超電導磁場発生装置及びスパッタリング成膜装置
【課題】超電導体から出る強い磁場の分布を調整するのに有利な超電導磁場発生装置及びスパッタリング成膜装置を提供する。
【解決手段】超電導磁場発生装置１は、超電導遷移温度以下で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を収容する断熱容器５と、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御する磁場制御コイル９とを備えている。
【解決手段】超電導磁場発生装置１は、超電導遷移温度以下で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を収容する断熱容器５と、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御する磁場制御コイル９とを備えている。
【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及びスパッタリング成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導バルク磁石を用いた超電導磁場発生装置が特許文献1に報告されている。従来使用されている永久磁石の代わり、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２，３，４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。
【０００３】
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遷移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。
【０００４】
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ャ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】特開平１０−１２４２９号公報
【特許文献２】特開平１０−７２６６７号公報
【特許文献３】特開２００４−９１８７２号公報
【特許文献４】特開２００５−５７２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記した超電導体は、従来の永久磁石に比較してかなり強い磁場を発生させる。このため、軟磁性材等を超電導体の近くに配置したとしても、超電導体の磁場は、軟磁性材等が吸収できる磁場（飽和磁化、残留磁化）よりもかなり大きい。このため軟磁性材等では、超電導体の磁場を制御するには限界があった。このため、超電導体の磁場の一部が外側に発散してしまい、超電導体による強磁場による効果が必ずしも充分に得られない。
【０００６】
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の分布を調整するのに有利な超電導磁場発生装置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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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断熱容器と、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材とを具備していることを特徴とする。
【０００８】
（２）第２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断熱容器と、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材と、磁場の分布を補正する強磁性体とを具備しており、
強磁性体は超電導体と磁場制御導電部材との間に配置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
様相１、２によれば、磁場制御導電部材に電流を通電して磁場制御導電部材により磁場を発生させることにより、超電導体から発せられる磁場分布を制御することができる。ここで、磁場制御導電部材に通電する電流の向きを変えれば、超電導体から発せられる磁場分布の形状を制御することができる。
【００１０】
即ち、超電導体の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電することができる。この場合、超電導体の磁場の形状が制御される。また、超電導体の着磁方向と同じ向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電することができる。この場合にも、超電導体の磁場の形状が制御される。
【００１１】
更に、磁場制御導電部材に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体から発せられる磁場分布の形状を更に制御することができる。
【００１２】
様相２によれば、更に、超電導体と磁場制御導電部材との間に強磁性体（軟磁性材または永久磁石）を配置すれば、超電導体から発せられる磁場の分布の形状を補正することができる。
【００１３】
（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成膜装置において、
スパッタガンは、様相１または２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。
【００１４】
様相３によれば、様相１，２で得られる効果が得られる。即ち、超電導体の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電すれば、強い磁場で捕獲されるプラズマをターゲットの前面の近くで閉じ込めることもでき、ターゲットから放出される構成材料を調整することができ、スパッタリング成膜を良好に行うことができる。また、超電導体の着磁方向と同じ向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電すれば、磁場を基板等の成膜対象物に向けて飛ばすことができる。従って、基板等の成膜対象物をプラズマに晒しつつ、基板等の成膜対象物に成膜することができる。更に、磁場制御導電部材に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体から発せられる磁場分布の形状を更に制御することができ、成膜条件を更に制御することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る超電導磁場発生装置、スパッタリング成膜装置によれば、磁場制御導電部材に通電する電流の向きおよび大きさの少なくとも一方を調整すれば、超電導体から発せられる磁場分布を制御するのに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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断熱容器と、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布の形状を制御する磁場制御導電部材とを有する。
【００１７】
ここで、超電導体は、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）で表され超電導バルク磁石であ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。
【００１８】
冷却装置は、超電導体を冷却するものであれば何でも良く、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。
【００１９】
磁場制御導電部材は、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布の形状を制御する。磁場制御導電部材は、超電導体の外周部に対してほぼ同軸的または非同軸的にコイル状に配置された磁場制御コイルとすることができる。磁場制御導電部材は、通電する電流の大きさおよび電流の向きの少なくとも一方を制御することができる。磁場制御導電部材に通電する電流の向きを一方向に制御すれば、超電導体から発せられる磁場を、超電導体付近のアーケード形状にすることができる。また磁場制御導電部材に通電する電流の向きを他方向に制御すれば、超電導体から発せられる磁場を超電導体から遠くに飛ばす形状に制御することができる。
【００２０】
本発明によれば、磁場の分布を補正する強磁性体を設けることができる。強磁性体は超電導体と磁場制御コイルとの間に配置されている。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。これにより超電導体から発せられる強力な磁場（磁束線）を強磁性体により効果的に案内することができる。故に、断熱容器の中央と周囲とでバランスが取れた磁場分布が超電導体の前方にできる。永久磁石は残留磁束密度が大きい。軟磁性体は残留磁束密度が小さい。
【００２１】
本発明によれば、強磁性体は超電導体の周囲に配置されており、超電導体と強磁性体とは互いに逆向きに磁化されており、断熱容器前方に形成される磁場分布は、超電導体から出た磁場が強磁性体に戻るアーケード形状である形態が例示される。なお、逆向きに磁化とは、強磁性体の磁極同士を繋ぐ仮想線が超電導体の磁極同士を繋ぐ仮想線に平行である形態と、傾いている形態とを含む。
【００２２】
断熱容器前方に形成される磁場分布は、磁場ベクトルの向きが断熱容器の先端部に平行となる位置を空間的につないで形成される仮想面が断熱容器の前方で閉じている形態が例示される。このように超電導体の近傍にプラズマを閉じこめるのに有利となり、スパッタリングの成膜速度を高めることができる。
【００２３】
図７〜図９は磁場解析した実施形態例を示す。図７〜図９は、超電導体３の中央線よりも右半分を示す。図７〜図９において、磁場制御導電部材として機能する磁場制御コイル９が超電導体３の近傍に配置されており、超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、超電導体３と磁場制御コイル９との間にリング形状の強磁性体６が配置されている。
【００２４】
図７は磁場制御コイル９に流れる電流が０アンペアである場合を示す。図８、図９、図１０は、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを順にＩ１，Ｉ２，Ｉ３（Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３）に増加していった場合を示す。図７〜図１０に示すように、超電導体３の前方において、磁場分布４００は、超電導体３から出た磁場が強磁性体６に戻るアーケード形状とされている。
【００２５】
ここで、図７〜図１０においては、磁場制御コイル９に一方向に電流が流れると、磁場制御コイル９は、超電導体３の磁極の着磁方向に対して逆向き（矢印Ｙ１方向）の磁場を発生する。このとき、超電導体３の外側に存在する強磁性体６は、基本的には超電導体３の磁極と逆向きに磁化される。そして超電導体３の磁場が、磁場発生装置の前方から超電導体３の周囲の強磁性体６に戻るアーケード形状とされる。このように超電導体３から出た磁場が強磁性体６に戻るアーケード形状であれば、プラズマを超電導体３の先端面３ｃの近傍に閉じこめるのに有利となる。図７、図８，図９に示すように、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを調整すれば、磁場制御コイル９が発生する磁場が変化するため、超電導体３から発せられる磁場の分布の形状を制御することができる。図７によれば、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１は、超電導体３から離れるにつれて、つまり矢印Ｙ２方向に向かうにつれて、超電導体３の径外方向（矢印Ｄ２方向）に拡開している。また図９および図１０によれば、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１は、超電導体３の先端面３ｃから離れるにつれて、つまり矢印Ｙ２方向に向かうにつれて、超電導体３の径内方向（矢印Ｄ１方向）に移行しており、閉じている。
【００２６】
これに対して磁場制御コイル９に逆方向に電流が流れると、磁場制御コイル９は、超電導体３の磁極の着磁方向に対して同じ向き（矢印Ｙ２方向）の磁場を発生する。この場合、超電導体３から発せられる磁場は、超電導体３から離れるように遠ざかる方向（矢印Ｙ２方向）に向く。このためスパッタリング装置に適用した場合には、超電導体３から矢印Ｙ２方向の先方に基板が存在すれば、磁束線ひいてはプラズマが基板側に移行することになる。この場合、基板をプラズマに晒しつつ基板に成膜でき、成膜条件を調整することができる。即ち、磁場制御コイル９に通電する電流の方向を調整すれば、超電導体３から発せられる磁場の分布を容易に制御することができる。
【００２７】
図７〜図１０に示す実施形態によれば、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとし、仮想線ＭＡの位置を０位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３の先端面３ｃから基板側に離れる方向（矢印Ｙ２方向）に離れる位置を正の位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３の内部に近づく方向（矢印Ｙ１方向）を負の位置とすると、磁場制御コイル９の表面９０、表面９０に背向する第２表面９１は、仮想線ＭＡに対して正の位置に配置されている。なおこれに限らず、磁場制御コイル９の表面９０は仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されていても良い。また、表面９０および第２表面９１が仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されていても良い。
【００２８】
ここで、磁場制御コイル９により超電導体３から出る磁場を効果的に制御するにあたり、図７に示すように、磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとするとき、Ｌの大きさを調整すれば、矢印Ｙ１，Ｙ２方向における磁場制御コイル９と超電導体３との相対距離が調整され、磁場制御コイル９が超電導体３の磁場を制御する磁場制御効果を適宜調整することができる。
【００２９】
ここで、Ｌの大きさが過剰であると、磁場制御コイル９と超電導体３との距離が過剰に増大し、磁場制御コイル９による磁場制御効果が薄れることがある。そこで、磁場制御コイル９の表面９０が正の位置にある場合には、Ｌ≦３Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦２Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦Ｈの関係に磁場制御コイル９が配置されていることが好ましい。また、磁場制御コイル９の表面９０が負の位置にある場合には、Ｌ≦３Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦２Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦Ｈの関係に磁場制御コイル９が配置されていることが好ましい。上記した範囲内であれば、磁場制御コイル９が発生する磁場により、超電導体３の磁場を効果的に制御することができる。但し、超電導体の種類、超電導磁場発生装置の用途等によっては、Ｌ＞３Ｈの関係であっても良い。
【実施例１】
【００３０】
以下、本発明の実施例１について図１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をもつ断熱容器５とを有する。
【００３１】
上記した冷却装置４は、冷凍機４０と、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、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。
【００３２】
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）の超電導バルク磁石で形成されている。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の上面である先端端３ｃの磁極はＮ極とされ、超電導体３の下面である背向面３ｅの磁極はＳ極とされている。なお、磁極の極性は逆としても良い。
【００３３】
図１に示すように、断熱容器５は、真空断熱室５０を形成する筒状部５ａと、筒状部５ａの先端に設けられた先端部５ｃとをもつ。超電導体３は、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（軟磁性体）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。
【００３４】
図１に示すように、周縁磁極として機能できる強磁性体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。強磁性体６は断熱容器５の外方に位置するように超電導体３および下ヨーク４２の側方に配置されている。強磁性体６の材質は下ヨーク４２と同様な軟磁性体で形成されている。強磁性体６は、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。強磁性体６は軟磁性体で形成されている。強磁性体６の材質は飽和磁束密度が大きいものが好ましい。強磁性体６を構成する軟磁性体の材質としては、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。
【００３５】
超電導体３の外周側には、超電導体３の近傍に位置するように、リング形状の磁場制御コイル９（磁場制御導電部材）がほぼ同軸的に設けられている。超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、磁場制御コイル９と超電導体３との間には、リング形状の強磁性体６が設けられている。磁場制御コイル９は、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御する。
【００３６】
図１において、超電導体３の中心線と平行な方向を矢印Ｙ方向とすると、矢印Ｙ方向において磁場制御コイル９は超電導体３の近くに配置されている。即ち、図１に示すように、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとする。仮想線ＭＡの位置を０位置とする。仮想線ＭＡよりも超電導体３の先端面３ｃから基板側に離れる方向（矢印Ｙ２方向）に離れる位置を正の位置とする。仮想線ＭＡのよりも超電導体３の内部に近づく方向（矢印Ｙ１方向）を負の位置とする。すると、磁場制御コイル９のうち断熱容器５に近い側の表面９０は、仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されている。磁場制御コイル９のうち表面９０に背向する第２表面９１は、正の位置に配置されている。このように磁場制御コイル９の表面９０が、仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されているため、超電導体３よりも上方の空間を磁場生成空間として広く使用することができる。ここで、超電導体３の軸芯が延びる方向における磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとすると、Ｌ≦Ｈの関係に設定されている。
【００３７】
図１は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００の形態を示す。磁場制御コイル９に通電する電流の方向として『○の内に・を配置したマーク・』『○の内に×を配置したマーク』を示す。『○の内に・を配置したマーク』は、図１の紙面の裏側から紙面の表側に向けて流れる方向を意味する。『○の内に×を配置したマーク』は、図１の紙面の表側から紙面の裏側に向けて流れる方向を意味する。図１に示すように磁場制御コイル９に通電されると、磁場制御コイル９は、超電導体３の磁極と反対向きの磁極を形成する磁場を生成する。強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、磁場発生装置１の前方に、超電導体３から出た磁束線が強磁性体６に戻るアーケード状の磁場分布４００が形成される。
【００３８】
図１において、仮想線Ｗ１は、磁場が超電導体３の磁場発生面（ターゲットの表面）に対して平行（垂直成分Ｂｚ＝０）となる位置を空間的に繋いで形成された線を示す。仮想線Ｗ２は、磁束線の回転の向きが逆となる境界（ベクトルポテンシャルＡ＝０）となる位置を示す。仮想線Ｗ２で包囲された空間内では、超電導体３から出た磁束線が超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）に曲がり、その全ての磁束線が図１の左右の二点鎖線Ｗ２で挟まれた内側の空間に戻ってくる。なお、全ての磁束線が当該空間に戻ることは磁気センサで確認できる。
【００３９】
本実施例によれば、図１に示すように、仮想線Ｗ１，Ｗ２は、超電導体３から離れるにつれて、超電導体３の径外方向（矢印Ｄ２方向）に広がる向きとされている。この場合、仮想線Ｗ２で包囲される空間の内部にプラズマが存在する。このため、超電導体３から離れる方向に間隔を隔てて超電導体３の先端面３ｃに対面する基板（成膜対象物）が配置されていれば、この基板側に磁束線ひいてはプラズマを移行させるのに有利となる。故に、基板をプラズマに晒しつつ、基板に対して成膜できる。
【００４０】
なお、図１に示すように、断熱容器５の先端部５ｃ、強磁性体６の上面６２、磁場制御コイル９の第２表面９１は、実質的に同一の高さに設定された同一高さ面とされている。
【００４１】
以上説明したように本実施例によれば、磁場制御コイル９に電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。ここで、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を適宜制御することができる。また、磁場制御コイル９に通電する電流の向きを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。
【００４２】
更に、超電導体３と磁場制御コイル９との間に配置されている強磁性体６は、磁束線を透過させて案内する。このため、強磁性体６は、超電導体３から発せられる磁場の分布の形状を制御することができる。ここで、超電導体３の周囲に強磁性体６が存在していなくても、磁場制御コイル９によりアーケード形状の磁場分布４００が得られる。しかしこの場合、同じアーケード形状の磁場分布４００を得るために大きな電流を磁場制御コイル９に通電する必要がある。この点本実施例によれば、超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、超電導体３と磁場制御コイル９との間に強磁性体６が配置されているため、強磁性体６が磁束線を案内でき、磁場制御コイル９に通電する電流を小さくできる利点が得られる。
【実施例２】
【００４３】
図２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。以下、相違する部分を中心として説明する。強磁性体６Ｃは軟磁性体ではなく、永久磁石とされており、超電導体３と同じ方向に磁極を有する。ここで、強磁性体６Ｃは、超電導体３の磁極の向きと逆の向きに着磁されている。故に、強磁性体６Ｃの磁極の極性は、超電導体３の磁極の極性と逆とされている。従って強磁性体６Ｃの上面６ｕはＳ極とされ、強磁性体６Ｃの下面６ｄはＮ極とされている。これによりアーケード形状の磁場分布４００が得られる。
【００４４】
永久磁石で形成されている強磁性体６Ｃは、自発磁化を有するため、軟磁性体を用いる場合に比較して、磁場制御コイル９に通電する電流を小さくしても、同じアーケード形状の磁場分布４００を形成できる。強磁性体６Ｃ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。
【００４５】
本実施例においても、実施例１と同様に、磁場制御コイル９に電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００を制御することができる。ここで、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。また磁場制御コイル９に通電する電流の向きを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。更に、超電導体３と磁場制御コイル９との間に配置されている強磁性体６Ｃの位置を調整すれば、超電導体３から発せられる磁場の分布の形状を制御することができる。
【実施例３】
【００４６】
図３および図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。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例の超電導磁場発生装置１はスパッタリング成膜装置のスパッタガンに適用されている。
【００４７】
図３に示すように、バッキングプレートとも呼ばれるプレート７は、中央磁極２の超電導体３とほぼ同軸的な盤状をなしている。プレート７は仕切部材として機能しており、中央磁極２と強磁性体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。図４に示すように、プレート７には凹状の窪み７０が形成されている。窪み７０は、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３の先端面３ｃに対面する部分を収容できる深さを有する。 なお図３に示すように、強磁性体６の上面６２、磁場制御コイル９の第２表面９１は、実質的に同一の高さに設定された同一高さ面とされている。しかしながら断熱容器５の先端部５ｃは、窪み７０内に進入しているため、強磁性体６の上面６２、磁場制御コイル９の第２表面９１よりも上方に突出し、ターゲット８０側に位置している。
【００４８】
本実施例によれば、図４において、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７１ｆ（上面）、中間部７２の前面７２ｆ（上面）、周縁部７３の前面７３ｆ（上面）は、同一の高さを有する平坦面とされている。
【００４９】
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から出た磁場を、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。
【００５０】
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強磁性体６（軟磁性体）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線が外方に広く飛散することが抑制される。図３に示すように、中間部７２の外径は強磁性体６の外径とほぼ一致しており、中間部７２の内径は強磁性体６の内径とほぼ一致している。故に、中間部７２の外周面は強磁性体６の外周面とほぼ一致しており、中間部７２の内周面は強磁性体６の内周面とほぼ一致している。この場合、磁束線が強磁性体６（軟磁性体）に案内され、超電導体３から出た磁場の分布をアーケード状にするのに有利である。
【００５１】
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を介しての真空リークが抑えられる。
【００５２】
本実施例では、図３に示すように、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ターゲット８０がプレート７の前面７ｆの上に取り付けられている。故にプレート７はターゲットホルダとして機能できる。ターゲット８０はプレート７のうち中央部７１から周縁部７３にかけて到達しており、ターゲット８０の外周８０ｐは周縁部７３に対面している。
【００５３】
図３に示すように、超電導体３の外周側にリング形状の磁場制御コイル９が同軸的に設けられている。超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、磁場制御コイル９と超電導体３との間には、リング形状の強磁性体６が設けられている。磁場制御コイル９は、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御するものである。図３は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。図３において、磁場制御コイル９に通電する電流の方向として『○の内に・を配置したマーク・』『○の内に×を配置したマーク・×』を示す。このように磁場制御コイル９に通電すれば、強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、ターゲットの前方にアーケード形状の磁場分布４００が形成される。
【００５４】
本実施例においても、図３に示すように、超電導体３の中心線と平行な方向を矢印Ｙ方向とすると、矢印Ｙ方向において磁場制御コイル９は超電導体３の近くに配置されている。即ち、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとし、仮想線ＭＡの位置を０位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３の先端面３ｃから離れる方向（矢印Ｙ２方向）に離れる位置を正の位置とし、仮想線ＭＡのよりも超電導体３の内部に近づく方向（矢印Ｙ１方向）を負の位置とすると、磁場制御コイル９の表面９０および第２表面９１は、仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されている。このため、ターゲット８０よりも上方の空間には磁場制御コイル９が配置されていないため、ターゲット８０よりも上方の空間をスパッタリングのために広く使用することができる。ここで、磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとするとき、Ｌ≦２Ｈの関係に設定されている。
【００５５】
図３は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。このとき強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、磁場発生装置１の前方に、超電導体３から出た磁束線が強磁性体６に戻るアーケード状の磁場分布４００が形成される。
【００５６】
図３において、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２は、超電導体３の先端面３ｃから離れるにつれて、超電導体３の径外方向（Ｄ１方向）において広がる向きとされている。
【００５７】
図３に示すように、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２がターゲット８０と仮想交差部８０ｘで交差している。このためターゲット８０の中央から出た超電導体３の磁場が全てターゲット８０の外縁部内に戻ってくるという完全に閉じた磁場分布４００がターゲット８０の上に形成されていることがわかる。このため、密度が高いプラズマ雰囲気をターゲット８０の近傍に生成するのに有利である。その結果、ターゲット８０の付近の雰囲気をより低い圧力としても、安定した放電が可能となり、成膜速度が向上する。
【００５８】
また本実施例によれば、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１は、ターゲット８０から基板側に離れるにつれて、超電導体３の径外方向つまり矢印Ｄ２方向に広がる磁場分布４００となっている。
【実施例４】
【００５９】
図５は実施例４を示す。本実施例は基本的には実施例３と同様の構成、作用効果を有する。超電導磁場発生装置１をスパッタリング成膜装置のスパッタガンに適用した例である。図５に示すように、超電導体３の外周側にリング形状の磁場制御コイル９がほぼ同軸的に設けられている。超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、磁場制御コイル９と超電導体３との間には、リング形状の強磁性体６が設けられている。磁場制御コイル９は、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御するものである。図５は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。このとき強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、ターゲット８０の前方にアーケード形状の磁場分布４００が形成される。
【００６０】
本実施例では、前記した実施例３に比較して、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを増加させた。この結果、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２が超電導体３の前方つまりターゲット８０の前方で閉じるような、磁場分布４００がターゲット８０の前面側に形成される。従って、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２で包囲される空間内に、プラズマ５００の生成範囲を制限できる。このためプラズマダメージが少ない成膜処理を基板に実行したい場合には、仮想線Ｗ２で包囲される空間の外部Ｗ２０に基板２１０ａ（成膜対象物）を設置すれば良い。この場合、基板２１０ａがプラズマ５００に晒されることが防止され、プラズマダメージが少ない成膜を基板２１０ａに行うことができる。
【００６１】
また本実施例によれば、プラズマを積極的に利用して成膜したい場合には、仮想線Ｗ２で包囲される空間の内部に基板２１０ｃ（成膜対象物）を設置すれば良い。この場合、基板２１０ｃがプラズマ５００に晒されるため、プラズマを積極的に利用して成膜を基板２１０ｃに行うことができる。このように成膜条件に応じて対処することができる。
【実施例５】
【００６２】
図６は実施例５を示す。本実施例は基本的には実施例２と同様の構成、作用効果を有する。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に適用した例である。以下、異なる部分を中心として説明する。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とこ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軟磁性体で形成された強磁性体６が設けられている。中央磁極２と強磁性体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は断熱容器５の下部に設けられている。
【００６３】
図６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、磁場の作用でターゲット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ターゲット８０を保持するように成膜室２０２の下部に設けられたターゲット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、対象物としての基板２１０を保持するように成膜室２０２の上部に設けられた対象物ホルダとしての基板ホルダ２１１とを有する。
【００６４】
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８０と基板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８０をマイナスとし、基板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。このプラズマ状のスパッタガスイオンは、ターゲット８０の表面において集束されるため、加速されてターゲット８０の表面に衝突する。これによりターゲット８０の表面よりターゲット８０の構成物質をスパッタさせて、基板２１０の表面に堆積させ、大きな成膜速度で薄膜を成膜することができる。
【００６５】
この場合、超電導体３２の強磁場によりプラズマ５００をターゲット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。
【００６６】
なおターゲット８０をマイナスとし、基板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、ターゲット８０と基板２１０（成膜ターゲット）との間に交流電圧を印加することにしても良い。磁場制御コイル９に通電する電流としては直流でも交流でも良い。成膜中に電流値や電流波形を変えることができる。
【００６７】
図６に示すように、磁場制御コイル９は、ターゲット８０の背面（下面）ではなく、ターゲット８０の上面側に位置するようにチャンバ２０３内に配置されている。磁場制御コイル９は、ターゲット８０の外周８０ｐよりも径外方向に位置している。
【００６８】
ここで、前述したように、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとし、仮想線ＭＡよりも超電導体３から矢印Ｙ２方向に離れる位置を正の位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３に矢印Ｙ１方向に近づく位置を負の位置とすると、磁場制御コイル９の表面９０および第２表面９１は、仮想線ＭＡに対して正の位置に配置されており、チャンバ２０３内に配置されている。磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとするとき、磁場制御コイル９が正の位置にあり、Ｌ≦Ｈの関係に設定されている。
【００６９】
本実施例によれば、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。このとき強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、磁場発生装置１の前方に、超電導体３から出た磁束線が強磁性体６に戻るアーケード状の磁場分布４００が形成される。
【００７０】
本実施例によれば、図６に示すように、磁場制御コイル９が正の位置に配置されており、チャンバ２０３内に配置されている。このため、磁場制御コイル９が負の位置に存在する場合よりも、チャンバ２０３内の容積が制約されるものの、ターゲット８０の前方に位置する磁場分布４００（例えば形状）を細かく制御することができる。
【００７１】
また、超電導体３の着磁方向と同じ向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を通電すれば、基板２１０をプラズマに晒しつつ、基板２１０に成膜することができる。更に、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができ、成膜条件を制御することができる。このように磁場制御コイル９に通電する電流の方向、更には大きさを変えれば、磁場分布４００を制御することができ、プラズマを利用した種々間成膜が可能となる。
【００７２】
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。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
（付記項）請求項１または２に係る超電導磁場発生装置で形成されているスパッタリング用のスパッタガン。
【００７３】
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、プラズマ源、イオン源等に利用可能な超電導体による磁場発生装置に適用でき、例えば、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】
【００７４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施例３に係り、プレートの断面図である。
【図５】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リングガンとして使用している状態を示す断面図である。
【図６】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７】磁場制御コイルに通電する電流が０アンペアのときにおける磁場解析の図である。
【図８】磁場制御コイルに通電する電流がＩ１のときにおける磁場解析の図である。
【図９】磁場制御コイルに通電する電流がＩ２のときにおける磁場解析の図である。
【図１０】磁場制御コイルに通電する電流がＩ３のときにおける磁場解析の図である。
【符号の説明】
【００７５】
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、４は冷却装置、５は断熱容器、６は強磁性体、７はプレート（ターゲットホルダ）、７０は窪み、７１は中央部、７２は中間部、７３は周縁部、８０はターゲット、９は磁場制御コイル（磁場制御導電部材）、２００はスパッタリング成膜装置、２１１は基板ホルダ（対象物ホルダ）を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導磁場発生装置及びスパッタリング成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導バルク磁石を用いた超電導磁場発生装置が特許文献1に報告されている。従来使用されている永久磁石の代わり、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２，３，４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。
【０００３】
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遷移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。
【０００４】
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ャ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】特開平１０−１２４２９号公報
【特許文献２】特開平１０−７２６６７号公報
【特許文献３】特開２００４−９１８７２号公報
【特許文献４】特開２００５−５７２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記した超電導体は、従来の永久磁石に比較してかなり強い磁場を発生させる。このため、軟磁性材等を超電導体の近くに配置したとしても、超電導体の磁場は、軟磁性材等が吸収できる磁場（飽和磁化、残留磁化）よりもかなり大きい。このため軟磁性材等では、超電導体の磁場を制御するには限界があった。このため、超電導体の磁場の一部が外側に発散してしまい、超電導体による強磁場による効果が必ずしも充分に得られない。
【０００６】
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の分布を調整するのに有利な超電導磁場発生装置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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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断熱容器と、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材とを具備していることを特徴とする。
【０００８】
（２）第２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断熱容器と、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材と、磁場の分布を補正する強磁性体とを具備しており、
強磁性体は超電導体と磁場制御導電部材との間に配置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
様相１、２によれば、磁場制御導電部材に電流を通電して磁場制御導電部材により磁場を発生させることにより、超電導体から発せられる磁場分布を制御することができる。ここで、磁場制御導電部材に通電する電流の向きを変えれば、超電導体から発せられる磁場分布の形状を制御することができる。
【００１０】
即ち、超電導体の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電することができる。この場合、超電導体の磁場の形状が制御される。また、超電導体の着磁方向と同じ向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電することができる。この場合にも、超電導体の磁場の形状が制御される。
【００１１】
更に、磁場制御導電部材に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体から発せられる磁場分布の形状を更に制御することができる。
【００１２】
様相２によれば、更に、超電導体と磁場制御導電部材との間に強磁性体（軟磁性材または永久磁石）を配置すれば、超電導体から発せられる磁場の分布の形状を補正することができる。
【００１３】
（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成膜装置において、
スパッタガンは、様相１または２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。
【００１４】
様相３によれば、様相１，２で得られる効果が得られる。即ち、超電導体の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電すれば、強い磁場で捕獲されるプラズマをターゲットの前面の近くで閉じ込めることもでき、ターゲットから放出される構成材料を調整することができ、スパッタリング成膜を良好に行うことができる。また、超電導体の着磁方向と同じ向きの磁場を磁場制御導電部材が発生するように、磁場制御導電部材に電流を通電すれば、磁場を基板等の成膜対象物に向けて飛ばすことができる。従って、基板等の成膜対象物をプラズマに晒しつつ、基板等の成膜対象物に成膜することができる。更に、磁場制御導電部材に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体から発せられる磁場分布の形状を更に制御することができ、成膜条件を更に制御することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る超電導磁場発生装置、スパッタリング成膜装置によれば、磁場制御導電部材に通電する電流の向きおよび大きさの少なくとも一方を調整すれば、超電導体から発せられる磁場分布を制御するのに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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断熱容器と、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布の形状を制御する磁場制御導電部材とを有する。
【００１７】
ここで、超電導体は、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）で表され超電導バルク磁石であ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。
【００１８】
冷却装置は、超電導体を冷却するものであれば何でも良く、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。
【００１９】
磁場制御導電部材は、電流を通電して超電導体から発せられる磁場分布の形状を制御する。磁場制御導電部材は、超電導体の外周部に対してほぼ同軸的または非同軸的にコイル状に配置された磁場制御コイルとすることができる。磁場制御導電部材は、通電する電流の大きさおよび電流の向きの少なくとも一方を制御することができる。磁場制御導電部材に通電する電流の向きを一方向に制御すれば、超電導体から発せられる磁場を、超電導体付近のアーケード形状にすることができる。また磁場制御導電部材に通電する電流の向きを他方向に制御すれば、超電導体から発せられる磁場を超電導体から遠くに飛ばす形状に制御することができる。
【００２０】
本発明によれば、磁場の分布を補正する強磁性体を設けることができる。強磁性体は超電導体と磁場制御コイルとの間に配置されている。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。これにより超電導体から発せられる強力な磁場（磁束線）を強磁性体により効果的に案内することができる。故に、断熱容器の中央と周囲とでバランスが取れた磁場分布が超電導体の前方にできる。永久磁石は残留磁束密度が大きい。軟磁性体は残留磁束密度が小さい。
【００２１】
本発明によれば、強磁性体は超電導体の周囲に配置されており、超電導体と強磁性体とは互いに逆向きに磁化されており、断熱容器前方に形成される磁場分布は、超電導体から出た磁場が強磁性体に戻るアーケード形状である形態が例示される。なお、逆向きに磁化とは、強磁性体の磁極同士を繋ぐ仮想線が超電導体の磁極同士を繋ぐ仮想線に平行である形態と、傾いている形態とを含む。
【００２２】
断熱容器前方に形成される磁場分布は、磁場ベクトルの向きが断熱容器の先端部に平行となる位置を空間的につないで形成される仮想面が断熱容器の前方で閉じている形態が例示される。このように超電導体の近傍にプラズマを閉じこめるのに有利となり、スパッタリングの成膜速度を高めることができる。
【００２３】
図７〜図９は磁場解析した実施形態例を示す。図７〜図９は、超電導体３の中央線よりも右半分を示す。図７〜図９において、磁場制御導電部材として機能する磁場制御コイル９が超電導体３の近傍に配置されており、超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、超電導体３と磁場制御コイル９との間にリング形状の強磁性体６が配置されている。
【００２４】
図７は磁場制御コイル９に流れる電流が０アンペアである場合を示す。図８、図９、図１０は、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを順にＩ１，Ｉ２，Ｉ３（Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３）に増加していった場合を示す。図７〜図１０に示すように、超電導体３の前方において、磁場分布４００は、超電導体３から出た磁場が強磁性体６に戻るアーケード形状とされている。
【００２５】
ここで、図７〜図１０においては、磁場制御コイル９に一方向に電流が流れると、磁場制御コイル９は、超電導体３の磁極の着磁方向に対して逆向き（矢印Ｙ１方向）の磁場を発生する。このとき、超電導体３の外側に存在する強磁性体６は、基本的には超電導体３の磁極と逆向きに磁化される。そして超電導体３の磁場が、磁場発生装置の前方から超電導体３の周囲の強磁性体６に戻るアーケード形状とされる。このように超電導体３から出た磁場が強磁性体６に戻るアーケード形状であれば、プラズマを超電導体３の先端面３ｃの近傍に閉じこめるのに有利となる。図７、図８，図９に示すように、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを調整すれば、磁場制御コイル９が発生する磁場が変化するため、超電導体３から発せられる磁場の分布の形状を制御することができる。図７によれば、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１は、超電導体３から離れるにつれて、つまり矢印Ｙ２方向に向かうにつれて、超電導体３の径外方向（矢印Ｄ２方向）に拡開している。また図９および図１０によれば、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１は、超電導体３の先端面３ｃから離れるにつれて、つまり矢印Ｙ２方向に向かうにつれて、超電導体３の径内方向（矢印Ｄ１方向）に移行しており、閉じている。
【００２６】
これに対して磁場制御コイル９に逆方向に電流が流れると、磁場制御コイル９は、超電導体３の磁極の着磁方向に対して同じ向き（矢印Ｙ２方向）の磁場を発生する。この場合、超電導体３から発せられる磁場は、超電導体３から離れるように遠ざかる方向（矢印Ｙ２方向）に向く。このためスパッタリング装置に適用した場合には、超電導体３から矢印Ｙ２方向の先方に基板が存在すれば、磁束線ひいてはプラズマが基板側に移行することになる。この場合、基板をプラズマに晒しつつ基板に成膜でき、成膜条件を調整することができる。即ち、磁場制御コイル９に通電する電流の方向を調整すれば、超電導体３から発せられる磁場の分布を容易に制御することができる。
【００２７】
図７〜図１０に示す実施形態によれば、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとし、仮想線ＭＡの位置を０位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３の先端面３ｃから基板側に離れる方向（矢印Ｙ２方向）に離れる位置を正の位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３の内部に近づく方向（矢印Ｙ１方向）を負の位置とすると、磁場制御コイル９の表面９０、表面９０に背向する第２表面９１は、仮想線ＭＡに対して正の位置に配置されている。なおこれに限らず、磁場制御コイル９の表面９０は仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されていても良い。また、表面９０および第２表面９１が仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されていても良い。
【００２８】
ここで、磁場制御コイル９により超電導体３から出る磁場を効果的に制御するにあたり、図７に示すように、磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとするとき、Ｌの大きさを調整すれば、矢印Ｙ１，Ｙ２方向における磁場制御コイル９と超電導体３との相対距離が調整され、磁場制御コイル９が超電導体３の磁場を制御する磁場制御効果を適宜調整することができる。
【００２９】
ここで、Ｌの大きさが過剰であると、磁場制御コイル９と超電導体３との距離が過剰に増大し、磁場制御コイル９による磁場制御効果が薄れることがある。そこで、磁場制御コイル９の表面９０が正の位置にある場合には、Ｌ≦３Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦２Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦Ｈの関係に磁場制御コイル９が配置されていることが好ましい。また、磁場制御コイル９の表面９０が負の位置にある場合には、Ｌ≦３Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦２Ｈの関係、あるいは、Ｌ≦Ｈの関係に磁場制御コイル９が配置されていることが好ましい。上記した範囲内であれば、磁場制御コイル９が発生する磁場により、超電導体３の磁場を効果的に制御することができる。但し、超電導体の種類、超電導磁場発生装置の用途等によっては、Ｌ＞３Ｈの関係であっても良い。
【実施例１】
【００３０】
以下、本発明の実施例１について図１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をもつ断熱容器５とを有する。
【００３１】
上記した冷却装置４は、冷凍機４０と、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、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。
【００３２】
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）の超電導バルク磁石で形成されている。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の上面である先端端３ｃの磁極はＮ極とされ、超電導体３の下面である背向面３ｅの磁極はＳ極とされている。なお、磁極の極性は逆としても良い。
【００３３】
図１に示すように、断熱容器５は、真空断熱室５０を形成する筒状部５ａと、筒状部５ａの先端に設けられた先端部５ｃとをもつ。超電導体３は、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（軟磁性体）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。
【００３４】
図１に示すように、周縁磁極として機能できる強磁性体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。強磁性体６は断熱容器５の外方に位置するように超電導体３および下ヨーク４２の側方に配置されている。強磁性体６の材質は下ヨーク４２と同様な軟磁性体で形成されている。強磁性体６は、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。強磁性体６は軟磁性体で形成されている。強磁性体６の材質は飽和磁束密度が大きいものが好ましい。強磁性体６を構成する軟磁性体の材質としては、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。
【００３５】
超電導体３の外周側には、超電導体３の近傍に位置するように、リング形状の磁場制御コイル９（磁場制御導電部材）がほぼ同軸的に設けられている。超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、磁場制御コイル９と超電導体３との間には、リング形状の強磁性体６が設けられている。磁場制御コイル９は、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御する。
【００３６】
図１において、超電導体３の中心線と平行な方向を矢印Ｙ方向とすると、矢印Ｙ方向において磁場制御コイル９は超電導体３の近くに配置されている。即ち、図１に示すように、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとする。仮想線ＭＡの位置を０位置とする。仮想線ＭＡよりも超電導体３の先端面３ｃから基板側に離れる方向（矢印Ｙ２方向）に離れる位置を正の位置とする。仮想線ＭＡのよりも超電導体３の内部に近づく方向（矢印Ｙ１方向）を負の位置とする。すると、磁場制御コイル９のうち断熱容器５に近い側の表面９０は、仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されている。磁場制御コイル９のうち表面９０に背向する第２表面９１は、正の位置に配置されている。このように磁場制御コイル９の表面９０が、仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されているため、超電導体３よりも上方の空間を磁場生成空間として広く使用することができる。ここで、超電導体３の軸芯が延びる方向における磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとすると、Ｌ≦Ｈの関係に設定されている。
【００３７】
図１は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００の形態を示す。磁場制御コイル９に通電する電流の方向として『○の内に・を配置したマーク・』『○の内に×を配置したマーク』を示す。『○の内に・を配置したマーク』は、図１の紙面の裏側から紙面の表側に向けて流れる方向を意味する。『○の内に×を配置したマーク』は、図１の紙面の表側から紙面の裏側に向けて流れる方向を意味する。図１に示すように磁場制御コイル９に通電されると、磁場制御コイル９は、超電導体３の磁極と反対向きの磁極を形成する磁場を生成する。強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、磁場発生装置１の前方に、超電導体３から出た磁束線が強磁性体６に戻るアーケード状の磁場分布４００が形成される。
【００３８】
図１において、仮想線Ｗ１は、磁場が超電導体３の磁場発生面（ターゲットの表面）に対して平行（垂直成分Ｂｚ＝０）となる位置を空間的に繋いで形成された線を示す。仮想線Ｗ２は、磁束線の回転の向きが逆となる境界（ベクトルポテンシャルＡ＝０）となる位置を示す。仮想線Ｗ２で包囲された空間内では、超電導体３から出た磁束線が超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）に曲がり、その全ての磁束線が図１の左右の二点鎖線Ｗ２で挟まれた内側の空間に戻ってくる。なお、全ての磁束線が当該空間に戻ることは磁気センサで確認できる。
【００３９】
本実施例によれば、図１に示すように、仮想線Ｗ１，Ｗ２は、超電導体３から離れるにつれて、超電導体３の径外方向（矢印Ｄ２方向）に広がる向きとされている。この場合、仮想線Ｗ２で包囲される空間の内部にプラズマが存在する。このため、超電導体３から離れる方向に間隔を隔てて超電導体３の先端面３ｃに対面する基板（成膜対象物）が配置されていれば、この基板側に磁束線ひいてはプラズマを移行させるのに有利となる。故に、基板をプラズマに晒しつつ、基板に対して成膜できる。
【００４０】
なお、図１に示すように、断熱容器５の先端部５ｃ、強磁性体６の上面６２、磁場制御コイル９の第２表面９１は、実質的に同一の高さに設定された同一高さ面とされている。
【００４１】
以上説明したように本実施例によれば、磁場制御コイル９に電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。ここで、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を適宜制御することができる。また、磁場制御コイル９に通電する電流の向きを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。
【００４２】
更に、超電導体３と磁場制御コイル９との間に配置されている強磁性体６は、磁束線を透過させて案内する。このため、強磁性体６は、超電導体３から発せられる磁場の分布の形状を制御することができる。ここで、超電導体３の周囲に強磁性体６が存在していなくても、磁場制御コイル９によりアーケード形状の磁場分布４００が得られる。しかしこの場合、同じアーケード形状の磁場分布４００を得るために大きな電流を磁場制御コイル９に通電する必要がある。この点本実施例によれば、超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、超電導体３と磁場制御コイル９との間に強磁性体６が配置されているため、強磁性体６が磁束線を案内でき、磁場制御コイル９に通電する電流を小さくできる利点が得られる。
【実施例２】
【００４３】
図２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。以下、相違する部分を中心として説明する。強磁性体６Ｃは軟磁性体ではなく、永久磁石とされており、超電導体３と同じ方向に磁極を有する。ここで、強磁性体６Ｃは、超電導体３の磁極の向きと逆の向きに着磁されている。故に、強磁性体６Ｃの磁極の極性は、超電導体３の磁極の極性と逆とされている。従って強磁性体６Ｃの上面６ｕはＳ極とされ、強磁性体６Ｃの下面６ｄはＮ極とされている。これによりアーケード形状の磁場分布４００が得られる。
【００４４】
永久磁石で形成されている強磁性体６Ｃは、自発磁化を有するため、軟磁性体を用いる場合に比較して、磁場制御コイル９に通電する電流を小さくしても、同じアーケード形状の磁場分布４００を形成できる。強磁性体６Ｃ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。
【００４５】
本実施例においても、実施例１と同様に、磁場制御コイル９に電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００を制御することができる。ここで、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。また磁場制御コイル９に通電する電流の向きを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができる。更に、超電導体３と磁場制御コイル９との間に配置されている強磁性体６Ｃの位置を調整すれば、超電導体３から発せられる磁場の分布の形状を制御することができる。
【実施例３】
【００４６】
図３および図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。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例の超電導磁場発生装置１はスパッタリング成膜装置のスパッタガンに適用されている。
【００４７】
図３に示すように、バッキングプレートとも呼ばれるプレート７は、中央磁極２の超電導体３とほぼ同軸的な盤状をなしている。プレート７は仕切部材として機能しており、中央磁極２と強磁性体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。図４に示すように、プレート７には凹状の窪み７０が形成されている。窪み７０は、中央磁極２の先端部に存在する超電導体３の先端面３ｃに対面する部分を収容できる深さを有する。 なお図３に示すように、強磁性体６の上面６２、磁場制御コイル９の第２表面９１は、実質的に同一の高さに設定された同一高さ面とされている。しかしながら断熱容器５の先端部５ｃは、窪み７０内に進入しているため、強磁性体６の上面６２、磁場制御コイル９の第２表面９１よりも上方に突出し、ターゲット８０側に位置している。
【００４８】
本実施例によれば、図４において、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７１ｆ（上面）、中間部７２の前面７２ｆ（上面）、周縁部７３の前面７３ｆ（上面）は、同一の高さを有する平坦面とされている。
【００４９】
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から出た磁場を、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。
【００５０】
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強磁性体６（軟磁性体）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線が外方に広く飛散することが抑制される。図３に示すように、中間部７２の外径は強磁性体６の外径とほぼ一致しており、中間部７２の内径は強磁性体６の内径とほぼ一致している。故に、中間部７２の外周面は強磁性体６の外周面とほぼ一致しており、中間部７２の内周面は強磁性体６の内周面とほぼ一致している。この場合、磁束線が強磁性体６（軟磁性体）に案内され、超電導体３から出た磁場の分布をアーケード状にするのに有利である。
【００５１】
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を介しての真空リークが抑えられる。
【００５２】
本実施例では、図３に示すように、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ターゲット８０がプレート７の前面７ｆの上に取り付けられている。故にプレート７はターゲットホルダとして機能できる。ターゲット８０はプレート７のうち中央部７１から周縁部７３にかけて到達しており、ターゲット８０の外周８０ｐは周縁部７３に対面している。
【００５３】
図３に示すように、超電導体３の外周側にリング形状の磁場制御コイル９が同軸的に設けられている。超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、磁場制御コイル９と超電導体３との間には、リング形状の強磁性体６が設けられている。磁場制御コイル９は、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御するものである。図３は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。図３において、磁場制御コイル９に通電する電流の方向として『○の内に・を配置したマーク・』『○の内に×を配置したマーク・×』を示す。このように磁場制御コイル９に通電すれば、強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、ターゲットの前方にアーケード形状の磁場分布４００が形成される。
【００５４】
本実施例においても、図３に示すように、超電導体３の中心線と平行な方向を矢印Ｙ方向とすると、矢印Ｙ方向において磁場制御コイル９は超電導体３の近くに配置されている。即ち、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとし、仮想線ＭＡの位置を０位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３の先端面３ｃから離れる方向（矢印Ｙ２方向）に離れる位置を正の位置とし、仮想線ＭＡのよりも超電導体３の内部に近づく方向（矢印Ｙ１方向）を負の位置とすると、磁場制御コイル９の表面９０および第２表面９１は、仮想線ＭＡに対して負の位置に配置されている。このため、ターゲット８０よりも上方の空間には磁場制御コイル９が配置されていないため、ターゲット８０よりも上方の空間をスパッタリングのために広く使用することができる。ここで、磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとするとき、Ｌ≦２Ｈの関係に設定されている。
【００５５】
図３は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。このとき強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、磁場発生装置１の前方に、超電導体３から出た磁束線が強磁性体６に戻るアーケード状の磁場分布４００が形成される。
【００５６】
図３において、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２は、超電導体３の先端面３ｃから離れるにつれて、超電導体３の径外方向（Ｄ１方向）において広がる向きとされている。
【００５７】
図３に示すように、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２がターゲット８０と仮想交差部８０ｘで交差している。このためターゲット８０の中央から出た超電導体３の磁場が全てターゲット８０の外縁部内に戻ってくるという完全に閉じた磁場分布４００がターゲット８０の上に形成されていることがわかる。このため、密度が高いプラズマ雰囲気をターゲット８０の近傍に生成するのに有利である。その結果、ターゲット８０の付近の雰囲気をより低い圧力としても、安定した放電が可能となり、成膜速度が向上する。
【００５８】
また本実施例によれば、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１は、ターゲット８０から基板側に離れるにつれて、超電導体３の径外方向つまり矢印Ｄ２方向に広がる磁場分布４００となっている。
【実施例４】
【００５９】
図５は実施例４を示す。本実施例は基本的には実施例３と同様の構成、作用効果を有する。超電導磁場発生装置１をスパッタリング成膜装置のスパッタガンに適用した例である。図５に示すように、超電導体３の外周側にリング形状の磁場制御コイル９がほぼ同軸的に設けられている。超電導体３の径方向（矢印Ｄ方向）において、磁場制御コイル９と超電導体３との間には、リング形状の強磁性体６が設けられている。磁場制御コイル９は、電流を通電して超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御するものである。図５は、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。このとき強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、ターゲット８０の前方にアーケード形状の磁場分布４００が形成される。
【００６０】
本実施例では、前記した実施例３に比較して、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを増加させた。この結果、Ｂｚ＝０を示す仮想線Ｗ１、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２が超電導体３の前方つまりターゲット８０の前方で閉じるような、磁場分布４００がターゲット８０の前面側に形成される。従って、Ａ＝０を示す仮想線Ｗ２で包囲される空間内に、プラズマ５００の生成範囲を制限できる。このためプラズマダメージが少ない成膜処理を基板に実行したい場合には、仮想線Ｗ２で包囲される空間の外部Ｗ２０に基板２１０ａ（成膜対象物）を設置すれば良い。この場合、基板２１０ａがプラズマ５００に晒されることが防止され、プラズマダメージが少ない成膜を基板２１０ａに行うことができる。
【００６１】
また本実施例によれば、プラズマを積極的に利用して成膜したい場合には、仮想線Ｗ２で包囲される空間の内部に基板２１０ｃ（成膜対象物）を設置すれば良い。この場合、基板２１０ｃがプラズマ５００に晒されるため、プラズマを積極的に利用して成膜を基板２１０ｃに行うことができる。このように成膜条件に応じて対処することができる。
【実施例５】
【００６２】
図６は実施例５を示す。本実施例は基本的には実施例２と同様の構成、作用効果を有する。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に適用した例である。以下、異なる部分を中心として説明する。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とこ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軟磁性体で形成された強磁性体６が設けられている。中央磁極２と強磁性体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は断熱容器５の下部に設けられている。
【００６３】
図６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、磁場の作用でターゲット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ターゲット８０を保持するように成膜室２０２の下部に設けられたターゲット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、対象物としての基板２１０を保持するように成膜室２０２の上部に設けられた対象物ホルダとしての基板ホルダ２１１とを有する。
【００６４】
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８０と基板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８０をマイナスとし、基板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。このプラズマ状のスパッタガスイオンは、ターゲット８０の表面において集束されるため、加速されてターゲット８０の表面に衝突する。これによりターゲット８０の表面よりターゲット８０の構成物質をスパッタさせて、基板２１０の表面に堆積させ、大きな成膜速度で薄膜を成膜することができる。
【００６５】
この場合、超電導体３２の強磁場によりプラズマ５００をターゲット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。
【００６６】
なおターゲット８０をマイナスとし、基板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、ターゲット８０と基板２１０（成膜ターゲット）との間に交流電圧を印加することにしても良い。磁場制御コイル９に通電する電流としては直流でも交流でも良い。成膜中に電流値や電流波形を変えることができる。
【００６７】
図６に示すように、磁場制御コイル９は、ターゲット８０の背面（下面）ではなく、ターゲット８０の上面側に位置するようにチャンバ２０３内に配置されている。磁場制御コイル９は、ターゲット８０の外周８０ｐよりも径外方向に位置している。
【００６８】
ここで、前述したように、超電導体３の磁極の先端面３ｃを延長しつつ通る仮想線をＭＡとし、仮想線ＭＡよりも超電導体３から矢印Ｙ２方向に離れる位置を正の位置とし、仮想線ＭＡよりも超電導体３に矢印Ｙ１方向に近づく位置を負の位置とすると、磁場制御コイル９の表面９０および第２表面９１は、仮想線ＭＡに対して正の位置に配置されており、チャンバ２０３内に配置されている。磁場制御コイル９の高さをＨとし、磁場制御コイル９の表面９０と仮想線ＭＡとの距離をＬとするとき、磁場制御コイル９が正の位置にあり、Ｌ≦Ｈの関係に設定されている。
【００６９】
本実施例によれば、超電導体３の着磁方向と逆向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を流したときにおける磁場分布４００を示す。このとき強磁性体６は、超電導体３の磁極と逆向きに磁化され、磁場発生装置１の前方に、超電導体３から出た磁束線が強磁性体６に戻るアーケード状の磁場分布４００が形成される。
【００７０】
本実施例によれば、図６に示すように、磁場制御コイル９が正の位置に配置されており、チャンバ２０３内に配置されている。このため、磁場制御コイル９が負の位置に存在する場合よりも、チャンバ２０３内の容積が制約されるものの、ターゲット８０の前方に位置する磁場分布４００（例えば形状）を細かく制御することができる。
【００７１】
また、超電導体３の着磁方向と同じ向きの磁場を磁場制御コイル９が発生するように、磁場制御コイル９に電流を通電すれば、基板２１０をプラズマに晒しつつ、基板２１０に成膜することができる。更に、磁場制御コイル９に通電する電流の大きさを変えれば、超電導体３から発せられる磁場分布４００の形状を制御することができ、成膜条件を制御することができる。このように磁場制御コイル９に通電する電流の方向、更には大きさを変えれば、磁場分布４００を制御することができ、プラズマを利用した種々間成膜が可能となる。
【００７２】
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。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
（付記項）請求項１または２に係る超電導磁場発生装置で形成されているスパッタリング用のスパッタガン。
【００７３】
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、プラズマ源、イオン源等に利用可能な超電導体による磁場発生装置に適用でき、例えば、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】
【００７４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施例３に係り、プレートの断面図である。
【図５】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リングガンとして使用している状態を示す断面図である。
【図６】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７】磁場制御コイルに通電する電流が０アンペアのときにおける磁場解析の図である。
【図８】磁場制御コイルに通電する電流がＩ１のときにおける磁場解析の図である。
【図９】磁場制御コイルに通電する電流がＩ２のときにおける磁場解析の図である。
【図１０】磁場制御コイルに通電する電流がＩ３のときにおける磁場解析の図である。
【符号の説明】
【００７５】
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、４は冷却装置、５は断熱容器、６は強磁性体、７はプレート（ターゲットホルダ）、７０は窪み、７１は中央部、７２は中間部、７３は周縁部、８０はターゲット、９は磁場制御コイル（磁場制御導電部材）、２００はスパッタリング成膜装置、２１１は基板ホルダ（対象物ホルダ）を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項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断熱容器と、電流を通電して前記超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材とを具備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】
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、電流を通電して前記超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材と、前記磁場分布を補正する強磁性体とを具備しており、
前記強磁性体は前記超電導体と前記磁場制御導電部材との間に配置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３】
請求項２において、前記強磁性体は永久磁石または軟磁性材で形成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４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記超電導体の着磁方向と逆向きの磁場を前記磁場制御導電部材が発生するように、前記磁場制御導電部材は通電され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１〜３のうちのいずれか一項において、前記超電導体の着磁方向と同じ向きの磁場を前記磁場制御導電部材が発生するように、前記磁場制御導電部材は通電され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２〜５のうちのいずれか一項において、前記超電導体と前記強磁性体とは互いに逆向きに磁化されており、前記断熱容器の前方に形成される磁場分布は、前記超電導体から出た磁場が前記強磁性体に戻るアーケード形状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１〜６のうちのいずれか一項において、前記断熱容器前方に形成される磁場分布は、前記超電導体から出た磁場が前記強磁性体に戻るアーケード形状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１〜７のうちのいずれか一項において、前記断熱容器前方に形成される磁場分布は、磁場ベクトルの向きが前記断熱容器の先端部に平行となる位置を空間的につないで形成される仮想面が前記断熱容器の前方で閉じてい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１〜８のうちのいずれか一項において、前記超電導体は、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）で表される超電導バルク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１０】
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９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。
【請求項１１】
請求項１０において、前記磁場分布は前記ターゲットの前方に形成され、前記磁場分布は、前記ターゲットの中央部から出た磁束線が前記ターゲットの周縁部に戻るアーケード形状をなしていることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項１２】
請求項１０または１１において、前記磁場分布では、前記ターゲットの中央部を介して前記超電導体から出た磁束線が全て前記ターゲットの外周よりも内側に透過することを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のうちのいずれか一項において、前記磁場分布では、磁場ベクトルの向きが前記ターゲットに平行となる位置を空間的につないで形成される仮想面が、前記ターゲットの前方で閉じていることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項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断熱容器と、電流を通電して前記超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材とを具備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】
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、電流を通電して前記超電導体から発せられる磁場分布を制御する磁場制御導電部材と、前記磁場分布を補正する強磁性体とを具備しており、
前記強磁性体は前記超電導体と前記磁場制御導電部材との間に配置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３】
請求項２において、前記強磁性体は永久磁石または軟磁性材で形成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４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記超電導体の着磁方向と逆向きの磁場を前記磁場制御導電部材が発生するように、前記磁場制御導電部材は通電され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１〜３のうちのいずれか一項において、前記超電導体の着磁方向と同じ向きの磁場を前記磁場制御導電部材が発生するように、前記磁場制御導電部材は通電され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２〜５のうちのいずれか一項において、前記超電導体と前記強磁性体とは互いに逆向きに磁化されており、前記断熱容器の前方に形成される磁場分布は、前記超電導体から出た磁場が前記強磁性体に戻るアーケード形状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１〜６のうちのいずれか一項において、前記断熱容器前方に形成される磁場分布は、前記超電導体から出た磁場が前記強磁性体に戻るアーケード形状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１〜７のうちのいずれか一項において、前記断熱容器前方に形成される磁場分布は、磁場ベクトルの向きが前記断熱容器の先端部に平行となる位置を空間的につないで形成される仮想面が前記断熱容器の前方で閉じてい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１〜８のうちのいずれか一項において、前記超電導体は、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）で表される超電導バルク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１０】
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９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。
【請求項１１】
請求項１０において、前記磁場分布は前記ターゲットの前方に形成され、前記磁場分布は、前記ターゲットの中央部から出た磁束線が前記ターゲットの周縁部に戻るアーケード形状をなしていることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項１２】
請求項１０または１１において、前記磁場分布では、前記ターゲットの中央部を介して前記超電導体から出た磁束線が全て前記ターゲットの外周よりも内側に透過することを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のうちのいずれか一項において、前記磁場分布では、磁場ベクトルの向きが前記ターゲットに平行となる位置を空間的につないで形成される仮想面が、前記ターゲットの前方で閉じていることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２５８４４７（Ｐ２００７−２５８４４７Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８０８９５（Ｐ２００６−８０８９５）
【出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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