クラスター生成装置
【課題】大きなサイズのクラスターを生成することが可能なクラスター生成装置を提供する。
【解決手段】クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備えるクラスター生成装置であって、クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなることを特徴とする。
【解決手段】クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備えるクラスター生成装置であって、クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッター法によりクラスター生成室内で発生した蒸気を冷却ガスで冷却してクラスターを生成し、クラスター生成室内のクラスター出口から放出させることに関係する。
【背景技術】
【０００２】
電極上に配置されたターゲット材料に、真空中でArイオンが衝突し、ターゲットの原子を飛び出させ、対向する基板上に付着させる。これがスパッタリング現象による成膜である。しかし、従来の直流グロー放電や高周波によって発生させたプラズマを利用するだけの２極スパッター方式や、熱陰極を付加する３極スパッター方式では、成膜速度が遅くターゲット表面から叩き出された二次電子によって基板温度が上昇するという課題があった。
【０００３】
そこで、マグネトロンスパッター法では、ターゲット表面に磁界を印加して、この二次電子をローレンツ力で捉えてサイクロイドまたはトロコイド運動させることによりArガスとのイオン化衝突の頻度を増大させ、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させることで、成膜速度の高速化を可能にした。また、電子が磁界による束縛から逃れて基板に入射するまでにイオン化衝突による運動エネルギー低減が十分なされるために、高エネルギー電子の基板衝撃は起こらずそれに伴う基板温度上昇が抑制される。
【０００４】
クラスター生成部の基本的な構成としては、アルゴンガス及びヘリウムガスが供給されるようにしたクラスター生成室内にマグネトロンスパッター部を配置し、該スパッター部に配置したターゲットの原子にアルゴンイオンを打ち込んで、スパッタ蒸発を起こし、発生した蒸気を前記ヘリウムガスで冷却してターゲットの原子を結合させてクラスターを生成し、クラスター生成室の端部に設けたクラスター出口（絞り部）から放出されるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スパッタリングによりターゲットから叩き出されたイオンは、放射状に飛び出す。その後クラスター出口に向かったガスの流れの中で、クラスター化する。しかしクラスター出口までクラスター生成室の胴部の内径が一定の大きさのままであるため、イオン密度が低いままでクラスター化が起こりにくく、大きなクラスターを生成することが難しい。また、クラスター出口で急にクラスター生成室の内径が小さくなるため、ガスの流れが乱れる（渦が発生する）。これにより、クラスター生成室の内壁に衝突・付着し、クラスター出口に到達できないクラスターが発生する（図１参照）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、従来の前記のような課題を有するクラスターの生成装置について鋭意検討した結果、クラスター生成室１の形状を、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなる形状にすることによって、大きなサイズのクラスターを生成することが可能となること、またクラスター生成室の内壁に衝突・付着し、クラスター出口に到達できないクラスターの量を減らすこと可能となることを見出し、本発明に到達した（図２参照）。
【０００７】
本発明により、下記（１）が提供される。
（１）クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備えるクラスター生成装置において、
クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなることを特徴とする、クラスター生成装置。
【発明の効果】
【０００８】
クラスター生成室の形状に関して、クラスター出口に向かって徐々に内径を小さくすることにより、ターゲットから飛び出したイオン・原子がクラスター化する部分において、クラスターの密度が大きくなり、大きなサイズのクラスターを生成することが可能となる。また、クラスター生成室の内壁、特にクラスター出口付近のクラスター生成室の隅部へのクラスター付着を抑制し、クラスター出口から放出されるクラスター量が多くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係るクラスターの生成装置の実施態様を図２に基づいて説明する。本発明のクラスター生成装置は、クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたマグネトロンスパッター部２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備え、クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなるように構成されている。
【００１０】
クラスター生成室の内径は、例えば、ターゲット３の周囲で直径５〜３０ｃｍ、クラスター出口で直径１〜１０ｃｍ、大口径から小口径への傾斜角を１０〜８０度とすることによって、クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなるように構成されている。
【００１１】
マグネトロンスパッターガン２は図２に示す通り、前面側にターゲット（放電部）３が固定されるようになっている。マグネトロンスパッターガン２の内部には電源ワイヤ及びアルゴンガスＡｒのような放電ガス供給パイプが通され、放電ガスが効率的にマグネトロンスパッター部２の周辺に供給されるようになっている。ヘリウムガスのような冷却ガスは、ガス導入口４から冷却ガス供給パイプを介してクラスター生成室１内のガス放出部に供給される。
【００１２】
上記の、クラスター生成室１、マグネトロンスパッターガン２およびガス導入口４をすべて真空容器内に配置し、真空容器内は真空ポンプにより排気される。
【００１３】
前記のような構成において、クラスター生成室１に放電ガスを導入し、ターゲット３に電位を印加することによりスパッター放電を起こし、ガス導入口４から冷却ガスを導入する。スパッタリングによりターゲットから放出されたイオンおよび原子は、放電ガスおよび冷却ガスによってクラスター出口５に向かって流れていく。この際、イオンおよび原子が衝突することにより、原子が集団化してクラスターが生成される。クラスターは、クラスター出口５に到達し、クラスター生成室の外に放出される。
【００１４】
クラスター化の際、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、イオンおよび原子の密度が、ターゲット３からクラスター出口５に向かうにつれて大きくなり、クラスター化が促進され、大きなクラスターが生成される。
【００１５】
さらに、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、（従来型のようにクラスター出口付近のクラスター生成室の隅部で渦流が発生することに伴うクラスターの吸着が解消されるので、）クラスター生成室１の内壁へのクラスターの吸着が抑制され、結果としてクラスター出口５から放出されるクラスターの量が増加する。
【００１６】
このようにしてクラスター出口５から放出されるクラスターは、クラスター出口に向かい合うように配置した基板に堆積させた。
【００１７】
上記の態様において、放電ガスや冷却ガスの流量、マグネトロンのタイプの選定、スパッターレート等の他の諸条件を適宜好適に設定することができる。また、ターゲットの素材としては、アルミニウム，珪素，鉄，コバルトなどから適宜選択することができる。
【実施例】
【００１８】
図３を参照しながら、本発明の例を説明する。
【００１９】
まず、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなる形状を有するクラスター生成室を用意した。ここでは、クラスター生成室の内径を、ターゲット３の周囲で直径５〜３０ｃｍとし、クラスター出口で直径１〜１０ｃｍとし、大口径から小口径への傾斜角を１０〜８０度とした。
【００２０】
クラスター生成室１内に、ターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２を用意した。さらに、クラスター生成室１内に、ガス放出部を有するガス導入口４を用意した。
【００２１】
上記の、クラスター生成室１、マグネトロンスパッターガン２およびガス導入口４をすべて真空容器内に配置し、真空容器内を真空ポンプにより排気した。
【００２２】
マグネトロンスパッターガン２に放電ガス（本例ではアルゴンを使用）をクラスター生成室１内に１Ｎｃｃ／秒で導入した。
【００２３】
マグネトロンスパッターガン２の先端に配置したターゲット３（例えば白金）に電位を印加（２５０Ｖ）することにより放電を起こす。
【００２４】
ガス導入口４から、冷却ガス（本例ではヘリウムを使用）をクラスター生成室１内に２Ｎｃｃ／秒で導入した。
【００２５】
スパッタリングによりターゲット３から放射状に飛び出したイオンおよび原子は、放電ガスおよび冷却ガスによってクラスター出口５に向かって流れていく。この際、イオンおよび原子が衝突することにより、クラスター化が生じる。クラスターは、クラスター出口５に到達し、クラスター出口５からクラスター生成室１の外部へ放出される。クラスター化の際、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、イオンおよび原子の密度が、ターゲット３からクラスター出口５に向かうにつれて大きくなり、クラスター化が促進され、大きなクラスターが生成される。
【００２６】
さらに、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、クラスター生成室１の内壁へのクラスターの吸着が抑制され、結果としてクラスター出口５から放出されるクラスターの量が増加した。
【００２７】
このようにしてクラスター出口５から放出されるクラスターを、基板に堆積させた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来型のクラスター生成装置。
【図２】本発明のクラスター生成装置。
【図３】本発明のクラスター生成装置の実施例。
【符号の説明】
【００２９】
１ クラスター生成室
２ マグネトロンスパッターガン
３ ターゲット（放電部）
４ ガス導入口
５ クラスター出口（開口部）
６ クラスター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッター法によりクラスター生成室内で発生した蒸気を冷却ガスで冷却してクラスターを生成し、クラスター生成室内のクラスター出口から放出させることに関係する。
【背景技術】
【０００２】
電極上に配置されたターゲット材料に、真空中でArイオンが衝突し、ターゲットの原子を飛び出させ、対向する基板上に付着させる。これがスパッタリング現象による成膜である。しかし、従来の直流グロー放電や高周波によって発生させたプラズマを利用するだけの２極スパッター方式や、熱陰極を付加する３極スパッター方式では、成膜速度が遅くターゲット表面から叩き出された二次電子によって基板温度が上昇するという課題があった。
【０００３】
そこで、マグネトロンスパッター法では、ターゲット表面に磁界を印加して、この二次電子をローレンツ力で捉えてサイクロイドまたはトロコイド運動させることによりArガスとのイオン化衝突の頻度を増大させ、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させることで、成膜速度の高速化を可能にした。また、電子が磁界による束縛から逃れて基板に入射するまでにイオン化衝突による運動エネルギー低減が十分なされるために、高エネルギー電子の基板衝撃は起こらずそれに伴う基板温度上昇が抑制される。
【０００４】
クラスター生成部の基本的な構成としては、アルゴンガス及びヘリウムガスが供給されるようにしたクラスター生成室内にマグネトロンスパッター部を配置し、該スパッター部に配置したターゲットの原子にアルゴンイオンを打ち込んで、スパッタ蒸発を起こし、発生した蒸気を前記ヘリウムガスで冷却してターゲットの原子を結合させてクラスターを生成し、クラスター生成室の端部に設けたクラスター出口（絞り部）から放出されるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スパッタリングによりターゲットから叩き出されたイオンは、放射状に飛び出す。その後クラスター出口に向かったガスの流れの中で、クラスター化する。しかしクラスター出口までクラスター生成室の胴部の内径が一定の大きさのままであるため、イオン密度が低いままでクラスター化が起こりにくく、大きなクラスターを生成することが難しい。また、クラスター出口で急にクラスター生成室の内径が小さくなるため、ガスの流れが乱れる（渦が発生する）。これにより、クラスター生成室の内壁に衝突・付着し、クラスター出口に到達できないクラスターが発生する（図１参照）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、従来の前記のような課題を有するクラスターの生成装置について鋭意検討した結果、クラスター生成室１の形状を、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなる形状にすることによって、大きなサイズのクラスターを生成することが可能となること、またクラスター生成室の内壁に衝突・付着し、クラスター出口に到達できないクラスターの量を減らすこと可能となることを見出し、本発明に到達した（図２参照）。
【０００７】
本発明により、下記（１）が提供される。
（１）クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備えるクラスター生成装置において、
クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなることを特徴とする、クラスター生成装置。
【発明の効果】
【０００８】
クラスター生成室の形状に関して、クラスター出口に向かって徐々に内径を小さくすることにより、ターゲットから飛び出したイオン・原子がクラスター化する部分において、クラスターの密度が大きくなり、大きなサイズのクラスターを生成することが可能となる。また、クラスター生成室の内壁、特にクラスター出口付近のクラスター生成室の隅部へのクラスター付着を抑制し、クラスター出口から放出されるクラスター量が多くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係るクラスターの生成装置の実施態様を図２に基づいて説明する。本発明のクラスター生成装置は、クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたマグネトロンスパッター部２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備え、クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなるように構成されている。
【００１０】
クラスター生成室の内径は、例えば、ターゲット３の周囲で直径５〜３０ｃｍ、クラスター出口で直径１〜１０ｃｍ、大口径から小口径への傾斜角を１０〜８０度とすることによって、クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなるように構成されている。
【００１１】
マグネトロンスパッターガン２は図２に示す通り、前面側にターゲット（放電部）３が固定されるようになっている。マグネトロンスパッターガン２の内部には電源ワイヤ及びアルゴンガスＡｒのような放電ガス供給パイプが通され、放電ガスが効率的にマグネトロンスパッター部２の周辺に供給されるようになっている。ヘリウムガスのような冷却ガスは、ガス導入口４から冷却ガス供給パイプを介してクラスター生成室１内のガス放出部に供給される。
【００１２】
上記の、クラスター生成室１、マグネトロンスパッターガン２およびガス導入口４をすべて真空容器内に配置し、真空容器内は真空ポンプにより排気される。
【００１３】
前記のような構成において、クラスター生成室１に放電ガスを導入し、ターゲット３に電位を印加することによりスパッター放電を起こし、ガス導入口４から冷却ガスを導入する。スパッタリングによりターゲットから放出されたイオンおよび原子は、放電ガスおよび冷却ガスによってクラスター出口５に向かって流れていく。この際、イオンおよび原子が衝突することにより、原子が集団化してクラスターが生成される。クラスターは、クラスター出口５に到達し、クラスター生成室の外に放出される。
【００１４】
クラスター化の際、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、イオンおよび原子の密度が、ターゲット３からクラスター出口５に向かうにつれて大きくなり、クラスター化が促進され、大きなクラスターが生成される。
【００１５】
さらに、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、（従来型のようにクラスター出口付近のクラスター生成室の隅部で渦流が発生することに伴うクラスターの吸着が解消されるので、）クラスター生成室１の内壁へのクラスターの吸着が抑制され、結果としてクラスター出口５から放出されるクラスターの量が増加する。
【００１６】
このようにしてクラスター出口５から放出されるクラスターは、クラスター出口に向かい合うように配置した基板に堆積させた。
【００１７】
上記の態様において、放電ガスや冷却ガスの流量、マグネトロンのタイプの選定、スパッターレート等の他の諸条件を適宜好適に設定することができる。また、ターゲットの素材としては、アルミニウム，珪素，鉄，コバルトなどから適宜選択することができる。
【実施例】
【００１８】
図３を参照しながら、本発明の例を説明する。
【００１９】
まず、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなる形状を有するクラスター生成室を用意した。ここでは、クラスター生成室の内径を、ターゲット３の周囲で直径５〜３０ｃｍとし、クラスター出口で直径１〜１０ｃｍとし、大口径から小口径への傾斜角を１０〜８０度とした。
【００２０】
クラスター生成室１内に、ターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２を用意した。さらに、クラスター生成室１内に、ガス放出部を有するガス導入口４を用意した。
【００２１】
上記の、クラスター生成室１、マグネトロンスパッターガン２およびガス導入口４をすべて真空容器内に配置し、真空容器内を真空ポンプにより排気した。
【００２２】
マグネトロンスパッターガン２に放電ガス（本例ではアルゴンを使用）をクラスター生成室１内に１Ｎｃｃ／秒で導入した。
【００２３】
マグネトロンスパッターガン２の先端に配置したターゲット３（例えば白金）に電位を印加（２５０Ｖ）することにより放電を起こす。
【００２４】
ガス導入口４から、冷却ガス（本例ではヘリウムを使用）をクラスター生成室１内に２Ｎｃｃ／秒で導入した。
【００２５】
スパッタリングによりターゲット３から放射状に飛び出したイオンおよび原子は、放電ガスおよび冷却ガスによってクラスター出口５に向かって流れていく。この際、イオンおよび原子が衝突することにより、クラスター化が生じる。クラスターは、クラスター出口５に到達し、クラスター出口５からクラスター生成室１の外部へ放出される。クラスター化の際、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、イオンおよび原子の密度が、ターゲット３からクラスター出口５に向かうにつれて大きくなり、クラスター化が促進され、大きなクラスターが生成される。
【００２６】
さらに、クラスター生成室１の内径が徐々に小さくなっていることにより、クラスター生成室１の内壁へのクラスターの吸着が抑制され、結果としてクラスター出口５から放出されるクラスターの量が増加した。
【００２７】
このようにしてクラスター出口５から放出されるクラスターを、基板に堆積させた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来型のクラスター生成装置。
【図２】本発明のクラスター生成装置。
【図３】本発明のクラスター生成装置の実施例。
【符号の説明】
【００２９】
１ クラスター生成室
２ マグネトロンスパッターガン
３ ターゲット（放電部）
４ ガス導入口
５ クラスター出口（開口部）
６ クラスター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備えるクラスター生成装置において、
クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなることを特徴とする、クラスター生成装置。
【請求項１】
クラスター生成室１と、該クラスター生成室１内に配置されたターゲット（放電部）３を有するマグネトロンスパッターガン２と、該クラスター生成室１内に配置されたガス放出部を有するガス導入口４とを備えるクラスター生成装置において、
クラスター生成室１の形状が、クラスター出口（開口部）５に向かって徐々に内径が小さくなることを特徴とする、クラスター生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−９５７７１（Ｐ２０１０−９５７７１Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６８８３８（Ｐ２００８−２６８８３８）
【出願日】平成２０年１０月１７日（２００８．１０．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１７日（２００８．１０．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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