(57)【要約】  イオンを抽出して加速させる方法およびイオン源が提供される。このイオン源は、チャンバを含む。また、イオン源はさらに、第１のホロカソードキャビティおよび第１のプラズマ出口オリフィスを有する第１のホロカソードと、第２のホロカソードキャビティおよび第２のプラズマ出口オリフィスを有する第２のホロカソードと、を含む。第１および第２のホロカソードは、チャンバ内で隣接して配置されている。イオン源はさらに、第１のプラズマ出口オリフィスとチャンバとの間に配置され、第１のプラズマ出口オリフィスおよびチャンバと連通した第１のイオン加速器を含む。第１のイオン加速器は、第１のイオン加速キャビティを形成する。イオン源はさらに、第２のプラズマオリフィスとチャンバとの間に配置され、第２のプラズマオリフィスおよびチャンバと連通した第２のイオン加速器を含む。第２のイオン加速器は、第２のイオン加速キャビティを形成する。第１のホロカソードおよび第２のホロカソードは、交互に電極および対極として機能してプラズマを発生させるように構成されている。
2019501496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
第１のホロカソードキャビティおよび第１のプラズマ出口オリフィスを有する第１のホロカソードと、第２のホロカソードキャビティおよび第２のプラズマ出口オリフィスを有する第２のホロカソードと、
前記第１のプラズマ出口オリフィスと前記チャンバとの間に配置され、前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記チャンバと連通した第１のイオン加速器と、
前記第２のプラズマオリフィスと前記チャンバとの間に配置され、前記第２のプラズマオリフィスおよび前記チャンバと連通した第２のイオン加速器と、を備え、
前記第１のホロカソードおよび前記第２のホロカソードは、前記チャンバ内で隣接して配置され、
前記第１のイオン加速器は第１のイオン加速キャビティを形成し、
前記第２のイオン加速器は第２のイオン加速キャビティを形成し、
前記第１のホロカソードおよび前記第２のホロカソードは、交互に電極および対極として機能してプラズマを発生させるように構成され、
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティは各々、イオンの抽出および加速ができるだけの十分なものである、イオン源。
【請求項２】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方から抽出して加速させたイオンは、単一の狭いビーム、単一の大面積ビーム、単一のビームの列、連続したリニアイオンビームのカーテンのうちの１つを形成する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方から前記抽出して加速させたイオンは、平行イオンビームを形成する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
前記第１のホロカソードと前記第１のイオン加速器が第１の同一の電位差にあり、前記第２のホロカソードと前記第２のイオン加速器が第２の同一の電位差にある、請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
前記第１のホロカソードと前記第１のイオン加速器が前記プラズマの電位に対して第１の同一の極性にあり、前記第２のホロカソードと前記第２のイオン加速器が前記プラズマの前記電位に対して第２の同一の極性にある、請求項１に記載のイオン源。
【請求項６】
前記第１のイオン加速器が前記第１のホロカソードの一部を含むおよび／または前記第２のイオン加速器が前記第２のホロカソードの一部を含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
前記第１のイオン加速キャビティが前記第１のイオン加速器のスロットを含むおよび／または前記第２のイオン加速キャビティが前記第２のイオン加速器のスロットを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項８】
前記第１のイオン加速器と前記第１のホロカソードとが互いに電気的に絶縁されているおよび／または前記第２のイオン加速器と前記第２のホロカソードとが互いに電気的に絶縁されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項９】
前記第１のイオン加速器の前記電位および前記第２のイオン加速器の前記電位のうちの少なくとも一方は、前記プラズマの前記電位に対して負と正との間で周期的に切り替わっている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記第１のイオン加速器が前記第１のホロカソードの外側に電気的に接続されているおよび／または前記第２のイオン加速器が前記第２のホロカソードの外側に電気的に接続されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記第１のイオン加速器が前記第１のホロカソードの内側に電気的に接続されているおよび／または前記第２のイオン加速器が前記第２のホロカソードの内側に電気的に接続されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１２】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、カウンターボアで広げた穴、矩形のスロット、半円形、錐形、逆錐形、釣り鐘形のうちの１つの形態である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１３】
前記第１のイオン加速器および前記第２のイオン加速器のうちの少なくとも一方の内側の表面は、電子を放出しているおよび電子を受け取っている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１４】
前記第１のホロカソード、前記第１のイオン加速器、前記第２のホロカソード、前記第２のイオン加速器のうちの少なくとも１つの外側の表面は、電気的に絶縁されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１５】
前記外側の表面は、ポリマーおよび非導電性セラミックのうちの少なくとも１つによって電気的に絶縁されている、請求項１４に記載のイオン源。
【請求項１６】
前記外側の表面は、ダークスペースシールドによって電気的に絶縁されている、請求項１４に記載のイオン源。
【請求項１７】
前記チャンバは、真空チャンバを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１８】
前記第１のプラズマ出口オリフィスが前記第１のホロカソードと前記チャンバとの間のガスの流れを制限するおよび／または前記第２のプラズマ出口オリフィスが前記第２のホロカソードと前記チャンバとの間のガスの流れを制限する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１９】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、細長いキャビティを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２０】
前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、プラズマ出口ノズルを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２１】
前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、複数のプラズマ出口ノズルを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２２】
前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、リニアスロットを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２３】
前記第１のイオン加速キャビティが前記第１のプラズマ出口オリフィスから出るガスを部分的に囲むおよび／または前記第２のイオン加速キャビティが前記第２のプラズマ出口オリフィスから出るガスを部分的に囲む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２４】
前記抽出して加速させたイオンの平均エネルギーは、１００ｅＶ未満である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２５】
前記抽出して加速させたイオンの平均エネルギーは、１００ｅＶを上回る、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２６】
前記第１のホロカソード、前記第１のイオン加速器、前記第２のホロカソード、前記第２のイオン加速器のうちの少なくとも１つに動力を供給するように構成された電力源をさらに含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２７】
前記電力源は、２００Ｖから１０００Ｖの二乗平均の平方根のＡＣ電圧で動作する、請求項２６に記載のイオン源。
【請求項２８】
前記電力源は、２０Ｖから２００Ｖの二乗平均の平方根のＡＣ電圧で動作する、請求項２６に記載のイオン源。
【請求項２９】
前記第１および第２のホロカソードは、正電極として働いている前記ホロカソードが、前記チャンバの壁よりも正に振れる量が大きくバイアスするように構成されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３０】
前記第１および第２のイオン加速器は、前記イオン加速器および前記ホロカソードそれぞれのサイクルの正の部分の間、前記第１および第２のイオン加速器が対応する第１および第２のホロカソードよりも正に振れる量が大きくバイアスするように構成されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３１】
前記第１および第２のイオン加速器は、前記イオン加速器および前記ホロカソードそれぞれのサイクルの正の部分の間、前記第１および第２のイオン加速器が対応する第１および第２のホロカソードよりも正に振れる量が小さくバイアスするように構成されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３２】
唯一の電気的に活性な表面は、本質的に、前記第１および第２のホロカソード各々の内壁および前記第１および第２のイオン加速器各々の内壁からなる、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３３】
前記第１のホロカソードおよび前記第２のホロカソードが電極と対極との間で交互に切り替わる周波数は、１ｋＨｚから１ＭＨｚである、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３４】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、イオンの衝撃を共通の線に分布させるように角度をなしている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３５】
前記プラズマが自己中和している、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３６】
前記イオン源には、ホール電流が存在しない、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３７】
前記イオン源には、加速グリッドが存在しない、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３８】
前記イオン源は、長さが約０．１ｍから約４ｍであり、前記イオン源の前記長さ全体でプラズマおよびイオン放出が均一である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３９】
イオンを抽出し、加速させる方法であって、
（ｉ）チャンバと、
第１のホロカソードキャビティおよび第１のプラズマ出口オリフィスを有する第１のホロカソードと、第２のホロカソードキャビティおよび第２のプラズマ出口オリフィスを有する第２のホロカソードと、
前記第１のプラズマ出口オリフィスと前記チャンバの間に配置され、前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記チャンバと連通した第１のイオン加速器と、
前記第２のプラズマオリフィスと前記チャンバとの間に配置され、前記第２のプラズマオリフィスおよび前記チャンバと連通した第２のイオン加速器と、を備え、
前記第１のホロカソードおよび前記第２のホロカソードは、前記チャンバ内で隣接して配置され、
前記第１のイオン加速器は第１のイオン加速キャビティを形成し、
前記第２のイオン加速器は第２のイオン加速キャビティを形成する、イオン源を準備し、
（ｉｉ）電極および対極として交互に機能するように構成された前記第１のホロカソードおよび前記第２のホロカソードを用いてプラズマを発生させ、
（ｉｉｉ）イオンを抽出して加速させることを含み、前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティは各々、前記イオンの抽出および加速ができるだけの十分なものである、方法。
【請求項４０】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方から抽出して加速させたイオンは、単一の狭いビーム、単一の大面積ビーム、単一のビームの列、連続したリニアイオンビームのカーテンのうちの１つを形成する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方から前記抽出して加速させたイオンは、平行イオンビームを形成する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１のホロカソードと前記第１のイオン加速器が第１の同一の電位差にあり、前記第２のホロカソードと前記第２のイオン加速器が第２の同一の電位差にある、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１のホロカソードと前記第１のイオン加速器が前記プラズマの電位に対して第１の同一の極性にあり、前記第２のホロカソードと前記第２のイオン加速器が前記プラズマの前記電位に対して第２の同一の極性にある、請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記第１のイオン加速器が前記第１のホロカソードの一部を含むおよび／または前記第２のイオン加速器が前記第２のホロカソードの一部を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１のイオン加速キャビティが前記第１のイオン加速器のスロットを含むおよび／または前記第２のイオン加速キャビティが前記第２のイオン加速器のスロットを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１のイオン加速器と前記第１のホロカソードとが互いに電気的に絶縁されているおよび／または前記第２のイオン加速器と前記第２のホロカソードとが互いに電気的に絶縁されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１のイオン加速器の前記電位および前記第２のイオン加速器の前記電位のうちの少なくとも一方は、前記プラズマの前記電位に対して負と正との間で周期的に切り替わっている、請求項３９に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１のイオン加速器が前記第１のホロカソードの外側に電気的に接続されているおよび／または前記第２のイオン加速器が前記第２のホロカソードの外側に電気的に接続されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１のイオン加速器が前記第１のホロカソードの内側に電気的に接続されているおよび／または前記第２のイオン加速器が前記第２のホロカソードの内側に電気的に接続されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、カウンターボアで広げた穴、矩形のスロット、半円形、錐形、逆錐形、釣り鐘形のうちの１つの形態である、請求項３９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１のイオン加速器および前記第２のイオン加速器のうちの少なくとも一方の内側の表面は、電子を放出しているおよび電子を受け取っている、請求項３９に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１のホロカソード、前記第１のイオン加速器、前記第２のホロカソード、前記第２のイオン加速器のうちの少なくとも１つの外側の表面は、電気的に絶縁されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項５３】
前記外側の表面は、ポリマーおよび非導電性セラミックのうちの少なくとも１つによって電気的に絶縁されている、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記外側の表面は、ダークスペースシールドによって電気的に絶縁されている、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記チャンバは、真空チャンバを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１のプラズマ出口オリフィスが前記第１のホロカソードと前記チャンバとの間のガスの流れを制限するおよび／または前記第２のプラズマ出口オリフィスが前記第２のホロカソードと前記チャンバとの間のガスの流れを制限する、請求項３９に記載の方法。
【請求項５７】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、細長いキャビティを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項５８】
前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、プラズマ出口ノズルを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項５９】
前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、複数のプラズマ出口ノズルを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１のプラズマ出口オリフィスおよび前記第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、リニアスロットを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１のイオン加速キャビティが前記第１のプラズマ出口オリフィスから出るガスを部分的に囲むおよび／または前記第２のイオン加速キャビティが前記第２のプラズマ出口オリフィスから出るガスを部分的に囲む、請求項３９に記載の方法。
【請求項６２】
前記抽出して加速させたイオンの平均エネルギーは、１００ｅＶ未満である、請求項３９に記載の方法。
【請求項６３】
前記抽出して加速させたイオンの平均エネルギーは、１００ｅＶを上回る、請求項３９に記載の方法。
【請求項６４】
前記イオン源が、前記第１のホロカソード、前記第１のイオン加速器、前記第２のホロカソード、前記第２のイオン加速器のうちの少なくとも１つに動力を供給するように構成された電力源をさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項６５】
前記電力源は、２００Ｖから１０００Ｖの二乗平均の平方根のＡＣ電圧で動作する、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記電力源は、２０Ｖから２００Ｖの二乗平均の平方根のＡＣ電圧で動作する、請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
前記第１および第２のホロカソードは、正電極として働いている前記ホロカソードが、前記チャンバの壁よりも正に振れる量が大きくバイアスするように構成されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項６８】
前記第１および第２のイオン加速器は、前記イオン加速器および前記ホロカソードそれぞれのサイクルの正の部分の間、前記第１および第２のイオン加速器が対応する第１および第２のホロカソードよりも正に振れる量が大きくバイアスするように構成されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項６９】
前記第１および第２のイオン加速器は、前記第１および第２のイオン加速器が対応する第１および第２のホロカソードよりも正に振れる量が小さくバイアスするように構成されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項７０】
唯一の電気的に活性な表面は、本質的に、前記第１および第２のホロカソード各々の内壁および前記第１および第２のイオン加速器各々の内壁からなる、請求項３９に記載の方法。
【請求項７１】
前記第１のホロカソードおよび前記第２のホロカソードが電極と対極との間で交互に切り替わる周波数は、１ｋＨｚから１ＭＨｚである、請求項３９に記載の方法。
【請求項７２】
前記第１のイオン加速キャビティおよび前記第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、イオンの衝撃を共通の線に分布させるように角度をなしている、請求項３９に記載の方法。
【請求項７３】
前記プラズマが自己中和している、請求項３９に記載の方法。
【請求項７４】
前記イオン源には、ホール電流が存在しない、請求項３９に記載の方法。
【請求項７５】
前記イオン源には、加速グリッドが存在しない、請求項３９に記載の方法。
【請求項７６】
前記イオン源は、長さが約０．１ｍから約４ｍであり、前記イオン源の前記長さ全体でプラズマおよびイオン放出が均一である、請求項３９に記載の方法。
【請求項７７】
前記第１のホロカソードキャビティおよび前記第２のホロカソードキャビティのうちの少なくとも１つにプラズマ形成ガスを導入することをさらに含み、プラズマ形成ガスが導入される各ホロカソードについて、前記ホロカソードキャビティ、前記プラズマ出口領域、前記イオン加速キャビティ、前記チャンバ間に、圧力勾配が、当該圧力勾配が減少する順に形成される、請求項３９に記載の方法。
【請求項７８】
前記抽出して加速させたイオンを用いてコーティングをほどこすことをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項７９】
コーティングをほどこすことで、コーティングの密度が高まる、請求項３９に記載の方法。
【請求項８０】
前記抽出して加速させたイオンを用いて基板を処理することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項８１】
前記基板を処理することは、加熱、洗浄、表面エッチング、表面の化学修飾のうちの少なくとも１つを含む、請求項８０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
加熱、洗浄、表面エッチング、表面の化学修飾での形態の基板処理をはじめとして、多岐にわたる用途にイオン源がよく用いられている。イオン源を使用すれば、酸化物、ダイヤモンド様の炭素などの有用なコーティングをほどこすことができる。また、真空蒸着プロセスの一助として、あるいは薄膜の成長を変更するのにイオン源を使用することもできる。たとえば、イオン源を使用して、堆積原子を高密度化・結晶化したり、堆積原子と化学反応させたりすることができる。実質的にあらゆるイオン源が、真空チャンバの減圧下で動作するように設計されている。イオン源によっては、宇宙船の加速用に低推力で長時間動作するエンジンとして使用することができる。
【０００２】
最も基本的な形態では、イオン源は一般に、プラズマ形成用の構成要素と、そのプラズマからイオンを抽出して加速させるための追加の構成要素とからなる。これらの追加の構成要素は一般に、プラズマ形成用の構成要素によって生成される場以外のプラズマガス内に、電場または磁場を形成する。これらの追加の場は、イオンに引力または斥力を加え、結果的にイオンを加速させる。また、追加の構成要素がゆえに、イオン源全体が複雑になってしまう。
【０００３】
プラズマの大部分のイオンは正に荷電している。すなわち、これらのイオンはイオン化された原子または分子であり、一般に電子を１〜２個欠いている。これらのイオンがプラズマから加速されると、得られるイオンビームは、負の粒子（たとえば、電子など）よりも多くの正に荷電した粒子を運ぶことが多い。この電気的な不均衡が、真空ハードウェアまたはプロセスに問題を引き起こす可能性がある。これらの状況を補正するために、しばしば熱フィラメント熱電子エミッターまたはホロカソード電子源などの追加の電子源装置を加え、イオンビームに電荷平衡電子を注入する。これらの電子源は一般に中和器と呼ばれている。追加される他の構成要素と同様に、中和器を使用すると、イオン源全体が複雑になってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イオン源に使用されるプラズマ形成用の構成要素の一例が、ホロカソードである。ホロカソードは、リニアホロカソードおよびポイントホロカソードを含む。リニアホロカソードは、イオン源では使用されないのが普通である。（たとえば、宇宙船加速用の）スラスタとして用いられるイオン源では使用されることもあるが、このようなプラズマ点源は通常（たとえばＰＥＣＶＤコーティングプロセスなど）基板のコーティングには使用されない。ホロカソードを使用する場合、ほとんどのイオン源と同様に、ホロカソードプラズマからのイオンの抽出には、別に電力を供給される電極および磁石などの追加の構成要素を取り付ける必要がある。これらの構成要素によって、イオン源が機械的な面とプロセス面の両方でかなり複雑になってしまうことが多い。さらに、プラズマ形成成分としてホロカソードを使用する場合、公知のイオン源は専用のアノード構造または別のアノードオリフィスに依存し、その結果、さらに複雑になる。
【０００５】
イオン源に関する別の問題は、誘電体堆積プロセスの間に、誘電体コーティングがアノード構造上に蓄積する可能性があることである。さらに、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスでイオン源を使用する場合、ＰＥＣＶＤプロセスは、カソードまたはアノードの表面をはじめとして近くにある真空チャンバのハードウェアを汚染することで知られている（たとえば、これらのプロセスで使用される原料ガスがカソードまたはアノードの表面と反応して汚染が生じる場合がある）。
【０００６】
したがって、公知のイオン源における上記の欠点および他の欠点を解決するイオン源が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願と同一の譲受人に譲渡された、米国特許出願第１２／５３５，４４７号（現在は米国特許第８，６５２，５８６号）、米国特許出願第１４／１４８，６１２号、同第１４／１４８，６０６号、同第１４／４８６，７２６号、同第１４／４８６，７７９号、ＰＣＴ／ＵＳ１４／０６８９１９号、ＰＣＴ／ＵＳ１４／６８８５８号（それぞれの出願全体を本明細書に援用する）には、本発明の実施形態において使用できるものなど、さまざまなホロカソードプラズマ源が記載されている。
【０００８】
また、本出願と同一の譲受人に譲渡された、発明の名称「Ｐｌａｓｍａ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｄｒｉｖｅｎ  ｂｙ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｐｈａｓｅ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｏｒ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ」で２０１５年１１月１６日に出願された米国特許出願第１４／９４２，７３７号ならびに、発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｐｌａｓｍａ  ｂｙ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｐｈａｓｅ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｏｒ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ」で２０１５年１１月１６日にファイルされた米国特許出願第１４／９４２，６７３号も、その内容全体を本明細書に援用する。
【０００９】
本発明の実施形態は、驚くほど単純なホロカソードベースのイオン源を含む。本発明の実施形態は、追加の電極、加速グリッド、磁場、中和器またはイオンを抽出して加速させるための他の追加の構成要素を必要とすることなく、エネルギーの高いイオンビームを生成することができる。また、本発明の実施形態は、カソードおよびアノードの表面を汚染から保護することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、イオン源が提供される。このイオン源は、チャンバを含む。また、イオン源はさらに、第１のホロカソードキャビティおよび第１のプラズマ出口オリフィスを有する第１のホロカソードと、第２のホロカソードキャビティおよび第２のプラズマ出口オリフィスを有する第２のホロカソードと、を含む。第１および第２のホロカソードは、チャンバ内で隣接して配置されている。イオン源はさらに、第１のプラズマ出口オリフィスとチャンバとの間に配置され、第１のプラズマ出口オリフィスおよびチャンバと連通した第１のイオン加速器を含む。第１のイオン加速器は、第１のイオン加速キャビティを形成する。イオン源はさらに、第２のプラズマ出口オリフィスとチャンバとの間に配置され、第２のプラズマ出口オリフィスおよびチャンバと連通した第２のイオン加速器を含む。第２のイオン加速器は、第２のイオン加速キャビティを形成する。第１のホロカソードおよび第２のホロカソードは、交互に電極および対極として機能してプラズマを発生させるように構成されている。第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティは各々、イオンの抽出および加速ができるだけの十分なものである。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、イオンを抽出し、加速させる方法が提供される。この方法は、たとえば、本発明の第１の態様によるイオン源などのイオン源を準備することを含む。この方法はさらに、第１のホロカソードおよび第２のホロカソードを用いてプラズマを発生させることを含む。第１のホロカソードおよび第２のホロカソードは、電極および対極として交互に機能するように構成されている。この方法はさらに、イオンを抽出して加速させることを含む。第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティは各々、イオンの抽出および加速ができるだけの十分なものである。
【００１２】
（本発明のいずれかの態様による）いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方から抽出して加速させたイオンは、単一の狭いビーム、単一の大面積ビーム、単一のビームの列、連続したリニアイオンビームのカーテンのうちの１つを形成する。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方から抽出して加速させたイオンは、平行イオンビームを形成する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、第１のホロカソードと第１のイオン加速器が第１の同一の電位差にあり、第２のホロカソードと第２のイオン加速器が第２の同一の電位差にある。いくつかの実施形態では、第１のホロカソードと第１のイオン加速器がプラズマの電位に対して第１の同一の極性にあり、第２のホロカソードと第２のイオン加速器がプラズマの電位に対して第２の同一の極性にある。
【００１４】
いくつかの実施形態では、第１のイオン加速器が第１のホロカソードの一部を含むおよび／または第２のイオン加速器が第２のホロカソードの一部を含む。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティが第１のイオン加速器のスロットを含むおよび／または第２のイオン加速キャビティが第２のイオン加速器のスロットを含む。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速器と第１のホロカソードとが互いに電気的に絶縁されているおよび／または第２のイオン加速器と第２のホロカソードとが互いに電気的に絶縁されている。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速器の電位および第２のイオン加速器の電位のうちの少なくとも一方は、プラズマの電位に対して負と正との間で周期的に切り替わっている。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速器が第１のホロカソードの外側に電気的に接続されているおよび／または第２のイオン加速器が第２のホロカソードの外側に電気的に接続されている。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速器が第１のホロカソードの内側に電気的に接続されているおよび／または第２のイオン加速器が第２のホロカソードの内側に電気的に接続されている。
【００１５】
いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、カウンターボアで広げた穴、矩形のスロット、半円形、錐形、逆錐形、釣り鐘形のうちの１つの形態である。
【００１６】
いくつかの実施形態では、第１のイオン加速器および第２のイオン加速器のうちの少なくとも一方の内側の表面は、電子を放出しているおよび電子を受け取っている。いくつかの実施形態では、第１のホロカソード、第１のイオン加速器、第２のホロカソード、第２のイオン加速器のうちの少なくとも１つの外側の表面は、電気的に絶縁されている。いくつかの実施形態では、外側の表面は、ポリマーおよび非導電性セラミックのうちの少なくとも１つによって電気的に絶縁されている。いくつかの実施形態では、外側の表面は、ダークスペースシールドによって電気的に絶縁されている。
【００１７】
いくつかの実施形態では、チャンバは、真空チャンバを含む。いくつかの実施形態では、第１のプラズマ出口オリフィスが第１のホロカソードとチャンバとの間のガスの流れを制限するおよび／または第２のプラズマ出口オリフィスが第２のホロカソードとチャンバとの間のガスの流れを制限する。いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、細長いキャビティを含む。いくつかの実施形態では、第１のプラズマ出口オリフィスおよび第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、プラズマ出口ノズルを含む。いくつかの実施形態では、第１のプラズマ出口オリフィスおよび第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、複数のプラズマ出口ノズルを含む。いくつかの実施形態では、第１のプラズマ出口オリフィスおよび第２のプラズマ出口オリフィスのうちの少なくとも一方は、リニアスロットを含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティが第１のプラズマ出口オリフィスから出るガスを部分的に囲むおよび／または第２のイオン加速キャビティが第２のプラズマ出口オリフィスから出るガスを部分的に囲む。いくつかの実施形態では、抽出して加速させたイオンの平均エネルギーは、１００ｅＶ未満である。いくつかの実施形態では、抽出して加速させたイオンの平均エネルギーは、１００ｅＶを上回る。
【００１９】
いくつかの実施形態では、イオン源は、第１のホロカソード、第１のイオン加速器、第２のホロカソード、第２のイオン加速器のうちの少なくとも１つに動力を供給するように構成された電力源をさらに含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、電力源は、２００Ｖから１０００Ｖの二乗平均の平方根のＡＣ電圧で動作する。いくつかの実施形態では、電力源は、２０Ｖから２００Ｖの二乗平均の平方根のＡＣ電圧で動作する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、第１および第２のホロカソードは、正電極として働いているホロカソードが、チャンバの壁よりも正に振れる量が大きくバイアスするように構成されている。いくつかの実施形態では、第１および第２のイオン加速器は、イオン加速器およびホロカソードそれぞれのサイクルの正の部分の間、第１および第２のイオン加速器が対応する第１および第２のホロカソードよりも正に振れる量が大きくバイアスするように構成されている。いくつかの実施形態では、第１および第２のイオン加速器は、イオン加速器およびホロカソードそれぞれのサイクルの正の部分の間、第１および第２のイオン加速器が対応する第１および第２のホロカソードよりも正に振れる量が小さくバイアスするように構成されている。いくつかの実施形態では、唯一の電気的に活性な表面は、本質的に、第１および第２のホロカソード各々の内壁および第１および第２のイオン加速器各々の内壁からなる。いくつかの実施形態では、第１のホロカソードおよび第２のホロカソードが電極と対極との間で交互に切り替わる周波数は、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚである。
【００２２】
いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティのうちの少なくとも一方は、イオンの衝撃を共通の線に分布させるように角度をなしている。いくつかの実施形態では、プラズマが自己中和している。いくつかの実施形態では、イオン源には、ホール電流が存在しない。いくつかの実施形態では、イオン源には、加速グリッドが存在しない。いくつかの実施形態では、イオン源は、長さが約０．１ｍから約４ｍであり、イオン源の長さ全体でプラズマおよびイオン放出が均一である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティは、プラズマからイオンを抽出して加速させるために構成要素を追加することなくイオンの抽出および加速ができるだけの十分なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付図面は、本開示のさまざまな実施形態を示し、明細書の説明と一緒に、本開示の原理を説明するとともに本明細書に開示する実施形態を当業者が製造および使用できるようにする一助となる。図中、同様の参照番号は同一または機能的に類似の要素を示す。
【図１Ａ】図１Ａは、プラズマ出口領域としてノズルの列を有する公知のホロカソードプラズマ源を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、プラズマ出口領域としてリニアスロットを有する公知のホロカソードプラズマ源を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、プラズマ出口領域として単一の穴を有する公知のホロカソードプラズマ源を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマ出口領域としてノズルの列を有するホロカソードイオン源を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマ出口領域としてリニアスロットを有するホロカソードイオン源を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の例示的な実施形態による、プラズマ出口領域として単一の穴を有するホロカソードイオン源を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の例示的な実施形態による、別のイオン加速キャビティ形状を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、別のイオン加速キャビティ形状を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の例示的な実施形態による、別のイオン加速キャビティ形状を示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の例示的な実施形態による、別のイオン加速キャビティ形状を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態による、ホロカソード本体に形成されたイオン加速キャビティを有するイオン加速部を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、ホロカソード本体から電気的に分離されたイオン加速キャビティを有するイオン加速部を示す。
【図５】図５は、本発明の例示的な実施形態による、イオンの抽出および加速方法を示す。
【図６】図６は、本発明の例示的な実施形態による、コーティングと基板との組み合わせを示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による、２４時間のランタイム後のイオン源を示す写真である。
【図８】図８は、本発明の実施形態による、ガラス基板上のイオンエッチングパターンを示す写真である。
【図９Ａ】図９Ａは、公知のホロカソードプラズマ源によって形成されるプラズマを示す写真である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、イオン源によって形成されるプラズマを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃは、公知のホロカソードプラズマ源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを示す。図１Ａに示すように、ホロカソードプラズマ源１００Ａは、第１のリニアホロカソード１０２と、第２のリニアホロカソード１０４とを含み、いずれも電源１１６に接続されている。リニアホロカソード１０２、１０４は各々、内側のホロカソードキャビティ１１２と、プラズマ形成ガスがホロカソードキャビティ１１２に入ることができるようにするためのガス流入口１１４とを含む。また、ホロカソード１０２、１０４は、プラズマ出口領域を含む。図１Ａに示すように、プラズマ出口領域は、ホロカソードキャビティ１１２から、ホロカソードを収容するプロセスチャンバまで通じる穴またはノズル１１０Ａの列からなる。図１Ｂに示すように、プラズマ出口領域は、ホロカソード本体に設けられた１本のスロット１１０Ｂからなる。図１Ｃは、管状のホロカソード１０２Ｃ，１０４Ｃを含む管状または円筒形のホロカソードプラズマ点源を示す。ホロカソード１０２Ｃ，１０４Ｃは各々、リニアホロカソードプラズマ源についての図１Ａおよび図１Ｂのキャビティおよびガス流入口に類似した、ホロカソードキャビティ１１２Ｃとガス流入口１１４Ｃとを有する。図１Ｃに示すように、プラズマ出口領域は、単一の穴１１０Ｃからなる。図１Ｃに示すプラズマ源は、プラズマがほぼ０次元の「点」になる点源であるのに対し、図１Ａおよび図１Ｂのリニアプラズマ源は、プラズマがほぼ１次元の「線」になる。当業者であれば、得られるプラズマは数学的に０次元または１次元ではなく、これらの用語が単にプラズマ源で発生するプラズマを説明するために似たものとなぞらえているだけであることを、理解できるであろう。
【００２６】
電源１１６は、各ホロカソードと電気的に接続され、交流電源を含む。電源１１６は、２つのホロカソードを互いに逆の極性にする。この極性が切り替わる際に、それぞれのホロカソードが交互にカソードおよびアノードとして作用する。従来技術において周知のように、かつ、本発明者らによる過去の出願（たとえば、本明細書で上記にて援用した出願など）で開示したように、バイポーラ電源はまず、第１の電子放出面を負電圧に駆動してプラズマ形成を可能にするとともに、第２の電子放出面を正電圧に駆動して電圧印加回路用のアノードとして作用させる。これによって、第１の電子放出面が正電圧に駆動され、カソードとアノードの役割が逆になる。電子放出面のうち一方が負に駆動されると、対応するキャビティ内で放電が起きる。よって、他方のカソードがアノードを形成し、カソード側のホロカソードからアノード側のホロカソードに電子電流が流れる。
【００２７】
なお、図面にはホロカソードキャビティを囲まずに開放状態で示してあるが、これは単に図示の目的にすぎないことに注意されたい。実際には、ホロカソードキャビティはホロカソード本体で囲まれており、開口は、ガス流入口およびプラズマ出口領域だけである。
【００２８】
図１Ａに示すリニアホロカソードプラズマ源１００Ａおよび図１Ｂに示すリニアホロカソードプラズマ源１００Ｂは、通常はイオン源として使用されることがない。図１Ｃに示すホロカソードプラズマ点源は、使われるイオン源においてときおりスラスタ（たとえば、宇宙船の加速用など）として用いられるが、このようなプラズマ点源は通常、基板のコーティング（たとえば、ＰＥＣＶＤコーティングプロセス用など）には用いられない。
【００２９】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃはそれぞれ、本発明の例示的な実施形態によるホロカソードイオン源２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃを示す。図２Ａに示すように、ホロカソードイオン源２００Ａは、第１のイオン加速部２０２と第２のイオン加速部２０４とを含み、いずれも電源１１６に接続されている。イオン加速部２０２、２０４はそれぞれ、ホロカソード本体２１２と、内側のホロカソードキャビティ１１２と、プラズマ形成ガスがホロカソードキャビティ１１２に入ることができるようにするためのガス流入口１１４とを含む。また、イオン加速部２０２、２０４は、プラズマ出口領域を含む。図２Ａに示すように、プラズマ出口領域は、ホロカソードキャビティ１１２からの穴（またはノズル）１１０Ａの列からなる。ホロカソードプラズマ源１００Ａでは、ホロカソードキャビティからホロカソードを収容するプロセスチャンバまでプラズマ出口領域が通じていたが、イオン源２００Ａでは、穴１１０Ａの列からなるプラズマ出口領域は、ホロカソードキャビティ１１２からイオン加速キャビティ２２０まで通じている。図２Ｂに示すように、プラズマ出口領域は、イオン加速キャビティ２２０に通じるホロカソード本体に設けられた１本のスロット１１０Ｂからなる。図２Ｃは、管状のホロカソード本体２１２Ｃと、ホロカソードキャビティ１１２Ｃと、ガス流入口１１４Ｃとをそれぞれ有するイオン加速部２０２Ｃ、２０４Ｃを示す。図２Ｃに示すように、プラズマ出口領域は、イオン加速キャビティ２２０Ｃに通じる単一の穴１１０Ｃからなる。
【００３０】
ここで図２Ａを参照すると、ホロカソードイオン源２００Ａは、イオン加速部２０２、２０４を収容するチャンバ２１０を含む。いくつかの実施形態では、チャンバ２１０は、真空チャンバである。
【００３１】
プラズマ電位に対してホロカソードの電圧または極性が変化すると、電気的に斥力が発生し、これがイオンを加速させることになる。正パルスのときは正イオンが遠ざけられ、キャビティから加速される。負パルスのときは、負イオンが加速される。プラズマ活性酸素によって、負イオンが生じることが知られている。ホロカソードが交互にアノードおよびカソードとして機能するため、負イオンによって、本イオン源の実施形態は不活性ガスまたは酸素反応性ガスのイオンビームを加速するのに役立つものとなる。構成要素を追加して別の電場または磁場を必要とするのではなく、ホロカソードプラズマ源自体が、イオン加速キャビティとの組み合わせで、イオンを抽出して加速させるのに必要な斥力を生み出す。また、既存のイオン源の多くは酸素があるとうまく働かない。既存のイオン源の構成要素と酸素との間で、不都合な反応が生じる場合があるからである。
【００３２】
プラズマは気相の物質であるが、極めて導電性が高い。この導電性がゆえ、プラズマは電荷あるいは電気的な電圧バイアスを持つことができる。本発明の実施形態のホロカソードによって形成されるプラズマは、非平衡の非熱プラズマである。一般に、接地電位から数十ボルト（通常３０Ｖ以下）までの正電位を有することがある
【００３３】
ホロカソード本体およびイオン加速キャビティも、機能的にプラズマ電位と同電位または少なくとも同じ極性とすべきである。よって、第１のイオン加速部のホロカソード本体と、これに対応するイオン加速キャビティを、第１の同一の電位または極性とすべきであり、第２のイオン加速部のホロカソード本体と、これに対応するイオン加速キャビティを、第２の同一の電位または極性とすべきである。本発明の実施形態が単純である理由のひとつに、イオンを加速するのに極性の異なる電源または電極を別途必要としないことがある。いくつかの実施形態では、ホロカソードキャビティの壁とイオン加速キャビティの壁がいずれも、１つの電源に対して電気的に接続されている。
【００３４】
ホロカソード本体およびイオン加速キャビティが負極性から正極性になる際、電子エミッターとしての役割と電子コレクターとしての役割が交互に切り替わる。これらのホロカソード間には、電子電流が発生する。電子放出面および電子収集面をデバイスの特定の領域に制限すると都合がよい。必要ではないが、本明細書に開示する実施形態のイオン源は、ホロカソードプラズマキャビティの壁、イオン加速キャビティの壁、プラズマ出口オリフィスの壁で電子の放出と収集が起こる場合ならびに、オリフィスが導電性である場合に、最適な状態で機能する。
【００３５】
いくつかの実施形態によれば、抽出・加速されるイオンの平均エネルギーあるいはエネルギーの中央値は、１００ｅＶを上回る。他の実施形態では、平均または中央エネルギーは、１００ｅＶ未満である。たとえば、約５００Ｖで動作する「冷」ホロカソードプラズマ源を使用すると、イオン源でエッチングをすることができる。これは、イオンエネルギーが１００ｅＶを超え、１５００ｅＶと高いことを示している。「熱」ホロカソードプラズマ源を使用すると、イオンビームはエッチングできるだけのエネルギーを持たない。これは、イオンエネルギーが１００ｅＶ未満で、１０ｅＶ程度であることを示している。このように大幅に異なるイオンエネルギーを生じることができるのは、好都合である。特に、エネルギーが１０ｅＶ程度のイオン源を従来のイオン源技術で設計するのは困難である。これは、リニアイオン源の場合に特にあてはまる。
【００３６】
イオン加速部２０２、２０２Ｃ、２０４、２０４Ｃは各々、イオンを抽出して加速させることによってイオンビームを形成できることが理解されよう。したがって、いくつかの実施形態では、イオン源から形成される少なくとも２種類のイオンビームが存在する。
【００３７】
本開示によって当業者に理解されるように、電源１１６は、従来のバイポーラ（二相）電源であってもよい。電源１１６は、多相電源であってもよく、３つ以上のイオン加速部に電気的に接続されてもよい。たとえば、米国特許出願第１４／９４２，７３７号および同第第１４／９４２，６７３号に記載されているように、イオン源２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ（または本開示によって得られる他の任意のイオン源）は、少なくとも３つのイオン加速部を含むことができ、その各々が少なくとも三相のオフセット波によって電力を供給されるホロカソード本体を含む。
【００３８】
本明細書に開示する例示的な実施形態によるホロカソードは、極性が逆のホロカソード間に電子電流を流すことができるように、互いに十分に近接していなければならない。いくつかの実施形態では、この近接距離は、約５ｍｍから５００ｍｍであればよい。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示すように、ホロカソード本体２１２、２１２Ｃは、細長い設計である。いくつかの実施形態では、これらのホロカソードの長さは、約５０ｍｍから約１０メートルであればよく、いくつかの実施形態では、この長さが１０メートルを超えていても構わない。いくつかの実施形態では、ホロカソード本体は真っ直ぐであるが、ホロカソード本体を円形または渦巻き形にすることもできる。たとえば、いくつかの実施形態では、ホロカソード本体を円形で同心円状の配置にすると、面積が大きい単一のイオンビームとすることができる。
【００３９】
イオン加速部２０２、２０２Ｃ、２０４、２０４Ｃは矩形または管状で示してあるが、本発明の実施形態によるイオン加速部および当該イオン加速部内に形成されるキャビティ（たとえばホロカソードキャビティなど）が他の形状を含んでもよいことは、当業者であれば、理解できるであろう。ホロカソードキャビティの幅（または直径）は、（たとえば）約８ｍｍから約１００ｍｍであってもよい。ある実施形態では、チャンバ内の動作圧力は、約０．１ミリトル（０．０１３パスカル）から約１００ミリトル（１３パスカル）あるいは、より一般的には約１．０ミリトル（０．１３パスカル）から約５０ミリトル（６．７パスカル）であればよい。通常チャンバ圧力は、一般にホロカソードキャビティ内の圧力よりも低くなるであろう。あとで理解されるように、キャビティの幅（または直径）がキャビティ内のプラズマガス圧力に反比例するように、キャビティ内のプラズマガス圧力を制御することができる。
【００４０】
キャビティの壁を含むホロカソード本体を構成する材料は、キャビティの壁面から電子を放出し、放電を維持するのに必要な電流を壁に保つことができるように、十分に導電性でなければならない。キャビティの壁を構成する材料の例として、金属、金属合金、金属化合物、炭素、炭素化合物、導電性セラミックおよび／または半導体があげられる。一般に用いられる材料は、金属、金属合金および／またはグラファイト形態の炭素である。いくつかの例では、望ましい電子放出特性に合わせてキャビティの壁の材料を選択してもよい。また、仕事関数が小さいまたは二次電子放出係数が大きい材料をキャビティの壁に含んでもよい。これによって、動作電圧を小さくして電子電流を増やすことができる。場合によっては、これらの特別な材料が、キャビティの壁の内面に対する金属または炭素ベースのコーティング（たとえば、スパッタリングを減らすためのタングステンカーバイドコーティング）を含んでもよい。本発明の実施形態は、多岐にわたるキャビティ壁材料で効果的である。
【００４１】
いくつかの実施形態では、ホロカソードキャビティは、幅または直径が約８ｍｍから約１００ｍｍである。プラズマ出口領域は、幅または直径が約１ｍｍから約２０ｍｍまたは約２ｍｍから約１５ｍｍであってもよい。イオン加速キャビティは、いくつかの実施形態では、プラズマ出口領域よりも広い（または直径がより大きい）。いくつかの実施形態では、イオン加速キャビティは、幅または直径が約２ｍｍから２５ｍｍまたは約３ｍｍから２０ｍｍである。いくつかの実施形態では、イオン加速キャビティは、（たとえば図２Ａおよび図２Ｂに示すような）矩形のスロットまたは（たとえば図２Ｃに示すような）円形のスロットであってもよい。しかしながら、あとで理解されるように、他の形状も可能である。たとえば、図３Ａから図３Ｄは、本発明の例示的な実施形態による別のイオン加速キャビティの形状を示す。図３Ａから図３Ｄに示すように、イオン加速部３００は、イオン加速キャビティ３０２、３０４、３０６、３０８を含む。イオン加速キャビティは、多数の円筒形のキャビティ（３０２）（図３Ａに示す）、釣り鐘形のイオン加速キャビティ（３０４）（図３Ｂに示す）または広がっていく（３０６）（図３Ｃに示す）または狭くなっていく（３０８）（図３Ｄに示す）錐形のイオン加速キャビティを含んでもよい。いくつかの実施形態では、イオン加速キャビティは、カウンターボアで広げた穴、矩形のスロット、半円形、錐形、逆錐形、釣り鐘形の形態であってもよい。あとで理解されるように、イオン加速キャビティの形状および構成は、イオン加速部からのイオンビームに影響することになる。
【００４２】
図４Ａは、本発明の例示的な実施形態によるイオン加速部４００Ａを示す。このイオン加速部４００Ａを、たとえばイオン源２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃなどのイオン源の一部として使用してもよい。イオン加速部４００Ａは、ホロカソード本体４２２、ガス流入口１１４、ホロカソードキャビティ１１２、プラズマ出口領域１１０Ａ、イオン加速キャビティ２２０を含む。また、イオン加速部４００Ａは、外側の導電性の部品をすべて覆う電気絶縁用シェル４０２も含む。いくつかの実施形態では、ホロカソードキャビティの内側、プラズマ出口オリフィス、イオン加速キャビティが、プラズマに曝露される唯一の導電性表面である。いくつかの実施形態では、絶縁用シェル４０２は、セラミック、ポリマーまたは他の誘電材料などの非導電性材料からなるカバーを含んでもよい。また、絶縁用シェル４０２は、ダークスペースシールドを含んでもよい。図４Ａに示すように、イオン加速キャビティ２２０を形成するイオン加速器４２０は、ホロカソード本体４２２の一部である。
【００４３】
図４Ｂは、本発明の例示的な実施形態によるイオン加速部４００Ｂを示す。このイオン加速部４００Ｂを、たとえばイオン源２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃなどのイオン源の一部として使用してもよい。このようなイオン源では、イオン加速部４００Ｂを、追加のイオン加速部４００Ｂ、イオン加速部４００Ａまたは本発明の実施形態による他のイオン加速部と併用してもよい。イオン加速部４００Ｂは、ホロカソード本体４２２、ガス流入口（図示せず）、キャビティ１１２、プラズマ出口領域４１６、イオン加速キャビティ２２０を含む。図４Ｂに示す設計では、ホロカソード本体およびイオン加速本体は、別々の構成要素である。絶縁用の壁４１８はホロカソード本体を囲むのに対し、絶縁用の壁４１０、４１２は、イオン加速本体を囲む。絶縁用の壁４１２は、イオン加速本体とホロカソード本体との間にあり、プラズマ出口領域がイオン加速キャビティと連通できるようにするための開口４１４を含む。いくつかの実施形態では、絶縁材４１０、４１２、４１８は、セラミック、ポリマーまたは他の誘電材料などの非導電性材料からなるカバーを含む。絶縁材４１０、４１２、４１８は、ダークスペースシールドを含んでもよい。図４Ｂに示すように、イオン加速キャビティ２２０を形成するイオン加速器４２０は、絶縁用シェル４１２によってホロカソード本体４２２から分離されている。
【００４４】
従来技術において周知のように、ダークスペースシールドとは、低圧ではプラズマの形成が物理的に不可能な狭い空間（約５ｍｍまたはそれ未満）を有するプラズマ源周囲の領域をいう。従来技術において周知のように、ダークスペースシールドは、ガスの組成、圧力、電圧に左右される。
【００４５】
ここで図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、本発明のいくつかの実施形態では、イオン加速キャビティは、ホロカソード本体と一体の部品であってもよいし、ホロカソード本体とは別の構成要素であってもよい。たとえば、図４Ａでは、イオン加速キャビティは、スロットとして、ホロカソード本体の材料に切り込まれていてもよい。これによって、イオン加速本体およびホロカソード本体が、効果的に同じ電位および極性にさせられることになる。図４Ｂに示すように、イオン加速キャビティは、主なホロカソード本体から電気的に絶縁されていてもよい。たとえば、図４Ｂでは、イオン加速器は、主なホロカソード本体とは異なる材料で形成されていてもよい。この配置では、本発明のいくつかの実施形態によれば、ホロカソードキャビティの壁とイオン加速キャビティの壁との電気的な極性関係を維持することが必要になる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、第１および第２のイオン加速器は、イオン加速器およびホロカソード本体のそれぞれのサイクルで正の部分の間、第１および第２のイオン加速器が、対応する第１および第２のホロカソード本体よりも正に振れる量が大きく（または正に振れる量が小さく）バイアスするように構成されている。具体的には、イオン加速器４２０およびホロカソード本体４２２が（たとえば、図４Ｂに示すように）電気的に絶縁されている場合、各イオン加速器を、対応するホロカソード本体がアノードとして機能している間（すなわち、サイクルの正の部分の間）、その対応するホロカソード本体よりも正に振れる量が大きく（または正に振れる量が小さく）バイアスするように構成することができる。これは、ホロカソード本体とイオン加速器との間に必要な電気的極性関係を依然として維持しながら行うことができる。イオン加速器とホロカソード本体との間の相対的な電圧を上記のように管理することによって、結果として生じるイオンの加速を制御することができる。
【００４７】
図５は、本発明の例示的な実施形態による方法を示す。方法５００は、イオン源、たとえばイオン源２００Ａを準備することを含む（工程５０２）。イオン源２００Ａは、チャンバ２１０を含む。いくつかの実施形態では、チャンバ２１０は、真空チャンバである。イオン源２００Ａはさらに、第１のイオン加速部２０２と第２のイオン加速部２０４とを含む。第１のイオン加速部２０２は、第１のホロカソード本体２１２と、第１のホロカソードキャビティ１１２と、第１のプラズマ出口オリフィス１１０Ａとを有し、第２のイオン加速部２０４は、第２のホロカソード本体２１２と、第２のホロカソードキャビティ１１２と、第２のプラズマ出口オリフィス１１０Ａとを有する。第１および第２のホロカソード本体は、チャンバ２１０内で隣接して配置されている。イオン源２００Ａはさらに、第１のプラズマ出口オリフィス１１０Ａとチャンバ２１０との間に、これらと連通して、第１のイオン加速器（図４の要素４２０など）を含む。第１のイオン加速器４２０は、第１のイオン加速キャビティ２２０を形成する。イオン源２００Ａはさらに、第２のプラズマ出口オリフィス１１０Ａとチャンバ２１０との間に、これらと連通して、第２のイオン加速器（図４の要素４２０など）を含む。第２のイオン加速器４２０は、第２のイオン加速キャビティ２２０を形成する。第１のホロカソード本体および第２のホロカソード本体は、交互に電極および対極として機能して（たとえば、交互にカソードおよびアノードとして機能して）、プラズマを発生させる。第１の細長いイオン加速キャビティと第２の細長いイオン加速キャビティは、他の電極、加速用グリッド、磁場、中和器または他の追加の構成要素を必要とせずにイオンの抽出および加速ができるだけの十分なものである。方法５００はさらに、第１のホロカソード本体および第２のホロカソード本体を用いてプラズマを発生させることを含む（工程５０４）。方法５００はさらに、イオンを抽出および加速することを含む（工程５０６）。任意に、方法５００は、基板を準備すること（工程５０８）と、抽出して加速させたイオンを用いて当該基板にコーティングをほどこすこと（工程５１０）または抽出して加速させたイオンで基板を処理すること（工程５１２）を含んでもよい。あとで理解されるように、いくつかの実施形態では、抽出して加速させるイオンは、イオン加速キャビティから離れる方向に抽出して加速される。いくつかの実施形態では、抽出して加速させたイオンを、さらに基板に向かって抽出して加速させる。
【００４８】
図６は、コーティング６０２および基板６０４を含む、コーティングと基板との組み合わせ６００を示す。基板６０４にコーティング６０２を堆積させるために、あるいは、すでに堆積したコーティング６０２を処理するために、本発明の実施形態によるイオン源を使用してもよい。たとえば、本発明の実施形態によるイオン源を使用して、ガラス基板を処理またはエッチングし、コーティングをほどこし、またはコーティングの密度を高めることができる。
【００４９】
電子電流に影響をおよぼす１つの要因に、ホロカソードキャビティ壁の温度がある。キャビティ壁の温度が約１０００℃未満のホロカソード構成では、電子放出は二次電子放出によって支配される。約７５０℃を超える温度で熱電子放出が存在することがあるが、約１０００℃までは依然として二次電子放出が優位である。イオンがキャビティの壁に衝突すると、衝突するイオンの運動エネルギーと負の電位によって、壁面からの電子放出が誘発される。一般に、これらの「冷」ホロカソードは、キャビティ壁の温度約５０℃〜約５００℃で稼働される。通常、ホロカソード構造をこのような温度に維持するには、冷却方法が適用される。ホロカソード構造内に水冷チャネルが組み込まれることも多い。冷ホロカソード放電用の動作電圧は一般に、約３００ボルトから約１０００ボルトである。
【００５０】
あるいは、ホロカソードを熱電子モードで動作させてもよい。熱電子放出を発生させるためには、ホロカソードキャビティ壁の温度は通常、約７５０℃〜約２０００℃の範囲である。熱電子ホロカソードでは、加熱を助けるためにキャビティ壁の周囲にヒータを組み込むようにしてもよいし、さらに簡単にするのであれば、プラズマエネルギーの伝達を利用してキャビティ壁を加熱してもよい。通常、熱伝導または放熱による熱の損失を低減するために、高温のキャビティは断熱されている。熱電子ホロカソード放電用の動作電圧は一般に、約１０ボルトから約３００ボルト、より一般的には約１０ボルトから約１００ボルトである。
【００５１】
従来のほとんどのイオン源とは異なり、開示された実施形態のイオン源は、温度範囲または任意の電子放出モードのいずれかと両立できる。
【００５２】
ホロカソード内部でのプラズマ発生を容易にするために、ホロカソードキャビティ内にプラズマ形成ガスを導入する。このガスは、ホロカソードキャビティ内の自由な振動電子との衝突によってイオン化される。一般に、閉じたホロカソードキャビティでは、ガス流入口またはオリフィスを通ってプラズマガスをキャビティ空間に導入する。プラズマ形成ガスとしては、ほとんどの気相材料を用いることができる。プラズマ形成ガスとして使用される最も一般的なガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２があげられる。通常は不活性ガスに限定される多くのイオン源とは異なり、開示された実施形態のイオン源は、不活性ガスまたは不活性ガスをはじめとして、どのようなイオン化ガスからでもイオンビームを形成する。高温のホロカソードキャビティ材料では、ガスの制限がいくつか生じる可能性がある。たとえば、ホロカソードキャビティの壁の材料が１０００℃を超えると、酸素などのいくつかのイオン化ガスと化学的に反応することがある。このような反応によって、キャビティの壁に電気絶縁用コーティングが形成されると、電子の放出が抑制される場合がある。ガスまたは材料を選択するにあたって他に考慮すべき事項として、ホロカソードキャビティの侵食または燃焼がある。
【００５３】
本明細書で開示する点源の実施形態で典型的なプラズマ形成ガスの流れは、約１標準立方センチメートル／分（またはｓｃｃｍ）から約１００ｓｃｃｍであればよい。本明細書で開示するリニアの実施形態では、いくつかの実施形態におけるプラズマ形成ガス流は、キャビティ長のリニアミリメートルあたり約０．５ｓｃｃｍから約１０ｓｃｃｍであればよい。より一般的なリニアガスの流量は、約１ｓｃｃｍから約５ｓｃｃｍであればよい。これらの値は、チャンバ内の各イオン加速部で合計したガスの総流量をいう。あとで理解されるように、ガスの総流量は、チャンバ内の圧力を維持するのに使用される真空ポンプの能力によって制限されることがある。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態では、プラズマ出口オリフィスの壁は、金属または炭素など、ホロカソード本体またはキャビティの壁と同じ導電性材料を含むことができる。プラズマ出口オリフィスの壁は、タングステンカーバイドなどの他の硬質または耐熱材料を含むこともできる。これらのプラズマ出口オリフィスは、必ずしも導電性である必要はなく、セラミックインサートなどのセラミック誘電材料を含んでもよい。
【００５５】
プラズマ出口の穴の一般的な直径またはプラズマ出口スロットの幅は、約０．５ｍｍから約８ｍｍであればよい。最も頻繁に使用されるサイズは、約１ｍｍから約６ｍｍである。プラズマ出口の穴の場合、間隔は、中心間距離で約１．５ｍｍから約５０ｍｍまで広い範囲で変化し得る。本発明の実施形態によれば、隣接する穴同士の間隔は、均一であっても不規則であってもよい。非限定的な例として、プラズマ出口の穴同士の間隔が約５ｍｍから約３０ｍｍである例示的なイオン源から、均一なイオンビームカーテンを構築することができる。
【００５６】
本発明の実施形態では、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティのうち少なくとも１つによって形成されるイオンビームは、単一の狭いビーム、単一の大面積ビーム、単一のビームの列または連続したリニアイオンビームのカーテンであってもよい。いくつかの実施形態では、イオンビームは、少なくとも一部が平行光線であってもよい。たとえば、イオン加速キャビティの設計は、放射されるイオンビームのタイプに影響する。あとで理解されるように、第１のイオン加速キャビティおよび第２のイオン加速キャビティが各々イオンビームを形成してもよく、各イオン加速キャビティによって形成されるイオンビームは、他のイオン加速キャビティによって形成されるイオンビームと同一であっても異なっていてもよい。
【００５７】
上述したように、従来のイオン源をＰＥＣＶＤコーティングのプロセスと併用すると、これらのプロセスは、カソードまたはアノードの表面を含めて、近くにある真空チャンバのハードウェアをすべて汚染し、コーティングすることで知られている。しかしながら、本発明の実施形態では、ホロカソードキャビティの壁およびイオン加速キャビティの壁は、この汚染の問題から保護される。たとえば、これらの２つの表面はいずれも、少なくとも部分的に囲まれており、ホロカソードの外にあるガスから分離される。また、これらの２つの表面はいずれも、その間を流れるプラズマ形成ガスの流れによって清潔かつ導電性に保たれやすい。すなわち、プラズマガスは、ＰＥＣＶＤプロセスで用いられる原料ガスなど、汚染を引き起こす可能性のあるガスを一掃する傾向にある。
【００５８】
図７は、本発明の例示的な実施形態による、２４時間のランタイム後のイオン源を示す写真７００である。具体的には、イオン源は、プラズマ出口領域７０４およびイオン加速キャビティ７０６として多数のノズルが並んでいるホロカソード７０２を含む。図７における白い領域は、非導電性の二酸化チタン（ＴｉＯ２）がイオン加速キャビティの壁に堆積したことによるものである。この汚染は、イオン源に悪影響を与える可能性がある。図示のように、図７のイオン源は、プラズマ出口領域として多数のノズルを並んだ状態で含む。絶縁用シェルとして機能するダークスペースシールドが、ホロカソードの面上に存在する。
【００５９】
図８は、本発明の例示的な実施形態によるガラス基板７９２上のイオンエッチングされたパターンを示す写真８００である。カラーフリンジは、ガラス基板上の厚さ約０．３μｍの酸化チタンコーティングである。エッチングされた領域８０４は、ガラス基板８０２に約２５０μｍの深さで入り込んでいる。基板へのプラズマおよびイオンビームの曝露時間は、約２４時間であった。エッチングプロセスの間に、基板またはプラズマ形成ハードウェアに荷電は発生しなかった。
【００６０】
図９Ａは、公知のホロカソードプラズマ源によって形成されるプラズマ９０２を示す写真である。ホロカソードプラズマ源は、プラズマ出口領域として６つのノズルを含み、イオン加速キャビティを含まなかった。図９Ａに示すプラズマ源は、図１Ａに示すものと同様である。
【００６１】
図９Ｂは、本発明の例示的な実施形態によるイオン源によって形成されるプラズマ９０４を示す写真である。ここでは、バイポーラホロカソードイオン源は、プラズマ出口領域としての１２個のノズルと、深さ１０ｍｍで幅４．８ｍｍのイオン加速キャビティとを含んでいた。図から明らかなように、プラズマ中のより明るい筋は、イオンのビームがイオン源から基板まで加速されていることを示す。
【００６２】
当業者が本開示から理解するように、特定の配置を特定の用途に適するように設計してホロカソードおよび多相電力入力を他の多くの形で組み合わせることが可能である。
【００６３】
以上、さまざまな実施形態について説明したが、いずれも限定的なものではなく、単なる例示として示したものにすぎない点を理解されたい。したがって、本開示の範囲および意図は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。さらに、本明細書中で他に示されるか文脈から明らかに矛盾しない限り、すべての可能な変形例における上記の要素の任意の組み合わせが、本開示に包含される。
【００６４】
さらに、上記にて説明して図示したプロセスは、一連の工程として示されているが、これは説明の便宜上のものである。したがって、いくつかの工程を追加してもよいし、いくつかの工程を省略してもよく、工程の順序を変えたり、いくつかの工程を同時並行で実施したりしてもよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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