(57)【要約】  一対のプラズマビーム源は、交流電源の両端に接続されて、基板上に材料を析出させるためのプラズマイオンビームを交互に生成する。各プラズマビーム源は、第１の幅を有する放電キャビティと、そこから外側に延びてイオンビームを放出するノズルを備える。ノズルの開口又は出口は第２の幅を有し、第２の幅は第１の幅よりも狭い。略互いに向き合う複数の磁石は、各放電キャビティに隣接して配置されて、放電キャビティ内に磁界ヌル領域を生成する。イオン化ガスは、各放電キャビティに注入される。交流電源は、各放電キャビティ内の電極に接続され、各プラズマビーム源は、交互に陽極又は陰極の役割をする。陰極としては、少なくとも１つのマグネトロン放電領域が、放電キャビティ内に維持される。動作においては、高密度の均一なプラズマビームが陰極源から放射し、イオンビームが陽極源から放射する。
2009534797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１および第２のプラズマ源であって、第１の幅を有する放電キャビティ、前記放電キャビティから外側に延び、前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有するノズル、前記放電キャビティ内の少なくとも１つの電極、および前記キャビティに隣接して配置され、前記放電キャビティ内に磁界ヌル領域を生成する複数の磁石をそれぞれが備える第１および第２のプラズマ源と、
ｂ）各放電キャビティ内の前記各電極の両端に接続され、陰極および陽極として交互に前記各電極を励振する交流電力源であって、陰極電極として働いている前記各電極のそれぞれが、前記それぞれの放電キャビティ内に少なくとも１つのマグネトロン放電領域を維持することができる交流電力源と、を組み合わせて備える、プラズマを生成する装置。
【請求項２】
イオン化ガス入口が、各放電キャビティ内の前記電極と前記ノズルの間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ミラー磁界が、前記第１のプラズマ源の前記ノズルおよび前記第２のプラズマ源の前記ノズルから放射される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記交流電力源の半周期の間、それぞれ前記第１のプラズマ源および前記第２のプラズマ源により、交互に電子の流れが妨げられる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記プラズマ源を通過して基板を運び、それにより前記基板上に均一な析出をもたらすためのドライブをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２のプラズマ源のうちのそれぞれ１つの内部に閉じ込め領域を生成するための、互いに向き合って前記第１のプラズマ源に配置される第１の組の磁石と、互いに向き合って前記第２のプラズマ源に配置される第２の組の磁石とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２のプラズマ源のうちのそれぞれ１つの内部に閉じ込め領域を生成するための、互いに平行に位置合わせされて前記第１のプラズマ源に配置される第１の組の磁石と、互いに平行に位置合わせされて前記第２のプラズマ源に配置される第２の組の磁石とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２のプラズマ源はプロセスチャンバ内に配置され、前駆ガスを前記ノズル外部の前記プロセスチャンバに注入するための入口を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記前駆ガスはシリコン含有ガスを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記シリコン含有ガスはヘキサメチルジシロキサンを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
不凝縮性ガスを各プラズマ源の前記放電キャビティ内に注入するための、前記ノズル以外の第２の入口を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記不凝縮性ガスは酸素を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
基板をプラズマ処理する方法であって、
ａ）直線的なイオンビームを前記基板上に放出するための放電キャビティおよび出口をそれぞれが備える、第１および第２のプラズマ源を設けるステップと、
ｂ）各放電キャビティ内に配置された電極の両端に交流電力源を設け、前記第１および第２のプラズマ源内の各電極を陰極および陽極として交互に励振するステップであって、各電極は、陰極電極として働いているときに、前記放電キャビティ内に少なくとも１つのマグネトロン放電領域を維持することができるステップと、
ｃ）前記第１および第２のプラズマ源からミラー磁界を構築するステップと、
ｄ）前記交流電力源の半周期の間、前記第２のプラズマ源の前記放電キャビティ内の前記電極が陰極として働くときに、前記第１のプラズマ源内で前記ミラー磁界により電子の流れを妨げ、前記交流電力源の半周期の間、前記第１のプラズマ源の前記放電キャビティ内の前記電極が陰極として働くときに、前記第２のプラズマ源内で前記ミラー磁界により電子の前記流れを妨げるステップと、
ｅ）前記第１および第２のプラズマ源のそれぞれの前記放電キャビティにイオン化ガスを注入するステップと、
ｆ）前記妨げられた各電子に遭遇する前記イオン化ガスの原子のうちの少なくともいくらかをイオン化するステップと、
ｇ）イオンビームの形で、各ノズルから基板に交互にイオンを放出するステップとを含む方法。
【請求項１４】
前記イオンビームを通過して前記基板を運ぶステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
互いに向き合う第１の組の磁石が前記第１のプラズマ源に配置され、互いに向き合う第２の組の磁石が前記第２のプラズマ源に配置される方法であって、前記第１および第２の組の磁石を用いて、前記第１および第２のプラズマ源のうちのそれぞれ１つの内部に閉じ込め領域を生成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板はガラスを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
互いに平行に位置合わせされた第１の組の磁石が前記第１のプラズマ源に配置され、互いに平行に位置合わせされた第２の組の磁石が前記第２のプラズマ源に配置される方法であって、前記第１および第２の組の磁石を用いて、前記それぞれ第１および第２のプラズマ源の内部に閉じ込め領域を生成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板は金属またはプラスチックを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記プラズマ源の外部の前記プロセスチャンバ内に前駆ガスを注入するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１および第２のプラズマ源のそれぞれの前記放電キャビティに不凝縮性ガスを注入するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記不凝縮性ガスは酸素を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記前駆ガスはシリコン含有ガスを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記シリコン含有ガスはヘキサメチルジシロキサンを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
プラズマを生成する方法であって、
ａ）直線的なイオンビームを基板上に放出するための出口を有する放電キャビティをそれぞれが備える、第１および第２のプラズマ源を設けるステップと、
ｂ）各放電キャビティ内に配置された電極の両端に交流電力源を設け、前記第１および第２のプラズマ源内の各電極を陰極および陽極として交互に励振するステップであって、各電極は、陰極電極として働いているときに、前記放電キャビティ内に少なくとも１つのマグネトロン放電領域を維持することができるステップと、
ｃ）前記第１のプラズマ源の前記出口および前記第２のプラズマ源の前記出口からのミラー磁界を構築するステップと、
ｄ）前記交流電力源の半周期の間、前記第２のプラズマ源の前記放電キャビティ内の前記電極が陰極として働くときに、前記第１のプラズマ源内で前記ミラー磁界により電子の流れを妨げ、前記交流電力源の半周期の間、前記第１のプラズマ源の前記放電キャビティ内の前記電極が陰極として働くときに、前記第２のプラズマ源内で前記ミラー磁界により電子の前記流れを妨げるステップと、
ｅ）前記第１および第２のプラズマ源のそれぞれの前記放電キャビティにイオン化ガスを注入するステップと、
ｆ）前記妨げられた各電子に遭遇する前記イオン化ガスの原子のうちの少なくともいくらかをイオン化するステップと、
ｇ）イオンビームの形で、各出口から交互にイオンを放出するステップとを含む方法。
【請求項２５】
前記イオンビームを通過して基板を運ぶステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
互いに向き合う第１の組の磁石が前記第１のプラズマ源に配置され、互いに向き合う第２の組の磁石が前記第２のプラズマ源に配置される方法であって、前記第１および第２の組の磁石を用いて、前記第１および第２のプラズマ源のうちのそれぞれ１つの内部に閉じ込め領域を生成するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
互いに平行に位置合わせされた第１の組の磁石が前記第１のプラズマ源に配置され、互いに平行に位置合わせされた第２の組の磁石が前記第２のプラズマ源に配置される方法であって、前記第１および第２の組の磁石を用いて、前記それぞれ第１および第２のプラズマ源の内部に閉じ込め領域を生成するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にプラズマおよびイオンを発生するための方法および装置、ならびにその使用法に関する。本発明は、プラズマ処理、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）および基板のプラズマエッチングなどの工業プロセスで使用されるプラズマイオン源に関する具体的な効用を有し、こうした効用に関して記述されることになるが、宇宙応用における電気推進装置としての使用法など他の効用も企図されている。
【背景技術】
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００６年４月１９日出願の米国特許出願第１１／３７９，３４９号明細書（特許文献１）に関係し、その優先権を主張する。本出願は、２００３年９月１９日出願の国際公開ＰＣＴ／ＵＳ０３／２９２０４号パンフレット（特許文献２）からの優先権を主張する２００５年３月１７日出願の米国特許出願第１０／５２８，３８６号明細書（特許文献３）、および２００２年９月１９日出願の米国特許仮出願第６０／４１２，０５１号明細書（特許文献４）の同時係属出願の一部継続出願である。
【０００３】
プラズマイオン源は、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、反応性イオンエッチング、プラズマ表面改質、ならびに、蒸着膜またはスパッタ膜を洗浄し、その密度を増大させ、反応性の蒸着またはスパッタリングのプロセスを支援することなど、いくつかのプロセスに有効に適用される。これらのプロセスを、フレキシブルウェブ、太陽電池パネル、ならびに建築用および車両用ガラスなど、より大きい基板に適用することがますます興味深い。
【０００４】
いくつかのプラズマイオン源が市販されており、さらに多くのものが開示されてきた。市販のプラズマイオン源には、中空陰極プラズマ源、グリッドイオン源、エンドホールイオン源、クローズドドリフト型イオン源（拡張加速チャネル型および陽極層型の両方）、ならびに、米国Ｌｅｙｂｏｌｄ  Ｏｐｔｉｃｓ社から入手可能なＡＰＳ  Ｐｒｏなどのインピーデッド陽極型がある。これらのプラズマイオン源は、半導体または光学フィルタのような小さい基板の用途には首尾よく適用されるが、それと比較して幅の広い基板を処理する用途には有効ではない。これは、本質的に、ビームを生成および中和するために点電子源を使用することが原因である。フィラメント、熱せられた仕事関数の低い材料、および中空陰極などの点電子源技術は、直線的に延びることが難しい。したがって、これらの点電子源を利用するイオン源およびプラズマ源は、面積の大きい基板に求められる均一で直線的なビームを生成することが難しい。陽極層イオン源の場合、均一なイオンビームが長いイオン源の全長にわたって放射されるが、これらのイオン源のイオン電流密度は低く、その使用法が限定される。
【０００５】
したがって、幅の広い基板に容易に広げることができる、均一で直線的なプラズマ源またはイオン源が必要である。この理想的で直線的な源はまた、フィラメントまたはＬａＢ６陰極などの繊細または高価な電子源を必要とすべきではなく、広い処理圧力範囲にわたって動作可能でなければならない。この源はまた、物理的にコンパクトで経済的でなければならず、高密度で効率的なプラズマビームおよび／またはイオンビームを生成しなければならない。
【０００６】
理想的で直線的なプラズマ源に対する他の重要な判定基準は、プラズマ源を過度にコーティングすることなく連続的なＰＥＣＶＤ処理を維持する能力である。Ｌｏｐａｔａらによる特許文献５などの従来技術の源では、源の電極は、プロセスチャンバ内の前駆ガスおよび基板にさらされる。その結果、有用なコーティングが基板上に析出されてもよいが、源は急速にコーティングされ、処理のドリフトおよびアーク放電を引き起こす。半導体のバッチ用途では、このさらされた１つまたは複数の電極を清浄にするために、規定の時間間隔の後にエッチングプロセスが実行される。ロールツーロールウェブまたはインラインコーティングシステムなどの連続的なプロセスでは、ＰＥＣＶＤプロセスは、停止することなく何十時間も稼働しなければならない。これらの用途では、エッチ洗浄サイクルは実用的ではない。したがって、長時間の連続プロセス実行にわたって安定な動作を維持する直線的なプラズマ源が必要とされる。
【０００７】
本発明に関する従来技術は、３つのカテゴリにグループ分けすることができる。すなわち、アンバランスドマグネトロンスパッタリング源、中空陰極スパッタリング源、ならびにプラズマイオン源である。
【０００８】
［アンバランスドマグネトロン源］
いくつかの刊行された論文で、ＷｉｎｄｏｗおよびＳａｖｖｉｄｅｓが、アンバランスドマグネトロン（ＵＢＭ）スパッタ陰極の概念を提示した。これらの論文では、陰極からのスパッタフラックスをイオン化する能力を有する、タイプＩＩのアンバランスドマグネトロンが開示されている。ヌル磁界領域およびミラー磁気閉じ込め電子捕獲の基本的な動作原理が教示されている。
【０００９】
ＷｉｎｄｏｗおよびＳａｖｖｉｄｅｓによって提示された平面ターゲットタイプＩＩのＵＢＭが、従来技術として図１３に示してある。後にＷｉｎｄｏｗおよびＨａｒｄｉｎｇが、中央の磁性材料または高透磁率のポールをもたない、タイプＩＩのＵＢＭを開示した。図１３では、各磁石２００は、長方形または円形のシャント板２０１の周辺部の回りに構成される。中央の軟鉄のポール２０７は、シャント板２０１の中心に配置される。周辺および中心のポールの磁気強度が等しくないために、マグネトロントラップ２０５上にヌル磁界ポイント２０３が生成され、このヌルポイント上の力線を強めることにより、ミラー閉じ込め領域２０８が生成される。動作にあたっては、マグネトロンプラズマ２０４は、ターゲット２０６をスパッタリングする。マグネトロンプラズマを離れた電子は、ミラー閉じ込め領域２０８内に捕獲され、第２の可視プラズマ領域を生成する。文献で提示されているように、ミラープラズマ領域は、ターゲットからのスパッタフラックスのかなりの部分をイオン化する。ミラー領域で生成されるプラズマ２０８はまた、基板２０９に放射し、成長スパッタ膜に有効に衝撃を与える。プラズマ２０８は、ＰＥＣＶＤ、プラズマ処理などのプラズマプロセスに使用することができる。プラズマ源の用途における使用法を見いだしながらも、ターゲット２０６からのスパッタフラックスは必ずしも受け入れられるとは限らず、ＵＢＭは、マグネトロンスパッタリングでは典型的なｍＴｏｒｒ範囲で動作しなければならず、ＰＥＣＶＤ用途については、ＰＥＣＶＤ成分を濃縮することにより、さらされたターゲット２０６が急速に汚染される。
【００１０】
［中空陰極スパッタ源］
中空陰極という用語は、従来技術での様々なスパッタ源を説明するのに使用されてきた。
【００１１】
Ｒｕｓｔは、特許文献６において、基板がキャビティの中心を貫通する中空陰極閉じ込めマグネトロンを開示している。
【００１２】
Ｓｅｂａｓｔｉａｎｏらは、特許文献７において、陽極が開口部から反対側のプロセスチャンバ内に配置された中空陰極構成マグネトロンを開示している。陽極がこの位置にあることにより、電子は、最初に放電キャビティから放出される必要もなく、陽極に達することができるようになる。ガスは、開口部からプロセスチャンバまで分離している放電キャビティには注入されない。
【００１３】
Ｈｅｄｇｃｏｔｈは、特許文献８において、プロセスチャンバから分離したキャビティ内のスパッタ源を教示している。磁界は、キャビティ円筒の軸に沿っており、マグネトロンタイプの閉じ込め領域は、キャビティ円筒壁の内側の回りに生成されると報告されている。プロセスチャンバへの開口部により、マグネトロンの経路内に不連続性が生じる。陽極は、キャビティの内側の各端部に配置される。
【００１４】
Ｋｕｂｏらは、特許文献９において、複数のマグネトロン陰極キャビティからなるスパッタリング装置を開示している。プロセスガスは、各キャビティのベースに注入される。キャビティは、プロセスチャンバに開口している。
【００１５】
Ｈｅｌｍｅｒらは、特許文献１０において、茶碗形または環状の陰極を有するアンバランスドマグネトロンスパッタ陰極を開示している。ヌル磁界ポイントは、陰極開口部に隣接して生成される。放電キャビティは、プロセスチャンバに開口している。この特許の図６では、独立したマイクロ波アプリケータが、陰極開口部の上に取り付けられている。陰極から独立しているが、アプリケータ開口部の寸法は、陰極キャビティ以上である。一実施形態では、プロセスガスは、プロセスチャンバ開口部の反対側の、キャビティの底部でキャビティに注入される。
【００１６】
Ｓｃｈｅｒｅｒは、特許文献１１において、中空ターゲットを用いる陰極スパッタリングによって基板をコーティングする装置を教示している。プロセスチャンバ内のキャビティの外部で弱いヌルポイントが十分に生成されるように、キャビティ内のマグネトロン放電はバランスが保たれている。
【００１７】
Ｂａｒｄｏｓらは、特許文献１２において、直線的なアーク放電源を教示している。放電キャビティは、マグネトロン閉じ込めプラズマ領域を含まず、放電キャビティ開口部は、プロセスチャンバにさらされている。
【００１８】
ＭｃＬｅｏｄは、特許文献１３において、ボックス形の中空陰極スパッタ源を開示している。ボックスの下端は、電気的に浮動状態にあるか、陰極に接続されている。ボックスはプロセスチャンバに開口しており、プロセスガスは、プロセスチャンバ開口部を介する以外はボックスに注入されない。
【００１９】
［他のプラズマ源］
Ｍａｓｃｈｗｉｔｚらは、特許文献１４において、バイポーラプラズマ源、プラズマシート源、およびバイポーラプラズマ源を利用するエフュージョンセルを教示している。好ましい実施形態では、マグネトロン陰極プラズマは生成されず、中空陰極キャビティ開口部は、プロセスチャンバにさらされている。
【００２０】
Ｍｉｌｊｅｖｉｃは、特許文献１５において、プロセスチャンバへの寸法を小さくした開口導管を有する放電キャビティを備える、中空陽極イオン電子源を開示している。放電キャビティ内には、マグネトロン閉じ込め領域またはヌル磁界ポイントはない。
【００２１】
Ｋｈｏｍｉｎｉｃｈは、特許文献１６において、陰極アーク蒸着法およびカスプ磁界を実現する装置を教示している。放電キャビティ内にはマグネトロン閉じ込め領域はなく、キャビティはプロセスチャンバに開口している。
【特許文献１】米国特許出願第１１／３７９，３４９号明細書
【特許文献２】国際公開ＰＣＴ／ＵＳ０３／２９２０４号パンフレット
【特許文献３】米国特許出願第１０／５２８，３８６号明細書
【特許文献４】米国特許仮出願第６０／４１２，０５１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，９０４，９５２号明細書
【特許文献６】米国特許第４，９１５，８０５号明細書
【特許文献７】米国特許第４，９３３，０５７号明細書
【特許文献８】米国特許第５，０７３，２４５号明細書
【特許文献９】米国特許第５，３３４，３０２号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，４８２，６１１号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，７２８，２８０号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，９０８，６０２号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，４４４，１００号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，４４４，９４５号明細書
【特許文献１５】米国特許第４，８７１，９１８号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，１０３，０７４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、前述および他の従来技術のプラズマイオン源を上回る改良をもたらす。より具体的には、本発明は、第１の幅を有する放電キャビティおよびそこから外側に延びるノズルをそれぞれが備える、一対のプラズマ源を使用する。各ノズルは第２の幅を有し、第２の幅は第１の幅よりも狭い。各プラズマ源は、イオン化ガスを放電キャビティに注入するための、放電キャビティ内に配置された導管、および交流電源に接続された少なくとも１つの電極をさらに備える。電極は、放電キャビティ内に少なくとも１つのマグネトロン放電領域を維持することができる。各プラズマ源は、放電キャビティに隣接して配置された複数の概ね向き合った磁石をさらに備えてもよく、これら複数の磁石は、放電キャビティ内にヌル磁界ポイントを生成する。各プラズマビーム源の電極は交流電源に接続され、各半周期中交互に、陽極電極または陰極電極として働く。各プラズマビーム源内のイオン化ガスは、イオン化され、ビーム源のノズルを通って放射する直線的なプラズマイオンビームを形成する。各源の外部では、濃縮可能な前駆ガスが分散される。前駆ガスは、プラズマイオンビームによって活性化される。基板は第１および第２のプラズマビーム源に隣接した位置に運ばれ、活性化されたガスにより基板上に薄膜が析出される。
【００２３】
添付図面を参照して、より具体的に、またより明確に本発明を説明する。添付図面では、同じ番号は同じ部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１Ａ  は、ノズル６から放射している高密度プラズマ９のビームを生成するプラズマビーム源２４の断面図を示している。ビーム源は、圧力を下げた状態でのプロセスチャンバ内（図示せず）に存在する。磁石１および２は、Ｓ極が磁性鋼のシャントボックス３によって支持された状態で、互いに向き合って配置されている。磁石１および２は、外側に向いた力線１８および内側に向いた力線１９からなるカスプ磁界を生成する。内側に向いた力線１９は、絶縁体１５およびライナ１６を通って、中心シャント１０に至る。カスプ磁界は、放電キャビティ２６中にヌル磁界領域２５を生成する。磁石１および２、ならびに終端の磁石２０および２１（図２参照）は、８の中のプラズマ領域９にエンドレスな電子トラップを生成する。シャント１０はシャント１１に接続されており、両方とも磁性鋼で作られている。ライナ１６は、熱伝達を改善するために、ブロック１２にろう付けされている。ブロック１２は、ガンドリルで穴あけされた穴１３および配管（図示せず）を介して水冷されている。シャント１１は、ブロック１２に固定されている。ライナ１６、ブロック１２、ならびにシャント１０および１１のアセンブリは、源の１つの電極を形成する。第２の電極は、シャントボックス３およびカバー５によって形成される。磁石は、絶縁部片１４および１５により、ライナ１６およびブロック１２から分離されたセラミックタイプである。絶縁部片１４および１５は、フルオロポリマーまたは電気絶縁セラミック材料から製造することができる。約３ｍｍのギャップ１００は、ボックス３をブロック１２およびシャント１１から分離して、ギャップ内のプラズマを除去する。ガス２７は、ボックス３内のポート４を介して、源まで運ばれる。ガス２７は、ボックス３とブロック１２の間のギャップ１００内で、ブロック１２の周りを進む。次いで、ガス２７は、ボックス３およびカバー５に刻まれた複数の細長い溝２２に流れ込む。図１Ｂは、これらのガス導管の詳細を示している。ガス２７は、カバー５とライナ１６の間の放電キャビティ２６に流れ出る。カバー５は、ガス２７がそこを通ってプロセスチャンバに流れるノズル６を備える。カバー５およびノズル６は、ろう付けされた配管７を用いて水冷される。電源１７の一方の極は、一方でカバー５、ボックス３、およびチャンバのグラウンドに接続される。電源１７のもう一方の極は、内部ブロックアセンブリ１２（したがってライナ１６ならびにシャント１０および１１）に接続される。ブロック１２は、ボックス３から出る水冷配管（配管は図示せず）に電気接続される。電源１７は、標準のスパッタマグネトロンタイプとすることもでき、あるいは、パルス直流電源、中間周波数交流電源、またはＲＦ電源とすることもできる。図１Ａでは、直流電源１７は、陰極をブロック１２に接続して使用される。ガス２７が放電キャビティ２６に注入され、電源１７がオンになるとき、源の領域８および９でプラズマが点火される。領域８は、源の全長にわたって延びるエンドレスなホール電流閉じ込めプラズマである。動作している源の内側を見ると、領域８の２つのローブは、図１Ａの断面図を見ると分かるように、広がったドーナッツ状のプラズマとして見える���カバー５からの電界が源の内側の磁力線１９を貫通するとき、領域８が生成される。電子は、これら電気力線に従おうとするとき、磁力線１９によって制限される。スパッタマグネトロンまたはクローズドドリフトイオン源など他の多くのホール電流閉じ込め源において知られているように、電子を含むライナ１６およびシャント１０の表面ならびに力線１９によって作られる静電気的および磁気的に閉じ込められた領域から、電子は逃れることができない。その結果、放電キャビティ２６の内側に、閉じ込めプラズマ領域８が生じる。
【００２５】
プラズマ８の結果として、プラズマ領域９が生成され維持される。磁力線１８、カバー５およびノズル６の構成により、プラズマ８によって生成された電子は、カバー５およびノズル６の陽極電極に到達することができない。見て分かるように、力線１８は、ライナ１６から出て、収束し、ノズル６を通って出る。電子は磁力線を横切ることができないので、カバー５、ノズル６およびプラズマ８の間の電気回路は、ノズル６を通って出て、磁界１８電子閉じ込め領域から排出する電子によってのみ完成することができる。電子は、磁力線１８に沿って、ノズル６を通って逃れようとするとき、力線１８がノズル６内で収束するため、磁気ミラーに直面するので、プラズマ９が生成される。このミラー領域は、電子の一部分を反射し、プラズマ９内に第２の閉じ込め領域３９を生成する。電子は、源の一端から他端へとサイクロイド運動で移動するので、領域３９はやはりクローズドドリフト磁気びんである。このホール電流のドリフトは、交差した電界および磁界、ならびにミラー領域１８内の傾斜磁界が原因である。
【００２６】
プラズマ８の電子が放電キャビティ２６から逃れる唯一の経路は、ノズル６を通る経路である。ノズル６はまた、ガス２７が放電キャビティ２６からプロセスチャンバに流れる唯一の排出経路を形成する。したがって、排出ノズル６内で高温度のガス２７がイオン化される。領域３９内のガス２７と電子が合流することにより、ノズル６からプロセスチャンバに延びる高密度プラズマ９が生成される。動作中の源２４を見ると、プラズマ３９およびプラズマ９が１つのプラズマであることが分かる。ノズル６の内部寸法は、放電キャビティ２６の幅寸法よりも小さい。ノズル６を狭くすることにより、プロセスチャンバに到達することができるライナ１６からのスパッタ材料が減り、ノズル６を通って流れるプロセスガス２７のイオン化が最適化され、狭い開口部およびガス２７の流出により、プロセスチャンバから放電キャビティ２６へのガス流入が制限される。
【００２７】
図２は、カバー５が取り除かれた状態の、図１Ａに示したプラズマビーム源２４の上面図である。この図は、側面の磁石１および２とともに、クローズドドリフト磁界１８および１９（この図では磁界１８のみを示す）を生成する、終端の磁石２０および２１を示している。ボックス３、ライナ１６、絶縁体１５、中心シャント１０および水冷ブロック１２も、磁石１、２、２０および２１の下に見える。ガス２７用の、ボックス３内の溝２２も見える。プラズマ３９は、源の中心領域内に、比較的淡いドットの領域として示してある。比較的濃いドット部分は、ノズル６を出るときのもっとも狭い区域でのプラズマ領域９に対応する。
【００２８】
図３は、図１Ａおよび２で示したプラズマビーム源２４の等角図を示している。水冷配管は示していない（両電極との電気接続を行うためにも、水配管は有用である）。この図では、ノズル６から放射するプラズマ９が見える。プラズマ９は、ノズル６から発散する狭い均一なビームを形成する。
【００２９】
図１Ａ〜３に示すプラズマビーム源は、以下のように構成されてもよい。すなわち、磁石１および２は、幅１インチ（２．５４ｃｍ）×長さ４インチ（１０．１６ｃｍ）×厚さ１インチ（２．５４ｃｍ）のセラミックタイプである。磁石２０および２１は、長さ２インチ（５．０８ｃｍ）×幅１インチ（２．５４ｃｍ）×厚さ２インチ（５．０８ｃｍ）である。ボックス３は、厚さ０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の軟鋼板で作られている。ブロック１２は黄銅製である。トップカバー５およびノズル６は銅製である。ノズル６内の開口部は、幅０．５０インチ（１．２７ｃｍ）×深さ０．７５インチ（１．９０５ｃｍ）×長さ３．２５インチ（８．２５５ｃｍ）である。シャント１０は、シャント１１と同様に軟鋼製である。ライナ１６は、楕円形状に曲げられた銅シートであり、ライナ１６の各内壁間の距離は、短い方の寸法（幅）が１．２５インチ（３．１７５ｃｍ）で、長い方の寸法（長さ）が３．７５インチ（９．５２５ｃｍ）である。ライナ１６の深さは３．０インチ（７．６２ｃｍ）である。図１Ａを参照すると、ノズル開口部の寸法は０．５０インチ（１．２７ｃｍ）であり、幅１１５に対応する。ライナ１６の幅の寸法は１．２５インチ（３．１７５ｃｍ）であり、放電キャビティ２６の幅１１０に対応する。
【００３０】
図１Ａ〜３の好ましい実施形態では具体的な寸法が与えられているが、当業者には理解されるように、本発明から逸脱することなく、多くの様々な変形および修正を加えることができる。たとえば、源のスケールならびに源の具体的な寸法を変更することができる。同様に、構成材料を変更することもできる。
【００３１】
プラズマビーム源および放射プラズマ９は、以下の測定値によって示されるいくつかの興味深く有用な特徴を有する。
【００３２】
プラズマ９は高密度であり、約３００Ｖで１ｋＷの直流電源出力に対して、イオン密度は１０１２／ｃｍ３を越える。イオン飽和電流は、所与の源の寸法およびこれらの電源設定に対して、１００ｍＡを越えて測定された。（電流プローブの表面は、ノズル６の端から５ｃｍを越えて配置され、プラズマ９をブロックしている。）プローブが接地された状態での電子電流は、１Ａよりも大きい。
【００３３】
プラズマ９のホール電流閉じ込めにより、プラズマ９は、源の全長にわたって均一になる傾向がある（ターンアラウンド(turnarounds)におけるマイナスエンド効果(minus end effects)）。これは、析出、処理またはエッチングの均一性が要求されるすべての用途について（実際にはほとんどの用途において）重要である。３メートル以上の幅の基板を、均一に処理することができる。動作にあたっては、プラズマ９は、ノズル６から放射される約１ｃｍの幅の均一なビームとして見える。
【００３４】
プラズマビーム源（ＰＢＳ）はスパッタ源ではない。源の目的は、ＰＥＣＶＤ、プラズマ処理またはエッチングプロセスである。ライナの材料をスパッタリングしている一方で、最小のスパッタ材料のみがノズルから出る。これは、少なくとも２つの要因による。マグネトロンプラズマ領域８（図１Ａ参照）は、源の内部深くに配置され、スパッタライナ材料は、ライナ、シャント１０および１１、またはカバー５およびノズル６の上に再析出する傾向がある。スパッタ材料は、表面に触れることで容易に濃縮するので、設計により、源から出ようとするスパッタ材料に対して「曲がりくねった経路」が生成される。次に、上記マグネトロンプラズマ８内でプロセスガスを供給することにより、プラズマ８への供給ガスの流れが、ノズル６から離れるように方向づけされ、ノズル６からの濃縮物の流れに対抗する指向性運動量効果をもたらす。動作にあたっては、源のスパッタ速度が低いことが分かる。たとえば、数ミクロンのＰＥＣＶＤ酸化ケイ素コーティングを析出する際に、結果として生じるコーティングは光学的に透明であった。この結果は、銅のライナ１６を使用して得られた。酸素およびアルゴンのガス中でスパッタリングされた銅は、黒色コーティングとなって現れる。これは、基板上では目に見えなかった。
【００３５】
この源の中では、純粋な反応性ガスを「燃やす」ことができる。多くの高密度プラズマ源は、フィラメント、仕事関数の低い材料または電界効果デバイスを実装して、電子を生成する。通常、これらの源では、アルゴンなどの不活性ガスを源に供給する。これら従来技術の源の内部で酸素などの反応性ガスを使用することにより、電子源の寿命が著しく短くなる傾向がある。反応プロセスを遂行するために、これらの源は、酸素を源の外部に供給し、酸素の一部分を、源から出るアルゴンプラズマと反応させる。この方法は、効率は低いが、代替の方法が存在しないので、今日多くのプロセスで使用されている。高密度で純粋な酸素プラズマを直接生成できることで、ＰＢＳはこの状況を変える。これは、いくつかのプロセスに対して利点を有する。また、アルゴンガスフローが必要とされないので、真空ポンピングへの要求も低減される。
【００３６】
ＰＢＳは、広い範囲のプロセス圧力にわたって動作することができる。マグネトロンタイプの源では典型的であるが、ＰＢＳは、１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で容易に動作することができる。この圧力範囲に加えて、蒸発プロセスで使用される１０−５Ｔｏｒｒの範囲に、動作を拡張することができる。ノズル６は、源からガスが伝導することを制限するので、これを行うことができる。プロセスガス２７を放電キャビティ２６に供給することにより、放電キャビティ内部の圧力をｍＴｏｒｒ領域に維持することができるが、源の外側では、はるかに低いプロセス圧力が存在する。
【００３７】
絶縁ＰＥＣＶＤ膜の連続的な析出が可能である。ＰＥＣＶＤでは、プロセス中に電極がしばしばコーティングされる。これにより、ＳｉＯ２などの絶縁膜を用いると、アーク放電またはプロセスの完全停止が生じることがある。ノズルは、ＰＢＳを用いて、内部のマグネトロン電子源が汚染されないように、放電キャビティに濃縮可能なガス種が伝導することを制限する。これは、広い面積のＰＥＣＶＤプロセス用のＰＢＳにとって重要な利点であり、さらに以下で議論する。
【００３８】
プラズマビーム９は、プロセスチャンバ内部の自由平均行程に応じて、ノズル６から数百ｍｍまで延びる。ビームは、たとえば３ｍＴｏｒｒにおいて、少なくとも３００ｍｍ延びる。この特徴により、ビーム源が多くの用途で優れたものになることができる。たとえば、非平面の３Ｄ基板を均一にＰＥＣＶＤコーティングし、処理することなどができる。
【００３９】
基板は、ＰＢＳから電気的に絶縁することができる。基板は、任意選択として電気回路の一部分にすぎないので、接地すること、フローティング状態にしておくこと、または互いに異なる電源によって別々にバイアスをかけることもできる。この特徴を添付の各図で説明する。
【００４０】
ＰＢＳ  ２４は、標準の直流マグネトロン電源を使用して、または周波数０〜１００ＭＨｚの様々な周波数での交流電源を用いて動作する。図１Ａ〜３では、シャントボックス３およびカバー５は接地されている。チャンバにかかる電圧がより低くなり（安全性）、取付けがより容易になるので、これは好都合である。あるいは、外部の構成部品ボックス３およびカバー５は、電気的にフローティングさせることができる。実現可能な構成のいくつかを、添付の各図で示す。
【００４１】
図４は、ＰＥＣＶＤコーティング用途でのプラズマビーム源２４を示す。アルゴンおよび酸素の混合気４１が、チューブ４０内の源のポート４に供給される。モノマー前駆ガス４３が、源の外部に供給される。前駆ガスがプラズマ９内のイオン化ガスによって活性化されるとき、コーティングが基板２３に析出する。このプロセスが、本発明の重要な利点を際立たせている。ノズル６の伝導制限、ならびにノズル５を通って出るプラズマ９の高密度および指向性により、前駆ガス４３は容易には源２４に入らない。コーティング実行の後、ビーム源２４の放電キャビティ２６に比較的ＰＥＣＶＤコーティングがないとき、このことが分かる。従来技術のＰＥＣＶＤ源では、プラズマ電極はプロセスにさらされる。プラズマは電極においてもっとも密度が高いので、さらされたこの電極には厚いコーティングが急速に生じ、このコーティングにより長時間のプロセス実行が難しくなる。
【００４２】
源２４によって処理される基板２３は、多数の材料および形状を含むことができる。こうした基板には、たとえばそれだけには限らないが、フレキシブルウェブ、平面ガラス、３次元型材、金属、シリコンウェーハ、および様々な高分子材料が含まれ得る。ビーム源２４では、他の多くの物理的構成およびプロセス構成が可能である。たとえば、前駆ガスは、ただちにビルドアップするという問題もなく放電キャビティ２６に移すことができ、炭化水素などのいくつかのガスを、源に長期間供給することができる。ＰＢＳは、プラズマ処理、表面清浄または反応性イオンエッチングなど、ＰＥＣＶＤ以外の多くのプラズマプロセスを実行することもできる。基板を「処理する」という言葉は、これらすべてのプロセスを総称的に示すのに使用される。
【００４３】
図５は、電子ビーム蒸着ウェブコーティングの用途において、蒸発物２９を反応させるのに使用されるプラズマビーム源２４を示す。ドラム２５は、析出領域上にウェブ２３を運ぶ。るつぼ２７には、蒸発材料２８が入っている。電子ビーム源２６は、るつぼ２７にビーム３１を放射する。プラズマ９は、プラズマビーム源から蒸発物の煙２９に向けられて、プラズマ９のイオン化ガスとの反応を促進する。シールド３０は、プラズマ９の電子ビーム３１への影響を制限する。本発明に先立って、蒸発物のリアクタンスを遂行するのに、中空陰極源が使用されてきた。中空陰極の外部のプラズマは拡散制限されているだけなので、元々、中空陰極は均一ではない。ＰＢＳを用いると、磁力線１９は電子を含み、静電気力により、同様にイオンもプラズマ領域９内に含まれる。やはり前述の通り、電子閉じ込めのクローズドドリフトの性質により、ＰＢＳプラズマ９は基板の全幅にわたって均一である。
【００４４】
図６は、遊星ギアボックスのコータ用途に適用されるプラズマビーム源２４を示す。この図では、源２４は、端面からではなく、その長手方向に沿って示してある。この図では、プラズマビーム９は、プラズマのシートとして見える。源２４は遊星ギアを支持する基板から離れて、たとえばボックスコータの底部に配置され、他の蒸着源（たとえば、電子ビーム源または熱蒸発源）のための空き空間をもたらす。ＰＢＳビーム源２４を他の蒸着源と組み合わせることで、プラズマ９の作用により、コーティングの密度を上げることができる。金属コーティングの密度を上げるために、純粋なアルゴンを使用することができ、または反応性ガスを加えることもできる。従来技術を上回るビーム源の大きな利点は、ビーム源が、源の中の酸素などの反応性ガスを直接消費できることである。従来技術では、反応性ガスによる消耗に敏感なフィラメントまたは他の電子生成手段を必要とするため、源の中で不活性ガスを使用する必要があった。これらの源では、反応性ガスは、源の外部のプロセスに供給された。チャンバ内で反応性ガスをイオン化する効率が低かったので、源のパワーおよびアルゴン流量を高くする必要があった。純粋な反応性プラズマ（または、要求に応じて、不活性および反応性の組合せ）を生成するビーム源２４を用いると、プロセス効率が上がり、正確な圧力でプロセスを維持するのに必要となる総合的なポンピング速度が低減される（不必要なアルゴンを排気する必要がない）。
【００４５】
図７は、シリコンウェーハなどの基板２３に適用されるプラズマビーム源２４を示す。この図では、ウェーハ２３を支持するステージ５１が移動して、ウェーハ２３をプラズマ９で均一に処理する。源２４から切り離して、基板２３をバイアスできることが示してある。バイアス電源５２は、この場合はウェーハ２３に電流を通すのに十分な周波数の交流電源であるが、ステージ５１に接続されている。ＰＢＳ電源１７は、プラズマ９を生成する。バイアス電源５２がないと、絶縁基板２３は通常、プラズマ９固有の浮遊電圧にまで上昇することになる。（これは、プロセス条件に応じて、ＰＢＳに対してほぼ−１０〜−７０ボルトである。）バイアス電源５２をオンにすることにより、プラズマ９と基板２３の間のプラズマ暗黒部にわたる電圧降下を、正側または負側に、プロセスに必要なレベルにまで変更することができる。
【００４６】
図８は、大面積の均一なプラズマを基板上に生成するのに適用することができる２つのビーム源２４ａおよび２４ｂを示している。この場合、基板は、ロール６４上に巻き付けられたフレキシブルウェブ２３である。源２４ａの磁石６０および６１（ならびに、図示されていないこの源の終端の磁石）は、それらのＳ極を内向きに向かい合わせてプラズマ９に向かうよう構成し、源２４ｂは、Ｎ極が内向きに向かい合う磁石６２および６３を有すること以外は、２つのビーム源２４ａおよび２４ｂは同一である。この構成は、各源の間での磁界の分担をもたらし、図に示すように閉じたプラズマ領域を生成する。
【００４７】
図９は、宇宙空間での推進用途向けに構成されたＰＢＳの断面図を示している。マグネトロン電子源の基本的な構成部品およびカスプ磁界は、前述の各図と同じである。この源では、環状の電磁石７０および７１により、カスプ磁界１８および１９が生成される。電子源マグネトロンプラズマ８は、ライナチューブ１６内で生成される。ライナ１６は、絶縁体板７２によりボックス３から、また絶縁体リング７３により電磁石７１から電気的に絶縁されている。推進剤ガス２７は、ポート９２を介してガスキャビティ７９に通される。次いで、ガス２７は、ライナ１６と対向する電極５との間のギャップ７８を介して放電キャビティ２６に流れ込む。カバー電極５は、絶縁体板７６により、円形ボックス３から電気的に絶縁されている。カバー５は、電磁石７０内の環状開口部にはめ込まれるノズル部分６を有する。ライナ１６およびカバー５は、電源７４の両端に接続されている。陰極端子がライナ１６に接続されている状態の直流電源が示してある。交流電源またはＲＦ電源も使用してよい。ボックス３は接地されている。カバー５は、電源の一方の側とともに接地することができる。
【００４８】
動作にあたっては、電源７４がオンになり、ガス２７が放電キャビティ２６に流れ込んでいるとき、マグネトロンプラズマ８によって生成される電子は、磁界１８のミラー磁場領域内に捕獲され、プラズマ３９および９が生成される。ノズル６を通してプラズマ９が放出されるときに、推力が生成される。推力の一成分は、磁気ノズル効果によって生成される。磁気ミラー３９を通過した後、次いで電子は、さらにノズル６から空間に移動するので、磁界強度の減少に遭遇する。この負の傾斜に応答して、電子の動きは、熱スピンから力線の軸に沿った動力学的運動に変換される。次に、各電子は、静電気的にイオンを源から離れるように加速させる。領域１８内の磁界を増大させて、各イオンを閉じ込めることができる場合には（これは、磁界強度が少なくとも１０００ガウスを超えるときに起こる）、他の形態のイオン推力を生成することができる。この条件下では、各イオンがノズル６を通過するとき、各イオンを磁気的に閉じ込め、径方向の電界によって熱することができる。電子は、ノズルを抜け出るときに、陽極５からの静電反発力および磁気ノズル効果の両方によって加速される。
【００４９】
好ましい実施形態での電子閉じ込めの他の態様は、実現可能な３軸方向の磁界電子脱出経路のうちの２つが、ライナ１６により物理的に束縛されることである。３軸方向の磁界領域は、円錐形の圧縮領域１７１および１９、ならびに平らな円板圧縮領域１７０を含む。ライナ１６が直流回路の陰極として接続されているとき、または交流電源の負のＡＣサイクルにあるとき、電子は、ライナ１６の表面から静電気的に反射される。電子は、初めはマグネトロン閉じ込め領域８内で生成される。これらの電子は、陽極電極５に到達しようとするとき、衝突拡散により、力線１９を横切り、ミラー領域３９を通って進んで、カバー５に戻る前にノズル６を通って源を抜け出る。電子はまた、磁力線を横切って拡散している間、これらの力線に沿って、らせん状に動く。磁力線１７０がライナ１６を通過するように源を構成することにより、これらの力線に沿って移動する電子は、静電気的に閉じ込められたままである。力線１７０が、電気的にフローティングしている表面または対向する電極５を通過することができる場合、ある数の電子が、力線１７０の圧縮ミラーを通り抜けて脱出することになる。１軸方向の磁界領域１８のみが電子脱出口に開口できるようになることにより、プラズマ柱９を生成し維持する際に電子の有効利用が増大する。
【００５０】
図１０は、プラズマビーム源の他の実施形態を示している。前述の通り、この源は、円形、環状または長さを延長したような形状とすることができる。源１００は、希土類磁石１および２の使用、ならびに２つの電源８３および８４の使用を含む。図に示すように、電源８３は、陰極ライナ１６をボックス３に接続する。絶縁体８１は、カバー５からボックス３を電気的に分離する。電源８４は、陽極カバー５をボックス３に接続する。ボックス３は接地されている。この構成を使用することにより、接地電位に対してプラズマ電位を調整することができる。接地された基板にプラズマ９を加えるとき、これが有用になりうる。プラズマ電位を上げることにより、基板に衝突するイオンエネルギーを増大させることができる。図１０はまた、カバー５に組み付けられたプロセスガスマニホルド８０を示している。小さい分配穴８５は、ガス２７を源の長手方向に沿って均一に放電キャビティ２６に導く。磁石１および２をカスプ構成で互いに向き合わせることにより、ミラー領域３９内に強いミラー圧縮比がもたらされる。希土類磁石１および２を用いると、ミラー頂点での磁界の強さは、容易に５００ガウスを超える。電子は、ミラー領域３９を通過するとき、この強い磁界に遭遇し、そのラーモア旋回半径(Larmor gyro radius)はそれに応じて小さくなる。これらの条件下では、この断面図のようにプラズマを端から見るとき、ノズル６を通り抜けるプラズマ９の幅は非常に狭く、およそ３ｍｍ程度である。これは、とりわけＷｉｎｄｏｗおよびＳａｖｖｉｄｅｓならびにＨｅｌｍｅｒの垂直に向けられた磁石を上回る利点である。垂直に配向された磁石を用いると、ヌル領域２５がマグネトロン閉じ込め領域８の上に生成されるが、通常、磁界の強さは１００ガウスを下回り、電子のラーモア旋回半径はより大きくなる。図１０に示す実施形態では、シャント１０が、アルミニウム本体１２に取り付けられている。シャント１０の目的は、ライナ１６のスパッタ速度を低減させることの支援、およびライナ１６のスパッタリングを安定させて、ライナ１６をより長持ちさせることである。この点に関しては有益であるが、基本的な源の動作に対しては必要ではない。本体１２は、押し出し成形された穴８２によって水冷される。絶縁体１４および８６は、ボックス３内の陰極本体１２を支持し、陰極（本体１２およびライナ１６）をボックス３から電気的に絶縁する。図１Ａに示すように、源１００は、長手方向に伸ばした長方形でもよい。磁界領域８および９を両方とも閉路にするのに使用される終端の磁石は、この断面図には示していない。
【００５１】
図１１は、垂直に配向された磁石を有する、プラズマビーム源の一変形形態１１００を示している。この磁石構成は、ＷｉｎｄｏｗおよびＨａｒｄｉｎｇによって教示された、タイプＩＩのアンバランスドマグネトロン磁界を表している。この実施形態は、磁石９７および放電キャビティ１０３の形状の範囲を、本発明の精神の範囲内で実施できることを示している。この実施形態では、磁石９７は２つの閉じ込め領域、すなわち、陰極９８の表面１０５におけるマグネトロン閉じ込め１１０２、およびノズル１０４を通り抜けるミラー／ノズル閉じ込め９３を生成する。他の好ましい実施形態では、マグネトロン電子生成領域１０２は、放電キャビティ１０３内に含まれる。放電キャビティは、ヌル磁界領域９５を含む。ふた板９１内のノズル開口部１０４は、ミラー磁場９３の軸と一致している。この実施形態は以下のように構成されている。すなわち、平らなライナ９８は、ガンドリルで穴あけされた穴９９を介して水冷され、シャント９６に組み付けられている。シャント９６に加えて、磁石９７および角度の付いたシャント１０９は、図に示した不平衡磁界を生成する。シャント９６および１０９は磁性鋼で作られている。平面陰極９８ならびに磁石構成部品９６、９７および１０９は、電気的にフローティングされているボックス９０内の電気絶縁体（図示せず）によってつるされている。電気的にフローティングされている板９１は、ボックス９０に固定されている。ふた板９１は、穴９２を介して水冷される。ボックス９０およびふた板９１は、アルミニウムで作られ、非磁性体である。ふた板９１および陰極９８に水を送るための配管は示していない。ガス２７は、ねじ穴１００を介してボックス９０にパイプで送られる。ガス２７は、磁石シャント９６の周りを流れて、放電キャビティ１０３に至る。本発明の他の実施形態では、電源１０８がオンになるとき、マグネトロンプラズマ１０２が点火し、電子をミラー閉じ込め領域１０６に供給する。ミラー閉じ込め領域１０６内に捕獲された電子は、ガス２７と衝突して、やはりノズル１０４の開口部を通って抜け出そうとし、高密度のプラズマ９４が生成される。
【００５２】
図１１に示した本発明の他の態様は、分離した陽極１０７を使用することである。図に示すように、ふた９１は、電気回路の中で電極として接続されてはいない。ふた９１の重要な側面は、抜け出るガス２７に伝導制限を加え、それにより、ノズル１０４内のミラー閉じ込め領域１０６を通ってガスが抜け出すように強制することである。電子の移動度が高いと仮定すると、源の外部のリターン電極１０７を電気的に位置決めすることにより、源が点火した後、源の性能には目立った変化はほとんど生じない。陽極１０７は、陰極９８からさらに離れているので、プラズマ１０２を起動するには、（ベース圧力および使用される電源１０８の点火電圧に応じて）キャビティ１０３内に圧力スパイク(pressure spike)が必要となることがある。導電性プラズマ１０２が点火すると、陽極電極は、プロセスチャンバ内のどんな位置に配置することもできる。陽極電極がノズル１０４であるとき、前述の通り、イオン加速の利点を多少得ることができる。図１１に示す源では、ライナ９８の材料はアルミニウムである。アルミニウムは、酸素ガス２７が使用され、陰極表面１０５上に形成する反応生成物アルミナのスパッタリングが非常に遅いとき、良好な２次電子放出面であるという利点を有する。所与の電力に対する高い電子電流が生成され、陰極材料９８がスパッタリングされる速度が遅いので、これらはビーム源の動作にとって利点である。これらの特徴を有する他の材料を使用してもよい。アルゴンプラズマ９４が求められているとき、良好な陰極材料は炭素である。例外的な２次電子放出面ではないが、炭素のアルゴン中でのスパッタリングは非常に遅い。図１１は断面図であることに留意されたい。前述の図に示すように、この源は、円形または長方形とすることができ、また１メートルを超える長さにまで伸ばすことができる。
【００５３】
図１２Ａは、本発明の好ましい一実施形態による２つの源３００を実装するデュアルＰＢＳ構成の断面図を示している。この実施形態では、源３００は、ＰＥＣＶＤコーティングを施すための、建築用ガラスなどの平面基板３０１の上方に配置されている。源３００は断面図で示してあり、３ｍを超える長さとすることができる。ガラス基板３０１は、プラズマビーム源３００の下のローラー３０６上で運ばれる。プラズマビーム源３００は、磁石３２４および３２５の極性が２つの源の間で逆であること以外は同一である。シャントボックス３２０は、磁石３２４または３２５を支持する。コア３２１は、ボックス３２０内部で絶縁体（図示せず）によって支持されている。コア３２１は、ガンドリルで穴あけされた穴３２２および相互接続された水配管（図示せず）を介して水冷されている。ターゲットライナ３１２は、中心のシャント３２３と同様に、コア３２２に固定されている。これら３つの部品は、電気的に接続され、源の電極を形成する。天板３０５は、ガス３１０を、源の長手方向に沿って均一に源のキャビティ３１１の内部に分配するための、マニホルド３０９を備える。板３０５はまた、キャビティ３１１の中心にノズル３０６を有する。板３０５は、ガンドリルで穴あけされた穴３２８を介して水冷されている。板３０５は、ねじ（図示せず）を用いてボックス３２０に固定されている。アルミニウムのフレーム３３０は、板３０５とボックス３２０の間隔をあける。
【００５４】
２つの源３００のコア電極３２１は、交流電源３２９の両側に接続されている。電源３２９は、周波数範囲が２０ｋＨｚから５００ｋＨｚの間の交流電源である。この中間の周波数範囲は、電極表面上の絶縁膜ビルドアップを介して電流を容量結合するのに十分高い周波数であるので好ましい。やはり、定格数十ｋＷの中間周波数の電源は、容易に利用可能であり、相対的に低コストである。これより高いまたはこれより低い周波数の電源を使用することもできる。源３００、ボックス３２０および天板３０５は、接地することも、またはフローティングさせることもできる。
【００５５】
反応性および／または不活性ガス３１０は、マニホルド３０９を介して、源の放電キャビティ３１１に送り込まれる。源３００の外部では、マニホルド３０７が前駆ガス３０８を供給する。たとえば、ガス３１０は酸素ガスとすることができ、またガス３０８は、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）などのシリコン含有ガスとすることができる。前駆ガス３０８をＰＢＳの外部に供給することにより、源３００内部の絶縁コーティングビルドアップが最小化される。これは、従来技術のＰＥＣＶＤ源を上回る、ＰＢＳにとって重要な利点である（図４参照）。
【００５６】
動作にあたっては、源３００は、それぞれ陰極電極として交代する。陰極として、放電キャビティ３１１の内部のマグネトロン３０３が点火し、ミラープラズマ３０２を駆動する電子を放出する。一方のＰＢＳが陰極である間、第２のＰＢＳは回路の陽極である。単一のＰＢＳを用いると、時が経つにつれて、ＰＢＳ内部のライナ電極３１２は相対的に析出がないが、アースを介する電流のリターンパスは、場合によっては絶縁膜でコーティングされることがある。この現象は「消失陽極（ｄｉｓａｐｐｅａｒｉｎｇ  ａｎｏｄｅ）」効果と呼ばれ、反応性スパッタリングプロセスではよく知られている。交流電源の両端間で２つのＰＢＳを構成することにより、両方の電極３１２が、プロセスチャンバ内で生じる絶縁性析出から「隠れる」だけでなく、各電極が順に陰極として動作するので、薄い絶縁性ビルドアップが絶えず取り除かれる。この構成により、連続的で、長期の、絶縁膜ＰＥＣＶＤプロセスが可能になる。電気的には、この構成は、ＥｓｔｅｓおよびＷｅｓｔｗｏｏｄ、ならびにＳｃｈｅｒｅｒ、Ｓｃｈｍｉｔｔ、ＬａｔｚおよびＳｃｈａｎｚによる公開公報に記載のデュアルマグネトロン陰極装置と同様である。ノズル開口により電子生成マグネトロン放電をプロセスチャンバから分離することは、ＰＥＣＶＤ用のデュアルアンバランスドマグネトロン構成を上回るＰＢＳの相違点および重要な利点である。
【００５７】
ＰＥＣＶＤでは、プラズマが存在すると前駆ガスの分解が起きる。プラズマ生成を駆動する電極が前駆ガスにさらされる場合、著しい割合の析出が電極上に生じる。スパッタマグネトロンタイプのプラズマ源が使用され、前駆物質が、強いレーストラック(racetrack)負グローにさらされているとき、特にこのことが当てはまる。１つまたは複数の電極上のコーティングビルドアップは、プロセスを非常に困難にする。電気回路のインピーダンスはビルドアップによって変化し、プロセスの安定性に影響を及ぼす。析出速度および材料使用量などのプロセスの効率は、析出が電極上に生じる程度にまで低減される。フレキシブルウェブまたは建築用ガラスのような基板上での長いコーティングの流れは、実用的ではない。また、さらされている電極を頻繁に清浄にし、置き換えるための保守が煩わしい。デュアルＰＢＳ構成を用いると、内部のマグネトロン陰極上のコーティングビルドアップが最小になり、ＰＥＣＶＤコーティングの広がりを長くすることができる。
【００５８】
図１２Ａに示すデュアルＰＢＳ構成の他の重要な特徴は、交流電源サイクルで、源３００から放射するイオンビームを生成することである。図１２Ｂは、この効果を説明するために、１つのＰＢＳのノズル領域の詳細図を示している。交流電源を用いてデュアルＰＢＳを動作させている間、互いに一方のＰＢＳが陽極であり、もう一方のＰＢＳが陰極である。陽極である間、すべての電子３１５は、陽極に流れて、電源に戻らなければならない。ＰＢＳの内部電極３１２に到達するために、電子３１５は、ノズル開口部３０６を介してキャビティ３１１に入らなければならない。電子３１５は、この開口部に向けて移動するとき、ノズル開口部３０６を介して放出するミラー磁界３２７によって妨害される。ミラー磁界３２７は、ノズル３０６内の強い磁界によって生成され、基板３０１により近くのそれより弱い磁界領域に延びる。電子電流の流れがミラーを横切るのを妨害されるので、電圧降下が生じる。点線３１６および３１４は、おおよそこの電圧降下の領域を示す。点線３１４は、ノズル３０６内の磁界のうちでもっとも強い領域である。点線３１６は、それより弱い磁界の領域であり、ミラー電子閉じ込めの開始点に近い。線３１６の位置は、例示する目的で示してあり、基板の位置および磁力線３２７の強さに応じて、基板により近くてもよい。電子３１５はキャビティ３１１に流れることを妨害されているので、ガスの原子３１８は、ノズル３０６を介してキャビティ３１１から流れ出ている。これらの中性原子は電子３１５と衝突し、イオン３１７が形成される。次いで、イオン３１７は、線３１４から３１６を横切る電界に遭遇し、源３００から基板３０１に向けて加速される。この総合的な効果は、軸方向の電子ミラー閉じ込めを有する「エンドホール」効果を利用するイオン源と同様である。動作にあたっては、イオン３１７の高密度で直線のビームが、半周期ごとに源３００から基板３０１に向けて流れる。同時に、陰極ＰＢＳから流れ出る電子は、このイオンビームを中和する。その結果として、理想的で、中和され、均一で、高密度なイオンビームが基板に衝突する。イオンエネルギーは、ほぼ６０〜１２０ｅＶである。
【００５９】
源３００を設置するとき、コア３２１に冷却水を送る水配管路を絶縁して電子が配管路に到達するのを防止することが重要である。プロセスチャンバ内において、電極電位にある水回りの器具または他の構成部品に電子が到達することができる場合、各電子は、陽極サイクル中にこの構成部品に流れ込むことになる。電源への「より容易な」戻り道を見つけることができる場合、電子はノズル３０６内のミラーインピーダンスに抵抗しようとはしないので、このことが起きる。
【００６０】
イオン衝撃により膜の質が大幅に改善されることが、当技術分野でよく知られている。イオン衝撃がないと、ＰＥＣＶＤ膜は柔らかく低密度になることがある。高い品質を生み出すのに、高密度膜イオン衝撃がしばしば使用される。これは普通、基板をバイアスすることにより、または別個のイオン源を使用することにより行われる。追加の電源が必要になるが、基板をバイアスすることは相対的に簡単である。しかし、厚いプラスチックまたは建築用ガラスのような基板には、バイアスすることが難しいものもある。第２の方法である、別個のイオン源を使用することには電極暴露の問題があり、また、各イオン源は通常、大面積の高速ＰＥＣＶＤに要求される直線的な構成および電流密度を欠いている。図１２Ａおよび１２Ｂに示すデュアルＰＢＳ構成は、これらの問題を解決し、いくつかの重要な利点を有する。
【００６１】
インライン建築用ガラスコーティングおよびロールコーティングフレキシブルウェブなどの用途に対して、長い連続した析出の流れが可能である。電極をコーティングから保護することの重要性は、これらの用途では強調し過ぎることはない。デュアルＰＢＳの実際の用途においては、内部放電キャビティ３１１の内部のコーティングを最小限にとどめて、ＳｉＯ２などの数百ミクロンの絶縁膜を基板上に析出することができる。
【００６２】
磁気電子閉じ込めにより、広い面積にわたって均一な被膜が可能になる。従来技術のＰＥＣＶＤプロセスでは、簡略で、むき出しのＲＦ平坦電極がしばしば使用されてきた。これらのＲＦ電極は、急速にコーティングされるだけでなく、大きい電極にわたってプラズマの均一性を実現し維持することが難しい。
【００６３】
各ＰＢＳから交互に生じる６０〜１２０ｅＶのイオンビームは固有であり、高密度、高品質の有用な膜を可能にする。この均一で中和されたイオンビームは、ＰＥＣＶＤプロセスにとって非常に有益である。
【００６４】
ＰＢＳから放射する高密度プラズマ、陰極からの電子ビームおよび陽極からのイオンビーム（電源とともに交代する）は、高い析出速度を達成する。たとえば、酸素ガスおよびＨＭＤＳＯを使用して二酸化シリコン膜を析出する際、通常２００ｎｍ〜ｍ／ｍｉｎの動的析出速度が達成される。
【００６５】
デュアルＰＢＳは、非磁気的に閉じ込められるＰＥＣＶＤ源に対して、低い圧力で動作することができる。これにより、粉末形成なしに高出力を使用することが可能になり、したがって、高い析出速度、高い膜質のプロセスが可能になる。
【００６６】
デュアルＰＢＳ源３００内の磁石３２４および３２５は、両方の源で同じ極が内側に向くか、または異なる極が内側に向く状態で構成することができることに留意されたい。図１２Ａは、異なる極が内側に向く２つの源を示している。
【００６７】
プラズマビーム源は、多くの利点および用途を有する。本明細書においていくつかの構成を開示してきたが、本発明の精神の範囲内でより多くの構成が可能である。ＰＢＳの重要な用途は、広い面積の基板上でのＰＥＣＶＤである。この用途領域内では、多くの基板およびコーティングのプロセスが可能である。この基板の範囲には、多くの異なるサイズおよび形状が含まれる。まだ言及していないものには、狭いフレキシブルウェブおよび広いフレキシブルウェブ、建築用ガラスおよび車両ガラスまたは太陽電池パネルのような大きい平面基板、ならびに、車両フロントガラスおよび前照灯反射鏡または携帯電話のカバーのような３次元部品のグループが含まれることになる。プラスチックおよびガラスのような絶縁材料、導電性金属ならびに半導体材料など、多くの基板材料を使用することができる。広範囲の前駆物質選択が可能なＰＢＳを使用して、ＰＥＣＶＤによって広範囲の材料を析出することができる。前駆物質は容易に入手可能であり、安全性および環境の問題を最小限に抑え、低コストであるため、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＣおよびこれらすべての混合物のような膜は、すべて容易に析出される。また、好都合に使用可能な、前駆物質を含む多くの金属、金属窒化物および金属酸化物が、今日入手可能である。ＰＢＳを用いるＰＥＣＶＤは、いくつかの薄膜用途、たとえば、バリア膜、オプティカルコーティング、耐摩耗膜、機能性電気膜、光触媒コーティング、抗菌性コーティング、透明な導電性膜、カラーシフティングコーティング、および放射性膜に適用することができる。ＰＥＣＶＤ以外で、他のＰＢＳ使用法には、前述の通り、反応性イオンエッチング、プラズマ洗浄、反応性蒸着プロセスの支援、およびプラズマ処理が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】本発明によるプラズマビーム源の断面図である。
【図１Ｂ】図１に示した破線の円１Ｂ内に示された、プラズマビーム源のボックスの中のプロセスガス導管の拡大図である。
【図２】カバーを取り外した状態の、図１の装置の上部断面図である。
【図３】図１の装置の等角図である。
【図４】ビームが基板および別々のガス注入口に向けられている状態の、図１のプラズマビーム源の図である。
【図５】電子ビーム蒸着の用途において反応性析出を支援するために使用される、図１のプラズマビーム源の図である。
【図６】遊星ギア／ボックス（ｐｌａｎｅｔａｒｙ／ｂｏｘ）のコーティング用途に適用される、図１のプラズマビーム源の側面図である。
【図７】プラズマが、移動しているバイアスされた基板に向けられている状態の、図１のプラズマビーム源の図である。
【図８】互いに向き合い、反対極の磁石を有する、図１の２つのプラズマビーム源を示す図である。
【図９】宇宙スラスタ(space thruster)用途向けの、本発明の電磁バージョンの断面図である。
【図１０】イオン源の特徴を改善する電力構成を有する、好ましい一実施形態を示す図である。
【図１１】垂直に配向された磁石および平面陰極を実装するプラズマビーム源の断面図である。
【図１２Ａ】本発明の好ましい一実施形態による、単一の交流電源の両端に接続された２つのプラズマビーム源を示す図である。
【図１２Ｂ】１つのプラズマビーム源ＰＢＳのノズル領域の詳細図である。
【図１３】従来技術のアンバランスドマグネトロンスパッタ源の断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  磁石
２  磁石
３  シャントボックス
４  ポート
５  カバー
６  ノズル
７  配管
８  源の領域
９  高密度プラズマ
１０  中心シャント
１１  シャント
１２  ブロック
１３  穴
１４  絶縁部片
１５  絶縁体
１６  ライナ
１７  電源
１８  力線
１９  力線
２０  終端の磁石
２１  終端の磁石
２２  溝
２３  基板
２４  プラズマビーム源
２４ａ  ビーム源
２４ｂ  ビーム源
２５  ヌル磁界領域
２６  放電キャビティ
２７  ガス
２８  蒸発材料
２９  蒸発物
３０  シールド
３１  ビーム
３９  閉じ込め領域
４０  チューブ
４１  混合気
４３  モノマー前駆ガス
５１  ステージ
５２  バイアス電源
６０  磁石
６１  磁石
６２  磁石
６３  磁石
６４  ロール
７０  電磁石
７１  電磁石
７２  絶縁体板
７３  絶縁体リング
７４  電源
７６  絶縁体板７６
７８  ギャップ
７９  ガスキャビティ
８０  プロセスガスマニホルド
８１  絶縁体
８３  電源
８４  電源
８５  分配穴
８６  絶縁体
９０  ボックス
９１  ふた板
９２  ポート
９３  ミラー／ノズル閉じ込め
９４  高密度のプラズマ
９５  ヌル磁界領域
９６  シャント
９７  磁石
９８  陰極
９９  穴
１００  ギャップ
１０２  マグネトロン電子生成領域
１０３  放電キャビティ
１０４  ノズル
１０５  表面
１０６  ミラー閉じ込め領域
１０７  陽極
１０８  電源
１０９  シャント
１１０  幅
１１５  幅
１７０  平らな円板圧縮領域
１７１  円錐形の圧縮領域
３００  ２つの源
３０１  平面基板
３０５  天板
３０６  ローラー
３０７  マニホルド
３０８  前駆ガス
３０９  マニホルド
３１０  ガス
３１１  キャビティ
３１２  ターゲットライナ
３１４  点線
３１５  電子
３１６  点線
３１７  イオン
３１８  ガスの原子
３２０  シャントボックス
３２１  コア
３２２  穴
３２３  シャント
３２４  磁石
３２５  磁石
３２７  ミラー磁界
３２８  穴
３２９  交流電源
３３０  フレーム
１１００  プラズマビーム源
１１０２  マグネトロン閉じ込め
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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