JPH0689798A

JPH0689798A - 静電結合無線周波数プラズマ発生源

Info

Publication number: JPH0689798A
Application number: JP3299986A
Authority: JP
Inventors: Harold R Kaufman; アール．カウフマンハロルド; Raymond S Robinson; エス．ロビンソンレイモンド
Original assignee: Kaufman and Robinson Inc
Current assignee: Kaufman and Robinson Inc
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1994-03-29
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: DE69124882D1; GR920300058T1; ES2030376T1; DE474584T1; DE69124882T2; JPH0810633B2; DK0474584T3; GR3023652T3; EP0474584A2; ATE149781T1; EP0474584B1; CA2049876A1; ES2030376T3; CA2049876C; EP0474584A3

Abstract

(57)【要約】【目的】内部スパッタによる標的の汚染を軽減し、低
電圧で駆動できるプラズマ発生源を提供する【構成】寸法の異なる一対の電極を無線周波で励起
し、プラズマ発生効率の高い面積が小さい方の電極の回
りに、この電極とほぼ平行となるような磁場を生成す
る。その磁場の強度をこの電極の両方向に離れるに連れ
て増加される構造とし、これによって発生されたプラズ
マが放電領域に閉じこめてプラズマ発生効率を上げる、
これによって内部スパッタを発生する駆動電圧が下げら
れる。また前記面積の小さな電極を磁場と平行とする事
により、この電極から標的が直視出来ないようにしてス
パッタで生じた汚染物質が標的を汚染しない構造とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ発生源に関す
る。更に詳細には無線周波エネルギーが放電過程で静電
的に結合されてイオンおよび電子を有するプラズマを発
生する、プラズマ発生源に属する。

【０００２】

【従来の技術】複数の開口を備えたグリッドが静電的に
イオンを加速する拡幅ビームイオン発生源は、多年に渡
って電気的空間の開発推進および工業的応用分野の両方
で使用されてきた。その歴史および技術のレビューが、
Ｈ．Ｒ．カウフマン（Ｋａｕｆｍａｎ）によってなされ
ており”拡幅ビーム発生源”レビューオブサイエンティ
フィックインスツルメント（ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃ
ｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）、巻６１
ページ２３０−２３５、１９９０年１月発行に記載され
ている。これらの発生源では、イオン発生放電はほとん
どの場合直流電流（ｄｃ）型である。直流放電にとって
は電子放射陰極は問題の多い構成部品であって、その理
由は例えば中空陰極の様な特別な電子発生源を必要とす
る場合には複雑なものになるとか、熱フィラメントで典
型的な様に寿命が制限されるためである。

【０００３】無線周波（ＲＦ）エネルギをイオン生成の
為に使用できて、これは誘導的または容量的結合を用い
ＲＦエネルギをプラズマに伝えて行う。誘導的結合の使
用は米国特許第３，９０３，８９１号、１９７５年９月
９日付、ブレイシャウ（Ｂｒａｙｓｈａｗ）に付与、に
示されている。米国特許第４，８１１，１３５号、１９
８４年１０月２３日付でエリオット（Ｅｌｌｉｏｔ）に
付与、では静電結合の使用が記述されており、これは
Ｋ．コーラ（Ｋｏｈｌｅｒ）、Ｊ．Ｗ．コバーン（Ｃｏ
ｂｕｒｎ）、Ｄ．Ｅ．ホーン（Ｈｏｒｎ）、Ｅ．ケイ
（Ｋａｙ）およびＪ．Ｈ．ケラー（Ｋｅｌｌｅｒ）によ
る論文、”プレーナシステム内での１３．５６ＭＨｚ無
線周波アルゴン火花放電のプラズマ電位”（Ｐｌａｓｍ
ａＰｏｔｅｎｔｉａｌｓｏｆ１３．５６−ＭＨｚ
ＡｒｇｏｎＧｌｏｗＤｉｓｃｈａｒｇｅｉｎ
ａＰｌａｎａｒＳｙｓｔｅｍ）ジャーナルオブアプ
ライドフィジックス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌ
ｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）、巻５７頁５９−６６、１９
８５年１月号に記載されたものと同様である。ＲＦ放電
過程の使用は、陰極が有する制限ならびに問題を回避し
ている。しかしながらＲＦ放電を伴うイオン源は別の問
題を有している。

【０００４】例えば、誘導結合ＲＦ過程はイオン源とし
て利用されていて、これはインダクタと放電領域との間
に誘電体窓を配置している、これは米国特許第４，１０
４，８７５号、ビルナ（Ｂｉｒｎｅｒ）その他、１９７
８年８月８日付け、に示されている。しかしながら誘電
体窓は導電性の沈着物に対して敏感であり、これはスパ
ッタリングの結果として容易に生じるものである。誘電
体窓がこの様な沈着物で覆われると、ＲＦエネルギはも
はや放電領域に達することが出来ない。この様な敏感さ
は工業的応用分野では好ましい物ではなく、工業的応用
分野では種々の汚染の可能性があるからである。反対に
誘電体窓を取り除くと、インダクタが直接プラズマにさ
らされる結果インダクタの冷却が問題となり得る。放電
箱は通常高電位にあるため、その様なインダクタ冷却用
の内部液を絶縁するか、または高電位での冷却装置の運
転が要求される。

【０００５】示されているように、静電結合ＲＦ放電過
程もまたイオン源として使用されてきている。しかしな
がらこれらは、通常の動作圧力１ミリトール（約０．１
Ｐａｓｃａｌ）以下に達するために磁場の生成を必要と
する。背景にある興味ある点はＲＦダイオードであっ
て、これは静電結合ＲＦエネルギを使用しこの中でプラ
ズマはＨ．Ｒ．カウフマン（Ｋａｕｆｍａｎ）および
Ｓ．Ｍ．ロスナゲル（Ｒｏｓｓｎａｇｅｌ）による、”
無線周波ダイオードに於ける領域比率効果の分析”（Ａ
ｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｒｅａ−ＲａｔｉｏＥｆｆ
ｅｃｔｆｏｒＲａｄｉｏ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤ
ｉｏｄｅ）真空科学および技術誌Ａ（Ｊ．ｏｆＳｃ
ｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ）巻Ａ
６、ページ２５７２−２５７３、１９８８年７／８月号
に記載されているように生成される。ＲＦダイオードは
広範に使用されており、比較的よく理解されていると同
時に本発明に基づく装置と基本的な類似点を有する。し
かしながら、本発明による装置とは対照的にこの装置は
磁場を有さず、通常２０−３０ミリトールで動作し、電
極間の最少ピーク間電圧は約２００ボルトである。

【０００６】さらに荷電粒子の拡幅ビーム源として動作
するよう過度な高圧を導入するために、ＲＦダイオード
内の電圧レベルは十分に高く、かなりの内部スパッタを
発生する程度であり、エッチング対象である標的を汚染
する結果となる、従ってＲＦダイオードは配置によって
はスパッタ源として動作し、ここにフィルムが置かれて
いると粒子ビームは結果として射突に曝されなかったフ
ィルムに比べて特性変化や強化をもたらす。その相似の
程度が大きいのでＲＦダイオードに関する議論を以下に
記述する。

【０００７】別の静電結合ＲＦイオン発生源がＲ．ロッ
シー（Ｌｏｓｓｙ）およびＪ．エンゲマン（Ｅｎｇｅｍ
ａｎｎ）による真空科学および技術誌Ｂ（Ｊ．ｏｆ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢ）
巻Ｂ６、ページ２８４−２８７、１９８８年１／２月号
に記載されている。発生源に於いて最小動作電圧は従来
型ＲＦダイオードと同等である、すなわちピーク間電圧
は約２００ボルトである。ここに現れる電圧レベルは、
平均イオンエネルギが約１００エレクトロンボルトまた
はそれ以上が加速電圧の結果として予想されるためと、
供給される電圧が約５２０ボルトであり電力レベルでは
５００ワットであると言う二つの理由による。この様な
高プラズマ電極電圧は好ましくなく、その理由は大量の
電極スパッタ、従って標的汚染を生じるためである。そ
れではあるがこの装置は本発明の説明を行う前に背景の
理解を提供すると言う意味に於いて興味あるものであ
る。従ってこの様な装置に関して更なる記述を以下に行
う。

【０００８】

【発明の目的と要約】本発明の一般的な目的は新規で改
善された無線周波エネルギ駆動プラズマ発生源を供給す
ることである。

【０００９】本発明の別の目的は、さきに述べた従来技
術によるプラズマ発生源が有する欠点および好ましくな
い特徴を取り除いた新規なプラズマ発生源を提供するこ
とである。

【００１０】本発明の更に別の目的は新規なプラズマ発
生源を提供することであり、これは例えば単に一方向の
みではなく加速される荷電粒子を発生し、開口グリッド
を使用する際の静電的制限、終端Ｈａｌｌイオン発生源
その他で生じる電磁的制限を有さないものである。

【００１１】本発明のさらに別の目的も新規なプラズマ
発生源を提供することであり、これはイオンビーム中性
化（電子）に使用される低エネルギ荷電粒子または表面
（イオン）の低エネルギ射突を発生させるものである。

【００１２】本発明の更に別の目的は、空間推進および
工業的応用分野で利用価値のある新規なＲＦプラズマ発
生源を提供することである。

【００１３】本発明の更に特別な目的は、ＲＦ電極表面
から低圧プラズマへのエネルギ転送強化方法を改善した
新しいプラズマ発生源を提供することである。

【００１４】本発明の更に別の目的は、エネルギを有す
る電子が動作組み合わせの一部として含まれている新規
で改善されたプラズマ発生源を提供することである。

【００１５】本発明の更に別の目的は、スパッタを減少
させる目的でプラズマ空間電化層電圧を低レベルに下げ
る構造を備えた新規なＲＦ駆動プラズマ発生源を提供す
ることである。

【００１６】本発明のもう一つの詳細な目的は、標的汚
染の低減がＲＦ駆動電極が標的を直視する向きから除外
された配置に発生源の配列を構成することにより実現で
きる新規なＲＦ駆動プラズマ発生源を提供することであ
る。

【００１７】本発明によれば、プラズマ発生源は空気を
排出しイオン化ガスを封入した環境で動作する。第一電
極は発生源の中でプラズマ放電領域から離れた場所に置
かれている。また第二電極があってこれは放電領域に対
向する表面領域を有する。第一および第二電極の間には
無線周波発生源が結合されていて、これは領域内にプラ
ズマ放電過程を生成する際にエネルギを放出する。磁場
生成器は電極表面にほぼ平行な向きの磁場を発生し、プ
ラズマへのエネルギ転送を強化する。イオン化過程をさ
らに強化するために、第二電極表面は第一電極表面に較
べて非常に小さく作られている。

【００１８】特許に値すると考えられる本発明の特徴は
特に添付の特許請求の範囲に開示されている。発明の一
つの実施例の構成および動作方法と、その更に別の目的
および特長は以下の説明を添付図に従って参照すること
によりもっとも良く理解されるであろう、また添付図に
於いて同一の部品は同一の参照番号で参照されている。

【００１９】

【実施例】図１ａ、図２ａまたは図３の装置には特に示
されてはいないが、従来からのものでありよく理解され
ているようにこの様なプラズマ発生源は内部の空気を排
出しイオン化されるガスまたは蒸気を封入された囲いの
中で動作し、この領域内で放電過程が発生しプラズマを
生成する。

【００２０】図１ａは典型的なＲＦダイオード（１０）
であって、さきに述べたコーラ（Ｋｏｈｌｅｒ）その他
により開示された静電結合ＲＦプラズマ発生源を示す。
ダイオード素子はカップ形状を有し接地された電極（１
２）と電極（１２）の開かれた側に配置された平らな円
盤形状の駆動または励起電極（１４）で構成される。無
線周波数源または電源（１６）が電極（１２）および
（１４）との間に直流成分絶縁キャパシタ（１８）を介
して結合されている。

【００２１】ダイオード（１０）の動作時には、プラズ
マ（２０）が電極（１２）および（１４）で囲まれた領
域内に生成される。プラズマ（２０）は大きな電極（１
２）の壁からはプラズマ空間電荷層（２２）で分離され
おり、同様に小さな方の電極（１４）からはプラズマ空
間電荷層（２４）で分離されている。

【００２２】図１ｂでは横軸に時間がまた縦軸に電極電
圧（プラズマに関して）がプロットされている。放電プ
ラズマの電位は電圧レベルが（２６）の時にゼロを示
す。接地電極（１２）の電位（２８）は時間とともにほ
ぼ正弦波に従うことが観測され電極（１２）の平均電位
（３０）はプラズマ電位（２６）に対して負である。そ
の結果、電位（２８）のピーク値はプラズマ電位（２
６）にほぼ等しくなる。

【００２３】同時に励起電極（１４）の電位（３２）も
またほぼ時間とともにほぼ正弦波に従うが、その波形は
電極（１２）の電位波形からは１８０度位相がずれてい
る。平均電位（３４）もまたプラズマ電位（２６）に対
して負であり、電位（３２）のピーク値もまたプラズマ
電位（２６）にほぼ等しくなる。

【００２４】各々の電極に対するピーク値はプラズマ電
位にほぼ等しく、これはイオンに比較して電子が移動し
易い結果生じるものである。各々の電極を流れる合計電
流はゼロに等しくなければならず、各々のＲＦ周期中の
電子伝導期間の非常に短い期間で、その周期の残りの期
間にこれらの電極に到達するイオンに等しい数の電子の
数を供給するのに十分である。

【００２５】空間電荷層（２２）および（２４）のイン
ピーダンスは、基本的に容量的であってこれは電極領域
面積とこれらの電極上でのＲＦ電位変化強度とは逆比例
の関係にある。もしも二つの電極（１２）および（１
４）がプラズマに対して同じ面積を有するとすると、二
つの電極の電位変化はほぼ等しくなる。図１ａに示す構
造では接地された電極（１２）の方がプラズマに対して
より広い接触面積を有するので、図１ｂに示すように小
さな電極に於ける電位変化の方が大きい。電位変化と電
極領域との間の逆比例関係は、プラズマ空間電荷層にか
かる平均電位差とその空間電荷層でのイオン到達率との
関係に依存する。この関係の更に詳細な説明はＨ．Ｒ．
カウフマン（Ｋａｕｆｍａｎ）およびＳ．Ｍ．ロスナゲ
ル（Ｒｏｓｓｎａｇｅｌ）による、”無線周波ダイオー
ドに於ける領域比率効果の分析”（Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆＡｒｅａ−ＲａｔｉｏＥｆｆｅｃｔｆｏｒ
Ｒａｄｉｏ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｏｄｅ）真空科
学および技術誌Ａ（Ｊ．ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎ
ｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ）巻Ａ６、ページ２５７
２−２５７３、１９８８年７／８月号に記載されてい
る。

【００２６】以下との比較のために特に注意して置かな
ければならないのは、この様なＲＦダイオードは磁場無
しで動作していると言うことである。導入部で述べたよ
うに、これは２０−３０ミリトールで動作し、電極間の
最小ピーク間電圧として約２００ボルトを有する。更に
拡幅ビーム荷電粒子発生源として使用するための過高圧
に対しては、この様な電圧レベルはかなりの内部スパッ
タを生じるのに十分高く、荷電粒子ビームで打たれるい
ずれの標的をも汚染する結果となる。

【００２７】次に図２ａおよび図２ｂに於て、無線周波
電力源または電源（４０）が調整回路網（４２）および
キャパシタ（４４）を介して駆動電極（４６）に結合さ
れており、この駆動電極は円筒形の側壁（５０）で囲ま
れた放電過程箱（４８）の一つの解放端に配置されてい
る。電源（４０）のもう一方の端はキャパシタ（５２）
を経由して箱（４８）のもう一方の解放端を塞いでいる
スクリーングリッド（５４）に結合されている。スクリ
ーングリッド（５４）は絶縁用無線周波チョーク（５
６）を介して正電位電源に接続されており、その電源強
度が加速イオンのエネルギを決定する。グリッド式イオ
ン発生源の一般的様式として、スクリーングリッド（５
４）の外側に加速グリッド（５８）があって、これは負
電位源からチョーク（６０）を介して給電されている。
更にグリッド（５８）の外側に接地されたグリッド（６
２）があって、これはビームの拡散を制御する。プラズ
マからのイオン抽出を行うためのグリッド（５４）およ
び（５８）の動作を理解する上で、米国特許第３，１５
６，０９０号、カウフマン、１９６１年９月１８日が参
照されている。

【００２８】箱（４８）の周りを囲むように複数の永久
磁石（６４）が半径方向に交互に極性が変わるように配
置されている。図２ａに示す静電結合ＲＦイオン発生源
では、磁場（６６）の役割は第一に発生されたプラズマ
を大きな磁場の影響の無い領域に閉じこめることであ
る。すなわち磁場はプラズマ発生過程には直接関与しな
い。無線周波エネルギが箱の両端からそれぞれ二つの電
極に供給され、磁場は一般的に外側の周りに生じプラズ
マが半径方向に漏れることを防止している。プラズマ内
部での電子の質量が小さくまた磁場の強度が小さいとい
う理由で、磁場は基本的には電子に作用しイオンに対し
ては磁場を通して間接的にのみ作用する。

【００２９】本質的にプラズマと無線周波電極との間に
は磁場は存在しないので、最小動作電圧は先に述べた従
来型ＲＦダイオードと同等であり、その最小値はピーク
間電圧で約２００ボルトである。導入部でも触れたよう
に、ここに現れる電圧レベルは、第一の理由として平均
イオンエネルギが約１００エレクトロンボルトまたはそ
れ以上が加速電圧の結果として予想されるためと、第二
に供給される電圧が約５２０ボルトであり電力レベルで
は５００ワットであると言う二つの理由による。

【００３０】いままで記述してきた従来技術の背景を比
較のための基本とし、次に図３に注目するとこれは本発
明の一つの実施例を示す。図３に於て、大きな電極（７
０）は側壁（７２）を有し、これは終端壁（７４）まで
続いているがその反対端（７６）では解放されている。
解放端（７６）を塞ぐのは平行な加速グリッド（８０）
を伴ったスクリーングリッド（７８）である。内部領域
（８２）の中で終端部（７６）から少し離れた場所に環
状の小さな電極（８４）が有り、その外部表面（８６）
は電極（７０）の内壁（７２）に近接して配置されてい
る。

【００３１】解放端（７６）から離れて壁（７２）のほ
ぼ後半部の外壁を囲むように、一連の永久磁石（８８）
が極片（９０）で固定されて、しばしばその相似からか
ご型と呼ばれる磁場を構成するようにならべられてい
る。壁（７２）の残り部分の周囲を解放端（７６）に向
かって囲むように、別の同様な永久磁石（９２）が透磁
性の極片（９０）でそれぞれの端を固定されている。電
極（７０）の終端壁（７４）の外壁に沿って再び周囲を
取り囲むように複数の永久磁石（９４）が配置されてい
るが、この場合は極片（９０）と中央透磁性極片（９
６）とで磁石が車輪のスポーク状となるように固定され
ている。全ての極片（９０）は、図では少し変更を加え
て組み立て部品の異なる場所に配置された異なる磁石を
適切に受け入れるように示されているが基本的に同一の
物である。

【００３２】図３に示されるように、磁石の配列は矢印
（１００）で示すような形状の磁場を生成する。この段
階ではこの磁場の構成は軸方向に対称と考えられる、も
っとも軸方向の対称性は適切な動作を行うために必要な
要求では無い。

【００３３】ＲＦ電力源または電源（１０２）が環状電
極（８４）と大きな包囲電極（７０）とを直接結合して
いる。電極（７０）はキャパシタ（１０４）を介して接
地されている。環状電極（８４）は駆動または励起電極
と見なせ、これと同様にＲＦ接地電極（７０）は同じ直
流平均電位にあるので、電極（８４）上の電位変化は電
極（７０）上の電位とほぼ対称関係にある。

【００３４】電極（７０）は基本的には、図１ａに示す
ＲＦダイオードの接地電極（１２）とほぼ同等の機能を
有する。同様にＲＦ電極（８４）は図１ａに示すダイオ
ードの励起電極（１４）とほぼ同等の機能を有する。し
かしながら注意されたいのは、図３に示すプラズマ発生
源は図１ａに示す装置のキャパシタ（１８）の様に直流
絶縁を行う同等の素子を有していない。この理由は図３
の装置にこの様なキャパシタを組み込むとイオン発生効
率が低下することが判明したためである。

【００３５】図３のプラズマ発生源内で加速に使用でき
るイオンエネルギは直流電源（１０６）の正電位で決定
される。プラズマ領域（８２）内で発生されるイオン
は、電気的にその他の電極から絶縁されているスクリー
ングリッド（７８）の開口と、接地電位に対して直流電
源（１０８）で負電位に維持されている加速グリッド
（８０）を通る際に加速される。加速グリッド（８０）
上の負電位はイオンビーム（電子と逆の流れ）からの電
子の逆流を防止している。この種の発生源として普通で
ありかつ従来からもあるように、加速されたイオンビー
ムは電子を付加して中性化される必要があり、この電子
はここには図示されていないが別の中性化フィラメント
から供給されるのが一般的であり、この点に付いては先
に記述したカウフマン特許第３，１５６．０９０号に完
全に開示されている。

【００３６】また図示されていないものとして、周囲を
囲む真空箱が有るがこれは動作に必要なものと理解され
よう。真空箱はまた接地電位に維持されているものと仮
定する。動作中に電子とイオンとで構成されたプラズマ
が、ＲＦ源（１０２）から放出されたエネルギの結果と
して領域（８２）の内部に生成される。磁場（１００）
の強度とエネルギおよび生成された電子の平均行程長
は、磁場に平行なプラズマの導電性が磁場を横切る導電
性よりもかなり大きくなるように選ばれている。これは
プラズマ物理の強磁場近似に従って行われる。イオン光
学に従ってスクリーングリッド（７８）および加速グリ
ッド（８０）に達したイオンは強力なイオンビームを形
成するように加速され、導入部でも記述し従来技術のイ
オン発生源がそうであったように、種々の推進および工
業的応用分野での使用が可能である。

【００３７】図３に示す発生源の配置並びに動作の結
果、いくつかの重要な貢献がなされる。まず初めに、磁
場強度はＲＦ励起電極（８４）近傍で重要となる。更に
プラズマ領域（８２）に対向する内部表面（１１０）は
磁場の方向とほぼ平行となる形状に形成されている。こ
の場合磁場構造が図示されているように、表面（１１
０）は環（８４）の内側に向かって凸形状を与えてい
る。更に電極（８４）近くの磁場（１００）の一部はそ
の磁界強度が電極（８４）近傍で最小となり、電極（８
４）から両方向（図３で左右）に行くに従って強くなる
ように構成されている。

【００３８】磁場の構造をこの様にすることによって、
低圧の中性分子で低電極電圧でイオンを発生させるのに
非常に効果的であることが判ってきた。電極（７０）お
よび（８４）に隣接したプラズマ空間電荷層は、ＲＦ源
（１０２）に対して容量性負荷を構成すると同時に、内
部領域（８２）を満たすプラズマ内での電子の衝突の結
果現れる抵抗が存在し、これは原子がイオン化されるた
めにＲＦエネルギの消費原因となる。空間電荷層および
プラズマは磁場を強調して明示するために図３からは省
かれているが、図１ａのプラズマ空間電荷層（２２）と
（２４）およびプラズマ（２０）とほぼ同様である。動
作に際し、磁場を横切る方向に対してプラズマ導電性が
低いためＲＦ電極（８４）近傍では電子がＩ^２で加熱さ
れる結果となる。この結果電子とイオンの対が効率的に
生成される。この生成状態は図２ａと好対照を示し、図
２ａの場合はほとんどのＲＦ励起電極表面近くに磁場が
存在しないため、最も興味のある低動作圧力でのイオン
化に必要なＩ^２加熱を作り出すのが困難である。この生
成方式はまた別の考え得る磁場構造での生成とも対照を
なし、これらの磁場はＲＦ励起電極の部分で正常である
ため、その結果必要なＩ^２加熱を作り出すことは困難で
ある。

【００３９】励起電極表面（１１０）と磁場（１００）
の方向とが平行であることによって、電極（８４）と領
域（８２）内で生成されたプラズマとの間の空間電荷層
電圧を最小とすることが出来る。表面と磁場方向とが平
行で無いとすると、同じプラズマ密度を発生させるため
にもっと高いＲＦ電流が必要とされるであろうし、それ
らの高電流はより高い空間電荷層電圧を発生する。この
様にしてＲＦ電力のほとんどは磁場の一番奥深くにある
電極（８４）の付近で消費されるであろうし、隣接する
プラズマのその他の部分は磁場に平行な場合に得られる
最適導電性の時よりも更に高い電圧で生成されるであろ
う。

【００４０】ＲＦ加熱を局所化することの別の重要な要
因は、イオンとＲＦ励起電極との衝突で生じる二次電子
の磁場による閉じこめである。従来のＲＦダイオードで
は、局所化効果を避けるためにこれらの電子をプラズマ
全般に渡って電子エネルギに加えていた。ＲＦ励起電極
（８４）に平行な磁場はＲＦ加熱効率をかなり改善した
が、これもまた二次電子を含み大きな空間電荷層電圧が
また存在する場合にはエネルギ入力の局所化を生じる。

【００４１】上述のようにＲＦ電極（８４）の両側方に
行くにしたがって磁場強度が増加する。ミラー効果によ
り磁場強度のこの変化はエネルギの高い電子を取り込
み、その結果Ｉ^２加熱が生じイオン化効率が増大する。
特に電極（７０）方向への磁場強度のこの変化がなけれ
ば、エネルギの高い電子は電極（７０）の方へ逃げよう
とするであろう、またそれによってイオン化過程が失わ
れるに違いない。

【００４２】ほとんどのＲＦエネルギをＲＦ電極（８
４）へ加える結果、電極（７０）での空間電荷層電圧よ
りも大きな空間電荷層が作られるが、この過程は先に述
べたカウフマンおよびロスナゲルの論文に記載されてい
る従来型ＲＦダイオードの領域比率効果とほぼ同様であ
る。電極（８４）が領域（８２）の側方に位置している
ため、いかなるスパッタ汚染物質もスクリーングリッド
（７８）および加速グリッド（８０）を通ってイオンビ
ームの標的に脱出する事は考え難い。電極（８４）から
のスパッタ物質が脱出する可能性はさらに、グリッド
（７８）および（８０）部分の直径を小さくすることに
よって減少させることが出来、これはＲＦ電極（８４）
をスクリーンをスクリーングリッド（７８）の非開口部
で隠すという効果による。

【００４３】図３に示す構成とほぼ同様の構成の、首尾
良く動作するイオン発生源の形式の一例では、放電箱の
直径は１６センチメートルであった。電極（８４）の直
上での磁場強度は約０．０１テスラ（１００ガウス）で
あり、プラズマ領域内での中性圧力（アルゴンまたは酸
素を使用）は１ミリトール未満（０．１パスカル未満）
であった。これらの条件下で１３．５６ＭＨｚでのＲＦ
エネルギとして５００ワットを使用した結果２００ｍＡ
のイオンビームが抽出された。ＲＦ電極（８４）の動作
電圧は電極（７０）上の電圧に対して、±５０ボルトで
あり、その結果電極（８４）のスパッタは最小となっ
た。スクリーングリッド（７８）の電位は電極（７０）
に対して１０から２０ボルトマイナスと仮定したので、
その結果スパッタも小さくできた。

【００４４】図３は特別に図示したものであり、イオン
の静電的加速を得るためにグリッドを使用する方法を記
述してきた。それにもかかわらず図３で実現されるイオ
ン化プラズマ過程を、加速が加速機構に電磁的動作を使
用して得られる装置で使用することも可能であり、この
様な加速機構は例えば米国特許第４，８６２，０３２
号、１９８９年８月２９日付けに示されており、これは
終端Ｈａｌｌイオン発生源を開示し特許請求を行ってい
る。一方今回の方法は当業で良く知られているように一
つ、二つまたは三つのグリッドを使用した別の装置に組
み込むこともできる。

【００４５】米国特許第４，５８４，８４８号、１９８
７年８月４日付けに開示され特許請求がなされている装
置は全体として図３に示す装置と非常に似ており、ここ
でも加速に静電グリッドを使用しているがイオンビーム
の代わりに拡幅電子ビームを発生するために使用されて
いる。同様に図３の装置構成を前記の特許に組み込んで
プラズマから電子を抽出する代わりに本発明の方法を使
用することも可能であり、その際ここで記述した全ての
特長、低電極電圧で中性分子の低背圧条件下で効率的に
プラズマを発生させるという特長を得ることが出来る。
同様にこの様な電子抽出構成もまたイオン発生源に対す
る中性化器として使用することも出来る。

【００４６】別の方法としてイオン光学系（スクリーン
グリッド（７８）および加速グリッド（８０））を取り
除き、イオンをエネルギの高いイオンおよび電子が脱出
できるようにし、低エネルギイオン射突またはイオンビ
ームの電子中性化を直接提供できるようにする事も可能
である。後者の場合中性ガスの領域（８２）からの漏出
を、スクリーングリッド（７８）を中央に単一の開口を
有する平板で置き換えることで減少することが出来る、
この平板は電極（７０）から電気的に絶縁することもで
きるし接続しておくことも出来る。

【００４７】低圧プラズマへのエネルギ転送を強化する
上で有用な本発明の第二の特徴は、磁場構造と電極の方
向との組み合わせにあり、これによってプラズマ装置が
磁場をＲＦ電極の表面とほぼ平行になるようにする事に
ある。次に付加的な磁場の方向を追加し磁場強度の変化
を作りだし、エネルギを有する電子がそれ自身で封入さ
れるようにし、プラズマ発生効率を増大させるようにす
る。

【００４８】図３にも示されこれに関連して議論されて
きた配列が貢献する別の重要な点は、励起電極と放電プ
ラズマとの間の接触領域の方向に関連し、これによって
イオン発生源内でのスパッタを減少させるために要求さ
れる様に空間電荷層電圧を低レベルまで減少させること
である。更に別の特徴で標的の汚染を防止するための努
力に関するものは高電位励起電極（８４）を電極（７
０）の壁（７２）の非常に近くに配置することによって
なされ、これによってグリッド（７８）および（８０）
の開口から一方向に放出されることになる。これによっ
て電極がイオン光学系を通して標的（図示せず）を直視
出来ないようにしている。小さい電極（８４）に最も高
い電圧を与えることにより、プラズマ発生過程をより活
性化させる効果がある。注意しておかなければならない
のは、励起電極（８４）の外壁（８６）の外側は電極
（７０）の壁（７２）に十分接近して配置されているの
で、この間の空間にはプラズマは発生しないということ
である。

【００４９】発明の特定の実施例に関して図示しかつ説
明をおこない、また種々の別の変形また変更に付いても
述べてきたが、当業者には明らかなように発明の広い精
神から逸脱すること無く変更および修正を行える。従っ
て添付の特許請求の範囲の目的はこの様な全ての変更な
らびに修正が特許として認め得る真の精神並びに範囲の
中に入るようにすることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ａは従来技術によるＲＦダイオードの模式図。
ｂは図１ａに示すダイオードの動作を説明するのに有効
な波形を含むグラフ。

【図２】ａは従来技術によるＲＦ駆動プラズマ発生源の
模式的表現図。ｂは図２ａに示す発生源の模式図で、基
本的に複数の磁石とそれらが生成する磁場のみを示す。

【図３】本発明に基づく無線周波プラズマ発生源の縦方
向断面図と部分的に同様な表現を含む模式図。

【符号の説明】

１０ＲＦダイオード１２，１４，４６，７０，８４電極１６，４０，１０２電源１８，Ｚ４４，５２，１０４絶縁キャパシタ２０プラズマ２２，２４空間電荷層２８電極（１２）の電位３２電極（１４）の電位４２調整回路網５０，７２側壁５４，７８スクリーングリッド５６，６０チョーク５８，８０加速グリッド６４，８８，９２，９４永久磁石６６，１００磁場９０極片９６中央透磁性極片１０６，１０８直流電源

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１月４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気を排出しイオン化ガスが封入された
環境のもとで動作するプラズマ発生源であって：予め定
められた寸法で一般的に前記発生源内のプラズマ放電領
域に対向する表面領域を有する第一の電極と；前記領域
に対向し前記予め定められた寸法よりかなり小さい寸法
の表面領域を有する第二の電極と；基本的に前記第二の
電極の前記表面領域と平行な向きの単方向磁場を生成す
る磁場発生器と；それに前記第一および第二の電極との
間に結合され前記領域内にプラズマ放電過程を作り出す
ためのエネルギを供給する無線周波エネルギ源とを含む
前記プラズマ発生源。
【請求項２】請求項１項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記第二の電極から離れる前記磁場の各々の方向
に前記磁場強度が増加する前記プラズマ発生源。
【請求項３】請求項１項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記磁場が前記第二の電極の前記表面に沿って湾
曲し、前記第二の電極の前記表面領域が前記磁場とほぼ
同様に湾曲している前記プラズマ発生源。
【請求項４】請求項１項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記第一の電極が一方の端が閉じられ、反対側の
端が開放されている円筒形の形状を有し、開放端を通し
て前記プラズマから荷電粒子が抽出される前記プラズマ
発生源。
【請求項５】請求項１項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記第二の電極が環状の形状を有し、前記第一の
電極が前記第二の電極を軸方向に取り囲む円筒状の壁を
有する前記プラズマ発生源。
【請求項６】請求項５項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記第二の電極が前記第一の電極の内側でその間
に前記プラズマの侵入を許さない程度の距離をおいて配
置されている、前記プラズマ発生源。
【請求項７】請求項５項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記磁場発生器が複数の永久磁石を含み、それら
が個々にある間隔を持って前記第一の電極の回りを取り
囲むように配置されている前記プラズマ発生源。
【請求項８】請求項７項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記第一の電極が前記円筒状壁の一方の端を囲む
終端壁を有し、前記磁場発生器もまた前記終端壁を取り
囲むように半径方向に配置された複数の永久磁石を有す
る前記プラズマ発生源。
【請求項９】請求項１項に記載のプラズマ発生源であ
って、前記磁場およびエネルギの強度および前記プラズ
マ内の電子の平均行程長が、前記磁場に平行なプラズマ
導電性を確立し、その導電性が前記磁場を横切る方向の
プラズマ導電性よりも大きい前記プラズマ発生源。
【請求項１０】請求項１項に記載のプラズマ発生源で
あって、前記磁場強度が前記放電領域から前記第二の電
極の方向に対して増加する前記プラズマ発生源。
【請求項１１】請求項１項に記載のプラズマ発生源で
あって、更に前記プラズマからの荷電粒子の抽出を効率
的にするための加速器を含む前記プラズマ発生源。
【請求項１２】請求項１１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記粒子が前記加速器によって前記領域から
指定された方向の経路に沿って移動されるように抽出さ
れ、前記第二の電極が前記経路の一つの側の側方に配置
されている前記プラズマ発生源。
【請求項１３】空気を排出しイオン化ガスが封入され
た環境のもとで動作するプラズマ発生源であって：前記
発生源内のプラズマ放電領域から離れて配置された第一
の電極と；前記領域に対向する表面領域を有する第二の
電極と；前記第一および第二の電極との間に結合され前
記領域内にプラズマ放電過程を作り出すためのエネルギ
を供給する無線周波エネルギ源と；それに基本的に前記
第二の電極の前記表面領域と平行な向きの単方向磁場を
生成し、前記プラズマに対する前記エネルギの転送を強
化する磁場発生器とを含む前記プラズマ発生源。
【請求項１４】請求項１３項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場が前記第二の電極に対して、エネル
ギを有する電子を封入する方向の強度変化を備えている
前記プラズマ発生源。
【請求項１５】請求項１４項に記載のプラズマ発生源
であって、前記第二の電極と前記プラズマ放電との間の
接触領域が前記プラズマの境界に於いて空間電荷層電圧
を最小とする前記プラズマ発生源。
【請求項１６】空気を排出しイオン化ガスが封入され
た環境のもとで動作するプラズマ発生源であって：前記
発生源内のプラズマ放電領域に対向する表面領域を有す
る第一の電極と；これもまた前記領域に対向する表面領
域を有する第二の電極と；基本的に前記ふたつの電極の
前記表面領域と平行な向きの単方向磁場を生成する磁場
発生器と；前記第一および第二の電極との間に結合され
前記領域内にプラズマ放電過程を作り出すためのエネル
ギを供給する無線周波エネルギ源と；それに前記プラズ
マから荷電粒子を流出させるための開口を有する電極と
を含む前記プラズマ発生源。
【請求項１７】請求項１６項に記載のプラズマ発生源
であって、前記開口を有する電極が前記プラズマから電
子およびイオンのいずれか一方を抽出するようにバイア
スされている前記プラズマ発生源。
【請求項１８】請求項１６項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場が前記電極に対してエネルギを有す
る電子を封入するように構成されている前記プラズマ発
生源。
【請求項１９】請求項１８項に記載のプラズマ発生源
であって、前記電極と前記プラズマ放電との間の接触領
域が前記プラズマの境界に於いて空間電荷層電圧を最小
とする前記プラズマ発生源。
【請求項２０】請求項１６項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場およびエネルギの強度および前記プ
ラズマ内の電子の平均行程長が、前記磁場に平行なプラ
ズマ導電性を確立し、その導電性が前記磁場を横切る方
向のプラズマ導電性よりも大きい前記プラズマ発生源。
【請求項２１】空気を排出しイオン化ガスが封入され
た環境のもとで動作するプラズマ発生源であって：予め
定められた寸法で一般的に前記発生源内のプラズマ放電
領域に対向する表面領域を有する第一の電極と；前記領
域に対向し前記予め定められた寸法よりかなり小さい寸
法の表面領域を有する第二の電極と；基本的に前記第二
の電極の前記表面領域と平行な向きの単方向磁場を生成
する磁場発生器と；それに前記第一および第二の電極と
の間に結合され前記領域内にプラズマ放電過程を作り出
すためのエネルギを供給する無線周波エネルギ源と；そ
れに前記プラズマから荷電粒子を流出させるための開口
を有する電極とを含む前記プラズマ発生源。
【請求項２２】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記開口を有する電極が前記プラズマから電
子およびイオンのいずれか一方を抽出するようにバイア
スされている前記プラズマ発生源。
【請求項２３】請求項２２項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場発生器が複数の永久磁石を含み、そ
れらが個々にある間隔を持って前記第一の電極の回りを
取り囲むように配置されている前記プラズマ発生源。
【請求項２４】請求項２３項に記載のプラズマ発生源
であって、前記第一の電極が前記円筒状壁の一方の端を
囲む終端壁を有し、前記磁場発生器もまた前記終端壁を
取り囲むように半径方向に配置された複数の永久磁石を
有する前記プラズマ発生源。
【請求項２５】請求項２２項に記載のプラズマ発生源
であって、前記粒子が前記バイアスされた電極によって
前記領域から指定された方向の経路に沿って移動される
ように抽出され、前記第二の電極が前記経路の一つの側
の側方に配列されている前記プラズマ発生源。
【請求項２６】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場の強度が前記電極から離れる前記磁
場の両方向に向かって増加する前記プラズマ発生源。
【請求項２７】請求項２６項に記載のプラズマ発生源
であって、前記第二の電極と前記プラズマ放電との間の
接触領域が前記プラズマ放電の境界に於いて空間電荷層
電圧を最小とする前記プラズマ発生源。
【請求項２８】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場が前記第二の電極の前記表面に沿っ
て湾曲し、前記第二の電極の前記表面領域が前記磁場と
ほぼ同様に湾曲している前記プラズマ発生源。
【請求項２９】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記第一の電極が一方の端が閉じられ、反対
側の端が開放されている円筒形の形状を有し、開放端を
通して前記プラズマから荷電粒子が抽出される前記プラ
ズマ発生源。
【請求項３０】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記第二の電極が環状の形状を有し、前記第
一の電極が前記第二の電極を軸方向に取り囲む円筒状の
壁を有する前記プラズマ発生源。
【請求項３１】請求項３０項に記載のプラズマ発生源
であって、前記第二の電極が前記第一の電極の内側でそ
の間に前記プラズマの侵入を許さない程度の距離をおい
て配置されている、前記プラズマ発生源。
【請求項３２】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場およびエネルギの強度および前記プ
ラズマ内の電子の平均行程長が、前記磁場に平行なプラ
ズマ導電性を確立し、その導電性が前記磁場を横切る方
向のプラズマ導電性よりも大きい前記プラズマ発生源。
【請求項３３】請求項２１項に記載のプラズマ発生源
であって、前記磁場強度が前記放電領域から前記第二の
電極の方向に対して増加する前記プラズマ発生源。