(57)【要約】  プラズマ・コーティング装置においてプラズマから電子を減少させる装置１ｂ及び方法が開示される。本発明は、ターゲット４に近接する、イオン９、粒子状材料５、及び電子６を含むプラズマを形成することと、プラズマ・トラップ５２を形成して、プラズマをターゲット４の近くに拘束することと、プラズマ・トラップの境界層５２を越えて広がる、及び、ターゲット４から離れて、プラズマ・トラップの境界層５２から、又は、プラズマ・トラップの境界層５２の近くに電子６を誘導する、プラズマ・トラップの磁場３、５２にわたって重畳される、追加的な磁場８ｂを提供することにより、プラズマから電子を減少させることとを伴う。本発明は、ベースライン電圧５０をターゲット４に印加することと、そのかたわらで、周期的な電圧パルス１３ｂをターゲット４に印加することとを提案する。追加的な磁場８ｂは、プラズマから電子を減少させ、以て、電圧パルス１３ｂがターゲット４に印加されるとき、イオン９が、低減された電子遮蔽を伴ってプラズマから弾き出され得る。このことは、イオン衝撃を改善し、不利な電子衝撃影響を低減することが示された。
2021509933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットと、
前記ターゲットに近接してプラズマを形成するための手段であって、前記プラズマは、イオン、粒子状材料、及び電子を含む、前記プラズマを生成するための手段と、
電子減少デバイスと
を備えるプラズマ・コーティング装置。
【請求項２】
前記ターゲットに近接してプラズマを形成するための手段は、
前記ターゲットをバイアスする電力源と、
前記ターゲットの近傍において磁場を形成する磁気配置構成であって、前記磁場は、前記プラズマを形成するための手段により形成されたプラズマを前記ターゲットに近接する領域に閉じ込める、相対的に磁場強度の高い領域であるプラズマ・トラップを含む、磁気配置構成と
を備える、請求項１に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項３】
前記プラズマ・トラップは、外方境界層を有し、前記境界層の内側の前記相対的に高い磁場強度は、前記ターゲットからの距離の関数として急速に減少する、請求項２に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項４】
前記電子減少デバイスは、使用時に、前記プラズマから電子を減少させるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項５】
前記電子減少デバイスは、磁気部分と、電気部分とを備える、請求項１から４までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項６】
前記磁気部分は、前記プラズマ・トラップの前記磁場にわたって重畳される磁場を形成するように構成される１つ又は複数の磁石を備える、請求項２又は３に従属する請求項５に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項７】
前記電子減少デバイスの前記磁気部分により形成される前記磁場は前記プラズマ・トラップの前記境界層を越えて広がり、それにより、前記プラズマ・トラップの前記境界層を越えて広がる前記電子減少デバイスの前記磁気部分により形成される前記磁場の部分が、前記ターゲットから離れて、前記プラズマ・トラップの前記境界層から、又は前記プラズマ・トラップの前記境界層の近くに電子を誘導するようになっている、請求項３に従属する請求項６に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項８】
前記磁気部分は、電子シンクをさらに備える、請求項５から７までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項９】
前記電子シンクは、接地された又は正にバイアスされた導体を備え、該導体は、前記ターゲットから離れて、前記プラズマ・トラップの前記境界層から、又は前記プラズマ・トラップの前記境界層の近くに誘導される前記電子を引き付ける、及び／又は吸収する、請求項８に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１０】
前記１つ又は複数の磁石は、電磁石を備え、前記電磁石の磁力及び／又は極性は、好適に調整可能である、請求項６から９までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１１】
前記１つ又は複数の磁石は、永久磁石を備え、前記永久磁石の位置及び／又は向きは調整可能である、請求項６から９までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１２】
前記電気部分は、コントローラにより前記ターゲットに選択的に接続可能な電力供給部を備え、前記コントローラは、指定された電圧を前記ターゲットに印加するように前記電力供給部を調整するように構成される、請求項５から１１までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１３】
前記コントローラは、ベースライン負電圧を前記ターゲットに印加するように、ただし、周期的な正電圧パルスを前記ターゲットに印加するように構成される、請求項１２に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１４】
前記コントローラは、ベースライン正電圧を前記ターゲットに印加するように、ただし、周期的な負電圧パルスを前記ターゲットに印加するように構成される、請求項１２に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１５】
前記コントローラは、ベースラインの実質的にゼロの電圧を前記ターゲットに印加するように、ただし、周期的な正及び／又は負電圧パルスを前記ターゲットに印加するように構成される、請求項１２に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１６】
前記パルスの持続期間は、約１０ｎｓから２ｍｓまでの間である、請求項１３から１５までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１７】
前記パルスの周波数は、約１０Ｈｚから５００ｋＨｚまでの間である、請求項１３から１６までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１８】
前記パルスの大きさは、前記ベースライン電位に対して約１から１．５ｋＶの間である、請求項１３から１７までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項１９】
前記プラズマと、コーティングされる基板との間に挿入される電子フィルタをさらに備える、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２０】
基板を保持するための手段をさらに備える、請求項１から１９までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２１】
前記基板を保持するための手段は、前記基板における電圧を測定するための電圧測定デバイスを備える、請求項２０に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２２】
前記コントローラは、前記基板における測定された電圧に応答して、前記ターゲットに印加される前記電圧パルスの前記大きさ、パルス持続期間、又は周波数のうちの１つ又は複数を調整するように構成される、請求項１２から１８までのいずれか１項に従属する請求項２１に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２３】
前記コントローラは、使用時に、前記ターゲットに印加される前記パルスの前記大きさ、パルス持続期間、又は周波数のうちの１つ又は複数を調整することにより、指定されたパラメータの中で、前記基板において測定された前記電圧を維持するように適合されたフィードバック回路を備える、請求項２２に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２４】
使用時に、コーティングされる基板をバイアスするように適合された電力供給部をさらに備える、請求項１から２３までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２５】
前記電力供給部は、約＋０Ｖから＋２０００Ｖの間の浮動バイアスを前記基板に印加するように適合されている、請求項２４に記載のプラズマ・コーティング装置。
【請求項２６】
請求項１から２５までのいずれか１項に記載の２つ以上のプラズマ・コーティング装置を備えるコーティング装置。
【請求項２７】
プラズマ・コーティング装置の対が、鏡像関係、又は対抗して配置される、請求項２６に記載のコーティング装置。
【請求項２８】
蒸着源、傾斜した表面を伴うターゲット、空洞を含むターゲットのうちの１つ又は複数をさらに備える、請求項１から２５までのいずれか１項に記載のプラズマ・コーティング装置を備えるコーティング装置。
【請求項２９】
ターゲットを備える装置を備えたプラズマ・コーティング装置において、プラズマから電子を減少させる方法であって、
前記ターゲットに近接する、イオン、粒子状材料、及び電子を含むプラズマを、前記ターゲットをバイアスする電力源を使用して、及び、前記ターゲットの近傍において磁場を形成するための磁気配置構成を使用することにより形成するステップであって、前記磁場は、それによって形成されたプラズマを前記ターゲットに近接する領域に閉じ込める、相対的に高い磁場強度の領域であるプラズマ・トラップを含み、前記プラズマ・トラップは、外方境界層を有し、前記境界層の内側の前記相対的に高い磁場強度は、前記ターゲットからの距離の関数として急速に減少する、形成するステップ
を含む方法において、
前記ターゲットから離れて、前記プラズマ・トラップの前記境界層から、又は前記プラズマ・トラップの前記境界層の近くに電子を誘導する、前記プラズマ・トラップの前記磁場にわたって重畳される、及び、前記プラズマ・トラップの前記境界層を越えて広がる、磁場を提供することと、
ベースライン電圧を前記ターゲットに印加することと、
周期的な電圧パルスを前記ターゲットに印加することと
により、前記プラズマから電子を減少させることを特徴とする、方法。
【請求項３０】
前記パルスの持続期間は、約１０ｎｓから２ｍｓの間である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記パルスの周波数は、約１０Ｈｚから５００ｋＨｚの間である、請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記パルスの大きさは、前記ベースライン電位に対して約１から１．５ｋＶの間である、請求項２９から３１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
コーティングされる基板における電圧を監視し、前記パルスの前記持続期間、周波数、又は大きさのうちの１つ又は複数を調整して、指定されたパラメータの中で、コーティングされる基板における前記電圧を維持するステップをさらに含む、請求項２９から３２までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティング・プロセスの改善、及びコーティング・プロセスに関する改善に関し、特に、それに限定されないが、プラズマ・コーティング・プロセスの改善、及びプラズマ・コーティング・プロセスに関する改善に関する。
【０００２】
多くの現代の製造プロセスは、物体に表面コーティングを塗布することを伴う。表面コーティングは、多くのやり方で塗布され得るが、本開示は、主として、プラズマを使用して塗布されるコーティングに関わるものである。
【背景技術】
【０００３】
典型的なプラズマ・コーティング・プロセスは、ユーザが基板（コーティングされることになる物体）上へと堆積させる／コーティングすることを望む材料から作製されるターゲットを使用する。プラズマ、すなわち、イオン及び自由電子が構成物となるイオン化ガスが、ターゲットの近傍において形成される。加えて、永久又は電磁石の配置構成（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）が、ターゲットに近接する、又はターゲットを包囲する磁場（「プラズマ・トラップ」）を創出するために使用され、その磁場は、プラズマがターゲットに近接して閉じ込められることを引き起こす。
【０００４】
プラズマの中のイオンは、ターゲットの表面と衝突し、衝突エネルギーが充分であるならば、このことは、そのターゲットからの材料が、ターゲットの表面から弾き出されることを引き起こすことができ、それからすぐに、その材料は、プラズマに進入し、プラズマの部分を形成する。
【０００５】
次いで、電場が、例えば基板をバイアスすることにより印加されるならば、ターゲットからの弾き出された材料の一部は、基板の方に引き付けられ得る、又は押され得る。条件が好都合であるならば、ターゲットからの弾き出された材料の少なくとも一部は、基板に付着し、そのことにより、その基板上のコーティングを形成する。
【０００６】
コーティングの厚さは、堆積する材料の流束に対する基板の「露出時間」、並びに、材料がターゲットから弾き出され基板に運搬されるレートを制御することにより制御され得る。結果として生じるコーティングの品質、すなわち、密度、均一性、接着性、平滑性、その他は、さらには、当該の材料、並びに、プラズマ及び堆積パラメータにより影響を及ぼされる。
【０００７】
磁石の構成、及び、それらの磁石の、結果として生じる場、電場パラメータ、並びに、装置の幾何形状、及び、ターゲットと、基板と、システムの中の他の要素との間の物理的関係性など、プラズマ・コーティング・システムにおいておびただしい多くの変数が存するということが、当業者の読者により理解されるであろう。加えて、プラズマは、システムの中の真空レベルを変動させることにより、並びに、様々なプロセス・ガスの組成及び分圧を制御することにより制御され得る。
【０００８】
プラズマ・コーティング配置構成において、一般的には、基板（コーティングされたものに向かう物体）との２つの主たる相互作用、すなわち、プラズマの中の相対的に重いイオンと基板との間の相互作用、及び、プラズマの中の相対的に軽い電子と基板との間の相互作用が存する。各々は、コーティング品質への異なる影響を有する。
【０００９】
具体的には、真空プラズマ堆積システムにおいてのイオン化は、通常、電子と原子及び／又は分子との間の衝突に起因して発生する。これらのタイプのシステムの大部分において、電子を制御することは、正イオンを誘導するために使用され得るものであり、このことは、電子の移動により形成される弱い電場に起因する。換言すれば、移動する（負）電子の「雲」が、理想的には基板の方に、それらの電子とともに（正）イオンを誘導することができる。それゆえに、基板の方に電子を引き付けるための電場の使用は、さらには、基板の方に正イオンを変位させるために使用され得る。コーティング成長は、電子衝撃及びイオン衝撃（それぞれ、基板との電子及びイオンの間の相互作用）の両方に応える。
【００１０】
イオン衝撃は、しばしば、高密度のコーティング又は膜を得るために必要とされ、しかるに、電子衝撃は、時として、堆積させられた膜／コーティングが熱くなることをしばしば引き起こすことがある陽極効果などの所望されない影響をもたらす。堆積の間の（及び、引き続いての）膜／コーティングの過度の加熱は、当業者の読者により、よく理解されるであろうが、その膜／コーティングの特性及び／又は品質に、不利に影響を及ぼすことがある。
【００１１】
例えば、ポリマー基板上へと堆積させられる非常に薄い金属膜の事例において、電子衝撃が高く、高電流が接地に対して確立されるならば、（例えば、陽極放電に起因して）堆積させられた膜上で生成される熱が、基板を損傷することがある。ゆえに、電子及びイオン衝撃の分離、並びに／又は、電子及びイオン衝撃を独立的に制御することができることが、有益な効果をもたらすことになる、いくつかのプロセスが存する。
【００１２】
実例として、マグネトロン・スパッタリングの事例において、アンバランスド・マグネトロン（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ）の使用は、電子衝撃と同時にイオン衝撃を引き起こすことがある。このことは、高密度のコーティング／膜を、ただし、基板における熱という犠牲を払って創出することの影響を有し、その熱は、高応力のコーティング／膜を形成することがある。しかしながら、電子衝撃が消失させられ得るならば、イオン衝撃がさらには消滅することになり、コーティング成長は、高密度ではなく、むしろ柱状であることになる。ゆえに、イオンからの電子の分離は、基板損傷を伴わない、及び、低減された応力を伴う、イオン衝撃及び高密度の膜を可能とするために関心のものである。
【００１３】
バイポーラ・パルスＤＣマグネトロン・スパッタリングが、例えば、Ｂｒａｄｌｅｙらにより、「Ｔｈｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｏｎ  ｅｎｅｒｇｉｅｓ  ａｔ  ｔｈｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｉｎ  ａｎ  ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｕｌｓｅｄ  ｄｃ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ」［Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １１  （２００２）  １６５〜１７４頁］において説明されるように、高エネルギー・イオンを生み出すことが知られている。しかしながら、電子「雲」がイオンとともに進行するとき、基板との相互作用の制限が存する。例えば、電子フィルタリングを伴わずに堆積させられた炭素（Ｃ）は、典型的には、本発明の部分である、電子がフィルタリングされているときに達成される硬度のおよそ３分の１を伴うコーティングを生み出すことになる。従来技術において知られている条件のもとで硬度を増大するために、普通の方法は、強い負バイアスを基板に印加することであることになる。しかしながら、このことは、基板が、誘電体、半導体である、又は、ガラス、セラミック、及びプラスチックなどの電気絶縁性材料から作製される場合など、基板がバイアスされ得ないときは不可能であると判明することがある。このことは、さらには、基板がバイアスされ得る場合、ただし、デラミネーションに起因して膜破損を引き起こすことがある、増大される応力という犠牲を払って、硬度の増大が生まれる場合、達成するのが困難であることがある。
【００１４】
Ｃスパッタリング、又は、（例えば、プラズマ支援化学蒸気堆積（ＰＡＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による）ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ：ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）堆積に類する一部の他の事例において、電子衝撃は、典型的には、低い硬度を、又はプラズマ重合さえも誘発する。ゆえに、これらの事例において、さらには、イオン及び電子衝撃の分離、又は、イオン及び電子衝撃の独立的な制御が、低い応力を伴う硬質炭素コーティングの堆積の利益になることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第９０２８６６０Ｂ２号
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｂｒａｄｌｅｙら、「Ｔｈｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｏｎ  ｅｎｅｒｇｉｅｓ  ａｔ  ｔｈｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｉｎ  ａｎ  ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｕｌｓｅｄ  ｄｃ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ」［Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １１  （２００２）  １６５〜１７４頁］
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
解決策が、上記の問題のうちの１つ若しくは複数に対して必要とされるということ、並びに／又は、イオン及び電子衝撃を、分離すること、及び／若しくは、独立的に制御することの手段が有益であることになるということが、上述のことから認識されるであろう。本発明は、知られているプラズマ堆積技法に対する、そのような解決策及び／又は代替案を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の態様は、添付される１つ又は複数の独立請求項において記載される。本発明の好適な、及び／又は任意選択の特徴は、添付される従属請求項において記載される。
【００１９】
よって、本発明は、正イオンの形成及び制御、並びに、さらには基板上の電子衝撃を制御しながらの基板衝撃制御に関係する。本発明のデバイス及び方法は、強いイオン衝撃及び低い電子衝撃を使用して、硬質の高密度の薄膜を好適に生み出すことができる。本発明の方法による堆積は、基板上の低応力膜及び／又は低損傷を達成することができる。
【００２０】
本発明の１つの態様によれば、ターゲットと、ターゲットに近接するプラズマを形成するための手段であって、プラズマは、イオン、粒子状材料、及び電子を含む、形成するための手段と、電子減少（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）デバイスとを備えるプラズマ・コーティング装置が提供される。
【００２１】
本発明によるプラズマ・コーティング装置において、ターゲットに近接するプラズマを形成するための手段は、典型的には、ターゲットをバイアスする電力源と、磁気配置構成とを備えることになる。磁気配置構成は、典型的には、「プラズマ・トラップ」、すなわち、プラズマをターゲットに近接する領域に閉じ込める、相対的に高い磁場強度の領域を形成するように構成される。プラズマ・トラップ、及び、それらを創出するための磁気配置構成は、当業者の読者によく知られ、当業者の読者により、理解されているであろうものであり、ここではさらなる詳述を要さない。
【００２２】
かくして創出されたプラズマは、自由電子、イオン（例えば、イオン化ガス分子）、及びターゲット材料の混合物を、プロセス・パラメータにより決定される割合で必ず内包することになる。ついでながら、ターゲット材料は、ターゲットの表面とのプラズマの相互作用に起因してプラズマ内に存在する。
【００２３】
すべてではないにしても大部分のプラズマ・コーティング・システムの目的は、基板上へとターゲット材料（今やプラズマ内にある）を堆積させることである。イオン及び電子は、例えば、先に述べられたようなイオン及び電子衝撃により、基板上へのターゲット材料の堆積を支援するために使用され得る。
【００２４】
多くの事例において、基板は、ターゲットに対してバイアスされることになり、このことは、プラズマ・トラップの境界の近くの磁場強度においての急速な降下に起因してプラズマ・トラップを脱出することがある、プラズマ・トラップの外方縁部においてのイオンが、基板の方に引き付けられることを引き起こす。移動するイオンは、しばしば、ターゲット材料を巻き込むことがあり、かくして、そのターゲット材料を基板の方に運搬し、並びにイオン衝撃影響も同様に招来する。
【００２５】
基板をバイアスすることに関する１つの問題は、そのことが、イオン及び／又は電子を、それらのそれぞれの極性に依存して、引き付ける、又は退けることがあるということである。基板をバイアスすることは、それゆえに、好ましくは、可能ならば回避される。先に述べられたように、一部の基板は、バイアスされ得ない、又は、バイアスされないのが最も良好である。
【００２６】
特に、イオンが正に帯電される場合、それらのイオンは、正イオンに自然に引き付けられる自由電子の「雲」とかなり強く関連付けられる傾向にあることになる。このことに関する問題は、自由電子により包囲される正イオンは、事実上、正味中性であることがあり、かくして、電場を使用して制御することを困難にするということである。他方で、プラズマが電子を減少され得るならば、より少ない自由電子が、イオンと関連するために存在することになり、そのことにより、前述の「遮蔽効果」を低減する。
【００２７】
本発明によれば、この機能を提供する電子減少デバイスが提供される。好適に、電子減少デバイスは、使用時に、プラズマから電子を減少させるように構成される。このことは、イオンを包囲する電子によるバイアスされた基板に対する、又は他の電場に対する、イオンの電子遮蔽を低減することの効果を有する。
【００２８】
本発明の電子減少デバイスは、２つの主な部分、すなわち、磁気部分と、電気部分とを好適に備える。
【００２９】
磁気部分は、電磁石又は永久磁石であり得る、１つ又は複数の磁石を好適に備える。電磁石の磁力及び／又は極性は、好適に調整可能である。代替的に、永久磁石が使用される場合、それらの位置及び向きは、好適に調整可能である。磁気部分は、プラズマ・トラップの磁場にわたって重畳される磁場を創出するように好適に構成される。
【００３０】
当業者の読者にはすでに容易に明らかであろうように、プラズマ・トラップの「範囲」は、相対的に短く、明確に規定され、事実上、磁場強度が非常に急に降下する「境界層」を有する。他方で、電子減少デバイスの磁気部分は、相対的に長い範囲の、すなわち、ターゲットから磁場トラップの境界を有意に越えて広がる影響を有するように設計される。
【００３１】
電子が磁場にしたがうということ、及び、イオンが電場にしたがうということを説述することは、少々古臭い物理であるが、この事例において、これらの２つの事実は、どのように本発明が働くかを適正に理解することのために重要である。
【００３２】
プラズマが設定されたとき、イオン、ターゲット材料、及び電子は、磁場トラップにより、ターゲットのそばで閉じ込められることになる。しかしながら、磁場トラップの境界のそばのイオン、ターゲット材料、及び電子は、それらが磁場トラップ境界に達する、又はその境界を横切る際、それらの閉じ込めにおいて急速な降下に遭遇することになり、このことは、電子減少デバイスの磁気部分が、以下のように活動し始める場合のことである。
【００３３】
（相対的に短い範囲の）磁場トラップを脱出することができる電子は、電子減少デバイスの磁気部分により創出される（相対的に長い範囲の）磁場により誘導される。「脱出した」電子は、かくして、プラズマ・トラップから離れて、電子減少デバイスの磁気部分により創出される磁場により誘導される。好ましくは、電子シンクが用意され、その電子シンクの方に、脱出した電子が誘導される。電子シンクは、脱出した自由電子を引き付け、効果的に消費する、正にバイアスされた要素であり得る。
【００３４】
このプロセスにより、経時的に、及び、ますます多くの電子がプラズマ・トラップの境界から除去されるにつれて、そのため、プラズマ内の電子の「濃度」は総体的に低減し、換言すれば、プラズマは電子が減少した状態になる。
【００３５】
プラズマが電子が減少した状態になったとすると、このことは、電子減少デバイスの電気部分が、以下のように活動し始める場合のことである。
【００３６】
電子減少デバイスの電気部分は、本質的には、電力供給部と、ターゲットが正又は負にバイアスされることを可能にするコントローラとを備える。所定の実用的な応用例において、電気部分は、ターゲットをバイアスしてプラズマを創出するための１次電力供給部の部分として形成されるが、別個の、及び／又は専用の電力供給部が、この用途のために、同等に、又は代替的に使用され得る。
【００３７】
正イオンがイオン衝撃のために使用される事例において、電気部分は、正イオンをプラズマ・トラップ領域の中に引き付け保持するように、ターゲットを負にバイアスする。プラズマの電子減少が充分である（すなわち、プラズマが、上記で述べられた電子遮蔽効果を低減又は除去するのに、充分に電子を減少される）とき、電子減少デバイスの電気部分は、瞬間的に反転させられる。この実例において、短い正電圧パルスがターゲットに印加され、このパルスは、正イオンを、それらの正イオンが、プラズマ・トラップを脱出し、かくして基板を衝撃するのに充分な駆動力によって退ける。
【００３８】
負イオンがイオン衝撃において使用される、代替的な事例において、ターゲットは、負イオンをプラズマ・トラップ領域の中に引き付ける、及び／又は保持するために、電気部分により正にバイアスされる。やはり、プラズマの電子減少が充分である（すなわち、プラズマが、上記で述べられた電子遮蔽効果を低減又は除去するのに、充分に電子を減少される）とき、電子減少デバイスの電気部分は、瞬間的に反転させられる。この実例において、短い負電圧パルスがターゲットに印加され、このパルスは、負イオンを、それらの負イオンが、プラズマ・トラップを脱出し、かくして基板を衝撃するのに充分な駆動力によって退ける。
【００３９】
どちらの事例においても、イオンが（「押す力」により）プラズマから弾き出される際、その後、基板を（この事例においては負に）バイアスして、イオンを（「引く力」により）基板の方に引き付けることの必要性はなく（又は、低減され）、このこともまた、バイアスされ得ない、若しくは、バイアスされないのが最も良好である基板と関連付けられる、前述の問題のうちの１つ若しくは複数に対処する、及び／又は、それらを克服する。
【００４０】
さらに、及び特に、正イオン衝撃の事例において、プラズマは、ターゲットに対するバイアスの瞬間的反転が発生する時点において、電子をあらかじめ減少されるので、瞬間的バイアス反転は、他のやり方ではイオンと電圧パルスとの間の相互作用を低減することになるイオンの電子遮蔽がないことに起因して、他のやり方での実情であり得るものよりはるかに大である効果を有し、かくして、はるかに高い駆動力をイオンに付与する。
【００４１】
好適に、前述の１つ又は複数のパルスは、典型的には、持続期間において１０ｎｓから２ｍｓ（又は、約１０ｎｓから２ｍｓ）の間であることになり、１０Ｈｚから５００ｋＨｚ（又は、約１０Ｈｚから５００ｋＨｚ）の間の繰り返しレート（「ｒｅｐレート」）を有し得る。
【００４２】
電場パルスからの電子の１次分離に加えて、好適な電子フィルタが、基板に到着する電子の数を制限するために追加され得る。このようにして、実質的な正バイアスが、電極の電場の脈動する変化の間、成長する膜及び基板上で形成され得る。
【００４３】
浮動バイアス基板上の電圧は、基板に到着するイオン・エネルギー及びイオン密度に依存して、＋０Ｖから＋２０００Ｖであり得る。基板電圧及び電流それら自体は、さらには、好適な正バイアス、並びに／又は、好適な電流及び／若しくは電子密度及び／若しくは正イオン密度が、特定の、又は変動させられる値、特定の、又は変動させられる、パルス立ち上がり、ピーク、及び減衰において変調され得るように制御され得る。このことは、成長する膜の衝撃の受ける方、及び／又は、成長する膜の結果的に生じる応力を制御することができる。
【００４４】
電子減少デバイスは、使用時に、プラズマから電子を選択的に減少させるように構成され、かくして、イオンの遮蔽を低減し、そのようにすることにおいて、イオンは、強い電場の存在下で基板の方に加速され得る。そのようにすることにおいて、基板へのぶつかりを基に、基板バイアスが達成され得る。
【００４５】
電子減少デバイスは、元来、加速される正イオンにしたがおうとしていることになる電子が、そのようにすることを抑制又は防止されることが、それらの電子が電子減少デバイスの電気部分により偏向させられているので行われることになるようなやり方で、磁場を偏向させるように好適に構成される。
【００４６】
電子減少デバイスは、使用時に、移動／進行するイオンが、有意なエネルギー損失なしに基板にぶつかることができるように、イオン減速を回避又は低減する役目をする、電子フィルタとして効果的に動作する。
【００４７】
所定の実施例において、電子減少デバイスの電気部分は、電場の短持続期間パルスを印加するように好適に適合され、それらのパルスは、相対的に軽く動きやすい電子をプラズマから引き付けるのに十分に長いが、それらのパルスは、プラズマの中の、相対的に、より大きい、及び／又は、より重い、及び／又は、より動きやすくないイオンの軌跡に顕著に影響を及ぼすには、不充分に長い、及び／又は、強力である。この機構により、プラズマは、例えば、プラズマ区域の外側の別の領域に電子を引き付けることにより、電子を減少され得るものであり、かくして、基板の方へのプラズマ内のイオンの引き付けを手助けする。
【００４８】
本発明の本質は、それゆえに、（例えば、ターゲットを介して）プラズマに印加されるパルス化された電場を使用して、プラズマから電子を減少させるシステムである。マグネトロン・スパッタリング・デバイスにおいてなど、堆積システムにおいて、これは、コーティングされることになる基板の方へのプラズマの中のイオン及び粒子状物質の、スピード及び／又は軌跡及び／又はエネルギーを強化することができ、はるかに硬質の、及び／又は、より連続的な、及び／又は、平滑な堆積させられた層を結果的に生じさせる。
【００４９】
本発明の別の可能な態様によれば、正イオンの形成及び制御のためのデバイス及び方法が提供され、基板衝撃制御が説明される。正イオンは、エネルギーをもつ（ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ）電子との原子及び／又は分子の好適なイオン化衝突によって、電極の領域のすぐ近くのプラズマ内で形成される。電子及びイオンを分離するために、電場の脈動する変化が使用される。
【００５０】
イオン形成、プラズマ領域内の電場の脈動する変化、イオン引き出し、電子フィルタリング、並びに、基板バイアス電圧及び基板電流管理を可能にする、好適なデバイス又はデバイスの組み合わせが、さらには、本発明の部分であることになる。
【００５１】
本発明のデバイス及び方法は、主に、排他的にではないが、マグネトロン・スパッタリング堆積に関係することになる。加えて、例えば、熱的蒸着源、昇華源、電子ビーム蒸着、化学蒸気堆積（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、金属有機化学蒸気堆積（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、無機複合蒸気（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｃｏｍｐｌｅｘ  ｖａｐｏｕｒ）、モノマー注入、炭化水素注入、反応性イオン・エッチング、プラズマ支援化学蒸気堆積（ＰＡＣＶＤ）源、又は、任意の他の真空堆積源若しくは技法の事例においてのように、イオン形成デバイスは、コーティング源デバイスの部分として統合され得るものであり、又は、そのイオン形成デバイスは、さらには、そのコーティング源デバイスから結合解除され得る。イオン形成デバイスは、さらには、独立的であり得るものであり、又は、さらには、マグネトロン・スパッタリング陰極の部分であり得る。堆積プロセスは、実質的には、（物理蒸気堆積（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤにおいてに類する）非反応性プロセス、又は、（反応性ＰＶＤ又はＣＶＤ又はＰＡＣＶＤにおいてに類する）反応性プロセスのいずれかであり得る。
【００５２】
基板電圧及び電流管理が、さらには、本発明の部分を形成し得る。
【００５３】
さらには、本発明は、反応性プロセス及びコーティング堆積イオン衝撃管理に関係し得る。本発明は、さらには、フィードバック制御システムにおいての本デバイスの使用に関係し得るものであり、フィードバックは、コーティング・プロセス・パラメータ、又は、イオン形成パラメータ、又は、基板イオン衝撃、電圧、若しくは電流パラメータ、又は、プロセス・パラメータの任意の組み合わせに基づくものであり得る。
【００５４】
非反応性及び反応性プロセスのフィードバック制御が、さらには、本発明の部分である。
【００５５】
イオン形成器は、さらには、電場変化の方向、及び、その結果として、イオン衝撃の方向を定めるために、種々の表面プロファイルを有し得るものであり、このようにして、イオンの方向制御が達成され得る。
【００５６】
本発明は、さらには、マグネトロン・スパッタリングにおいての、又は、任意の他の真空堆積プロセスにおいての、平面的な、プロファイル設定されたターゲット、又は、回転可能なターゲットを伴うデバイスの使用に関係する。
【００５７】
本発明の別の部分において、本発明は、さらには、１つ又は複数のこれらのデバイスの使用に関係する。
【００５８】
本発明は、さらには、シングルＤＣパルス・パワー、デュアルＤＣパルス・パワー、重畳パルス・オンＡＣ−ＭＦパワー（Ｓｕｐｅｒ−ｉｍｐｏｓｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ｏｎ  ＡＣ−ＭＦ  ｐｏｗｅｒ）、ＨＩＰＩＭＳ、デュアルＨＩＰＩＭＳ、陽極パルス放電、及び、放電に対して追加される、又は差し引かれることがあるパワー・モードの任意の組み合わせなどの、異なるパワー・モードの使用に関係する。
【００５９】
本発明は、さらには、イオンからの電子分離がさらには達成されるようなやり方で、磁気又は非磁気手段により電子を誘導することができる陽極の使用に関係する。陽極の電場制御は、さらには、基板上のイオン及び電子衝撃の制御を可能とすることになる。陽極は、平面的な、プロファイル設定された、及び、回転可能な電極上で使用され得る。
【００６０】
本発明は、さらには、イオン強化堆積を使用する方法により製造される材料、構成要素、及びデバイスに関係する。
【００６１】
本発明は、さらには、電極からの正イオン放出の形成及び制御に関係し得る。正イオンは、エネルギーをもつ電子との原子及び／又は分子の好適なイオン化衝突によって、電極の領域のすぐ近くのプラズマ内で形成され得る。プラズマ・プロセスは、電場の脈動する変化が後に続くイオン化形成期間からなることがあり、その変化が、イオンを推進することになり、それらのイオンを、膜が堆積させられている基板の方に引き出す。好適な電子フィルタは、実質的な正バイアスが、電極の電場の脈動する変化の間、成長する膜及び基板上で形成されるようなやり方で、基板に到着することになる電子の数を制限することができる。基板電圧及び電流それら自体は、さらには、好適な正バイアス、並びに／又は、好適な電流及び／若しくは電子密度及び／若しくは正イオン密度が、特定の、又は変動させられる値、特定の、又は変動させられる、パルス立ち上がり、ピーク、及び減衰において変調され得るように制御され得る。このことは、成長する膜の衝撃の受け方、及び、成長する膜の結果的に生じる応力を制御することができる。
【００６２】
イオン形成、プラズマ領域内の電場の脈動する変化、イオン引き出し、電子フィルタリング、並びに、基板バイアス電圧及び基板電流管理を可能にする、好適なデバイス又はデバイスの組み合わせが、さらには、本発明の部分であることになる。
【００６３】
本発明により処理されるこれらのデバイス及び材料及び構成要素を使用する、製造プロセス及び方法が、さらには、本発明の部分である。
【００６４】
本発明は、今から、単に実例として、付随する図面を参照して説明されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】動作のアンバランスド・モードにおいての知られているマグネトロン・スパッタリング・デバイスの概略表現の図である。
【図２】動作のバランスド・モードにおいての知られているマグネトロン・スパッタリング・デバイスの概略表現の図である。
【図３】動作の異なるフェーズにおいての本発明の第１の実施例の概略表現の図である。
【図４】動作の異なるフェーズにおいての本発明の第１の実施例の概略表現の図である。
【図５】回転基板ステージを伴う、図３及び４において示されるような２つのデバイスを備える、本発明の第２の実施例の概略表現の図である。
【図６】電子フィルタを取り付けられた、本発明の第４の実施例の概略表現の図である。
【図７】図３及び４において示されるような２つの反対のデバイスを備える、本発明の第５の実施例の概略表現の図である。
【図８】動作の異なるモードにおいての、本発明の実施例による電子減少デバイスの電気部分に対する電圧−時間グラフである。
【図９】動作の異なるモードにおいての、本発明の実施例による電子減少デバイスの電気部分に対する電圧−時間グラフである。
【図１０】動作の異なるモードにおいての、本発明の実施例による電子減少デバイスの電気部分に対する電圧−時間グラフである。
【図１１】図１０に対応するオシロスコープ・トレースの図である。
【図１２】動作の異なるモードにおいての、本発明の実施例による電子減少デバイスの電気部分に対する電圧−時間グラフである。
【図１３】本発明による電子減少デバイスの電気部分により印加されるターゲットにおいての電圧変化に応答しての、基板における電圧応答を示すグラフである。
【図１４】本発明による電子減少デバイスの電気部分により印加されるターゲットにおいての電圧変化に応答しての、基板における電圧応答を示すグラフである。
【図１５】本発明による電子減少デバイスの電気部分により印加されるターゲットにおいての電圧変化に応答しての、基板における電圧応答を示すグラフである。
【図１６】動作の異なるモードにおいての、本発明の実施例による電子減少デバイスの電気部分に対する電圧−時間グラフである。
【図１７】本発明による電子減少デバイスの電気部分により印加されるターゲットにおいての電圧変化に応答しての、基板における電圧応答を示すグラフである。
【図１８】追加的な蒸着源と連関する、図３及び４において示されるようなデバイスを備える、本発明の第６の実施例の概略表現の図である。
【図１９】図３及び４において示されるような２つの反対のデバイスと、回転基板ステージと、追加的な磁気デバイスとを備える、本発明の第７の実施例の概略表現の図である。
【図２０】管状マグネトロン配置構成に組み込まれる、本発明の第８の実施例の概略表現の図である。
【図２１】管状マグネトロン配置構成に組み込まれる、本発明の第９の実施例の概略表現の図である。
【図２２】異なるターゲット幾何形状を有する、本発明の第１０の実施例の概略表現の図である。
【図２３】異なるターゲット幾何形状を有する、本発明の第１１の実施例の概略表現の図である。
【図２４】本発明により形成されるコーティング、対、知られている堆積装置により形成されるコーティングに対する硬度グラフ（力対変位）である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
図１を参照すると、知られているマグネトロン・スパッタリング・デバイス１の概略表現が示されている。ターゲット４が用意され、磁石配置構成（示されない）が、ターゲット４にわたってプラズマ（明瞭性のために示されない）をトラップする、図面において磁場線３により指示される磁場を創出するために使用される。
【００６７】
磁場はアンバランスドであり、したがって、破線矢印６により全体的に指示される電子流れは、ターゲット４に対向して配置される基板２を衝撃する。磁場の構成は、電子が、図面において８ａと指示される磁場線により規定される経路７に沿って流路で運ばれるというようなものである。
【００６８】
その一方で、おおかた中性である、図面において実線矢印５により指示されるスパッタリングされた材料は、電子流れの方向、すなわち、電子衝撃６の方向で優先的に進行することになる。アンバランスド・マグネトロン構成において、イオン衝撃は、さらには、電子衝撃を基板２にもたらす。プラズマの部分であるイオンは、主に低エネルギー・イオンであることになる。
【００６９】
今から図面の図２に目を向けると、知られているマグネトロン・スパッタリング・デバイス１が、さらには、ターゲット４にわたってプラズマ（明瞭性のために示されない）をトラップする、磁場線３により図面において描写される磁場を有する。
【００７０】
この事例において、磁場はバランスドであり、したがって、電子流れ６は、今は、基板２から正に外の方に離れ、そのため基板２に達しない。
【００７１】
その一方で、主に中性である、矢印５により指示されるスパッタリングされた材料５は、プラズマにしたがわず、そのため、プラズマ内で形成されるイオンは、基板２から離れて電子流れ６にしたがうことになる。バランスド・マグネトロン構成において、基板は、最小限のイオン及び電子衝撃を受ける。
【００７２】
「バランスド」マグネトロン配置構成と「アンバランスド」マグネトロン配置構成との間の違いは、図１及び２において示される磁場線３を比較することにより確認され得るものであり、図１においてのものは、基板２の方に、全体的に内の方に放射し、「丸い突出部」が、配置構成の正中線の方に、内の方に方向設定され、しかるに、図２においてのものは、基板２から離れて、全体的に外の方に扇形に拡がり、「丸い突出部」が、配置構成の正中線から離れて、外の方に方向設定される。
【００７３】
今から、残りの図面において示される本発明の実施例に目を向けると、図３及び４は、動作の異なる段階においての本発明の第１の実施例１ｂの概略表現であり、図３において、デバイス１ｂは、動作のプラズマ減少フェーズにあり、しかるに、図４において、同じデバイス１ｂは、動作のイオン衝撃モードにある。
【００７４】
不必要な繰り返しを回避するために、同一の特徴は、図面において同一の参照符号により指示され、かくして、各々の実施例の詳細な解説に対する必要性を取り除く。
【００７５】
図面の図３及び４において、先に説明されたものと同様のデバイス１ｂは、追加的な要素、すなわち、電子減少デバイスの磁気部分１０ａｂと、電気部分５０とを内包する。
【００７６】
先に説明されたように、従前の磁気配置構成（示されない）は、ターゲット４にわたってプラズマ（示されない）をトラップする、磁場線３により指示される磁場を創出する。ターゲット４は、本発明によって好適にバイアスされ、そのため、スパッタリングが生起し、スパッタリングされた材料５が、ターゲット４から弾き出され、そのスパッタリングされた材料５の流束が、基板２の方に流れる。電場をパルス化することにより、プラズマ・トラップにおいて形成されるイオンは、基板２の方に、力積を与えられ（プラズマ・トラップから優先的に弾き出され）得るものであり、矢印９により図面において概略的に指示される、イオンの流束、又はイオン流れを創出する。高エネルギー・イオンが、このようにして形成される。
【００７７】
図３において、電子流れ６は、イオン流れ９とは別個であり、又は、イオン流れ９とは独立的に制御される。このことは、基板２が、基板２上で測定され得る主に正の充電を受けるために作製され得るということを意味する。充電電圧及び流れは、好適な電力供給手段２ｂにより管理され得る。
【００７８】
電子減少デバイスの磁気部分１０ａｂは、マグネトロン・デバイス１ｂのプラズマ・トラップ５２を形成する磁石（示されない）に近接して配置構成される、永久磁石のセットを備える。永久磁石１０ａｂは、全体的に円柱状であり、図面において太い磁場線８ｂにより、概略的により指示される、相対的に長い範囲の磁場を形成するように、図面において概略的に指示されるように回転させられる。磁石１０ａｂにより創出される相対的に長い範囲の磁場は、磁場トラップの境界５２を越えて広がり、そのため、磁場トラップ境界５２の近傍において、プラズマの中の電子は、鎖線矢印６により指示されるように、磁場トラップ境界５２から離れて引き付けられる。電子シンク（示されない）が、引き付けられる自由電子を吸収するために、矢印６の下流に用意され得る。
【００７９】
その一方で、所定の量のスパッタリングされたターゲット材料（実線矢印５により概略的に指示される）及びイオン（矢印９により指示される）が、普通の進展で、磁場トラップ境界５２を脱出し、基板２の方に進行する。動作のこのフェーズの間、磁場トラップ境界５２の中の、又は、磁場トラップ境界５２の近くのプラズマは、電子６を減少されており、そのため、プラズマの電子濃度は、絶えず低減しており、又は、抑えられた平衡濃度に達するということが認識されるであろう。電圧２ｂが、基板に印加され得るが、このことは必要ではない。
【００８０】
動作の次のフェーズにおいて、図面の図４において示されるように、電子減少デバイスの電気部分５０が、負バイアス状態（それが正イオンを引き付け保持した）から正状態に、短持続期間パルスの間切り替わることにより作動させられる。上記で説明されたように、このパルスは、正イオン９及び電子６を、瞬間的にターゲット４から離れ基板２の方に追いやる。駆動力は、電子減少デバイスの磁気部分１０ａｂにより生み出される磁場８ｂに打ち勝つのに充分であり、そのため、時間的にこの時点において、スパッタリングされた材料５、イオン９、及び電子６はすべて、基板２の方に移動する。しかしながら、今や、より少ない電子が（動作の先のフェーズにおいての減少に起因して）存在するので、電子減少デバイスの電気部分５０によりターゲット４に印加される正パルスの影響は、はるかに大であり、イオン９への電子６の電子遮蔽効果は、今や大いに低減される。このことは、基板２に印加される何らかの電圧２ｂが、より大である影響を有し、そのため、イオン衝撃影響が増大され、一方で同時に、電子衝撃の不利な影響が低減されるということを意味する。
【００８１】
装置１ｂは、次いで、動作の電子減少モードに戻るようにセットされ、プロセスは繰り返される。
【００８２】
電子減少デバイスは、電子流れが、異なる方向で、流路で運ばれることを可能にするものであり、それらの異なる方向とは、すなわち、それらの電子が磁場線８ｂにより流路で運ばれる、図３において示されるような、基板２から離れるものであり、又は、それらの電子が磁場線８ａにより流路で運ばれる、図４においてのような、基板２の方へのものである。
【００８３】
先に述べられたように、磁石１０ａｂは、意のままにスイッチ・オン／オフされ得る電磁石であり得るものであり、及び／又は、それらの磁力／強度は、意のままに調整され得る。
【００８４】
しかしながら、図４において、電子流れ６及びイオン流れ９は、両方が基板２に達する。好適な電力供給部２ａの手段により、電子及びイオン電流は管理され得る。異なるパワー・モードが、下記でより詳細に説明されるように、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【００８５】
図５は、複数のデバイス１ｂが基板２をコーティング又はプラズマ処理するために使用される、本発明の概略実施例を示す。
【００８６】
中で示される両方のデバイス１ｂは、例えば構成８ａと８ｂ〜ｃとの間で場電子流路を変化させることができる磁場制御要素１０ａｂを内包する。構成８ｂ〜ｃにおいて、電子流れ６は基板２に達せず、一方で、スパッタリングされた材料及びイオン流れ９は達する。異なるパワー・モードが、下記でより詳細に説明されるように、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【００８７】
図６は、デバイス１ｃａと１ｃｂとの間の相互作用、並びに、それらのデバイスの相対的な位置及び角度が、電子流れ６を流路で運ぶことになる磁場８ｂ〜ｃを創出することになる、本発明の別の概略実施例を示す。材料及びイオン流れ９（好適な電場パルスが印加されるとき）は、電子の流れとは異なるものであり得る。異なる流れの間の基板位置は、コーティング特性に影響力を及ぼすことになる。基板２ａは、主に正イオンを受けることになる。基板２ｂ及び２ｃは、主にコーティング材料を受けることになる。２ａと２ｂ又は２ｃとの間の位置における基板は、（コーティング材料とともに）電子衝撃を受けることになる。イオン衝撃は、主に、電子にしたがう低エネルギー・イオンにより影響力を及ぼされることになる。異なるパワー・モードが、図６、７、及び１０により、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【００８８】
図７は、典型的には矢印１２により指示される方向で進行することになる基板２上でコーティングするイン・ライン・コーティング・システムに関するものなどの、２つのデバイス１ｂが相対的に平行な位置で配置構成される、本発明の別の概略実施例を示す。磁気手段１０ａｂ又は追加的な磁気手段１０ｃにより、基板２は、電子流れ６から遮蔽され得るものであり、一方で、コーティング流れ５及び高エネルギー・イオン流れ９は、基板２に達することができる。加えて、陽極要素１１ｃ〜ｄ（「電子シンク」）が、強化された様式で電子流れ６が基板２から離れるように誘導されるようなやり方で、磁気遮蔽に連関して追加され得る。異なるパワー・モードが、下記で説明されるように、説明されるように使用され得る。
【００８９】
図８、９、及び１０は、電子減少デバイスの磁気部分を使用して印加され得る、３つのタイプの電場パルスの実例を示す。
【００９０】
図８は、主に陰極の電圧１３ａ（−）から正値１３ｂへのパルス１３を表す。これは、典型的には、マグネトロン・スパッタリング・モードにおいて働くデバイスのものであることになる。
【００９１】
図９は、接地された、又はゼロの近くの電圧レベル１３ａ（０）から正レベル１３ｂへのパルス１３を表す。これは、典型的には、主にパルス・イオン源モードにおいて働くデバイスのものであることになる。
【００９２】
図１０は、小さい正数１３ａ（＋）から高い正値１３ｂへのパルスを表す。この後者のモードの現実のオシロスコープ電圧トレースが、浮動出力を伴うパルス・イオン源のものである、図１１において確認され得る。
【００９３】
図１２は、本発明へのＨＩＰＩＭＳパルスの適合の実例を示す。図１２において、高度に負のパルス１３ａ（−）の後に続くのが、高い正電圧パルス１３ｂであり、それら自体の後に続くのが、１３ａ（０）電圧においての非エネルギー送達である。
【００９４】
図１３は、ターゲット電圧１３及び基板浮動電位１４に対するトレースが表される、チタン・ターゲットのＨＩＰＩＭＳ放電の実例を示す。ＨＩＰＩＭＳ放電において、ターゲットのパルス１３ａ（−）の間、負電圧がターゲット上で誘起される（１４ｚ）。電場においての反転の間、大きい正電圧ピーク１４ａが、充電相互作用に起因する、引き続いての減衰１４ｂを伴って、基板上で形成される。
【００９５】
図１４は、ターゲットの実験的電圧トレース１３、及び基板電圧トレース１４を示す。トレースは、図６の実験に関しての１５０ｋＨｚＤＣパルス放電においての実験的セットアップに対応する。図６を参照すると、基板位置は２ａであり、ターゲットは４である。基板は、プラズマを通ることを除いて、接地及び電極から隔離され、電気的に浮動的である。図１４において、負サイクル１３ａ（−）の間、ターゲット上で正イオンが、衝突及びスパッタリング・プロセスの間に形成されている。極性を正値に反転させるとき、イオンが弾き出される。図６のデバイスは、基板から離れるように電子をフィルタリングするので、次いで、＋３００Ｖの充電された高い正パルス１４ａが、イオン到着に起因して基板上で創出される。相互作用に起因する自然な減衰が、充電値下降１４ｂをもたらすことになる。放電のパラメータを選択することにより、ピーク電圧及び放電期間の値を改変することが可能である。
【００９６】
図１５は、異なるガス放電においての図６の基板（基板２ａ）に関しての実験的オシロスコープ測定を示す。図１５は、Ａｒ（ターゲット材料としてのＣ−グラファイト）においてのプラズマ放電である。トレース１４は、パルス１４ａにおいて＋４２０Ｖを達成する基板電圧充電を表す。基板上の充電１５の電流が、さらには測定された。
【００９７】
図１６において、ガス混合物はＡｒ＋Ｏ２である。より高い正イオン衝撃が、ＡｒについてのＯ２のより容易なイオン化に起因して達成される。より多くの正イオンが形成され、より多くの正イオンが、基板に到着することになり、より高い１４ａ正パルスを創出する。さらには、トレース１５においての測定された電流は、より高い。
【００９８】
図１６は、図６の陰極が、電圧が電極としての２つの陰極の間で振動するデュアル・スパッタリング・モードにおいて稼働しているときの、図６の基板（基板２ａ）に関しての実験的オシロスコープ測定を示す。図１６は、デュアル動作モードの陰極のうちの１つに対する理論的トレースを示す。ターゲット電圧は、正数１３ｂと負数１３ａ（−）との間で振動する。基板充電が、図１７、トレース１４において確認され得る。それぞれの交番する陰極上の正インパルスに対応することになる、２つのピーク１４ａ１及び１４ａ２が存する。図１７のトレース１３に対して、１３ａ（−）電圧の期間は、１３ｂパルス時間の間に放出されるイオンを形成することになる。ピーク１４ａ２は、他方の陰極に対してのイオン放出に対応する。
【００９９】
図１８は、図３及び４において説明されるデバイス１ｂが、基板２にわたってコーティング材料１７をもたらす、蒸着、昇華、又はエフュージョン源などの他のコーティング源１６と連関して使用される、本発明の別の実施例を示す。イオン強化デバイス１ｂは、イオン支援衝撃をコーティング材料１７にもたらすことができ、隔離の状態の源１６を使用することにより可能であり得るものより高密度の膜を達成する助けとなる。源１６は、熱的蒸着、電子ビーム蒸着、その他など、ガス若しくは蒸気送達（例えば、モノマー、無機及び有機分子、ＭＯＣＶＤ）源又はＰＶＤ源とは異なる性質のものであり得る。異なるパワー・モードが、図６、７、及び１０により、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【０１００】
図１９は、図３及び４において説明されるような複数のデバイス１ｂが、マグネトロン・スパッタリング源１８ａ〜ｄなどの他のコーティング源と連関して使用される、本発明の別の実施例を示す。磁気電子フィルタ／流路を保つために、総体的な磁気相互作用が考慮されることを必要とし、妥当な制御方法が実装されることを必要とする。デバイス１ｂは、さらには、ターゲット材料及びガス材料の両方からコーティング貢献者として使用され得るものであり、又は、さらには、要素１８ａ〜ｂのプロセスを、それらの要素の堆積において支援するイオン強化堆積として使用され得る。異なるパワー・モードが、図８、９、及び１６により、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【０１０１】
図２０は、本発明のデバイスが、場線８ｄによって電子遮蔽を創出するために、リンクされた磁場を伴う円柱状の回転可能なターゲット１９ａ〜ｂを使用する、本発明の別の実施例を示す。イオン流束９及びコーティング流束５が、基板２に到着する。スパッタリング区域の部分は、米国特許第９０２８６６０Ｂ２号において説明されるような非対称磁気構成により達成され得る、８ｅに類する追加的な遮蔽を必要とすることになる。異なるパワー・モードが、図６、７、及び１０により、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【０１０２】
図２１は、本発明のデバイスが、円柱状の回転可能なターゲット１９ａ〜ｂ、及び、陽極要素１１ａからの支援を使用する、本発明の別の実施例を示す。陽極要素は、米国特許第９０２８６６０Ｂ２号により説明されるような磁気手段により強化され得る。陽極内への電子流れ６が制御され得る。放電の磁気閉じ込めに加えての電場、及び、陽極との電子交換が、高いエネルギーをもつイオンに電子がしたがうことができるということに影響を及ぼすことになるものであり、なぜならば、それらの電子は、強い電場により、作動中の陽極の方に引かれるからである。このようにして、イオン９は、さらには、陽極要素１１ａとおよそ同じレベルで、基板２上で高い正バイアスを生み出すことができることになる。陰極、陽極、及び陽極電場に関する磁気相互作用を変動させることにより、システムは、種々のイオン支援レベルを制御することができる。異なるパワー・モードが、図８、９、及び１６により、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【０１０３】
図２２及び２３は、異なるプロファイル設定されたターゲット４ａ又は４ｂが、図３及び４において説明されるようなデバイス１ｂ上で使用され得る、本発明の２つの概略表現を示す。ターゲット・プロファイル４ａ及び４ｂは、電場の方向、及び、その結果として、イオン流れ９の方向の制御を可能にする。図３及び４において説明されたことと同様に、電子流れ６は、磁気手段１０ａｂにより、高エネルギー・イオン流れ９から分離され得る。磁気又は非磁気誘導陽極などの追加的な特徴が、追加され、本発明の部分を形成し得る。異なるパワー・モードが、図８、９、及び１６により、排他的にではないが、説明されるように使用され得る。
【０１０４】
図２４は、インデンタ侵入深さがｘ軸上でプロットされ、荷重がｙ軸上でプロットされる、従来技術システムと比較される、本発明を使用する炭素コーティングの硬度及び弾性率においての改善を示すデータを内包するグラフである。知られているシステムを使用して形成された炭素コーティングは、１５．１＋／−０．７ＧＰａの範囲内の硬度、及び、１６７．４＋／−４．６ＧＰａの弾性率を生み出し、しかるに、本発明を使用して形成された炭素コーティングは、２８．４＋／−０．６ＧＰａの範囲内の硬度、及び、２３７．５＋／−２．５ＧＰａの弾性率を生み出すことができるということが分かる。本発明を使用して生み出されるコーティングの硬度及び弾性率においての顕著な改善、並びに、低減された変動性が存する。
【図１】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１６Ａ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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