JP2001358000A

JP2001358000A - プラズマ発生装置

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Publication number: JP2001358000A
Application number: JP2001113022A
Authority: JP
Inventors: Desmond Gibson; デスモンド・ギブソン
Original assignee: RTC Systems Ltd
Current assignee: RTC Systems Ltd
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2001-12-26
Also published as: EP1154459A2; GB0109094D0; US6710524B2; US20020008451A1; GB2363676B; GB2363676A; EP1154459A3; CA2343562A1; CA2343562C

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ発生装置に関する。【解決手段】プラズマ発生装置は、誘導コイル（７）に
よって加熱される熱電子放出材料（２）を有し、また、
電気的に絶縁された円筒状の形成装置内に無線周波数エ
ネルギーを提供する。円筒状のアノード（１０）はエミ
ッタ（２）と同心的でそこから軸線的に離間していて、
アノード（１０）とエミッタ（２）との間に電位差を発
生する。アノード（１０）と接地との間に電位差と軸線
的磁場は、発生装置から抽出されるべきプラズマを生ず
る。エミッタ（２）は、導電性の支持部（５）を介して
負の電位に維持される。プロセスガスは、エミッタ
（２）の近傍から導入され、二次的ガスはアノード空間
に噴射される。エミッタの無線周波数励起は、熱電子お
よびフィールド効果を介して電子を発生し、その結果効
果的プラズマが発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ発生装置
に関する。本発明はまた、プラズマを発生する方法と、
基板をコーティングしクリーニングする装置に関する。
特に本発明は、無線周波数（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙ）エネルギーが、熱電子フィールドエミッタ（ｔｈ
ｅｒｍｉｏｎｉｃ−ｆｉｅｌｄｅｍｉｔｔｅｒ）の両
方に誘電的に結合されそれによってプラズマ発生と中立
化（ｎｅｕｔｒａｌｉｓａｔｉｏｎ）のために広いエネ
ルギー分配（ｂｒｏａｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉ
ｂｕｔｉｏｎ）を有した電子を発生するプラズマ発生装
置と、イオンと電子を有するプラズマを発生するプロセ
スに関する。

【０００２】

【従来の技術】そのようなプラズマ発生装置は、電子ビ
ームまたは熱的付着（ｔｈｅｒｍａｌｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）中に、薄膜コーティングの真空プロセスに有効に
使用することができる。成長している膜に発生装置によ
って与えられたエネルギーは、温度と湿度の変化に感応
しないような、濃密で近接した化学量論的膜を生成する
微細構造を変更することが可能である。達成された屈折
率は、多くの材料のそれに近く、それによって多層薄膜
構造用の可能性が伸びる。基板の加熱は、補足された付
着プロセスと共に余分なことである。低温コーティング
は、低コスト定着、時間／コスト、およびプラスチック
のような低温材料との両立性を提供する多くのプロセス
の利点である。プラズマ発生装置はまた、元の場所の基
板クリーニング用に例外的である。特に、アルゴンクリ
ーニングは、吸着された水と残留クリーニング溶剤の物
理的スパッター除去を提供する。酸素クリーニングは、
揮発性の科学種の形成によって炭化水素の科学的除去を
誘導できる。そのような発生装置用の最初の応用は、付
着材料に基づく酸化物またはフッ化物の精密光学的コー
ティングを有する。その例として、眼科レンズ用の非屈
折コーティング、遠隔通信用の高公差多層絶縁性光学コ
ーティング、および高レーザー損傷コーティングを有し
ている。

【０００３】現在利用可能な、補助された真空付着プロ
セス用のプラズマまたはイオン発生装置は、たとえば、
米国（ＵＳ−Ａ）４８６２０３２、ヨーロッパ（ＥＰ−
Ａ）０４６３２３０、国際公表（ＷＯ）９６／３０９２
８、フランス（ＦＲ）２５５７４１５、およびＳ．Ｐｏ
ｎｇｒａｔｚとＡ．Ｚｏｌｌｅｒの、１９９２年７月／
８月号のＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１０
（４）、１８９７ページのような従来技術の記載されて
いる。ある商業的に利用可能なプラズマ発生装置は、基
板にくぼみが必要であるような長さを有している。それ
は、真空容器内に配置することは、発生装置の高さが高
すぎることにより付着をマスクしないことを確実にする
ためである。したがって、そのようなシステムは、操作
用の特別な真空容器を必要とし、他の真空システムと容
易に交換可能ではない。

【０００４】プラズマ付着において、中立化という用語
は、イオンと電子のバランスがある状態を参照してい
る。中立化がない場合（通常余分なイオンを有してい
る）において、次の３つの有害な影響が生ずる。１．電子は、アーク位置から小さい粒子を除去できる短
い持続期間のアークにおいてビームに引くことができ
る。これらのアークは、敏感な基板表面を損傷する原因
となり、またさらに、成長している膜に汚染を導く。２．１で述べたようなアークの発生は、さらに、プロセ
ス変更を招くビームプラズマ電圧における一時的な変化
を導く。３．空間は、プラズマの空間的分配を広げる影響を変更
し、また、金属ホルダーに設けられた絶縁基板用のエッ
ジ効果を導く。この効果は、膜の厚さの変化としてそれ
自身現れる。

【０００５】熱電子放出のみに頼るプラズマ／イオン発
生装置は、図１に示されたような最低限の低いエネルギ
ー電子を有する非常に狭い電子エネルギー放出特性を備
えている。この問題は、中立化を提供するプラズマ内に
注入された電子の個別の供給の使用によるイオン発生装
置によって克服される。現在のプラズマ発生装置は、中
立化を提供するために必要なエネルギーを有する十分な
電子を備えた熱電子放出に依っている。この方法は、中
立化への適切な制御を提供しないし、また、上述した
１、２および３の影響が遭遇する。誘電的に結合された
ＲＦ（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）エネルギーを使
用した他のイオン発生装置システムはすでに開示されて
いる（たとえば、ＵＳ−Ａ−４１０４８７５参照）。そ
のようなシステムは、インダクターをプラズマ領域から
絶縁するための非導電性の窓（ｗｉｎｄｏｗ）に、導電
性の付着をし易い。容量的に結合されたＲＦ放電プロセ
スは、イオンとプラズマ発生装置に同様に使用される
（たとえば、ＥＰ−Ａ−０４７４５８４参照）。

【０００６】上述した全てのプラズマ／イオン発生装置
は、基板面でのイオン／プラズマフラックスの固定され
た空間的分配を有していて、全付着領域上でイオン／プ
ラズマの重複用に設計されているか、または、蒸発性フ
ラックスと最良の重複を提供するために位置付けられ
る。そのような発生装置は、各応用が、コーティングの
タイプ、要求された基板の負荷付着領域、付着材料、蒸
発発生装置フラックス、および、イオン／プラズマ衝撃
を介して最適化されたパラメータに依存して、イオン／
プラズマ空間分配の詳細な一致を必要とするような、補
助された付着の全ての利点を達成するのに妥協する。さ
らに、熱電子エミッタ材料のスパッタリングは、発生装
置操作時間とそれゆえプラズマ分配とを有する放出され
た電子の空間的分配を変化するエミッタ空間輪郭の変更
を生ずる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】増加されたプラズマ発
生、制御および中立化を有するプラズマ発生装置によっ
て駆動される無線周波数エネルギーを提供し、上述した
ようなプラズマ発生装置の欠点および有害な特徴を回避
するプラズマ発生装置を得たい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一般的な目的
は、増加されたプラズマ発生、制御および中立化を有す
るプラズマ発生装置によって駆動される無線周波数エネ
ルギーを提供することである。本発明の他の目的は、上
述したようなプラズマ発生装置の欠点および有害な特徴
を回避するプラズマ発生装置を提供することである。概
観的に我々は、これをプラズマ発生装置の電子エミッタ
からのイオンの発生を助勢するための誘電を使用するこ
とによって達成した。

【０００９】本発明の第１の態様によれば、プラズマを
生成するためにイオン化可能なガス用の入力部と、ガス
をイオン化するための電子を生成する電子エミッタと、
電子エミッタを少なくとも部分的に取り囲んでいるＲＦ
誘導コイルと、アノードとを備えたプラズマ発生装置が
提供される。好ましくは、プラズマ発生装置は、高温に
絶えることが可能な電気的絶縁材料の円筒状の形成装置
をさらに備えていて、エミッタがこの形成装置内に設け
られている。１つの実施例において、エミッタは、絶縁
形成装置内にある円の周囲に配置された熱電子フィール
ド放出材料の複数の円筒状の形状である。我々はまた、
プラズマ発生装置は、取り外し可能なベースをさらに備
えていて、このベースはガス入力部の少なくとも一部分
を有するが好ましい。ベースはまた、エミッタ用のワイ
ヤ、アノード、および誘電コイルがその中を通って延び
る開口部を有する。

【００１０】負の電位に保持され加熱されようとしてい
る場合、エミッタは、プラズマの発生のために熱電子放
出を放出する。実際は、エミッタは、カソードとして作
用する。好ましい実施例において、電子エミッタの少な
くとも一部分は、ドーム形状をしている。特にエミッタ
は、頂部がドーム状の円筒形の形状である。１つの実施
例において、エミッタは、平坦な頂部を有する幅と高さ
が変更された円筒上の形状であって、それによって放出
された電子の空間分配が変更されることことを可能にす
る。望ましくは円筒状のアノードは、好ましくは、エミ
ッタと同軸であって、それから軸線的に離間していて、
アノードとエミッタとの間に電位差を発生する。アノー
ドと接地および軸線的磁場との間の電位差は、プラズマ
を発生装置から引き出されるようにする。より好ましく
は、アノードのエミッタからの変位は調整可能である。
我々は、キャップがアノードとカソードとの間の設けら
れていることを好み、またさらに我々は、キャップが変
更可能な寸法の開口部を有していることを好む。

【００１１】好ましくは、電子エミッタは、導電性の支
柱によって支持されていて、それによってエミッタは負
の電位に保持できる。エミッタは望ましくは、誘導コイ
ルと形成装置との間に実質的に同心的に設けられてい
て、形成装置は、誘導コイル内に設けられている。好ま
しくは、誘導コイルは、水冷されている。誘導コイル
は、多くの有利な機能を達成するために操作できる。プ
ラズマを発生するために、エミッタを加熱することが必
要であり、これは、エミッタを加熱するエネルギーを供
給するために操作できる誘導コイルの手段によって達成
できる。直接加熱または放出加熱と比較して誘導加熱に
は重要な利点がある。特に、作業部材との接触がなく、
モジュール式プラズマ発生装置構造を製造することが可
能になる。これは、長時間に亘るプラズマ発生装置出力
の一定性を確実にするために特に重要である安定性と制
御可能性を提供する熱電子フィールドエミッタ構造の範
囲を調整する。

【００１２】我々は、誘導コイルは、プラズマの効果的
な中立用に広いエネルギースペクトル電子の発生のため
に、形成装置内のエネルギーを供給するために操作でき
ることを見出した。エミッタの無線周波数励起は、熱電
子およびフィールド効果を介して電子を発生し、効果の
あるプラズマ発生を生ずる。両方の電子発生効果は、電
子の広いエネルギースペクトルに貢献し、プラズマの効
果的な中立を提供する。このように、本発明の有利な実
施例において、プラズマの効果的な中立用の広いエネル
ギースペクトル電子の発生のために、形成装置内でエネ
ルギーを供給するために誘導コイルを制御する誘導コイ
ル用の制御手段が提供される。

【００１３】我々が見出した誘導コイルのさらに他の重
要な機能は、プラズマ発生の増加とエミッタの腐食を最
小にするためのそのプラズマの制限用に、時間変更軸線
的磁場を生成するために操作できることである。誘導さ
れた軸線的時間変更磁場は、イオン衝突からエミッタを
局部的にシールドするように作用でき、それによってエ
ミッタおよびエミッタの衝突が生ずるのを最小にする。
これはまた、プラズマ発生装置のスパッターした材料と
生じたプラズマ、エミッタから生ずる汚染を最小にす
る。このように、本発明の他の有利な利点は、誘導コイ
ルが時間変化軸線的磁場を生成するために制御する誘導
コイルの制御手段を有する。

【００１４】ついで、エミッタの腐食を最小にすること
は、放出された電子の空間分配と、およびそれゆえ生ず
るプラズマ空間分配の一定さを確実にするエミッタ空間
の輪郭を維持する。したがって、スパッタ−されたエミ
ッタの導電性の汚染は、プラズマ発生装置の側壁に付着
しがちであり、それによって導電性の結合を減少する。
この影響は時間変化電磁石フィールドの装置によって最
小にされる。

【００１５】上述したように、ＲＦ誘導コイルの使用
は、熱電子およびフィールド効果によって発生された電
子を生ずる。エミッタ表面での誘導された表皮効果（ｓ
ｋｉｎｅｆｆｅｃｔ）は、電界増加型放出を提供し、表
皮深さ内での電流の流れは、エミッタの表面で電子がエ
ミッタ外に引き付けられるように、強い局部的電界を誘
導する。この効果は、２つのよく知られたメカニズムに
よって効果的電子放出を増加する。その第１は、表面で
の仕事関数を低下し、それによって熱電子放出を増加す
る（ショットキー放出―Ｃ．Ｈｅｒｉｎｇ他の［１９４
５］年のＲｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．、１８５参照）で
あって、その第２は、それによって電子が表面電位バリ
ヤーを通って漏洩する量子力学トンネル効果による放出
（強電界放出として参照され、Ｒ．Ｆｏｗｌｅｒ他の
［１９２８］年のＰｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．、１７３
参照）である。エミッタから電子放出を発生するこれら
の効果の組み合せは、熱電子フィールド放出として参照
される。

【００１６】エミッタは、高効率材料を有していて、そ
れには、タングステン、モリブデン（仕事関数を減少す
るか、および／または、フェルミレベルを変更する）、
または、ランタン６硼化物（Ｊ．Ｍ．Ｒａｆｆｅｒｔｙ
の１９５３年３月、ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡ
ｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、２２巻、第３号、２９
９頁を参照）があり、これらは、熱電子フィールド放出
領域を最大化し、そして、異質のフィールド効果を最小
化するために構成することができる。さらに、誘導され
た表皮深さは、典型的には数百ミクロンであり、エミッ
タ用に比較的薄い箔材料の使用を可能にし、それによっ
て、熱容量およびそれによる所望の温度を達成する慣性
を最小にする。

【００１７】コーティング材料がダイアモンドであるこ
とが特に好ましく、その電気的性質は、それが真空にお
いて負にバイアスされた場合に電子が表面から放出され
るようなものである（Ｇ．Ｔ．Ｍｅａｒｉｎｉ他の、電
子装置用ダイアモンド膜の探求、と題したＳｕｆ．およ
びＩｎｔｅｒｆａｃｅＡｎａｌ．の１９９４年Ｖｏ
ｌ．２１の１３８から１４３頁参照）。このように、本
発明の他の態様によれば、プラズマ発生装置用にダイア
モンドでコーティングされたエミッタが提供される。前
者は、イオン補助された付着に使用するためのイオン発
生装置として、また、電子ビーム蒸発に使用するための
電子発生装置として有用である。ダイアモンドにおい
て、作業関数は小さく、多分負であろう（負の電子親和
力として参照される）。実際上は、これは、ダイアモン
ドに基づく熱電子フィールドエミッタが、平面パネル表
示装置応用に使用されたような、少ない電力を消費し高
い効率を提供することを意味する。

【００１８】エミッタとしての詳細な利点は、フィール
ド放出のための比較的低い操作温度（５００から１００
０℃）と、比較的低い電界（大きさのオーダーは、従来
のフィールド放出材料より少ない―代表的には１０^−４
Ｖ／ｃｍ）である。電気的に導電性の基板の使用は、適
用されたダイアモンド膜を、誘導コイルを介して加熱す
る手段と、また、エミッタ材料への負の電圧の適用を提
供する。ダイアモンドが、炭素との低い共通溶融性とし
て起こる局部的な干渉層として炭化物形態を呈する金属
にコーティングされていることは特に好ましい。そのよ
うな材料は、Ｍｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗおよび
Ｍｏである。炭化物層は、化学蒸気付着層の成長を促進
する接着層として作用し、また、インターフェースでの
応力逃がしによって接着を助成している。

【００１９】また、プラズマ発生装置用に、前記ガス用
の二次的入力部をさらに有し、この二次的入力部は、ガ
スを円筒状のアノード内の空間内に噴射するように配置
されている。好ましい実施例において、アノードは、時
間変化しない磁場を生成することが可能な電磁石によっ
て取り囲まれている電磁石によって生成された時間変化
しない磁場は、誘導された時間変化しない磁場から解析
されることが特に好ましい。この解析は、電磁場強度お
よび誘導コイルの適切な選択によって、および電磁石と
誘導コイルとの適切な空間によって達成される。目標
は、電磁石の磁場と誘導コイルとの間に大きな相互作用
がまったくないということを確実にすることである。

【００２０】時間変化しない電磁場から誘導された磁場
を解析することは、誘導コイルフィールドと電磁場とに
よって、発生装置プラズマ空間分配の個別の制御を可能
にする。基板面でのプラズマフラックスの特別な制御
は、誘導コイルに関する電磁石の相対的位置付けによっ
て提供される。プラズマフラックスの比較的大きな空間
の広がりは、電磁石と誘導コイルとの分離が増大するこ
とによって達成される。

【００２１】アノードと電磁石とは、形成装置によって
好都合に支持されている。好ましくは、電磁石は、アノ
ード上を摺動して離れ、誘導コイルからの変位に関して
調整可能である。好ましい実施例において、電磁石は、
コイルの形状であって、その巻回数は、空間的に磁場を
変更しそれによって基板面でのプラズマ空間分配を変更
するために、その長さに従って変更される。電磁石は、
誘導コイルに結合された周波数と位相であることもまた
好ましい。

【００２２】特に好ましい実施例において、アノードと
エミッタとは、別個の電気供給装置を有している。より
好ましくは、別個の電気供給装置は共通のアースを有し
ている。実施例において、アノードの頂部に反応ガス入
力部をさらに有している。

【００２３】本発明の他の態様によれば、イオン化され
たガスを電子エミッタと接触するように流し、この電子
エミッタは負の電位に保持されていて；プラズマを生成
するガスをイオン化するエミッタから電子を生成するた
めのＲＦ誘導コイルを使用して電子エミッタを加熱する
方法が提供される。好ましくは、誘導コイルは、プラズ
マの効果的な中立化用に広いエネルギースペクトル電子
を発生するために、形成装置内でエネルギーを供給する
ために操作される。

【００２４】好ましくは、誘導コイルは、プラズマ発生
を増加し、エミッタ腐食を最小にするためにプラズマを
制限するように、時間変更軸線的磁場を生成するために
操作される。望ましくは、アノードと電磁気的コイル
は、エミッタの下流に設けられていて、誘導コイルによ
って生成された時間変化磁場から解析された電磁気的コ
イルを有する時間変化しない磁場を生成する。本発明の
すべての態様においてＲＦ誘導コイルを使用することが
好ましいが、いくつかの実施例においてそれを省略する
ことが可能で、そのいくつかの例を以下に述べる。

【００２５】本発明の他の態様によれば、真空容器と；
前記真空容器内に設けられていて、クリーニングまたは
搬送されるべき基板を搬送するのに適した基板搬送装置
と；前記真空容器内に設けられていて、コーティングま
たはクリーニングするための材料を発生するための手段
と；前記真空容器内に設けられた上述したプラズマ発生
装置とを備えた基板をコーティングまたはクリーニング
するための装置が提供される。本発明の他の態様によれ
ば、プラズマ発生装置は、プラズマを生成するためにイ
オン化可能なガス用の入力部と、ガスをイオン化するた
めの電子を生成する電子エミッタと、エミッタから広い
エネルギースペクトル電子の発生のためにエネルギーを
発生して供給しプラズマおよびアノードの効果的な中立
をするための発生手段とを備えている。

【００２６】この発生手段は、好ましくは少なくとも部
分的にエミッタを取り囲んでいるＲＦ誘導コイルを有し
ている。本発明のこの態様によるプラズマ発生装置は、
本発明の第１の態様に関連する上述したプラズマ発生装
置の態様のあらゆる組み合せにより提供される。本発明
の他の態様によれば、プラズマ発生装置は、プラズマを
生成するためにイオン化可能なガス用の入力部と、ガス
をイオン化するための電子を生成する電子エミッタと、
プラズマ発生の増加のための時間変化軸線的磁場を発生
し、エミッタ腐食を最小化するプラズマの制限をするた
めの操作可能な手段と、アノードとを備えている。

【００２７】この操作可能な手段は、好ましくは少なく
とも部分的にエミッタを取り囲んでいるＲＦ誘導コイル
を有している。加熱手段がエミッタを加熱するために設
けられなければならず、好ましい実施例においてこれは
ＲＦ誘導コイルを有している。本発明のこの態様による
プラズマ発生装置は、本発明の第１の態様に関連する上
述したプラズマ発生装置の態様のあらゆる組み合せによ
り提供される。本発明の他の態様によれば、イオン化さ
れたガスを電子エミッタと接触するように流し、この電
子エミッタは負の電位に保持されていて；プラズマを発
生するために電子エミッタを加熱し；そして、前記プラ
ズマの効果的な中立のための広いエネルギースペクトル
電子の発生のために、形成装置内のエネルギーを供給す
るようなプラズマ発生方法が提供される。

【００２８】本発明の他の態様によれば、イオン化され
たガスを電子エミッタと接触するように流し、この電子
エミッタは負の電位に保持されていて；プラズマを発生
するために電子エミッタを加熱し；そして、プラズマ発
生の増加のための時間変化軸線的磁場を発生し、エミッ
タ腐食を最小化するプラズマの制限を生成するようなプ
ラズマ発生方法が提供される。本発明の他の態様によれ
ば、プラズマ発生装置は、プラズマを生成するためにイ
オン化可能なガス用の入力部と、ガスをイオン化するた
めの電子を生成する電子エミッタとを備え、電子エミッ
タとアノードとは、好ましくは共通の接地に接続された
別個の電源供給装置を有している。加熱手段がエミッタ
を加熱するために設けられなければならず、好ましい実
施例においてこれはＲＦ誘導コイルを有している。

【００２９】本発明のこの態様によるプラズマ発生装置
は、本発明の第１の態様に関連する上述したプラズマ発
生装置の態様のあらゆる組み合せにより提供される。本
発明はまた、モジュール構造部を備えていて、それによ
って、出力プラズマ電流密度を同調する種々の構造を提
供し、また、特定のプロセス要求のための空間的分配を
提供するプラズマ発生装置を提供する。このように、本
発明の他の態様によれば、プラズマ発生装置は、プラズ
マを生成するためにイオン化可能なガス用の入力部と、
ガスをイオン化するための電子を生成する電子エミッタ
と、電子エミッタ、アノード、および磁石を加熱する加
熱手段とを備え、構成要素はモジュール構造であって、
それによって構成要素の交換と、構成要素の相対的位置
の調整とを容易にする。

【００３０】

【発明の実施の形態】熱電子およびフィールド増加放出
電子の代表的なエネルギー分配が図１に示されていて、
フィールド増加機構からの電子エネルギーの比較的広い
スペクトルを表わしている。なお、φは作業関数であっ
て、Ｅ_Ｆはフェルミエネルギーである。比較的低いエネ
ルギーによって起きるそのような電子は、プラズマ内で
存在時間が増加し、それによって、増加されたプラズマ
の中立化を提供する。さらに、電子エネルギー電流は、
エミッタ温度の誘導コイルか熱を通して正確に制御する
ことができる。

【００３１】プラズマ発生装置で制御されるべき４つの
一次変数は：・プラズマ電流：イオン数を規定する・プラズマ電圧：イオンエネルギーを決定する・プラズマ分配：イオンビームの発散によって決定され
る・プラズマ中立化：イオン電流の電子と電子エネルギー
分配との比によって決定されるである。

【００３２】イオンと電子流とのアノードから基板面へ
の空間的調和可能な抽出は、電磁石から発生された磁界
を介している。上述したように、磁界の空間的分配、お
よびそれ故プラズマフラックスは、出力磁界をカソード
でそれから接続解除することによって制御される。フィ
ールド分配のダイナミックな制御は、電磁石のコイル電
流を変えることによって達成できる。さらに、プラズマ
分配は、電磁石を誘導コイルに関して位置付けること、
エミッタ組み立ての出力の開口寸法、エミッタ構造、お
よび電磁石の長さに沿ったコイルの巻回数の空間的変化
の組み合せによって制御できる。

【００３３】図２Ａおよび２Ｂは、本発明によるプラズ
マ発生装置２３を示している。プラズマ発生装置２３
は、加熱された高効率熱電子フィールドエミッタ２を有
している。エミッタ２は、実質的にドーム形状であっ
て、この構造は、最適熱電子フィールド放出と最低限の
フィールド中断を提供することが見出されてきている。
エミッタ２は、窒化硼素またはシリコンカーバイドのよ
うな低いスパッター許容性を持った高温絶縁材料で形成
された円筒状の構造部内に配置されている。導管３は、
プラズマガス供給をプラズマ発生装置のベース４にする
ために設けられている。構造部１は、ベース４上に設け
られている。導管の支持部５は、エミッタ２に設けられ
ていて、ガスが、熱電子フィールドエミッタ２の材料の
外表面から、電子とのイオン化衝突に向けられることを
可能にする。支持部５は、電源供給部６を有している。
この構造は、適応されるエミッタ構造の範囲を可能にす
る。

【００３４】導電性の支持部５は、電気的接触をする手
段を提供し、エミッタ２の端部の強固な把持を提供する
ための二重の鋸歯状端部を有している。さらに、導電性
の支持部５の鋸歯状端部は、生じた渦電流の流れ、それ
故、導電性支持部５の加熱を最小にする。導電性支持部
５用の電源供給部６は、発生装置のベース４を通って、
また同様に真空システムのベースプレート９を通って延
びている。プラズマ発生装置のベース４は、構造部１か
ら取り外し可能で、クリーニングやメンテナンス用に素
早い分解を可能にする。水冷された誘導コイル７は、真
空システムのベースプレート９を通って電源供給部８と
関連されていて、構造部１に適合され熱電子電解エミッ
タ２と同心の圧縮式である。水冷システム１１は、誘導
コイル７を冷却するために設けられている。誘導コイル
７は、熱電子エミッタフィールド温度および熱電子放出
と増加型放出に各影響する表面電気フィールドを制御す
るための効果的な方法を提供する。

【００３５】さらに、誘導方法によって増加された制御
は、正確に制御されるべき熱電子フィールドエミッタ材
料温度を可能にし、熱電子放出とフィールド放出のバラ
ンスを制御する方法を提供する。上述したように、誘導
コイル７は、支持構造部１との接触に適合した圧縮であ
り、それによって構造部１の冷却方法を提供する。結果
としてのプロセスのガスイオンのエネルギーは、発生装
置出力に配置されたアノード１０とエミッタ導電性支持
部５構造部との間のフィールドによって部分的に決定さ
れる。さらに、熱電子フィールドエミッタ２からの電子
経路の制御は、電子を水冷されたアノード１０に向かっ
て引き付ける電子フィールドによって提供され、エミッ
タ組み立て内でイオン化されないガスのイオン化を招
く。エミッタ２と関連するアノード１０の相対的位置付
けは、顕著な軸線的フィールドとそれゆえの軸線的電子
経路を提供する。アノードの効果的な冷却は、水冷シス
テム１１を使用することによって達成される。

【００３６】補助的な別個に制御された二次的ガス入力
部１２は、アノード１０のベースに設けられていて、こ
れは、更なるイオン化のために放出された電子の使用を
最大化するガスリング１３を介してアノード１０のベー
スにガスを導く。さらに、エミッタ２の近傍で発生され
たイオンは、同様に、二次的ガス入力部１２からのガス
のイオン化に貢献する。ガスリング１３はアノード１０
のベースに示されているが、特定のプラズマ発生装置の
操作条件用の最適位置付けは、アノード１０の長さに沿
った他の位置にあるであろう。

【００３７】径方向電子（ｒａｄｉａｌｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ）の速度とイオン速度とは、軸線的磁場を使用して
最小化される。誘導コイル７は、カソード近傍の軸線を
有し、そこでこの磁場は、コイル７の交流（ＡＣ）によ
り時間変化される。このＡＣは、ゼロフィールド（ｚｅ
ｒｏｆｉｅｌｄ）時間を最小にするための一時的なフ
ォームである（誘導コイル７によって決定された代表的
な周波数は、５ｋＨｚと５００ｋＨｚとの間である）。
軸線的フィールド方向は、ＡＣに応答して変化するが、
電子とイオンの径方向速度は最小のまま維持され、サイ
クロトロンモーションの感度のみが磁界の方向に依存し
て変化する。さらに、カソード組み立てにおける誘起さ
れた軸線的磁界は、カソード領域のフィールド線に沿っ
てアノード１０に向かって渦状にイオン化されたガスと
電子とを生ずる。

【００３８】イオンと電子のアノード１０から基板面へ
の抽出は、電磁石２８から発生された磁界を介してであ
る。反応ガスは、プラズマ発生装置の頂部でガスリング
１４を介して導入される。イオン化は、プラズマ発生装
置から放出されるイオン化されたガスの衝突と、同様に
電子の衝突によって達成される。アノード／エミッタ組
み立ての保護は、ステンレススチールの覆い１６の使用
によって達成される。フィールド分配とそれ故のプラズ
マ空間分配のダイナミック制御は、電磁石２８のフィー
ルドコイルの電流を変えることによって達成される。プ
ラズマの空間分配のさらなる制御は、電磁石２８の長さ
方向に沿ったコイルの巻き数の空間分配を変更すること
によって達成できる。

【００３９】基板面でのプラズマ空間分配の付加的な制
御は、誘導コイル７に関する電磁石２８と交換可能なキ
ャップ１５との総体的な配置によって行なわれるので、
キャップ１５は所望の開口直径を有している。キャップ
１５は窒化硼素材料である。電磁石２８は、アノード１
０上を摺動し、また離れるのに適していて、誘導コイル
７からの変位に関して調整できるようにする。これらの
パラメータは、発生装置内のプラズマの横空間程度の制
御による基板面でのプラズマ空間の程度に影響する。フ
ァラデーカップを使用して評価されたような基板面での
イオンエネルギーは、採用されたカソードと空間同調方
法に関連するアノードの電圧と、磁界と、発生装置の構
造とに依存する。代表的な発生装置の作動条件は、１０
ｅＶから２００ｅＶの範囲のイオンエネルギーを生成す
る。

【００４０】プラズマ発生装置作動パラメータへの依存
は、次のように表わされる：・プラズマ（イオン）電流：ガス流と容器圧力の関数、
電子放出率（アノードからカソード電流）に依存、エミ
ッタ温度に依存。・プラズマ（ビーム）電圧：基板（接地）に関するアノ
ード電圧の関数、プラズマインピーダンス（アノードか
らエミッタへの電圧）に依存、誘導電流に依存、カソー
ド温度に依存。・プラズマ分配：プラズマ抽出磁界（コイル電流）の関
数、・プラズマ中立化：エミッタ電子放出特性の関数。

【００４１】図５は、基板をコーティングまたはクリー
ニングするための装置を示していて、その中にプラズマ
発生装置２３が設けられた真空容器２４を有している。
この装置はさらに、コーティングまたはクリーニングさ
れる基板を保持する基板保持部２６を有している。装置
はさらに、基板をコーティングまたはクリーニングする
のに使用される材料を生成するための蒸発装置２５を有
している。蒸発装置２５は、たとえば、電子ビーム蒸発
装置または熱蒸発装置、あるいは適切な形で材料を提供
する他の適切な装置である。

【００４２】プラズマ発生装置用の制御と電気的構造の
実施例は、図３に示されている。エミッタ２と同心的な
誘導コイル７は、整合ブロック１８を介して誘導コイル
７に同調されたＲＦ電力供給装置１７によって電力を与
えられる。作動周波数は、誘導コイルの巻線数によって
決定される。コイル電流は、電力供給装置１７から制御
される。代表的な供給装置は、代表的に７０ｋＨｚから
５００ｋＨｚの同調可能な周波数範囲を有する３ＫＷで
あって、エミッタ温度とフィールド電子放出特性を制御
するための手段を提供する。一般的に、無線周波数は、
３ｋＨｚから３００ＧＨｚであるが、我々が使用した周
波数は少なくとも２０ｋＨｚで、より好ましくは少なく
とも５０ｋＨｚで、最も好ましくは少なくとも７０ｋＨ
ｚであり、さらに我々は、周波数は１００００ｋＨｚを
越えず、好ましくは１０００ｋＨｚを越えず、そして最
も好ましくは５００ｋＨｚを越えない。アノード１０か
らエミッタ２への電流は、エミッタ／アノードへの電流
を調整する電源供給装置１９によって制御される。

【００４３】開成と閉成ループフィードバックの連続に
よって維持されたプロセスの安定性は、次のように要約
される：・プラズマ発生装置へのＡｒとＯ_２ガスの一定流（開成
ループ）、・全体圧力本質の定数（質量流制御閉成フィードバック
ループ）、・放電電圧によって制御されたイオン電流（閉成ルー
プ）、・接地電圧に対するアノードの定数によって制御された
プラズマエネルギーであって：エミッタ温度／誘導加熱
電流（１７−閉成ループ）、エミッタから接地への電圧
（閉成ループの２電源供給装置１９、２０構造）。電源
供給装置２０は精巧に同調されたイオンエネルギーの手
段を提供するのに対し、供給装置１９はエミッタに電流
を供給する。電源供給装置１７、１９および２０は、真
空容器２１のように接地アースされている。アース接続
は、プラズマからの電子の帰還経路を提供する。２電源
供給装置１９、２０構造の種々の構造が、図４Ａ、４Ｂ
および４Ｃに示されたように可能であり、同様の部品に
は同様の参照符号が付されている。これらの構造は、容
器の構造と特定のプロセス応用に適合できる電子流用の
種々の帰還経路を提供する。・プラズマ中立化は、エミッタ２の温度と表面電界によ
って制御される。これらのパラメータは誘導コイル７の
電流と周波数によって最初に設定できる。・プラズマ分配は抽出電流（電磁石電流供給装置２２―
閉成ループ）によって設定され、磁気フラックス強度と
空間的分配を決定する。代表的な発生装置作動条件は：
誘導コイル―電流２００Ａ、周波数１０５ｋＨｚ、エミ
ッタ電流―４０Ａ、イオン流密度（発生装置から５００
ｍｍ）―代表的に０．４Ａ／ｃｍ^２、イオンエネルギー
―代表的に８０ｅＶである。

【００４４】光学的コーティングの補助された付着のた
めのプラズマ発生装置の使用は、以下に示される。図６
は、付着（電子銃から基板面への投射距離が５００ｍｍ
を使用した電子ビーム蒸着）中にプラズマの補助がある
ものとないものとのチタン酸化物（膜圧がほぼ２０００
Å）の伝達スペクトルを示しているチタン酸化物調整曲
線である。プラズマ補助を有する変調の増加は、増加さ
れた屈折率（５５０ｎｍでのプラズマ補助ありとなしと
の屈折率は、各２．２０と２．４０である）のためであ
る。増加された屈折率は、膜成長中の高密度化のためで
ある。

【００４５】図７は、基板面を交差する位置の関数とし
ての、プラズマ補助されたチタン酸化物の屈折率と径方
向位置を示している（図５と同様の蒸着方法と構造）。
プラズマ発生装置空間出力は、帽子（ｃａｌｏｔｔｅ）
全体を広く覆うように同調される。図８は、室温と２５
０℃で測定された、プラズマ補助されたシリカ／チタニ
ア高精度光学コーティング用の伝達スペクトルを示して
いる（図５と同様の蒸着方法および構造）。２５０℃で
２時間焼成したが、熱い間に測定した場合に光学的ドリ
フトは検知されなかった。完全な膜高密度化が達成され
たことを表わすスペクトル達成におけるドリフトはなか
った。上述した本発明は変更できることを理解してほし
い。例えば、電磁石は、永久磁石を含む磁界を生成する
ような他のいかなる適切な装置とでも置き換えることが
できる。さらに、誘導コイルは、誘導コイルと同様の機
能を達成するいかなる適切な装置と置き換えることがで
きる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、増加されたプラズマ発
生、制御および中立化を有するプラズマ発生装置によっ
て駆動される無線周波数エネルギーを提供できる。ま
た、従来におけるプラズマ発生装置の欠点および有害な
特徴を回避するプラズマ発生装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱電子放出と、フィールド補助放出および強フ
ィールドの特性を有するグラフ。

【図２Ａ】本発明によるプラズマ発生装置の実施例の概
略的断面図。

【図２Ｂ】図２Ａの一部分の分解図。

【図３】図１に示されたプラズマ発生装置用の電気的お
よび制御構造の実施例を示す概略図。

【図４Ａ】図１に示されたプラズマ発生装置用の電気的
および制御構造の他の実施例を示す概略図。

【図４Ｂ】図１に示されたプラズマ発生装置用の電気的
および制御構造の他の実施例を示す概略図。

【図４Ｃ】図１に示されたプラズマ発生装置用の電気的
および制御構造の他の実施例を示す概略図。

【図５】基板をコーティングまたはクリーニングするた
めの本発明による装置を示す概略図。

【図６】付着中にプラズマの補助があるものとないもの
とのチタン酸化物の伝達スペクトルを示すグラフ。

【図７】基板面を交差する位置の関数としての、プラズ
マ補助されたチタン酸化物の屈折率を示すグラフ。

【図８】プラズマ補助されたシリカ／チタニア高精度光
学コーティング用の伝達スペクトルを示す図。

【符号の説明】

２……エミッタ３……導管４……ベース５……指示部７……誘導コイル９……ベースプレート１０……アノード１２……ガス入力部１３……ガスリング２４……真空容器２７……基板２８……電磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマを生成するためのイオン化可能
なガス用の入力部と、ガスをイオン化するための電子を
生成する電子エミッタと、電子エミッタを少なくとも部
分的に取り囲んでいるＲＦ誘導コイルと、アノードとを
備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】高温に耐えることが可能な電気的絶縁材
料の円筒状の形成装置をさらに備えていて、エミッタが
この形成装置内に設けられていることを特徴とする請求
項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】エミッタは、絶縁形成装置内にある円の
周囲に配置された熱電子フィールド放出材料の複数の円
筒状の形状であることを特徴とする請求項２記載のプラ
ズマ発生装置。
【請求項４】取り外し可能なベースをさらに備えてい
て、このベースはガス入力部の少なくとも一部分を有す
ることを特徴とする請求項３記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】電子エミッタは、導電性の支柱によって
支持されていることを特徴とする請求項１、２、３また
は４いずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】誘電コイルは、エミッタを加熱するため
に操作可能であることを特徴とする請求項１ないし５い
ずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】誘電コイルは、水冷されていることを特
徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載のプラズマ
発生装置。
【請求項８】エミッタは、誘電コイルと形成装置内に
実質的に同心的に設けられていて、形成装置は誘導コイ
ル内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし
７いずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】誘導コイルは、プラズマの効果的な中立
化のための広いスペクトル電子の発生用に、形成装置内
でエネルギーを供給するために操作可能であることを特
徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載のプラズマ
発生装置。
【請求項１０】誘導コイルは、プラズマ発生の増加
と、エミッタ腐食を最小にするためのプラズマの制限の
ために、また、時間変更軸線的磁場を生成するために操
作可能であることを特徴とする請求項１ないし９いずれ
か１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】アノードは、エミッタから軸線的に離
間されていることを特徴とする請求項１ないし１０いず
れか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項１２】アノードのエミッタからの軸線的な離
間は、調整可能であることを特徴とする請求項１１記載
のプラズマ発生装置。
【請求項１３】アノードとカソードとの間の設けられ
たキャップをさらに備え、このキャップは変更可能な寸
法の開口部を有していることを特徴とする請求項１１ま
たは１２記載のプラズマ発生装置。
【請求項１４】アノードは、実質的に管状であること
を特徴とする請求項１ないし１３いずれか１項記載のプ
ラズマ発生装置。
【請求項１５】ガス用の二次的入力部をさらに有し、
この二次的入力部は、ガスを円筒状のアノード内の空間
内に噴射するように配置されていることを特徴とする請
求項１３または１４記載のプラズマ発生装置。
【請求項１６】アノードは、時間変化しない磁場を生
成することが可能な電磁石によって取り囲まれているこ
とを特徴とする請求項１ないし１５いずれか１項記載の
プラズマ発生装置。
【請求項１７】電磁石によって生成された時間変化し
ない磁場は、誘導された時間変化しない磁場から解析さ
れることを特徴とする請求項１０に従属する場合の請求
項１６記載のプラズマ発生装置。
【請求項１８】アノードと電磁石とは、形成装置によ
って支持されていることを特徴とする請求項２に従属す
る場合の請求項１６または１７記載のプラズマ発生装
置。
【請求項１９】電磁石は、アノード上を摺動して離
れ、誘導コイルからの変位に関して調整可能であること
を特徴とする請求項１６ないし１８いずれか１項記載の
プラズマ発生装置。
【請求項２０】電磁石は、コイルの形状であって、そ
の巻回数は、空間的に磁場を変更しそれによって基板面
でのプラズマ空間分配を変更するために、その長さに従
って変更されることを特徴とする請求項１６ないし１９
いずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２１】電磁石は、誘導コイルに結合された周
波数と位相であることを特徴とする請求項１６ないし２
０いずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２２】アノードとエミッタとは、別個の電気
供給装置を有していることを特徴とする請求項１ないし
２１いずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２３】別個の電気供給装置は、共通のアース
を有していることを特徴とする請求項２２記載のプラズ
マ発生装置。
【請求項２４】アノードの頂部に反応ガス入力部をさ
らに有していることを特徴とする請求項１ないし２３い
ずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２５】電子エミッタの少なくとも一部分は、
ドーム形状をしていることを特徴とする請求項１ないし
２４いずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２６】エミッタは、頂部がドーム状の円筒形
の形状であることを特徴とする請求項１ないし２５いず
れか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２７】エミッタは、平坦な頂部を有する幅と
高さが変更された円筒上の形状であって、それによって
放出された電子の空間分配が変更されることことを可能
にすることを特徴とする請求項１ないし２６いずれか１
項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２８】エミッタは、ダイアモンドでコーティ
ングされていることを特徴とする請求項１ないし２７い
ずれか１項記載のプラズマ発生装置。
【請求項２９】ダイアモンドは、侵入型炭化物接着層
を形成することが可能な金属上にコーティングされてい
ることを特徴とする請求項１ないし２８いずれか１項記
載のプラズマ発生装置。
【請求項３０】イオン化されたガスを電子エミッタと
接触するように流し、この電子エミッタは負の電位に保
持されていて；プラズマを生成するガスをイオン化する
エミッタから電子を生成するためのＲＦ誘導コイルを使
用して電子エミッタを加熱することを特徴とするプラズ
マ発生方法。
【請求項３１】誘導コイルは、プラズマの効果的な中
立化用に広いエネルギースペクトル電子を発生するため
に、形成装置内でエネルギーを供給するために操作され
ることを特徴とする請求項３０記載のプラズマ発生方
法。
【請求項３２】誘導コイルは、プラズマ発生を増加
し、エミッタ腐食を最小にするためにプラズマを制限す
るように、また、時間変更軸線的磁場を生成するために
操作されることを特徴とする請求項３０または３１記載
のプラズマ発生方法。
【請求項３３】アノードと電磁気的コイルは、エミッ
タの下流に設けられていて、誘導コイルによって生成さ
れた時間変化磁場から解析された電磁気的コイルを有す
る時間変化しない磁場を生成することをさらに備えたこ
とを特徴とする請求項３２記載のプラズマ発生方法。
【請求項３４】真空容器と；前記真空容器内に設けら
れていて、クリーニングまたは搬送されるべき基板を搬
送するのに適した基板搬送装置と；前記真空容器内に設
けられていて、コーティングまたはクリーニングするた
めの材料を発生するための手段と；前記真空容器内に設
けられた請求項１ないし２９いずれか１項記載のプラズ
マ発生装置とを備えたことを特徴とする基板をコーティ
ングまたはクリーニングするための装置。
【請求項３５】ダイアモンドでコーティングされた基
板を有するプラズマ、イオン、および電子の発生に使用
される形成装置。
【請求項３６】ダイアモンドは、ダイアモンドと侵入
型炭化物接着層を形成することが可能な金属上にコーテ
ィングされていることを特徴とする請求項３５記載の形
成装置。
【請求項３７】基板は、前記金属を有することを特徴
とする請求項３６記載の形成装置。
【請求項３８】金属は、基板へのコーティングとして
提供されることを特徴とする請求項３６記載の形成装
置。