JPS61277142A - 外部プラズマ・ガン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イオンビームは、基盤浄化２複数の物質の共存的析着（
ｃｏ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ＋ａｔｅｒｉａ
ｌｓ）、イオンによって助勢された析着（ｉｏｎ　ａｓ
ｓｉｓｔｅｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、イオン・ミリ
ング、イオン・エツチングなどに用いることができ、又
用いられている０本装置は、上述の用途のいずれにも効
果的に用いる事ができる。

従来技術においては、当該技術はプラズマを発生させ、
そこで生じたイオンをスクリーン（そのスクリーンはプ
ラズマに対して負の電圧を持っており、プラズマからイ
オンを抽出し、イオン・ビームを形成する）を介して、
基盤に指向させる。

この技術は概ね良好に実施されてきたが、ただイオンが
基盤に衝突したとき、基盤が正電圧バイアスとなり、イ
オンが基盤によって反発させられると言う問題があった
９本装置は、ガンの外部にプラズマを与え、イオンと電
子との両方を含んだこのプラズマはイオンを作用させる
ようイオンを与えるが、イオンの衝撃に由来する基盤上
の正電荷を中和するために電子を与え、それによって反
発効果を緩和する。

発明の概要 本装置は、プラズマ、あるいはプラズマ雲を装置外部に
発生する機構である。外部プラズマは、出口開口の外側
に配置された電極もしくは磁界によって指向され、形状
を与えられ、集中される。好適な実施例では、永久磁石
が用いられ、それはほぼドーナッツ形になっている。ド
ーナッツ形の磁石の内側表面は凹んでおり、磁束は凹ん
だ内側表面の一端から他端へと通過する。囲繞領域が磁
束と凹部の内側面との間に形成されている。アノードが
その囲繞領域に配置され、電子はアノードに直接に衝突
しないようになっている。電子をアノードに衝突させな
いようにすることによって、イオン化工程が効率的にな
り、発生されるプラズマ密度が高くなる。勿論、カソー
ドを有し、カソードはドーナッツの開口の一端部上に被
さるように形成されている。好適な実施例では、アノー
ド以外の各導体はカソードの部分であるが、本明細書で
は、ドーナッツ状磁石の出口開口板とは反対側の端部に
配置された板として記述されている。カソードが負電圧
源に、アノードが正電圧源に夫々接続されたとき、それ
らの間に静電場が形成される。ドーナッツの開口のカソ
ードとは反対側の端部に出口開口板が設けられている。

ドーナッツ内の開口に露出しているカソードの表面の大
部分を覆って邪魔板が配置たれている。イオン化可能な
ガスはカソードを通過して邪魔板の回りに分散し、アノ
ードと内側表面との間のプラズマ・チェンバ内に均一に
行き渡るよう仕向けられる。アノードの背後からプラズ
マ・チェンバ内にイオン化可能なガスを均一に通過させ
る作用は、高密度のプラズマの効率的な発生を助ける。

そのプラズマは、イオン化可能なガス及び交差した静電
場と磁界との存在に応答してプラズマ・チェンバ内に発
生され、更にプラズマ出口開口内の大きい開口の外部に
そのプラズマの部分が排出される。即ち、プラズマはガ
ンの外部に排出される。

本発明の目的並びに特徴は、添付図面を参照して以下の
記載を検討することにより更に明瞭となろう。

第１図を検討されたい。第１図にはハウジング１１の断
面が示されている。ハウジング１１は、アルミニラもし
くは他の適当な非磁性導電材料、で出来ている。好適な
実施例では、トロイダル部分は内径１０ｃｍ高さ５ｃＩ
Ｉ＋である。ハウジング１１内には、磁化可能なリング
状部材１３及び１５が設けられている。好適な実施例で
は、部材１３及び１５は、リング状であるが、長円形素
子のようなエンドレスな形状の部材であれば良い。磁化
可能な２個の部材１３．１５は、好適な実施例では、軟
鉄のごとき易融化材料で作られている。磁化可能な２個
のリング１３．１５は、複数の挿入磁石１７によって結
合されており、それらの磁石は磁束２３を与えるように
配向されたＮ極とＳ極とを有する。挿入磁石は、磁極が
反対方向に配向されても良いことが理解されよう。磁束
はトロイダル部分の軸とほぼ平行になると考えることが
出来、長円部分は単一軸を持ち得ないが、それにも拘わ
らず磁束は開口の法線とほぼ平行に通過すると考えられ
よう。

第１図から更に判るように、磁化可能な部材１３．１５
には２本の水冷パイプ１９．２０が巻かれている。水・
冷パイプ１９．２０は適当な冷水源に接続されており、
水をその中に供給してガンを冷却状態に維持する。この
装置は冷却カソード装置であるけれども、カソードとア
ノードとはある程度まで暖められる０本装置はホット・
カソード装置として作動し得ると考えるべきではあるが
、カソードは熱電放射状態にはならない、当該技術では
磁束の発生は周知であり、後述するようにアノードをプ
ラズマから遮蔽するのに用いられ得るような形で磁束を
与える、と言う本発明の明らかな制約に適合する限り、
いかなる磁束発生手段を用いても良い、水辺外の冷却液
も用い得ることが理解されよう。

第１図から、リング１３．１５の配置と形状とは、磁束
発生手段をＣ字状にさせていることが判る。換言すれば
、磁束発生手段の内部表面は凹んでいる。この凹部内に
アノード素子２１が位置付けられている。アノード２１
はリング状であり、磁束発生手段から電気的に絶縁され
て適切に装着されている。磁束発生手段が磁束を発生し
ているとき、磁束は２３で示した形状となり、アノード
２１を遮蔽することが明らかとなった。換言すれば、磁
束２３は、磁束発生手段の内側表面の凹部に囲繞領域を
形成する。その囲繞領域内にあるアノード２１は、電子
から遮蔽されている。即ち、電子は、アノードに直接に
衝突しないようにされている。ハウジング１１の底部は
、カソード構造の部分として作用し、可変直流電圧源２
７に接続されており、その電圧源はアノードに対して常
に負に維持されている。可変電圧源２７は、公知のいか
なる直流電気エネルギ源であっても良い。カソードはア
ノード２１に関して負の電圧に維持されている。場合に
よってはカソードは大地電位に関して負に維持され、又
、場合によっては大地電位に関して正に維持されている
。アノード２１は、挿入永久磁石１７の配列を通り、ハ
ウジング１１を通って可変電圧源２９に接続されている
。電圧源２９は、公知のいかなる可変直流電源であって
も良く、カソードに関して正に維持されている。

電源２７と２９との間に適切な電力が与えられるとき、
アノードとカソードとの間に静電場が形成され、窒素、
アルゴン、酸素などのイオン化可能なガス（作動ガス）
の導入の段取りが完了する。イオン化可能なガスはガス
源３１からハウジング１１を介してチャンネル３３によ
り導管３５に供給される。ガス導管３５は邪魔板３７と
ハウジング１１により形成されている。第１図から判る
ように、邪魔板３７は段部を持っており、その開口端部
３っはアノード２１に近接している。アノード２１と邪
魔板３７との間の間隙は、それらの間にアークを生じな
いような適当な寸法にしである。

この邪魔板３７は円形をなしており、ガス導管３５はリ
ング状のアノード２１の背後で遮蔽された囲繞領域の周
辺部にガスを供給する。ガスが遮蔽された囲繞領域の周
辺部に均一に到達し、然る後プラズマ室内に送られれば
、プラズマの生成効率及び密度は向上すると言うことが
判った。邪魔板を第１の段部、即ち４１の点で終端させ
たならば、単にガスを一つ以上のオリフィスから直接に
チェンバーに導く場合よりもその効率と密度とが向上す
ることが判った。

イオン化可能なガスが導管３５からチェンバー内に導か
れたとき、プラズマが発生され、ガス分子、イオン、及
び電子の衝突がおこる。アノードの磁気的遮蔽は、電子
を軌道に乗せ、その結果プラズマは閉じ込められ、濃縮
される。従来は、負に帯電されたグリッドが用いられ、
基盤とプラズマ現象との間に置かれていた。この従来技
術の構成では、プラズマ・チェンバーからイオンと電子
は外に向かい、殆どの電子は帯電したグリッドによって
反発させられ、イオンの多くはグリッドを通過して基盤
に衝突する。本装置では、出口開口板がチェンバーの頂
端部、即ち、磁束発生装置の開口の頂端部に置かれてい
る。好適な実施例では、出口開口板は３ｃｍの開口４５
を有する。開口の直径はある程度変更出来る。開口４５
の直径の範囲はドーナッツ型の磁束発生装置の開口の直
径の１５％〜６０％である。開口４５は、大きな差圧を
維持するのに充分に小さくなければならない。又、その
開口は外部プラズマの発生を禁止する程に小さくてもい
けない。開口の寸法は、使用ガス１８発生する静電場、
及び用途にもある程度依存する。いずれにせよ、従来技
術のグリッドにおけるスペースに比べれば、開口４５は
かなり大きい。

プラズマ・チェンバー２５においてプラズマが発生され
たとき、それは電力の供給と同時に発生するが、プラズ
マは第１図に示した形状で開口４５から張り出す。

このプラズマ４７は、電子とイオンと活性化された中性
粒子とからなる。外部プラズマ４７は、基盤に指向され
、基盤４つにイオン、電子及び中性粒子が衝突する。従
来技術のイオン・ガンに比べて、この外部プラズマの多
くの有用な用途が見出だされた。例えば、従来のイオン
・ガンに比べて、本装置を用いるときは、基盤エツチン
グの均一性が極めて良好であることが判った。プラズマ
に電子が含まれていることは、基盤内に及び基盤上に到
達し残留するイオンによる帯電を中和するものと思われ
、到来するイオンを反発させる正の電荷が基盤に蓄積さ
れない。ある動作モードでは、外部プラズマは一部分に
おいてイオンが支配的であり、他の部分において電子が
支配的である。この特徴は移動する基盤を周期的に中和
させ、あるいは基盤にイオンと電子とを交互に衝突させ
る必要がある場合には有用である。

イオンのエネルギを減少させ、基盤への衝突を緩和させ
たい場合にも、本発明のプラズマ・ガンは有用である。

有る用途では、イオンのエネルギを増大させたい場合も
あることが理解されよう。

第３図を以下の説明において参照すれば、その重要性が
理解されよう。第３図には、二つの電圧カーブが示され
ており、一つはアノード上の電圧であり、他方はカソー
ド上の電圧である。横軸５８を大地電位とし、縦軸を時
間とすれば、アノード電圧とカソード電圧とを変えると
きくただし、それらの電圧の差は変えない）、プラズマ
内の電流は一定である。基盤に衝突するイオンのエネル
ギはアノード電圧と大地電位との差に正比例する。

カソード電圧とアノード電圧との差を一定に維持するこ
とによって、領域２５に密度の高いプラズマを維持でき
る。電圧をグラフの５９の位置にすれば、基盤４つに衝
突するイオンのエネルギを減少させることができる。又
、電圧を６０の位置にすれば、イオンのエネルギを増大
させることができる。イオンのエネルギを増大させ、又
減少させると言う本装置の機能は、例えばガンがら出た
イオンの衝突が、薄いフィルムの析着の際にフィルムに
エネルギを供給するのに用いられる場合には有用であり
、それによってフィルムの組織を改善する。

更に、他の動作モードでは、外部プラズマはイオンが優
勢なくイオンに富んだ）ビームを生じ、このイオンビー
ムは極めて均一な密度を持っている。

経験的に、イオンビーム源の開口の上５５ｃｍにある水
平な基盤平面で測定されたイオンビームは、基盤の１０
０ｃｍの半径上で、ビーム密度の均一性を平均密度の２
．５％以内に維持することが判った。

密度の均一性は、カソードとアノードとの間の電位差を
一定に維持し、カソードの電位を凡そ大地電位に維持す
ることにより、容易に達成出来ることも判った。

第２図は、本発明のプラズマ・ガンの一実施例の斜視図
である。右側端部は角張っているが、第１図に示し、以
上に説明したエレメントが左側の端部に内臓されている
。角張った部分には配線。

水冷管及びイオン化可能なガス源からの配管を収容して
いる。出口開口板４３は、図示の３個のネジを除去する
ことにより、容易に取り外せることが理解されよう。異
なった用途のために、異なりた開口寸法の開口を待った
出口開口板を用いることができる。複数のアノードのそ
れぞれに沿った磁気手段を積み重ねて、単一のハウジン
グ内に収めれば、第１図に示したプラズマ・チェンバよ
りも大きい深さを持ったプラズマ・チェンバを提供でき
ることも理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のプラズマ・ガンの断面図、第２図は
、そのプラズマ・ガンの斜視図、第３図は、イオンの速
度を変化させる技術を説明するための電圧と時間との関
係を示すグラフである。 符号の説明 １１：ハウジング、１３．１５：磁化可能なリング状部
材、１７：挿入磁石、１９，２０：水冷パイプ、２１ニ
アノード、２３：磁束、２７，２９：可変直流電圧源、
３１：ガス源、３３：チャンネル、３５：ガス導管、３
７：邪魔板、３つ：ガス導管の開口端部、４１：第１の
段部、４３二出ロ開口板、４５：出口開口板の開口、４
７：プラズマ、４９：基盤、 出願人：　デントン・ヴアキューム・インコーホレーテ
ッド 代理人：　弁理士　ＱＭ　　　史　　土間　　：　弁理
士　竹　　１）　吉　　部ロ＝二二二二二二］メ９ ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］磁束発生手段を有し、下記を特徴とする外部プラ
   ズマ・ガン、 上記磁束発生手段が、（１）無端形状を持 ち、（２）内表面と外表面とを有し、（３）それを貫通
   する一つの開口を持つよう形成されており、上記磁束が
   上記開口の軸線にほぼ平行に配 向されており、 上記開口は第１と第２の端部を持ち、上 記内表面によつて規定されるよう形成されており、上記
   内表面は、第１と第２の端部を持っ た凹部を持ち、上記磁束が凹部の第１の端部から第２の
   端部に向かって通過し、上記磁束と上記内表面との間に
   囲繞領域を形成するよう形成されており、 アノード手段が上記囲繞領域内に配置さ れて第１の電圧源に接続されるようになっており、カソ
   ード手段が上記開口の第１の端部に 被せられるよう形成されて第２の電圧源に接続されるよ
   うになっており、 少なくとも一つの大きい開口を持つた板 が上記磁束発生手段の開口の第２の端部上に被せられる
   よう形成されており、 イオン化可能なガスがプラズマ・チェン バ内に供給され得るようにさせる手段が上記板、上記カ
   ソード手段及び上記凹部の第１の端部から第２の端部に
   通過する上記磁束とによって形成されており、 それによって、上記第１と第２の電圧源 が上記アノード手段とカソード手段とに夫々接続された
   とき、イオン化可能なガスの存在下に密度の高いプラズ
   マが発生され、上記板の外部並びに上記プラズマ・チェ
   ンバ内にプラズマを排出させる。 ［２］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記プラズマ・チェンバ内にイオン化可能な
   ガスが供給されるのを可能にさせる上記手段が、上記ガ
   ンの外部から上記プラズマ・チェンバへ通じているチャ
   ンネル手段と、上記磁束発生手段の開口の第１の端部に
   被さるよう形成された邪魔板を有し、上記邪魔板とカソ
   ードとの間にガス導管が形成されるよう配置されて、該
   導管が上記プラズマ・チェンバ内に供給されるべきガス
   を上記プラズマ・チェンバの周辺部に均一に導くことを
   特徴とする外部プラズマ・ガン。 ［３］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記プラズマ・チェンバ内にイオン化可能な
   ガスが供給されるのを可能にさせる上記手段が、上記イ
   オン化可能なガスを上記磁気遮蔽を介して上記プラズマ
   ・チェンバ内に均一に通過するよう形成されていること
   を特徴とする外部プラズマ・ガン。 ［４］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記板が容易に除去可能に形成されており、
   それにより異なった寸法の開口を持った他の板と簡単に
   交換可能になっていることを特徴とする外部プラズマ・
   ガン。 ［５］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記第１と第２の電圧源の各々が可変電圧源
   であり、上記第１と第２の電圧源が上記プラズマ・チェ
   ンバ内に密度の高いプラズマを維持するよう独立に変更
   でき、又上記外部プラズマに含まれるイオンのエネルギ
   を変化させることができることを特徴とする外部プラズ
   マ・ガン。 ［６］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記磁束発生手段が少なくとも一つの永久磁
   石を含んでいる事を特徴とする外部プラズマ・ガン。 ［７］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記プラズマ・ガンのハウジングの一部がカ
   ソード手段となっていることを特徴とする外部プラズマ
   ・ガン。 ［８］特許請求の範囲第５項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記第１と第２の電圧の差がほぼ一定に維持
   され、上記第２の電圧手段がほぼ大地電位に維持されて
   おり、極めて均一な密度のイオン・ビームを生じさせる
   外部プラズマ・ガン。 ［９］特許請求の範囲第１項記載の外部プラズマ・ガン
   において、上記板の外部にある上記プラズマには少なく
   ともイオンと電子とが存在し、上記イオンと電子との経
   路内に基盤が置かれ、上記基盤にイオンが衝突した結果
   上記基盤に電荷が生じ、上記電荷の少なくとも一部が上
   記基盤に到達する電子によって中和される事を特徴とす
   る外部プラズマ・ガン。 ［１０］無端形状の磁束発生手段を有し、下記を特徴と
   するプラズマ発生装置、 上記磁束発生手段が、１）内側表面と外 側表面とを有し、２）それを貫通し、所与の寸法を有す
   る開口を有し、上記磁束が上記開口の長さ寸法とほぼ平
   行に配向されており、 上記開口が第１と第２の端部を有し、上 記内側表面によつて規定されるように形成されており、 上記内側表面は凹部を持ち、第１と第２ の端部を持つよう形成されており、それにより上記凹部
   の第１と第２の端部との間に磁束が形成されて上記磁束
   と上記内側表面との間に囲繞領域が形成され、 第１の電圧源手段に接続される手段が上 記囲繞領域内に配置され、 第２の電圧源に接続されるカソード手段 が上記開口の上記第１の端部に被さるよう形成されてお
   り、 出口開口板が上記磁束発生手段の上記開 口の第２の端部に被さるよう形成されており、邪魔板が
   上記開口内に嵌合し、上記開口の 上記第１の端部に被さるよう形成され、配置されて、上
   記邪魔板と上記カソードとの間にプラズマ・チェンバの
   周辺部にガスを均一に供給するガス導管を形成し、上記
   プラズマ・チェンバは上記出口開口板、磁束及びカソー
   ドによって規定されていること。 ［１１］無端形状の磁束発生手段を有し、下記を特徴と
   するプラズマ発生装置、 上記磁束発生手段が、１）内側表面と外 側表面とを有し、２）それらを通る所与の長さ寸法の開
   口を有し、上記磁束が上記開口の長さ寸法にほぼ平行に
   配向されており、 上記開口は第１と第２の端部とを有し、 上記内側表面によって規定されるよう形成されており、 上記内側表面は凹部を持ち、上記凹部の 第１と第２の端部を持つよう形成されて、それにより上
   記磁束は上記凹部の第１の端部から第２の端部に向かっ
   て通過し、上記磁束と上記内側表面との間に囲繞領域を
   形成し、 第１の電圧源に接続されるべきアノード 手段が上記囲繞領域内に配置されており、 第２の電圧源に接続されるべきカソード 手段が上記開口の上記第１の端部に被さるよう形成され
   ており、 出口開口板が上記磁束発生手段の開口の 第２の端部上に被さるよう形成されており、プラズマ・
   チェンバ内にイオン化可能なガスを導通する手段が、上
   記板と磁束とカソードとによって規定され、 第１と第２の独立した可変直流電圧源が、 上記アノード手段とカソード手段とに夫々接続されてお
   り、それにより上記第１と第２の電圧手段の電圧を変化
   させて上記プラズマ・チェンバ内にプラズマを発生しつ
   つイオンを加速あるいは減速させること。