JP2012521627A - ターゲットに電子流を導くプラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

空洞（６）を有し、カソードとして機能するように構築される中空エレメント（５）を備える装置（１）と、前記中空エレメント（５）の空洞（６）内に少なくとも部分的に配置される前記主電極（７）と、前記主電極（７）を電気的に接地する抵抗（１２）と、カソードの壁を通じて延伸する実質的に誘電体からなるチューブ状素子（２１）と、 接地され、チューブ状素子（２１）の周囲に配置されたリング形状アノード（２５）と、カソード（５）に電気的に接続され、約１０nsで少なくとも８ＫＶのカソードの電位を減少可能な前記活性化グループ（１１）とを備え、プラズマを生成しターゲット（３）に向かって電子流を導くための装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを生成するためのデバイスと、そのデバイスを備える装置および支持部上で材料層に適用される方法に関する。電子のパルス・フローは、基板上の特定材料の薄層に用いるために現在使用される。この種の技術は、現在、マイクロチップの生産のために、電子分野で特に有利なアプリケーションであると考える。

薄層を生産するための電子のパルス・フローを生成するための種々の実験システムは、既に知られている。しかしながら、我々が知っている限り、たった２つのシステムだけが工業的用途を見つけた。

これらのシステムは、チャネル・スパーク・アブレーションと称されるプロセスに基づく。これらのシステムでフロー生成は、上昇しない電位差（３０ｋＶ未満）を用いることによって、希薄なガスの中で生成されたプラズマから電子を抽出することにより発生する。

チャネル・スパーク・アブレーションのプロセスに用いられる既知の装置の例は、図８および９に示され、特許文献１で開示されている。特に、既知の装置Ａは、中空の円筒形状を有する金属カソードＢを備え、電気的供給装置Ｃが電気的に接続される。

陰極Ｂに接続された、誘電材料（グラスおよび／または、セラミックス）からなる密封したアンプルＤおよび、補助電極Ｅは、アンプルＤの内部（図８）あるいは外部（図９）を配置される。

装置Ａは、さらに、誘電材料からなる毛細管Ｆを備えて、アンプルＤに関しては、対向面の陰極Ｂから飛び出し、また毛細管Ｆの近くで、リング形状のアノードＧは陰極Ｂの外側に配置される。

使用において、陰極Ｂは、比較的高い負電位（すなわち、陰電荷に帯電した）が保持される。電気的パルスが、補助電極Ｅ（例えば前記電極が設置されることによる）上で発生する場合、陰極Ｂの内部に帯電した正電荷が生じて変化し、グロー放電が引き起こされる。

正電荷は、電子放出によって帳消しされる。その後、それは毛細管Ｆ内でアノードＧに向かって加速される。電子は、外部へ向うそれらの運動中に、さらに分子をイオン化し、それにより、さらに電子（二次電子と呼ばれる）を生産する。

電子は、陰極Ｂ内で生産され、また、二次電子は、ターゲットＨに向かい毛細管Ｇから送出される。前述した種類の既知の装置は、いくつかの不都合を有している。しかしその中で、例えば、装置は、アンプルＦおよび陰極Ｂの存在のために比較的細長く、従って嵩張っている。

− 装置は比較的容易に破損される場合がある；アンプルＤは、金属材料で形成されていた他のコンポーネントよりはるかに脆弱な誘電体材料で形成されている。
− 装置は製造が難しい。アンプルＤの中への補助電極Ｅの液体漏れ無し挿入は、アンプルＤの虚弱性なので非常に困難である。
− 装置は、低密度電子流（密度は、補助電極ＥがアンプルＤの外側に配置された時に、特に低い）を放射する。これは、薄い層の生成時間の適切な増加を引き起こす。

− 装置はほとんど制御可能ではない。陰極Ｂは、長期間に亘り電荷を保持することを考えれば、陰極ＢとアノードＧの間の自発放電の発生の可能性がある。
ナカガワ等による非特許文献１ では、さらに、全ての記載された欠点を有する前述した装置に類似する装置が提案されている。特に、引用された記事の装置は、ガラス製アンプルに取り付けられた真鍮製管式のカソードを備えている。また、補助電極は、カソードの完全に外側のアンプル内に配置される。

この装置は、「中空カソード放電」（１１ページ第２のカラムの６行目）と称されるものを使用する；言い換えれば、アンプルの内部におけるグロー放電は、そのグロー放電は、低密度電子を有して生成される。この装置の構造、機能化および、不都合は、これらの記述と類似している特許文献２によって開示されている。

特許番号Ｗ０２００６／１０５９５５Ａ２ 特許番号ＵＳ２００５／０１２４４１

論文（「チャネルスパーク放電によるパルス高密度電子ビームの生成」（日本の電気系技術者の学会会報：TRANSACTIONS OF THE INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS OF JAPAN, PART A INST. ELECTR. ENG JAPAN, vol. 120-A, no. 4, 2000年4月, 391-397頁, XP002553605 ISSN: 0385-4205)

本発明の目的は、支援材料層を提供するための装置および方法で、従来技術の課題を少なくとも部分的に打開することを可能にして、且つ容易に安価にプラズマ生成用の装置を提供することである。

本発明に従えば、好ましくは、独立クレーム自体またはこの独立クレームに従属する従属クレームのいずれかおいて、独立クレームに記述されたことに従った立証で材料の層を供給するための装置および、方法でプラズマを生成するための装置を提供する。

図１は、本発明に従った装置およびデバイスの概要を示す図である。 図２は、本発明に従ったデバイスの一部分の遠近による側面図である。 図３は、図２に示すデバイスの分解された構成要素の遠近による図である。 図４は、図２に示すデバイスの分解された構成要素の遠近による側面図である。 図５は、図２に示すデバイスの構成要素（主電極）の遠近による側面図である。 図６は、図２に示すデバイスの構成要素（カソード電極）の対向する側面の観察図である。 図７は、図２に示すデバイスの構成要素（カソード電極）の対向する側面の観察図である。 図８は、先行技術に属する装置を示す図である。 図９は、先行技術に属する装置を示す図である。

本発明は、以下の添付された図面を参照すると共に、いくつかの限定されない実施形態について説明する。図１の参照符号１は、特殊材料を造るための装置の全体を示す図である。

この装置１は、プラズマ（つまり希薄気体の少なくとも部分的なイオン化）を生成して、特殊材料の少なくとも一部は、ターゲット３から分離し、支持部４に上に重ね合わせるために、特殊材料（特別に作成した）からなるターゲット３に対して電子流を向かわせるためのデバイス２を備える。

他の実施形態によれば、特殊素材は、単一の材料、または２つ以上の異なる材料の組合せによって形成することができる。好都合に、ターゲット３は、接地される。このように、ターゲット３は、電子がターゲット３に既に当たった時でさえ、電子流を跳ね返さない（または、実際には引きつける）。

デバイス２は、陰極の役割を成し（外部的範囲を定める）、内部空洞６を有する中空エレメント５と、金属（特に実質的に、電気的伝導性）材料で形成され、（中空エレメント５に限定された）空洞６の内部に配置される主電極７とを備える。特に、中空エレメント５は、特に金属素材からなる（より、実質的には電気的伝導性）により形成される。

いくつかの実施形態によれば、中空エレメントは、特にステンレススチール、タングステン、モリブデン、５クロム、鉄、チタンから成るグループの中で選択された金属からなる。いくつかの実施形態によれば、主電極７は、特には、ステンレススチール、タングステン、モリブデン、クロム、鉄、チタンから成るグループの中で選択された材料により形成される。

図１に記載された実施形態によれば、主電極７は、中空エレメント５の壁８を通って伸びている。
主電極７と壁８の間に、実質的に誘電材料（特に、セラミックス）のリング９が配置される。さらに、デバイス２は、主電極７を接地させる抵抗器１０を備え、少なくとも１００Ωの抵抗値を有し、好適には、少なくとも１ｋΩの抵抗値を有している。特に、抵抗器１０は、約２０ｋΩの抵抗を有している。さらなる実施形態によれば、同等な機能を有する他の電子部品は、抵抗器１０に代わって使用される。希薄気体は空洞６の内部に存在する。

いくつかの実施形態によれば、空洞は、１０^-2mberと同等またはそれよりも低い圧力の希薄気体を含んでいる。好ましくは、空洞６の内部に含まれる希薄気体は、１０^-2と１０^-5 mberのと間で特に１０^-3 mberを含まれた圧力を示す。

この点では、空洞６内に無水のガス（制限されない例として、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、キセノン等）を供給するために、デバイス２がガス供給アセンブリ（既知、図示せず）を備えていることに注意する。そして吸引アセンブリ（既知、図示せず）は、ポンプおよび、空洞６（換言すれば、空洞６の内部のガス圧力を下げること）内のガスを希薄にすることができる。

供給および吸引アセンブリは、ダクト２３によって中空エレメント５に接続される。
中空エレメント５は、活性化グループ１１に電気的に接続されて、２０ns未満で少なくとも８ｋＶ（特に、実質的に０に等しい電位から開始する）の中空エレメント５の電位を減少させることができ、中空エレメントに少なくとも０．１６mCの電気的パルスを送る。

いくつかの実施形態によれば、前述の電気的パルスは、０．５mCに対して、以下または、同等である。従って、使用するにあって、活性化グループ１１は、前述のパラメータによる中空エレメント５と主電極７の間の電位差を印加する。その結果として、あるプラズマは空洞６の内部で生成される（すなわち、希薄気体の少なくとも部分的なイオン化）。

有利に、活性化グループ１１は、１５ns未満、好ましくは１０nsで、８ｋＶから２５ｋＶまでの電位低下を中空エレメント５に印加することができる。図１中に示される好ましい先行例では、中空エレメント５は接地されている。このように、電子流の放射が実行されない場合、中空エレメントは、実質上ゼロ電位を維持し、および中空エレメント５と主電極７との間の自発放電の危険は、実質的には回避される。

特に、抵抗器１２は中空エレメント５と接地の間で接続される。
いくつかの実施形態によれば、抵抗器１２は、少なくとも５０ｋΩの抵抗値を有している。有利に、抵抗器１２は、０．５ＭΩに関して少なくとも１００ｋΩの抵抗を特に有している。いくつかの実施形態によれば、抵抗は１未満ＭΩである。
さらなる実施形態によれば、別の電子装置は、抵抗器１２の代わりに使用される同等な機能を有している。

図１の中で示される実施形態によれば、活性化グループ１１は、サイラトロン（熱陰極グリッド制御放電管）１３と、サイラトロン１３のアノード１５に接続されたフレームおよび中空エレメント５に接続されたフレームとを有するコンデンサ１４と、アノード１５に電気的に接続された陽極１７および接地された陰極１８を有する給電装置１６と、を備えている。

さらに、サイラトロン１３は、接地されるカソード１９を有している。活性化グループ１１は、さらに、サイラトロン１３を操作することができる接地された制御ユニット２０を備えている。
実施形態（図示せず）によれば、活性化グループ１１は、電気的パルスの磁気コンプレッサまたは、ブラムレイン（Blumlein）高電位電気パルス発生装置を備えている。

有利に、磁気コンプレッサ（または、パルス発生器）は、サイラトロン１３および関連する制御ユニット２０に取って代わる。
デバイス２は、さらに、オペレーターインターフェース・グループ（既知であり、図示されていない）を備えている。それは、デバイス２のオペレーション（例えば、オペレーションおよび／または、ワーキングパラメータの実例）をオペレーターが調節することを可能にする。

特に、オペレーターインターフェース・グループは、パーソルコンピュータ、ディスプレイ、キーボードおよび／または、ポインティングデバイス装置（例えばマウス）を備えている。オペレーターインターフェース・グループは、制御ユニット２０に接続される。

さらなる実施形態によれば、他の電子装置は、コンデンサ１４の代わりに使用される同等な機能を有している。さらに、デバイス２は、実質的に誘電材料（特別のグラスにおける）で作製されたチューブ状素子２１を備え、空洞６の部分的内部、および外部チャンバ２４の部分的内部の壁８に対向する中空エレメント５の壁２２を通って延伸する。

チューブ状素子２１は、内部にターゲット３および支持するエレメント４が配置された外部チャンバ２４に空洞６を接続する内部ルーメンを有している。チューブ状素子２１および関連する内部ルーメンは、それぞれの実質的には環状の断面を有している。

特定の実施形態によれば、チューブ状素子２１は、９０mmから２２０mmまでの長さを有している。
チューブ状素子は、約５ｍｍから約７ｍｍまでの直径を有している。チューブ状素子２１の内部ルーメンは、約２ｍｍから約４ｍｍの直径を有している。デバイス２の他のコンポーネントは、図４の中で示されたいずれかに従って 実質的な比例（チューブ状素子２１の程度に関して）を有している。

外部チャンバ２４は、外部環境に関して漏れのない密に組み付けられている。
デバイス２は、さらに外付け素子２５を備えている。それは、チューブ状素子２１（つまり、チューブ状素子２１の端部に対応しない）に沿った外部チャンバ２４内に配置され、アノードとして機能する。特に、外付け素子２５は、チューブ状素子２１の外形面に当接している。

使用において、空洞６の内部で生成された電子は、チューブ状素子２１を入り込んだ時に、外付け素子２５で確立された電位差がターゲット３に向かうチューブ状素子２に沿って電子が加速されることを可能にする。
それらの運動中に、これらの電子は、さらにガス分子に衝突して向きを変えて、二次電子の放出が決定され、ターゲット３に向かって加速される。

デバイス２は、さらに実質的に同じまたはゼロよりも高い外付け素子２５の電位を維持するために、外付け素子２５に電気的に接続された電位維持グループ２６を備える。
特に、電位維持グループ２６は、外付け素子２５の電位を実質的に接地する。外付け素子２５は、チューブ状素子２１の周囲に配置されるために形作られ、特に、外付け素子２５は、チューブ状素子２１が延伸して通り抜けるホールを有する。

特定の実施形態によれば、外付け素子２５は、リング形状である。
特に、図２、図３および図４を参照して、中空エレメント５は、実質的な円形部を有する実質的な円筒形状と、好都合に、それぞれに限定された壁８，９が一度組み込まれた２つの穴空けプレート２８，２９を組み付けることにより得られる。

図２、図３および図４を参照して、デバイス２は、さらに、誘電体材料５（特に、ガラスまたはアルミナ）で作製され、および、中空エレメント５および外付け素子２５を機械的に接続するためのチューブ状素子２１の部分の周囲に配置されたチューブ３０を備える。
チューブ３０と外付け素子２５の間には、ポリマー材料で作製されたリング３１が装嵌されている。

図３、図４および図５を参照して、主電極７は、金属材料で形成されたウェブ形状端子３２を有し、電気接続端子ＨＶ３３によって接地されている。図６および図７は、それぞれ、空洞６の内部、および中空エレメント５とチューブ状素子２１の間の接続状態を示す。

適切なガスケットを装嵌させることにより、互いにデバイス２の異なるコンポーネントがしっかりと接続されることに注意することは重要である。使用において、活性化グループ１１が中空エレメント５上の電気的パルスを引き起こした時に、外付け素子２５の電位は約１０−２０ns（ナノ秒）で接地電位に降下する。

中空エレメント５は、そのような短い時間間隔に対して「浮遊」状態である。これは、中空エレメント５の電位の非常に迅速な減少に先行する。結果として、アークは、空洞６および主電極７の内周面間に発生する。

アークのプラズマは、チューブ状素子２１の内部で拡大して変化して、高エネルギー電子流を生成し、方向付けられたスパークが放電される。特に、とても激しい電子流による高密度プラズマを生成できる本発明に従ったデバイス２は、実験的に認知することができることに気づくことが重要である（特に、公知な装置によって入手可能なこれらよりもより激しく−これは、薄層の生産時間の適切な増加を決定する）。

特に、本発明に従うデバイス２の実験的に観察されたことは、約１０¹⁷ 個の電子/cm³の密度を備えたプラズマを生成することができる。一方、公知な装置（これらは、wo2006/105955A2, US2005/012441A1により開示され、なかがわ等による引用技術）は、約１０⁹個の電子/cm³の密度を備えたプラズマを生成する。

本発明に従う装置は、このように、効果および、公知な装置に関して驚くほどより高い効率を有している。特に、プロセスの初めに、存続時間が約５０nsである高エネルギー電子パルスが、生成されること（加速電圧、またはコンデンサの充電電圧によって制御される）は実験的に観察された。

このように生成された電子は、ターゲット３に向かってチューブ状素子２１によって導かれて送出される。このポイントで、中空エレメント５とターゲット３の間の電流は消滅する。その時、チューブ状素子２１中で同時に、プラズマカラム現象（a plasma column developing）によって、中空エレメント５とターゲット３の間に作製された短絡回路の影響故に再度、増加する。

本発明の目的に係る装置１は、中空エレメント５に接続されたアンプルの存在を必要としない。結果として、装置１は、ほとんど嵩張らず、製造が容易で且つ、機械的に耐久性がある。
もし反対が明示的に示されなければ、このテキストに引用された参照文献（記事、冊子、特許公報等）の内容は、ここに完全にリコールされる。

１…装置、２…デバイス、３…ターゲット、４…支持部、５…中空エレメント、６…空洞、７…主電極、８…壁、９…リング、１０…抵抗器、１１…活性化グループ、１２…抵抗器、１３…サイラトロン、１４…コンデンサ、１５…アノード、１６…給電装置、１７…陽極、１８…陰極、２１…チューブ状素子、２３…ダクト、２４…外部チャンバ、２５…外付け素子、２８，２９…穴空けプレート。

Claims (16)

1. プラズマを生成し、ターゲット（３）に向かって電子流を導くための装置であって、
   空洞（６）を有し、カソードとして機能するように構築される中空エレメント（５）を備える装置（１）と、
   主電極（７）と、
   空洞（６）から外部チャンバ（２４）まで中空エレメント（５）の壁（２２）を通じて延伸する誘電体チューブ状素子（２１）と、
   前記チューブ状素子（２１）まで外部に沿って前記中空エレメント（５）に関連づけて外部的に配置され、アノードとして機能するように構築される外付け素子（２５）と、
   前記主電極（７）は、前記中空エレメント（５）の空洞（６）内に少なくとも部分的に配置され、
   ２０ns未満で少なくとも８ｋＶの中空エレメント（５）の電位を減少可能で前記中空エレメント（５）に電気的に接続される活性化グループ（１１）を備えるということを特徴とする装置（１）。
2. 前記中空エレメント（５）が伝導性の金属材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記主電極（７）を電気的に接地する第１の抵抗手段（１０）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の抵抗手段（１０）が１００Ω以上の抵抗値を有していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記空洞（６）が１０^-2mberと同等または、それ以下の圧力で希薄ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の装置。
6. 前記希薄ガスは、１０^-2mberから１０^-5mberまでの圧力を有する前記空洞（６）内に含まれることを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. ゼロより高いまたは同等な前記外付け素子（２５）の電位を維持可能であり、前記外付け素子（２５）に電気的に接続される電位維持グループ（２６）を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の装置。
8. 前記電位維持グループ（２６）は、前記外付け素子（２５）の電位を接地することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記外付け素子（２５）は、前記チューブ状素子（２１）の周囲に配置される形状を成すことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の装置。
10. 前記活性化グループ（１１）は、２０ns未満で少なくとも８ｋＶの中空エレメント（５）の電位を減少するために、０．１６mCと０．５mCとの間で包含するグローバルチャージで電気的パルスを放射可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の装置。
11. 前記活性化グループ（１１）は、サイラトロン（１３）を備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の装置。
12. 前記活性化グループ（１１）は、一方の片側に前記サイラトロン（１３）のアノード（１５）が電気的に接続され、他方の片側に前記中空エレメント（５）が電気的に接続される容量性手段と、
    前記サイラトロン（１３）のアノード（１５）が電気的に接続される陽極（１７）を有する給電装置（１６）と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. さらに、前記中空エレメント（５）と接地との間で電気的に接続され、少なくとも５０ＫΩの抵抗値を有する第２の抵抗手段（１２）を備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の装置。
14. 前記活性化グループ（１１）は、磁気パルスコンプレッサまたは、ブルームライン（Blumlein）電気パルス発生装置を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の装置。
15. 特定材料により作製されたターゲット（３）を内部に配置される外部チャンバ（２４）を備えて、基板（４）上に前記特定材料を付けるために、前記請求項１乃至１４のうちの１つの中で定義されるデバイス（２）を備える特徴を有する装置（１）であって、
    前記装置の空洞（６）および前記外部チャンバ（２４）は、１０^-2mber未満の圧力でガスを伝達および収容し、ターゲットから特定材料の少なくともの一部が離脱されて前記支持部（４）に定着させるために、前記ターゲットに再度、電子流が導くことができる装置（２）。
16. 支持部（４）上に特定材料を付着させる方法であって、
    前記ターゲットから前記特定材料の少なくともの一部が離脱されて、前記支持部（４）に向かうように導くために、前記特定材料と共に、前記ターゲットに再度、電子流が導く、請求項１乃至１３のうちの１つによる装置（１）の中に放射工程を備える方法である。

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