しよう。もしＡＯを通る磁力線
の平均強度がＢＯであり、陽極に近接する磁力線の平均
強度がＢａであるならば、Ｂａは次のようになる。以前
に定義した磁気鏡の強度は次のようである。 第１図および第３図に示すような本発明の好適実施例に
おいて、磁力線はグロー放電の中央領域から陰極１２の
内縁へと進む際に第３図の横方向平面内で約１．６の因
子で収束する。加えて、これらの磁力線は半径収束因子
によりさらに収束する。この因子は、グロー放電の中央
領域までの実効的半径距離を陰極１２の内径で割つたも
のである。この半径収束因子は約１．４にとることがで
き、そうして約１．６×１．４＝２．２の磁気鏡強度を
導く。本発明の修正磁気トンネルに関する議論の多くは
、陰極１２が未使用で未侵食のときの状況に制限されて
いた。この形状においては、陰極１２の外縁付近の磁気
トンネルの側部は、未侵食陰極スパツタ表面１３を通過
する磁力線により形成される。これらの磁力線は、陰極
１２に再び進入することはなく、むしろ陽極１０への弧
を形成する。磁気トンネルの外側に沿つて、電子が陰極
スパツタ表面１３から静電的に反射されてグロー放電領
域へと戻る。磁気トンネルの内側において、電子が磁気
鏡により反射されて放電領域へと戻る。正常動作におい
て陰極がスパツタリングにより侵食される。アルミニウ
ム陰極の正常運転約４００キロワツト時経過後に、寿命
最後の陰極スパツタ表面プロフイール１３１が得られる
。この侵食形状の場合には、外縁付近で陰極スパツタ表
面１３′を出た磁力線のうち幾つかは、陽極１０に向か
う途中でスパツタ表面１３／に再進入する。寿命最後ま
で、放電は磁気トンネル内に閉込められる。磁気トンネ
ル内で電子は、陰極が未使用であつたときのように磁気
鏡により反射されるというよりもむしろ、トンネルの内
側に沿つて（外側に沿つてと同様に）主として静電的に
反射される。ソフトな磁気鏡からハードな静電鏡への変
換によつて、グロー放電は陰極１２の外縁へ向けてより
狭いリング内に集中し、寿命最後が近づくにつれそのリ
ング領域内での比較的急速な侵食をもたらすと信じられ
る。陰極スパツタ表面プロフイールの実験的に観測され
た進展に基づけば、反射モードのこの変化は陰極の寿命
最後近くで生ずると信じられる。前述したように、グロ
ー放電は正常には、陰極上方に数ミリメートルまで広が
つている。故に、グロー放電を閉込めるのに効果的な磁
場は、陰極スパツタ表面全体にわたつて平均した磁場で
はなく、放電領域にわた・つて或る方法で平均した磁場
である。磁気鏡反射から静電反射への転移が生じるとい
う事実が陰極１２の内縁付近での侵食を減少させる；そ
れはまた陰極１２の外縁に向けて狭いリング内へ放電を
集中させることにより、陰極寿命を縮める。 反射モードにおけるこの変化を避けることが好ましいが
、第２図および第４図に示すような従来技術スパツタ源
よりも第１図および第３図に示す本発明の好適実施例に
よつて相当に改良されたスパツタ源性能が達成されると
いう事実が存する。前述したように、このことは主とし
て、磁気鏡の使用により可能になる新しい設計寸法の自
由度による。以上特定の部材配列によつて本発明を説明
してきたが、この説明は本発明を例示するものであつて
限定するものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ グロー放電スパッタ被覆装置であつて：材料スパッ
   タ用表面を有する環状スパッタ・ターゲットを含む陰極
   手段；前記ターゲットの内縁に隣接して中央に位置づけ
   られた円形部材から成る陽極手段；並びに前記スパッタ
   表面上方を通る磁力線を有する磁場を生成するための複
   数の磁気ポールを含む磁場手段；から成り、前記複数の
   磁気ポールのうちの一方の磁気ポールが、前記ターゲッ
   トの内側かつ中央で陽極の下方に位置づけられ、ほぼ円
   形形状であり、前記陰極手段から電気的に絶縁されて、
   前記陰極手段に対して正電位で動作することができ；前
   記複数の磁気ポールのうちの他方の磁気ポールが、前記
   ターゲットを包囲する環状部材であり；かつ前記複数の
   磁気ポールの上方端が前記スパッタ表面に関して高く位
   置づけられることにより、該磁場の一端が、前記スパッ
   タ表面に交差せず該磁場の中心から前記一方の磁気ポー
   ルまで進む磁力線から成り；それにより、前記一方の磁
   気ポールが前記陰極手段に対して正電位であるときに電
   子を磁場内に閉込めるための磁気鏡を形成するのに充分
   な程度に、磁場強度が磁場の中心から前記一方の磁場ポ
   ールに向かつて増大する；ところの装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記一方の磁気ポールが実質的
   に陽極電位で動作される；ところの装置。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記スパッタ表面がほぼ円錐表
   面の形状である；ところの装置。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記環状スパッタ・ターゲット
   の内縁がほぼ円錐形の前記スパッタ表面との交点から外
   方へ傾斜し；かつ前記陽極手段が前記ターゲットの前記
   内縁の中に収まる外縁を有し、該外縁が前記内縁の傾斜
   にほぼ合致する傾斜を有する；ところの装置。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記陽極手段が、前記スパッタ
   ・ターゲットの前記内縁に隣接する取外し可能な周辺リ
   ング部分を有する；ところの装置。 ６ 特許請求の範囲第４項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記ターゲットが、前記ほぼ円
   錐形表面に対向する底面と、該底面および前記ほぼ円錐
   形表面に交差する外周面とを有し；該外周面が、前記底
   面に交差する下方部分と、前記ほぼ円錐形表面に交差す
   る上方部分とを有し；かつ前記上方部分が前記下方部分
   より大径であり；さらに前記下方部分を包囲する冷却筒
   を有する；ところの装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記内縁が、前記底面に向かつ
   て内方かつ下方に傾斜する締付け表面を有する凹部と、
   前記締付け表面に係合する締付け手段とを含む；ところ
   の装置。 ８ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記磁場手段が電磁コイルから
   成り、磁場強度が調節可能である；ところの装置。 ９ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電スパ
   ッタ被覆装置であつて：前記磁場手段が、前記陽極手段
   に対して同心的に中央に配置された磁石手段と、前記他
   方の磁気ポールへ磁気結合した磁性材料の外方円筒と、
   前記磁石手段と前記外方内筒との間に磁気回路を形成す
   る磁性材料のプレートとを含む；ところの装置。 １０ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電ス
   パッタ被覆装置であつて：前記一方の磁気ポールにおけ
   る磁場強度が、磁場の中心における磁場強度よりも約２
   の因子だけ大きい；ところの装置。 １１ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電ス
   パッタ被覆装置であつて：前記スパッタ表面外方の離れ
   た点から前記一方の磁気ポールへと進む磁力線の全てが
   前記スパッタ表面に交差しないで進む；ところの装置。 １２ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電ス
   パッタ被覆装置であつて：前記陽極手段が、前記陰極手
   段から絶縁されて絶縁陰極手段に対して正電位で動作さ
   れ、グロー放電のための電気ポテンシャルをもたらし；
   さらに、磁石手段と、ターゲットの外方に隣接する前記
   方の磁気ポールを形成する他方のポールピースとから成
   る磁気系；から成り、前記陽極手段が、一方のポールピ
   ースを形成しまた前記スパッタ表面上方に磁場を達成す
   るための前記一方の磁気ポールを形成するところの磁性
   材料から成る；ところの装置。 １３ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電ス
   パッタ被覆装置であつて；前記一方のポールピースが前
   記ターゲットの前記内縁に沿つて前記スパッタ用表面よ
   りも突出するように、前記一方のポールピースが前記タ
   ーゲットに対して位置づけられる；ところの装置。 １４ 特許請求の範囲第１項に記載されたグロー放電ス
   パッタ被覆装置であつて：さらに前記陰極手段を包囲す
   る、磁性材料でできた環状の外殻；該外殻内部に配置さ
   れた磁石手段を前記外殻へと磁気的に結合するための磁
   性材料でできたベースプレート；並びに前記一方の磁気
   ポールを前記陰極手段から電気的に絶縁するための絶縁
   手段；から成る装置。 １５ 特許請求の範囲第１４項に記載されたグロー放電
   スパッタ被覆装置であつて：さらに前記磁石手段と前記
   陰極手段との間の気密シーリング手段から成り；前記陰
   極手段が排気チエンバ内にあるときに前記磁石手段が大
   気圧であり得る；ところの装置。 １６ スパッタ被覆装置に使用するための環状スパッタ
   ・ターゲットであつて：材料スパッタ用の第１の表面と
   、該第１の表面に交差する外方表面と、該外方表面に交
   差する底表面とから成る断面形状を有するターゲット部
   材；から成り、前記外方表面が、前記底表面に隣接する
   第１部分と、前記底表面から離れた第２部分とを有し；
   かつ該第２部分が前記第１部分から外方に延びている；
   ところのターゲット。 １７ 特許請求の範囲第１６項に記載されたスパッタ・
   ターゲットであつて：前記断面形状が前記底表面と前記
   第１の表面との間に内方表面部分を有し、該内方部分が
   前記底表面に向かつて下方にテーパー付けした締付け表
   面をもたらすよう凹部が設けられている、ところのター
   ゲット。 １８ 特許請求の範囲第１７項に記載されたスパッタ・
   ターゲットであつて：前記環状形状が円形であるところ
   のターゲット。