JP2002075691A - Plasma generating equipment - Google Patents

Plasma generating equipment

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JP2002075691A
JP2002075691A JP2001136294A JP2001136294A JP2002075691A JP 2002075691 A JP2002075691 A JP 2002075691A JP 2001136294 A JP2001136294 A JP 2001136294A JP 2001136294 A JP2001136294 A JP 2001136294A JP 2002075691 A JP2002075691 A JP 2002075691A
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JP
Japan
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cathode
plasma generator
generator according
plasma
anode
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JP2001136294A
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Japanese (ja)
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Wang Nang Wang
ナン ワン ワン
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/02Details
    • H01J17/04Electrodes; Screens
    • H01J17/06Cathodes
    • H01J17/066Cold cathodes

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a life of a cathode and stability of plasma by lessening electric power of a whole plasma generating equipment, by reducing quantity of a material spattered by the ion impact from the cathode, and by lessening contamination of the discharging caused with this. SOLUTION: The plasma generating equipment has an anode 2 and the cathode 1, and the cathode is built or included with the material having a wide band gap. The anode is a pipe, and is detached to the cathode in axis direction, and an insulated sheath 5 is surrounding the cathode.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ発生装置に
係るものである。プラズマ発生装置では、低圧の放電ガ
スもしくは混合ガスを含んでいる調整環境内でカソード
とアノードとを相互に離している。これら二つの電極間
に十分な熱と電圧とを与えればガス中に電子放出が生
じ、放電と輻射とを生じる。通常は、輻射は主としてU
VもしくはVUVの範囲で生じる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generator. In a plasma generator, the cathode and the anode are separated from each other in a conditioned environment containing a low-pressure discharge gas or mixed gas. If sufficient heat and voltage are applied between these two electrodes, electron emission occurs in the gas, causing discharge and radiation. Usually, radiation is mainly U
Occurs in the V or VUV range.

【0002】[0002]

【従来の技術】プラズマ・デイスプレイの分野における
先行技術としては、米国特許第5705886号、米国
特許第5663611号及び欧州特許公開第07649
65号がある。
BACKGROUND OF THE INVENTION Prior art in the field of plasma displays includes U.S. Pat. No. 5,705,886, U.S. Pat. No. 5,663,611 and EP-A-07649.
There is No. 65.

【0003】図7を参照する。プラズマ発生装置は円形
の管状アノード・エンベロープ2と、カソード1と、外
側のソレノイド磁気コイル3とを備え、4は反応ガス入
り口を示している。アノード2はカソード1を直接包囲
している。全プラズマ発生装置はコーティング・チャン
バーの内側にある。矢Aの方向に流される放電ガスもし
くは混合ガスはアルゴン、ネオン、ヘリウムのような不
活性ガスから選択される。この装置の主な欠点は、カソ
ードをアノードが接近して包囲しているため正に荷電し
たイオンが直接衝撃することによりカソードをかなりス
パッタしてしまうことである。この装置は沈着材料とし
てカソードを使用するカソード・アーク沈着装置に非常
に似ている。
Referring to FIG. The plasma generator comprises a circular tubular anode envelope 2, a cathode 1, and an outer solenoidal magnetic coil 3, reference numeral 4 indicating a reaction gas inlet. The anode 2 directly surrounds the cathode 1. All plasma generators are inside the coating chamber. The discharge gas or mixed gas flowing in the direction of arrow A is selected from inert gases such as argon, neon, and helium. The main drawback of this device is that the close proximity of the anode to the cathode causes considerable bombardment of the cathode by direct bombardment of positively charged ions. This device is very similar to a cathodic arc deposition device using a cathode as the deposition material.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、正に帯電し
たイオンによるカソード1に対する直接衝撃を減少する
ことを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to reduce the direct impact of positively charged ions on cathode 1.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ発生装
置は、アノードとカソードとを備え、カソードはバンド
ギャップの広い材料からつくられており、アノードは管
状であってカソードに対して軸方向に離されていて、ア
ノードの少なくとも主部分はカソードを包囲しておら
ず、そしてカソードの周りを絶縁鞘が包囲しており、プ
ラズマ発生装置はコーティング・チャンバー内にあるこ
とを特徴とする。
The plasma generator of the present invention includes an anode and a cathode. The cathode is made of a material having a wide band gap, and the anode is tubular and is formed in an axial direction with respect to the cathode. A remote, at least a major portion of the anode does not surround the cathode, and an insulating sheath surrounds the cathode, wherein the plasma generator is in a coating chamber.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】本発明のプラズマ発生装置は、バ
ンドギャップが2eVよりも大きい、広いバンドギャッ
プの材料、例えばドープしたダイアモンド、AIN、G
aNもしくはAIGaInN合金からつくられた、もし
くはそのような材料を含んでいるカソードを使用する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The plasma generator of the present invention has a wide bandgap material, such as doped diamond, AIN, G, with a bandgap greater than 2 eV.
A cathode made from or containing an aN or AIGaInN alloy is used.

【0007】ダイアモンドに特に適しているドーピング
としては窒素、硫黄、燐もしくはホウ素+窒素の同時ド
ーピングがある。AlN、GaNもしくはAlGaIn
N合金に適しているドーピングとしては、珪素、亜鉛も
しくは珪素+亜鉛の同時ドーピングがある。
[0007] Dopings particularly suitable for diamond include the simultaneous doping of nitrogen, sulfur, phosphorus or boron and nitrogen. AlN, GaN or AlGaIn
Suitable doping for N alloys includes codoping of silicon, zinc or silicon + zinc.

【0008】そのようなカソードをつくるには、例えば
化学蒸着(CVD)、スパッタリング、分子ビームエポ
キシ技術もしくは水素化物蒸気の物理蒸発があり、他に
は大型結晶製作技術があり、そして例えば抵抗加熱もし
くは誘導加熱(ACもしくはRF)を利用して直接もし
くは間接に加熱し、主として熱放出によって電子をカソ
ードから放出させる。
[0008] To make such cathodes, there are, for example, chemical vapor deposition (CVD), sputtering, molecular beam epoxy techniques or physical evaporation of hydride vapors, other large crystal fabrication techniques and, for example, resistive heating or Direct or indirect heating is performed using induction heating (AC or RF), and electrons are emitted from the cathode mainly by heat emission.

【0009】そのようなカソードとアノードとに電圧を
かけて主として電界放出によりカソードから電子を放出
させる。金属カソード電極と対照してみると、本発明の
デバイスにおけるカソードをイオン衝撃すると高められ
た電子の二次放射を生じる。
A voltage is applied to such a cathode and an anode to emit electrons from the cathode mainly by field emission. In contrast to metal cathode electrodes, ion bombardment of the cathode in the device of the present invention results in enhanced secondary emission of electrons.

【0010】大抵の他の材料と比較してダイアモンドの
物理的特性の大きさは、所与の特性に対し既知の値の最
小もしくは最大のどちらかを表している.。電気的用途
としてのダイアモンドの有効性はこれらの最大値もしく
は最小値の選択的組み合わせから生じる。以下の表に電
気的な用途に適しているダイアモンドの選択した特性を
挙げる。CVDダイアモンドは単一結晶の大きいダイア
モンドとほぼ同じ特性を有し、そして同時に商業的な大
量生産の可能性を示しており、そのようなCVDダイア
モンドはダイアモンドが電気的用途としての市場性を高
める大きな機会を示している。
The magnitude of the physical properties of diamond, as compared to most other materials, represents either a minimum or a maximum of a known value for a given property. The effectiveness of diamond for electrical applications results from a selective combination of these maximums or minimums. The following table lists selected properties of diamond that are suitable for electrical applications. CVD diamond has almost the same properties as large single crystal diamonds, and at the same time has shown the potential for commercial mass production, and such CVD diamonds have a large potential for increasing the marketability of diamonds for electrical applications. Indicates an opportunity.

【0011】[0011]

【表1】 [Table 1]

【0012】ダイアモンドの最も興味をそそられる特性
の一つは、それの(111)面のいわゆる負電子親和性
(NEA)である。電子親和性が弱いのでダイアモンド
・フイルムは0.5V/μmという弱い電界で電子を放
出する。(111)面はNEAを呈するばかりでなく、
それは原子状態の酸素、原子状態の水素、空気もしくは
水に曝すとそれのカソード特性を毒することに対し非常
に高い抵抗性を示す。ダイアモンドカソードに意図的に
アークを生じさせてもそれのNEA特性を破壊すること
はできない。(111)配向のダイアモンドチップのス
パッタリング量は少なく、そしてエミッション・デバイ
スとしての寿命は長い。ダイアモンドは、<111>方
向に沿って最小エネルギーがある間接的なバンドギャッ
プ半導体であり、そしてダイアモンドの放射密度は大抵
の半導体の10倍(10A/cm)である。(11
1)面に接して放射される電子はほぼ単一エネルギーで
あることは確認されており、そしてこのことが真空マイ
クロエレクトロニクスにおいて電子ビームノイズを減少
させるのに非常に有用であることが証明されることにな
るかもしれない。ダイアモンドにおける電子とホールと
の両方のハイ・フイールド・ドリフト速度(high-field
drift-velocities)は他の材料のそれを凌駕する。電
子運動能は珪素のそれを超え、そしてホールの運動量を
超えるのはゲルマニウムだけである。非常に高い絶縁強
度、高い熱伝導率、(輻射の小さい捕捉断面と超えるも
ののない電荷キャリヤー速度の結果としての)高い輻射
ハードネスによってパワーの大きい、性能の高いプラズ
マ発生カソードとしてダイアモンドは金属と比較しう
る、もしくは金属より優れていると考えられる。
One of the most intriguing properties of diamond is the so-called negative electron affinity (NEA) of its (111) plane. Since the electron affinity is weak, the diamond film emits electrons in a weak electric field of 0.5 V / μm. The (111) plane not only exhibits NEA,
It has a very high resistance to poisoning its cathodic properties when exposed to atomic oxygen, atomic hydrogen, air or water. Intentional arcing of the diamond cathode cannot destroy its NEA properties. The amount of sputtering of the (111) oriented diamond tip is small, and the lifetime as an emission device is long. Diamond is an indirect bandgap semiconductor with minimal energy along the <111> direction, and the emission density of diamond is ten times that of most semiconductors (10 6 A / cm 2 ). (11
1) The electrons emitted on the surface have been found to be nearly mono-energy, and this has proven to be very useful in vacuum microelectronics to reduce electron beam noise. It might be. High-field drift velocities (both electron and hole) in diamond
Drift-velocities surpass that of other materials. Electron motility exceeds that of silicon, and only germanium exceeds the momentum of holes. As a high-performance, high-performance plasma-generating cathode due to very high dielectric strength, high thermal conductivity, and high radiant hardness (as a result of low radiation capture cross-sections and unsurpassed charge carrier velocities), diamond compares to metal. Or better than metal.

【0013】本発明によるプラズマ発生装置はアノード
とカソードとを備え、カソードはバンドギャップの広い
材料からつくられており、アノードは管状であってカソ
ードに対して軸方向に離されていて、アノードの少なく
とも主部分はカソードを包囲しておらず、そしてカソー
ドの周りには絶縁鞘が包囲しており、プラズマ発生装置
はコーティング・チャンバー内にある。アノードはカソ
ードを包囲していないことが好ましい。
A plasma generator according to the present invention comprises an anode and a cathode, the cathode being made of a material having a wide band gap, the anode being tubular and being axially spaced from the cathode, and having At least a major portion does not surround the cathode, and an insulating sheath surrounds the cathode, and the plasma generator is in a coating chamber. Preferably, the anode does not surround the cathode.

【0014】前記のバンドギャップの広い材料のバンド
ギャップは2eVよりも大きいことが好ましい。
ドープしたダイアモンド;またははCVDドープし
たダイアモンド;またはZn、SiもしくはZn+Si
でドープしたGaN、AlNもしくはAlGaInN合
金;または他のドープした窒化物、ホウ化物もしくは酸
化物からカソードをつくれる。
It is preferable that the material having a wide band gap has a band gap larger than 2 eV.
Doped diamond; or CVD doped diamond; or Zn, Si or Zn + Si
The cathode can be made from GaN, AlN or AlGaInN alloys doped with N; or other doped nitrides, borides or oxides.

【0015】カソードはドープしたバンドギャップの広
い材料からつくられているか、もしくはそのような材料
を含んでいる自由直立のデバイスである。カソードは金
属フレームとこのフレーム上のドープされたバンドギャ
ップの広い材料の層とを備えている。前記の金属は耐熱
性金属もしくはバンドギャップの広い材料によく接着す
る金属である。この場合、バンドギャップの広い材料が
ドープされたダイアモンドであり、金属はタングステ
ン、モリブデンもしくはタンタルである。カソードはド
ームの形、管の形もしくはキャップの形となっている。
[0015] The cathode is a free-standing device made of, or containing, a wide bandgap doped material. The cathode comprises a metal frame and a layer of doped wide bandgap material on the frame. The metal is a heat-resistant metal or a metal that adheres well to a material having a wide band gap. In this case, the wide band gap material is doped diamond and the metal is tungsten, molybdenum or tantalum. The cathode is in the form of a dome, tube or cap.

【0016】プラズマ発生装置は、外側のソレノイド磁
気コイルと、一次放電ガスもしくは混合ガスと二次反応
ガスもしくは混合ガスとを供給する手段とを含んでい
る。そのようなプラズマ発生装置はプラズマの均一性を
高めるためのプラズマの磁気ホモジナイザを含んでい
る。
The plasma generator includes an outer solenoidal magnetic coil and means for supplying a primary discharge gas or mixed gas and a secondary reaction gas or mixed gas. Such plasma generators include a magnetic homogenizer for the plasma to enhance the uniformity of the plasma.

【0017】鞘は石英もしくは高温セラミック材料から
つくられている,もしくは含んでいる。
The sheath is made of or contains quartz or a high temperature ceramic material.

【0018】カソードは直流電流により直接加熱されて
いるか、もしくは誘導無線周波数信号により直接加熱さ
れている、または二次抵抗ヒータにより間接的に加熱さ
れている。
The cathode is heated directly by a direct current, or directly by an inductive radio frequency signal, or indirectly by a secondary resistance heater.

【0019】電子がバンドギャップの広い材料の障壁を
超えれるレベルにカソードの温度が到達するときカソー
ドから電子が放出され、電子放出は主として熱放射であ
り、電子放出の少ない部分が電界放射であることが好ま
しい。
When the temperature of the cathode reaches a level at which the electrons exceed the barrier of the material having a wide bandgap, electrons are emitted from the cathode. The electron emission is mainly thermal radiation, and the part with less electron emission is electric field radiation. Is preferred.

【0020】アノードとカソードとに有効なバイアス電
圧をかけることによりカソードを電界放出エミッターと
して働かせることもある。
The cathode may act as a field emission emitter by applying an effective bias voltage to the anode and the cathode.

【0021】アノードとカソードとを直流電源に接続し
て放電電圧と電流とを制御する。
The anode and the cathode are connected to a DC power supply to control a discharge voltage and a current.

【0022】磁気ホモジナイザはプラズマ出口の頂部の
円形マルチカスプである。
The magnetic homogenizer is a circular multi-cusp at the top of the plasma outlet.

【0023】本発明のプラズマ発生装置は他の材料蒸発
装置、例えば電子ビーム蒸発装置、熱蒸発装置もしくは
スパッタリング装置と組み合わせて使用できる。
The plasma generator of the present invention can be used in combination with another material evaporator, for example, an electron beam evaporator, a thermal evaporator or a sputtering device.

【0024】本発明の実施態様を図面に示して以下に説
明する。図1を参照する。本発明の実施例であるプラズ
マ発生装置は円形の管状アノード・エンベロープ2、カ
ソード1そして外側のソレノイド磁気コイル3を有す
る。アノードは図に示すように、カソードより上にあっ
てカソードに対して軸方向に離されており(アノードの
どの部分もカソードを包囲していない)、それの絶縁鞘
5は石英もしくは高温セラミック材料からつくられてい
る。全プラズマ発生装置はコーティング・チャンバーの
内側にある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Please refer to FIG. A plasma generator according to an embodiment of the present invention has a circular tubular anode envelope 2, a cathode 1, and an outer solenoidal magnetic coil 3. The anode is above the cathode and axially spaced from the cathode as shown in the figure (no part of the anode surrounds the cathode), and its insulating sheath 5 is made of quartz or high temperature ceramic material. It is made from All plasma generators are inside the coating chamber.

【0025】カソードは直流によって直接加熱されるこ
ともできるし、無線周波数で誘導加熱されることもで
き、又は二次抵抗ヒーターを使って間接的に加熱される
こともできる。
The cathode can be heated directly by direct current, can be induction heated at radio frequency, or can be heated indirectly using a secondary resistance heater.

【0026】バンドギャップの広い材料の障壁を電子が
超えれるレベルにカソードの温度が到達するとカソード
から電子が放出される。この電子放出は主として熱放射
によるのであって、電界放射は僅かである。カソード1
は、カソードとアノードとにバイアス電圧をかけるだけ
で電界放出する。矢Aの方向に流される一次放電ガスも
しくは混合ガスはアルゴン、ネオン、ヘリウムのような
不活性ガスから選択され、その圧力は1トルよりも大き
く、好ましくは約10−6トルと20トルとの間であ
る。電極1,2は放電電圧と電流とを調整するため直流
電源に接続されている。アルゴン、ネオン、ヘリウムの
ような不活性ガスから選択された二次放電ガスもしくは
混合ガスは矢Bの方向にコイル3の開口10とアノード
2の開口11を介して流される。
When the temperature of the cathode reaches a level at which electrons can exceed the barrier of a material having a wide band gap, electrons are emitted from the cathode. This electron emission is mainly due to thermal radiation, and the electric field radiation is slight. Cathode 1
Emits electric field only by applying a bias voltage to the cathode and the anode. The primary discharge gas or gas mixture flowing in the direction of arrow A is selected from inert gases such as argon, neon, helium, and the pressure is greater than 1 Torr, preferably between about 10 -6 Torr and 20 Torr. Between. The electrodes 1 and 2 are connected to a DC power supply for adjusting the discharge voltage and the current. A secondary discharge gas or mixed gas selected from an inert gas such as argon, neon, or helium flows through the opening 10 of the coil 3 and the opening 11 of the anode 2 in the direction of arrow B.

【0027】アノード2と鞘5とを変えて図7の形を変
更し、正にバイアスしたアノード2に近接したことから
生じるカソード1への正に荷電したイオンによる直接衝
撃を減らす。
The shape of FIG. 7 is modified by changing the anode 2 and the sheath 5 to reduce the direct impact of positively charged ions on the cathode 1 resulting from the proximity to the positively biased anode 2.

【0028】ソレノイド磁気コイル3はカソード1から
放出される電子に効果的に作用し、そしてカソード1か
ら上方に流れる電離した放電ガスが螺旋運動となって電
子を運ぶ。反応ガス入り口4(アノード2の頂部にあ
る)は酸素もしくは窒素のような反応ガスもしくは混合
ガスを出し、電離した不活性ガスもしくは混合ガスとエ
ネルギーの高い電子と反応させる。この強烈なイオン束
を使って二次源からつくられた材料のフイルムの沈着を
助ける。円形の磁気マルチカスプ・ホモジナイザ6をプ
ラズマ出口の頂部に配置して、プラズマの均一性を増進
させる。
The solenoid magnetic coil 3 effectively acts on the electrons emitted from the cathode 1, and the ionized discharge gas flowing upward from the cathode 1 carries the electrons in a spiral motion. The reaction gas inlet 4 (at the top of the anode 2) emits a reaction gas or a mixed gas such as oxygen or nitrogen and reacts with the ionized inert gas or the mixed gas with high energy electrons. This intense ion flux helps deposit films of materials made from secondary sources. A circular magnetic multi-cusp homogenizer 6 is placed on top of the plasma outlet to enhance plasma uniformity.

【0029】カソード1に適しているバンドギャップの
広い材料(バンドギャップが2eVより大きい)の一例
は、ドープされたダイアモンドのフイルムであり、カソ
ードをつくるこのダイアモンドは従来のカソード材料と
比較して非常に大量の二次電子を創出する。このことが
意味していることは、プラズマ発生装置におけるカソー
ド降下電圧が少なくなり、それにより装置の全体の電力
を少なくできると言うことである。このことがイオン衝
撃によりカソードからスパッタされる材料の量を少なく
し,それにより放電の汚染を少なくする。スパッタリン
グによるカソード材料の損失が少ないと言うことがカソ
ードの寿命とプラズマの安定性とを改善する。また、ダ
イアモンドの熱伝導率は非常に高いので、間接もしくは
直接加熱機構によりつくられる熱はカソード全体に均一
且つ迅速に伝わる。
One example of a wide bandgap material (bandgap greater than 2 eV) that is suitable for cathode 1 is a doped diamond film, which is a very useful material for making cathodes compared to conventional cathode materials. Creates a large amount of secondary electrons. This means that the cathode voltage drop in the plasma generator is reduced, thereby reducing the overall power of the device. This reduces the amount of material sputtered from the cathode by ion bombardment, thereby reducing discharge contamination. Less cathode material loss due to sputtering improves cathode life and plasma stability. Also, the thermal conductivity of diamond is so high that the heat generated by the indirect or direct heating mechanism is transmitted uniformly and quickly throughout the cathode.

【0030】イオン衝撃によりつくられた熱もカソード
全体に迅速に伝えられる。この高い熱伝導率はカソード
の全表面に亘り均一な電子放射を生じさせる。
The heat generated by ion bombardment is also quickly transmitted to the entire cathode. This high thermal conductivity results in a uniform electron emission over the entire surface of the cathode.

【0031】図2a、2bを参照する。ドープした広い
バンドの材料からつくられたカソード1は円管の形とな
っている。このカソードはアノードの中に軸方向に取付
けられ、そしてそれらの間の電気路を使って所望のバイ
アス電圧をかける。図2a、2bのカソード1もドープ
した、バンドギャップの広い材料の層で皮膜した金属フ
レームからつくられている。この金属フレームはスプリ
ング形式のコイルもしくは編んだ金属線でよい。
Referring to FIGS. 2a and 2b. Cathode 1 made from a doped wide band material is in the form of a tube. The cathode is mounted axially within the anode and uses the electrical path between them to apply the desired bias voltage. The cathode 1 of FIGS. 2a, 2b is also made of a metal frame coated with a layer of a doped, wide bandgap material. The metal frame may be a spring-type coil or a braided metal wire.

【0032】カソード1は様様な形にでき、例えば図3
a、3bではカソードはキャップの形となっており、図
4a、4bではカソードはドームの形となっている。
The cathode 1 can be formed in various shapes, for example, as shown in FIG.
In FIGS. 4a and 4b, the cathode is in the form of a dome and in FIGS. 4a and 4b the cathode is in the form of a dome.

【0033】図5a、5bではカソードは、間隙8を四
角い柱7と柱7との間にあけて円形に配置したフエンス
の形となっている。カソード柱の上端と下端とに電気コ
ンタクトを取り付ける。電気コンタクトはカソードの機
械的な支持体となっている。
In FIGS. 5a and 5b, the cathode is in the form of a fence with a gap 8 between the square pillars 7 and the pillars 7 arranged in a circle. Attach electrical contacts to the top and bottom ends of the cathode pole. The electrical contacts provide the mechanical support for the cathode.

【0034】他にも様様な形のカソードがあることを理
解されよう。そのような例として、湾曲した管もしくは
波形がある。
It will be appreciated that there are other different forms of cathode. Such examples include curved tubes or corrugations.

【0035】図6は磁気マルチカスプ・ホモジナイザ6
の構成を詳細に示す。この磁気マルチカスプ・ホモジナ
イザ6はプラズマ発生装置と基板との間にある。磁気マ
ルチカプスの電界が加えられるとプラズマ分布を均一と
する。磁気マルチカスプは図6に示すように、交互に極
付けされた磁石9によりつくられた磁界である。この磁
石はマルチカスプの境界で強い磁界をつくるが、内部領
域では殆ど磁界はない。プラズマの分散はその内部領域
で平らなプラズマ輪郭となるが、縁の強い磁界により横
への分散は少なくされ、このことによりプラズマはマル
チカスプ内に封じ込められる。磁界強度が410mTの
SmCoと、1eVの電子温度とを使った例では、磁界
に垂直な1m/s程度のイオン・ドリフト速度を得た。こ
れは磁界のない領域において向きを持ったイオン速度と
ドリフト速度の4分の1であり、磁気マルチカスプの内側
領域内にプラズマを非常に効果的に封じ込めたと言え
る。直径22cmのマルチカスプ・ホモジナイザをつく
るには30個のSmCo磁石を配列すれば足りる。
FIG. 6 shows a magnetic multi-cusp homogenizer 6.
Will be described in detail. The magnetic multi-cusp homogenizer 6 is located between the plasma generator and the substrate. When the electric field of the magnetic multicaps is applied, the plasma distribution is made uniform. The magnetic multi-cusp is a magnetic field created by alternately poled magnets 9 as shown in FIG. This magnet creates a strong magnetic field at the boundary of the multi-cusp, but there is almost no magnetic field in the inner region. The dispersion of the plasma results in a flat plasma profile in its interior region, but the lateral magnetic field is reduced by the strong magnetic field at the edges, whereby the plasma is confined within the multi-cusp. In the example using SmCo having a magnetic field strength of 410 mT and an electron temperature of 1 eV, an ion drift velocity perpendicular to the magnetic field of about 1 m / s was obtained. This is one-fourth of the directed ion velocity and drift velocity in the region without magnetic field, and it can be said that the plasma was very effectively contained in the region inside the magnetic multi-cusp. To make a multi-cusp homogenizer having a diameter of 22 cm, it is sufficient to arrange 30 SmCo magnets.

【0036】[0036]

【発明の効果】このように本発明では、アノードがカソ
ードに対し軸方向に離されていてアノードの少なくも主
部分はカソードを包囲していないから、正に帯電したイ
オンがカソードを直接衝撃することが減り、カソード材
料の損失を抑制してカソードの寿命とプラズマの安定性
が向上するという効果を生じる。
As described above, in the present invention, since the anode is axially separated from the cathode and at least the main portion of the anode does not surround the cathode, positively charged ions directly impact the cathode. This has the effect of suppressing the loss of cathode material and improving the life of the cathode and the stability of plasma.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を実施したプラズマ発生装置の断面図で
ある。
FIG. 1 is a sectional view of a plasma generator embodying the present invention.

【図2a】図2aは図1のプラズマ発生装置のカソード
の一部縦断面図である。
FIG. 2a is a partial longitudinal sectional view of a cathode of the plasma generator of FIG. 1;

【図2b】図2bは図1のプラズマ発生装置のカソード
の横断面図である。
FIG. 2b is a cross-sectional view of the cathode of the plasma generator of FIG. 1;

【図3a】本発明の別の実施例におけるカソードの一部
縦断面図である。
FIG. 3a is a partial longitudinal sectional view of a cathode according to another embodiment of the present invention.

【図3b】本発明の別の実施例におけるカソードの横断
面図である。
FIG. 3b is a cross-sectional view of a cathode according to another embodiment of the present invention.

【図4a】本発明の別の実施例におけるカソードの一部
縦断面図である。
FIG. 4a is a partial longitudinal sectional view of a cathode according to another embodiment of the present invention.

【図4b】本発明の別の実施例におけるカソードの横断
面図である。
FIG. 4b is a cross-sectional view of a cathode according to another embodiment of the present invention.

【図5a】本発明の別の実施例におけるカソードの一部
縦断面図である。
FIG. 5a is a partial longitudinal sectional view of a cathode according to another embodiment of the present invention.

【図5b】本発明の別の実施例におけるカソードの横断
面図である。
FIG. 5b is a cross-sectional view of a cathode according to another embodiment of the present invention.

【図6】図1のプラズマ発生装置において、その基板と
アノードとの間に位置する磁気マルチカスプ・ホモジナ
イザの頂部断面図である。
6 is a top sectional view of a magnetic multi-cusp homogenizer located between the substrate and the anode in the plasma generator of FIG. 1;

【図7】従来例のプラズマ発生装置の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a conventional plasma generator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:カソード 2:アノード 3:ソレノイド磁気コイル 4:開口 5:絶縁鞘 6:マルチカスプ・ホモジナイザ 1: Cathode 2: Anode 3: Solenoid magnetic coil 4: Opening 5: Insulating sheath 6: Multi-cusp homogenizer

フロントページの続き (72)発明者 ワン ナン ワン イギリス国 ビーエー3 6ジェーダブリ ュウ バース、 リンプリーストーク、ミ ッドフォード レーン、マート レッツ (無番地) Fターム(参考) 4G075 AA24 BC02 CA13 CA15 CA25 DA02 EB21 EB41 EC10 EC21 EE23 FB02 FB03 FB04 FC11Continued on the front page (72) Inventor Wang Nang Wang United Kingdom BIA3 6 Jedabrow Bath, Limpley Stoke, Midford Lane, Mart Let's (no address) F-term (reference) 4G075 AA24 BC02 CA13 CA15 CA25 DA02 EB21 EB41 EC10 EC21 EE23 FB02 FB03 FB04 FC11

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノードとカソードとを備え、カソード
はバンドギャップの広い材料からつくられており、アノ
ードは管状であってカソードに対して軸方向に離されて
いて、アノードの少なくとも主部分はカソードを包囲し
ておらず、そしてカソードの周りを絶縁鞘が包囲してお
り、プラズマ発生装置はコーティング・チャンバー内に
あることを特徴としたプラズマ発生装置。
An anode and a cathode, wherein the cathode is made of a wide bandgap material, the anode is tubular and is axially spaced from the cathode, and at least a major portion of the anode is a cathode. , And an insulating sheath surrounding the cathode, wherein the plasma generator is in a coating chamber.
【請求項2】 アノードがカソードを包囲していない請
求項1に記載のプラズマ発生装置。
2. The plasma generator according to claim 1, wherein the anode does not surround the cathode.
【請求項3】 前記のバンドギャップの広い材料のバン
ドギャップは2eVよりも大きい請求項1に記載のプラ
ズマ発生装置。
3. The plasma generator according to claim 1, wherein a band gap of the wide band gap material is larger than 2 eV.
【請求項4】 ドープしたダイアモンド;またははCV
Dドープしたダイアモンド;またはZn、Siもしくは
Zn+SiでドープしたGaN、AlNもしくはAlG
aInN合金;または他のドープした窒化物、ホウ化物
もしくは酸化物からカソードをつくった請求項1に記載
のプラズマ発生装置。
4. Doped diamond; or CV
D-doped diamond; or GaN, AlN or AlG doped with Zn, Si or Zn + Si
The plasma generator of claim 1, wherein the cathode is made from an aInN alloy; or another doped nitride, boride or oxide.
【請求項5】 カソードはドープしたバンドギャップの
広い材料からつくられているか、もしくはそのような材
料を含んでいる自由直立のデバイスである請求項1に記
載のプラズマ発生装置。
5. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode is a free-standing device made of a doped wide bandgap material or containing such a material.
【請求項6】 カソードは金属フレームとこのフレーム
上のドープされたバンドギャップの広い材料の層とを備
えている請求項1に記載のプラズマ発生装置。
6. The plasma generator of claim 1, wherein the cathode comprises a metal frame and a layer of a wide bandgap material doped on the frame.
【請求項7】 前記の金属は耐熱性金属もしくはバンド
ギャップの広い材料によく接着する金属である請求項6
に記載のプラズマ発生装置。
7. The metal according to claim 6, wherein the metal is a heat-resistant metal or a metal which adheres well to a material having a wide band gap.
3. The plasma generator according to claim 1.
【請求項8】 バンドギャップの広い材料がドープされ
たダイアモンドであり、金属がタングステン、モリブデ
ンもしくはタンタルである請求項7に記載のプラズマ発
生装置。
8. The plasma generator according to claim 7, wherein the material having a wide band gap is doped diamond, and the metal is tungsten, molybdenum or tantalum.
【請求項9】 カソードがドームの形となっている請求
項1に記載のプラズマ発生装置。
9. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode has a dome shape.
【請求項10】 カソードが管の形となっている請求項
1に記載のプラズマ発生装置。
10. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode is in the form of a tube.
【請求項11】 カソードがキャップの形となっている
請求項1に記載のプラズマ発生装置。
11. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode is in the form of a cap.
【請求項12】 外側のソレノイド磁気コイルと、一次
放電ガスもしくは混合ガスと二次反応ガスもしくは混合
ガスとを供給する手段とを含んでいる請求項1に記載の
プラズマ発生装置。
12. The plasma generating apparatus according to claim 1, further comprising an outer solenoid magnetic coil, and means for supplying a primary discharge gas or a mixed gas and a secondary reaction gas or a mixed gas.
【請求項13】 プラズマの均一性を高めるためのプラ
ズマの磁気ホモジナイザを含む請求項12に記載のプラ
ズマ発生装置。
13. The plasma generating apparatus according to claim 12, further comprising a magnetic homogenizer for plasma for improving plasma uniformity.
【請求項14】 鞘が石英もしくは高温セラミック材料
からつくられている、もしくは含んでいる請求項1に記
載のプラズマ発生装置。
14. The plasma generator according to claim 1, wherein the sheath is made of or includes quartz or a high temperature ceramic material.
【請求項15】 カソードが直流電流により直接加熱さ
れている請求項1に記載のプラズマ発生装置。
15. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode is directly heated by a direct current.
【請求項16】 カソードが誘導無線周波数信号により
直接加熱されている請求項1に記載のプラズマ発生装
置。
16. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode is directly heated by the induction radio frequency signal.
【請求項17】 カソードが二次抵抗ヒータにより間接
的に加熱されている請求項1に記載のプラズマ発生装
置。
17. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode is indirectly heated by a secondary resistance heater.
【請求項18】 電子がバンドギャップの広い材料の障
壁を超えれるレベルにカソードの温度が到達するときカ
ソードから電子が放出され、電子放出は主として熱放射
であり、電子放出の少ない部分が電界放射である請求項
1に記載のプラズマ発生装置。
18. The cathode emits electrons when the temperature of the cathode reaches a level at which the electrons cross a barrier of a material having a wide bandgap. The electrons are mainly emitted by heat, and a portion having less electron emission is emitted by electric field emission. The plasma generator according to claim 1, wherein
【請求項19】 アノードとカソードとに有効なバイア
ス電圧をかけることによりカソードを電界放出エミッタ
ーとして働かせる請求項1に記載のプラズマ発生装置。
19. The plasma generator according to claim 1, wherein the cathode acts as a field emission emitter by applying an effective bias voltage to the anode and the cathode.
【請求項20】 アノードとカソードとを直流電源に接
続して放電電圧と電流とを制御する請求項1に記載のプ
ラズマ発生装置。
20. The plasma generator according to claim 1, wherein the anode and the cathode are connected to a DC power supply to control a discharge voltage and a current.
【請求項21】 磁気ホモジナイザがプラズマ出口の頂
部の円形マルチカスプである請求項13に記載のプラズ
マ発生装置。
21. The plasma generator according to claim 13, wherein the magnetic homogenizer is a circular multi-cusp at the top of the plasma outlet.
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