JP5850829B2

JP5850829B2 - プラズマビーム発生方法並びにプラズマ源

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Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載された特徴によるプラズマビーム発生方法並びに該方法を実施するためのプラズマ源に関している。

１ＭＨｚ乃至２０ＭＨｚの間の周波数領域の高周波（ＨＦ）を用いて励磁されるプラズマ源と、格子によって遮蔽されたプラズマチャンバーとを用いて、プラズマビームを抽出することは公知である。通常、磁場によって負荷されるプラズマの誘導性励磁と容量性励磁の間には違いがある。この種の誘導性励磁される高周波プラズマ源と、誘導性励磁と容量性励磁が混合される高周波プラズマ源では、変調可能なヘルムホルツコイルが用いられている。このヘルムホルツコイルは、実質的に均一な磁場を、誘導性結合の高周波コイル若しくは巻線に対して垂直方向に発生し、プラズマ密度を向上させている。

ＤＥ６９４２１０３３Ｔ２明細書からは、例えばRF（radio frequency）領域で作動する誘導性プラズマ源が公知である。ここでの誘導性プラズマ源は、システムを構成している要素の数を減らしつつ、プラズマ密度を、真空チャンバー外に配設されている永久磁石によって高めている。

ＤＥ１０００８４８２Ａ１明細書からは、磁界コイル配列と、プラズマビーム抽出ユニットとを備えたプラズマ源が公知である。ここでは励磁電極に対して、直交磁場が重畳されており、この直交磁場を生成するために磁界コイルがプラズマを取り囲むように設けられている。ここでは容量性のプラズマ励磁と誘導性のプラズマ励磁が選択されており、それによってイオンエネルギーは約１０ｅＶ乃至１０００ｅＶの範囲で調整可能である。

容量性結合したプラズマ源は、ＥＰ０３４９５５６Ｂ１明細書から公知である。ここではプラズマビームが、例えば粒子衝撃による固体表面の腐食、構造化又は表面ドーピング、表層形成のために抽出されている。この公知のプラズマ源は、プラズマ空間を取り囲むプラズマチャンバーと、２つの広面電極とを含んでいる。前記電極は、整合ネットワークを介して高周波発生器に接続されている。これらの電極面では、ほぼ高周波電圧全体が抽出電極において降下するように選定されている。抽出電極は、鍋状のプラズマチャンバーの開口部に設けられている。連結電極として用いられるもう一方の電極には高周波電圧が印加されており、それに対して前記抽出電極はアース電位におかれる。プラズマチャンバー内では、励磁電極への高周波電圧の印加のもとで、プラズマ空間内へのプロセスガスの供給によってプラズマが励磁される。このプラズマは、抽出電極自体に対して高い正の電位を有しており、そのためプラズマイオンは、プラズマとコンタクトする抽出電極の方へ加速され、抽出電極を通って侵入する。抽出電極によって抽出されたイオン流は、高周波クロックで流れる電極電流によって同じ大きさで重畳され、それによって時間平均されて電気的に中性なプラズマビームがプラズマ源から抽出される。この種の高周波プラズマ源では通常、イオンエネルギーに対しては５０ｅＶから１０００ｅＶの範囲の値が用いられ、動作圧に対しては、１０^-4ｍｂａｒ〜１０^-2ｍｂａｒの範囲の値が用いられる。プラズマビーム源特性を改善するために、さらに前述した公知文献では、プラズマ容器に対して同心に配置された複数の励磁コイルを用いてプラズマ容器を外部から取り囲むことによって、適切に成形された軸方向の直流磁場をプラズマ容器に重畳することが提案されている。磁束線がプラズマ容器の壁部に対して平行に延在している領域においては、壁に向かうプラズマ粒子の拡散運動が制限され、これによって壁損失が大幅に低減され、プラズマ密度が高められる。このことはひいては、抽出されたプラズマビーム中のイオン密度及び電子密度も高める。通常は、２つのソレノイドコイルがプラズマ容器の周囲に配置され、ここにおいてプラズマ容器内で逆方向の流れ、すなわち衝突磁場が生成されるならば、特に良好な電子注入とそれに伴う高いプラズマ密度が達成される。

ＷＯ２００５／００８７１７号明細書からは、磁場によって成形されるプラズマビーム生成のための容量的に励磁する高周波プラズマ源が公知である。ここでは均一な磁場によってプラズマ密度が改善され、プラズマ源の作動が比較的低いプラズマ圧のもとで可能になる。ここでの磁界の生成は、コイルのセットか又は永久磁石によって行われている。

誘導的及び／又は容量的に励磁する公知の高周波プラズマ源は、コストの集中する解決手段であり、前述したような磁場コイル投入に基づいて多くのスペースを必要とし、構造も複雑になる。その結果として、広面基板のプラズマ処理のための大がかりなスケーリング、例えば矩形のソースとしてアーキテクチャアガラスにおける加速装置やドラム装置を投入するようなものには向いていない。

プラズマ空間に非常に近接する表面のコーティング及びエッチングに対して、磁場によって負荷されるプラズマを発生する、グリッドレスタイプの高周波プラズマ源も公知である。そのようなプラズマ源の一例として例えばＤＥ４１０９６１９Ｃ１明細書には、２つの電極を備えたＨＦプラズマ源が開示されており、ここでの２つの電極のうち、第１の電極は中空電極として構成され、基板を支持する第２の電極は第１の電極の中空空間の前に配置されている。この中空電極は、暗部シールドによって取り囲まれ、さらに第２の電極方向に向いた縁部を有しており、それらの間に、第１の電極と同じ電位にある突起が設けられている。これらの突起の間には、永久磁石が設けられており、これらの磁石を用いることによって、放電形態、放電圧、高周波電力に依存することなく基板のバイアスが設定可能にある。

さらにＤＥ１０２４７８８Ａ１明細書からは、少なくとも２つの電極を備え、それらの電極間でプラズマ放電が維持される、高周波放電型プラズマ発生装置が公知である。ここでは１つの電極が中空電極として構成され、アースされた面が対向電極を形成し、中空電極におけるプラズマ放電とは反対側の面がシールド電極によって取り囲まれている。コーティングすべき基板は、対向電極と中空電極の間に配設されており、それによってこの基板自体が、密度の高いプラズマで充填された空間の遮蔽部分を形成し、プラズマ処理の高い効率が考慮されている。前記中空電極の外側では、中空電極とシールド電極との間の介在空間に永久磁石が設けられており、この永久磁石が中空電極内部のプラズマ密度を高めるような磁場をもたらしている。

前述したようなグリッドレスのプラズマ源の欠点は、プラズマによって負荷される面を、プラズマ空間の方へ極端に近づけて配置しなければならないことであり、その際にはその面を一時的に、プラズマ容器の壁部として用いなければならないことである。

磁場は、マグネット式スパッタリングの場合でも、プラズマ密度を高め、ターゲットによってスパッタリングされる材料のスパッタリングレートを高めるために用いられる。そのような態様の一例として、ＤＥ２４３１８３２Ａ明細書から１つのカソードスパッタリング装置が公知である。この装置では、カソードの有効な面から、再入射される磁力線が、入射箇所と出射箇所との間を延在し、その中に帯電粒子が保持され、またそれに沿って移動する傾向にあるトンネル状の領域が存在している。そこではプラズマに対向するカソードのフロント側が平面状か若しくは凹面、凸面状の湾曲部を有している。さらにカソードは円形又は矩形の形態を有している。ＤＥ２４１７２８８Ｃ２明細書からも、さらに別のカソードスパッタリング装置が公知である。この装置では、スパッタリング面から出てそこに再度戻る磁束線が放電領域を形成し、この放電領域が閉じられたループ状の形態を有している磁石装置が設けられている。ここではスパッタリングすべき、そしてコーティングすべき基板に向いたカソード面が扁平状であり、またこの基板は放電領域近傍にあって扁平なスパッタリング面に平行し、それを越えて移動可能であり、磁場を形成する磁石装置が扁平なスパッタリング面とは反対のカソード側に配設されている。

公知のカソードスパッタリング装置においては、カソードがアノード電位よりも低い電位になるように、カソードとこれに対応するアノードが接続されている。

本発明が解決しようとしている課題は、簡単にかつ効率よくプラズマビームを発生させることである。

前記課題は独立請求項に記載されている本発明によって解決される。

本発明によるプラズマビームを発生するための方法によれば、
励磁面を備えた励磁電極を有する高周波電極装置と、抽出電極とに高周波電圧を印加し、電磁界によって生成されたプラズマからプラズマビームを抽出しており、
そこでは抽出電極と励磁面との間にプラズマ空間が設けられており、前記抽出電極に対してプラズマを、時間平均して、正のプラズマイオンを加速する高い電位となるようにし、プラズマと、抽出されたプラズマビームとが磁界によって制御されるようにした、プラズマビームを発生するための方法において、
磁界を生成するために、少なくとも一つのＮ磁極とＳ磁極が用いられ、前記Ｎ磁極とＳ磁極はそれぞれプラズマとは反対側の励磁電極後方に配置され、プラズマ空間の内方へ配向されており、それによって、プラズマ空間の内方へ突出する湾曲した磁界が形成されている。またＮ磁極とＳ磁極の少なくとも一つが縦長に構成されており、それによって、トンネル状の領域がプラズマ内で形成され、その中に帯電粒子が保持され、当該領域に沿って拡幅するように構成されている。

プラズマの生成のためには、プロセスガス及び／又は反応ガス、有利にはアルゴン及び／又は酸素がプラズマ空間内に導入され、場合によっては、衝撃圧力の支援のもとで点弧される。

発生したプラズマと抽出電極との間には、ショットキー・ラングミュアーの空間電荷層が形成され、その厚さｄは、電流密度ｊと、プラズマ縁部と抽出電極の間の電圧降下Ｕとに依存しており、以下の式、

を充たすものである。但し、
前記ε0は、真空の誘電率であり、
前記ｅは、電荷素量であり、
前記ｍionは、抽出されたイオンの質量である。

本発明の方法によれば、正のプラズマイオンと電子が加速され、抽出格子を通ってプラズマ空間を離れ、抽出された時間平均して中性のプラズマビームとして真空チャンバー内部へ入射し、基板へ衝突する。この抽出されたプラズマビームとプラズマは、磁界によって制御される。有利には抽出電極はアース電位におかれる。ＥＰ０３４９５５６Ｂ１明細書に記載されているような当該明細書の開示内容は、本願明細書の開示内容に関してほぼ全面的に含まれているようなものなので、このケースにおいてもプラズマは抽出電極に対して正のプラズマイオンを加速する比較的高い電位におかれる。なぜなら励磁面のサイズと抽出電極によって覆われる面のサイズ比が十分に小さい場合には、比較的大きな直流自己バイアスが形成されるからである。磁界によって制御される直流自己バイアスは、各電極前方のプラズマ縁部層において降下する平均電圧の相対比を反映している。

本発明の別の実施形態によれば、抽出電極が外部電圧源に接続され、そのようにして、アース電位とは異なる電位に置かれる。ここでは一般的に、中性のプラズマビームは存在せず、代わりにイオンビームが生成される。それ自体公知の手段を用いれば、場合によって、イオンビームが印加される基板の帯電が避けられる。

本発明によれば、磁界を生成するために、少なくとも一つのＮ磁極とＳ磁極が用いられ、前記Ｎ磁極とＳ磁極はそれぞれプラズマとは反対側の励磁電極後方に配置され、プラズマ空間の内方へ配向されており、それによって、プラズマ空間の内方へ突出する湾曲した磁界が形成されている。また、トンネル状の領域がプラズマ内で形成され、その中に帯電粒子が保持され、当該領域に沿って拡幅するように構成されている。ここでのＮ磁極とＳ磁極の少なくとも一つは、縦長に構成されている。このようにして生成された磁界は、有利には、それ自体マグネトロンスパッタリングの一般常識において既に公知のように、そのつどの磁界強度に依存して５〜８×１０^-4ｍｂａｒを下回る低い作業圧のもとでも、プラズマ内の電子の自由経路の長さを短くさせる（但し冒頭に述べたような高周波プラズマ源に対しては用いられない）。励磁面の表面における磁界は、比較的高い電界強度が考えられる場合であっても、有利には、１０ｍＴ乃至１５００ｍＴの間の値である。

マグネトロンスパッタリングから公知のこの種の磁界の適用ケースとは異なって、本発明の方法によれば、励磁電極におけるスパッタリングはなされないか、あったとしても極僅かである。なぜなら、電界からの正のプラズマイオンは、抽出電極の方向へ加速されるのであって、励磁電極ないしはその表面に向けて加速されるのではないからである。

本発明による方法を実施するためのプラズマ源では、プラズマ容器と、抽出電極と、高周波電極装置と、マグネット装置とが設けられており、前記高周波電極装置は、励磁面を備えた励磁電極を有し、整合ネットワークを介して高周波発生器と接続可能であるか若しくは接続されており、前記励磁面と抽出電極との間にプラズマ空間が設けられ、該プラズマ空間内ではプラズマが励磁可能であり、抽出電極面と励磁面のサイズは、当該抽出電極においてほぼ高周波電圧全体が降下するように選定されている。本発明によればこのプラズマ源では、前記マグネット装置が、プレーナマグネトロンとして構成されており、前記プレーナマグネトロンは、少なくとも一つのＮ磁極とＳ磁極を有しており、前記Ｎ磁極及びＳ磁極は、それぞれ、プラズマ空間とは反対側の励磁電極後方に配置され、プラズマ空間の内方へ配向されており、それによって、プラズマ空間の内方へ突出する湾曲した磁界が形成され、それによって、トンネル状の領域が形成可能となり、該トンネル状の領域において帯電粒子が保持され、当該領域に沿って拡幅されるように構成されている。

上記の上位概念によるプラズマ源は、既に上記記載においても示唆したように、先のＥＰ０３４９５５６Ｂ１明細書からも公知のものである。但しこの公知のプラズマ源とは異なって、本発明によるプラズマ源では、マグネット装置が、少なくとも一つのＮ磁極とＳ磁極を有しており、前記Ｎ磁極及びＳ磁極は、それぞれ、プラズマ空間とは反対側の励磁電極後方に配置され、プラズマ空間の内方へ配向されており、それによって、プラズマ空間の内方へ突出する湾曲した磁界が形成される。ここではＮ磁極とＳ磁極のうちの少なくとも一つが縦長に構成されており、それによって、トンネル状の領域が形成可能となり、該トンネル状の領域において帯電粒子が保持され、当該領域に沿って拡幅されるようになる。

本発明による方法に類似して、本発明によるプラズマ源においても、この種のマグネット装置に基づいて、特に電子含有量が効果的に高まり、非常に高い電流密度を伴った高いプラズマ密度が実現される。

前記トンネル状の領域自体が閉じられ、その中に帯電粒子が保持され、さらに当該領域に沿って荷電粒子が広がるように構成されている場合には、電子含有量とプラズマ密度がさらに高められる。

高周波電極装置は有利には、励磁電極を固定する電極支持体が含まれる。この電極支持体は、裏表のある板状部材を有しており、この板状部材の表側に励磁電極が設けられている。前記電極支持体の板状部材の裏側には、マグネット装置が設けられていてもよい。

本発明の別の実施態様によれば、励磁面の少なくとも一部領域がプラズマ空間に対して凹部状に形成され得る。さらに前記励磁面の少なくとも一部領域は、プラズマ空間に対して凸部状に形成されていてもよい。ここで用いられている、凹部状／凸部状との専門用語は、次のように理解されたい。すなわち、ある一点の周辺にある平面が、観察者と同じ側の接平面にあるのならば、それは、観察者にとって凹面状に湾曲していることになり、ある平面が、観察者とは反対側の接平面にあるのならば、それは観察者にとって反対側へ突出するように凸面状に湾曲していることを意味する。

本発明の別の有利な実施態様によれば、励磁面の少なくとも一部領域が平面状に形成されている。さらにこの励磁面はトンネル状に形成されていてもよいし、抽出格子の方向へ向けて所定の開度を有する一部円筒状の形態に形成されてもよい。その場合には、マグネット装置と場合によっては電極保持部もそのような幾何学形態に整合され得る。

特に有利には、前記マグネット装置は、例えばＤＥ２４１７２８８Ｃ２明細書又はＤＥ２４３１８３２Ｂ２明細書に記載のようにプレーナマグネトロンとして構成されてもよい。またこのマグネット装置は、円形又は矩形のマグネトロンとして構成されてもよい。特に矩形のマグネトロンとして構成されたマグネット装置の構成によれば、サイズのスケーリング（拡大縮小）が容易となり、その場合にはプラズマビームの印加される面が、例えばアーキテクチャガラスコーティング装置などの実施装置に対して容易に拡大できる。

特にマグネット装置が前述したように円形若しくは矩形のマグネトロンで構成されている場合には、有利には市販の高周波電極乃至励磁電極が、マグネット装置の構成部品として本発明によるプラズマ源に組込まれ、これによって低コストの解決策が見出される。有利には、励磁面は、この種のマグネトロンか又はそのスパッタリングターゲットによって形成されてもよい。その意味では、本発明によるプラズマ源は、励磁面の材料をスパッタリングしないか、極僅かしかスパッタリングしないものとなり得る。

有利には、プラズマ容器は、組込まれた状態において真空チャンバーの内方へ対応付けられる表側と、裏側とを有し、それらの間にプラズマ空間が存在するように構成されていてもよい。ここでの裏側は、有利には真空チャンバーの外方領域に存在している。

別の有利な実施態様によれば、プラズマ容器は、真空チャンバー壁部の開口部に配設され、抽出格子が真空チャンバーの内方へ配向される。有利には抽出電極は、シングルグリッド、多孔プレート、メッシュフィルターとして構成されてもよい。しかしながらこれらの実施形態に限らず、本願発明では例えばマルチグリッドが含まれていてもよい。また抽出電極は、微細なグリッドとして構成されてもよい。それらの開口部は、抽出電極とプラズマとの間の空間電荷層の厚みより小さくてもよいし、大きくてもよい。開口部が、抽出電極とプラズマとの間の空間電荷層の厚みより大きいケースは、例えばＥＰ１６１４１３８Ａ２号明細書に開示されており、そこでは発散形のプラズマビームが生成されている。このＥＰ１６１４１３８Ａ２号明細書の開示内容も本願明細書の開示内容に全面的に関連付けられる。

プラズマ容器は、真空チャンバー壁部に載置されてもよい。それにより、プラズマ容器の少なくとも一部が真空チャンバーの外方領域へ突出する。

さらに別の有利な実施態様によれば、励磁電極における寄生プラズマの形成を回避するために、導電材料からなり遮蔽面を備えた暗部空間遮蔽部が励磁電極に設けられる。この遮蔽面と励磁電極表面との間には、介在空間が存在し、この介在空間は、プラズマ源の作動中に、励磁電極と暗部空間遮蔽部との間で不所望な放電の発生が回避されるように選定されている。暗部空間遮蔽部の遮蔽面と、これに対応する励磁電極表面との間の間隔は、暗部空間の間隔よりも小さく、１ｍｍから１０ｍｍの間の範囲にあり、有利には１ｍｍから５ｍｍの間の範囲にある。有利には、暗部空間遮蔽部はアース電位にある。

またプラズマ容器の壁部の一部は、暗部空間遮蔽部として構成されていてもよい。さらにプラズマ容器の壁部の一部は、励磁電極の壁部の部分によって形成されていてもよい。

さらに抽出電極と同じ電位にあってプラズマ源の作動中にプラズマと接触する電極表面を有するようなプラズマ電極が設けられていてもよい。このプラズマ電極は、有利には、暗部空間遮蔽部と導電的に接続する。

プラズマと接触するプラズマ電極面のサイズは、直流自己バイアスに作用を及ぼし、本発明によれば、抽出電極面のサイズと共に、励磁電極の励磁面のサイズに対して次のように選定される。すなわち、プラズマが、抽出電極とプラズマ電極に対して時間平均して正のプラズマイオンを加速する比較的高い電位におかれるように選定される。

本発明のさらに別の実施態様によれば、励磁電極が内方側と外方側を有する壁部を有し、励磁面の一部領域が壁部の内方側に配設されるか又は内方側を形成し、外方側の少なくとも一部の領域は暗部空間遮蔽部の遮蔽面によって取り囲まれている。

本発明のさらに構造的に簡素な実施形態によれば、励磁電極が中空電極として構成されるか若しくは鍋状に形成され、底部領域と側壁を有している。この側壁は少なくともプラズマ容器のプラズマ空間内に突出している。その際暗部空間遮蔽部は、有利には、その遮蔽面が側面領域に配設されるように励磁電極を取り囲む。さらに有利には、暗部空間遮蔽部がプラズマ容器の壁部の部分として、及びプラズマ電極が暗部空間遮蔽部の部分として構成されており、さらに励磁電極の底部領域がプラズマ容器の壁部の一部を形成している。

前記プラズマ容器は、導電性の材料から、及び／又は、絶縁材料から形成されていてもよい。

抽出電極及び／又はプラズマ電極の材料として有利には、アルミニウム、又は、チタン、タンタル、ジルコニウムなどの金属が用いられる。アルミニウムはスパッタリング降伏点が僅かである利点を有しており、つまり酸素によるプラズマ源作動中のプラズマビームによるスパッタリングが僅かではあるが、但し抽出電極としてのケースにおいて高周波電力が大きい場合には、大がかりな冷却が必要とされる。光学的な層の製造の際にはチタン、タンタル、ジルコニウムをプラズマ源に利用すると有利である。なぜなら冷却が不要であり、プラズマ源の作動中にスパッタリングされる材料を、光学的な層に組み入れる際に相対的に僅かな光吸収の増加しか引き起こさないからである。このことはジルコニウムについては、紫外線領域の光まで有効である。

励磁電極並びに励磁面は、例えばアルミニウム、銅などのような熱伝導性の良好な材料から形成されていてもよい。プラズマ源及び／又は基板の熱負荷を僅かに抑えるために、特に有利には、少なくとも一部がボンディングされる励磁面を有する励磁電極の冷却が水冷式に実施される。

さらに励磁面、抽出電極、プラズマ電極及び／又は暗部空間遮蔽部は石英などの絶縁材料からなる部分的な被腹部を有していてもよい。

有利には、磁界を変更させるための装置が設けられる。この装置によりＮ磁極またはＳ磁極の少なくとも一つの位置が励磁面に対して変更可能となり、それに伴いプラズマにおけるプラズマ密度とイオンエネルギー及びイオン流が変更可能になる。この装置は、手動操作されるものであってもよいし、モーターによって駆動されるものであってもよい。例えば、磁極の少なくとも一つと励磁面との間の間隔、例えばエアーギャップが変更可能若しくは変更されるものであってもよい。有利には、イオンエネルギーの範囲を幅広くカバーできるようにするために、磁界の強度が１５０ｍＴから１０ｍＴの値まで低減される。

本発明による方法とそれに対応するプラズマ源によって生成されるプラズマビームのイオン流とイオンエネルギーは、プロセスガスの動作圧の変更、供給される高周波電力の変更並びに磁界強度の変更によって広い境界範囲の中で可変となる。

本発明によるプラズマ源は、有利には１０^-4ｍｂａｒ〜１０^-2ｍｂａｒの間で作動され、５０ｅＶ〜１０００ｅＶの間の範囲を有するイオンエネルギーのプラズマビームを供給する。

本発明による方法並びにプラズマ源は、有利には、例えばＷＯ２００４／０５０９４４Ａ２明細書から公知のようなプラズマ支援された反応性マグネトロンスパッタリングのために用いられてもよい。プラズマ源のさらに有利な適用は、種々異なる入射角のもとでのコーティング、例えば、立体部分における高エネルギーイオン打ち込みによるコーディングの際の成膜品質の向上が挙げられ、それによって、スパッタリング腐食又はプラズマ支援のスパッタリングの際の基板の洗浄に対して、コンパクトで歩留まりの少ない滑らかなコーティングが得られる。

本発明のさらなる観点及び利点は、特許請求の範囲において集約的に記載された内容に依存することなく、以下の明細書で図面に基づき詳細に説明する実施例からも得られる。

本発明による高周波プラズマ源の断面図図１ａに示されている本発明による装置の矩形状の励磁電極を備えたマグネット装置の斜視図図１ａに示されている本発明による装置の円形状の励磁電極を備えたマグネット装置の斜視図本発明によるプラズマ源の様々な実施形態における高周波電力の関数としてのイオン流とイオンエネルギーの値がプロットされた線図本発明によるプラズマ源の様々な実施形態における高周波電力の関数としてのイオン流とイオンエネルギーの値が従来技術によるプラズマ源との比較において表わされた線図

実施例
図１ａには、真空チャンバー１０内に組込まれた本発明による高周波プラズマ源１の断面が概略的に示されており、このプラズマ源１は、プラズマ容器２と、抽出電極３と、高周波電極装置４を有している。ガス供給装置１２を介して、アルゴン、酸素などのプロセスガス、反応ガスがプラズマ容器２内に導入される。

プラズマ容器２は、表側と裏側を有しており、それらの間にプラズマ空間２ａが存在している。プラズマ容器２はさらに側壁１６を有しており、この側壁１６は真空チャンバー１０の内方２０へ突出しており、その端面側には、前記プラズマ容器２の表側を形成している抽出電極３が設けられている。この抽出電極３により、プラズマ空間２ａは、真空チャンバーの内方２０に対して透過的に区切られる。この抽出電極３は、湾曲して構成されてもよい。

プラズマ容器２は、図１ａの図表面に対して垂直方向の延在する平面内で矩形状若しくは円形状の形態を有し得る。図１ａにおける励磁電極６の平面状の底部面も抽出電極に対して凹面状若しくは凸面状に形成されてもよい。さらにここではプラズマ容器２のその他の形態も設定可能であり、それらの形態も本願発明には含まれることを理解されたい。

このプラズマ源１は、真空チャンバー壁部１０の開口部におけるフランジ１１によって固定されている。抽出格子並びに壁部１６は、図１ａの実施例によれば、真空チャンバー壁部１０と電気的に接続され、アース電位に置かれている。

プラズマ源１は、部分的にプラズマ容器２の外方に配置されている高周波電極装置４を有し、この高周波電極装置４は電極支持部７を備えており、該電極支持部７は、プラズマ容器２に対して絶縁部材１４を用いてガルバニックに絶縁されて、プラズマ容器２の側壁１６と接続されている。さらに板状部材５が含まれており、この板状部材５はプラズマ容器２の内方へ突出している支持要素７ａによって支持されている。前記電極支持部７は、バスタブ状若しくはそれに類似の形態の断面を有している。電極装置４の裏側は、周辺に対して保護カバー１３によって分離されており、ここでは高周波電力が、高周波発生器に接続可能か又は接続されている高周波給電部１３ａを介して高周波電極装置４に印加可能か若しくは印加される。高周波整合ネットワークも存在し得るが、図には示されていない。

板状部材５の表側は真空チャンバーの内方２０へ向けて配向されている。この板状部材５の表側には、鍋状の励磁電極６が設けられており、この励磁電極６の、真空チャンバー内方２０へ配向された内方側６ａは励磁面を有しており、励磁電極６の外方側６ｄは、少なくとも部分的に板状部材５の表側と接触している。励磁電極６は、平面状の底部と該底部に配置された側壁６ｃを有し、この側壁６ｃはプラズマ空間２内へ突出している端部領域（端面）６ｂを有している。有利には前記励磁電極６と板状部材５は、ボンディングされており、それによって当該励磁電極６と板状部材５との間では、良好な導電性と良好な熱伝導が保証される。前記側壁６ｃは、励磁電極６の壁部によって形成されている。

プラズマ容器２の側壁１６と励磁電極６の側壁６ｃは、ほぼ向かい合わせに配置されており、それらは互いに空隙２１をはさんで離間している。この空隙２１は、プラズマ源の作動中に、励磁電極６と側壁１６との間でプラズマが何も形成されないように設計されている。それ故にプラズマ容器２の側壁１６は、この空隙２１の領域においては、励磁電極６の遮蔽面１６ａを伴った暗部空間遮蔽部でもある。

プラズマ容器２の側壁１６の一部領域は、真空チャンバーの内方２０へ向けて、励磁電極の側壁６ｃを越えて突出している。それにより、プラズマ源１の作動中に、側壁１６の次のような領域、すなわち励磁電極６の側壁６ｃの端部領域６ｂを越えて突出している領域は、プラズマと接触し、プラズマ電極面１６ｂを備えたプラズマ電極を形成する。

プラズマ源１の作動中、励磁電極６と抽出電極３との間の直流自己バイアスの大きさは、抽出電極３の面積に対する励磁面６ａ、６ｃのサイズ比と、プラズマ電極面１６ｂ、すなわちプラズマ容器２の側壁１６のプラズマと接触する部分のサイズとによって定まる。

励磁面６ａと板状部材５の裏側には、マグネット９ａ，９ｂ，９ｃと磁極片９ｄとを備えたマグネット装置８が設けられている。前記マグネット９ａ，９ｂ，９ｃは、それぞれＮ磁極とＳ磁極を含んでおり、これらの磁極は交番極性を伴って配置され、プラズマ空間２ａの内方へ向けて配向されている。それにより、プラズマ空間２ａの内方へ突出するように湾曲した磁界が形成される。この湾曲した磁界の詳細についてはＤＥ２４１７２８８Ｃ２明細書又はＤＥ２４３１８３２Ｂ２明細書からも公知である。前記マグネット９ａ，９ｂ，９ｃは、永久磁石で構成されてもよいし、給電部に接続されたソレノイドとして構成されてもよい。

図１ｂには、一連のマグネット９ａ，９ｂ，９ｃを備えたマグネット装置の実施可能な構成例が描写されている。ここではそれぞれのマグネット内方間の相対抗する極性に基づいて、トンネル状の領域が形成されている。図１ｂ中のマグネット９ａから９ｃの端部領域は、相互に接続されており、そのためここではいわゆる自己閉成したトンネル状領域が形成される。

図１ｃには、マグネット装置のさらに別の構成例が示されており、このマグネット装置では、中央マグネット９ｂの周りに円形のマグネット９ｅが配置されている。ここでもいわゆる自己閉成したトンネル状の領域が形成されている。

以下では、本発明によるプラズマ源の利点を示すための測定結果を紹介する。ここで実施された測定時の動作圧力は、４×１０-3ｍｂａｒであり、その際には反応ガスとして、２０ＳＣＣＭの酸素流の酸素が供給された。

図２は、本発明によるプラズマ源の様々な実施形態に対するイオン電流とイオンエネルギーの数値がプロットされた線図であり、ここでは、符号ＩＳの付されたそれぞれのイオン電流（任意の単位）の特性曲線と、符号ＩＥの付されたそれぞれのイオンエネルギー（ｅＶ）の特性曲線が、供給された高周波電力に依存して示されている。インデックスＭ１，Ｔ１の付された特性曲線は、円形のマグネトロン磁界と、中空電極（中空ターゲット）と、２００ｍｍ〜４０ｍｍの直径（測方ないし側面高さ）とを有しているプラズマ源のもとで測定された結果を示す。インデックスＭ２，Ｔ１の付された特性曲線は、同じ中空電極で、但しＭ１，Ｔ１のケースよりも低減された磁界を有するプラズマ源のもとで測定された結果を示している。ここでは、マグネット装置が、Ｍ１のケースでの位置に対して２５ｍｍだけ励磁電極６から離れている。ここでは、Ｍ２，Ｔ１のケースでのイオンエネルギーがＭ１，Ｔ１のケースの場合よりも高くなっていることと、Ｍ２，Ｔ１のケースでのイオン電流密度がＭ１，Ｔ１のケースよりも少なくなっていることが見て取れる。

インデックスＭ１，Ｔ２の付された特性曲線は、フラットターゲットと、Ｍ１，Ｔ１のケースと同じマグネット装置とを備えたプラズマ源に対するイオンエネルギーとイオン電流を表わしたものである。ここでは、Ｍ１，Ｔ２のケースにおいてはイオンエネルギーもイオン電流もＭ１，Ｔ１のケースに比べて低減していることが見て取れる。それ故に、中空電極としての励磁電極の構成によって、より高いイオン電流が達成できる。さらに、励磁面に対するマグネットの位置の変更によって比較的簡単にイオンエネルギーとイオン電流を変更できる。

図３には、本発明によるプラズマ源において得られるイオンエネルギーとイオン電流の値が、供給された高周波電力に依存してプロットされた線図が、従来技術による２つのプラズマ源で得られた値と比較して示されている。ここでは図２中のものと同じように、インデックスＭ１，Ｔ１の付された特性曲線が本発明によるプラズマ源を表わしており、それに対してインデックスＩＥＡ１，ＩＳＡ１ないしＩＥＡ２，ＩＳＡ２の付された特性曲線は、本発明によるプラズマ源と同じプラズマ空間の直径を有する、容量性結合されたプラズマ源ないし誘導性／容量性結合されたプラズマ源での値を示している。本発明によるプラズマ源では、容量性励磁された従来技術によるプラズマ源に比べて、同じ量の高周波電力の供給のもとで得られるイオンエネルギーのレベルはほぼ同じであるが、しかしながらイオン電流は二倍になっている。さらに誘導性励磁と容量性励磁の混合されたプラズマ源に比べると、本発明によるプラズマ源では、同じ量の高周波電力の供給のもとで得られるイオンエネルギーのレベルは１．５倍となり、イオン電流は二倍になっている。

Claims

中性のプラズマビームを発生するための方法であって、
前記プラズマビームは、平面状の励磁面を備えた励磁電極を有する高周波電極装置と、抽出電極と、に高周波電圧を印加し、電磁界によって生成されたプラズマから抽出されており、
前記抽出電極と前記励磁面との間にプラズマ空間が設けられており、
前記抽出電極に対してプラズマを、時間平均して、正のプラズマイオンを加速する高い電位となるようにし、
プラズマと、抽出されたプラズマビームと、が磁界によって制御されるようにした、
方法において、
磁界を生成するために、中空電極を伴って構成されるマグネット装置を使用し、
前記マグネット装置を、プラズマとは反対側の前記励磁電極後方に配置し、
前記マグネット装置のＮ磁極とＳ磁極を、プラズマ空間の内方へ配向し、
それによって、プラズマ空間の内方へ突出する湾曲した磁界が形成されるようにした、
方法。
前記マグネット装置は、中央磁石（９ｂ）と、前記中央磁石（９ｂ）の周りの円形磁石（９ｅ）と、を含む、
請求項１に記載の方法。
前記励磁電極を固定するための電極支持体が設けられており、
前記電極支持体は、表側および裏側のある板状部材（５）を有しており、
前記励磁電極は、前記板状部材（５）の前記表側に設けられており、
前記マグネット装置は、前記板状部材（５）の前記裏側に設けられている、
請求項１または２に記載の方法。
請求項１、２または３記載の方法を実施するためのプラズマ源であって、
プラズマ容器と、
抽出電極と、
高周波電極装置と、
磁界を形成するためのマグネット装置と、
が設けられており、
前記高周波電極装置は、平面状の励磁面を備えた励磁電極を有し、整合ネットワークを介して高周波発生器と接続可能であるか若しくは接続されており、
前記励磁面と前記抽出電極との間にプラズマ空間が設けられ、前記プラズマ空間内ではプラズマが励磁可能であり、前記抽出電極面と前記励磁面のサイズは、前記抽出電極において高周波電圧全体が降下するように選定されている、
プラズマ源において、
前記マグネット装置が、中空電極を伴って構成されるマグネット装置として構成されており、
前記マグネット装置は、少なくとも一つのＮ磁極とＳ磁極を有しており、
前記Ｎ磁極及びＳ磁極は、それぞれ、プラズマ空間とは反対側の前記励磁電極後方に配置され、プラズマ空間の内方へ配向されており、それによって、プラズマ空間の内方へ突出する湾曲した磁界が形成され、それによって、トンネル状の領域が形成可能となり、前記トンネル状の領域において帯電粒子が保持され、前記領域に沿って拡幅されるように構成されていることを特徴とするプラズマ源。
前記励磁面の少なくとも一部領域が、プラズマ空間に対して凹部状に形成されている、
請求項４記載のプラズマ源。
前記励磁面の少なくとも一部領域は、プラズマ空間に対して凸部状に形成されている、
請求項４または５記載のプラズマ源。
前記励磁面の少なくとも一部は、平面的に形成されている、
請求項４から６いずれか１項記載のプラズマ源。
前記抽出電極の少なくとも一部は、凹面状若しくは凸面状に形成されている、
請求項４から７いずれか１項記載のプラズマ源。
前記励磁電極の底部領域と側壁が鍋状に形成され、さらに、少なくとも前記側壁は、プラズマ空間内に突出している、
請求項４から８いずれか１項記載のプラズマ源。
前記プラズマ容器の側壁と前記励磁電極の側壁との間に暗部空間遮蔽部が設けられている、
請求項４から９いずれか１項記載のプラズマ源。
前記励磁面の一部領域は、前記励磁電極の壁部内側に配置されるか若しくは前記壁部内側を形成し、前記励磁電極の壁部外側の少なくとも一部領域は、暗部空間遮蔽部の遮蔽面によって取り囲まれている、
請求項４から１０いずれか１項記載のプラズマ源。
プラズマに接触するプラズマ電極面のサイズと、前記抽出電極面のサイズと、前記励磁面のサイズと、が、前記抽出電極に対してプラズマが時間平均して正のプラズマイオンを加速する高い電位となるように、選定されている、
請求項１０または１１記載のプラズマ源。
プラズマ容器の壁部の少なくとも一部が、暗部空間遮蔽部の部分及び／又は前記励磁電極の部分によって形成されている、
請求項１０または１１記載のプラズマ源。
磁界変更装置が設けられている、
請求項４から１３いずれか１項記載のプラズマ源。
Ｎ磁極又はＳ磁極の少なくとも一つの位置が前記励磁面に対して相対的に変更可能である、磁界変更装置が設けられている、
請求項１４記載のプラズマ源。
Ｎ磁極又はＳ磁極の少なくとも一つの磁界強度が変更可能である装置が設けられている、
請求項１４または１５記載のプラズマ源。