JP4856571B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、全体として、基板に被覆を堆積させる気相成長装置及び基板に被覆を堆積させる方法に関する。より具体的には、本発明は、陰極アーク堆積装置及びその使用方法に関する。

陰極アーク蒸発法は、ここ２０年の間、金属、金属合金及び化合物並びに炭素の被覆を堆積させるため、広く商業的に採用されるに到っている。陰極アーク放電はまた、植え込み、スパッタエッチング、反応性エッチング及び拡散のようなイオン処理工程のためプラズマ源として使用することもできる。所望の材料（又はその前駆体）のカソードは、典型的に、０．１Ｐａ（０．００１ミリバール）の圧力まで排気した真空チャンバ内にて高電流、低電圧のアークプラズマ放電によって蒸発させる。典型的なアーク電流は、電圧が１５ないし５０ボルトの範囲の電圧に対し、２５ないし１０００アンペアの範囲にある。金属窒化物、炭化物及び酸化物のような化合物は、堆積の間、１つ又はより多くの反応性ガスを導入することにより形成することができる。

陰極アーク蒸発法の望ましくない副次的効果は、カソード材料の溶融液滴が発生し、この溶融液滴はアークジェットの反力によってカソードから放出されることである。これらの液滴は、一般に、マクロ粒子と称され、直径がサブミクロンから数１０ミクロン又はそれ以上の範囲にある。マクロ粒子は、基板に付着したとき被覆内に埋め込まれ又は粘着し、その後に脱落し、その何れの場合でも表面欠陥を生じさせる可能性がある。

基板に到達するマクロ粒子の数を減少させる方法は、全体として２つの種類に分けられる。最初の方法は、アークを加速し、これによりマクロ粒子の発生を減少させるべくターゲット面にて磁界を使用するものである。第二の方法は、カソードと基板との間にフィルタ又は同様の構造体を介在させるものである。フィルタは、溶融液滴の少なくとも一部を妨害しつつ、イオン化した蒸気の少なくとも一部を伝達することを可能にする。最初の方法（すなわち磁界を採用する方法）は、全体として、実施が簡単であるが、マクロ粒子の発生を完全には解消しない。第二の方法（すなわちフィルタを使用する方法）は、被覆のマクロ粒子による汚染を減少させる点にて全体としてより効果的であるが、より複雑な装置を必要とし、また、従来、伝達損失のためイオンの出力を顕著に減少させる傾向があった。

フィルタ付きのアーク源は、科学文献及び特許文献に記載されている。例えば、アクセノフ（Ａｋｓｅｎｏｖ）その他の者による出版物（ソビエットプラズマ物理ジャーナル４（４）、１９７８の「曲線状プラズマ光学素子系におけるプラズマ流の輸送（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｓｔｒｅａｍｓ ｉｎ ａ ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ ｐｌａｓｍａ−ｏｐｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ）」）は、ダクトを通じてソレノイド磁界を形成すべく電磁コイルを有する四角形円環状プラズマダクトを使用することに関して記述する最初のものの１つである。

円形のフィルタ付きアークプラズマ源は、最も一般的であるが、大型の基板、ロール形態のシート材料を被覆し又はイオン処理するため、また、線形コンベア又は円形のカルーセルにおける多量の小型の基板にとって特に望ましい。

既知のプラズマ源よりも実質的に大きいイオン出力電流を有する改良されたフィルタ付きアークプラズマ源を提供することが望ましいであろう。また、既知の方法と比較して改良された堆積状態となるフィルタ付きのアークプラズマ源を使用する方法を提供することも望ましいであろう。従って、本開示を参照する人に明らかになるように、これら及びその他の有利な特徴の１つ又はより多くを提供するシステム及び（又は）方法を提供することが有益であろう。

一例としての実施の形態は、プラズマ及びマクロ粒子を備える材料を放射する形態とされた蒸発可能な面（１０２）を有するカソード（１０１）と、プラズマを導く出力開口（１３、１４）と、少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）を有し、マクロ粒子の少なくとも一部の透過を防止しつつ、プラズマの少なくとも一部を出力装置（１３、１４）に伝達する形態とされたフィルタとを備えるプラズマを発生する装置であって、カソード（１０１）と少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）との間にて第一の極性を有する第一の磁界成分を発生させる第一の要素（１１９）と、第一の極性と反対の第二の極性を有する第二の磁界成分をカソード（１０１）の蒸発可能な面（１０２）にて発生させる第二の要素（１４１、１４２）とを備え、蒸発可能な面（１０２）と少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）との間に低磁界領域が形成されるようにすることを特徴とする上記装置に関する。

一例としての実施の形態に従い、被覆を形成し又は基板又は物品のイオン処理を実行すべく双方向のフィルタ付きアークプラズマシステム（すなわち、２つの反対方向に向けてプラズマ出力を提供する発生源を含むシステム）が提供される。かかるシステムの使用は、放射されたプラズマが分配される面積を増大させ、また、基板の能力が増大することを可能にしようとするものである。

本明細書にて使用する「基板」及び「物品」という語は、被覆（コーティング）を提供し又はイオン処理を実行することが望ましい任意の物、構造体又は製品を意味することを意図する。かかる製品の例は、配管構成要素（例えば、蛇口、ハンドル、ノズル、シンク、排液フランジ、停止弁、パイプ、タブ排液口等）、家の金具（例えば、ドアノブ、ヒンジ、引出し／キャビネットの引っ張り部等）、浴室金具（タオルバー、安全「掴み」バー等）、窓及び扉（例えば、シャワー扉等）、自動車製品（例えば、自動車のトリム部品、エンブレム、ホイールカバー等）、ナイフ、医療器具、テーブルウェア、レジャー用製品、スポーツ製品（例えば、ゴルフクラブ、アイススケート等）、屋内、屋外照明製品（例えば、ランプ、固定具等）、耐候型情報標識、及び任意の多岐に亙るその他の製品又は物品を含むが、必ずしもこれらにのみ限定されるものではない。

図１は、その開示内容の全体を参考として引用し、本明細書に含めた「矩形のフィルタ付きアークプラズマ源（Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｆｉｌｔｅｒｅｄ Ａｒｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）」という名称のウェルティ（Ｗｅｌｔｙ）に対する米国特許明細書５，９９７，７０５号（以下、「‘７０５号特許」と称する）により詳細に説明されているような矩形のフィルタ付きアークプラズマ源の概略図である。

長辺部２、端部３と、それらの両面とから成る周囲の回りを取り囲む蒸発可能な面を有するカソード１が提供される。作動中、アークスポットは、カソード材料及び磁界成分の強度によって決まる速度にて、カソードの面に対して平行に、連続的な「レーストラック」状の巡回経路の周囲の回りを循環する。プラズマは、周囲の全四面（蒸発可能な面）に対しほぼ垂直な方向に向けてカソードから放射される。長いカソードの場合、プラズマの殆どは、カソードの長辺部に対して垂直な２つの反対方向に向けて放射される。

蒸発可能な面から放出されたマクロ粒子は、カソード側シールドと、偏向電極とを備えるフィルタ装置によって基板への到達が阻止される。カソード側シールド４は、双方の端縁に沿って蒸発可能な面に対し垂直に配設され、また、蒸発可能な面から全方向に向けて外方に距離「ｄ」だけ突出している。アーク電源５は、その負端子にてカソード１に、また、その正端子にて側部シールド４（これは、アノードとしても機能する）と接続される。

放電のアノードは、真空チャンバ内に電気的に隔離した構造体を備え、又は（金属）真空チャンバ又はシステムの接地と電気的に接地された１つ又はより多くの構造体を備えることができる。アノードは、プラズマと電気的に接触する（すなわち、放電を支えるのに十分な数のプラズマ粒子が衝突する）ようにしなければならず、また、偏向電極に対して平行な磁束の少なくとも一部が透過する面であることが好ましい。図１に示したフィルタ付きアーク源の断面図である、図２に示すように、アークは、アーク電源の正出力側と接続され、また、好ましくはシステムの接地と接続されることも好ましい側部シールド４を備えている。

図１に示すように、側部偏向電極６は、カソード１の側部に対し平行に且つ蒸発可能な面の方向を向くように配設されている。端部偏向電極７はまた、カソードの端部に対して平行に配設し、端部の損失を減少させることもできる。電磁コイル８が偏向電極６、７の外側の回りに配設され且つ、コイル電源９と接続されている。コイルは、発生されたソレノイド磁界が蒸発可能な面の全四面及び偏向電極に対して実質的に平行となるように整合されている。該装置は、コイル電流、従って磁界を何れの極性にても提供し得るように作動させることができる。

偏向電極６、７は、偏向バイアス電源１５の正出力と接続することができ、該バイアス電源の負出力は、アノード（側部シールドアノード４）と接続されている。矢印１０は、プラズマが蒸発可能な面に対してほぼ垂直に放射されるとき、該プラズマの全体的な流れ方向を示す（すなわち、表面法線からの角度が増すに伴い、減少する角度分布）。矢印１１、１２は、プラズマが偏向電極６によって方向が変更される際にプラズマが分割されてなる、反対方向を向いた流れを示す。プラズマ流１１、１２は、反対方向に面する出力開口１３、１４を通って源から出る。

偏向電極６、７は、選ばれた幅を有し且つ、蒸発可能な面から選んだ距離にて取り付けられている。偏向電極は、蒸発可能な面に対して垂直に放射されたプラズマ流を偏向させ且つ、電極及び蒸発可能な面に対して平行な２つの反対方向に方向を変更する機能を果たす。偏向電極は、蒸発可能な面に対して大きい角度で放射されたマクロ粒子を妨害する機能も果たす。偏向電極の幅及び蒸発可能な面からのその距離、並びに側部シールドが蒸発可能な面から外方に突き出す距離は、蒸発可能な面から基板まで何ら視線が存在しないように選ばれる。この場合、蒸発可能な面における任意の箇所から放出され、また、基板に向けた任意の方向に向けて移動するマクロ粒子は、カソード側部シールド又は偏向電極の何れかによって妨害されよう。

バッフル板１７は、マクロ粒子が出力開口１３、１４に向けて跳ね返るのを減少させるため、電極６に対して垂直に配設することができる。矢印１５は蒸発可能な面２から角度αにて放射されたマクロ粒子３０の軌跡を示す。角度α以下にて放射されたマクロ粒子は、側部シールド４によって妨害される一方、角度αよりも大きい角度のマクロ粒子は偏向電極６によって妨害される。

図２に示すように、電磁コイル１９、２０は、偏向電極６の外側の回りに配設されている。コイル１９、２０内に電流によって発生された磁束線２１は、蒸発可能な表面の面２及び偏向電極６、７に対して実質的に平行である。一例としての実施の形態に従い、コイル１９、２０の形状及び位置は、図示した特定の電極の幾何学的形態に対して所望の磁界の形状を提供し得るようコンピュータモデリングを使用して選んだものである。図２及び図３に示した磁束線は、商業的に入手可能な有限要素磁気分析プログラム（例えば、ペンシルべニア州、ピッツバーグのアンソフトコーポレーション（Ａｎｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から「マックスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）」という名称にて商業的に入手可能である）により発生させた。１０００アンペア／ｃｍ²の電流密度を運び且つ電極に対して図示した相対的な寸法を有する（実際の寸法と独立的な）コイル１９、２０の場合、蒸発可能な面２に隣接する領域内の磁界強度は、約２５ガウスである。

図示し且つ図１に関して説明した装置に関係した１つの問題点は、プラズマを効率的に偏向させ、従って、より高い電源出力を実現するためには、偏向電極付近に強力な磁界を有することが望ましいことである。主磁気手段によって発生された主磁界成分は、偏向電極とカソードとの間の領域内にて実質的に均一であるため、カソード面にても強力な磁界が存在する。カソードの周囲の周りにてアークスポットを強制的に循環させるためには、該カソード面にて弱い磁界が必要とされる一方、カソード面に対して平行な強力な磁界はカソード面からのプラズマの流れを妨害し、従って源の出力を減少させる傾向となる。このように、カソードからの偏向効率及びプラズマの輸送に対して磁界の相反する影響力を均衡させる方法は存在しない。

例えば、図３に示した一例としての実施の形態に従い、また、図１、図２に示した実施の形態と相違して、磁界源を提供するため単一の電磁コイル８を利用することに代えて、２つの要素又は部材（例えば、主及び二次的磁力手段）を使用して偏向電極とターゲット面に隣接する部分との間の領域内に磁界を発生させる。

磁界は、カソードの蒸発可能な面（周囲）の回りにて連続的に循環するようアーク放電スポットを強制すると共に、以下に説明するように偏向電極の効果を増大させることの双方の機能を果たす。主磁界手段は、第‘７０５特許に教示され且つ図１及び図２により図示したように、偏向電極とカソード容積の全体との間の領域内に実質的にソレノイドの主磁界成分を発生させる機能を果たす。

二次的磁気手段は、主磁界成分と反対の極性を有し、これによりカソード面付近の領域内での全磁界強度（主及び二次的構成要素の合計値）を減少させる、カソード面付近に集中した二次的磁界成分を発生させる機能を果たす。一例としての実施の形態に従い、二次的磁気手段がカソード付近に配置され、二次的磁界成分の強度は偏向電極付近よりもカソード面付近にて大きいようにすることが好ましい。

主及び二次的磁界成分の相対的強度を制御することにより、一例としての実施の形態に従い、偏向電極付近にて強力な磁界と、カソード面付近にて弱い磁界とを同時に実現し、これによりカソード面からのプラズマの輸送及び偏向電極における方向の変更双方の効率を最大にすることが可能である。カソード面の前方に低磁界領域が形成され、該低磁界領域を通ってカソードから放射されたプラズマは偏向電極に向けて磁気的に案内される。

偏向電極によるプラズマの方向変更は、電極面に対して垂直な磁界を使用して実現される。磁界は、正イオンを電極から反発させる極性のものである（すなわち、電位は、電極に接近するイオンに対して益々正となる）。電気的に隔離した偏向電極において、衝突するプラズマからのイオン及び電子の到達速度に差があるため、磁界が瞬間的に発生する。電極面に対して平行な磁界の到達速度は、イオンの到着速度よりも遥かに遅く（電子の質量は遥かに小さいため）、電極の電位はより正となり、また、従って反発するイオンにてより効果的となる。偏向電極の効果は、追加的な電源によって各偏向電極の少なくとも一部分に正のバイアス電圧（アノードに対して）を印加することにより、更に増大させることができる。

図３は、偏向電極１０６、１０７の間、また、二次的電磁コイル１４１、１４２の間に蒸発可能な面１０２を有するカソード１０１が配設された、本発明の一例としての実施の形態を示す断面図である。主電磁コイル１１９は、偏向電極１０６、１０７の外側の回りに配設されている。コイル１１９の巻線の形状及び位置は、蒸発可能な表面の面１０２及び偏向電極１０６、１０７に対して平行に実質的に均一な主磁界成分を提供し得るようコンピュータモデリングによって選んだものである。主コイル１１９内にて４００アンペアの電流のとき、偏向電極１０６、１０７の間の主磁界成分の磁束密度（「強度」）は約１５０ガウスである。二次的コイル１４１、１４２の各々は、磁気透過性の極片の回りに巻かれ且つ、水冷式の銅ハウジング内でエポキシにてポット成形された銅線の５００回巻きの巻線を有し、該銅ハウジングは、また、アノード面（１４５ａ）として、また、それ以下ではマクロ粒子が妨害される角度α（例えば、図２参照）を画成するカソード側シールド面（１４５ｂ）としても機能する。

図３に示した磁束線１６１は、４００アンペアの主コイル電流と、９アンペアの二次的コイル電流とにより発生された主及び二次的磁界成分の合計値を表す。低磁界領域１６０がカソード面の正面側に形成され、該低磁界領域を通ってカソード１０１から放射されたプラズマが偏向電極１０６、１０７に向けて送られる。主及び二次的磁界成分の相対的強度を制御することにより、偏向電極１０６、１０７付近にて相対的に強力な磁界を実現し、また、カソード面付近にて相対的に弱い磁界を実現し、これによりカソード面からのプラズマの輸送及び偏向電極におけるその再向き決めの双方の効果を最大にすることが可能となる。

図４は、面１０２、１０３と、その相応する対向面とから成る蒸発可能な面を有するカソード１０１がカソード側シールド１０４の間に配設され、これらの全てが二次的電磁コイル１４１、１４２の間に配設された、一例としての実施の形態による線形カソード及び二次的磁気手段の概略図である。コイルは磁気透過性の極片１４３上に巻かれている。

図５ａ及び図５ｂには、主及び二次的電磁コイルを通る電流が変化するときの源からの平均的なイオン出力電流が示されており、また、アークスポットがカソードの回りにて循環し又は「回転する」ときの速度も示されている。二次的コイル電流零に対する値は、主電磁コイルのみを備える第‘７０５号特許に記載された源の電流に相応する。二次的コイルの電流が増すに伴い、カソード面における磁界はより弱くなり、その結果、イオンの出力電流は増大し、アークの回転速度は減少する。アークの回転速度が零に近付くとき（すなわち、カソード面における主磁界成分が二次的磁界成分によりほぼ完全に打ち消され、これによりアークスポットの循環を駆動する力を減少させるとき）、最大のイオン出力電流が生じる。低磁界領域１６０は、カソード面の正面側に形成され、該低磁界領域を通ってカソードから放射されたプラズマは、偏向電極に向けて磁気的に案内され、該偏向電極において、プラズマ偏向電極１０６、１０７に対して平行な強力な磁束線１６１に対して反作用する。二次的コイル電流の値がより大きいときでさえ、アークの回転は遅くなり、完全に停止し且つ、マイナス値で示した回転速度のように方向を反転する。

図５ｂに示した炭素の場合、特に、出力電流を最大にする二次的コイル電流が大きいとき、アークの回転速度は極めて遅い。この場合、均一な厚さの被覆を大きい基板の面積に堆積させることは困難となろう。一例としての実施の形態に従い、図６に示すように、アーク源の回りを相対的に高速度にて回転する円筒状カルーセルの内部に基板を取り付けることにより、１平方メートル（ｍ²）よりも大きい面積に亙り相対的に大きい堆積率にて非結晶ダイヤモンド（四面体的に接合した非結晶炭素）の均一な被覆を得ることが可能である。

図６において、偏向電極２０６、２０７の間、また、二次的電磁コイル２４１、２４２の間にカソード２０１が配設されている。主磁気手段及びカソードの冷却手段は図示されていない。カソード側シールド２０４は、偏向電極２０６、２０７の幅と共に、選ばれた距離だけ、全ての側部にて蒸発可能な面を超えて突出し、蒸発可能な面から放出されたマクロ粒子が回転する円筒状カルーセル２５０の内面に取り付けられた基板２５１に到達するのを防止する。

図６のカルーセル２５０の回転速度は、僅かな漸増量にてアーク側が動く間、完全に１回転するのに十分速くなければならない。このため、堆積率は、円筒体の円周の回りで平均して一定である一方、プラズマジェットは、アークはカソードの周囲の回りを回転するとき、カルーセルの長さに沿って上方に且つ下方に走査する。例えば、アークがカソードに沿って１ｃｍ動く毎に基板のカルーセルが１回転するためには、アークが長さ５０ｃｍのカソードの回りを１ｒｐｍにて回転するとき、カルーセルの回転速度は約１００ｒｐｍであることを必要とする。

全ての図面を参照すると、カソード、アノード及びフィルタリング装置の取り付け及び冷却は、任意の適宜な方法によって実現することができる。冷却及び電力の接続及び機械的支持体に起因するプラズマ流れの一部を妨害することは不可避的である。しかし、この接続部は、カソードの端部に形成し、側部がその全長に沿って妨害されないままにすることが好ましい。カソードは、矩形のバーの全体的な形状を有するが、作動及びメンテナンスのとき便宜なように多数のセグメント又は交換可能な要素を備えることができる。アークは、例えば、絶縁体、シールド、導電性リング又は透過性リングのような既知の手段によって蒸発可能な面の端縁から側方向に動くのを防止することができる。

この開示内容を参照する者は、図３ないし図６に関して本明細書に開示された色々な実施の形態は、従来のフィルタ付きアークシステムにて利用されるものと相違する色々な有利な特徴を有することが認識されよう。例えば、一例としての実施の形態に従い、本明細書に開示されたもののようなフィルタ付きアーク源は、双方向出力分配装置を有し、線形マグネトロンカソードを使用し、また、偏向電極の独特の配置、基板の取り付け面積及び永久磁石の配置を含む。

本明細書に開示された特に有益な特徴の１つは、カソード面の領域内にて磁界を制御すべく二次的磁気手段を使用する点である。このようにして、必要とされる任意の長さの小型で且つ効率的な矩形のプラズマ源を製造することができる。双方向出力は、例えば、基板の回転するアレイ内又は基板を搬送する２つの線形コンベアの間の中央源に対し良好に適している。

主及び二次的磁気手段は、電磁石、永久磁石又はその双方の組み合わせを備えることができる。偏向電極及びカソードの外側に巻かれた簡単なソレノイドコイルは、図１に示すように、適宜な主磁界成分を提供することができる。磁界の形状を決定し又は図２に示すように製造及び取り付けの便宜のため、２つ又はより多くのより小型のソレノイドを使用することができる。別の一例としての実施の形態に関して、主磁界は、永久磁石（例えば、第‘７０５特許に開示されたもののような）によって発生させることができる。電磁石は、磁界強度が相対的に容易に変更可能であるという有利な効果を有するが、寸法及び重量が大きくなり、相対的に高コストで、また、作動中の熱の蓄積を防止するため、冷却が必要であるという不利益な点がある。永久磁石は、より小さい寸法及び低コストであり、また、冷却又は電源が不要であるという有利な効果を有するが、磁石を変位させることによってのみ磁界強度が変更可能であるという不利益な点がある。

磁界強度及び偏向電極のバイアス電圧は、蒸発した特定の材料に対するプラズマの透過率を最適化し得るよう選ぶ（原子量及び平均電荷状態）ことができる。５ないし５０ボルトの範囲の電極のバイアス電圧に対し１００ないし１０００ガウスの範囲の磁界強度が多岐にわたる材料に適しているが、その他の一例としての実施の形態に従い、より高い及び低い磁界強度及び電圧が採用可能である。偏向電極の幅、間隔及び側部シールドが突き出す距離は、視線の条件によって課された制限の範囲内で変更可能である。側部シールドのより短い突き出し距離は、より幅の広い偏向電極を必要とし、又はその逆により長い突き出し距離はより幅の狭い偏向電極を必要とする。カソード領域から逃げるプラズマの量を最大にし且つ、側部シールドにおける被覆の蓄積を最小にするため、より短い側部シールドであることが望ましい。しかし、より幅の広い偏向シールドは、処理チャンバ内にてより広い空間を占め、より大型の磁気組立体を必要とし、また、透過損失が増す可能性がある。高パワーにて連続的に作動するためには、偏向電極及び側部シールドを水冷することが必要であろう。偏向電極からのマクロ粒子の撥ね返りは、図２に示すように、電極に対して垂直に取り付けられた多数の平行なバッフル板により減少させることができる。バッフル板の高さ、間隔、数及び位置は、少なくとも２つの跳ね返りを形成せずにはマクロ粒子が逃げることができないことを保証し得るよう選ぶことが望ましい。これと代替的に、図３に示すように、多角度面１４８を偏向電極に形成して入射するマクロ粒子が跳ね返る方向を制御することができる。

一例としての実施の形態に従い、被覆を堆積させ又はイオン処理を実行する目的のため、方向決めした金属プラズマの流れを発生させる改良された装置及び方法が開示される。プラズマは、線形マグネトロンカソードを使用して真空アーク蒸発により発生された、カソード材料のイオン化した蒸気を備えている。プラズマは、偏向電極手段により基板領域に向けられる一方、アークによって発生されたカソード材料の肉眼的液滴は、偏向電極により捕捉され且つ基板に到達することが防止される。プラズマ流の偏向及び案内を同時に行いつつ、カソード面におけるアークの動きを制御するため、改良された磁気的手段が提供される。源は、不定の長さにて伸びることのできる矩形のプラズマビームを提供し、大きい基板を被覆し又はイオン処理することを許容する。

本開示を参照する者は、本発明の範囲内に属する色々な一例としての実施の形態が可能であることが理解される。例えば、本発明の一例としての実施の形態は、プラズマ発生装置に関する。該装置は、プラズマ及びマクロ粒子を備える材料を放射する形態とされた蒸発可能な面を有するカソードと、プラズマを向け得る形態とされ互いに反対方向を向いた出力開口とを含む。該装置はまた、マクロ粒子の少なくとも一部の透過を防止しつつ、プラズマの少なくとも一部を出力開口まで伝達する形態とされたフィルタも有している。フィルタは、全体として蒸発可能な面の少なくとも一部分に対して平行で且つ該少なくとも一部分に面する位置に配置された少なくとも１つの偏向電極を備えている。装置は、また、カソードと少なくとも１つの偏向電極との間にて第一の極性を有する第一の磁界成分を発生させる第一の要素と、第一の極性と反対の第二の極性をカソードの蒸発可能な面に有し、蒸発可能な面と少なくとも１つの偏向電極との間に低磁界領域が形成されるようにする第二の磁界成分を発生させる第二の要素とを備えている。

本発明の別の一例としての実施の形態は、プラズマ及びマクロ粒子を放射する形態とされたカソードと、マクロ粒子の少なくとも一部分の透過を防止しつつ、プラズマの少なくとも一部を透過し得る形態とされたフィルタとを備える、プラズマ発生装置にも関する。フィルタは、少なくとも１つの偏向電極を備えている。該装置はまた、カソードと少なくとも１つの偏向電極との間に第一の極性を有する第一の磁界成分を発生させる手段と、第一の極性と反対の第二の極性をカソードに近接する位置に有する第二の磁界成分を発生させる手段とを備えている。

本発明の別の一例としての実施の形態は、カソード材料のイオン化した蒸気を備えるプラズマを発生させる方法に関する。該方法は、平行な偏向電極と、カソード側シールドとを備えるフィルタを提供するステップと、フィルタ内にてプラズマ及びマクロ粒子を放出する形態とされたカソードを提供するステップとを含む。該方法はまた、偏向電極及びカソードの蒸発可能な面に対して平行な主磁界成分を偏向電極の間にて発生させるステップも含む。主磁界は、蒸発可能な面から放射されたプラズマの偏向電極外の領域への透過を増すことを目的とする。該方法は、主磁界成分の極性と反対の極性を有する二次的磁界成分をカソードの蒸発可能な面に近接する位置にて発生させ、蒸発可能な面と各側部における隣接する偏向電極との間に低磁界領域が形成されるようにするステップを更に含む。

色々な実施の形態を説明するため、本明細書にて使用した「一例」という語は、かかる実施の形態は本発明の可能な例、代表例、及び／又は可能な実施の形態の一例を示すことを意図するものであることが理解すべきである（かかる語は、かかる実施の形態は特別な又は最上の例であることを必ずしも意味することを意図するものではない）。

色々な実施の形態にて示したフィルタ付きアーク源の構造及び配置は、単に一例として示したものであることを認識することが重要である。本開示にて幾つかの実施の形態のみを詳細に説明したが、本開示を参照する当該技術の当業者は、特許請求の範囲に記載した主題事項の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱せずに、多くの改変例が可能であることが容易に理解されよう（例えば、寸法、次元、構造、形状及び色々な構成要素の比率、パラメータの値、取り付け配置、使用材料、色、向き等の変更）。例えば、一体的に形成されたものとして示した要素は、多数の部品又は要素から成る構造とすることができ、また、要素の位置は逆にし又はその他の変更を加え、また、個別の要素の性質又は数又は位置を変更し、又は相違したものとすることができる。従って、かかる実施の形態の全てを、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲に含むことを意図するものである。任意の過程又は方法のステップの順序又は順番は、代替的な実施の形態に従って変更し又は順番変更することが可能である。特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱せずに、色々な実施の形態の設計、作動条件及び配置の点にて、その他の置換、改変、変更及び省略を為すことが可能である。

アーク、偏向バイアス、磁力源接続部を示す先行技術のフィルタ付きアークプラズマ源の概略図である。 磁束線及びマクロ粒子の軌跡を示す、図１に示したフィルタ付きアークプラズマ源の概略図的な断面図である。 磁束線を示す、一例としての実施の形態によるフィルタ付きアークプラズマ源の断面図である。 一例としての実施の形態に従った線形カソード及び二次的磁気手段の概略図である。 クロムカソードに対するイオン電流出力と主及び二次的電磁コイルの電流との曲線プロットである。 黒鉛カソードに対するイオン電流出力と主及び二次的電磁コイルの電流との曲線プロットである。 一例としての実施の形態に従い回転する基板カルーセルの中心に取り付けられた双方向フィルタ付きアーク源の概略図である。

符号の説明

１ カソード
２ カソードの長辺部／蒸発可能な面
３ カソードの端部
４ 側部シールド
５ アーク電源
６ 側部偏向電極
７ 端部偏向電極
８ 電磁コイル
９ コイル電源
１０ プラズマの流れ方向
１１ プラズマ流
１２ プラズマ流
１３ 出力開口
１４ 出力開口
１５ 偏向バイアス電源／マクロ粒子の軌跡
１７ バッフル板（反らせ板）
１９ 電磁コイル
２０ 電磁コイル
２１ 磁束線
３０ マクロ粒子
１０１ カソード
１０２ 蒸発可能な面
１０３ 面
１０４ カソード側シールド
１０６ 偏向電極
１０７ 偏向電極
１１９ 主電磁コイル／第一の要素
１４１ 二次的電磁コイル／第二の要素
１４２ 二次的電磁コイル／第二の要素
１４３ 磁気透過性の極片
１４５ａ アノード面
１４５ｂ カソード側シールド面
１４８ 多角度の面
１６０ 低磁界領域
１６１ 磁束線
２０１ カソード
２０４ カソード側シールド
２０６ 偏向電極
２０７ 偏向電極
２４１ 二次的電磁コイル
２４２ 二次的電磁コイル
２５０ 円筒状カルーセル
２５１ 基板

Claims (15)

1. プラズマ、及びカソード材料の溶融液滴を含むマクロ粒子を備える材料を放射する形態とされた蒸発可能な面（１０２）を有するカソード（１０１）と、プラズマを向け得る出力開口（１３、１４）と、フィルタとを備え、前記フィルタは、少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）を有し、前記マクロ粒子の少なくとも一部の出力開口（１３、１４）への伝達を防止しつつ、プラズマの少なくとも一部を出力開口（１３、１４）まで伝達する形態とされたフィルタとを備えるプラズマ発生装置において、
   カソード（１０１）と少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）との間にて第一の極性を有する第一の磁界成分を発生させる第一の要素（１１９）と、
   前記第一の要素（１１９）に囲まれた状態で前記カソード（１０１）の近傍に配置された第二の要素（１４１、１４２）であって、第一の極性と反対の第二の極性をカソード（１０１）の蒸発可能な面（１０２）に有する第二の磁界成分を発生させ、蒸発可能な面（１０２）と少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）との間において、前記蒸発可能な面（１０２）の付近に、前記偏向電極（１０６、１０７）付近の磁界よりも弱い磁界を有する低磁界領域が形成されるようにする第二の要素（１４１、１４２）とを備えることを特徴とする、プラズマ発生装置。
2. 請求項１に記載の装置において、少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）が蒸発可能な面（１０２）の少なくとも一部分に対してほぼ平行に且つ、該少なくとも一部分に面する状態に配設される、プラズマ発生装置。
3. 請求項１に記載の装置において、第一の磁界成分は、蒸発可能な面（１０２）に対して実質的に平行な磁束線を有する、プラズマ発生装置。
4. 請求項３に記載の装置において、磁束線はまた、少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）の面に対して実質的に平行である、プラズマ発生装置。
5. 請求項１に記載の装置において、少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）は、少なくとも２つの偏向面を備える、プラズマ発生装置。
6. 請求項５に記載の装置において、少なくとも２つの偏向面の各々は、蒸発可能な面（１０２）の長辺部の１つの対し平行に且つ、該長辺部の１つに面する状態に取り付けられる、プラズマ発生装置。
7. 請求項６に記載の装置において、少なくとも１つの偏向電極（１０６、１０７）は、前記マクロ粒子の少なくとも一部分が出力開口に到達するのを防止しつつ、プラズマを少なくとも２つの偏向面に対して平行な２つの方向に向けて偏向する形態とされる、プラズマ発生装置。
8. 請求項１に記載の装置において、出力開口（１３、１４）は、プラズマを向け得るように互いに反対方向に向きを決められる、プラズマ発生装置。
9. 請求項１に記載の装置において、フィルタは、蒸発可能な面（１０２）の両側部に取り付けられ且つ、蒸発可能な面（１０２）から、選択された距離だけ外方に突出する少なくとも２つの面を有するカソード側シールド（１０４）を更に備える、プラズマ発生装置。
10. 請求項９に記載の装置において、側部シールド（１０４）は、蒸発可能な面（１０２）から放射された前記マクロ粒子の少なくとも一部が出力開口（１３、１４）に到達するのを防止する形態とされる、プラズマ発生装置。
11. 請求項１に記載の装置において、カソード（１０１）は、４つの長辺部と、２つの端部とを有する矩形のバーの形状をしており、また、蒸発可能な面（１０２）は、２つの対向する長辺部と、バーの両端とを備える、プラズマ発生装置。
12. 請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の装置において、第一の磁界を発生させる第一の要素（１１９）は、ソレノイドコイルを備える、プラズマ発生装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、第二の磁界を発生させる第二の要素（１４１、１４２）は、少なくとも１つの電磁コイルを備える、プラズマ発生装置。
14. 請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の装置において、第一の要素（１１９）及び第二の要素（１４１、１４２）の少なくとも一方は永久磁石を備える、プラズマ発生装置。
15. 請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の装置において、第一の要素（１１９）及び第二の要素（１４１、１４２）の少なくとも一方は電磁石を備える、プラズマ発生装置。