JP2001511580A - ホール電流イオンソース装置及び材料処理方法 - Google Patents
ホール電流イオンソース装置及び材料処理方法Info
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Abstract
(57)【要約】
高い放電パワー及び高い処理速度での、温度の影響を受けやすい材料の真空での処理のための、プラズマビーム装置及び方法。堆積する給送ガスがプラズマビーム中に注入される間、イオンソース給送ガスが導入される、陰となったギャップを有する、ユニークな液冷のアノードと特徴とする、グリッドのない、閉じた又は閉じていないホール電流イオンソースが、記載される。陰になったギャップは、非伝導性堆積物が比較的ないように保たれる、アノード表面の、良好に維持される電気的に活動している領域を提供する。アノード放電領域は、イオンソースの内部への放電の移動を防止するため、絶縁的にシールされる。伝導性コーティングを堆積させている間、アノードの電気的絶縁を保つために、アノードと非アノードの構成部品の間に、真空のギャップも使用される。ホール電流イオンソースの磁界は、放電電流か周期的な交番電流かのいずれかによって動かされる電磁石によって作り出される。
Description
【０００１】 本発明は、グリッドのないイオンソース装置、及び表面改変(surface modific
ation)及び基板上へのコーティングの堆積(deposition)を含む材料の高電流密度
のイオンビーム処理に関する。丈夫なイオンソースは、熱に影響されやすい基板
上への高い堆積速度での非伝導性コーティングの堆積に特に有用である。
ation)及び基板上へのコーティングの堆積(deposition)を含む材料の高電流密度
のイオンビーム処理に関する。丈夫なイオンソースは、熱に影響されやすい基板
上への高い堆積速度での非伝導性コーティングの堆積に特に有用である。
【０００２】 発明の背景 空間推進の用途のために設計されてきた多くのイオンソースが、材料処理に利
用された。低圧気体放電からのイオンを加速するために静電的イオン加速光学系
(electrostatic ion acceleration optics)（グリッド）を利用するグリッドの あるイオンソースは、イオンスパッタリング、イオン注入(ion implantation)、
表面改変、デュアル・イオンビーム・スパッタ堆積(dual ion-beam sputter dep
osition)、及びイオンビームアシステッド堆積(ion-beam-assisted-deposition)
のために普通に使用されてきた。低圧気体放電を形成するため電子を生産又は加
熱する特定の手段、及び静電的加速光学系によってイオンビームを作り出す手段
をそれぞれが有する、多くのグリッドのあるイオンソースが発明されてきた。電
子の生産及び加熱のための手段のいくつかの例は、ホットフィラメント(hot fil
ament)、高電界電子放射(high-field electron emission)、高周波容量加熱(RF
capacitive heating)、高周波誘導加熱(RF inductive heating)、及びマイクロ 波電子サイクロトロン共鳴高周波加熱(microwave electron cyclotron resonant
RF heating)の使用を含む。一旦、気体放電が形成されると、静電的グリッド(e
lectrostatic grid)又は静電的グリッドのシステムによってエネルギーを選択す
るために、イオンビームが引き出されて加速される。イオン加速光学系の下流で
は、ビームの分岐、及びターゲットすなわち加工物の表面の荷電を減少させるた
めに、イオンビームの空間電荷を中性化するよう第２の電子源がしばしば使用さ
れる。
用された。低圧気体放電からのイオンを加速するために静電的イオン加速光学系
(electrostatic ion acceleration optics)（グリッド）を利用するグリッドの あるイオンソースは、イオンスパッタリング、イオン注入(ion implantation)、
表面改変、デュアル・イオンビーム・スパッタ堆積(dual ion-beam sputter dep
osition)、及びイオンビームアシステッド堆積(ion-beam-assisted-deposition)
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熱する特定の手段、及び静電的加速光学系によってイオンビームを作り出す手段
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子の生産及び加熱のための手段のいくつかの例は、ホットフィラメント(hot fil
ament)、高電界電子放射(high-field electron emission)、高周波容量加熱(RF
capacitive heating)、高周波誘導加熱(RF inductive heating)、及びマイクロ 波電子サイクロトロン共鳴高周波加熱(microwave electron cyclotron resonant
RF heating)の使用を含む。一旦、気体放電が形成されると、静電的グリッド(e
lectrostatic grid)又は静電的グリッドのシステムによってエネルギーを選択す
るために、イオンビームが引き出されて加速される。イオン加速光学系の下流で
は、ビームの分岐、及びターゲットすなわち加工物の表面の荷電を減少させるた
めに、イオンビームの空間電荷を中性化するよう第２の電子源がしばしば使用さ
れる。
【０００３】 いくつかの工程では、高いイオンビーム電流密度（＞１mA/cm2）が、速い処理
又は堆積速度のために望まれる。特に大きい領域に亘って、速い処理速度を達成
するために、広い面積のイオンビームで、非常に高い総計のビーム電流及び電流
密度が要求される。イオン加速光学系手段からの高いビーム電流束の密度を維持
するためにイオンソース内に比較的高い荷電粒子密度（1011から1012/cm3）を形
成することに多くの進歩がなされた。しかし、1011/cm3より大きい荷電粒子では
、連続的にイオンソースから引き出さして加速することができるイオン電流密度
及び総計のイオンビーム電流を制限する、イオン加速グリッドの特定の制限があ
る。イオン加速光学系システムの静電的レンズ作用が、ほとんど電子を除外する
ため、グリッド光学系によって引き出されるイオンビーム電流密度の、固有の空
間電荷の制限がある。総計のイオンビーム電流スループットも、イオン加速グリ
ッドの熱的及び機械的制限により制限される。スパッタリング及び堆積の環境で
は、グリッドは、伝導性又は絶縁性のいずれかのコーティングによって覆われる
ことがある。そのような用途のグリッドのあるイオンビーム源は、不要のコーテ
ィングの結果として、短絡又は誘電体によるシールドのいずれかを通じて、故障
しやすい。グリッドは、直接的なイオンスパッタリングのために、時間と共に侵
食される。そういうように、普通のイオンビームグリッドは、多くの材料処理の
用途に使用するとき、時間と共に劣化し、汚染を引き起こし、及びかなりのメン
テナンスおよび信頼性のための費用を発生させる。
又は堆積速度のために望まれる。特に大きい領域に亘って、速い処理速度を達成
するために、広い面積のイオンビームで、非常に高い総計のビーム電流及び電流
密度が要求される。イオン加速光学系手段からの高いビーム電流束の密度を維持
するためにイオンソース内に比較的高い荷電粒子密度（1011から1012/cm3）を形
成することに多くの進歩がなされた。しかし、1011/cm3より大きい荷電粒子では
、連続的にイオンソースから引き出さして加速することができるイオン電流密度
及び総計のイオンビーム電流を制限する、イオン加速グリッドの特定の制限があ
る。イオン加速光学系システムの静電的レンズ作用が、ほとんど電子を除外する
ため、グリッド光学系によって引き出されるイオンビーム電流密度の、固有の空
間電荷の制限がある。総計のイオンビーム電流スループットも、イオン加速グリ
ッドの熱的及び機械的制限により制限される。スパッタリング及び堆積の環境で
は、グリッドは、伝導性又は絶縁性のいずれかのコーティングによって覆われる
ことがある。そのような用途のグリッドのあるイオンビーム源は、不要のコーテ
ィングの結果として、短絡又は誘電体によるシールドのいずれかを通じて、故障
しやすい。グリッドは、直接的なイオンスパッタリングのために、時間と共に侵
食される。そういうように、普通のイオンビームグリッドは、多くの材料処理の
用途に使用するとき、時間と共に劣化し、汚染を引き起こし、及びかなりのメン
テナンスおよび信頼性のための費用を発生させる。
【０００４】 イオン加速グリッドにより課される制限を克服するために、研究者はグリッド
レスＤＣイオンソース(gridless DC ion source)を開発した。これらのＤＣ又は
パルスＤＣデバイスでは、イオンは、装置のアノードの近くの放電空間(bulk)内
に確立された電界Ｅを通して、イオン発生領域から加速される。電界は、カソー
ドからアノードへの電子ドリフトモーションが磁界によって妨げられる、アノー
ドの近傍の放電に課される静的又は準静的な磁界Ｂによって引き起こされる。カ
ソードに形成された電子は、それらがアノードの方に磁界を通して衝突の異常な
拡散(collisional and anomalous diffusion)によって拡散するとき、給送ガス をイオン化する。磁界に亘る制限された電子の移動度は、アノードの近くの空間
電荷、及び課された磁界とアノードの表面とにほぼ直交する、比較的強い電界を
形成する。アノード放電領域内に生成されたイオンは、アノードから離れるよう
に加速される。アノード放電及びイオン加速領域は電子を除外しないため、イオ
ンビーム電流密度は、静電的加速光学系に固有の空間電荷制限によって制限され
ない。カソードのところで放電内に形成された電子は、それはアノードのイオン
加速領域から離れるように伝播するため、イオンビームを電気的に中性化するた
めにも役立つ。１０-4トール(Torr)より大きい圧力では、アノード放電領域から
離れたイオン化及びイオンビーム内の電荷交換プロセスは、イオンソースの出力
特性が、電気的に中性の、強力なイオンビーム及び拡散的な背景プラズマの両方
のように見えるようにする、拡散的な背景放電(diffusive background discharg
e)を形成することができる。自己中性化したイオンビーム及び拡散的プラズマの
両方の結合した出力は、「プラズマビーム」と呼ばれることがある。
レスＤＣイオンソース(gridless DC ion source)を開発した。これらのＤＣ又は
パルスＤＣデバイスでは、イオンは、装置のアノードの近くの放電空間(bulk)内
に確立された電界Ｅを通して、イオン発生領域から加速される。電界は、カソー
ドからアノードへの電子ドリフトモーションが磁界によって妨げられる、アノー
ドの近傍の放電に課される静的又は準静的な磁界Ｂによって引き起こされる。カ
ソードに形成された電子は、それらがアノードの方に磁界を通して衝突の異常な
拡散(collisional and anomalous diffusion)によって拡散するとき、給送ガス をイオン化する。磁界に亘る制限された電子の移動度は、アノードの近くの空間
電荷、及び課された磁界とアノードの表面とにほぼ直交する、比較的強い電界を
形成する。アノード放電領域内に生成されたイオンは、アノードから離れるよう
に加速される。アノード放電及びイオン加速領域は電子を除外しないため、イオ
ンビーム電流密度は、静電的加速光学系に固有の空間電荷制限によって制限され
ない。カソードのところで放電内に形成された電子は、それはアノードのイオン
加速領域から離れるように伝播するため、イオンビームを電気的に中性化するた
めにも役立つ。１０-4トール(Torr)より大きい圧力では、アノード放電領域から
離れたイオン化及びイオンビーム内の電荷交換プロセスは、イオンソースの出力
特性が、電気的に中性の、強力なイオンビーム及び拡散的な背景プラズマの両方
のように見えるようにする、拡散的な背景放電(diffusive background discharg
e)を形成することができる。自己中性化したイオンビーム及び拡散的プラズマの
両方の結合した出力は、「プラズマビーム」と呼ばれることがある。
【０００５】 このタイプのイオンソースの他の特徴は、加速領域内での電子のＥ×Ｂドリフ
ト電流モーション(drift current motion)である。磁界の線に関してらせん形に
動く電子は、Ｅ×Ｂ又はホール効果の力を受け、電界及び磁界の両方に直交する
方向に集合してドリフトする。これは、ホール効果ドリフト電流と呼ばれる。こ
の電子ドリフトパス(electron drift path)に沿って形成されるホールポテンシ ャルを避けるため、これらのイオンソースは、ホール効果ドリフト電流が連続的
な閉じたパスを流れるようにする、アノード放電領域すなわちチャネルを有する
。研究者は、これらのタイプのイオンソースを多くの名称：「マグネト−プラズ
マ−ダイナミック・アーク・スラスタ(Magneto-Plasma-Dynamic Arc Thrusters)
」、「ホール−アクセラレータ(Hall-Accelerators)」、「クローズド−ドリフ ト・スラスタ(Closed-Drift Thrusters)」及び「ホール電流イオンソース(Hall-
Current Ion Source)」によって言及してきた。説明及び解説の目的のため、我 々はこれらのタイプのデバイスを、一般に、「ホール電流イオンソース」と呼ぶ
。
ト電流モーション(drift current motion)である。磁界の線に関してらせん形に
動く電子は、Ｅ×Ｂ又はホール効果の力を受け、電界及び磁界の両方に直交する
方向に集合してドリフトする。これは、ホール効果ドリフト電流と呼ばれる。こ
の電子ドリフトパス(electron drift path)に沿って形成されるホールポテンシ ャルを避けるため、これらのイオンソースは、ホール効果ドリフト電流が連続的
な閉じたパスを流れるようにする、アノード放電領域すなわちチャネルを有する
。研究者は、これらのタイプのイオンソースを多くの名称：「マグネト−プラズ
マ−ダイナミック・アーク・スラスタ(Magneto-Plasma-Dynamic Arc Thrusters)
」、「ホール−アクセラレータ(Hall-Accelerators)」、「クローズド−ドリフ ト・スラスタ(Closed-Drift Thrusters)」及び「ホール電流イオンソース(Hall-
Current Ion Source)」によって言及してきた。説明及び解説の目的のため、我 々はこれらのタイプのデバイスを、一般に、「ホール電流イオンソース」と呼ぶ
。
【０００６】 以下の参考文献は、ホール電流イオンソースに関する先行技術を説明する。
【０００７】 空間推進の用途のために開発されたホール電流イオンソースの研究の内容は、
H. R. Kaufmanによる「テクノロジー・オブ・クローズド−ドリフト・スラスタ(
Technology of Closed-Drift Thrusters)」ＡＩＡＡジャーナル第３巻、７８〜 ８７ページ（１９８３年）及びそこに引用された参考文献に要約されている。
H. R. Kaufmanによる「テクノロジー・オブ・クローズド−ドリフト・スラスタ(
Technology of Closed-Drift Thrusters)」ＡＩＡＡジャーナル第３巻、７８〜 ８７ページ（１９８３年）及びそこに引用された参考文献に要約されている。
【０００８】 Burkhartによる米国特許第３，７３５，５９１号は、空間推進の用途のための
「マグネト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ(Magneto-Plasma-Dyna
mic Arc Thrusters)」という名称のホール電流イオンソースを開示し、クレーム
としている。
「マグネト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ(Magneto-Plasma-Dyna
mic Arc Thrusters)」という名称のホール電流イオンソースを開示し、クレーム
としている。
【０００９】 Cuomo他による米国特許第４，５４１，８９０号は、集積回路製造工程で使用 するための、高い電流密度で、低いイオンエネルギーのホール電流イオンソース
を開示し、クレームとしている。
を開示し、クレームとしている。
【００１０】 Kaufmanによる米国特許第４，８６２，０３２号は、高い電流密度で、低いエ ネルギーイオンビームの発生のための、いわゆる「エンド−ホール(End-Hall)」
イオンソースを開示し、クレームとしている。
イオンソースを開示し、クレームとしている。
【００１１】 Okada他によるジャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジクス(Japanese
Journal Applied Physics)、第３１巻、１８４５〜１８５４ページ（１９９２ 年）は、イオン注入及びダイヤモンド状カーボン(diamond-like carbon, DLC)コ
ーティングの堆積のために使用する、高いエネルギーのホール電流イオンソース
を説明する。
Journal Applied Physics)、第３１巻、１８４５〜１８５４ページ（１９９２ 年）は、イオン注入及びダイヤモンド状カーボン(diamond-like carbon, DLC)コ
ーティングの堆積のために使用する、高いエネルギーのホール電流イオンソース
を説明する。
【００１２】 Chuzhko他によるダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアル(Diamond
and Related Material)第１巻、３３２〜３３３ぺージ（１９９２年）、及びFed
oseev他によるダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアル(Diamond and
Related Material)第４巻、３１４〜３１７ぺージ（１９９５年）の記事は、Ｄ ＬＣコーティングの堆積に使用されるホール電流イオンソースを説明する。ホー
ル電流イオンソースは、空間推進及び材料処理の用途のための、化学的に不活性
な及び反応性のイオンビームを生成するために使用されてきた。いくつかのデザ
インが開発されてきた間、ホール電流イオンソースは、図１Ａから１Ｃまでに示
すような、３つの基本的な形態に分類することができる。図１Ａ〜１Ｃは、これ
らのイオンソースでしばしば使用される、アノードの非磁性ステンレススチール
（ＳＳ）、磁極片(pole piece)の磁性ステンレススチール、及び絶縁材料の間を
区別している。
and Related Material)第１巻、３３２〜３３３ぺージ（１９９２年）、及びFed
oseev他によるダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアル(Diamond and
Related Material)第４巻、３１４〜３１７ぺージ（１９９５年）の記事は、Ｄ ＬＣコーティングの堆積に使用されるホール電流イオンソースを説明する。ホー
ル電流イオンソースは、空間推進及び材料処理の用途のための、化学的に不活性
な及び反応性のイオンビームを生成するために使用されてきた。いくつかのデザ
インが開発されてきた間、ホール電流イオンソースは、図１Ａから１Ｃまでに示
すような、３つの基本的な形態に分類することができる。図１Ａ〜１Ｃは、これ
らのイオンソースでしばしば使用される、アノードの非磁性ステンレススチール
（ＳＳ）、磁極片(pole piece)の磁性ステンレススチール、及び絶縁材料の間を
区別している。
【００１３】 図１Ａは、延長されたアノード放電領域すなわち加速チャネル１４を有する「
延長チャネル(Extended Channel)」ホール電流イオンソース１０を示す。イオン
ソース１０は、以下のいくつかの部品：すなわち、絶縁材料からなり、第１の端
部１７にある開口部１６、及び非磁性ステンレススチールからなり、チャネル１
４の第２の端部の内部でその近傍に位置する、少なくとも１つの平らなリングア
ノード１８からなる、円形、円筒形のチャネルすなわちアノード放電領域１４と
、第２の端部２０のところのアノード１８の背後で、アノード放電領域１４と通
じているガス給送ライン２２と、磁性ステンレススチールからなり、放射方向の
磁界Ｂを形成する磁極片２６を有する磁気回路と、１以上の電磁石３０（又は永
久磁石３０）と、カソード３４と、カソード３４とアノード１８の間に電気的に
接続された放電パワーサプライ３８とを含む。延長されたチャネル１４は、１よ
り大きい（Ｌ／Ｗ＞１）、チャネル長Ｌをチャネル幅Ｗで割ったアスペクト比を
有する。
延長チャネル(Extended Channel)」ホール電流イオンソース１０を示す。イオン
ソース１０は、以下のいくつかの部品：すなわち、絶縁材料からなり、第１の端
部１７にある開口部１６、及び非磁性ステンレススチールからなり、チャネル１
４の第２の端部の内部でその近傍に位置する、少なくとも１つの平らなリングア
ノード１８からなる、円形、円筒形のチャネルすなわちアノード放電領域１４と
、第２の端部２０のところのアノード１８の背後で、アノード放電領域１４と通
じているガス給送ライン２２と、磁性ステンレススチールからなり、放射方向の
磁界Ｂを形成する磁極片２６を有する磁気回路と、１以上の電磁石３０（又は永
久磁石３０）と、カソード３４と、カソード３４とアノード１８の間に電気的に
接続された放電パワーサプライ３８とを含む。延長されたチャネル１４は、１よ
り大きい（Ｌ／Ｗ＞１）、チャネル長Ｌをチャネル幅Ｗで割ったアスペクト比を
有する。
【００１４】 図１Ｂは、チャネル１４よりかなり短い円筒形のチャネル４４を有する「空間
電荷シース(Space-charge Sheath)」ホール電流イオンソース４０を示し、通常 チャネル４４はＬ／Ｗ＜１である。更に、イオンソース４０は、溝又はチャネル
５０を有するリングアノード４８を持つ。比較的短いアノード放電領域を有する
、このタイプのホール電流イオンソースは、延長チャネルタイプより通常低い平
均エネルギーを有するイオンビームを作り出すが、アノード放電領域の境界とな
る壁部への放電損失が大きく減少したという利点を有する。図１Ｂのイオンソー
スでは、カソードとアノードの間の電子の流れは、主に、磁界のライン中に伸び
、それと交差する溝のあるリングアノード４８の内側及び外側の先端と接触する
。
電荷シース(Space-charge Sheath)」ホール電流イオンソース４０を示し、通常 チャネル４４はＬ／Ｗ＜１である。更に、イオンソース４０は、溝又はチャネル
５０を有するリングアノード４８を持つ。比較的短いアノード放電領域を有する
、このタイプのホール電流イオンソースは、延長チャネルタイプより通常低い平
均エネルギーを有するイオンビームを作り出すが、アノード放電領域の境界とな
る壁部への放電損失が大きく減少したという利点を有する。図１Ｂのイオンソー
スでは、カソードとアノードの間の電子の流れは、主に、磁界のライン中に伸び
、それと交差する溝のあるリングアノード４８の内側及び外側の先端と接触する
。
【００１５】 図１Ｃは、第３のタイプの先行技術のホール電流イオンソース、「エンド−ホ
ール(End Hall)」イオンソース６０を更に示す。エンド−ホールイオンソース６
０では、磁性を有する磁極片２６が、イオンソースの軸に沿って向けられ、開口
部１６を通して外側の極２８に向けられた、端で分岐する(end-divergent)磁界 を形成するように配置されている。円錐の、環状の部分６４は、アノード放電領
域６８を画定する。
ール(End Hall)」イオンソース６０を更に示す。エンド−ホールイオンソース６
０では、磁性を有する磁極片２６が、イオンソースの軸に沿って向けられ、開口
部１６を通して外側の極２８に向けられた、端で分岐する(end-divergent)磁界 を形成するように配置されている。円錐の、環状の部分６４は、アノード放電領
域６８を画定する。
【００１６】 ホール電流イオンソースは、高い堆積速度で生産することに適するように、い
くつかの基準に合致しなければならない。以下に詳細に説明するこれらの基準の
多くは、イオンビームの堆積及び非堆積の両方のプロセスに適用されることは注
意すべきである。
くつかの基準に合致しなければならない。以下に詳細に説明するこれらの基準の
多くは、イオンビームの堆積及び非堆積の両方のプロセスに適用されることは注
意すべきである。
【００１７】 第１に、高い堆積速度は、通常高い放電パワーレベルを要求する。ホール電流
イオンソースに供給される電力の普通５０から７０％は、直接的又は間接的に、
イオンソースの構成部品を加熱することに失われる。もしイオンソースが、真空
中の輻射する熱放射によって受動的に冷却されているなら、プラスチックのよう
な熱の影響を受けやすい素材は、ホットイオンソースアセンブリからの熱の流れ
によって損傷されることがあり得る。このように、高い堆積速度を促進するため
、ホール電流イオンソースを輻射する熱放射の他の方法により冷却することが望
ましい。
イオンソースに供給される電力の普通５０から７０％は、直接的又は間接的に、
イオンソースの構成部品を加熱することに失われる。もしイオンソースが、真空
中の輻射する熱放射によって受動的に冷却されているなら、プラスチックのよう
な熱の影響を受けやすい素材は、ホットイオンソースアセンブリからの熱の流れ
によって損傷されることがあり得る。このように、高い堆積速度を促進するため
、ホール電流イオンソースを輻射する熱放射の他の方法により冷却することが望
ましい。
【００１８】 第２に、イオンソースは、生産中、丈夫に動作しなくてはならない。イオンソ
ースは、確実にかつ簡単に動作が始まらなくてはならないし、パワー及び圧力の
最も広い可能な動作範囲を持たなくてはならない。イオンソースは、それの有す
る内部構成部品又は出力効率を劣化させるように動作すべきではない。プラズマ
ビームの出力特性は、時間が経っても安定したままであるべきであり、ほぼ均一
か少なくとも装置の大きさ及び対称性に関して対称的であるべきである。更に、
これらの属性のすべては、長い期間、すなわち２０時間を超える連続的なコーテ
ィングの実施の全体を通して、イオンソースのために一定に維持すべきである。
伝導性コーティングが生成される用途では、（ほぼ体抵抗＜１０2Ω-cmのコーテ
ィング）、イオンソースの非伝導性コーティングの上の不要な堆積は、電気的に
活動している構成部品間の短絡を引き起こしてはならない。逆に、非伝導性コー
ティングが生成される用途では、（ほぼ体抵抗＞１０2Ω-cmのコーティング）、
イオンソースの電気的に重要な表面は、絶縁性の堆積物によって全体がコーティ
ングされてはならない。
ースは、確実にかつ簡単に動作が始まらなくてはならないし、パワー及び圧力の
最も広い可能な動作範囲を持たなくてはならない。イオンソースは、それの有す
る内部構成部品又は出力効率を劣化させるように動作すべきではない。プラズマ
ビームの出力特性は、時間が経っても安定したままであるべきであり、ほぼ均一
か少なくとも装置の大きさ及び対称性に関して対称的であるべきである。更に、
これらの属性のすべては、長い期間、すなわち２０時間を超える連続的なコーテ
ィングの実施の全体を通して、イオンソースのために一定に維持すべきである。
伝導性コーティングが生成される用途では、（ほぼ体抵抗＜１０2Ω-cmのコーテ
ィング）、イオンソースの非伝導性コーティングの上の不要な堆積は、電気的に
活動している構成部品間の短絡を引き起こしてはならない。逆に、非伝導性コー
ティングが生成される用途では、（ほぼ体抵抗＞１０2Ω-cmのコーティング）、
イオンソースの電気的に重要な表面は、絶縁性の堆積物によって全体がコーティ
ングされてはならない。
【００１９】 第３に、ホール電流イオンソースは、望ましいコーティングの均一性を達成す
るために、広い表面の面積を、プラズマビーム内で最小の加工物の操作で処理で
きるように大きさを変えられる(scalable)べきである。
るために、広い表面の面積を、プラズマビーム内で最小の加工物の操作で処理で
きるように大きさを変えられる(scalable)べきである。
【００２０】 摩滅に抵抗性のあるコーティングの直接イオンビーム堆積のためのエンド−ホ
ールイオンソースの使用は、Knapp他の米国特許第５，５０８，３６８号に記載 されている。彼らは、アクリル及びポリカーボネートのようなプラスチック材料
を含む種々の基板の上に、１から１０μｍの厚さを有する摩滅に高い抵抗性のあ
るコーティングを堆積させる工程を開示する。コーティングは、前駆(precursor
)ガス及び蒸気を、イオンソースのアノード放電領域の下流でプラズマビーム中 に注入することによって作り出された。彼らの研究では、総計の体積コーティン
グ速度は、約0.01から0.1cm3/分の範囲であった。しかし、エンド−ホール及び 他の先行技術のホール電流イオンソースを、Knapp他によって開示された工程に 、より高い体積速度（0.1から1cm3/分）で適用しようとするとき、イオンソース
装置の性能に関する多くの技術的問題が発生する。
ールイオンソースの使用は、Knapp他の米国特許第５，５０８，３６８号に記載 されている。彼らは、アクリル及びポリカーボネートのようなプラスチック材料
を含む種々の基板の上に、１から１０μｍの厚さを有する摩滅に高い抵抗性のあ
るコーティングを堆積させる工程を開示する。コーティングは、前駆(precursor
)ガス及び蒸気を、イオンソースのアノード放電領域の下流でプラズマビーム中 に注入することによって作り出された。彼らの研究では、総計の体積コーティン
グ速度は、約0.01から0.1cm3/分の範囲であった。しかし、エンド−ホール及び 他の先行技術のホール電流イオンソースを、Knapp他によって開示された工程に 、より高い体積速度（0.1から1cm3/分）で適用しようとするとき、イオンソース
装置の性能に関する多くの技術的問題が発生する。
【００２１】 例えば、エンド−ホールイオンソースの２つの商業的形態（バージニア州、ア
レクサンドリアの、コモンウェルス・サイエンティフィック・コーポレーション
(Commonwealth Scientific Corporation)によって製造された、マークIIエンド −ホールイオンソース及びマークIIIエンド−ホールイオンソース）のいずれか を、非常に高い堆積速度でプラスチックをコーティングするための商業的製造設
定に適合させようとしたとき、いくつかの複雑な状況が発生した。これらのエン
ド−ホールイオンソースは放射冷却であり、熱の影響を受けやすいプラスチック
を長い時間コーティングするとき、ホットイオンソースの構成部品から放射され
る高い熱のパワーの流れのために、それらのパワーの範囲は非常に限られていた
。更に、イオンソースは、アノードアセンブリのベースの近くに位置する、ガス
分配器のプレートから物理的に金属をスパッタリングする傾向があった。通常、
この電気的浮遊プレートのポテンシャルは、アノードのそれより何十ボルトも低
く、アノード放電領域で発生したイオンのいくつかは、ガス分配器プレートの方
に逆に加速される。このイオン射出(bombardment)は、ガス分配器プレートを、 非伝導性堆積物が比較的ないように維持するが、電気的浮遊プレートを加熱し、
プラズマビーム中に金属の汚染物質をスパッタリングする。そのような金属汚染
物質は、例えば、処理される加工物上の、不良なフィルムの接合、光学的欠陥及
び同様のもののような、不良な処理性能を引き起こすことが発見されている。商
業的エンド−ホールイオンソース中のアノードアセンブリはまた、イオンソース
本体内の、接地及び浮遊の両方の金属構成部品にしばしばアーク放電するであろ
う。これらのランダムな一時的なアーク放電は、金属をアセンブリ内の電気絶縁
体上にスパッタリングして電気的短絡を引き起こし、またコーティング動作中に
、放電をただちに再開始するための簡単な方法もなく、しばしば放電を消滅させ
る。更に、これらのアークの発生は、イオン化が困難な給送ガスを使用した、よ
り高いパワーレベルで動作させたとき、及び非伝導性コーティングを堆積させた
ときに、より顕著かつ頻繁になった。
レクサンドリアの、コモンウェルス・サイエンティフィック・コーポレーション
(Commonwealth Scientific Corporation)によって製造された、マークIIエンド −ホールイオンソース及びマークIIIエンド−ホールイオンソース）のいずれか を、非常に高い堆積速度でプラスチックをコーティングするための商業的製造設
定に適合させようとしたとき、いくつかの複雑な状況が発生した。これらのエン
ド−ホールイオンソースは放射冷却であり、熱の影響を受けやすいプラスチック
を長い時間コーティングするとき、ホットイオンソースの構成部品から放射され
る高い熱のパワーの流れのために、それらのパワーの範囲は非常に限られていた
。更に、イオンソースは、アノードアセンブリのベースの近くに位置する、ガス
分配器のプレートから物理的に金属をスパッタリングする傾向があった。通常、
この電気的浮遊プレートのポテンシャルは、アノードのそれより何十ボルトも低
く、アノード放電領域で発生したイオンのいくつかは、ガス分配器プレートの方
に逆に加速される。このイオン射出(bombardment)は、ガス分配器プレートを、 非伝導性堆積物が比較的ないように維持するが、電気的浮遊プレートを加熱し、
プラズマビーム中に金属の汚染物質をスパッタリングする。そのような金属汚染
物質は、例えば、処理される加工物上の、不良なフィルムの接合、光学的欠陥及
び同様のもののような、不良な処理性能を引き起こすことが発見されている。商
業的エンド−ホールイオンソース中のアノードアセンブリはまた、イオンソース
本体内の、接地及び浮遊の両方の金属構成部品にしばしばアーク放電するであろ
う。これらのランダムな一時的なアーク放電は、金属をアセンブリ内の電気絶縁
体上にスパッタリングして電気的短絡を引き起こし、またコーティング動作中に
、放電をただちに再開始するための簡単な方法もなく、しばしば放電を消滅させ
る。更に、これらのアークの発生は、イオン化が困難な給送ガスを使用した、よ
り高いパワーレベルで動作させたとき、及び非伝導性コーティングを堆積させた
ときに、より顕著かつ頻繁になった。
【００２２】 これらの問題があるため、Kaufmanによって米国特許第４，８６２，０３２号 に記載され、コモンウェルス・サイエンティフィック・コーポレーションによっ
て商業的に製造されたエンド−ホールイオンソースは、これらのイオンソースを
非常に高い堆積速度で動作させようとするとき、Knapp他による第５，５０８， ３６８号特許に開示された方法によって堆積させられるコーティングの生産には
不適切であった。更に、Kaufmanの第４，８６２，０３２号特許には、これらの 欠点の解決策を導く、開示された方法又は説明も、当業者に明らかな方法もない
。
て商業的に製造されたエンド−ホールイオンソースは、これらのイオンソースを
非常に高い堆積速度で動作させようとするとき、Knapp他による第５，５０８， ３６８号特許に開示された方法によって堆積させられるコーティングの生産には
不適切であった。更に、Kaufmanの第４，８６２，０３２号特許には、これらの 欠点の解決策を導く、開示された方法又は説明も、当業者に明らかな方法もない
。
【００２３】 先行技術の他の特許及び報告は、不活性あるいは活性ガス中の長い時間の動作
のための、イオンソースプラズマビームからの材料の直接堆積のための、ホール
電流イオンソースの使用を説明する。それでも、コーティングを堆積させること
に関連する問題、特に熱の影響を受けやすい材料の上への非伝導性コーティング
の高い速度での堆積に関連する問題をどのようにして克服するかを説明又は教え
るものはない。
のための、イオンソースプラズマビームからの材料の直接堆積のための、ホール
電流イオンソースの使用を説明する。それでも、コーティングを堆積させること
に関連する問題、特に熱の影響を受けやすい材料の上への非伝導性コーティング
の高い速度での堆積に関連する問題をどのようにして克服するかを説明又は教え
るものはない。
【００２４】 Burkhartの米国特許第３，７３５，５９１号に記載され、上述された「マグネ
ト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ」は、放射冷却であり、熱の影
響を受けやすい材料上への非常に高い堆積速度を維持するには、低すぎるパワー
レベルで又は高すぎる温度で動作する。このデバイスは、プラズマビームの直接
内側に位置するカソードを使用し、これは、カソードがプラズマビームを静電的
に混乱させ、スパッタリングの汚染源となる点で望ましくない状況である。この
ホール電流イオンソースでは、ガスは、中空で円筒形のアノードの壁部を通して
少なくとも１つのチューブによってイオンソース中に注入される。他の先行技術
の例で明らかになるように、このイオンソースの非伝導性コーティングの堆積の
間の長い動作は、放電電流をガス給送開口部に集中させることになり、不均一な
プラズマビームを作り出して、高い放電電流で動作しているときにガスの入口付
近のアノードの壁部を溶融させたり気化させたりすることによって損傷させる。
ト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ」は、放射冷却であり、熱の影
響を受けやすい材料上への非常に高い堆積速度を維持するには、低すぎるパワー
レベルで又は高すぎる温度で動作する。このデバイスは、プラズマビームの直接
内側に位置するカソードを使用し、これは、カソードがプラズマビームを静電的
に混乱させ、スパッタリングの汚染源となる点で望ましくない状況である。この
ホール電流イオンソースでは、ガスは、中空で円筒形のアノードの壁部を通して
少なくとも１つのチューブによってイオンソース中に注入される。他の先行技術
の例で明らかになるように、このイオンソースの非伝導性コーティングの堆積の
間の長い動作は、放電電流をガス給送開口部に集中させることになり、不均一な
プラズマビームを作り出して、高い放電電流で動作しているときにガスの入口付
近のアノードの壁部を溶融させたり気化させたりすることによって損傷させる。
【００２５】 同様の問題が、空間推進の用途のために開発された先行技術のホール電流イオ
ンソースに見られる。これらのホール電流イオンソースのすべては、アルゴン又
はキセノンのような化学的に不活性な推進燃料(inert propellant)を、又は場合
によってセシウムのような簡単にイオン化される金属を使用するとき、低いパワ
ーでの動作、軽量な構成部品、高い特定の衝撃(specific impulse)及びスラスト
効率(thrust efficiency)、及び長寿命の動作を強調する。空間推進のホール電 流イオンソースの共通の特徴は、それらは輻射する熱放射によって冷却されるこ
とである。連続動作では、それらは比較的低いパワーでのみ動作させることがで
き、及びこの制限は、空間推進の用途のために望ましいようにそれらをよりコン
パクトで軽量に作るときに、より制限的になる。そのように、この分野の豊富な
文献は、高いパワーでの、及び化学的に活性の又は堆積する環境での動作のため
のホール電流イオンソースの使用に関する手段及び方法の説明を提供していない
。
ンソースに見られる。これらのホール電流イオンソースのすべては、アルゴン又
はキセノンのような化学的に不活性な推進燃料(inert propellant)を、又は場合
によってセシウムのような簡単にイオン化される金属を使用するとき、低いパワ
ーでの動作、軽量な構成部品、高い特定の衝撃(specific impulse)及びスラスト
効率(thrust efficiency)、及び長寿命の動作を強調する。空間推進のホール電 流イオンソースの共通の特徴は、それらは輻射する熱放射によって冷却されるこ
とである。連続動作では、それらは比較的低いパワーでのみ動作させることがで
き、及びこの制限は、空間推進の用途のために望ましいようにそれらをよりコン
パクトで軽量に作るときに、より制限的になる。そのように、この分野の豊富な
文献は、高いパワーでの、及び化学的に活性の又は堆積する環境での動作のため
のホール電流イオンソースの使用に関する手段及び方法の説明を提供していない
。
【００２６】 放射冷却されたホール電流イオンソースの、Chumo他の米国特許第４，５４１ ，８９０号に記載された好適な実施形態では、作動ガスは、アノードから電気的
に絶縁もされている離れた環状のマニホルドによって、背後の近傍のアノードか
ら、アノード放電チャンバ中に導かれる。後の先行技術の例で明らかになるよう
に、ガス分配のこの手段は、不活性な、堆積を生じないガスと共に動作するよう
にすることができる。しかし、堆積を生じるガスの場合は、この同じホール電流
イオンソースは故障しやすい。非伝導性堆積物は、堆積を生じる環境にさらされ
たアノードの領域上に容易に生じることができ、その後、電気的に活性なアノー
ド領域は、見通し内の堆積が低いか無視できるところである、アノードの背後の
表面へと狭くなる。高いエネルギーの電子をこれらの領域へ流すこと(channelin
g)は、効率的な動作のために望ましいようなアノード放電領域内ではなく、アノ
ードアセンブリの背後又はそれに沿った強い放電活性を動かすことになり得る。
更に、ガス分配マニホルドのような、アノードと非アノード表面の間の強い放電
活性は、接地あるいは浮遊の金属又は絶縁非アノード表面のいずれかの、イオン
スパッタリング及び／又はオーバーヒートを引き起こし得る。そのアセンブリ次
第で、スパッタリングされた金属は絶縁ハードウェアを横切る短絡を形成し、金
属の汚染物質をプロセス中に入れることがある。Chumo他は、高い速度の堆積プ ロセスに使用したときの、彼らのイオンソースで遭遇するであろう、性能を劣化
させる問題に取り組むいかなる手段も説明又は教えていないことは注意すべきで
ある。
に絶縁もされている離れた環状のマニホルドによって、背後の近傍のアノードか
ら、アノード放電チャンバ中に導かれる。後の先行技術の例で明らかになるよう
に、ガス分配のこの手段は、不活性な、堆積を生じないガスと共に動作するよう
にすることができる。しかし、堆積を生じるガスの場合は、この同じホール電流
イオンソースは故障しやすい。非伝導性堆積物は、堆積を生じる環境にさらされ
たアノードの領域上に容易に生じることができ、その後、電気的に活性なアノー
ド領域は、見通し内の堆積が低いか無視できるところである、アノードの背後の
表面へと狭くなる。高いエネルギーの電子をこれらの領域へ流すこと(channelin
g)は、効率的な動作のために望ましいようなアノード放電領域内ではなく、アノ
ードアセンブリの背後又はそれに沿った強い放電活性を動かすことになり得る。
更に、ガス分配マニホルドのような、アノードと非アノード表面の間の強い放電
活性は、接地あるいは浮遊の金属又は絶縁非アノード表面のいずれかの、イオン
スパッタリング及び／又はオーバーヒートを引き起こし得る。そのアセンブリ次
第で、スパッタリングされた金属は絶縁ハードウェアを横切る短絡を形成し、金
属の汚染物質をプロセス中に入れることがある。Chumo他は、高い速度の堆積プ ロセスに使用したときの、彼らのイオンソースで遭遇するであろう、性能を劣化
させる問題に取り組むいかなる手段も説明又は教えていないことは注意すべきで
ある。
【００２７】 上述の記事で説明された、Feedoseev他の最近の研究では、水冷のアノードを 有する、いわゆる「ホール・アクセラレータ」イオンソースが、水素、アルゴン
、及びメタン給送ガスの混合からＤＬＣコーティングを作るために使用された。
彼らのホールアクセラレータの設計では、ガスは、Ｖ字形の環状のアノードのベ
ース中の0.02cmの広さの環状のスロットを通して、アノード放電領域に均一に送
られる。このイオンソースは、炭化水素給送ガスからＤＬＣコーティングを堆積
させるために使用することができることが実証されたが、この同じイオンソース
は、それを上述の参考文献中のKnapp他により開示されたプロセス中に統合しよ うとしたとき、故障したことが観察された。非伝導性堆積がホール・アクセラレ
ータのアノード上に形成され、それは、電気的に活性な表面の面積を減少させ、
アノードのポテンシャルを増加させる。結局、アノードのポテンシャルは、アノ
ードの背後のガスがブレークダウン(breakdown)するために十分に高く、アーク がイオンソースの内部又は背後の伝導性表面に発生した。アノード上の非伝導性
のコーティングの存在は、イオンソースを再点火することも非常に難しくした。
ＤＬＣ堆積の間は、ホットイオンソースの表面上への堆積は、グラファイトの組
成で、このため電気的に伝導性であり得ることが知られている。これが、放電電
子接触電流の多くが発生するように意図されているＶ字形のアノードの先端のよ
うな、冷却が不十分なホール・アクセラレータのアノードの領域上で起こったこ
とが推定される。しかし、Knapp他によって記載されたプロセスでは、アノード 上の、熱い及び冷たい両方の領域上の堆積物は非伝導性であり、またこのため、
それらの存在はホール・アクセラレータイオンソースの能力を奪った。
、及びメタン給送ガスの混合からＤＬＣコーティングを作るために使用された。
彼らのホールアクセラレータの設計では、ガスは、Ｖ字形の環状のアノードのベ
ース中の0.02cmの広さの環状のスロットを通して、アノード放電領域に均一に送
られる。このイオンソースは、炭化水素給送ガスからＤＬＣコーティングを堆積
させるために使用することができることが実証されたが、この同じイオンソース
は、それを上述の参考文献中のKnapp他により開示されたプロセス中に統合しよ うとしたとき、故障したことが観察された。非伝導性堆積がホール・アクセラレ
ータのアノード上に形成され、それは、電気的に活性な表面の面積を減少させ、
アノードのポテンシャルを増加させる。結局、アノードのポテンシャルは、アノ
ードの背後のガスがブレークダウン(breakdown)するために十分に高く、アーク がイオンソースの内部又は背後の伝導性表面に発生した。アノード上の非伝導性
のコーティングの存在は、イオンソースを再点火することも非常に難しくした。
ＤＬＣ堆積の間は、ホットイオンソースの表面上への堆積は、グラファイトの組
成で、このため電気的に伝導性であり得ることが知られている。これが、放電電
子接触電流の多くが発生するように意図されているＶ字形のアノードの先端のよ
うな、冷却が不十分なホール・アクセラレータのアノードの領域上で起こったこ
とが推定される。しかし、Knapp他によって記載されたプロセスでは、アノード 上の、熱い及び冷たい両方の領域上の堆積物は非伝導性であり、またこのため、
それらの存在はホール・アクセラレータイオンソースの能力を奪った。
【００２８】 延長されたチャネルを有するホール電流イオンソースが、Okada他によって、 アルゴン及び種々の炭化水素ガスの組合わせからＤＬＣフィルムを堆積させるた
めの上述の記事に記載された研究で使用された。比較的体積の大きい、洗練され
たデバイスは、多くの電磁石を使用し、それの延長された加速チャネル内に磁界
を形成する。アノードアセンブリの直接の能動的な冷却はなく、またイオンソー
スは自立した(self-sustained)カソードを使用しない。非伝導性の体積物が熱い
アノード上に形成される環境での、この装置の使用についての報告はまだ開示さ
れていない。非伝導性コーティングの直接堆積で遭遇する共通の問題に関する他
の先行技術のホール電流イオンソースを超える独特の利点を有する、この延長さ
れたチャネルのホール電流イオンソース内の開示された実施形態もない。
めの上述の記事に記載された研究で使用された。比較的体積の大きい、洗練され
たデバイスは、多くの電磁石を使用し、それの延長された加速チャネル内に磁界
を形成する。アノードアセンブリの直接の能動的な冷却はなく、またイオンソー
スは自立した(self-sustained)カソードを使用しない。非伝導性の体積物が熱い
アノード上に形成される環境での、この装置の使用についての報告はまだ開示さ
れていない。非伝導性コーティングの直接堆積で遭遇する共通の問題に関する他
の先行技術のホール電流イオンソースを超える独特の利点を有する、この延長さ
れたチャネルのホール電流イオンソース内の開示された実施形態もない。
【００２９】 以下の一般的な技術的問題は、高い速度の堆積又は高いパワーの動作が要求さ
れるプロセスへの先行技術のホール電流イオンソースの使用と直面する。
れるプロセスへの先行技術のホール電流イオンソースの使用と直面する。
【００３０】 先行技術の放射冷却のホール電流イオンソースは、熱の影響を受けやすい材料
の迅速な処理及びコーティングには適していない。高いパワーでの動作の間、ホ
ットイオンソースからの放射熱エネルギーは、熱の影響を受けやすい加工物を加
熱し、損傷を与える可能性がある。このように、輻射する熱放射の他の手段によ
り、イオンソース装置から熱エネルギーを取り出すことは重要である。
の迅速な処理及びコーティングには適していない。高いパワーでの動作の間、ホ
ットイオンソースからの放射熱エネルギーは、熱の影響を受けやすい加工物を加
熱し、損傷を与える可能性がある。このように、輻射する熱放射の他の手段によ
り、イオンソース装置から熱エネルギーを取り出すことは重要である。
【００３１】 ホール電流イオンソースで非伝導性コーティングを堆積させるとき、コーティ
ングは、アノード放電領域にさらされたきれいなアノード表面の領域を覆うであ
ろう。これは、活動するアノード領域を減少させ、結局多くの方法でイオンソー
スを故障させる。ガスがアノードの回りに送られる先行技術のイオンソースでは
、活動するアノード表面はアノードの側面及び背後へと狭くなり、その結果、放
電に供給されるパワーは、アノード放電領域内の体積のイオン化(volume ioniza
tion)及びイオン加速ではなく、アノードの周囲及び背後のあたりの壁部の再結 合損失(wall recombination losses)へ転じる傾向がある。ガスがアノードを通 して１以上の別個の穴によって入れられる先行技術のイオンソースでは、活動す
るアノード領域は、別個のガス注入穴から近傍の、高い電流密度の領域へと狭く
なる。１つの穴の場合、加速チャネル中の放電及び結果として生じるプラズマイ
オンビームのプロフィールは不均一又は非対称となる。更に、狭い伝導性の表面
領域への強い電子電流が、イオンソースが高い電流レベルで動作するとき、局所
的にアノードの金属を溶かし蒸発させ得る。アノード放電領域に直接開いている
、アノード中の穴のアレイ又は薄い連続的なスロットの場合は、活動しているア
ノード表面は、特に高い速度の堆積の状況の間、イオンソースが不安定になりそ
れのアノード電圧動作範囲の外に上昇するような程度に減少し得る。結局、イオ
ンソースの放電電流は、カソードとアノード放電領域の間で、消滅するか流れな
くなるであろう。
ングは、アノード放電領域にさらされたきれいなアノード表面の領域を覆うであ
ろう。これは、活動するアノード領域を減少させ、結局多くの方法でイオンソー
スを故障させる。ガスがアノードの回りに送られる先行技術のイオンソースでは
、活動するアノード表面はアノードの側面及び背後へと狭くなり、その結果、放
電に供給されるパワーは、アノード放電領域内の体積のイオン化(volume ioniza
tion)及びイオン加速ではなく、アノードの周囲及び背後のあたりの壁部の再結 合損失(wall recombination losses)へ転じる傾向がある。ガスがアノードを通 して１以上の別個の穴によって入れられる先行技術のイオンソースでは、活動す
るアノード領域は、別個のガス注入穴から近傍の、高い電流密度の領域へと狭く
なる。１つの穴の場合、加速チャネル中の放電及び結果として生じるプラズマイ
オンビームのプロフィールは不均一又は非対称となる。更に、狭い伝導性の表面
領域への強い電子電流が、イオンソースが高い電流レベルで動作するとき、局所
的にアノードの金属を溶かし蒸発させ得る。アノード放電領域に直接開いている
、アノード中の穴のアレイ又は薄い連続的なスロットの場合は、活動しているア
ノード表面は、特に高い速度の堆積の状況の間、イオンソースが不安定になりそ
れのアノード電圧動作範囲の外に上昇するような程度に減少し得る。結局、イオ
ンソースの放電電流は、カソードとアノード放電領域の間で、消滅するか流れな
くなるであろう。
【００３２】 先行技術のホール電流イオンソースによって伝導性コーティングを堆積させる
とき、非伝導性の表面への不要な堆積は、電気的に活動している構成部品間の絶
縁を劣化させ得る。早くから、これは、堆積速度を減少させる知られていないパ
ワー損失を引き起こすであろう。結局、アノードからカソードへのポテンシャル
降下は、プラズマを維持することができない所まで減少するであろう。
とき、非伝導性の表面への不要な堆積は、電気的に活動している構成部品間の絶
縁を劣化させ得る。早くから、これは、堆積速度を減少させる知られていないパ
ワー損失を引き起こすであろう。結局、アノードからカソードへのポテンシャル
降下は、プラズマを維持することができない所まで減少するであろう。
【００３３】 先行技術の多くのホール電流イオンソースは、しばしばイオン化が困難なガス
で動作するとき、アノード放電領域とこの領域の近くの金属境界の間の、放電中
の「スパーク」あるいは「アーク」のいずれかの不安定さの結果として、不安定
な性能も示す。これらの事象は、アノード放電領域内の放電電流を減少させたり
そらせたりすることがあり、放電特性、例えば、荷電粒子密度及びプラズマポテ
ンシャル電界(plasma potential field)を、放電が消滅するほどに混乱させるこ
とがある。そのような不安定さ又はアークすることを示さない、又は少なくとも
それらの発生の影響を受けないホール電流イオンソースを持つことが望まれる。
先行技術の多くのホール電流イオンソースは、アノード放電領域を境界とする金
属構成部品を有する。イオン射出は、随伴するイオンスパッタリング及びそのよ
うな表面の加熱が堆積と競合する、非伝導性コーティングの堆積の条件下でさえ
、これらの表面から金属をスパッタリングすることができる。コーティングプロ
セスを汚染し得る又はアノードの電気的短絡を引き起こす可能性のある、すべて
の金属の構成部品からのスパッタリングを排除又は最小化することが望まれる。
で動作するとき、アノード放電領域とこの領域の近くの金属境界の間の、放電中
の「スパーク」あるいは「アーク」のいずれかの不安定さの結果として、不安定
な性能も示す。これらの事象は、アノード放電領域内の放電電流を減少させたり
そらせたりすることがあり、放電特性、例えば、荷電粒子密度及びプラズマポテ
ンシャル電界(plasma potential field)を、放電が消滅するほどに混乱させるこ
とがある。そのような不安定さ又はアークすることを示さない、又は少なくとも
それらの発生の影響を受けないホール電流イオンソースを持つことが望まれる。
先行技術の多くのホール電流イオンソースは、アノード放電領域を境界とする金
属構成部品を有する。イオン射出は、随伴するイオンスパッタリング及びそのよ
うな表面の加熱が堆積と競合する、非伝導性コーティングの堆積の条件下でさえ
、これらの表面から金属をスパッタリングすることができる。コーティングプロ
セスを汚染し得る又はアノードの電気的短絡を引き起こす可能性のある、すべて
の金属の構成部品からのスパッタリングを排除又は最小化することが望まれる。
【００３４】 先行技術のほとんどすべてのホール電流イオンソースは、静的な磁界を形成す
るため、永久磁石又は独立したパワーサプライに駆動される電磁石のいずれかを
使用する。そのように、これらのホール電流イオンソースは、それらの望ましい
動作範囲にわたって、いつも簡単にかつ確実に点火するわけではない。作動ガス
がブレークダウンするために必要なアノード電圧閾値及び給送ガスレベルは、定
常状態の動作のために必要なものより大きい。このように、先行技術のホール電
流イオンソースの点火プロセスは、固有のヒステリシスを有する。研究者は、放
電を点火し、次にこれらの特性を望ましい設定値に再調節するために、磁界の強
度を変更し、高い電圧の波形を引き起こし、動的にガスの流れを変更しなくては
ならない。簡単に放電を点火し、イオンソースをそれの最も広い定常状態の範囲
に亘って動作させるための、より複雑でない点火手順が望まれる。迅速かつ簡単
な点火は、数秒だけのイオンソースの動作が必要とされる、非常に薄いコーティ
ング（５０から１００オングストローム）の迅速な堆積のために特に望まれる。
るため、永久磁石又は独立したパワーサプライに駆動される電磁石のいずれかを
使用する。そのように、これらのホール電流イオンソースは、それらの望ましい
動作範囲にわたって、いつも簡単にかつ確実に点火するわけではない。作動ガス
がブレークダウンするために必要なアノード電圧閾値及び給送ガスレベルは、定
常状態の動作のために必要なものより大きい。このように、先行技術のホール電
流イオンソースの点火プロセスは、固有のヒステリシスを有する。研究者は、放
電を点火し、次にこれらの特性を望ましい設定値に再調節するために、磁界の強
度を変更し、高い電圧の波形を引き起こし、動的にガスの流れを変更しなくては
ならない。簡単に放電を点火し、イオンソースをそれの最も広い定常状態の範囲
に亘って動作させるための、より複雑でない点火手順が望まれる。迅速かつ簡単
な点火は、数秒だけのイオンソースの動作が必要とされる、非常に薄いコーティ
ング（５０から１００オングストローム）の迅速な堆積のために特に望まれる。
【００３５】 安定動作のためのガス給送要件を大きく増加させることなく、大きい面積の処
理するために、従来のホール電流イオンソースの規模を変更することは難しい。
先行技術のすべてのホール電流イオンソースは、次に非対称のプラズマビーム特
性を引き起こす、電子のＥ×Ｂのドリフトパスに沿った非対称のホールポテンシ
ャルの形成を避けるために、閉じたパスの(closed-path)アノード放電領域を使 用する。いくつかのプロセスでは、動いているシート、備品、平面又はウェブの
ような広い表面に亘って分配される直線的な(linear)プラズマビームを形成する
ために非常に利点があるであろう。従来の閉じたパスのそのような直線的なホー
ル電流イオンソースは、少なくとも直線的イオンソースの長さの２倍の、ドリフ
トの閉じた(closed-drift)アノード放電領域を持たなくてはならない。ホール電
流イオンソースのガス負荷要件(gas load requirement)は、アノードの閉じたパ
スの外周すなわち長さと共に規模が変わる傾向がある。このようにして、従来の
閉じたパスの形態の大きい直線的ホール電流イオンソースは、安定した動作のた
め、十分に高いガス給送レベル及び高い真空ポンプスピードを必要とするであろ
う。しかし、単にイオンソースの出力の構造を再分配するための努力のガス及び
ポンプの要件の規模を変えることは普通望ましくない。先行技術の閉じたパスの
慣例によって制限されないが、それのプラズマビーム特性に非対称のホールポテ
ンシャル及び同様の非対称性を示さない、ホール電流イオンソースを持つことが
より望ましい。
理するために、従来のホール電流イオンソースの規模を変更することは難しい。
先行技術のすべてのホール電流イオンソースは、次に非対称のプラズマビーム特
性を引き起こす、電子のＥ×Ｂのドリフトパスに沿った非対称のホールポテンシ
ャルの形成を避けるために、閉じたパスの(closed-path)アノード放電領域を使 用する。いくつかのプロセスでは、動いているシート、備品、平面又はウェブの
ような広い表面に亘って分配される直線的な(linear)プラズマビームを形成する
ために非常に利点があるであろう。従来の閉じたパスのそのような直線的なホー
ル電流イオンソースは、少なくとも直線的イオンソースの長さの２倍の、ドリフ
トの閉じた(closed-drift)アノード放電領域を持たなくてはならない。ホール電
流イオンソースのガス負荷要件(gas load requirement)は、アノードの閉じたパ
スの外周すなわち長さと共に規模が変わる傾向がある。このようにして、従来の
閉じたパスの形態の大きい直線的ホール電流イオンソースは、安定した動作のた
め、十分に高いガス給送レベル及び高い真空ポンプスピードを必要とするであろ
う。しかし、単にイオンソースの出力の構造を再分配するための努力のガス及び
ポンプの要件の規模を変えることは普通望ましくない。先行技術の閉じたパスの
慣例によって制限されないが、それのプラズマビーム特性に非対称のホールポテ
ンシャル及び同様の非対称性を示さない、ホール電流イオンソースを持つことが
より望ましい。
【００３６】 先行技術のホール電流イオンソースからのプラズマビームの出力を幾何学的に
分配したり、規模を変更したりするために、複数のアノード及びカソードパワー
サプライを有する複数のイオンソース、及び多くの場合、電磁石のパワーサプラ
イが必要である。１以上のパワーサプライからのパワーを、アノードのアレイの
ような、いくつかのアノード又はアノード放電領域に、２以上のアノード間に放
電電流を分配し、次に電流を単一の共通のカソードで合体させることによって、
分配することが望ましい。そのような方法は、広い領域を処理するようプラズマ
ビームを形成するために必要なパワーサプライ及びイオンソースの構成部品の数
を最小化するであろう。そのようなアプローチは、全体の中で、放電電流とそれ
ぞれのアノードに送られるパワーの比率を均衡させるための手段も必要とする。
複数のホール電流イオンソースを一団にすることに加えて、先行技術には、その
ようなイオンソースシステムを電気的に結合させて制御するための手段が示され
ていない。
分配したり、規模を変更したりするために、複数のアノード及びカソードパワー
サプライを有する複数のイオンソース、及び多くの場合、電磁石のパワーサプラ
イが必要である。１以上のパワーサプライからのパワーを、アノードのアレイの
ような、いくつかのアノード又はアノード放電領域に、２以上のアノード間に放
電電流を分配し、次に電流を単一の共通のカソードで合体させることによって、
分配することが望ましい。そのような方法は、広い領域を処理するようプラズマ
ビームを形成するために必要なパワーサプライ及びイオンソースの構成部品の数
を最小化するであろう。そのようなアプローチは、全体の中で、放電電流とそれ
ぞれのアノードに送られるパワーの比率を均衡させるための手段も必要とする。
複数のホール電流イオンソースを一団にすることに加えて、先行技術には、その
ようなイオンソースシステムを電気的に結合させて制御するための手段が示され
ていない。
【００３７】 以下に示すものは、先行技術のホール電流イオンソースの欠点の要約である。 (1)熱の影響を受けやすい加工物に有害な輻射する熱放射。 (2)プロセスに固有の、アノード表面の非伝導性コーティングによる広範なコー ティングであって、以下の原因となるもの。 (a)イオンが主に作り出され加速される、アノード放電領域の付近の不均一又 は非対称的な放電の形成、 (b)アノードの側面及び背後に沿った領域への、電気的に活動しているアノー ド表面の縮小、 (c)アノード表面の損傷を引き起こすアノードの、局所的な、高い放電電流密 度、及び (d)アノード放電領域とカソードの間の放電電流の損失又は混乱。 (3)伝導性コーティングが堆積する環境中での、信頼性のない動作。 (4)アノードと非アノードの金属構成部品の間の頻繁なアーク、及び一時的なア ークへの感受性、及び放電電流の損失及びアノード放電領域の外のそれの方向変
更を引き起こす不安定性。 (5)アノード放電領域内又はプラズマビーム内の、イオンソースの金属の構成部 品からの金属のスパッタリング。 (6)不注意な、一時的な放電電流の損失の場合に、イオンソースの放電を点火し 、イオンソース放電電流を再確立するための、簡単で、迅速で、電気的に受動的
な手段がない。 (7)閉じていないアノードパスを有するホール電流イオンソースの規模を変更す る手段、及びアノード放電領域中及びプラズマビーム中の非対称的なホールポテ
ンシャルを避けるための手段がない。 (8)広い処理領域に亘る、放電パワー、電流、及びプラズマビーム特性を分配し 制御するための、複数のイオンソースシステム又はアノードを共通のカソード及
びアノードパワーサプライと並列に接続するための簡単な手段がない。
更を引き起こす不安定性。 (5)アノード放電領域内又はプラズマビーム内の、イオンソースの金属の構成部 品からの金属のスパッタリング。 (6)不注意な、一時的な放電電流の損失の場合に、イオンソースの放電を点火し 、イオンソース放電電流を再確立するための、簡単で、迅速で、電気的に受動的
な手段がない。 (7)閉じていないアノードパスを有するホール電流イオンソースの規模を変更す る手段、及びアノード放電領域中及びプラズマビーム中の非対称的なホールポテ
ンシャルを避けるための手段がない。 (8)広い処理領域に亘る、放電パワー、電流、及びプラズマビーム特性を分配し 制御するための、複数のイオンソースシステム又はアノードを共通のカソード及
びアノードパワーサプライと並列に接続するための簡単な手段がない。
【００３８】 発明の概要 本発明の装置は、発生環境(production environment)で使用するときに先行技
術のイオンソースが遭遇する問題を克服する特徴を実現した、閉じたパスの、又
は閉じていないパスのホール電流イオンソースを提供する。本発明のイオンソー
スは、伝導性表面領域、又は化学的に活性な（例えば、腐食性の）又は堆積する
環境で材料を処理するとき、電子接触電流(electron contact current)がアノー
ドの近傍に連続的かつほぼ均一に維持できる領域を提供する、非放射性の(non-r
adiative)又は液冷のアノードを含む。結果として、このイオンソースは、非常 に高い生成速度で、熱の影響を受けやすい材料又は加工物を処理する、真空の３
つのモードで使用することができる。これらのモードは、(1)例えば、表面の組 織を変更するための反応性のイオンビームエッチング又は非反応性のイオンビー
ムスパッタリングエッチング、マスクされたプロフィール(masked profile)、又
は種々の基板の接合特性のような、加工物の表面改変のような堆積ではない用途
、(2)基板上への伝導性コーティングの堆積、及び(3)基板上への非伝導性コーテ
ィングの堆積、を含む。
術のイオンソースが遭遇する問題を克服する特徴を実現した、閉じたパスの、又
は閉じていないパスのホール電流イオンソースを提供する。本発明のイオンソー
スは、伝導性表面領域、又は化学的に活性な（例えば、腐食性の）又は堆積する
環境で材料を処理するとき、電子接触電流(electron contact current)がアノー
ドの近傍に連続的かつほぼ均一に維持できる領域を提供する、非放射性の(non-r
adiative)又は液冷のアノードを含む。結果として、このイオンソースは、非常 に高い生成速度で、熱の影響を受けやすい材料又は加工物を処理する、真空の３
つのモードで使用することができる。これらのモードは、(1)例えば、表面の組 織を変更するための反応性のイオンビームエッチング又は非反応性のイオンビー
ムスパッタリングエッチング、マスクされたプロフィール(masked profile)、又
は種々の基板の接合特性のような、加工物の表面改変のような堆積ではない用途
、(2)基板上への伝導性コーティングの堆積、及び(3)基板上への非伝導性コーテ
ィングの堆積、を含む。
【００３９】 モード(1)の用途のためのイオンソースは、以下を要求する。 (a)プラズマビームの形成及び加速のためのアノード放電領域、 (b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシール されたアノード、 (c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、 (d)自立したカソード、すなわち独立したパワーサプライを有するカソード、 (e)アノードから自立したカソードへの放電電流、又は独立した周期的に反転 するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、
及び (f)プラズマ維持ガス又は作動ガスを導くアノード内のギャップ。
及び (f)プラズマ維持ガス又は作動ガスを導くアノード内のギャップ。
【００４０】 モード(2)の用途のためのイオンソースは、以下を要求する。 (a)アノードが、ギャップ中への堆積を防止するように配置され、アノードと アノード近傍のイオンソースの他の部品の間の伝導性のパスの生成を次に防止す
る、１以上の連続する薄いギャップにより境界が定められた、プラズマビームの
形成及び加速のためのアノード放電領域、 (b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシール されたアノード、 (c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、 (d)自立したカソード、 (e)アノードから自立したカソードへの放電電流、又は独立した周期的に反転 するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、 (f)プラズマ維持ガス又は作動ガスを導くアノード内のギャップ、及び (g)堆積させるガスを直接プラズマビーム中に導き分配する分配手段。
る、１以上の連続する薄いギャップにより境界が定められた、プラズマビームの
形成及び加速のためのアノード放電領域、 (b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシール されたアノード、 (c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、 (d)自立したカソード、 (e)アノードから自立したカソードへの放電電流、又は独立した周期的に反転 するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、 (f)プラズマ維持ガス又は作動ガスを導くアノード内のギャップ、及び (g)堆積させるガスを直接プラズマビーム中に導き分配する分配手段。
【００４１】 モード(3)の用途のためのイオンソースは、以下を要求する。 (a)プラズマビームの形成及び加速のためのアノード放電領域、 (b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシール されたアノード、 (c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、 (d)自立したカソード、 (e)放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のいずれかで 、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、 (f)非伝導性堆積がほぼないままであるギャップ内のアノード表面領域を提供 する、プラズマ維持ガスを導くアノード内のギャップ、及び (g)堆積させるガスを直接プラズマビーム中に導き分配する分配手段。
【００４２】 具体的には、３つのすべてのモードを容易にする本発明のイオンソース装置は
、ハウジング、アノードを一端に有するハウジング内のアノード放電領域、非放
射性の冷却手段を有するアノード、自立したカソード、アノードとカソードの間
に電圧供給するためのアノードに接続されたパワーサプライ手段、アノード内の
少なくとも１つのギャップを通して作動ガスを導くための注入手段、ハウジング
内に設置され、放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のい
ずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段を含む。
、ハウジング、アノードを一端に有するハウジング内のアノード放電領域、非放
射性の冷却手段を有するアノード、自立したカソード、アノードとカソードの間
に電圧供給するためのアノードに接続されたパワーサプライ手段、アノード内の
少なくとも１つのギャップを通して作動ガスを導くための注入手段、ハウジング
内に設置され、放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のい
ずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段を含む。
【００４３】 ３つのすべてのモードの動作を容易にする、従来の閉じた、又は従来にはない
閉じていないホール電流ドリフトパス領域を有する本発明のイオンソース装置を
工夫することが可能である。閉じていないパスのホール電流イオンソースは、空
間的時間平均出力がイオンソースの構造及び大きさに関して対称的であるプラズ
マビームを形成するために、周期的に反転するすなわち交番する磁界を使用する
。閉じていないパスのホール電流イオンソースは、直線的なイオンソースのイオ
ンビーム出力が望まれるところでの処理及びコーティングの用途に特に有用であ
る。
閉じていないホール電流ドリフトパス領域を有する本発明のイオンソース装置を
工夫することが可能である。閉じていないパスのホール電流イオンソースは、空
間的時間平均出力がイオンソースの構造及び大きさに関して対称的であるプラズ
マビームを形成するために、周期的に反転するすなわち交番する磁界を使用する
。閉じていないパスのホール電流イオンソースは、直線的なイオンソースのイオ
ンビーム出力が望まれるところでの処理及びコーティングの用途に特に有用であ
る。
【００４４】 本発明のイオンソース装置は、複数のアノード、アノード放電領域、自立した
カソード、電磁石、及びイオンソースアセンブリのアレイ又は総体を動作させる
ためのパワーサプライを有する形態とすることもできる。そのようなイオンソー
スの形態は、広い表面面積及び／又は複雑な形状を有する加工物を処理するため
に必要なように、イオンビーム出力を空間的に分配するために望まれる。
カソード、電磁石、及びイオンソースアセンブリのアレイ又は総体を動作させる
ためのパワーサプライを有する形態とすることもできる。そのようなイオンソー
スの形態は、広い表面面積及び／又は複雑な形状を有する加工物を処理するため
に必要なように、イオンビーム出力を空間的に分配するために望まれる。
【００４５】 発明の詳細な説明 熱の影響を受けやすい材料を処理するための、本発明のグリッドのないホール
電流イオンソース装置は、先行技術のホール電流イオンソースに関連する欠点を
、以下によって克服する。
電流イオンソース装置は、先行技術のホール電流イオンソースに関連する欠点を
、以下によって克服する。
【００４６】 (1)低い温度及び高いパワーで動作させること、 (2)堆積中のすべての時において、カソードとアノード放電領域の間の放電電 流を維持するため、ほぼ非伝導性コーティングがないアノード上の表面領域を維
持すること、 (3)伝導性コーティングが堆積する環境中の電気的に活動している構成部品の 電気的絶縁を維持すること、 (4)給送又は堆積ガスのイオン化が、アノードの側面及び背後ではなく、アノ ード加速領域内で主に発生するように、アノードを通して、アノード放電領域中
に作動ガスを注入すること、 (5)イオンソースハウジングの付近及び内部の、アノードから非アノード表面 への一時的なアークを抑制すること、 (6)それの構成部品からの、十分低い金属のスパッタリングの侵食を呈するこ と、 (7)イオンソースは、イオンソース中の不安定性、及びイオンソースの付近の 不注意なアークの影響を受けにくいという点で、丈夫であること、 (8)それの意図された又は不注意の混乱の場合には、イオンソースの放電の簡 単で確実な点火及び／又は再点火を提供すること、及び (9)プラズマビームを広い処理領域に幾何学的に分配するために、１つだけの 自立したカソード及び１つだけのパワーサプライの使用を伴う、本発明のホール
電流イオンソース又はアノードのアレイへパワーを供給し制御すること。
持すること、 (3)伝導性コーティングが堆積する環境中の電気的に活動している構成部品の 電気的絶縁を維持すること、 (4)給送又は堆積ガスのイオン化が、アノードの側面及び背後ではなく、アノ ード加速領域内で主に発生するように、アノードを通して、アノード放電領域中
に作動ガスを注入すること、 (5)イオンソースハウジングの付近及び内部の、アノードから非アノード表面 への一時的なアークを抑制すること、 (6)それの構成部品からの、十分低い金属のスパッタリングの侵食を呈するこ と、 (7)イオンソースは、イオンソース中の不安定性、及びイオンソースの付近の 不注意なアークの影響を受けにくいという点で、丈夫であること、 (8)それの意図された又は不注意の混乱の場合には、イオンソースの放電の簡 単で確実な点火及び／又は再点火を提供すること、及び (9)プラズマビームを広い処理領域に幾何学的に分配するために、１つだけの 自立したカソード及び１つだけのパワーサプライの使用を伴う、本発明のホール
電流イオンソース又はアノードのアレイへパワーを供給し制御すること。
【００４７】 本発明のホール電流イオンソース装置は、ユニークな陰になったギャップ(sha
dowed gap)及びガス分配の特徴を有する液冷のアノード、電気的絶縁性の壁部、
及び／又はアノードに対してシールする電気的絶縁性のギャップを有する１以上
の囲まれたアノード放電領域、アノードからカソードへの電流パスに直列に接続
された１以上の電磁石の使用を含む。
dowed gap)及びガス分配の特徴を有する液冷のアノード、電気的絶縁性の壁部、
及び／又はアノードに対してシールする電気的絶縁性のギャップを有する１以上
の囲まれたアノード放電領域、アノードからカソードへの電流パスに直列に接続
された１以上の電磁石の使用を含む。
【００４８】 本発明のホール電流イオンソース装置では、ガス又は蒸気は、イオン化及びイ
オン加速チャネル又はアノード放電領域中に、アノード又はアノードアセンブリ
中のユニークな自己を陰にするギャップ(self-shadowing gap)によって、完全に
又は部分的に導かれる。作動ガスのこのアノードギャップを通しての導入は、ア
ノード放電領域に効率的に面していない、アノードの領域の背後又は側面の、望
ましくない放電活性を抑制する。またアノードアセンブリは、ハウジング内部の
内側でのアノードと非アノード伝導性部品の間の継続した又は一時的なアークを
防ぐために、イオンソースハウジング内に、電気的絶縁性の境界又はアセンブリ
によって囲まれる。このユニークなアノードの形態により、本発明のホール電流
イオンソースは、非伝導性コーティングを堆積させているときでさえ、例えば２
０時間を超える長い時間の期間、高い電流及び放電パワーレベルで連続的に動作
することができるようになる。非伝導性コーティングは、約１０2Ω-cmより大き
い体抵抗を有するものとして定義される。
オン加速チャネル又はアノード放電領域中に、アノード又はアノードアセンブリ
中のユニークな自己を陰にするギャップ(self-shadowing gap)によって、完全に
又は部分的に導かれる。作動ガスのこのアノードギャップを通しての導入は、ア
ノード放電領域に効率的に面していない、アノードの領域の背後又は側面の、望
ましくない放電活性を抑制する。またアノードアセンブリは、ハウジング内部の
内側でのアノードと非アノード伝導性部品の間の継続した又は一時的なアークを
防ぐために、イオンソースハウジング内に、電気的絶縁性の境界又はアセンブリ
によって囲まれる。このユニークなアノードの形態により、本発明のホール電流
イオンソースは、非伝導性コーティングを堆積させているときでさえ、例えば２
０時間を超える長い時間の期間、高い電流及び放電パワーレベルで連続的に動作
することができるようになる。非伝導性コーティングは、約１０2Ω-cmより大き
い体抵抗を有するものとして定義される。
【００４９】 本発明のホール電流イオンソース装置は、理想的には、多くの重要な産業のプ
ロセスの用途に適する。これらのプロセスは、イオンビーム粉砕(ion beam mill
ing)、反応性イオンビームエッチング、イオンビームスパッタリングエッチング
、イオンビームアシステッド堆積(ion beam assisted deposition)、イオン注入
、イオンビームアッシング(ion beam ashing)、及び伝導性及び非伝導性のコー ティングの直接イオンビーム堆積を含むが、それらに限定されない。これらのタ
イプのプロセスの状況では、本発明のホール電流イオンソースは、半導体及び光
電子デバイスの製造；磁気、光磁気及び光相変化データ記憶媒体構成部品の製造
；材料を湿らせたり(wetting)接合したりするための表面の処理及び改変；パッ ケージング、薬及び化学の用途のためのバリアコーティングの製造；低い放射率
(emmisivity)の、反射防止(anti-reflection)の、フィルタ及びバンドパス光学 コーティング；耐水、耐腐食、及び耐摩耗保護コーティングを含む、鍵となる産
業の用途に使用することができる。
ロセスの用途に適する。これらのプロセスは、イオンビーム粉砕(ion beam mill
ing)、反応性イオンビームエッチング、イオンビームスパッタリングエッチング
、イオンビームアシステッド堆積(ion beam assisted deposition)、イオン注入
、イオンビームアッシング(ion beam ashing)、及び伝導性及び非伝導性のコー ティングの直接イオンビーム堆積を含むが、それらに限定されない。これらのタ
イプのプロセスの状況では、本発明のホール電流イオンソースは、半導体及び光
電子デバイスの製造；磁気、光磁気及び光相変化データ記憶媒体構成部品の製造
；材料を湿らせたり(wetting)接合したりするための表面の処理及び改変；パッ ケージング、薬及び化学の用途のためのバリアコーティングの製造；低い放射率
(emmisivity)の、反射防止(anti-reflection)の、フィルタ及びバンドパス光学 コーティング；耐水、耐腐食、及び耐摩耗保護コーティングを含む、鍵となる産
業の用途に使用することができる。
【００５０】 本発明のホール電流イオンソース装置の特性のために、１９９５年９月８日に
発行された、Knapp他のＰＣＴ国際出願第ＷＯ９５／２３８７８号のような、ダ イヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）保護コーティング；１９９６年９月３日に出願
された、係属中の米国特許出願第０８／７０７，１８８号（代理人事件整理番号
６０５１／５３１３２号）のような、磁気トランスデューサ及び磁気メディア上
のシリコンをドーピングしたＤＬＣ保護コーティング；１９９７年７月２日に出
願された、係属中の米国特許出願（代理人事件整理番号６０５１／５３２７１号
）のような、光相変化データ記憶媒体上へのＤＬＣ及びドーピングされたＤＬＣ
保護コーティング；１９９６年４月２日に出願された、係属中の米国特許出願第
０８／６３１，１７０号（代理人事件整理番号６０５１／５３１１９号）及び１
９９６年４月１６日発行の、Knapp他の米国特許第５，５０８，３６８号のよう な、レーザ・バーコード・スキャナ・ウィンドウのような光学基板上のＤＬＣ及
び他の保護のための硬い光学的に透明なコーティング；１９９７年４月８日発行
の、Petrmichl他の米国特許第５，６１８，６１９号のような柔らかい基板上の 、高い耐摩耗性の、フレキシブルな保護コーティング；及び１９９６年４月１５
日に出願された係属中の米国特許出願第０８／６３２，６１０号（代理人事件整
理番号６０５１／５３１２３号）のような、レンズのための、高い耐久性の、耐
摩耗性の複数層の誘電体コーティングの堆積のための理想的なソースとなる。前
述の文献、特許及び出願の関連する部分は、ここに参考文献として組込まれる。
発行された、Knapp他のＰＣＴ国際出願第ＷＯ９５／２３８７８号のような、ダ イヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）保護コーティング；１９９６年９月３日に出願
された、係属中の米国特許出願第０８／７０７，１８８号（代理人事件整理番号
６０５１／５３１３２号）のような、磁気トランスデューサ及び磁気メディア上
のシリコンをドーピングしたＤＬＣ保護コーティング；１９９７年７月２日に出
願された、係属中の米国特許出願（代理人事件整理番号６０５１／５３２７１号
）のような、光相変化データ記憶媒体上へのＤＬＣ及びドーピングされたＤＬＣ
保護コーティング；１９９６年４月２日に出願された、係属中の米国特許出願第
０８／６３１，１７０号（代理人事件整理番号６０５１／５３１１９号）及び１
９９６年４月１６日発行の、Knapp他の米国特許第５，５０８，３６８号のよう な、レーザ・バーコード・スキャナ・ウィンドウのような光学基板上のＤＬＣ及
び他の保護のための硬い光学的に透明なコーティング；１９９７年４月８日発行
の、Petrmichl他の米国特許第５，６１８，６１９号のような柔らかい基板上の 、高い耐摩耗性の、フレキシブルな保護コーティング；及び１９９６年４月１５
日に出願された係属中の米国特許出願第０８／６３２，６１０号（代理人事件整
理番号６０５１／５３１２３号）のような、レンズのための、高い耐久性の、耐
摩耗性の複数層の誘電体コーティングの堆積のための理想的なソースとなる。前
述の文献、特許及び出願の関連する部分は、ここに参考文献として組込まれる。
【００５１】 本発明の１つの実施形態では、ホール電流イオンソースは、以下に図２及び３
の記述に関して説明するように、従来の閉じたアノード放電パスを有する形態で
ある。圧力、フロー、及び放電パワーの広い動作範囲を促進するため、アノード
放電領域の磁界は、アノードと自立したカソードの間の放電電流と直列の１以上
の電磁石によって動かされる。磁界を確立するこの比較的簡単な手段は、反復動
作(step-and-repeat operation)及びパルスパワー動作(pulsed-power operation
)のための確実な点火及び再点火を提供し、不注意な一時的なアーク又は放電装 置の不安定性による、放電のいかなる中断からの、迅速な回復を確実にする。
の記述に関して説明するように、従来の閉じたアノード放電パスを有する形態で
ある。圧力、フロー、及び放電パワーの広い動作範囲を促進するため、アノード
放電領域の磁界は、アノードと自立したカソードの間の放電電流と直列の１以上
の電磁石によって動かされる。磁界を確立するこの比較的簡単な手段は、反復動
作(step-and-repeat operation)及びパルスパワー動作(pulsed-power operation
)のための確実な点火及び再点火を提供し、不注意な一時的なアーク又は放電装 置の不安定性による、放電のいかなる中断からの、迅速な回復を確実にする。
【００５２】 本発明の他の実施形態では、ホール電流イオン源は、最小の給送ガスの要件で
表面を処理する又は広い領域に亘ってコーティングを堆積させるための、従来に
ない閉じていないアノード放電パスを有する形態である。この実施形態の閉じて
いないホール電流イオンソースの特定の実施形態は、以下に図４Ａ及び４Ｂの記
述に関して説明するように、アノード放電領域内の磁界及び横方向の電子のドリ
フトが周期的に交番させる又は反転させる手段を含む。そのような反転手段では
、非対称的なホールポテンシャルが均等にされ、それは別に、閉じていないアノ
ード放電領域に沿って形成される。この新しい、閉じていないドリフトパスの形
態は、交番しない磁界を有する、より普通の閉じたパスの形態と比較できる。
表面を処理する又は広い領域に亘ってコーティングを堆積させるための、従来に
ない閉じていないアノード放電パスを有する形態である。この実施形態の閉じて
いないホール電流イオンソースの特定の実施形態は、以下に図４Ａ及び４Ｂの記
述に関して説明するように、アノード放電領域内の磁界及び横方向の電子のドリ
フトが周期的に交番させる又は反転させる手段を含む。そのような反転手段では
、非対称的なホールポテンシャルが均等にされ、それは別に、閉じていないアノ
ード放電領域に沿って形成される。この新しい、閉じていないドリフトパスの形
態は、交番しない磁界を有する、より普通の閉じたパスの形態と比較できる。
【００５３】 更に、上述の特定の実施形態のこれらの本発明のホール電流イオンソースのい
くつかは、本発明の単一のアノードサプライ及び単一の共通の自立したカソード
によりパワーが与えられる、ホール電流イオンソースの、自己均衡する総体(sel
f-balancing ensemble)を形成するために、種々のＤＣ電力と組合わせることが できる。そのような装置は、２以上のアノード、２以上の同心のアノード、直線
的なアノードアレイ又はアノードの集まったアレイを含むことができよう。これ
らの利点は、いくつかのホール電流イオンソースを組合わせてプラズマビームの
流れ及びパワーを広い領域に分配し、及び多くの材料処理の用途で必要とされる
ようにコーティングを確実にかつ均一に堆積させることを可能にする。
くつかは、本発明の単一のアノードサプライ及び単一の共通の自立したカソード
によりパワーが与えられる、ホール電流イオンソースの、自己均衡する総体(sel
f-balancing ensemble)を形成するために、種々のＤＣ電力と組合わせることが できる。そのような装置は、２以上のアノード、２以上の同心のアノード、直線
的なアノードアレイ又はアノードの集まったアレイを含むことができよう。これ
らの利点は、いくつかのホール電流イオンソースを組合わせてプラズマビームの
流れ及びパワーを広い領域に分配し、及び多くの材料処理の用途で必要とされる
ようにコーティングを確実にかつ均一に堆積させることを可能にする。
【００５４】 図２及び３Ａでは、本発明の閉じたパスのホール電流イオンソース装置の基本
的な構成部品が示される。ホール電流イオンソース７０は、カソードアセンブリ
７４、磁界回路アセンブリすなわち電磁石７６、アノードアセンブリ又はアノー
ド８０、及びカソード接続８７経由でカソード電子エミッタソース７４を動かす
電圧を供給する別個のパワーサプライ手段８４及び８６、及びアノード及び電磁
石接続８９経由でアノード８０及び電磁石７６を動かすためパワーサプライ手段
８８を含む。ＤＣ及びパルスＤＣは従来使用されているが、パワーサプライ手段
は、ＤＣ、ＡＣ、ＲＦ、パルス電圧波形又はそのような電圧波形の結合を供給す
る。
的な構成部品が示される。ホール電流イオンソース７０は、カソードアセンブリ
７４、磁界回路アセンブリすなわち電磁石７６、アノードアセンブリ又はアノー
ド８０、及びカソード接続８７経由でカソード電子エミッタソース７４を動かす
電圧を供給する別個のパワーサプライ手段８４及び８６、及びアノード及び電磁
石接続８９経由でアノード８０及び電磁石７６を動かすためパワーサプライ手段
８８を含む。ＤＣ及びパルスＤＣは従来使用されているが、パワーサプライ手段
は、ＤＣ、ＡＣ、ＲＦ、パルス電圧波形又はそのような電圧波形の結合を供給す
る。
【００５５】 カソード７４は、熱いフィラメント、プラズマ電子放射ブリッジ(plasma elec
tron emitting bridge)又は中空のカソード電子エミッタとすることができる、 電子エミッタソースである。カソード７４は、アノードからカソードへの電流パ
スに給送する電子の絶えることのない供給を提供する。詳細には、本発明のカソ
ード７４は、空間推進の用途のために開発されたものと同様の、自立した、中空
の電子エミッタカソードであり、バージニア州、アレキサンドリアのコモンウェ
ルス・サイエンティフィック・コーポレーション(commonwealth Scientific Cor
poration)及びペンシルバニア洲、クラリトン(Clariton)のカート・Ｊ・レスカ ー・カンパニー(Kurt J. Lesker Company)から購入できる、商業的に利用可能な
中空のカソード電子ソースと同様である。カソード７４は、中空の耐熱性金属の
電子エミッタ９０及び「キーパ(keeper)」電極版９４を含む。局所的に強い放電
９８を形成するために、電圧がパワーサプライ８４及び８６によってエミッタ９
０とキーパ電極版９４の間にかけれている間、電気的に絶縁されたガス給送ライ
ン９６からの不活性ガスが、エミッタ９０中に注入される。放電９８からのイオ
ン射出は、エミッタチップ(emitter tip)９０の先端部を、局所的な放電が最小 のパワーレベル及びガスのフローで維持できるような、熱イオン電子放射温度(t
hermionic electron emission temperature)に加熱する。通常、約１０から４０
ワットのパワーレベル及び１０sccm（立方センチメートル毎分（標準状態下））
のアルゴンのフローがカソード７４を動作させるために必要である。先行技術で
教えられているように、プラズマブリッジ(plasma bridge)又は熱いフィラメン トのような、他のカソード電子ソースの形態を使用することができる。
tron emitting bridge)又は中空のカソード電子エミッタとすることができる、 電子エミッタソースである。カソード７４は、アノードからカソードへの電流パ
スに給送する電子の絶えることのない供給を提供する。詳細には、本発明のカソ
ード７４は、空間推進の用途のために開発されたものと同様の、自立した、中空
の電子エミッタカソードであり、バージニア州、アレキサンドリアのコモンウェ
ルス・サイエンティフィック・コーポレーション(commonwealth Scientific Cor
poration)及びペンシルバニア洲、クラリトン(Clariton)のカート・Ｊ・レスカ ー・カンパニー(Kurt J. Lesker Company)から購入できる、商業的に利用可能な
中空のカソード電子ソースと同様である。カソード７４は、中空の耐熱性金属の
電子エミッタ９０及び「キーパ(keeper)」電極版９４を含む。局所的に強い放電
９８を形成するために、電圧がパワーサプライ８４及び８６によってエミッタ９
０とキーパ電極版９４の間にかけれている間、電気的に絶縁されたガス給送ライ
ン９６からの不活性ガスが、エミッタ９０中に注入される。放電９８からのイオ
ン射出は、エミッタチップ(emitter tip)９０の先端部を、局所的な放電が最小 のパワーレベル及びガスのフローで維持できるような、熱イオン電子放射温度(t
hermionic electron emission temperature)に加熱する。通常、約１０から４０
ワットのパワーレベル及び１０sccm（立方センチメートル毎分（標準状態下））
のアルゴンのフローがカソード７４を動作させるために必要である。先行技術で
教えられているように、プラズマブリッジ(plasma bridge)又は熱いフィラメン トのような、他のカソード電子ソースの形態を使用することができる。
【００５６】 磁界回路は、円筒形のイオンソースハウジングアセンブリ１００の中心内に位
置させれた電磁石７６により動かされる。アノード放電領域内に磁界を確立させ
、磁界の方向及び強度を作り上げるために、電磁石７６に加えて、永久磁石及び
強磁性材料、又は１より大きい透磁率を有する他の材料を使用することができる
。電磁石７６は、放電電流によって動かされ、示すように、アノード８０に直接
接続した、マグネット−オン−アノード(magnet-on-anode)形態とすることがで きる。他には、放電電流をカソード７４に接続した、マグネット−オン−コモン
(magnet-on-common)形態とすることができる。磁気回路は、磁性を有するステン
レススチールコアアセンブリ１０６及び１０８、センターポール(center pole) １１０、アウターポール(outer pole)１１２、アウターシェル１１４及びバック
プレート１１８を含む。ギャップの開いた磁束(open-gap magnetic field)が、 アノード８０の前で、ハウジング１００の外部の近傍の第１の端部の開口部１２
２から第２の端部のアノード８０に広がる、アノード放電領域又はチャネル１２
０を横切って、放射状に分配される。円形の領域１２０の中心の磁界の強さは、
通常、約１０から３００ガウスの範囲である。図２及び３Ａに示すイオンソース
アセンブリ７０では、領域１２０中の磁界のプロフィールは、センターポール１
１０及びアウターポール１１２の物理的配置によって主に決定される。アノード
８０のプロフィール及び磁性ポール１１０及び１１２の配置は、横切る磁界の線
を、アノード８０の電気的に活動している表面あるいは陰になった環状のギャッ
プ１２４のようなアノード８０中の開口部に平行に向けるような形態にされる。
このように整えることにより、磁界の線に沿って導かれた放電電流の電子が、磁
界の線と交差する高い点又は端部に優先的に接触しないことが確実にされる。磁
界の線は、ギャップ１２４あるいは領域１２０の表面のいずれかに平行に、又は
領域１２０から外に向かって分岐するように向けることができる。
置させれた電磁石７６により動かされる。アノード放電領域内に磁界を確立させ
、磁界の方向及び強度を作り上げるために、電磁石７６に加えて、永久磁石及び
強磁性材料、又は１より大きい透磁率を有する他の材料を使用することができる
。電磁石７６は、放電電流によって動かされ、示すように、アノード８０に直接
接続した、マグネット−オン−アノード(magnet-on-anode)形態とすることがで きる。他には、放電電流をカソード７４に接続した、マグネット−オン−コモン
(magnet-on-common)形態とすることができる。磁気回路は、磁性を有するステン
レススチールコアアセンブリ１０６及び１０８、センターポール(center pole) １１０、アウターポール(outer pole)１１２、アウターシェル１１４及びバック
プレート１１８を含む。ギャップの開いた磁束(open-gap magnetic field)が、 アノード８０の前で、ハウジング１００の外部の近傍の第１の端部の開口部１２
２から第２の端部のアノード８０に広がる、アノード放電領域又はチャネル１２
０を横切って、放射状に分配される。円形の領域１２０の中心の磁界の強さは、
通常、約１０から３００ガウスの範囲である。図２及び３Ａに示すイオンソース
アセンブリ７０では、領域１２０中の磁界のプロフィールは、センターポール１
１０及びアウターポール１１２の物理的配置によって主に決定される。アノード
８０のプロフィール及び磁性ポール１１０及び１１２の配置は、横切る磁界の線
を、アノード８０の電気的に活動している表面あるいは陰になった環状のギャッ
プ１２４のようなアノード８０中の開口部に平行に向けるような形態にされる。
このように整えることにより、磁界の線に沿って導かれた放電電流の電子が、磁
界の線と交差する高い点又は端部に優先的に接触しないことが確実にされる。磁
界の線は、ギャップ１２４あるいは領域１２０の表面のいずれかに平行に、又は
領域１２０から外に向かって分岐するように向けることができる。
【００５７】 非磁性ステンレススチールアノードアセンブリ８０は、インナーアノードリン
グ１２６及びアウターアノードリング１２８、リング１２６及び１２８の整列に
よって画定されるギャップ１２４、電気的に絶縁されたガス給送ライン１３２が
与えられたガス分配マニホルドすなわちリング１３０、及びいくつかのガス注入
穴１３６を含む。穴１３６は、マニホルド１３０からギャップ１２４中にガスを
均一に分配するような、大きさ及び間隔にされている。アノード８０は、インナ
ーリング１２６及びアウターリング１２８に、それぞれ水冷チャネル１４０及び
１４２も含む。アノード８０は、コンタクト１４６によってパワーサプライ手段
８８に電気的に接続される。アノードアセンブリ８０は、例えば肩付きネジ１４
８Ａ及び１４８Ｂのような、ファスナの２つの円状のアレイによって一緒に保持
され、インナーインシュレータリング(inner insulator ring)１５０及びアウタ
ーインシュレータ(outer insulator)１５２によって磁気回路アセンブリ７６か ら絶縁される。これらのインシュレータの両方は、アルミナ、窒化アルミニウム
、石英、窒化ホウ素、ガラスを接着したマイカ(glass-bonded mica)、ジルコニ ア、前述のもの又は他の真空に適合する、高温用の、セラミックインシュレータ
の混合のような材料から作られる。これらの電気的インシュレータは、磁性ポー
ル１１０及び１１２の表面上に、及びリング１２６及び１２８の表面上に、ギャ
ップ１２４を除いて、熱プラズマスプレーコーティング(thermal-plasma spray
coating)のような技術によって、堆積させることもできる。インシュレータ１５
０及び１５２は、アノード８０をポール１１０及び１１２から絶縁する。アノー
ドアセンブリ８０は、いくつかの、ファスナ１５６、及び上記に挙げたインシュ
レータ材料の１つ、好適にはアルミナセラミックからなるインシュレータ１５８
によって、ポール１１０の下面に取り付けられる。加速チャネル１２０をシール
するために、ポール１１０、インシュレータリング１５０及びリング１２６の間
、及びポール１１２、インシュレータリング１５２及びリング１２８の間のフィ
ット及び仕上げは、プラズマのイオンソースハウジング１００の内部領域１６０
への拡散を防ぐために十分なフィット及び仕上げを有する。
グ１２６及びアウターアノードリング１２８、リング１２６及び１２８の整列に
よって画定されるギャップ１２４、電気的に絶縁されたガス給送ライン１３２が
与えられたガス分配マニホルドすなわちリング１３０、及びいくつかのガス注入
穴１３６を含む。穴１３６は、マニホルド１３０からギャップ１２４中にガスを
均一に分配するような、大きさ及び間隔にされている。アノード８０は、インナ
ーリング１２６及びアウターリング１２８に、それぞれ水冷チャネル１４０及び
１４２も含む。アノード８０は、コンタクト１４６によってパワーサプライ手段
８８に電気的に接続される。アノードアセンブリ８０は、例えば肩付きネジ１４
８Ａ及び１４８Ｂのような、ファスナの２つの円状のアレイによって一緒に保持
され、インナーインシュレータリング(inner insulator ring)１５０及びアウタ
ーインシュレータ(outer insulator)１５２によって磁気回路アセンブリ７６か ら絶縁される。これらのインシュレータの両方は、アルミナ、窒化アルミニウム
、石英、窒化ホウ素、ガラスを接着したマイカ(glass-bonded mica)、ジルコニ ア、前述のもの又は他の真空に適合する、高温用の、セラミックインシュレータ
の混合のような材料から作られる。これらの電気的インシュレータは、磁性ポー
ル１１０及び１１２の表面上に、及びリング１２６及び１２８の表面上に、ギャ
ップ１２４を除いて、熱プラズマスプレーコーティング(thermal-plasma spray
coating)のような技術によって、堆積させることもできる。インシュレータ１５
０及び１５２は、アノード８０をポール１１０及び１１２から絶縁する。アノー
ドアセンブリ８０は、いくつかの、ファスナ１５６、及び上記に挙げたインシュ
レータ材料の１つ、好適にはアルミナセラミックからなるインシュレータ１５８
によって、ポール１１０の下面に取り付けられる。加速チャネル１２０をシール
するために、ポール１１０、インシュレータリング１５０及びリング１２６の間
、及びポール１１２、インシュレータリング１５２及びリング１２８の間のフィ
ット及び仕上げは、プラズマのイオンソースハウジング１００の内部領域１６０
への拡散を防ぐために十分なフィット及び仕上げを有する。
【００５８】 図３Ｂ及び３Ｃは、アノード放電領域１２０中の境界の他の形態を図解する。
図３Ｂでは、チャネル壁部１２０が、絶縁ギャップ１５８及び１５９を形成する
ためインシュレータ１５１及び１５３によって分離された区分された金属浮遊プ
レート１５５及び１５７によって形成される。そのようなギャップは、伝導性の
層がイオンソースの表面の露出した表面上に堆積する状況で、アノードアセンブ
リ８０と磁気回路構成部品１１０及び１１２の間の電気的絶縁を維持するために
使用される。絶縁ギャップ１５８及び１５９は、インシュレータ１５１及び１５
３の露出した面に沿った伝導性コーティングが形成されることを防ぎ、ギャップ
内に深くプラズマが形成されることを防ぐような、形態及び間隔にされている。
図３Ｃは、薄いギャップ１６３及び１６４が、アノード８０とインシュレータリ
ング１５０及び１５２の間に配置された、他の絶縁のアプローチを示す。（追加
のギャップ１６１及び１６２を、インシュレータリング１５０及び１５２と磁性
ポール片１１０及び１１２の間に配置することができる。）ギャップ１６３及び
１６４は、マニホルド領域１６５及び１６６から送られた不活性ガスのフローに
よってパージ(purge)することができる。図３Ｂのギャップ１５８及び１５９の ように、ギャップ１６１、１６２、１６５及び１６６は、ギャップ内のインシュ
レータ１５０及び１５２の表面に沿った伝導性コーティングが形成されることを
防ぎ、ギャップ内に深くプラズマが形成されることを防ぐような間隔にされてい
る。
図３Ｂでは、チャネル壁部１２０が、絶縁ギャップ１５８及び１５９を形成する
ためインシュレータ１５１及び１５３によって分離された区分された金属浮遊プ
レート１５５及び１５７によって形成される。そのようなギャップは、伝導性の
層がイオンソースの表面の露出した表面上に堆積する状況で、アノードアセンブ
リ８０と磁気回路構成部品１１０及び１１２の間の電気的絶縁を維持するために
使用される。絶縁ギャップ１５８及び１５９は、インシュレータ１５１及び１５
３の露出した面に沿った伝導性コーティングが形成されることを防ぎ、ギャップ
内に深くプラズマが形成されることを防ぐような、形態及び間隔にされている。
図３Ｃは、薄いギャップ１６３及び１６４が、アノード８０とインシュレータリ
ング１５０及び１５２の間に配置された、他の絶縁のアプローチを示す。（追加
のギャップ１６１及び１６２を、インシュレータリング１５０及び１５２と磁性
ポール片１１０及び１１２の間に配置することができる。）ギャップ１６３及び
１６４は、マニホルド領域１６５及び１６６から送られた不活性ガスのフローに
よってパージ(purge)することができる。図３Ｂのギャップ１５８及び１５９の ように、ギャップ１６１、１６２、１６５及び１６６は、ギャップ内のインシュ
レータ１５０及び１５２の表面に沿った伝導性コーティングが形成されることを
防ぎ、ギャップ内に深くプラズマが形成されることを防ぐような間隔にされてい
る。
【００５９】 暗い空間のシールド(dark space shield)すなわち「スパッタキャップ(sputte
r caps)」（図示せず）を、不注意な放電の形成及び領域１６０内のスパッタリ ングのための追加の絶縁として、アセンブリファスナ１５６及びインシュレータ
１５８と共に使用することもできるが、本質的な構成部品ではない。
r caps)」（図示せず）を、不注意な放電の形成及び領域１６０内のスパッタリ ングのための追加の絶縁として、アセンブリファスナ１５６及びインシュレータ
１５８と共に使用することもできるが、本質的な構成部品ではない。
【００６０】 組立及び点検を簡単にするために、ハウジング１００及びアウターポール１１
２、アウターシェル１１４及びバックプレート１１８は、スプリングローデッド
テンションラッチ(spring loaded tension latch)１６４（図２）で、一緒に留 められる。アノード８０及び磁性コア１０８への冷却剤の給送及び回収は、ＴＥ
ＦＬＯＮ（登録商標）の電気的に絶縁するライン（図示せず）及びバルクヘッド
フィッティング(bulkhead fitting)１６６によって、アウターシェル１１４を通
して流れる。図３Ａは、ホール電流イオンソース７０の動作をより明確に説明す
る。少なくとも２つのパワーサプライが、本発明のイオンソースを開始させ維持
するために必要である。図２〜３Ａは、説明のための、３つのパワーサプライを
示す。カソードエミッタ９０とキーパ電極プレート９４の間に接続されたパワー
サプライ８４は「スタータ(starter)」すなわちプリヒータ(pre-heater)のパワ ーサプライである。このパワーサプライは、エミッタ９０及びプレート９４の開
いたギャップの接合点(open gap junction)で放電を開始させるために使用され 、それは今度はエミッタ９０を熱イオン放出温度に加熱する。キーパパワーサプ
ライ手段８６は、パワーサプライ手段８４と並列であり、カソード９０での放電
を維持する働きをする。パワーサプライ８４及び８６の特徴を、１つのパワーサ
プライ又はパワーシステム中に組込むことが可能である。
２、アウターシェル１１４及びバックプレート１１８は、スプリングローデッド
テンションラッチ(spring loaded tension latch)１６４（図２）で、一緒に留 められる。アノード８０及び磁性コア１０８への冷却剤の給送及び回収は、ＴＥ
ＦＬＯＮ（登録商標）の電気的に絶縁するライン（図示せず）及びバルクヘッド
フィッティング(bulkhead fitting)１６６によって、アウターシェル１１４を通
して流れる。図３Ａは、ホール電流イオンソース７０の動作をより明確に説明す
る。少なくとも２つのパワーサプライが、本発明のイオンソースを開始させ維持
するために必要である。図２〜３Ａは、説明のための、３つのパワーサプライを
示す。カソードエミッタ９０とキーパ電極プレート９４の間に接続されたパワー
サプライ８４は「スタータ(starter)」すなわちプリヒータ(pre-heater)のパワ ーサプライである。このパワーサプライは、エミッタ９０及びプレート９４の開
いたギャップの接合点(open gap junction)で放電を開始させるために使用され 、それは今度はエミッタ９０を熱イオン放出温度に加熱する。キーパパワーサプ
ライ手段８６は、パワーサプライ手段８４と並列であり、カソード９０での放電
を維持する働きをする。パワーサプライ８４及び８６の特徴を、１つのパワーサ
プライ又はパワーシステム中に組込むことが可能である。
【００６１】 ホール電流イオンソース７０は、最初にカソード７４を、それに例えばアルゴ
ンのような不活性ガスを供給することにより動き出させ、次にパワーサプライ手
段８４でキーパプレート９４とカソードエミッタ９０の間に高電圧（通常５００
から１０００V）をかけることによって、動作させられる。カソード放電９８が 形成され、カソード７４が熱イオン放射温度に達した後、パワーサプライ８４か
らの高い電位が解除され、パワーサプライ手段８６は、アノード８０とカソード
７４の間の主要な放電の開始のための絶えることのない電子の供給を提供するた
め、より低い電圧レベル（４０から１００V）で放電９８を維持する。
ンのような不活性ガスを供給することにより動き出させ、次にパワーサプライ手
段８４でキーパプレート９４とカソードエミッタ９０の間に高電圧（通常５００
から１０００V）をかけることによって、動作させられる。カソード放電９８が 形成され、カソード７４が熱イオン放射温度に達した後、パワーサプライ８４か
らの高い電位が解除され、パワーサプライ手段８６は、アノード８０とカソード
７４の間の主要な放電の開始のための絶えることのない電子の供給を提供するた
め、より低い電圧レベル（４０から１００V）で放電９８を維持する。
【００６２】 中空のカソード７４が動き出した後、作動ガスがアノードの円形のギャップ１
２４を通してイオンソース７０中に導入される。次に、アノード８０とカソード
エミッタ９０の先端の間で流れる、メインの放電電流１７０を開始させるため、
パワーサプライ手段８８により電位がかけられる。放電電流１７０は、アノード
放電領域１２０を横切ってポール１１０と１１２の間に磁界１７４を形成するた
め、電磁石７６を通して流れる。磁界１７４が存在することにより、電子の移動
性は、領域１２０を通したところに制限される。結果として、アノード８０と中
空のカソード７４の間の電界は、領域１２０を通して最も高い強さを有する。ホ
ール電流１７８は、領域１２０内を環状に流れる。中性の給送ガス又は蒸気は、
領域１２０中に加速された電子によってイオン化され、イオンは外に向かって加
速される。イオン化は、主に領域１２０の全体にわたって、そしてより低い程度
で領域１２０の外側に発生し、それによって、比較的高いエネルギーのイオン（
２０から５００eV）の広い広がり、及び拡散性で低圧のガスの放電で通常見られ
る低いエネルギーのイオン（０．１から２０eV）の分配によって特徴づけられる
、電気的に中性のプラズマイオンビーム１８０が作り出される。ホール電流イオ
ンソースの動作のための典型的な圧力範囲は、約１０-4トール(Torr)から１０-2 トールである。
２４を通してイオンソース７０中に導入される。次に、アノード８０とカソード
エミッタ９０の先端の間で流れる、メインの放電電流１７０を開始させるため、
パワーサプライ手段８８により電位がかけられる。放電電流１７０は、アノード
放電領域１２０を横切ってポール１１０と１１２の間に磁界１７４を形成するた
め、電磁石７６を通して流れる。磁界１７４が存在することにより、電子の移動
性は、領域１２０を通したところに制限される。結果として、アノード８０と中
空のカソード７４の間の電界は、領域１２０を通して最も高い強さを有する。ホ
ール電流１７８は、領域１２０内を環状に流れる。中性の給送ガス又は蒸気は、
領域１２０中に加速された電子によってイオン化され、イオンは外に向かって加
速される。イオン化は、主に領域１２０の全体にわたって、そしてより低い程度
で領域１２０の外側に発生し、それによって、比較的高いエネルギーのイオン（
２０から５００eV）の広い広がり、及び拡散性で低圧のガスの放電で通常見られ
る低いエネルギーのイオン（０．１から２０eV）の分配によって特徴づけられる
、電気的に中性のプラズマイオンビーム１８０が作り出される。ホール電流イオ
ンソースの動作のための典型的な圧力範囲は、約１０-4トール(Torr)から１０-2 トールである。
【００６３】 ホール電流イオンソースの放電の電流−電圧特性及びビームの特性は、活動し
ているアノード領域、アノードガスのフロー及びガスの組成、磁界の強さ及びプ
ロフィール及びアノード放電領域の深さ及び構造に依存する。約１２cmの公称の
アノードギャップの直径を有する図３Ａに表現したものとほぼ同様のホール電流
イオンソースシステムは、約０．５から約２０Aの範囲の放電電流及び４kWまで の放電パワーで連続的に動作できる。給送ガス、動作状況、及びイオンソースか
らの距離によって、通常、総計のビーム電流のアノード放電電流との比率（ＩB ／ＩA）は、０．２０から０．４０の範囲であり、平均イオンエネルギーは、ア ノードポテンシャルの３０から６０％の間の範囲である。
ているアノード領域、アノードガスのフロー及びガスの組成、磁界の強さ及びプ
ロフィール及びアノード放電領域の深さ及び構造に依存する。約１２cmの公称の
アノードギャップの直径を有する図３Ａに表現したものとほぼ同様のホール電流
イオンソースシステムは、約０．５から約２０Aの範囲の放電電流及び４kWまで の放電パワーで連続的に動作できる。給送ガス、動作状況、及びイオンソースか
らの距離によって、通常、総計のビーム電流のアノード放電電流との比率（ＩB ／ＩA）は、０．２０から０．４０の範囲であり、平均イオンエネルギーは、ア ノードポテンシャルの３０から６０％の間の範囲である。
【００６４】 堆積の前駆ガス又は蒸気は、アノードを通してか、あるいは補助ガス分配ノズ
ル又はリング（図示せず）を通してかのいずれかで、注入される。補助ガス分配
ノズル又はリングは、アノード放電領域の近傍のイオンソースアセンブリの部分
とすることができるし、又はイオンソースアセンブリから離してアノード放電領
域の開口部から下流に配置することができる。
ル又はリング（図示せず）を通してかのいずれかで、注入される。補助ガス分配
ノズル又はリングは、アノード放電領域の近傍のイオンソースアセンブリの部分
とすることができるし、又はイオンソースアセンブリから離してアノード放電領
域の開口部から下流に配置することができる。
【００６５】 非伝導性コーティングが形成されるプロセスでは、非伝導性コーティング１８
２は、伝導性のアノード表面１２６及び１２８上に堆積を始める。前駆ガスが下
流のリング又はノズルによって注入されたとき、陰になったギャップ１８６の背
後の表面上の堆積は、低い程度からほとんど無視できる程度の速度で進行する。
時間が経つにつれて、絶縁コーティング１８２は、１２６及び１２８の露出した
表面に放電電流がつくことを妨げ、放電接触電流表面領域(discharge contact c
urrent surface area)は、アノード８０の中心内の陰になったギャップ１２４の
入口に移動する。もし放電電流ＩAが一定に保たれるならば、減少した活動して いるアノード領域は、ギャップ１２４での陰になったギャップ１８６内の、局所
的な放電密度及び電流(current flux)密度の増加を引き起こす。結局、陰になっ
たギャップ１８６中の有効なアノード表面領域は、ほぼ定常状態の状況に達し、
それにより例えば約２０時間より長い長時間の間、ソースが連続的に動作し、コ
ーティングを堆積させることができる。
２は、伝導性のアノード表面１２６及び１２８上に堆積を始める。前駆ガスが下
流のリング又はノズルによって注入されたとき、陰になったギャップ１８６の背
後の表面上の堆積は、低い程度からほとんど無視できる程度の速度で進行する。
時間が経つにつれて、絶縁コーティング１８２は、１２６及び１２８の露出した
表面に放電電流がつくことを妨げ、放電接触電流表面領域(discharge contact c
urrent surface area)は、アノード８０の中心内の陰になったギャップ１２４の
入口に移動する。もし放電電流ＩAが一定に保たれるならば、減少した活動して いるアノード領域は、ギャップ１２４での陰になったギャップ１８６内の、局所
的な放電密度及び電流(current flux)密度の増加を引き起こす。結局、陰になっ
たギャップ１８６中の有効なアノード表面領域は、ほぼ定常状態の状況に達し、
それにより例えば約２０時間より長い長時間の間、ソースが連続的に動作し、コ
ーティングを堆積させることができる。
【００６６】 ギャップ１２４及び１８６の決定的な幅(critical width)、ｗは、キャップの
近傍の局所的な放電の、デバイ長λDの約４から１０倍である、局所的なアノー ドシースの幅、ｓである。ｗ≦ｓのとき、濃度の高いプラズマ（１０11１０12/c
m3）をギャップ中に形成し、陰になったギャップを境界とする伝導性アノード表
面への放電の電子の良好な接触を維持することは難しくなる。このように、見通
し内の堆積を妨げ、ｓより十分大きく、λDより非常に大きいｗを有するギャッ プの開口部を持つことが望ましい。ギャップ内のデバイ長、 は、放電領域内のギャップに非常に近いところで行うラングミュア(Langmuir)プ
ローブ測定によって測定されるように、荷電粒子密度、ｎe、及び電子温度、Ｔe の合理的な推定値に基づいて、０．００４から０．０１cmの範囲である。通常、
ｗは０．０２cmより十分大きいと期待するはずである。
近傍の局所的な放電の、デバイ長λDの約４から１０倍である、局所的なアノー ドシースの幅、ｓである。ｗ≦ｓのとき、濃度の高いプラズマ（１０11１０12/c
m3）をギャップ中に形成し、陰になったギャップを境界とする伝導性アノード表
面への放電の電子の良好な接触を維持することは難しくなる。このように、見通
し内の堆積を妨げ、ｓより十分大きく、λDより非常に大きいｗを有するギャッ プの開口部を持つことが望ましい。ギャップ内のデバイ長、 は、放電領域内のギャップに非常に近いところで行うラングミュア(Langmuir)プ
ローブ測定によって測定されるように、荷電粒子密度、ｎe、及び電子温度、Ｔe の合理的な推定値に基づいて、０．００４から０．０１cmの範囲である。通常、
ｗは０．０２cmより十分大きいと期待するはずである。
【００６７】 伝導性コーティングが堆積するプロセスでは、アノード放電領域１２０に沿っ
た絶縁リング又はプレートの露出した表面は、伝導性堆積でコーティングされる
。この用途では、薄い真空のギャップ又はパージされたギャップ内の深いところ
のインシュレータの表面は、図３Ｂ及び３Ｃに示すように、コーティングされず
、またこのようにして、アノードアセンブリ８０と磁気ポール編１１０及び１１
２の間の電気的絶縁が維持される。これらの特定の絶縁ギャップ内のプラズマの
形成を妨げることが望ましいため、ギャップの幅は、ギャップの開口部の近傍の
プラズマの局所的な放電シースの幅より十分小さいことを期待するはずである。
た絶縁リング又はプレートの露出した表面は、伝導性堆積でコーティングされる
。この用途では、薄い真空のギャップ又はパージされたギャップ内の深いところ
のインシュレータの表面は、図３Ｂ及び３Ｃに示すように、コーティングされず
、またこのようにして、アノードアセンブリ８０と磁気ポール編１１０及び１１
２の間の電気的絶縁が維持される。これらの特定の絶縁ギャップ内のプラズマの
形成を妨げることが望ましいため、ギャップの幅は、ギャップの開口部の近傍の
プラズマの局所的な放電シースの幅より十分小さいことを期待するはずである。
【００６８】 先行技術のすべてのホール電流イオンソースは、アノード放電領域のために閉
じたパスまたはチャネルを使用する。これは、もしホール電流が閉じたパス中に
流れることが許されなかったなら発生していた、プラズマビーム中の不均一性又
は非対称性を示していた、ホールポテンシャルを避けるために、なされた。図４
Ａ及び４Ｂは、以下に示すものを除き、図２に示されたイオンソース７０に示さ
れたものと同じ参照数字を有する要素のすべてを含む、本発明のホール電流イオ
ンソースを示す。図４Ａ及び４Ｂに示す実施形態では、イオンソース１９０は、
閉じていないホール効果ドリフト電流パスの形態を有し、ホールポテンシャルの
影響を避けるようにユニークに動作している。イオンソース１９０は、図２に示
した円形の同等物と同様の断面の特徴を有する直線的なギャップ１９３を形成す
る直線的なアノード放電領域１９２を有する。ポール片１９４及び１９６は、電
流が電磁石２００Ａ及び２００Ｂを通して動かされるとき、磁界１９８を領域１
９２を横切って分け与える。こららの同じポール片は、直線的な領域１９２の端
で、先端の磁界(magnetic cusp field)を形成するように設計することができる 。領域１９２に沿ったホールポテンシャルの非対称効果を除去するために、本発
明のこの実施形態は、時間で周期的に磁界１９８の極性を交番又は反転させるた
めの反転手段を使用する。磁界を交番させることにより、領域１９２中の閉じた
パスに沿ったホール電流２０４の方向は、周期的に反転する。時間平均した結果
は、放電及びプラズマビーム特性が、直線的なアノード放電領域１９２の長さ及
び大きさに関して、十分に対称的で均一なホール電流イオンソースである。
じたパスまたはチャネルを使用する。これは、もしホール電流が閉じたパス中に
流れることが許されなかったなら発生していた、プラズマビーム中の不均一性又
は非対称性を示していた、ホールポテンシャルを避けるために、なされた。図４
Ａ及び４Ｂは、以下に示すものを除き、図２に示されたイオンソース７０に示さ
れたものと同じ参照数字を有する要素のすべてを含む、本発明のホール電流イオ
ンソースを示す。図４Ａ及び４Ｂに示す実施形態では、イオンソース１９０は、
閉じていないホール効果ドリフト電流パスの形態を有し、ホールポテンシャルの
影響を避けるようにユニークに動作している。イオンソース１９０は、図２に示
した円形の同等物と同様の断面の特徴を有する直線的なギャップ１９３を形成す
る直線的なアノード放電領域１９２を有する。ポール片１９４及び１９６は、電
流が電磁石２００Ａ及び２００Ｂを通して動かされるとき、磁界１９８を領域１
９２を横切って分け与える。こららの同じポール片は、直線的な領域１９２の端
で、先端の磁界(magnetic cusp field)を形成するように設計することができる 。領域１９２に沿ったホールポテンシャルの非対称効果を除去するために、本発
明のこの実施形態は、時間で周期的に磁界１９８の極性を交番又は反転させるた
めの反転手段を使用する。磁界を交番させることにより、領域１９２中の閉じた
パスに沿ったホール電流２０４の方向は、周期的に反転する。時間平均した結果
は、放電及びプラズマビーム特性が、直線的なアノード放電領域１９２の長さ及
び大きさに関して、十分に対称的で均一なホール電流イオンソースである。
【００６９】 磁界１９８を交番させる１つの手段は、周期的な電流波形を供給する、別個の
独立した電磁石電流サプライを使用することにより実施される。磁界１９８を交
番させる他の手段は、電磁石２００Ａ及び２００Ｂへの放電電流１７０の方向を
分配し切り替える周期的な信号が与えられる、図４Ｂに示す電流スイッチング回
路２１０である。
独立した電磁石電流サプライを使用することにより実施される。磁界１９８を交
番させる他の手段は、電磁石２００Ａ及び２００Ｂへの放電電流１７０の方向を
分配し切り替える周期的な信号が与えられる、図４Ｂに示す電流スイッチング回
路２１０である。
【００７０】 本発明のホール電流イオンソースは、特に温度の影響を受けやすい基板の高い
パワーの処理のための、イオンビーム処理の丈夫な性能のために必要なようには
今まで実施されておらず、教えられていなかったいくつかの特徴を兼備するため
、先行技術を超える進歩である。
パワーの処理のための、イオンビーム処理の丈夫な性能のために必要なようには
今まで実施されておらず、教えられていなかったいくつかの特徴を兼備するため
、先行技術を超える進歩である。
【００７１】 本発明のホール電流イオンソースは、それは、アノード放電領域を画定する近
傍の外側の構成部品に対してシールされた、非放射的に冷却されたアノードアセ
ンブリを有するという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。この
囲まれた又はシールされたアノード形態は、非伝導性コーティングの堆積の間、
アノードの側面又は背後の表面領域への、活動しているアノード領域の縮小を防
止する。逆に、伝導性コーティングが堆積するプロセスで、短絡が他の電気的に
活動している表面に発生することを防止する、アノードアセンブリの境界に、薄
い絶縁ギャップがある。シールされたアノードの形態は、イオンソース表面から
プラズマビーム中へ金属汚染物質がスパッタリングされ得る程度を制限する。更
に、シールされたアノードの形態は、アノード放電領域のアセンブリの表面に沿
った、イオンソースの内部への、プラズマの形成を防止する。これは次に、イオ
ンソースの内部の内側の、アノードと非アノード金属アセンブリ部品の間の一時
的なアークを防止する。
傍の外側の構成部品に対してシールされた、非放射的に冷却されたアノードアセ
ンブリを有するという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。この
囲まれた又はシールされたアノード形態は、非伝導性コーティングの堆積の間、
アノードの側面又は背後の表面領域への、活動しているアノード領域の縮小を防
止する。逆に、伝導性コーティングが堆積するプロセスで、短絡が他の電気的に
活動している表面に発生することを防止する、アノードアセンブリの境界に、薄
い絶縁ギャップがある。シールされたアノードの形態は、イオンソース表面から
プラズマビーム中へ金属汚染物質がスパッタリングされ得る程度を制限する。更
に、シールされたアノードの形態は、アノード放電領域のアセンブリの表面に沿
った、イオンソースの内部への、プラズマの形成を防止する。これは次に、イオ
ンソースの内部の内側の、アノードと非アノード金属アセンブリ部品の間の一時
的なアークを防止する。
【００７２】 また、本発明のホール電流イオンソースは、アノードを通した、アノード中の
少なくとも１つの陰になったギャップの開口部によって、ガスが注入されるとい
う点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。このアノードの形態は、
ガスを均一にアノード放電領域に分配し、アノードアセンブリ上の導電性表面領
域の十分に均一な分配を提供するために働く。陰になったギャップへの高い電流
(current flux)密度、陰になったギャップを通るパージする中性ガスのフロー、
及び陰になったギャップの構造の組合わせは、製造のために望ましい長時間の間
、先行技術の欠点なしに、ホール電流イオンソースを動作させる丈夫な手段を提
供する。
少なくとも１つの陰になったギャップの開口部によって、ガスが注入されるとい
う点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。このアノードの形態は、
ガスを均一にアノード放電領域に分配し、アノードアセンブリ上の導電性表面領
域の十分に均一な分配を提供するために働く。陰になったギャップへの高い電流
(current flux)密度、陰になったギャップを通るパージする中性ガスのフロー、
及び陰になったギャップの構造の組合わせは、製造のために望ましい長時間の間
、先行技術の欠点なしに、ホール電流イオンソースを動作させる丈夫な手段を提
供する。
【００７３】 本発明のホール電流イオンソースは、加速チャネル中の電磁石及び磁界が、Ａ
Ｃ電流ソースにより動かされるイオンソース放電電流に直接動かされ、それに結
合するという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。これにより、
先行技術では論じられず教えられなかった３つの利点が提供される。（１）デバ
イスの全体の連続的動作可能な範囲に亘る、イオンソース放電の簡単で即時の点
火が可能である。（２）不注意な一時的なアーク又は本質的な不安定性によって
、メインの放電電流の放電電流が不注意に中断させられた場合に、アノードへの
放電電流のパスに沿ったインピーダンスを減少させるため、磁界の強さが減少す
る。この迅速な磁界及び放電インピーダンスの減少により、プロセスの中断が無
視できる、イオンソース放電の迅速な再点火又は自己調節された回復が可能にな
る。（３）アノードへ電磁石を接続することによって、２つのアノードへの放電
電流を単一のパワーサプライ及び共通のカソードにより動かすこと、及び同時に
それぞれのアノード放電領域へ流れ出すパワーを分割し調節することが可能であ
る。この特性により、広く多様な形態（アノードのアレイ）の複数のホール電流
イオンソースのアノードを接続し、それらを少なくとも１つのパワーサプライ又
はパワーサプライシステムで動かし、及び複雑な形状の又は大きい面積の表面を
処理するために必要なようにアノードのアレイから分配されたプラズマビームの
特性を空間的に制御することが可能にされる。
Ｃ電流ソースにより動かされるイオンソース放電電流に直接動かされ、それに結
合するという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。これにより、
先行技術では論じられず教えられなかった３つの利点が提供される。（１）デバ
イスの全体の連続的動作可能な範囲に亘る、イオンソース放電の簡単で即時の点
火が可能である。（２）不注意な一時的なアーク又は本質的な不安定性によって
、メインの放電電流の放電電流が不注意に中断させられた場合に、アノードへの
放電電流のパスに沿ったインピーダンスを減少させるため、磁界の強さが減少す
る。この迅速な磁界及び放電インピーダンスの減少により、プロセスの中断が無
視できる、イオンソース放電の迅速な再点火又は自己調節された回復が可能にな
る。（３）アノードへ電磁石を接続することによって、２つのアノードへの放電
電流を単一のパワーサプライ及び共通のカソードにより動かすこと、及び同時に
それぞれのアノード放電領域へ流れ出すパワーを分割し調節することが可能であ
る。この特性により、広く多様な形態（アノードのアレイ）の複数のホール電流
イオンソースのアノードを接続し、それらを少なくとも１つのパワーサプライ又
はパワーサプライシステムで動かし、及び複雑な形状の又は大きい面積の表面を
処理するために必要なようにアノードのアレイから分配されたプラズマビームの
特性を空間的に制御することが可能にされる。
【００７４】 図５は、図２及び３Ａに示したイオンソース７０と同様で、真空フランジ２２
０に設置するための形態にされている、円形のホール電流イオンソース２１０を
表現する。イオンソース７０と２１０に共通の構成部品のために、図２及び３Ａ
で使用されているものと同じ参照番号が図５に使用されている。フランジに設置
されるイオンソース２１０のための追加の構成部品は、アノードアセンブリ８０
をセンターポール２２４から離して保持するための、水冷のセンターポール２２
４上のアノードサポートリング２２２及び誘電体ブッシング２２６を含む。Ｏ−
リングが、フランジの設置及び真空にするために、アセンブリ８０内に分配され
る。図５は、どのようにして中空のカソード電子ソースが、イオンソースの水冷
の磁性を有するセンターポール２２４中に統合することができるかも示す。中空
のカソードは、密封するようにシールされ、電気的に絶縁された、ガスフィード
スルー２３０及びＯ−リングシール２３２を有する。
０に設置するための形態にされている、円形のホール電流イオンソース２１０を
表現する。イオンソース７０と２１０に共通の構成部品のために、図２及び３Ａ
で使用されているものと同じ参照番号が図５に使用されている。フランジに設置
されるイオンソース２１０のための追加の構成部品は、アノードアセンブリ８０
をセンターポール２２４から離して保持するための、水冷のセンターポール２２
４上のアノードサポートリング２２２及び誘電体ブッシング２２６を含む。Ｏ−
リングが、フランジの設置及び真空にするために、アセンブリ８０内に分配され
る。図５は、どのようにして中空のカソード電子ソースが、イオンソースの水冷
の磁性を有するセンターポール２２４中に統合することができるかも示す。中空
のカソードは、密封するようにシールされ、電気的に絶縁された、ガスフィード
スルー２３０及びＯ−リングシール２３２を有する。
【００７５】 図５に表現されたホール電流イオンソースの装置は、ホール電流イオンソース
の前に直接位置させられた、円形の又はディスク形状の基板を処理するときに、
特に好都合である。そのような非常な近接では、図２に示すような、プラズマビ
ームに関する非対称的なカソードの配置は、プラズマビームの対称性を混乱させ
得る。高い程度のビームの対称性及び均一性を達成するために、図５に示すよう
に、イオンソース２１０の垂直軸上にカソードを位置させることが役に立つ。
の前に直接位置させられた、円形の又はディスク形状の基板を処理するときに、
特に好都合である。そのような非常な近接では、図２に示すような、プラズマビ
ームに関する非対称的なカソードの配置は、プラズマビームの対称性を混乱させ
得る。高い程度のビームの対称性及び均一性を達成するために、図５に示すよう
に、イオンソース２１０の垂直軸上にカソードを位置させることが役に立つ。
【００７６】 図６は、円筒形のアノードアセンブリ８０を有する、本発明のホール電流イオ
ンソース２５０の部分的なカッタウェイ図である。イオンソース７０と２５０で
共通な構成部品に対して、図２及び３Ａで使用したものと同じ参照番号が図６で
引き続き使用されている。中空のカソード電子ソース７４及びパワーサプライ手
段８８が図６に示されていないが、図２及び３に示すように、接続８９をパワー
サプライ手段８８に接続することができる。図６の実施形態は、どのようにして
、ホール電流イオンソースを、放射方向のプラズマビームを生成するような、幾
何学的な形態にすることができるかを示す。そのようなイオンソース又はイオン
ソースのアレイは、中空の形態、円筒内に、又は樽型の装置内に固定された加工
物上に、フィルム及びコーティングを堆積させるために好都合であろう。
ンソース２５０の部分的なカッタウェイ図である。イオンソース７０と２５０で
共通な構成部品に対して、図２及び３Ａで使用したものと同じ参照番号が図６で
引き続き使用されている。中空のカソード電子ソース７４及びパワーサプライ手
段８８が図６に示されていないが、図２及び３に示すように、接続８９をパワー
サプライ手段８８に接続することができる。図６の実施形態は、どのようにして
、ホール電流イオンソースを、放射方向のプラズマビームを生成するような、幾
何学的な形態にすることができるかを示す。そのようなイオンソース又はイオン
ソースのアレイは、中空の形態、円筒内に、又は樽型の装置内に固定された加工
物上に、フィルム及びコーティングを堆積させるために好都合であろう。
【００７７】 更に、当業者は、図２及び３Ａに表現した特徴を実施するが、ユニークな形状
の閉じた又は開いたホール効果ドリフト電流パス１７８及びアノード放電領域す
なわちチャネル１２０を有する、アノードアセンブリの形態をつくることができ
る。そのようなチャネルの形状は、図２、３Ａ、５、６及び７に示す閉じた円形
のギャップを有する円筒形チャネル、及び図４Ａ及び４Ｂに示す閉じていない直
線的なチャネル及びギャップを含む。アノード中のチャネル及び対応するギャッ
プは、楕円、凹の鞍状、凸の鞍状、弓状、又は曲がりくねった形状ともすること
ができる。
の閉じた又は開いたホール効果ドリフト電流パス１７８及びアノード放電領域す
なわちチャネル１２０を有する、アノードアセンブリの形態をつくることができ
る。そのようなチャネルの形状は、図２、３Ａ、５、６及び７に示す閉じた円形
のギャップを有する円筒形チャネル、及び図４Ａ及び４Ｂに示す閉じていない直
線的なチャネル及びギャップを含む。アノード中のチャネル及び対応するギャッ
プは、楕円、凹の鞍状、凸の鞍状、弓状、又は曲がりくねった形状ともすること
ができる。
【００７８】 図７は、両方とも図２及び３に示すものと同様の特徴を有し、同じハウジング
１００を有する、２つの閉じた同心かつ円形のアノードアセンブリを持つ、本発
明のホール電流イオンソース２７０の部分的なカッタウェイ図である。共通の中
空のカソードアセンブリは、分離することも、図５のようにイオンソースアセン
ブリ中に統合することも可能である。２つのアノードアセンブリ２７４及び２７
６は、単一のパワーサプライ手段２８０及びスイッチング回路２８２によってパ
ワーが供給される。このスイッチング回路は、アノード２７４と２７６の間に色
々な比率で動的に電流（パワー）を分配するために制御することのできる、リレ
ーすなわちソリッドステートトランジスタＳＷ１及びＳＷ２を含む。スイッチン
グネットワーク２８２は種々のアノードへの電流分配の制御を示す一方、２つの
同様のすなわち相補的なスイッチングネットワークは、電磁石のタップの位置を
調節するため、及びアノード放電領域２８６及び２８８のいずれかを横切る磁界
の強さを変更し、それによりそれぞれのアノードに分配されるパワーを動的に変
更するために使用することができるであろう。同様すなわち相補的な制御原理も
、フィードライン２９０及び２９２経由でそれぞれのアノードへの給送ガスに適
用することができる。更に、電流及び／又は電圧検出及び制御の特徴は、それぞ
れのアノードに分配されたパワーの不注意なドリフトを制御するために、スイッ
チングネットワーク内に適合させることができる。単一のアノードを有するホー
ル電流ソースでは達成することができないように、加工物上を均一に処理する又
はコーティングを堆積させるため、イオンビーム又はプラズマのプロフィールの
大きさ又は構造を動的に変更することが望まれるときに、この特定のホール電流
イオンソースの形態及び相補的パワー分配ネットワークは好都合である。
１００を有する、２つの閉じた同心かつ円形のアノードアセンブリを持つ、本発
明のホール電流イオンソース２７０の部分的なカッタウェイ図である。共通の中
空のカソードアセンブリは、分離することも、図５のようにイオンソースアセン
ブリ中に統合することも可能である。２つのアノードアセンブリ２７４及び２７
６は、単一のパワーサプライ手段２８０及びスイッチング回路２８２によってパ
ワーが供給される。このスイッチング回路は、アノード２７４と２７６の間に色
々な比率で動的に電流（パワー）を分配するために制御することのできる、リレ
ーすなわちソリッドステートトランジスタＳＷ１及びＳＷ２を含む。スイッチン
グネットワーク２８２は種々のアノードへの電流分配の制御を示す一方、２つの
同様のすなわち相補的なスイッチングネットワークは、電磁石のタップの位置を
調節するため、及びアノード放電領域２８６及び２８８のいずれかを横切る磁界
の強さを変更し、それによりそれぞれのアノードに分配されるパワーを動的に変
更するために使用することができるであろう。同様すなわち相補的な制御原理も
、フィードライン２９０及び２９２経由でそれぞれのアノードへの給送ガスに適
用することができる。更に、電流及び／又は電圧検出及び制御の特徴は、それぞ
れのアノードに分配されたパワーの不注意なドリフトを制御するために、スイッ
チングネットワーク内に適合させることができる。単一のアノードを有するホー
ル電流ソースでは達成することができないように、加工物上を均一に処理する又
はコーティングを堆積させるため、イオンビーム又はプラズマのプロフィールの
大きさ又は構造を動的に変更することが望まれるときに、この特定のホール電流
イオンソースの形態及び相補的パワー分配ネットワークは好都合である。
【００７９】 図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、ホール電流イオンソースのアレイ、又はホール電流
イオンソースのアノードアセンブリのセットを接続し、それにパワーを与えるた
めに使用される種々の電気回路を説明する。図８Ａは、アノードが並列に、また
共通のカソード電子ソースと接続された、（円形又は直線状に配列された、）円
形のホール電流イオンソース３００、３０２及び３０４のアレイを示す。図８Ａ
〜８Ｃに表現された、閉じたパスのホール電流イオンソースは、図２〜３に示さ
れたものと同様の特徴を有する。しかし、同様のイオンソースのアレイは、図４
Ａ、４Ｂ、５、６又は７に示すものを含む、どのような形態の本発明のホール電
流イオンソースからも、構成することができたことは理解される。図８Ａでは、
パワーサプライ３０５からの電流ＩAが、複数のイオンソースのアノード３０６ 、３０８及び３１０の間に、分けられて分配される。電流ＩA1、ＩA2及びＩA3は
、共通の、自立したカソード３１２に引き出され、パワーサプライ３０５へ戻さ
れる。この場合、パワーは、ホール電流イオンソースの間で受動的に分割され、
アレイ中のそれぞれのイオンソースのインピーダンスにより自己調節される。
イオンソースのアノードアセンブリのセットを接続し、それにパワーを与えるた
めに使用される種々の電気回路を説明する。図８Ａは、アノードが並列に、また
共通のカソード電子ソースと接続された、（円形又は直線状に配列された、）円
形のホール電流イオンソース３００、３０２及び３０４のアレイを示す。図８Ａ
〜８Ｃに表現された、閉じたパスのホール電流イオンソースは、図２〜３に示さ
れたものと同様の特徴を有する。しかし、同様のイオンソースのアレイは、図４
Ａ、４Ｂ、５、６又は７に示すものを含む、どのような形態の本発明のホール電
流イオンソースからも、構成することができたことは理解される。図８Ａでは、
パワーサプライ３０５からの電流ＩAが、複数のイオンソースのアノード３０６ 、３０８及び３１０の間に、分けられて分配される。電流ＩA1、ＩA2及びＩA3は
、共通の、自立したカソード３１２に引き出され、パワーサプライ３０５へ戻さ
れる。この場合、パワーは、ホール電流イオンソースの間で受動的に分割され、
アレイ中のそれぞれのイオンソースのインピーダンスにより自己調節される。
【００８０】 図８Ｂは、加工物３２４の両側を処理するように配置された、図５のものと同
様の特徴を有する、２つのホール電流イオンソース３２０及び３２２を説明する
。この場合、ホール電流イオンソースは、パワーサプライ３２６及び３２８によ
り独立してパワーが与えられ、またそれぞれは、それらの自立したカソード３３
０及び３３２を有する。この２面の(dual-sided)形態は、基板又は固定物３２４
の両面を同時に処理又はコーティングする際に特に有用である。
様の特徴を有する、２つのホール電流イオンソース３２０及び３２２を説明する
。この場合、ホール電流イオンソースは、パワーサプライ３２６及び３２８によ
り独立してパワーが与えられ、またそれぞれは、それらの自立したカソード３３
０及び３３２を有する。この２面の(dual-sided)形態は、基板又は固定物３２４
の両面を同時に処理又はコーティングする際に特に有用である。
【００８１】 図８Ｃは、広い面積を処理するために工夫された、より複雑なホール電流イオ
ンソースのアレイを示す。それぞれが２つのアノードアセンブリ４０８及び４１
０を有する、４つのホール電流イオンソース４００、４０２、４０４、及び４０
６は、図７に示したものと同様の特徴を持つ。イオンソースは、２つの別個のパ
ワーサプライ４１２及び４１４、及び２つのプログラム可能な電流スイッチング
ネットワーク４１６及び４１８によって、パワーが与えられる。更に、それぞれ
が４つの放電電流パス、ＩA1からＩA4及びＩA5からＩA8をそれぞれ与える、２つ
の共通の自立したカソード４２０及び４２２がある。図７のイオンソースでは、
それぞれのアノード放電領域に送られるパワーは、動的に調節することができる
。このようにして、全体のホール電流イオンソースのアレイの空間的な分配は、
それの空間的なビーム特性及び出力を合わせるために電気的に調節することがで
きる。同様な電気的な制御体系は、ガスのフロー及び磁界の値も、個々のアノー
ド放電領域の電気的なインピーダンスに大きく影響するために種々のアノード放
電領域に関連する、ガスのフロー及び電磁石のタップの位置に適合させることが
できる。
ンソースのアレイを示す。それぞれが２つのアノードアセンブリ４０８及び４１
０を有する、４つのホール電流イオンソース４００、４０２、４０４、及び４０
６は、図７に示したものと同様の特徴を持つ。イオンソースは、２つの別個のパ
ワーサプライ４１２及び４１４、及び２つのプログラム可能な電流スイッチング
ネットワーク４１６及び４１８によって、パワーが与えられる。更に、それぞれ
が４つの放電電流パス、ＩA1からＩA4及びＩA5からＩA8をそれぞれ与える、２つ
の共通の自立したカソード４２０及び４２２がある。図７のイオンソースでは、
それぞれのアノード放電領域に送られるパワーは、動的に調節することができる
。このようにして、全体のホール電流イオンソースのアレイの空間的な分配は、
それの空間的なビーム特性及び出力を合わせるために電気的に調節することがで
きる。同様な電気的な制御体系は、ガスのフロー及び磁界の値も、個々のアノー
ド放電領域の電気的なインピーダンスに大きく影響するために種々のアノード放
電領域に関連する、ガスのフロー及び電磁石のタップの位置に適合させることが
できる。
【００８２】 例 以下の例は、本発明のホール電流イオンソースの好適な実施形態の優れた性能
を説明する。この例は、説明の目的のみのためであり、いかなる場合も請求項の
範囲を制限する意味を有しない。
を説明する。この例は、説明の目的のみのためであり、いかなる場合も請求項の
範囲を制限する意味を有しない。
【００８３】 これらの例では、すべてのホール電流イオンソースは、以下の共通構成部品を
有することが理解される。 (a)堆積真空チャンバ内に配置されたイオンソースハウジング、 (b)アノードアセンブリ、 (c)それのパワーサプライを有する自立したカソード、及び (d)アノード放電パワーサプライ。
有することが理解される。 (a)堆積真空チャンバ内に配置されたイオンソースハウジング、 (b)アノードアセンブリ、 (c)それのパワーサプライを有する自立したカソード、及び (d)アノード放電パワーサプライ。
【００８４】 以下の例のすべてで、加工部は堆積チャンバ中にバッチでロードされた。生産
の環境では、産業界で周知のロードロックによって、加工部はチャンバ中に連続
的にロードすることができることは理解される。
の環境では、産業界で周知のロードロックによって、加工部はチャンバ中に連続
的にロードすることができることは理解される。
【００８５】 例Ａ及びＢは、本発明のホール電流イオンソース（例Ｂ）と先行技術のそれ（
例Ａ）の間の性能を区別するために役立つ、ホール電流イオンソースを説明する
。これらの例は、アノード上の自己を陰にするギャップの、可能にする原理を特
に実証する。
例Ａ）の間の性能を区別するために役立つ、ホール電流イオンソースを説明する
。これらの例は、アノード上の自己を陰にするギャップの、可能にする原理を特
に実証する。
【００８６】 例Ａ この先行技術の例は、非伝導性コーティングを堆積させるため先行技術のホー
ル電流イオンソースを使用するときに生じる障害を説明する。この例は、図１Ｂ
に表現した、従来の空間電荷シースホール電流イオンソースによる問題を特に説
明する。
ル電流イオンソースを使用するときに生じる障害を説明する。この例は、図１Ｂ
に表現した、従来の空間電荷シースホール電流イオンソースによる問題を特に説
明する。
【００８７】 図１Ｂのものと同様のホール電流イオンソースが、公称１２．７cmの直径、１
．７５cmの幅の、水冷の、ステンレススチールのアノードで製造された。アノー
ド放電領域は、アノードのエッジとアルミナの円筒の間に０．３cmのギャップを
有する内側及び外側のアルミナの円筒によって囲まれていた。アノードは、アノ
ード放電領域の中心に、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）に覆われたバックプレートに
取り付けられた隔離絶縁器(standoff)によって、支持された。隔離絶縁器により
、アノード放電領域のアスペクト比（Ｌ／Ｗ）を約２にまで調整することができ
た。この例では、Ｌ／Ｗは、約１に調整された。ガスが、アノードの背後からア
ノードのエッジの回りに導入された。高温用セラミックブレード(braid)が、セ ラミックの「ふるい(sieve)」を形成するため０．３cmのギャップで、アノード の内側及び外側の直径の回りを覆った。このふるいは、ある程度均一にアノード
放電領域中へガスを分配するために形成された。
．７５cmの幅の、水冷の、ステンレススチールのアノードで製造された。アノー
ド放電領域は、アノードのエッジとアルミナの円筒の間に０．３cmのギャップを
有する内側及び外側のアルミナの円筒によって囲まれていた。アノードは、アノ
ード放電領域の中心に、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）に覆われたバックプレートに
取り付けられた隔離絶縁器(standoff)によって、支持された。隔離絶縁器により
、アノード放電領域のアスペクト比（Ｌ／Ｗ）を約２にまで調整することができ
た。この例では、Ｌ／Ｗは、約１に調整された。ガスが、アノードの背後からア
ノードのエッジの回りに導入された。高温用セラミックブレード(braid)が、セ ラミックの「ふるい(sieve)」を形成するため０．３cmのギャップで、アノード の内側及び外側の直径の回りを覆った。このふるいは、ある程度均一にアノード
放電領域中へガスを分配するために形成された。
【００８８】 ほぼ一定の磁界の強さ、及びアノード面に平行に走る放射方向の力線(field l
ine)を有する磁界が、冷間圧延されたスチールから製作された内側及び外側の円
筒形の極によって形成され、アノードアセンブリの背後に配置された単一の電磁
石によって動かされた。電磁石は、独立したパワーサプライによって動かされた
。直径０．６４cmのステンレススチールの、加熱されたノズルが、堆積の前駆物
質(precursor)をプラズマビーム中に導入するために、ソースの軸に沿ってホー ル電流イオンソースの面から約７．６２cm下流に位置させられた。
ine)を有する磁界が、冷間圧延されたスチールから製作された内側及び外側の円
筒形の極によって形成され、アノードアセンブリの背後に配置された単一の電磁
石によって動かされた。電磁石は、独立したパワーサプライによって動かされた
。直径０．６４cmのステンレススチールの、加熱されたノズルが、堆積の前駆物
質(precursor)をプラズマビーム中に導入するために、ソースの軸に沿ってホー ル電流イオンソースの面から約７．６２cm下流に位置させられた。
【００８９】 要約すると、先行技術のホール電流イオンソースのホール電流イオンソースの
例は、以下の追加の構成部品を含んでいた。 (a)部分的にシールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷アノード、 (c)アノードの背後及び回りに給送されたガス、及び (d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
例は、以下の追加の構成部品を含んでいた。 (a)部分的にシールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷アノード、 (c)アノードの背後及び回りに給送されたガス、及び (d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
【００９０】 堆積動作の前に、ソースは、テストの堆積動作のために十分安定であるアルゴ
ン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ2）での安定動作が、問題を生じることなくテストされ た。（高いパワーのアルゴン及び酸素での動作では、放電がアノードアセンブリ
の背後に形成されることになる徴候があった）このテストの前に、アノードはす
べての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。
ン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ2）での安定動作が、問題を生じることなくテストされ た。（高いパワーのアルゴン及び酸素での動作では、放電がアノードアセンブリ
の背後に形成されることになる徴候があった）このテストの前に、アノードはす
べての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。
【００９１】 堆積動作をテストするために、ホール電流イオンソースは、ゼロに設定された
電磁石電流ＩM、１００sccmのアルゴン、２００sccmの酸素、及び１２Aに設定さ
れた放電電流ＩAで動作を開始させられた。点火後、ＩMが１７０ガウス（公称）
の磁界を、アノード面のアノード放電領域の中心の直径にかけるように調節され
た。堆積の前駆蒸気、オクタメチルシクロテトラシロキサン（octamethylcyclot
etrasiloxane, ＯＭＣＴＳ）が、次に前駆物質ノズルを通して１０と４０sccmの
間の可変の流速で導入され、イオンソースガスが、３００sccmの酸素に調節され
た。次に真空圧力が、真空チャンバへのポンプのポートのスロットルバルブによ
って、１．７ミリトール(mTorr)から４ミリトールに増加させられた。最初の放 電電圧は１３０Vであり、そして５分間１５７Vに上昇し、その後はイオンソース
放電は自分で消えた(self-extinguish)。ＩMをゼロに降下させ、アノードパワー
サプライをリセットすることによってイオンソースを再スタートさせるための試
みが何度かなされたが、与えられたソースの形態では、イオンソースの放電を数
分間以上継続させることはできなかった。
電磁石電流ＩM、１００sccmのアルゴン、２００sccmの酸素、及び１２Aに設定さ
れた放電電流ＩAで動作を開始させられた。点火後、ＩMが１７０ガウス（公称）
の磁界を、アノード面のアノード放電領域の中心の直径にかけるように調節され
た。堆積の前駆蒸気、オクタメチルシクロテトラシロキサン（octamethylcyclot
etrasiloxane, ＯＭＣＴＳ）が、次に前駆物質ノズルを通して１０と４０sccmの
間の可変の流速で導入され、イオンソースガスが、３００sccmの酸素に調節され
た。次に真空圧力が、真空チャンバへのポンプのポートのスロットルバルブによ
って、１．７ミリトール(mTorr)から４ミリトールに増加させられた。最初の放 電電圧は１３０Vであり、そして５分間１５７Vに上昇し、その後はイオンソース
放電は自分で消えた(self-extinguish)。ＩMをゼロに降下させ、アノードパワー
サプライをリセットすることによってイオンソースを再スタートさせるための試
みが何度かなされたが、与えられたソースの形態では、イオンソースの放電を数
分間以上継続させることはできなかった。
【００９２】 動作後のイオンソースの検査により、アノードの前方の表面が非伝導性の層で
コーティングされ、アノードへの放電の継続を中断させていたことが分かった。
放電電流が、セラミックのふるいをバイパスし、露出した機械的支持ハードウェ
アの近傍でコーティングされていないアノードの背面に接触したことも観察され
た。アノードの背面のこの強烈な放電活動形成は、支持ハードウェアを溶かし、
アルミナの円筒に損傷を与えた。
コーティングされ、アノードへの放電の継続を中断させていたことが分かった。
放電電流が、セラミックのふるいをバイパスし、露出した機械的支持ハードウェ
アの近傍でコーティングされていないアノードの背面に接触したことも観察され
た。アノードの背面のこの強烈な放電活動形成は、支持ハードウェアを溶かし、
アルミナの円筒に損傷を与えた。
【００９３】 例Ｂ 例Ａに記載したものと同様のホール電流イオンソースが、アノードアセンブリ
中のガスマニホルドによって水冷の銅のアノードを通して、及び２０個の均等に
間隔を空けた０．０７９cmの直径のピンホールによってアノード面を通して給送
ガスが送られるように、改変された。アノードリングの幅の約半分の０．４７８
cmの厚さの銅のガス偏向リング(gas deflection ring)が、２０個のピンホール を見通し内の堆積から陰にするためにアノード面に直接設置された。いくつかの
小さいステンレススチールのネジが、ガス偏向リングをアノードに設置するため
に使用された。偏向リングは、ガスを放射方向の外側への方向に偏向させるよう
に工夫された、０．１６cmの高さで０．７１cmの幅の環状のギャップを形成した
。アノードのエッジとアルミナの壁部の間に０．３cmの環状のギャップが開いて
いるようにされた。前駆物質ノズルは、軸状でホール電流イオンソースの面から
９．５cm下流に位置させられた。
中のガスマニホルドによって水冷の銅のアノードを通して、及び２０個の均等に
間隔を空けた０．０７９cmの直径のピンホールによってアノード面を通して給送
ガスが送られるように、改変された。アノードリングの幅の約半分の０．４７８
cmの厚さの銅のガス偏向リング(gas deflection ring)が、２０個のピンホール を見通し内の堆積から陰にするためにアノード面に直接設置された。いくつかの
小さいステンレススチールのネジが、ガス偏向リングをアノードに設置するため
に使用された。偏向リングは、ガスを放射方向の外側への方向に偏向させるよう
に工夫された、０．１６cmの高さで０．７１cmの幅の環状のギャップを形成した
。アノードのエッジとアルミナの壁部の間に０．３cmの環状のギャップが開いて
いるようにされた。前駆物質ノズルは、軸状でホール電流イオンソースの面から
９．５cm下流に位置させられた。
【００９４】 要約すると、本発明のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含
んでいた。 (a)部分的にシールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャッ プ、及び (d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
んでいた。 (a)部分的にシールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャッ プ、及び (d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
【００９５】 堆積動作の前に、ソースはアルゴン及びでの安定した動作のためにテストされ
た。また、このテストの前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリ
ーニングで除去された。
た。また、このテストの前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリ
ーニングで除去された。
【００９６】 ホール電流イオンソースは、ＩM＝０A、１００sccmのアルゴン、ＩA＝１０Aで
動作を開始させられた。点火後、ソースは、失敗することなく、ＩA＝６Aで６０
分に亘って、２ミリトールで、３００ガウスの磁界で、２００sccmのアノードを
通る酸素で、及び前駆物質ノズルを通る６０sccmのＯＭＣＴＳで好結果に動作し
た。放電電流は、通常約１７６Vであった。より高いアノード電流レベルで短時 間動作させるとができたが、陰にするガス偏向リングをアノードの面に設置する
ために使用した目立つ(high profile)ステンレススチールのネジがオーバーヒー
トして電流を吸い込み始めたため、連続的には動作させられなかった。意図的に
イオンソースの放電を消した後、イオンソースはＩMをほぼ０Aに減少させること
による再スタートさせることができた。
動作を開始させられた。点火後、ソースは、失敗することなく、ＩA＝６Aで６０
分に亘って、２ミリトールで、３００ガウスの磁界で、２００sccmのアノードを
通る酸素で、及び前駆物質ノズルを通る６０sccmのＯＭＣＴＳで好結果に動作し
た。放電電流は、通常約１７６Vであった。より高いアノード電流レベルで短時 間動作させるとができたが、陰にするガス偏向リングをアノードの面に設置する
ために使用した目立つ(high profile)ステンレススチールのネジがオーバーヒー
トして電流を吸い込み始めたため、連続的には動作させられなかった。意図的に
イオンソースの放電を消した後、イオンソースはＩMをほぼ０Aに減少させること
による再スタートさせることができた。
【００９７】 動作後のイオンソースの検査により、アノードの露出した表面及び側面、ガス
偏向リング、及びステンレススチールハードウェアは、すべて非伝導性コーティ
ングでコーティングされたことが明らかになった。しかし、アノードの面の陰に
なったキャップ内のこれらの領域は、ほぼ堆積がなく、伝導性のままであった。
不要な拡散的な放電活動がアノードの背面に明らかに存在したが、アノードアセ
ンブリの背面への強い放電活動（すなわちアーク）の形跡はなかった。
偏向リング、及びステンレススチールハードウェアは、すべて非伝導性コーティ
ングでコーティングされたことが明らかになった。しかし、アノードの面の陰に
なったキャップ内のこれらの領域は、ほぼ堆積がなく、伝導性のままであった。
不要な拡散的な放電活動がアノードの背面に明らかに存在したが、アノードアセ
ンブリの背面への強い放電活動（すなわちアーク）の形跡はなかった。
【００９８】 軸上で７４cmイオンソースから下流のポリカーボネート、シリコン及び石英の
証拠物の標本上に堆積した８μmのコーティングの特性は、Knapp他の第５，５０
８，３６８号特許に報告されたものと同様であることが発見された。
証拠物の標本上に堆積した８μmのコーティングの特性は、Knapp他の第５，５０
８，３６８号特許に報告されたものと同様であることが発見された。
【００９９】 例Ｃ及びＤは、アノード放電電流と並列に動かされる電磁石の使用が、どのよ
うにして本発明のホール電流イオンソースの動作領域を拡大し拡張するかを示す
。
うにして本発明のホール電流イオンソースの動作領域を拡大し拡張するかを示す
。
【０１００】 例Ｃ 本発明及び図２に表現したものと同様のホール電流イオンソースが、アルゴン
及び酸素の給送ガスでの安定動作のために製造されテストされた。アノードの直
径は公称１２cmであった。イオンソースの面から約１．２７cmに位置する、直径
１６．５cmの前駆物質抽入リングが、０．６４インチ（１．６２６cm）の直径の
ステンレススチールのチューブから構成され、前駆物質をプラズマビーム中に導
くための３個の等間隔の０．１８cmの直径の穴がそこに作られた。
及び酸素の給送ガスでの安定動作のために製造されテストされた。アノードの直
径は公称１２cmであった。イオンソースの面から約１．２７cmに位置する、直径
１６．５cmの前駆物質抽入リングが、０．６４インチ（１．６２６cm）の直径の
ステンレススチールのチューブから構成され、前駆物質をプラズマビーム中に導
くための３個の等間隔の０．１８cmの直径の穴がそこに作られた。
【０１０１】 堆積中又は堆積動作の間の機能するような、イオンソースの点火応答を調べる
ために、イオンソースのアノードは、堆積するモードで動作させることによって
「慣らされ(seasoned)」た。この例では、次にイオンソースは、１８０sccmの酸
素で、前駆物質抽入リングを通る４５sccmのテトラメチルシクロテトラシロキサ
ン（tetramethylcyclotetrasiloxane, ＴＭＣＴＳ）で、ＩA＝１２Aで、約３０ 分の期間の間、動作させられた。イオンソースのアノードの慣らし(seasoning) ステップの後、ソースの点火特性が、独立の電流サプライによって動かされる電
磁石によりテストされた。電磁石は、アノードサプライ回路から接続を切られ、
そして次に、放電電流設定ポイント、ＩAと等しく調節された、電磁石電流設定 ポイント、ＩMで、独立したパワーサプライに再接続された。
ために、イオンソースのアノードは、堆積するモードで動作させることによって
「慣らされ(seasoned)」た。この例では、次にイオンソースは、１８０sccmの酸
素で、前駆物質抽入リングを通る４５sccmのテトラメチルシクロテトラシロキサ
ン（tetramethylcyclotetrasiloxane, ＴＭＣＴＳ）で、ＩA＝１２Aで、約３０ 分の期間の間、動作させられた。イオンソースのアノードの慣らし(seasoning) ステップの後、ソースの点火特性が、独立の電流サプライによって動かされる電
磁石によりテストされた。電磁石は、アノードサプライ回路から接続を切られ、
そして次に、放電電流設定ポイント、ＩAと等しく調節された、電磁石電流設定 ポイント、ＩMで、独立したパワーサプライに再接続された。
【０１０２】 要約すると、本発明のこの例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成
部品と含んでいた。 (a)シールされたアノードの、閉じたパスの、放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャッ プ、及び (d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
部品と含んでいた。 (a)シールされたアノードの、閉じたパスの、放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャッ プ、及び (d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
【０１０３】 この例では、アノードサプライでの、ピークのアノード電圧レベルは、３００
Vに設定された。放電の点火は、アルゴン（１００sccmで、０．７５ミリトール のチャンバ圧力）及び酸素（１８０sccmで、１ミリトールのチャンバ圧力）中で
、２、５、１０及び１５AのＩA及びＩM電流の設定ポイントでテストされた。放 電は、ＩMを２及び５Aに予め設定したアルゴンのテストケースのためにアノード
パワーサプライを作動させるとすぐに点火したことが見つかった。しかし、すべ
ての他の設定ポイントでは、放電の点火はすぐには起きなかったし、また３００
Vのアノードサプライの設定ではまったく起きなかった。（同様の状況は、例Ａ 及びＢのイオンソースで観察された。）より高いＩM電流レベルの設定の多くに 対して、ブレークダウンを開始させ放電を開始させるために必要な閾値アノード
ポテンシャルを超えるために、３５０と５００Vの間にピークのアノード弁圧設 定を増加させる必要があった。いくつかの例では、放電は、より高いアノードサ
プライ電圧設定で点火したが、安定した定常状態の状況には達せず、放電の低い
周波数（０．１〜１Hz）での周期的なオン及びオフの振動を生じた。消えるとき
、ブレークダウンのための閾値アノードポテンシャルを減少させて放電を再点火
させるために、ＩMを０A近くに減少させることが必要となった。
Vに設定された。放電の点火は、アルゴン（１００sccmで、０．７５ミリトール のチャンバ圧力）及び酸素（１８０sccmで、１ミリトールのチャンバ圧力）中で
、２、５、１０及び１５AのＩA及びＩM電流の設定ポイントでテストされた。放 電は、ＩMを２及び５Aに予め設定したアルゴンのテストケースのためにアノード
パワーサプライを作動させるとすぐに点火したことが見つかった。しかし、すべ
ての他の設定ポイントでは、放電の点火はすぐには起きなかったし、また３００
Vのアノードサプライの設定ではまったく起きなかった。（同様の状況は、例Ａ 及びＢのイオンソースで観察された。）より高いＩM電流レベルの設定の多くに 対して、ブレークダウンを開始させ放電を開始させるために必要な閾値アノード
ポテンシャルを超えるために、３５０と５００Vの間にピークのアノード弁圧設 定を増加させる必要があった。いくつかの例では、放電は、より高いアノードサ
プライ電圧設定で点火したが、安定した定常状態の状況には達せず、放電の低い
周波数（０．１〜１Hz）での周期的なオン及びオフの振動を生じた。消えるとき
、ブレークダウンのための閾値アノードポテンシャルを減少させて放電を再点火
させるために、ＩMを０A近くに減少させることが必要となった。
【０１０４】 いくつかの例では、この例のホール電流イオンソースは、図２及び３に表現し
たイオンソースアセンブリから、インシュレータ１５２又は１５０を除くことに
よって引き起こされる、「スパーク」又は「アーク火花(arclet)」の影響を非常
に受けやすかった。これらの２から２０ミリ秒のスパーク又はアーク火花は、ア
ノード放電領域の近傍の磁性極片の付近で発生し、アノード放電領域中から接地
付近のポテンシャルへ、実際上ショートさせた。これらの一時的な事象は、しば
しば、放電の自己停止を一緒に引き起こした。少数の他の例では、イオンソース
は、高い強度の周期的な放電電流の振動（５から２０kHzで、２から約８Ap-p） を示す、それ自身の非線形特性の影響を受けやすいように見えた。イオンソース
は、そのような大きい電流振動が存在したとき、ときどき自己停止した。
たイオンソースアセンブリから、インシュレータ１５２又は１５０を除くことに
よって引き起こされる、「スパーク」又は「アーク火花(arclet)」の影響を非常
に受けやすかった。これらの２から２０ミリ秒のスパーク又はアーク火花は、ア
ノード放電領域の近傍の磁性極片の付近で発生し、アノード放電領域中から接地
付近のポテンシャルへ、実際上ショートさせた。これらの一時的な事象は、しば
しば、放電の自己停止を一緒に引き起こした。少数の他の例では、イオンソース
は、高い強度の周期的な放電電流の振動（５から２０kHzで、２から約８Ap-p） を示す、それ自身の非線形特性の影響を受けやすいように見えた。イオンソース
は、そのような大きい電流振動が存在したとき、ときどき自己停止した。
【０１０５】 例Ｄ 例Ｃで説明したホール電流イオンソースの電磁石が、いつでもＩMがＩAと等し
いように、図２に示すようにアノード放電領域と直列に電磁石と再接続された。
いように、図２に示すようにアノード放電領域と直列に電磁石と再接続された。
【０１０６】 要約すれば、本発明のこの例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成
部品を含んでいた。 (a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャッ プ、及び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
部品を含んでいた。 (a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャッ プ、及び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１０７】 この例では、アノードサプライでのピークのアノード電圧レベルは、３００V に設定された。アノードの放電の点火は、アルゴン（１００sccmで、０．７５ミ
リトールのチャンバ圧力）及び酸素（１８０sccmで、１ミリトールのチャンバ圧
力）中で、２、５、１０及び１５AのＩAの電流の設定ポイントでテストされた。
すべてのテストの場合で、放電は、アノードパワーサプライを作動させた後、簡
単にかつ即座に点火した。アノード閾値電圧は、典型的には１２０から２００V の範囲であった。この形態では、不要で能力を損なう、低い周波数のオン及びオ
フの振動及び例Ｃで言及した停止の過程は、アーク火花及び高い電流ノイズが誘
導又は観察されたときでさえ、見られなかった。
リトールのチャンバ圧力）及び酸素（１８０sccmで、１ミリトールのチャンバ圧
力）中で、２、５、１０及び１５AのＩAの電流の設定ポイントでテストされた。
すべてのテストの場合で、放電は、アノードパワーサプライを作動させた後、簡
単にかつ即座に点火した。アノード閾値電圧は、典型的には１２０から２００V の範囲であった。この形態では、不要で能力を損なう、低い周波数のオン及びオ
フの振動及び例Ｃで言及した停止の過程は、アーク火花及び高い電流ノイズが誘
導又は観察されたときでさえ、見られなかった。
【０１０８】 例Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩは、特に、囲まれた又はシールされたアノード放電
領域及びアノード中の陰になったギャップを通して作動ガスを導入する手段に関
連するときの本発明の好適な方法に従った、本発明の好適な実施形態のホール電
流イオンソースの優れた性能を説明する。
領域及びアノード中の陰になったギャップを通して作動ガスを導入する手段に関
連するときの本発明の好適な方法に従った、本発明の好適な実施形態のホール電
流イオンソースの優れた性能を説明する。
【０１０９】 例Ｅ 図２に表現され、例Ｄで説明した、ホール電流イオンソースが、インシュレー
タ１５２及びガス接続１３２を除くことにより、本発明の範囲外のイオンソース
をもたらすように改変された。これにより、ガスは、アノードの背面から、部品
１１２と１２８の間で、アノード放電領域１２０中に導入された。
タ１５２及びガス接続１３２を除くことにより、本発明の範囲外のイオンソース
をもたらすように改変された。これにより、ガスは、アノードの背面から、部品
１１２と１２８の間で、アノード放電領域１２０中に導入された。
【０１１０】 要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含
んでいた。 (a)シールされていない、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードの背後及び回りから給送されたガス、及び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
んでいた。 (a)シールされていない、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードの背後及び回りから給送されたガス、及び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１１１】 堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで
除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、
前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させ
られた。放電ポテンシャルは、１２０と１４３Vの間で変化した。
除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、
前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させ
られた。放電ポテンシャルは、１２０と１４３Vの間で変化した。
【０１１２】 ５０分の堆積期間の間に、数回の失敗が発生した。アノードがコーティングさ
れたにつれて、アノード表面の活動している部分は、部品１１２及び１２８によ
って画定されるギャップの間のアノードの外側のエッジまで縮小し、それにより
ギャップ中に強い放電活動が強いられた。接地したアウターポール１１２とアウ
ターアノードリング１２８の間に集中させられたようなアーク火花も、段々頻繁
に（１秒あたり数回のアーク火花）になった。この望ましくない、イオンソース
の内部領域への放電及びプラズマ活動の移動は、他の問題を引き起こした。アー
ク活動は、アウターポール１１２の下面から金属をスパッタリングし、アノード
リング１２８の表面に溶けたスポットを形成させた。損傷は、イオンソースの内
部にも広がった。例えば、電気接続１４６は変色し、アノード給送電線の誘電体
シールドは溶けて、アノードの電線を露出していた。この接合の回りに明らかに
形成されていた酸素プラズマによって、電線は腐食されていた。
れたにつれて、アノード表面の活動している部分は、部品１１２及び１２８によ
って画定されるギャップの間のアノードの外側のエッジまで縮小し、それにより
ギャップ中に強い放電活動が強いられた。接地したアウターポール１１２とアウ
ターアノードリング１２８の間に集中させられたようなアーク火花も、段々頻繁
に（１秒あたり数回のアーク火花）になった。この望ましくない、イオンソース
の内部領域への放電及びプラズマ活動の移動は、他の問題を引き起こした。アー
ク活動は、アウターポール１１２の下面から金属をスパッタリングし、アノード
リング１２８の表面に溶けたスポットを形成させた。損傷は、イオンソースの内
部にも広がった。例えば、電気接続１４６は変色し、アノード給送電線の誘電体
シールドは溶けて、アノードの電線を露出していた。この接合の回りに明らかに
形成されていた酸素プラズマによって、電線は腐食されていた。
【０１１３】 例Ｆ 図２に表現され、例Ｄで説明されたホール電流イオンソースが、アウターアノ
ードリング１２８を、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴を持
たず、本発明の好適な方法に従わずに２０個のピンホール１３６をアノード放電
領域１２０に直接露出したものと置き換えることによって、改変された。更にこ
の例では、２０個のピンホールのうち１９個がシールされた。これにより、ガス
は、１つだけの穴を通してアノード中に導入された。
ードリング１２８を、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴を持
たず、本発明の好適な方法に従わずに２０個のピンホール１３６をアノード放電
領域１２０に直接露出したものと置き換えることによって、改変された。更にこ
の例では、２０個のピンホールのうち１９個がシールされた。これにより、ガス
は、１つだけの穴を通してアノード中に導入された。
【０１１４】 要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含
んでいた。 (a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノード表面を通して１つの露出した入口のポイントで給送されたガス、及 び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
んでいた。 (a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノード表面を通して１つの露出した入口のポイントで給送されたガス、及 び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１１５】 堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで
除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、
前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させ
られた。
除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、
前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させ
られた。
【０１１６】 実験の全体を通して、アノードでの放電電流は、単一の開いたピンホールの回
りのガスの柱(plume)に集中した。放電電流は、環状のアノード放電領域を均一 には満たさず、比較的短い投射距離（１０から３０cm）に位置させられた静止し
た加工物をコーティングするためには有用ではなかった。動作の最初の１５分間
、放電電圧は、アノードがコーティングされて活動するアノード領域がピンポー
ル近傍の領域に縮小するにつれて、９２から１１７Vに上昇した。その後すぐに 放電電圧は１００Vに降下し、明るいグローが、単一のピンホールの近傍のアノ ード表面に観察された。
りのガスの柱(plume)に集中した。放電電流は、環状のアノード放電領域を均一 には満たさず、比較的短い投射距離（１０から３０cm）に位置させられた静止し
た加工物をコーティングするためには有用ではなかった。動作の最初の１５分間
、放電電圧は、アノードがコーティングされて活動するアノード領域がピンポー
ル近傍の領域に縮小するにつれて、９２から１１７Vに上昇した。その後すぐに 放電電圧は１００Vに降下し、明るいグローが、単一のピンホールの近傍のアノ ード表面に観察された。
【０１１７】 ２７分後、実験を停止し、アノードを検査した。アノード放電領域に露出した
すべての表面は、アノード表面が単一のピンホールから数ミリメータ溶けて、電
子ドリフトの時計まわりの方向にオフセットした局所的なスポットを除いて、非
伝導性の層でコーティングされた。導電性のスポットは、明らかに、ガス給送の
近傍の狭い領域に集中した強い電子接触電流密度（約３０から６０A/cm2）によ るアノード表面の過度の加熱によって引き起こされた。そのような溶解は、アノ
ードアセンブリを損傷し、プラズマビーム中に不要な気化した金属を注入したで
あろう。この例は、アノード放電領域の回りに均一に分配される、アノードのよ
り広い活動している表面領域に、放電電流密度を分配する必要を説明する。
すべての表面は、アノード表面が単一のピンホールから数ミリメータ溶けて、電
子ドリフトの時計まわりの方向にオフセットした局所的なスポットを除いて、非
伝導性の層でコーティングされた。導電性のスポットは、明らかに、ガス給送の
近傍の狭い領域に集中した強い電子接触電流密度（約３０から６０A/cm2）によ るアノード表面の過度の加熱によって引き起こされた。そのような溶解は、アノ
ードアセンブリを損傷し、プラズマビーム中に不要な気化した金属を注入したで
あろう。この例は、アノード放電領域の回りに均一に分配される、アノードのよ
り広い活動している表面領域に、放電電流密度を分配する必要を説明する。
【０１１８】 例Ｇ 図２に表現され、例Ｄで説明されたホール電流イオンソースが、アウターアノ
ードリング１２８を、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴を持
たず、ピンホール１３６をアノード放電領域１２０に直接露出したリングと置き
換えることによって、改変された。この例では、すべての２０個のピンホールが
、好適な実施形態に従って開いたままにされた。これにより、ガスは、１つだけ
の穴を通してアノード中に導入された。
ードリング１２８を、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴を持
たず、ピンホール１３６をアノード放電領域１２０に直接露出したリングと置き
換えることによって、改変された。この例では、すべての２０個のピンホールが
、好適な実施形態に従って開いたままにされた。これにより、ガスは、１つだけ
の穴を通してアノード中に導入された。
【０１１９】 要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含
んでいた。 (a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノード表面を通して、いくつか（２０個）の露出した、均等に分配された 入口のポイントで給送されたガス、及び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
んでいた。 (a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノード表面を通して、いくつか（２０個）の露出した、均等に分配された 入口のポイントで給送されたガス、及び (d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１２０】 堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで
除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、
前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させ
られた。
除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、
前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させ
られた。
【０１２１】 この実験中、放電電圧は最初１００Vで、そして迅速に増大した。堆積動作の 数分内に、強い、輝く放電の柱が２０個のピンホールのそれぞれの付近に形成さ
れ、放電ポテンシャルは１８０Vに増大した。４分間内に放電ポテンシャルは２ ００Vを超え、イオンソースアセンブリの内側で背後に、電磁石及びアノードへ の電気接続に沿って、アークが発生し始めた。５分で、堆積の実験は、アークの
問題のために終了した。その後、何度か、アルゴン及び酸素中でイオンソースを
再点火しようとしたが、ほとんど成功しなかった。
れ、放電ポテンシャルは１８０Vに増大した。４分間内に放電ポテンシャルは２ ００Vを超え、イオンソースアセンブリの内側で背後に、電磁石及びアノードへ の電気接続に沿って、アークが発生し始めた。５分で、堆積の実験は、アークの
問題のために終了した。その後、何度か、アルゴン及び酸素中でイオンソースを
再点火しようとしたが、ほとんど成功しなかった。
【０１２２】 それに続いてイオンソースを検査すると、アノード放電領域に露出したアノー
ドの全体の表面が、２０個のピンホールの内側の表面を除いて、非伝導性の層で
コーティングされていることが分かった。２０個のピンホールの付近の、活動し
ているアノード領域の総体は非常に狭いので、放電電流を維持するために必要な
アノードポテンシャルは、イオンソースアセンブリの内部の構成部品の設計限界
を超えた。この例は、アノードを通る、露出した、複数のガス注入手段は、故障
しやすく、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴なしに非伝導性
コーティングを堆積させるときに損傷させることがあることを実証する。
ドの全体の表面が、２０個のピンホールの内側の表面を除いて、非伝導性の層で
コーティングされていることが分かった。２０個のピンホールの付近の、活動し
ているアノード領域の総体は非常に狭いので、放電電流を維持するために必要な
アノードポテンシャルは、イオンソースアセンブリの内部の構成部品の設計限界
を超えた。この例は、アノードを通る、露出した、複数のガス注入手段は、故障
しやすく、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴なしに非伝導性
コーティングを堆積させるときに損傷させることがあることを実証する。
【０１２３】 例Ｈ 図２に表現され、例Ｄに説明したホール電流イオンソースが、本発明の好適な
実施形態に従って、アルゴン及び酸素での安定動作が、問題を生じることなくテ
ストされた。堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリ
ーニングで除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccm
の酸素で、前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１２A
で動作させられた。放電ポテンシャルは、１０６Vからほぼ定常状態の値である １７０Vに、３０分の堆積期間にわたって上昇した。例Ｄのように、イオンソー スは、堆積期間の全体にわたって、完全に、中断なしに動作した。
実施形態に従って、アルゴン及び酸素での安定動作が、問題を生じることなくテ
ストされた。堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリ
ーニングで除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccm
の酸素で、前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１２A
で動作させられた。放電ポテンシャルは、１０６Vからほぼ定常状態の値である １７０Vに、３０分の堆積期間にわたって上昇した。例Ｄのように、イオンソー スは、堆積期間の全体にわたって、完全に、中断なしに動作した。
【０１２４】 例Ｉ 図２に表現され、例Ｄに説明したタイプのホール電流イオンソースが、同じ真
空チャンバ中に取り付けられ、約３０cm離された。それぞれのイオンソースは、
それの中空のカソード電子ソース(hollow cathode electron source, ＨＣＥＳ)
及びアノードパワーサプライによって動かされる。この例では、堆積の前駆物質
は、例Ｂに説明したように、液体供給システムによって、２つの加熱されたノズ
ルを通して導入される。堆積動作の前に、両方のイオンソースのアノードは、す
べての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。イオンソースは、そ
れぞれイオンソースを通る２３０sccmの酸素で、それぞれの加熱された気化器及
び前駆物質ノズルを通る１５グラム／時間のＯＭＣＴＳの液体（約４５sccmのＯ
ＭＣＴＳ蒸気）で、及びＩA＝１２Aで一緒に動作させられた。堆積動作の最初の
４５分内に、それぞれのイオンソースの放電ポテンシャルは、ほぼ定常状態のレ
ベルの１７９及び１６６Vに上昇した。イオンソースは、２１．５時間の堆積期 間の全体にわたって完全に動作し続け、その後その実験は意図的に終了させられ
た。最終の放電ポテンシャルは、それぞれ１８７及び１７９Vであった。
空チャンバ中に取り付けられ、約３０cm離された。それぞれのイオンソースは、
それの中空のカソード電子ソース(hollow cathode electron source, ＨＣＥＳ)
及びアノードパワーサプライによって動かされる。この例では、堆積の前駆物質
は、例Ｂに説明したように、液体供給システムによって、２つの加熱されたノズ
ルを通して導入される。堆積動作の前に、両方のイオンソースのアノードは、す
べての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。イオンソースは、そ
れぞれイオンソースを通る２３０sccmの酸素で、それぞれの加熱された気化器及
び前駆物質ノズルを通る１５グラム／時間のＯＭＣＴＳの液体（約４５sccmのＯ
ＭＣＴＳ蒸気）で、及びＩA＝１２Aで一緒に動作させられた。堆積動作の最初の
４５分内に、それぞれのイオンソースの放電ポテンシャルは、ほぼ定常状態のレ
ベルの１７９及び１６６Vに上昇した。イオンソースは、２１．５時間の堆積期 間の全体にわたって完全に動作し続け、その後その実験は意図的に終了させられ
た。最終の放電ポテンシャルは、それぞれ１８７及び１７９Vであった。
【０１２５】 例Ｊは、アノード放電領域のアレイを含む本発明のホール電流イオンソースを
形成するために、共通のパワーサプライに及び少なくとも１つのＨＣＥＳに並列
に接続された２以上のアノードの使用を説明する。
形成するために、共通のパワーサプライに及び少なくとも１つのＨＣＥＳに並列
に接続された２以上のアノードの使用を説明する。
【０１２６】 例Ｊ 図２に表現され、例Ｄに説明したタイプのホール電流イオンソースが、同じ真
空チャンバ中に、お互いに接近して（それぞれのイオンソースアセンブリのアウ
ターエッジの間が約２０cmの間隔を空けて）取り付けられた。単一のアノードサ
プライが、それぞれのイオンソースの電磁石に結ばれ、それは次にそれらのそれ
ぞれのアノードに接続された。アノードサプライの帰路は、２つのイオンソース
の間に物理的に配置された単一のＨＣＥＳに接続された。この形態では、アノー
ド電流は、共通のＨＣＥＳへの帰路と並列に動作した。電磁石は、放電システム
がＨＣＥＳに関して対称に見えるように、それぞれのアノードについての時計回
り及び反時計回りの対向する電子ドリフトを形成するように配線された。
空チャンバ中に、お互いに接近して（それぞれのイオンソースアセンブリのアウ
ターエッジの間が約２０cmの間隔を空けて）取り付けられた。単一のアノードサ
プライが、それぞれのイオンソースの電磁石に結ばれ、それは次にそれらのそれ
ぞれのアノードに接続された。アノードサプライの帰路は、２つのイオンソース
の間に物理的に配置された単一のＨＣＥＳに接続された。この形態では、アノー
ド電流は、共通のＨＣＥＳへの帰路と並列に動作した。電磁石は、放電システム
がＨＣＥＳに関して対称に見えるように、それぞれのアノードについての時計回
り及び反時計回りの対向する電子ドリフトを形成するように配線された。
【０１２７】 ２つのイオンソースシステムは、１２５sccmそして７５sccmのそれぞれのイオ
ンソースへのアルゴンの流量で、及び５、１０、１５、及び２０Aの（２つのア ノード間で分割した）総計の放電電流レベルで動作させられた。これらの状況で
は、両方のイオンソースのための放電電圧は、５４から７７Vの範囲であった。 それぞれのアノードへの電流は、調査したすべての電流範囲で１５％の差の内に
入るように分割された。２つのイオンソースのいずれかへの、ガスの流量あるい
は電磁石の電流のターンのいずれかを調節することにより、並列に動作している
アノードへ送られる放電電流又はパワーの不均衡を補償することができることが
確認された。
ンソースへのアルゴンの流量で、及び５、１０、１５、及び２０Aの（２つのア ノード間で分割した）総計の放電電流レベルで動作させられた。これらの状況で
は、両方のイオンソースのための放電電圧は、５４から７７Vの範囲であった。 それぞれのアノードへの電流は、調査したすべての電流範囲で１５％の差の内に
入るように分割された。２つのイオンソースのいずれかへの、ガスの流量あるい
は電磁石の電流のターンのいずれかを調節することにより、並列に動作している
アノードへ送られる放電電流又はパワーの不均衡を補償することができることが
確認された。
【０１２８】 例Ｋ及びＬは、本発明の閉じていないドリフトパスのホール電流イオンソース
及びそのようなイオンソースを周期的に交番する磁界の使用を通じて動作させる
手段を実証する。
及びそのようなイオンソースを周期的に交番する磁界の使用を通じて動作させる
手段を実証する。
【０１２９】 例Ｋ 図２に表現され、例Ｄに説明したタイプのホール電流イオンソースが、アノー
ド放電領域の環状部の半分を、窒化ホウ素のインシュレータプレート及び端部に
よって遮断することにより改変された。２０個のピンホールの内、窒化ホウ素イ
ンシュレータの後方の１０個も遮断された。この形態で、半円形の、閉じていな
い電子ドリフトホール電流イオンソースがテストのために形成された。
ド放電領域の環状部の半分を、窒化ホウ素のインシュレータプレート及び端部に
よって遮断することにより改変された。２０個のピンホールの内、窒化ホウ素イ
ンシュレータの後方の１０個も遮断された。この形態で、半円形の、閉じていな
い電子ドリフトホール電流イオンソースがテストのために形成された。
【０１３０】 要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含
んでいた。 (a)シールされた、閉じていないパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通した、ガスの入口領域の、自己を陰にするアノード上のギャッ プ、及び (d)電磁石を通じた電流の周期的な交番のない、アノードからカソードへの放電 電流によって動かされる電磁石。
んでいた。 (a)シールされた、閉じていないパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通した、ガスの入口領域の、自己を陰にするアノード上のギャッ プ、及び (d)電磁石を通じた電流の周期的な交番のない、アノードからカソードへの放電 電流によって動かされる電磁石。
【０１３１】 これらのテストの前に、イオンソースのアノードは、例Ｃで説明したように非
伝導性の層で慣らされた(seasoned)。
伝導性の層で慣らされた(seasoned)。
【０１３２】 最初のテストは、閉じていないドリフトパスのイオンソースが、それの閉じた
ドリフトパスの同等品より点火しにくいことを示した。グロー放電がアノード放
電領域中に形成された後に、グローは、電子ドリフトの方向に、目に見えるよう
に時計回りに円運動をし、そしてしばしばドリフトパスの末端で素早く消えた。
放電が維持された場合、グロー放電は、１つの側で薄暗く、時計回りの電子ドリ
フトの方向に明るさが増大していた。非対称的なグローは、電子ドリフト及びア
ノード放電領域に沿ったホールポテンシャルの始まりを示していた。
ドリフトパスの同等品より点火しにくいことを示した。グロー放電がアノード放
電領域中に形成された後に、グローは、電子ドリフトの方向に、目に見えるよう
に時計回りに円運動をし、そしてしばしばドリフトパスの末端で素早く消えた。
放電が維持された場合、グロー放電は、１つの側で薄暗く、時計回りの電子ドリ
フトの方向に明るさが増大していた。非対称的なグローは、電子ドリフト及びア
ノード放電領域に沿ったホールポテンシャルの始まりを示していた。
【０１３３】 例Ｌ 例Ｋで説明されたホール電流イオンソースが、電磁石をアノードサプライ回路
から分離し、独立したＡＣ（６０Hz）パワーサプライに再接続することにより改
変された。これにより、磁界及び電子ドリフトの両方の方向が、アノード放電電
流と独立して、周期的に方向が変化させられた。
から分離し、独立したＡＣ（６０Hz）パワーサプライに再接続することにより改
変された。これにより、磁界及び電子ドリフトの両方の方向が、アノード放電電
流と独立して、周期的に方向が変化させられた。
【０１３４】 要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含
んでいた。 (a)シールされた、閉じていないパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通した、ガスの入口領域の、自己を陰にするアノード上のギャッ プ、及び (d)周期的な交番電流により動かされる電磁石。
んでいた。 (a)シールされた、閉じていないパスの、アノード放電領域、 (b)液冷のアノード、 (c)アノードを通した、ガスの入口領域の、自己を陰にするアノード上のギャッ プ、及び (d)周期的な交番電流により動かされる電磁石。
【０１３５】 例Ｋで説明したイオンソースの形態と対照的に、周期的に反転する磁界を有す
る閉じていないドリフトパスのイオンソースは、点火及び維持が、はるかに簡単
であった。これは、２倍のＡＣ磁界の周期で、放電の点火のための磁界及び閾値
電圧が最小にされ、簡単な点火又は約８３ミリ秒毎の周期的な再点火が可能にな
ったという事実に、部分的に起因する。アノード放電領域に沿ったグロー放電の
目に見える出現も均一であり、またそれは、ドリフトパスに沿った時間平均され
たホールポテンシャルが、ならされたか、あるいはホール電流イオンソースの形
状及び大きさに関して対称的にされたかのいずれかであったことを示す。
る閉じていないドリフトパスのイオンソースは、点火及び維持が、はるかに簡単
であった。これは、２倍のＡＣ磁界の周期で、放電の点火のための磁界及び閾値
電圧が最小にされ、簡単な点火又は約８３ミリ秒毎の周期的な再点火が可能にな
ったという事実に、部分的に起因する。アノード放電領域に沿ったグロー放電の
目に見える出現も均一であり、またそれは、ドリフトパスに沿った時間平均され
たホールポテンシャルが、ならされたか、あるいはホール電流イオンソースの形
状及び大きさに関して対称的にされたかのいずれかであったことを示す。
【０１３６】 本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の用途及び状況に適合させ
るために、当業者は本発明に種々の変更及び改変を行うことができる。そのよう
なこれらの変更及び改変は、正当に、公正に、添付の請求項の均等物の最大範囲
内であり、またそのように意図されている。
るために、当業者は本発明に種々の変更及び改変を行うことができる。そのよう
なこれらの変更及び改変は、正当に、公正に、添付の請求項の均等物の最大範囲
内であり、またそのように意図されている。
【図１Ａ】 延長チャネルタイプ（Ｌ／Ｗ＞１）ホール電流イオンソースの断面の線図であ
る。
る。
【図１Ｂ】 空間電荷シース(space-charge sheath)タイプ（Ｌ／Ｗ＜１）ホール電流イオ ンソースの断面の線図である。
【図１Ｃ】 端で分岐する(end-divergent)磁界のタイプのホール電流イオンソースの断面 の線図である。
【図２】 真空中での設置のための、閉じたアノード放電領域及び自立したカソードを有
する円形のホール電流イオンソースアセンブリを含む本発明のイオンソース装置
の１つの実施形態の、４分の１の断面を有する等角図である。
する円形のホール電流イオンソースアセンブリを含む本発明のイオンソース装置
の１つの実施形態の、４分の１の断面を有する等角図である。
【図３Ａ】 物理的挙動を示す、図２に示したイオンソース装置の断面の線図である。
【図３Ｂ】 図３Ａに示したホール電流イオンソースアセンブリのそれぞれの交流アノード
放電領域の断面の詳細を示す図である。
放電領域の断面の詳細を示す図である。
【図３Ｃ】 図３Ａに示したホール電流イオンソースアセンブリのそれぞれの交流アノード
放電領域の断面の詳細を示す図である。
放電領域の断面の詳細を示す図である。
【図４Ａ】 閉じていないアノード放電領域を有する、直線的なホール電流イオンソースア
センブリを含む、本発明のイオンソース装置の他の実施形態の、部分的断面を示
す等角図である。
センブリを含む、本発明のイオンソース装置の他の実施形態の、部分的断面を示
す等角図である。
【図４Ｂ】 物理的挙動を示す、図４Ａに示した直線的なホール電流イオンソースアセンブ
リの断面の線図である。
リの断面の線図である。
【図５】 直線的なホール電流イオンソース及び真空フランジ設置のために工夫された、
直線的なホール電流イオンソース及び自立したカソードを含む、本発明のイオン
ソース装置の他の実施形態の、断面の線図である。
直線的なホール電流イオンソース及び自立したカソードを含む、本発明のイオン
ソース装置の他の実施形態の、断面の線図である。
【図６】 放射方向のプラズマビームを発生させるための円筒形のアノードアセンブリを
有するホール電流イオンソースを含む本発明のイオンソース装置の実施形態の、
部分的断面を示す等角図である。
有するホール電流イオンソースを含む本発明のイオンソース装置の実施形態の、
部分的断面を示す等角図である。
【図７】 複数の同心のアノードアセンブリ及び自立したカソードを有するホール電流イ
オンソースを含む本発明のイオンソース装置の実施形態の、部分的断面を示す等
角図である。
オンソースを含む本発明のイオンソース装置の実施形態の、部分的断面を示す等
角図である。
【図８Ａ】 ホール電流イオンソースのアレイ又は本発明のホール電流イオンソースアノー
ドアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路
の概略図である。
ドアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路
の概略図である。
【図８Ｂ】 ホール電流イオンソースのアレイ又は本発明のホール電流イオンソースアノー
ドアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路
の概略図である。
ドアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路
の概略図である。
【図８Ｃ】 ホール電流イオンソースのアレイ又は本発明のホール電流イオンソースアノー
ドアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路
の概略図である。
ドアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路
の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｓ // Ｈ０１Ｌ 21/203 21/302 Ｚ (72)発明者 ダニエルス ブライアン ケニス アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア州 18104 アレンタウン ベナー ロード 451 (72)発明者 ペトルミッチル ルドロフ ヒューゴ アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア州 18034 センター ヴァリー ウェスト ヴァリー ロード 5422 (72)発明者 フォードー フロリアン ジョセフ アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア州 18067−9207 ノーザンプトン マホガニ ー プレイス 246 (72)発明者 ヴァナブル レイ ヘイズ ザ サード アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア州 18104 アレンタウン ノース サーティ エイス ストリート 228
Claims (68)
- 【請求項１】 (a)ハウジングと、 (b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つ のアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部
の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少
なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの
背後の前記ハウジングの前記内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、
前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、 (c)前記アノードを輻射する熱放射によって以外で熱的に冷却する冷却手段と、 (d)少なくとも１つの自立したカソードと、 (e)ガスの放電を形成し、前記アノードから前記アノード放電領域を通して前記 カソードにアノード放電電流を動かすため、作動ガスのブレークダウンのための
前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続された
パワーサプライ手段と、 (f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中 に導く注入手段と、 (g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び少なくとも部分的に動かすため の、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有することを特徴とする材料
の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。 - 【請求項２】 前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領
域内のホール効果の力によって動かされる閉じたホール効果ドリフト電流パスの
形成を許すように配置されることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。 - 【請求項３】 前記アノードと前記カソードの間に流れる前記アノード放電
電流は、少なくとも部分的に前記電磁石手段を動かすことを特徴とする請求項２
に記載のイオンソース。 - 【請求項４】 前記電磁石手段の磁界の流れのラインの方向を周期的に反転
させる交番電流回路手段を含む請求項１に記載のイオンソース。 - 【請求項５】 前記電磁石手段によって確立された前記磁界の流れのライン
の方向は、前記アノード放電領域の前記第２の端部の前記アノードの表面にほぼ
平行であることを特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項６】 前記電磁石手段によって確立された前記磁界の流れのライン
の方向は、前記アノード放電領域を出るプラズマビームの方向とほぼ同じ方向に
分岐することを特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項７】 前記アノード中の前記放電領域及び前記ギャップは、ほぼ円
形であり、前記アノード放電領域は、前記アノード放電領域の前記開口部に関し
てほぼ外に向かう軸状の方向のプラズマビームを形成することを特徴とする請求
項２に記載のイオンソース。 - 【請求項８】 前記アノード中の前記放電領域及び前記ギャップは、ほぼ長
方形であり、前記アノード放電領域は、前記アノード放電領域の前記開口部に関
してほぼ外に向かう軸状の方向のプラズマビームを形成することを特徴とする請
求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項９】 前記アノード中の前記放電領域及び前記ギャップは、ほぼ円
形又は長方形であり、前記アノード放電領域は、前記アノード放電領域の前記開
口部に関してほぼ外に向かう放射状の方向のプラズマビームを形成することを特
徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項１０】 前記カソードは、前記アノード放電領域に関して線対称に
配置されることを特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項１１】 前記冷却手段は、前記アノードを冷却液に直接接触させる
注入手段を含むことを特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項１２】 前記注入手段は、前記作動ガスを前記アノード放電領域中
にほぼ均一に分配するための、及びギャップの近傍の結果として生じるアノード
放電電流をほぼ均一に分配するための、穴又は前記ギャップを有することを特徴
とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項１３】 前記電磁石手段は、永久磁石、強磁性体、及び１より大き
い透磁率を有する磁石からなるグループから選択された材料を結合させた、及び
磁界を確立し前記アノード放電領域内の磁界の方向及び強さを形作るために結合
された電磁石を有することを特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項１４】 前記アノード内のギャップの寸法は、前記アノード中の前
記ギャップの近傍に形成された局所的なプラズマの特有のデバイ長より少なくと
も大きく、また、前記ギャップの形状は、前記アノード放電電流が前記アノード
放電領域中に入る作動ガスの局所的な領域の近傍の前記ギャップ内の前記アノー
ドにほぼ維持されるような、前記ギャップ内の前記アノード上へのコーティング
の見通し内の堆積をほぼ抑制するための形態であることを特徴とする、基板上に
材料を堆積させるための請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項１５】 堆積ガスを、前記プラズマビーム中に直接、及び作動ガス
を前記ギャップを通して導くための前記注入手段から別個に、導くための分配器
手段が前記ハウジング中に含まれていることを特徴とする請求項１４に記載のイ
オンソース。 - 【請求項１６】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域中に前記堆積ガ
スを導入するためのノズルを１つの端部に有する、少なくとも１つのチューブを
含むことを特徴とする請求項１５に記載のイオンソース。 - 【請求項１７】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域中に前記堆積ガ
スを導入するための、少なくとも１つの分配器リングを含むことを特徴とする請
求項１５に記載のイオンソース。 - 【請求項１８】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域外に前記堆積ガ
スを導入するためのノズルを１つの端部に有する、少なくとも１つのチューブを
含むことを特徴とする請求項１５に記載のイオンソース。 - 【請求項１９】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域外に前記堆積ガ
スを導入するための、少なくとも１つの分配器リングを含むことを特徴とする請
求項１５に記載のイオンソース。 - 【請求項２０】 前記堆積ガスは、炭化水素、シロキサン、シラザン、シラ
ン及びそれらの混合からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１
５に記載のイオンソース。 - 【請求項２１】 大きい面積の加工物を処理するため、イオンソースのアレ
イを形成するために少なくとも追加のイオンソースを結合させた請求項２に記載
のイオンソース。 - 【請求項２２】 単一の加工物の少なくとも２面を処理するため、少なくと
も追加のイオンソースを結合させた請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項２３】 少なくとも２つのアノード放電領域が、少なくとも１つの
ハウジング内に配置され、また、前記アノード放電領域からの前記アノード放電
電流は、共通の自立したカソードを共有することを特徴とする請求項２に記載の
イオンソース。 - 【請求項２４】 前記パワーサプライ手段は、ＤＣ、ＡＣ、パルス、ＲＦの
電圧波形及びそれらの結合からなるグループから選択された電圧を供給すること
を特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項２５】 前記ハウジングは、金属の壁部を含み、また前記アノード
は、アルミナ、窒化アルミニウム、石英、窒化ホウ素、ガラスを接着したマイカ
、ジルコニア及びそれらの混合からなるグループから選択された、高温用電気的
インシュレータによって前記金属ハウジングから電気的に絶縁されていることを
特徴とする請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項２６】 前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と並列に、前記
アノードと前記パワーサプライ手段の正の導線の間の放電電流パス中に接続され
ていることを特徴とする請求項３に記載のイオンソース。 - 【請求項２７】 前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と並列に、前記
自立したカソードと前記パワーサプライ手段の負の導線の間の放電電流パス中に
接続されていることを特徴とする請求項３に記載のイオンソース。 - 【請求項２８】 前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によ
って磁束の方向を周期的に反転させるため、前記電磁石手段を通して周期的に反
転させられることを特徴とする請求項５に記載のイオンソース。 - 【請求項２９】 前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によ
って磁束の方向を周期的に反転させるため、前記電磁石手段を通して周期的に反
転させられることを特徴とする請求項６に記載のイオンソース。 - 【請求項３０】 前記アノード放電電流は、磁束の方向を周期的に反転させ
、前記電磁石手段を少なくとも部分的に動かすため、前記電磁石手段を通して周
期的に反転させられることを特徴とする請求項５に記載のイオンソース。 - 【請求項３１】 前記電磁石手段は、周期的に反転する又は交番する電流サ
プライ手段によって動かされることを特徴とする請求項５に記載のイオンソース
。 - 【請求項３２】 前記アノード放電電流は、磁束の方向を周期的に反転させ
、前記電磁石手段を少なくとも部分的に動かすため、前記電磁石手段を通して周
期的に反転させられることを特徴とする請求項６に記載のイオンソース。 - 【請求項３３】 前記電磁石手段は、周期的に反転する又は交番する電流サ
プライ手段によって動かされることを特徴とする請求項６に記載のイオンソース
。 - 【請求項３４】 (a)ハウジングと、 (b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つ のアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部
の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少
なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの
背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記
ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、 (c)前記アノードを輻射する熱放射によって以外で熱的に冷却する冷却手段と、 (d)少なくとも１つの自立したカソードと、 (e)ガスの放電を形成し、前記アノードから前記アノード放電領域を通して前記 カソードにアノード放電電流を動かすため、作動ガスのブレークダウンのための
前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続された
パワーサプライ手段と、 (f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中 に導く注入手段と、 (g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び少なくとも部分的に動かすため の、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、 前記磁界の流れの方向は周期的に反転させられ、前記アノード放電領域及び前記
磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果の力によって動かされる閉じてい
ないホール効果電子ドリフト電流パスの形成を許すように配置されることを特徴
とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。 - 【請求項３５】 ＡＣ電圧波形を供給する別個のパワーサプライ手段が、前
記電磁石手段を動かし、及び流れの方向を周期的に反転させることを特徴とする
請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項３６】 前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によ
って流れの方向を周期的に反転させるために、前記電磁石手段を通して周期的に
反転させられることを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項３７】 前記アノード放電領域は、前記イオンソースに関してほぼ
外に向かう軸状の方向のプラズマビームを作り出すチャネルを形成し、前記チャ
ネルの端部の前記磁界は、前記アノード放電領域に向かって内側へ延びる先端を
形成することを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項３８】 前記電磁石手段によって確立された前記磁界の流れのライ
ンの方向は、前記アノード放電領域の第２の端部で前記アノードの表面にほぼ平
行であることを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項３９】 前記電磁石手段によって確立された前記磁界の流れのライ
ンの方向は、前記アノード放電領域を出るプラズマの方向とほぼ同じ方向に分岐
することを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４０】 前記アノード中の前記放電領域及び前記ギャップは、ほぼ
円形であり、前記アノード放電領域は、前記アノード放電領域の前記開口部に関
してほぼ外に向かう軸状の方向のプラズマビームを形成することを特徴とする請
求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４１】 前記アノード中の前記放電領域及び前記ギャップは、ほぼ
直線的であり、前記アノード放電領域は、前記アノード放電領域の前記開口部に
関してほぼ外に向かう軸状の方向のプラズマビームを形成することを特徴とする
請求項２に記載のイオンソース。 - 【請求項４２】 前記アノード中の前記放電領域及び前記ギャップは、ほぼ
円形又は直線的であり、前記アノード放電領域は、前記アノード放電領域の前記
開口部に関してほぼ外に向かう放射状の方向のプラズマビームを形成することを
特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４３】 前記カソードは、前記アノード放電領域に関して線対称に
配置されることを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４４】 前記冷却手段は、前記アノードを冷却液に直接接触させる
注入手段を含むことを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４５】 前記注入手段は、前記作動ガスを前記アノード放電領域中
にほぼ均一に分配するための、及びギャップの近傍の結果として生じるアノード
放電電流をほぼ均一に分配するための、穴又は前記ギャップを有することを特徴
とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４６】 前記ハウジングは、金属の壁部を含み、また前記アノード
は、アルミナ、窒化アルミニウム、石英、窒化ホウ素、ガラスを接着したマイカ
、ジルコニア及びそれらの混合からなるグループから選択された、高温用電気的
インシュレータによって前記金属ハウジングから電気的に絶縁されていることを
特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４７】 前記電磁石手段は、永久磁石、強磁性体、及び１より大き
い透磁率を有する磁石からなるグループから選択された材料を結合させた、及び
磁界を確立し前記アノード放電領域内の磁界の方向及び強さを形作るために結合
された電磁石を有することを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４８】 前記アノード内のギャップの寸法は、前記アノード中の前
記ギャップの近傍に形成された局所的なプラズマの特有のデバイ長より少なくと
も大きく、また、前記ギャップの形状は、前記アノード放電電流が前記アノード
放電領域中に入る作動ガスの局所的な領域の近傍の前記ギャップ内の前記アノー
ドにほぼ維持されるような、前記ギャップ内の前記アノード上へのコーティング
の見通し内の堆積をほぼ抑制するための形態であることを特徴とする、基板上に
材料を堆積させるための請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項４９】 堆積ガスを、前記プラズマビーム中に直接、及び作動ガス
を前記ギャップを通して導くための前記注入手段から別個に、導くための分配器
手段が前記ハウジング中に含まれていることを特徴とする請求項４８に記載のイ
オンソース。 - 【請求項５０】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域中に前記堆積ガ
スを導入するためのノズルを１つの端部に有する、少なくとも１つのチューブを
含むことを特徴とする請求項４９に記載のイオンソース。 - 【請求項５１】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域中に前記堆積ガ
スを導入するための、少なくとも１つの分配器リングを含むことを特徴とする請
求項４９に記載のイオンソース。 - 【請求項５２】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域外に前記堆積ガ
スを導入するためのノズルを１つの端部に有する、少なくとも１つのチューブを
含むことを特徴とする請求項４９に記載のイオンソース。 - 【請求項５３】 前記分配器手段は、前記アノード放電領域外に前記堆積ガ
スを導入するための、少なくとも１つの分配器リングを含むことを特徴とする請
求項４９に記載のイオンソース。 - 【請求項５４】 前記堆積ガスは、炭化水素、シロキサン、シラザン、シラ
ン及びそれらの混合からなるグループから選択されることを特徴とする請求項４
９に記載のイオンソース。 - 【請求項５５】 大きい面積の加工物を処理するため、イオンソースのアレ
イを形成するために少なくとも追加のイオンソースを結合させた請求項３４に記
載のイオンソース。 - 【請求項５６】 単一の加工物の少なくとも２面を処理するため、少なくと
も追加のイオンソースを結合させた請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項５７】 少なくとも２つのアノード放電領域が、少なくとも１つの
ハウジング内に配置され、また、前記アノード放電領域からの前記アノード放電
電流は、共通の自立したカソードを共有することを特徴とする請求項３４に記載
のイオンソース。 - 【請求項５８】 前記パワーサプライ手段は、ＤＣ、ＡＣ、パルス、ＲＦの
電圧波形及びそれらの結合からなるグループから選択された電圧を供給すること
を特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項５９】 前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と並列に、前記
アノードと前記パワーサプライ手段の正の導線の間の放電電流パス中に接続され
ていることを特徴とする請求項３４に記載のイオンソース。 - 【請求項６０】 前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と並列に、前記
自立したカソードと前記パワーサプライ手段の負の導線の間の放電電流パス中に
接続されていることを特徴とする請求項３６に記載のイオンソース。 - 【請求項６１】 前記アノード放電電流と並列で、前記アノードと前記電圧
のためのパワーサプライの正の導線の間の前記放電電流パス中の前記電磁石、及
び電子電流スイッチングネットワークにより前記周期的波形を確立する手段は、
前記電磁石内で電流の方向又は大きさ又はその組合わせを変更するように配置さ
れていることを特徴とする請求項３６に記載のイオンソース。 - 【請求項６２】 (a)ハウジングと、 (b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つ のアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部
の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのアノードを第２の端部に
有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの前記内部中に移
動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されて
いるアノード放電領域と、 (c)前記アノードを輻射する熱放射によって以外で熱的に冷却する冷却手段と、 (d)アノード放電領域の外側で、プラズマビームのほぼ外側に配置された、少な くとも１つの自立したカソードと、 (e)ガスの放電を形成し、前記アノードから前記アノード放電領域を通して前記 カソードにアノード放電電流を動かすため、作動ガスのブレークダウンのための
前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続された
パワーサプライ手段と、 (f)作動ガスを前記アノード内の少なくとも１つのギャップを通して前記アノー ド放電領域中に導く注入手段であって、前記アノード内の前記ギャップの寸法は
、前記アノード中の前記ギャップの近傍に形成された局所的なプラズマの特有の
デバイ長より少なくとも大きく、また、前記ギャップの形状は、前記アノード放
電電流が前記アノード放電領域中に入る作動ガスの局所的な領域の近傍の前記ギ
ャップ内の前記アノードにほぼ維持されるような、前記ギャップ内の前記アノー
ド上へのコーティングの見通し内の堆積をほぼ抑制するための形態である注入手
段と、 (g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び少なくとも部分的に動かすため の、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、 前記磁界の流れの方向は周期的に反転させられ、前記アノード放電領域及び前記
磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果の力によって動かされる閉じてい
ないホール効果電子ドリフト電流パスの形成を許すように配置されることを特徴
とする基板上への材料の堆積のためのグリッドのないイオンソース。 - 【請求項６３】 (a)残存する炭化水素及び他の汚染物質を除去するために 基板の表面を化学的にクリーニングするステップと、 (b)前記基板を堆積真空チャンバに設置し、前記チャンバから空気を排出するス テップと、 (c)不活性ガスを自立したカソード電子ソースに供給し、及び、前記真空チャン バ内でアノードへの電子の供給を提供するため約５００から約１０００ボルトの
間の電圧を前記電子ソースにかけるステップであって、前記アノードは、前記ア
ノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるよう
に、前記真空チャンバから電気的に絶縁されている前記ステップと、 (d)作動ガスを前記アノードを通して前記真空チャンバ内のアノード放電領域中 に導入し、及び、前記アノードと前記電子ソースの間で電磁石を通して流れるア
ノード放電電流を提供する電圧をかけるステップであって、それよって磁界が前
記アノード放電領域を横切って形成され、前記アノード放電領域の全体にわたっ
てガスのイオンのプラズマビームを形成するために電子が作動ガスをイオン化さ
せる前記ステップと、 (e)堆積ガスを、前記プラズマビーム中に直接、及び前記ギャップを通して前記 作動ガスの導入から別個に、導くステップであって、前記アノード内の前記ギャ
ップの寸法は、前記アノード中の前記ギャップの近傍に形成された局所的なプラ
ズマの特有のデバイ長より少なくとも大きく、また、前記ギャップの形状は、前
記アノード放電電流が前記アノード放電領域中に入る前記作動ガスの局所的な領
域の近傍の前記ギャップ内の前記アノードにほぼ維持されるような、前記ギャッ
プ内の前記アノード上へのコーティングの見通し内の堆積をほぼ抑制するための
形態である前記ステップと、 (f)プラズマイオンビームが前記プラズマビームを使用して前記堆積ガスから材 料のコーティングの層を堆積させるステップと、 (g)前記真空チャンバの圧力を大気圧に増加させるステップと、 (h)コーティングされた基板の生産物を回収するステップとを有することを特徴 とする基板の表面上にコーティングを堆積させるための方法。 - 【請求項６４】 前記基板の表面は、残存する炭化水素及び他の表面の汚染
物質を更に除去し、前記堆積ガスを導入する前に前記基板の表面を活動的にする
ために、ガスのイオンの前記プラズマビームによってスパッタリングでエッチン
グされることを特徴とする請求項６３に記載の方法。 - 【請求項６５】 前記基板は、前記真空堆積チャンバ中にバッチでロードさ
れることを特徴とする請求項６３に記載の方法。 - 【請求項６６】 前記基板は、ロードロック手段によって前記真空堆積チャ
ンバ中に連続的にロードされることを特徴とする請求項６３に記載の方法。 - 【請求項６７】 (a)ハウジングと、 (b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つ のアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部
の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少
なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの
背後の前記ハウジングの前記内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、
前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、 (c)前記アノードを輻射する熱放射によって以外で熱的に冷却する冷却手段と、 (d)少なくとも１つの自立したカソードと、 (e)ガスの放電を形成し、前記アノードから前記アノード放電領域を通して前記 カソードにアノード放電電流を動かすため、作動ガスのブレークダウンのための
前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続された
パワーサプライ手段と、 (f)作動ガスを前記アノード内の少なくとも１つのギャップを通して前記アノー ド放電領域中に導く注入手段であって、前記アノード内の前記ギャップの寸法は
、前記アノード中の前記ギャップの近傍に形成された局所的なプラズマの特有の
デバイ長より少なくとも大きく、また、前記ギャップの形状は、前記アノード放
電電流が前記アノード放電領域中に入る作動ガスの局所的な領域の近傍の前記ギ
ャップ内の前記アノードにほぼ維持されるような、前記ギャップ内の前記アノー
ド上へのコーティングの見通し内の堆積をほぼ抑制するための形態である注入手
段と、 (g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び少なくとも部分的に動かすため の、前記ハウジング中に設置された電磁石手段と、 (h)前記アノードと、前記アノード放電領域の境界である前記ハウジングの近傍 の部分の間の、少なくとも１つの電気的に絶縁するギャップであって、前記電気
的に絶縁するギャップ内で前記アノードと前記ハウジングの前記近傍の部分の間
の伝導性パスの形成を妨げるように配置された前記少なくとも１つの電気的に絶
縁するギャップとを有することを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッ
ドのないイオンソース。 - 【請求項６８】 前記電気的に絶縁するギャップは、堆積させない作動ガス
によってパージされることを特徴とする請求項６７に記載のイオンソース。
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