JPH0810633B2 - 静電結合無線周波数プラズマ発生源 - Google Patents
静電結合無線周波数プラズマ発生源Info
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- JPH0810633B2 JPH0810633B2 JP3299986A JP29998691A JPH0810633B2 JP H0810633 B2 JPH0810633 B2 JP H0810633B2 JP 3299986 A JP3299986 A JP 3299986A JP 29998691 A JP29998691 A JP 29998691A JP H0810633 B2 JPH0810633 B2 JP H0810633B2
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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- H—ELECTRICITY
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Description
【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。
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
イオンを加速する幅広ビームイオン発生源は、多年に渡
って電気的空間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評論が、Ｈ．Ｒ．カ
ウフマン（Ｋａｕｆｍａｎ）によってなされており“幅
広ビーム発生源”レビューオブサイエンティフィックイ
ンスツルメント（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉ
ｆｉｃ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）、巻６１ページ２３
０−２３５、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
複雑なものになり、また熱フィラメントでは典型的な様
に寿命が制限されるためである。
イオンを加速する幅広ビームイオン発生源は、多年に渡
って電気的空間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評論が、Ｈ．Ｒ．カ
ウフマン（Ｋａｕｆｍａｎ）によってなされており“幅
広ビーム発生源”レビューオブサイエンティフィックイ
ンスツルメント（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉ
ｆｉｃ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）、巻６１ページ２３
０−２３５、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
複雑なものになり、また熱フィラメントでは典型的な様
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
ａ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｏｆ １３．５６−ＭＨｚ
Ａｒｇｏｎ Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ
ａ Ｐｌａｎａｒ Ｓｙｓｔｅｍ）ジャーナルオブアプ
ライドフィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、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。
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
ａ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｏｆ １３．５６−ＭＨｚ
Ａｒｇｏｎ Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ
ａ Ｐｌａｎａｒ Ｓｙｓｔｅｍ）ジャーナルオブアプ
ライドフィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、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。
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
ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｒｅａ−Ｒａｔｉｏ Ｅｆｆ
ｅｃｔ ｆｏｒ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄ
ｉｏｄｅ）真空科学および技術誌Ａ （Ｊ．ｏｆ Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ）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。
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
ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｒｅａ−Ｒａｔｉｏ Ｅｆｆ
ｅｃｔ ｆｏｒ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄ
ｉｏｄｅ）真空科学および技術誌Ａ （Ｊ．ｏｆ Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ）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】さらに荷電粒子の幅広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衝撃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。その類似の
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。
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衝撃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。その類似の
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
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ）
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。
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
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ）
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。
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。
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。
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）または表面（イオン）の低エネルギ衝撃に使
用される低エネルギ荷電粒子を発生させるものである。
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）または表面（イオン）の低エネルギ衝撃に使
用される低エネルギ荷電粒子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。
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。
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。
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シース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。
させる目的でプラズマシース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駆動電極を標的の直接の視界から除外
した発生源の構成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。
染の低減が、ＲＦ駆動電極を標的の直接の視界から除外
した発生源の構成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。
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。
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、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導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。
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、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導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。
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シース（２２）で分離されお
り、同様に小さな方の電極（１４）からはプラズマシー
ス（２４）で分離されている。
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シース（２２）で分離されお
り、同様に小さな方の電極（１４）からはプラズマシー
ス（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。
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。
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の高い移
動度の結果生じるものである。各々の電極を流れる正味
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。
位にほぼ等しく、これはイオンに比較して電子の高い移
動度の結果生じるものである。各々の電極を流れる正味
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】シース（２２）および（２４）のインピー
ダンスは、基本的に容量的でありこれにより電極領域面
積とこれらの電極上でのＲＦ電位変化の振幅とは逆関係
となる。もしも二つの電極（１２）および（１４）がプ
ラズマに対して同じ面積が露出されるとすると、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
域との間の逆関係は、プラズマシースにかかる平均電位
差とそのシース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（Ｋａ
ｕｆｍａｎ）およびＳ．Ｍ．ロスナゲル（Ｒｏｓｓｎａ
ｇｅｌ）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 ｏｆ Ａｒｅａ−
Ｒａｔｉｏ Ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒ
ｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｏｄｅ）真空科学および技術誌Ａ
（Ｊ．ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ａ）巻Ａ６、ページ２５７２−２５７３、１９
８８年７／８月号に記載されている。
ダンスは、基本的に容量的でありこれにより電極領域面
積とこれらの電極上でのＲＦ電位変化の振幅とは逆関係
となる。もしも二つの電極（１２）および（１４）がプ
ラズマに対して同じ面積が露出されるとすると、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
域との間の逆関係は、プラズマシースにかかる平均電位
差とそのシース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（Ｋａ
ｕｆｍａｎ）およびＳ．Ｍ．ロスナゲル（Ｒｏｓｓｎａ
ｇｅｌ）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 ｏｆ Ａｒｅａ−
Ｒａｔｉｏ Ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒ
ｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｏｄｅ）真空科学および技術誌Ａ
（Ｊ．ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ａ）巻Ａ６、ページ２５７２−２５７３、１９
８８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
幅広ビーム荷電粒子発生源として使用するための過度の
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。
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
幅広ビーム荷電粒子発生源として使用するための過度の
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）が同調回路網（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、その電源の
大きさ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
（５４）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
（６２）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の抜き出し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３，１５６，０９０号、カウフマン、１９６１年９
月１８日が参照されている。
電力源または電源（４０）が同調回路網（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、その電源の
大きさ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
（５４）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
（６２）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の抜き出し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３，１５６，０９０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さが小さいとい
う理由で、磁場は基本的には電子に作用しイオンに対し
ては電界を通して間接的にのみ作用する。
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さが小さいとい
う理由で、磁場は基本的には電子に作用しイオンに対し
ては電界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、このような電圧レベルが存在すると思われるのは、
第一の理由として平均イオンエネルギが加速電圧から予
想されるものより約１００エレクトロンボルト高いこ
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。
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、このような電圧レベルが存在すると思われるのは、
第一の理由として平均イオンエネルギが加速電圧から予
想されるものより約１００エレクトロンボルト高いこ
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）の側壁（７２）に近接して配置されてい
る。
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）の側壁（７２）に近接して配置されてい
る。
【００３１】解放端（７６）から離れて側壁（７２）の
ほぼ後半部の外表面を囲むように、一連の永久磁石（８
８）が極片（９０）で固定されて、電気分野でかご型と
呼ばれるものに類似している。側壁（７２）の残り部分
を周囲方向に間隔を置いて解放端（７６）に向かって囲
むように、別の同様な一連の永久磁石（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）の端壁（７４）の外側に沿って再び円周方向に
間隔を置いて複数の永久磁石（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（９６）
とで磁石（９４）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。
ほぼ後半部の外表面を囲むように、一連の永久磁石（８
８）が極片（９０）で固定されて、電気分野でかご型と
呼ばれるものに類似している。側壁（７２）の残り部分
を周囲方向に間隔を置いて解放端（７６）に向かって囲
むように、別の同様な一連の永久磁石（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）の端壁（７４）の外側に沿って再び円周方向に
間隔を置いて複数の永久磁石（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（９６）
とで磁石（９４）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）で示すような静的で単一方向の磁場を生成す
る。この段階ではこの磁場の形状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。
（１００）で示すような静的で単一方向の磁場を生成す
る。この段階ではこの磁場の形状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）と大きな包囲している電極（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接地されている電
極（７０）は同じ直流平均電位にあるので、電極（８
４）上の電位変化は電極（７０）上の電位とほぼ対称関
係にある。
極（８４）と大きな包囲している電極（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接地されている電
極（７０）は同じ直流平均電位にあるので、電極（８
４）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の印加される環状電極（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。しかしながら注意すべき点は、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（１
８）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。
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の印加される環状電極（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。しかしながら注意すべき点は、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（１
８）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。
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）
の強さと生成された電子に対するエネルギ及び平均行程
長によって生じる、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。これはプラ
ズマ物理の強磁場近似に従っている。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（８
０）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。
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）
の強さと生成された電子に対するエネルギ及び平均行程
長によって生じる、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。これはプラ
ズマ物理の強磁場近似に従っている。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（８
０）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
場の強さは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、内部表面
（１１０）は環状電極（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）
の一部はその磁場の強さが電極（８４）近傍で最小（矢
印線の間隔が広い）となり、電極（８４）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。
果、いくつかの重要な貢献がなされる。まず初めに、磁
場の強さは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、内部表面
（１１０）は環状電極（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）
の一部はその磁場の強さが電極（８４）近傍で最小（矢
印線の間隔が広い）となり、電極（８４）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シースは、ＲＦ源（１
０２）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。シースおよびプラズマ
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のプラズマシース（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低いプラズマ導電性が生じる
が、これは小さなＲＦ電極（８４）近傍では電子がＩ２
Ｒで加熱される理由による。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の発生源
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Ｉ２Ｒ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
極の部分に垂直であるため、その結果必要なＩ２Ｒ加熱
を作り出すことは困難である。
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シースは、ＲＦ源（１
０２）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。シースおよびプラズマ
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のプラズマシース（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低いプラズマ導電性が生じる
が、これは小さなＲＦ電極（８４）近傍では電子がＩ２
Ｒで加熱される理由による。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の発生源
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Ｉ２Ｒ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
極の部分に垂直であるため、その結果必要なＩ２Ｒ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、環状電極（８４）
と内部領域（８２）内で生成されたプラズマとの間のシ
ース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シース電圧を発生する。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、なぜなら
ば隣接するプラズマのその他の部分との電気的接触は磁
場に平行な最適導電性よりも更に高い導電性によって作
られるであろう。
の方向とが平行であることによって、環状電極（８４）
と内部領域（８２）内で生成されたプラズマとの間のシ
ース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シース電圧を発生する。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、なぜなら
ば隣接するプラズマのその他の部分との電気的接触は磁
場に平行な最適導電性よりも更に高い導電性によって作
られるであろう。
【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はプラズマ
全般に渡って電子エネルギに加わっていた。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、この磁場はまた二次電子を囲み、大きなシース電
圧が存在する場合にはエネルギ入力の局所化に役立つ。
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はプラズマ
全般に渡って電子エネルギに加わっていた。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、この磁場はまた二次電子を囲み、大きなシース電
圧が存在する場合にはエネルギ入力の局所化に役立つ。
【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の強さが増加する。ミラー効果に
より磁場の強さのこの変化は、Ｉ ２ Ｒ加熱の結果生じま
たイオン化効率が増大するエネルギの高い電子を封じ込
める働きをする。特に電極（７０）方向への磁場の強さ
のこの変化がなければ、エネルギの高い電子は電極（７
０）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であろう。
行くにしたがって磁場の強さが増加する。ミラー効果に
より磁場の強さのこの変化は、Ｉ ２ Ｒ加熱の結果生じま
たイオン化効率が増大するエネルギの高い電子を封じ込
める働きをする。特に電極（７０）方向への磁場の強さ
のこの変化がなければ、エネルギの高い電子は電極（７
０）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であろう。
【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）でのシース電圧よりも
大きなシースが作られるが、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、電
極（８４）からの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、開口をもったグリッド（７８）および（８０）の部
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）をスクリーングリッド（７
８）の非開口部の後ろに隠すという効果による。
４）へ加える結果、電極（７０）でのシース電圧よりも
大きなシースが作られるが、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、電
極（８４）からの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、開口をもったグリッド（７８）および（８０）の部
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）をスクリーングリッド（７
８）の非開口部の後ろに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
のイオンビームが抜き出された。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。
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
のイオンビームが抜き出された。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。
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
の代わりに幅広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抜き出す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抜き出し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。
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
の代わりに幅広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抜き出す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抜き出し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、低エネルギのイオンおよび電子が脱出できるよう
にし、低エネルギイオン衝撃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
者の場合中性ガスが領域（８２）からの喪失するのを、
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させることが出来る、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。
グリッド（７８）および加速グリッド（８０））を取り
除き、低エネルギのイオンおよび電子が脱出できるよう
にし、低エネルギイオン衝撃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
者の場合中性ガスが領域（８２）からの喪失するのを、
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させることが出来る、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に
おいて磁場を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の強
さの変化を作りだし、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。
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に
おいて磁場を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の強
さの変化を作りだし、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
れる様にシース電圧を低圧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（７０）
の側壁（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
励起電極（８４）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（８
４）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）の外側表面（８
６）は電極（７０）の側壁（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。
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
れる様にシース電圧を低圧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（７０）
の側壁（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
励起電極（８４）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（８
４）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）の外側表面（８
６）は電極（７０）の側壁（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。
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。
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。
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。
向断面図と部分的に同様な表現を含む模式図。
１０ ＲＦ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 プラズマシース ２８ 電極（１２）の電位 ３２ 電極（１４）の電位 ４２ 同調回路網 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
Claims (28)
- 【請求項１】 空気を排出しイオン化ガスが導入された
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本質的に対向する与
えられた大きさの表面領域を有する第１の電極と、 前記放電領域に対向し、前記与えられた大きさよりも著
しく小さい表面領域を有する第２の電極と、 前記第２の電極から見て、その第２の電極の前記表面領
域と全体的に平行な向きの静的で単一方向の磁場を生成
し、前記磁場の強さは前記第２の電極の各側方に遠く離
れる方向に増加する磁場を生成する磁場発生器と、 前記第１及び第２の電極との間に結合され前記放電領域
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、からなるプラズマ発生源。 - 【請求項２】 請求項１に記載のプラズマ発生源であっ
て、前記磁場が前記第２の電極の前記表面に沿って湾曲
し、前記第２の電極の前記表面領域が前記磁場とほぼ同
じ曲率をもっているプラズマ発生源。 - 【請求項３】 請求項１に記載のプラズマ発生源であっ
て、前記第１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を抜き出すプラズマ発生
源。 - 【請求項４】 空気を排出しイオン化ガスが導入された
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本質的に対向する与
えられた大きさの表面領域を有する第１の電極と、 前記放電領域に対向し、前記与えられた大きさよりも著
しく小さい表面領域を有する第２の電極であって、環状
の輪の形状をもち、前記第１の電極は前記第２の電極を
軸方向に取り囲む円筒状壁を含み、 前記第２の電極から見て、その第２の電極の前記表面領
域と全体的に平行な向きの静的で単一方向の磁場を生成
し、前記磁場の強さは前記第２の電極の各側方に遠く離
れる方向に増加する磁場を生成する磁場発生器と、 前記第１及び第２の電極の間に結合され前記放電領域内
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、からなるプラズマ発生源。 - 【請求項５】 請求項４に記載のプラズマ発生源であっ
て、前記第２の電極が前記第１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
された、プラズマ発生源。 - 【請求項６】 請求項４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
個々にある間隔を置いて前記第１の電極の回りの周囲に
連続して配置されているプラズマ発生源。 - 【請求項７】 請求項６に記載のプラズマ発生源であっ
て、前記第１の電極が前記円筒状壁の一方の端を閉じる
端壁を有し、前記磁場発生器もまた前記端壁をおおうよ
うに個々に間隔をもって半径方向に連続して配置された
複数の永久磁石を有するプラズマ発生源。 - 【請求項８】 請求項４に記載のプラズマ発生源であっ
て、前記磁場の強さ並びに前記プラズマ内における電子
のエネルギ及び平均行程長により前記磁場に平行なプラ
ズマ導電性を生じ、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かなり大きい、プラズマ発生
源。 - 【請求項９】 請求項４に記載のプラズマ発生源であっ
て、前記磁場の強さは、前記放電領域から前記第２の電
極の方向へ増加するプラズマ発生源。 - 【請求項１０】 請求項４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を抜き出すため
の加速器を含むプラズマ発生源。 - 【請求項１１】 請求項１０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放電領域か
ら与えられた方向の経路に沿って移動するよう抜き出さ
れ、前記第２の電極が前記経路の片側に配置されている
プラズマ発生源。 - 【請求項１２】 空気を排出しイオン化ガスが導入され
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間隔を置いて配置
された本質的に非放出性の第１の電極と、 前記放電領域に対向する表面領域をもつ本質的に非放出
性の第２の電極と、 前記第１及び第２の電極との間に結合され前記放電領域
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、 前記第２の電極からみて、その第２の電極の前記表面領
域と本質的に平行な方向に向いた静的で単一方向の磁場
を生成し、前記プラズマへの前記エネルギの伝達を増強
し、前記第２の電極と前記プラズマ放電領域との間の接
触領域は、前記プラズマの境界でのシース電圧を十分に
最小にする向きである、磁場発生器と、からなるプラズ
マ発生源。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載のプラズマ発生源で
あって、前記磁場が前記第２の電極に対して、エネルギ
を有する電子を封入する方向に強さが変化しているプラ
ズマ発生源。 - 【請求項１４】 空気を排出してイオン化ガスが導入さ
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面する表面領域をも
つ本質的に非放出性の第１の電極と、 前記放電領域に面する表面領域をもつ本質的に非放出性
の第２の電極と、 前記第２の電極からみて、その第２の電極の前記表面領
域と本質的に平行な方向に向いた静的で単一方向の磁場
を生成する磁場発生器と、 前記第１及び第２の電極の間に結合され前記放電領域内
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であって、前記第１及び第２の電
極と前記プラズマ放電領域との間の接触領域は、前記プ
ラズマの境界でのシース電圧を十分に最小にする向きで
あり、 前記プラズマから荷電粒子を流出させる開口電極と、か
らなるプラズマ発生源。 - 【請求項１５】 請求項１４に記載のプラズマ発生源で
あって、前記開口電極は前記プラズマから電子およびイ
オンの一方を抜き出すよう偏倚されているプラズマ発生
源。 - 【請求項１６】 請求項１４に記載のプラズマ発生源で
あって、前記磁場は前記第１及び第２の電極に対してエ
ネルギをもった電子を封じ込めるように形成 されるプラ
ズマ発生源。 - 【請求項１７】 請求項１４に記載のプラズマ発生源で
あって、前記磁場の強さ並びに前記プラズマ内における
電子のエネルギ及び平均行程長により前記磁場に平行な
プラズマ導電性を生じ、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かなり大きい、プラズマ発
生源。 - 【請求項１８】 空気を排出してイオン化ガスが導入さ
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本質的に面する与え
られた大きさの表面領域をもつ本質的に非放出性の第１
の電極と、 前記放電領域に面し、前記与えられた大きさよりも著し
く、小さい大きさの表面領域をもつ本質的に非放出性の
第２の電極と、 前記第２の電極からみて、その第２の電極の前記表面領
域と本質的に平行な方向に向いた静的で単一方向の磁場
を生成する磁場発生器と、 前記第１及び第２の電極の間に結合され前記放電領域内
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であって、上記第２の電極と上記
プラズマ放電領域との接触領域は、上記プラズマの境界
でのシース電圧を十分に最小にする向きに向いており、 前記プラズマから荷電粒子を流出させる開口をもつ開口
電極と、からなるプラズマ発生源。 - 【請求項１９】 請求項１８に記載のプラズマ発生源で
あって、前記開口電極は前記プラズマから電子およびイ
オンの一方を抜き出すように偏倚されている、プラズマ
発生源。 - 【請求項２０】 請求項１９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置いて前記第１の電極の円筒状の
壁の回りの周囲に連続して配置されているプラズマ発生
器。 - 【請求項２１】 請求項２０に記載のプラズマ発生源で
あって、前記第１の電極が前記円筒状壁の一方の端を閉
じる端壁を有し、前記磁場発生器もまた前記端壁をおお
うように個々に間隔をもって半径方向に連続して配置さ
れた複数の永久磁石を有するプラズマ発生器。 - 【請求項２２】 請求項１９に記載のプラズマ発生器で
あって、前記粒子は前記偏倚された電極によって前記放
電領域から与えられた方向の経路に沿って移動するよう
抜き出され、前記第２の電極は前記経路の片側に配置さ
れているプラズマ発生器。 - 【請求項２３】 請求項１８に記載のプラズマ発生源で
あって、前記磁場の強さは前記第１及び第２の電極から
遠く離れる前記磁場の各方向に増加しているプラズマ発
生源。 - 【請求項２４】 請求項１８に記載のプラズマ発生器で
あって、前記磁場が前記第２の電極の前記表面に沿って
湾曲し、前記第２の電極の前記表面領域が前記磁場とほ
ぼ同じ曲率をもっている、プラズマ発生源。 - 【請求項２５】 請求項１８に記載のプラズマ発生器で
あって、前記第１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状の形状を有し、開放端を
通して前記プラズマから荷電粒子を抜き出す、プラズマ
発生源。 - 【請求項２６】 請求項１８に記載のプラズマ発生器で
あって、前記第２の電極は環状の輪の形状をもち、前記
第１の電極は前記第２の電極を軸方向に取り囲む円筒状
壁を含み、前記第２の電極は、前記第１の内側に間隔を
置いて配置され、その間隔は前記プラズマがこれらの間
に侵入するのに不十分な距離である、プラズマ発生源。 - 【請求項２７】 空気を排出してイオン化ガスが導入さ
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本質的に面し、与え
られた大きさの表面領域をもつ本質的に非放出性の第１
の電極と、 前記放電領域に面し、前記与えられた大きさよりも著し
く小さい大きさの表面領域をもつ本質的に非放出性の第
２の電極と、 前記第２の電極からみて、その第２の電極の前記表面領
域と本質的に平行な方向に向いた静的で単一方向の磁場
を生成する磁場発生器と、 前記第１及び第２の電極の間に結合され前記放電領域内
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であって、前記磁場の強さ並びに
前記プラズマ内における電子のエネルギ及び平均行程長
により前記磁場 に平行なプラズマ導電性を生じ、その導
電性は前記磁場を横切る方向のプラズマ導電性よりもか
なり大きく、 前記プラズマから荷電粒子を流出させる開口電極と、か
らなるプラズマ発生源。 - 【請求項２８】 空気を排出してイオン化ガスが導入さ
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本質的に面する与え
られた大きさの表面領域をもつ第１の電極と、 前記放電領域に面し、前記与えられた大きさよりも著し
く小さい大きさの表面領域をもつ第２の電極と、 前記第２の電極からみて、その第２の電極の前記表面領
域と本質的に平行な方向に向いた静的で単一方向の磁場
を生成し、前記磁場の強さは前記放電領域から前記第２
の電極へ向う方向に増加する磁場発生器と、 前記第１及び第２の電極の間に結合され前記放電領域内
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、 前記プラズマから荷電粒子を流出させる開口電極と、か
らなるプラズマ発生源。
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