(57)【要約】  中央磁極と電気的アノードとの両方として作用するアノードを備える、クローズドドリフトイオン源を提供する。前記アノードは、前記源の電気インピーダンスをさらに増大させるために、クローズドドリフト領域を生成する絶縁材料キャップを備える。前記イオン源は、宇宙スラスタへの応用のための円形の従来のイオン源、または広範囲の基板を均一に処理するための長い線状のイオン源として構成されることができる。特に有用な実施では、本発明を、マグネトロンスパッタプロセスのためのアノードとして使用する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを発生させるように構成されたクローズドイオン源であって、
前記クローズドイオン源がアノードを備え、第１磁力線が前記アノードを通過するよう構成され、電子が前記アノードに到達するために磁力線を横切るよう強制するクローズドドリフト閉じ込め領域が形成されることを特徴とするクローズドドリフトイオン源。
【請求項２】
クローズドドリフト閉じ込め領域が、前記アノード上に配置された絶縁キャップによって少なくとも部分的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項３】
中央磁極と、前記アノードとが、一体構造として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項４】
中央磁極が、前記アノード内に配置された磁石を備えることを特徴とする請求項３に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項５】
前記アノードが、透磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項６】
前記クローズドドリフトイオン源が、円形イオン源として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項７】
前記クローズドドライブイオン源が、線状イオン源として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項８】
前記線状イオン源が、３００ｍｍより長いことを特徴とする請求項７に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項９】
前記線状イオン源が、１０００ｍｍより長いことを特徴とする請求項７に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１０】
前記アノードが、水冷されることを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１１】
前記クローズドドリフトイオン源が、基板と所定の位置関係にあり、前記基板の全幅にわたって均一なイオンビームを発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１２】
中空カソードが、前記クローズドドリフトイオン源のための電子源を提供することを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１３】
マグネトロンスパッタが、前記クローズドドリフトイオン源のための電子源を提供することを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１４】
熱電子フィラメントが、前記クローズドドリフトイオン源のための電子源を提供することを特徴とする請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クローズドドリフトイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、２００６年１０月１９日に出願された米国仮出願第６０／８５２，９２６号に関し、優先権を主張するものであり、前記仮出願は参照によりここに全文が組み込まれる。
【０００３】
本発明は、プラズマ処理、スパッタリング、プラズマエッチング等の産業処理用の磁気閉じ込めプラズマ及びイオン源、ならびに宇宙応用のための電気推進装置に関する。これらの応用のために多くのクローズドドリフトイオン源が提案され、いくつかは依然として商業的に実現可能である。Ｋｉｍ及びＺｈｕｒｉｎ、Ｋａｕｆｍａｎ及びＲｏｂｉｎｓｏｎによる参考文献により、有用な一般情報及び関連参考文献が提供されている。これらの文献に記載されているように、従来のクローズドドリフトイオン源は、内部磁極及び外部磁極両方と、それらの極の間に配置された別の環状アノードと、を備える。クローズドドリフト磁場は、これら２つの接地極又は電気的浮遊極の間のアノードを横切る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，２５９，３７８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２１８，２７１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４５６，０１１Ｂ１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７６３，９８９号明細書
【特許文献５】米国特許第５，８３８，１２０号明細書
【特許文献６】米国特許第３，７３５，５９１号明細書
【特許文献７】米国特許第４，８６２，０３２号明細書
【特許文献８】米国特許第５，８５５，７４５号明細書
【特許文献９】米国特許第６，７３４，４３４号明細書
【特許文献１０】米国特許第４，３６１，４７２号明細書
【特許文献１１】米国特許第４，８５１，０９５号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，８５５，７４３号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，４５４，９１０号明細書
【特許文献１４】米国特許第４，８４９，０８７号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，１０６，４７４号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，１１０，５４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
＜拡張加速チャネルイオン源（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ）＞
過去の文献では、クローズドドリフトイオン源は拡張加速チャネルとアノード層との２つの分類に分離されている。一貫性はないが、共通の境界線は、チャネルの幅のチャネルの深さに対する比である。深さが幅寸法を超える場合、イオン源は拡張加速チャネル型として分類される。この分類及びアノード層分類の両方において、電場にほぼ直交する磁力線によってレーストラック形状にイオン加速電場が形成される。レーストラックの外側では、磁場が存在しないため電子は比較的自由に移動する。しかしながら電子がイオン源に突入しアノードに到達しようとすると、横切る磁力線に阻止される。これにより電子は旋回し、これらの磁力線に沿って移動する。さらなる動作は、磁場及び電場の両方に対して直角のドリフトである。これはホール電流と呼ばれ、レーストラック形状の閉じ込め領域の効果である。Ｍａｄｏｃｋｓによる特許第７，２５９，３７８号中で、これらの動作について詳しく説明されている。
【０００６】
Ｅｇｏｒｏｖによる特許第５，２１８，２７１号は、従来技術における多くの拡張加速チャネル源の典型的なものである。従来技術と同じように、前記源は、内部及び外部高透磁率磁極とともに環状アノードを備える。Ｂｕｇｒｏｖａによる特許第６，４５６，０１１Ｂ１号は、イオン源のサイズを縮小するためのものであるため興味深い。小さく軽いイオン源の必要性が概説されている。Ｂｕｇｒｏｖａは、内部極から磁場を発生させる要素を取り除くことによりイオン源のサイズを減少させる。前記内部極は残されたままであるが、高透磁率材料のみから成る。挙げられている例では、源の外径は５ｃｍである。
【０００７】
＜アノード層イオン源＞
アノード層型イオン源は、クローズドドリフト源の第２の分類である。アノード層源において、クローズドチャネルの深さは、典型的にその幅より短いかまたはその幅と等しい。クローズドドリフトの刊行物でこれらの源について論じられている。これらの源は、産業利用において実用化されてきた。これらの源はロシアで４０年前に開発されたため、広く公知となっており、特許はわずかしか存在しない。２つの特許第５，７６３，９８９号及び第５，８３８，１２０号は、前記アノード層形状の典型的な構成を示している。第７，２５９，３７８号において、Ｍａｄｏｃｋｓは、磁場を磁気ギャップに集中させる先のとがった磁極を備えた前記源の改良版を開示している。これら及びその他のアノード層イオン源で見られるように、環状アノードは２つの離れた内部磁極と外部磁極との間に配置されている。
【０００８】
＜エンドホールイオン源（Ｅｎｄ  Ｈａｌｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ）＞
エンドホールイオン源は、クローズドドリフトイオン源の変形である。エンドホール源では、環状アノードの側面を露出させるために、内部磁極は外部極に対して低く位置されている。これは、Ｂｕｒｋｈａｒｔ及びＫａｕｆｍａｎによる特許（第３，７３５，５９１号及び第４，８６２，０３２号）の両方において例示されている。この幾何学構造の場合、第２の電子閉じ込め形態は、ペニング型の閉じ込めのクローズドドリフトイオン源と組み合わせる。第２閉じ込め形態は、電子が傾斜磁場による磁力線に沿って一部分閉じ込められるミラー電子閉じ込めである。さらにＢｕｒｋｈａｒｔ及びＫａｕｆｍａｎならびにその他の従来技術の前記源の型（例えばＭａｎｌｅｙの第５，８５５，７４５号）においても、アノードは、中央の接地極又は浮動極から外部の接地極又は浮動極へと通過する第１電子閉じ込め力線を有して環状である。
【０００９】
Ｓａｉｎｔｙによる特許第６，７３４，４３４号において、異なるエンドホールイオン源構造が提示されている。第６，７３４，４３４号において、アノードは環状ではなく、中央の浮動極は存在しない。アノードはイオン源の中心領域を充填し、磁場がアノードを通過する。Ｓａｉｎｔｙにとって重要なのは、アノードの中心が導電性を有し、アノードの中央上部の表面が導電性を有したまま残るように被覆されていることである。フィラメントから流れる電子は、磁力線を横切ることによるよりも、アノードの中心で磁気ミラーを介してアノードに到達する。これにより、電子がアノードに到達しようとする抵抗は著しく低下し、本発明とは異なる。
【００１０】
＜マグネトロンスパッタを備えたイオン源＞
マグネトロンスパッタカソードとクローズドドリフトイオン源との組み合わせは、いくつかの構成で知られている。Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，Ｊｒ．の第４，３６１，４７２号において、図１３ｂに、アノードとしてマグネトロンスパッタカソードに接続されたクローズドドリフトイオン源が示されている。この特許において、Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，Ｊｒ．は、カソードとアノード（イオン源）とに別々の電力供給装置を使用して、このツールを反応性スパッタリングに使用する事を説明している。Ｓｃｏｂｅｙによる第４，８５１，０９５号では、イオン源に電子を供給するために、マグネトロンスパッタカソードを使用している別のタイプのクローズドドリフトイオン源が開示されている。Ｓｃｏｂｅｙによる特許において、イオン源とマグネトロンスパッタカソードとのための別々の電力供給装置が示されている。Ｍａｎｌｅｙによる第５，８５５，７４５号において、エンドホール型イオン源が、マグネトロンスパッタカソードのアノードとして使用されている。Ｚｈｕｒｉｎによる第６，４５４，９１０号では、イオン源とスパッタカソードとのための別々の電力供給装置を備えたマグネトロンスパッタを備えたエンドホールイオン源が示されている。
【００１１】
＜マグネトロンスパッタ用アノード＞
いくつかの従来技術の特許では、向上したマグネトロンスパッタアノード用装置が公開されている。Ｍｅｙｅｒによる第４，８４９，０８７号において、不活性ガス及び反応性ガスの両方が、アノードを通る流路に分散されている。これにより、ガスをより有効に使用する安定なプラズマが発生すると言われている。この特許において、アノードはマグネトロンスパッタに隣接し、磁力線はアノードを通過することが示されている。Ｄｉｃｋｅｙによる第５，１０６，４７４号では、絶縁被覆のマグネトロンスパッタリングの間、アノードの導電性を維持するためのアノード構成のいくつかが説明されている。図８から１１において、スパッタカソードから前記アノードへと電子を導くよう配列された磁石を備えたアノードを示している。Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄによる第６，１１０，５４０号では、ピンホールを通じて不活性ガスを流し、アノードでプラズマを形成することによって、導電性を維持する導電性アノードが開示されている。この特許の図７ｃにおいて、導電性アノードがプラズマ成形磁石と共に示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、中央磁極と電気的アノードとの両方として作用するアノードを備えた新規なクローズドドリフトイオン源を開示する。この中央アノードは、電子閉じ込めのクローズドドリフト領域が、源の安定性及び電気抵抗を増大させることを保証する絶縁材料キャップを備える。新規イオン源は、宇宙スラスタへの応用のための円形の従来のイオン源として、または均一に広範囲の基板を処理するための長い線状のイオン源としても構成されることができる。特に有用な実装では、本発明をマグネトロンスパッタプロセス用のアノードとして使用する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、マグネトロンスパッタを備えた線状クローズドドリフトイオン源の断面図を示す。
【図２】図２は、図１に示す線状クローズドドリフトイオン源のアノード領域の詳細図を示す。
【図３】図３は、図１の線状イオン源およびマグネトロンスパッタの頭角図を示す。
【図４】図４は、環状クローズドドリフトイオン源の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、ガラススパッタアシストへの応用における、線状クローズドドリフトイオン源１００の断面図を示す。図２は、クローズドドリフトイオン源１００の詳細図を示す。図３は、平面マグネトロンスパッタ源１１０を備えたイオン源１００の等角図を示す。図１を参照すると、示されていない真空プロセスチャンバにおいて、源１００はガラス上に設置される。この適用において、クローズドドリフトイオン源１００は、電力供給装置１８の向こう側に、マグネトロンスパッタカソード１１０用のアノードとして、接続されている。イオン源１００は、示されていない絶縁ブラケットによって、前記ガラス上に支持されている。ガラス１９は、カソード１１０と源１００との下部で、輸送ローラー２０上を移動する。源１００は、フロートスチールシャント（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｓｔｅｅｌ  ｓｈｕｎｔ）５の内部にアノード４０を備える。アノード４０は磁石１と、アノード本体２と、銅バックプレート７と、アノード上部カバー３と、から成る。磁石１は、アノード本体２内部に、（磁石と前記アノードとが一体構造として形成されるように）配置される。カバー３は、示されていない平頭ネジによって、銅アノード本体２に固定される。アノード４０は、圧延溝（ｍｉｌｌｅｄ  ｇｒｏｏｖｅ）８を通して水冷される。銅バックプレート７は、水キャビティをシールするため、溝８の上にロウ付けされる。給水及び排水管継ぎ手（ｆｉｔｔｉｎｇ）及びパイプは示されていない。シャント５は、示されていない固定具によって、フロートハウジング９に固定される。アノード４０は、示されていない絶縁固定具によって、ハウジング５から支持される。暗部ギャップ１４がアノード４０の周囲に保たれるように、アノード４０は、アルミニウムのハウジング９及びシャント５の内部に取り付けられる。ハウジング９は、ガスキャビティ１１を備える。ガス１３は、スチールバックシャント１２の開口部２４を通じて、キャビティ１１へと供給される。ガス管継ぎ手及びパイプは示されていないが、当技術分野で周知である。ガス１３は、ハウジング９における線状に配列された分配穴１０を通じて、アノード４０周囲の暗部１４へと流れる。シャント５は、溶接又はロウ付けされたパイプ６によって水冷される。セラミックシールド４は、銅カバー３によってアノード４０上の磁石１の上に固定される。前記シールド４は導電性を有さない。
【００１５】
図３に線状の源１００が見られる。源１００は、移動するガラス１９上に配置されているように示されている。以下の議論のために図１−３を参照されたい。
【００１６】
作動において、電力供給装置１８の電源を入れ、マグネトロンカソードプラズマ１６に点火する。マグネトロンカソード１１０は、ターゲット２３材料をガラス１９上へとスパッタする。カソード１１０から放射される電子１５は、電力供給装置１８に戻るためにアノード４０へと到達しなければならない。電子１５はアノード４０へ到達しようとするため、磁力線３１によって阻止される。この抵抗に対抗するために、電力供給装置１８は、電子１５のアノード４０への流れを促進するように磁場３１を横切る電位降下を形成する。暗部１４から流出するガス１３は、閉じ込め領域３３において阻止された電子１５と遭遇し、ガス１３のある部分はイオン化される。これらの新たに形成されたイオン２２は、その後電場を受けて、アノード４０から離れてガラス１９へ向かって加速される。イオン２２は、ガラス１９に衝撃し、薄膜の密度を増加させるように作用する。イオン源がマグネトロンカソードから上流に配置される場合、イオン２２の衝撃は、スパッタ被覆に先立って、ガラス１９表面から不要なものを取り除くように作用する。さらに、視覚的に明るいプラズマ２１が、源１００から放射されるように見られる。前記プラズマ２１はさらに、基板表面の処理及び修飾に有益である。
【００１７】
本発明において、電子を阻止する磁場３１は、アノード４０、セラミックシールド４を通って、クローズドドリフト領域３３へ入り、その後外部磁極シャント５へと入る。アノード４０に到達するためにイオン源に入ってくる電子１５は、磁力線３１によって阻止され、これらの磁力線の周りを回転し始める。電子１５は、力線３１の周りを回転するため、力線３１に沿って比較的自由に移動する。本発明において、電子１５は、絶縁カバー４及びシャント５表面３０で、電気的に流動する表面によって、力線３１に沿って閉じ込められる。当技術分野で周知のように、流動する表面は、電子に反発するよう帯電する傾向にある。絶縁カバー４は、本発明において重要であり、第６，７３４，４３４号におけるＳａｉｎｔｙの説明に反する。絶縁カバー４がある場合、電子１５は、単に磁力線に沿って移動するだけではアノードに到達することができない。本発明において、電子は、アノード４０に到達するために、閉じ込め領域３３において磁力線を横切らなければならない。電子１５が力線を横切るよう強制することにより、より高い抵抗が形成され、従ってより高いエネルギーのイオンが形成される。
【００１８】
実施の結果、線状イオン源１００により、高密度で均一な線状プラズマ２１及びイオンビーム２２が生成される（図１及び３参照）。プラズマ２１及びイオンビーム２２は、ホール方向の力及び源１００のクローズドドリフト構造のため、均一である。磁気閉じ込め領域３３に捕捉された電子１５は、ホール方向に沿ってレーストラックの周りを移動する。線状イオン源１００の端部において、クローズドドリフトに電子１５を閉じ込めたままにするため、前記シャント５は円形である。
【００１９】
図２を参照すると、従来技術のクローズドドリフトイオン源に優る本発明の利点は、電子１５がアノード４０に到達するために磁力線を横切るよう強制するため、第１磁力線３１が、前記アノード４０及び絶縁カバー４を通過することである。第１力線３１は、電子を阻止するクローズドドリフト領域３３を形成する力線３１として定義される。従来技術のクローズドドリフトイオン源において、第１磁場は、外部極から環状アノードを越えて内部極へと通っている。本発明において、中央の非環状アノード４０は、磁気的手段１またはアノード４０を通過する第１磁場３１のいずれかを備える。第６，７３４，４３４号の従来技術のイオン源においても、第１磁力線はアノードを通過している。しかしながら、第６，７３４，４３４号では、電子は磁力線を横切らずにアノードに到達することができる。第６，７３４，４３４号では、アノードとカソードとの間に、ミラー電子抵抗が組み入れられている。本発明の実施において重要なのは、セラミックの非導電カバー４は、電子１５が磁力線３１に沿ってアノード４０に到達するのを阻止することである。イオン源１００において、電子１５は、アノードカバー３に到達するために、磁力線３１を横切らなければならない。当技術分野で周知のように、磁力線３１を横切る電子１５の抵抗は、ミラー電場の抵抗より高い。この高いインピーダンスにより、結果として重要な利益がもたらされる。
−より高い抵抗により、源から放射されるよりエネルギーの高いイオンを生成するクローズドドリフト領域にわたってより高い電圧が発生する。
−アノード４０へ向かって流れる電子が、より効率的に阻止され、その結果ガス１３がより効率的にイオン化される。
【００２０】
アノード４０上にセラミックカバー４を追加することでさらに、長い線状のイオン源に利用される本発明の実施に役立つ。カバー４が無ければ、アノード４０は、第６，７３４，４３４号と同様に軸上の電流の流れにさらされるだろう。カバー４を備えていない長い線状の源１００の作動において、源から放射されるイオンの流れは均一ではない。これは、源の全長にわたって不均一なグローとして視覚的に見られる。特に、明るい点が見える源の端部（図３、１０９）において、電子電流はもっとも高くなるようである。カバー４を備える場合、源にわたるプラズマグロー２１の均一性は著しく向上し、イオン源からより均一な線状イオンビーム２２が放射されることを示唆する。
【００２１】
マグネトロンスパッタカソード用のアノードとして、線状イオン源１００は様々な利点及び用途を有する。
−イオン源１００が、マグネトロンスパッタカソード装置における既存のアノードに代わることができる。新たなまたは追加の電力供給装置を必要としない。従って、本発明は、既存の大面積スパッタ装置に、容易に、かつ経済的に組み込むことができる。
−源１００が、ガラスの全幅上を、高密度で均一なイオンビーム２２及びプラズマ２１で照射する。
−前述の点源プラズマアノードとは異なる。本発明は、基板全幅を均一に処理することができる線状イオンビームを発生させる。
−マグネトロンより前に配置することで、源線状プラズマ２１及びイオンビーム２２が、スパッタ被覆のために基板表面を洗浄及び下処理をすることができる。
−マグネトロンより後に配置することで、源プラズマ２１及びイオンビーム２２が、スパッタ被覆の密度を高める、及び／または多膜プロセスにおいて次のスパッタ膜の表面の下準備をするのに役立つことができる。
−酸素ガスを、ガス１３として源１００に直接供給することができる。酸素が、次に、クローズドドリフト領域３３に閉じ込められた電子１５によって活性化される。これにより、反応性スパッタプロセスにおいて、スパッタターゲット２３の汚染を減少させることができる。
−アノード４０が、シャント５及びプラズマ２１の後ろに‘隠れて’いて、絶縁反応性スパッタプロセスの間でさえ導電性を維持する傾向にある。
【００２２】
図４は、本発明の別の好ましい実施形態の断面図を示す。イオン源２００は、宇宙スラスタまたは産業用イオン源利用のための環状源である。源２００において、クローズドドリフト回路の中央磁極は、（中央磁極とアノードとが一体構造として形成されるように）アノード２０３である。アノード２０３は、セラミック電磁スプール２１４の中央に取り付けられ、示されていないバックシャント２１５を通じて絶縁固定具によって所定の位置に保持される。電磁石２０２は、電気絶縁スプール２１４上に巻き付けられる。ガス１３は、バックシャント２１５におけるポート２０１を通じて、空間２１３へと流される。前記空間２１３から、ガス１３は、スプール２１４における複数の分配ビア２１２、２１１、２１０へと流れ込む。ビア２１０を通過した後、ガス１３は、放電キャビティ２１９へと流れ込む。外部極２０４は、スプール２１４の周りの環状管である。アノード２０３及び外部極２０４の両方は、それぞれセラミック絶縁被覆２０６及び２０５でプラズマ被覆される。重要なことに、中央極アノード２０３の導電部分２２０は、放電キャビティ２１９にさらされる。
【００２３】
中空カソードまたはフィラメントなどの電子源２０７は、イオン２１６を形成し、イオン２１６ビームを中和するために、電子２０９を供給する。イオン源の電力供給装置２０８は、アノード２０３と接続されている。作動において、電子源２０７から飛び出す電子は、アノード２０３の導電性表面２２０に到達しようとする。クローズドドリフト領域２１７において、電子は、放射状の磁場２１８によって、及び絶縁被覆２０６及び２０５によって、阻止される。捕捉されたエネルギー電子２０９により、源２００におけるクローズドドリフト領域２１７で、ガス１３はイオン化される。新たに形成されたイオン２１６は、クローズドドリフト領域２１７における電場のため、前記源から放出される。その結果として、高密度イオンビームが源２００の外に放射される。
【００２４】
源２００の新規実現は、内部、中央磁極と、アノードとの、１つの構成２０３への統合（組み込み）である。あらゆる従来技術のクローズドドリフトイオン源は、別々の内部極とアノードとの構成を有する。さらに、あらゆる従来技術のアノードは、環状の形態である。内部極とアノードとの機能の組み合わせ及び単純なアノードの形状は、様々な利点を有する。
−宇宙用クローズドドリフトスラスタ源をより小さく軽量に作製することができる。源のサイズ及び重量を最小化することは、これらの応用にとって重要な設計に関する懸念である。
−別々のアノードとアノード支持構成とを必要としないため、前記源が低コストである。
−源２００の単純性は、産業用及び宇宙用の応用の両方にとって魅力的である。
【００２５】
本発明は、本発明の原理を使用する２つの典型的実施形態を開示する。２つの実施形態は、本発明の原理を使用してできる多くの変形を示す。そのような変形は、以下を含む。
−クローズドドリフトイオン源は、円形イオン源または３メートル超の長さの線状イオン源として構成されることができる。
−クローズドドリフトイオン源は、マグネトロンスパッタのアノードとなり得る。この応用において、カソードとイオン源との間に１つの電力供給装置または２つの電力供給装置源を使用することができる。２つの電力供給装置源の場合、一方はカソードと地面との間に接続され、他方はアノードと地面との間に接続される。
−クローズドドリフトイオン源の電子源は、中空カソードであり得る。
−電力供給装置が、ＤＣ、パルスＤＣ、ＡＣ、またはＲＦであり得る。ＡＣまたはＲＦの場合、カソードまたはアノード上のＤＣバイアスを維持するために、ブロッキングキャパシタを追加することができる。
−イオン源アノードは、磁場を伝導するための強磁性体材料、磁石を含むことができるか、または非磁性材料から構成されることができる。本発明の特徴は、第１クローズドドリフト磁力線が、アノードを通過することである。
【符号の説明】
【００２６】
１  磁石
２  アノード本体
３  カバー
４  シールド
５  シャント
６  パイプ
７  バックプレート
８  圧延溝
９  ハウジング
１０  分配穴
１１  ガスキャビティ
１２、２１５  バックシャント
１３  ガス
１４  暗部
１５、２０９  電子
１６  マグネトロンカソードプラズマ
１８、２０８  電力供給装置
１９  ガラス
２０  輸送ローラー
２１  プラズマ
２２  イオン
２３  ターゲット
２４  開口部
３１  磁力線
３３、２１７  クローズドドリフト領域
４０、２０３  アノード
１００、２００  イオン源
１１０  マグネトロンスパッタカソード
２０１  ポート
２０２  電磁石
２０４  外部極
２０５、２０６  絶縁被覆
２０７  電子源
２１０、２１１、２１２  分配ビア
２１３  空間
２１４  電磁スプール
２１６  イオン
２１８  磁場
２１９  放電空間
２２０  導電部分
【図１】
2010507881.tif 000003
【図２】
2010507881.tif 000004
【図３】
2010507881.tif 000005
【図４】
2010507881.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月22日(2009.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを発生させるように構成されたクローズドイオン源であって、前記クローズドドリフトイオン源が、
アノードと、
第１磁力線が第１磁極から前記アノードを通って伸びるような、前記アノードと一体化した前記第１磁極を備える磁場源と、
電子が、前記アノードに到達するように前記第１磁力線を横切るよう強制する、クローズドドリフト閉じ込め領域と、
を備えることを特徴とするクローズドドリフトイオン源。
【請求項２】
前記クローズドドリフト閉じ込め領域が、絶縁層を含むように前記アノード上に配置されている前記絶縁層を備えることを特徴とする、請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項３】
前記絶縁層が、前記第１磁力線に実質的に垂直となるように伸びる前記アノード上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項４】
前記絶縁層が、セラミック材料を含むことを特徴とする、請求項２に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項５】
前記アノードと、少なくとも前記第１磁極とが一体構造として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項６】
前記第１磁極を提供するために、前記アノード内に配置された磁石を備えることを特徴とする、請求項２に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項７】
前記アノードが、透磁性材料を含むことを特徴とする、請求項２に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項８】
前記クローズドドリフトイオン源が円形イオン源として構成されるように、前記アノードが実質的に円形断面を備えることを特徴とする、請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項９】
前記クローズドドライブイオン源が線状イオン源として構成されるように、前記アノードが細長いことを特徴とする、請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１０】
前記クローズドドライブイオン源が、少なくとも３００ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項９に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１１】
前記クローズドドライブイオン源が、少なくとも１０００ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項９に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１２】
前記アノードを冷却するために、前記アノードとの流体連結において冷却流体通路を備えることを特徴とする、請求項１に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１３】
前記クローズドドリフトイオン源と所定の位置関係に配置された基板の所定の幅にわたって均一なイオンビームが発生するように、前記クローズドドリフトイオン源が構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１４】
イオンビームを発生させるように構成されたクローズドイオン源であって、前記クローズドドリフトイオン源が、
電子源と、
第１磁力線が、第１磁極と第２磁極との間に伸びるように、前記第１磁極と前記第２磁極とを備える磁場源と、
前記第１磁力線がアノードを通過するように、配置及び構成された、前記アノードと、
電子が、前記アノードに到達するように前記第１磁力線を横切るよう強制する、クローズドドリフト閉じ込め領域と、
を備えることを特徴とするクローズドドリフトイオン源。
【請求項１５】
前記クローズドドリフト閉じ込め領域が、絶縁層を含むように前記アノード上に配置された前記絶縁層を備えることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１６】
前記絶縁層が、前記第１磁力線に実質的に垂直となるように伸びる前記アノード上に配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１７】
前記絶縁層が、セラミック材料を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１８】
前記アノードと、少なくとも前記第１磁極とが一体構造として形成されていることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項１９】
前記第１磁極を提供するために、前記アノード内に配置された磁石を備えることを特徴とする、請求項１５に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２０】
前記アノードが、透磁性材料を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２１】
前記クローズドドリフトイオン源が円形イオン源として構成されるように、前記アノードが実質的に円形断面を備えることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２２】
前記クローズドドライブイオン源が線状イオン源として構成されるように、前記アノードが細長いことを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２３】
前記クローズドドライブイオン源が、少なくとも３００ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項２２に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２４】
前記クローズドドライブイオン源が、少なくとも１０００ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項２２に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２５】
前記アノードを冷却するために、前記アノードとの流体連結において冷却流体通路を備えることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２６】
均一なイオンビームが、前記クローズドドリフトイオン源と所定の位置関係に配置された基板の所定の幅にわたって発生するように、前記クローズドドリフトイオン源が構成されていることを特徴とする、請求項２３に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２７】
前記電子源が、中空カソードを備えることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２８】
前記電子源が、マグネトロンスパッタを備えることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項２９】
前記電子源が、熱電子フィラメントを備えることを特徴とする、請求項１４に記載のクローズドドリフトイオン源。
【請求項３０】
イオンビームを発生させるように構成されたクローズドドリフトイオン源の提供方法であって、前記方法が、
アノードを提供する段階と、
磁極を備えた磁場源を提供する段階と、
第１磁力線が、前記アノードを通過するように、前記アノードと前記磁場源とを配置する段階と、
電子が、電子源から前記アノードに到達するように前記磁力線を横切るよう強制する、クローズドドリフト閉じ込め領域を提供する段階と、
を含むことを特徴とするクローズドドリフトイオン源の提供方法。
【請求項３１】
前記クローズドドリフト閉じ込め領域を提供する段階が、前記アノード上に絶縁層を提供する段階を含むことを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記絶縁層が前記第１磁力線に実質的に垂直に伸びるように、前記アノード上に前記絶縁層を提供する段階を含むことを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記絶縁層にセラミック材料を利用することを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記アノードと前記第１磁場源とを一体構造に形成することを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記磁場源を提供するために、前記アノード内に磁石を配置することを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記アノードを透磁性材料から形成することを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記クローズドドリフトイオン源が円形イオン源として構成されるように、前記アノードが実質的に円形断面を備えるよう構成する段階を含むことを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
前記クローズドドリフトイオン源が線状イオン源として構成されるように、前記アノードを細長く構成する段階を含むことを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
前記アノードを冷却するために、前記アノードとの流体連結において冷却流体通路を提供する段階を含むことを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項４０】
均一なイオンビームが、前記クローズドドリフトイオン源と所定の位置関係に配置された基板の所定の幅にわたって発生するように、前記クローズドドリフトイオン源を構成することを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、磁気閉じ込めプラズマ及びイオン源に関し、特に、クローズドドリフトイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、２００６年１０月１９日に出願された米国仮出願第６０／８５２，９２６号に関し、優先権を主張するものであり、前記仮出願は参照によりここに全文が組み込まれる。
【０００３】
本発明は、プラズマ処理、スパッタリング、プラズマエッチング等の産業処理用の磁気閉じ込めプラズマ及びイオン源、ならびに宇宙応用のための電気推進装置に関する。これらの応用のために多くのクローズドドリフトイオン源が提案され、いくつかは依然として商業的に実現可能である。Ｋｉｍ及びＺｈｕｒｉｎ、Ｋａｕｆｍａｎ及びＲｏｂｉｎｓｏｎによって公表されている文献により、有用な一般背景情報及び磁気閉じ込めプラズマ及びイオン源に関するその他の関連参考文献が提供されている。これらの文献に記載されているように、従来のクローズドドリフトイオン源は、内部磁極及び外部磁極両方と、それらの極の間に配置された別の環状アノードと、を備える。クローズドドリフト磁場は、これら２つの接地極又は電気的浮遊極の間のアノードを横切る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，２５９，３７８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２１８，２７１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４５６，０１１Ｂ１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７６３，９８９号明細書
【特許文献５】米国特許第５，８３８，１２０号明細書
【特許文献６】米国特許第３，７３５，５９１号明細書
【特許文献７】米国特許第４，８６２，０３２号明細書
【特許文献８】米国特許第５，８５５，７４５号明細書
【特許文献９】米国特許第６，７３４，４３４号明細書
【特許文献１０】米国特許第４，３６１，４７２号明細書
【特許文献１１】米国特許第４，８５１，０９５号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，８５５，７４３号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，４５４，９１０号明細書
【特許文献１４】米国特許第４，８４９，０８７号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，１０６，４７４号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，１１０，５４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
＜拡張加速チャネルイオン源（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ）＞
過去の文献では、クローズドドリフトイオン源は拡張加速チャネルとアノード層との２つの分類に分離されている。その区別に一貫性はないが、共通の境界線は、チャネルの幅のチャネルの深さに対する比である。深さが幅寸法を超える場合、イオン源は拡張加速チャネル型として分類される。この分類及びアノード層分類の両方において、電場にほぼ直交する磁力線によってレーストラック形状にイオン加速電場が形成される。レーストラックの外側では、磁場が存在しないため電子は比較的自由に移動する。しかしながら電子がイオン源に突入しアノードに到達しようとすると、横切る磁力線に阻止される。これにより電子は旋回し、これらの磁力線に沿って移動する。さらなる動作は、磁場及び電場の両方に対して直角のドリフトである。これはホール電流と呼ばれ、レーストラック形状の閉じ込め領域の効果である。本発明と同じ譲渡人によって譲渡されたＭａｄｏｃｋｓによる米国特許第７，２５９，３７８号中で、これらの動作について詳しく説明されている。
【０００６】
Ｅｇｏｒｏｖによる米国特許第５，２１８，２７１号は、従来技術における多くの拡張加速チャネル源の典型的なものである。従来技術と同じように、前記源は、内部及び外部高透磁率磁極とともに環状アノードを備える。Ｂｕｇｒｏｖａによる米国特許第６，４５６，０１１Ｂ１号は、イオン源のサイズを縮小することを目的としているため興味深い。小さく軽いイオン源の必要性が概説されている。Ｂｕｇｒｏｖａは、内部極から磁場を発生させる要素を取り除くことによりイオン源のサイズを減少させる。前記内部極は残されたままであるが、高透磁率材料のみから成る。挙げられている例では、源の外径は５ｃｍである。
【０００７】
＜アノード層イオン源＞
アノード層型イオン源は、クローズドドリフト源の第２の分類である。アノード層源において、クローズドチャネルの深さは、典型的にその幅より短いかまたはその幅と等しい。クローズドドリフトの刊行物でこれらの源について論じられている。これらの源は、産業利用において実用化されてきた。これらの源はロシアで４０年前に開発され、広く公知となっており、特許はわずかしか存在しない。しかしながら、米国特許第５，７６３，９８９号及び第５，８３８，１２０号は、アノード層形状の典型的な構成を示している。前述の米国特許第７，２５９，３７８号において、Ｍａｄｏｃｋｓは、磁場を磁気ギャップに集中させる先のとがった磁極を備えた前記源の改良版を開示している。これら及びその他のアノード層イオン源で見られるように、環状アノードは２つの離れた内部磁極と外部磁極との間に配置されている。
【０００８】
＜エンドホールイオン源（Ｅｎｄ  Ｈａｌｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ）＞
エンドホールイオン源は、クローズドドリフトイオン源の変形である。エンドホール源では、環状アノードの側面を露出させるために、内部磁極は外部極に対して低く位置されている。これは、Ｂｕｒｋｈａｒｔ及びＫａｕｆｍａｎによる米国特許第３，７３５，５９１号及び第４，８６２，０３２号の両方において例示されている。この幾何学構造の場合、第２の電子閉じ込め形態は、ペニング型の閉じ込めのクローズドドリフトイオン源と組み合わせる。第２閉じ込め形態は、電子が傾斜磁場による磁力線に沿って一部分閉じ込められるミラー電子閉じ込めである。さらにＢｕｒｋｈａｒｔ及びＫａｕｆｍａｎによる特許ならびにその他の従来技術の前記源の型、例えばＭａｎｌｅｙの米国特許第５，８５５，７４５号においても、アノードは、中央の接地極又は浮動極から外部の接地極又は浮動極へと通過する第１電子閉じ込め力線を有して環状である。
【０００９】
Ｓａｉｎｔｙによる米国特許第６，７３４，４３４号において、異なるエンドホールイオン源構造が提示されている。Ｓａｉｎｔｙによると、アノードは環状ではなく、中央の浮動極は存在しない。アノードはイオン源の中心領域を充填し、磁場がアノードを通過する。Ｓａｉｎｔｙにとって重要なのは、アノードの中心が導電性を有し、アノードの中央上部の表面が導電性を有したまま残るように被覆されていることである。フィラメントから流れる電子は、磁力線を横切ることによるよりも、アノードの中心で磁気ミラーを介してアノードに到達する。これにより、電子がアノードに到達しようとする抵抗は著しく低下し、本発明とは異なる。
【００１０】
＜マグネトロンスパッタを備えたイオン源＞
マグネトロンスパッタカソードとクローズドドリフトイオン源との組み合わせは、いくつかの構成で知られている。Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，Ｊｒ．の米国特許第４，３６１，４７２号において、図１３ｂに、アノードとしてマグネトロンスパッタカソードに接続されたクローズドドリフトイオン源が示されている。Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，Ｊｒ．は、カソードとアノード（イオン源）とに別々の電力供給装置を使用して、このツールを反応性スパッタリングに使用する事を説明している。Ｓｃｏｂｅｙによる米国特許第４，８５１，０９５号では、イオン源に電子を供給するために、マグネトロンスパッタカソードを使用している別のタイプのクローズドドリフトイオン源が開示されている。Ｓｃｏｂｅｙによる特許において、イオン源とマグネトロンスパッタカソードとのための別々の電力供給装置が示されている。Ｍａｎｌｅｙによる米国特許第５，８５５，７４５号において、エンドホール型イオン源が、マグネトロンスパッタカソードのアノードとして使用されている。Ｚｈｕｒｉｎによる第６，４５４，９１０号では、イオン源とスパッタカソードとのための別々の電力供給装置を備えたマグネトロンスパッタを備えたエンドホールイオン源が示されている。
【００１１】
＜マグネトロンスパッタ用アノード＞
いくつかの従来技術の特許では、向上したマグネトロンスパッタアノード用装置が公開されている。Ｍｅｙｅｒによる米国特許第４，８４９，０８７号において、不活性ガス及び反応性ガスの両方が、アノードを通る流路に分散されている。これにより、ガスをより有効に使用する安定なプラズマが発生すると言われている。この特許において、アノードはマグネトロンスパッタに隣接し、磁力線はアノードを通過することが示されている。Ｄｉｃｋｅｙによる米国特許第５，１０６，４７４号では、絶縁被覆のマグネトロンスパッタリングの間、アノードの導電性を維持するためのアノード構成のいくつかが説明されている。図８から１１は、スパッタカソードから前記アノードへと電子を導くよう配列された磁石を備えたアノードを示している。Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄによる米国特許第６，１１０，５４０号では、ピンホールを通じて不活性ガスを流し、アノードでプラズマを形成することによって、導電性を維持する導電性アノードが開示されている。この特許の図７ｃにおいて、導電性アノードがプラズマ成形磁石と共に示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、中央磁極と電気的アノードとの両方として作用するアノードを備えた新規なクローズドドリフトイオン源を開示する。本発明の一側面によると、前記アノードは、電子閉じ込めのクローズドドリフト領域が、源の安定性及び電気抵抗を増大させることを保証する絶縁材料の層または絶縁キャップを備える。本発明の別の側面によると、新規イオン源は、宇宙スラスタへの応用等のための円形の従来のイオン源として構成されることができ、または均一に広範囲の基板を処理するため等に有用な細長い線状のイオン源としても構成され得る。特に有用なさまざまな実装の１つでは、本発明をマグネトロンスパッタプロセス用のアノードとして使用する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明は、図面と併せて、以下の本発明の実施例の詳細な説明を読むことでより深く理解されるであろう。図面において、構成要素等を特定するために、参照番号等を使用し、図面は以下の内容を含む。
【００１４】
【図１】図１は、マグネトロンスパッタを備えた線状クローズドドリフトイオン源の縦断面図である。
【図２】図２は、図１に示す線状クローズドドリフトイオン源のアノード領域の拡大詳細図である。
【図３】図３は、図１の線状クローズドドリフトイオン源およびマグネトロンスパッタの頭角図である。
【図４】図４は、環状クローズドドリフトイオン源の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び３は、ガラススパッタアシストへの応用における、線状クローズドドリフトイオン源１００を示す。図３は、平面マグネトロンスパッタ源１１０を備えたクローズドドリフトイオン源１００の等角図を示す。図面に示されていない真空プロセスチャンバにおいて、クローズドドリフトイオン源１００はガラス１９上に設置される。この適用において、クローズドドリフトイオン源１００は、電力供給装置１８の向こう側に、マグネトロンスパッタカソード１１０用のアノードとして、接続されている。クローズドドリフト源１００は、示されていない絶縁ブラケットによって、ガラス１９上に支持されている。ガラス１９は、カソード１１０とクローズドリフトイオン源１００との下部で、輸送ローラー２０上を移動する。図２において最もよく見られるように、クローズドドリフトイオン源１００は、フロートスチールシャント（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｓｔｅｅｌ  ｓｈｕｎｔ）５の内部にアノード４０を備える。アノード４０は磁石１と、アノード本体２と、銅バックプレート７と、アノード上部カバー３と、を備える。磁石１は、アノード本体２内部に、磁石１とアノード４０とが一体構造として形成されるように配置される。カバー３は、示されていない平頭ネジによって、銅アノード本体２に取り付けられるかまたは固定される。アノード４０は、圧延溝（ｍｉｌｌｅｄ  ｇｒｏｏｖｅ）８を通して水冷される。銅バックプレート７は、冷却剤を形成するための溝８、または本実施例においては水キャビティをシールするため、溝８の上にロウ付けされる。給水及び排水管継ぎ手（ｆｉｔｔｉｎｇ）及びパイプは示されていない。シャント５は、示されていない固定具によって、フロートハウジング９に固定される。アノード４０は、示されていない絶縁固定具によって、ハウジング９から支持される。暗部ギャップ１４がアノード４０の周囲に保たれるように、アノード４０は、アルミニウムのハウジング９及びシャント５の内部に取り付けられる。ハウジング９は、ガスキャビティ１１を備える。ガス１３は、スチールバックシャント１２の開口部２４を通じて、キャビティ１１へと供給される。ガス管継ぎ手及びパイプは示されていないが、当技術分野で周知である。ガス１３は、ハウジング９における線状に配列された分配穴１０を通じて、アノード４０周囲の暗部１４へと流れる。シャント５は、溶接又はロウ付けされたパイプ６を経由して水冷される。セラミックシールド４は、銅カバー３によってアノード４０上の磁石１の上に固定される。シールド４は導電性を有さない。
【００１６】
図３に細長いまたは線状の源１００が見られる。源１００は、移動するガラス１９上に配置されているように示されている。
【００１７】
作動において、電力供給装置１８の電源を入れ、マグネトロンカソード１１０がプラズマ１６に点火する。マグネトロンカソード１１０は、ターゲット２３から材料をガラス１９上へとスパッタする。カソード１１０から放射される電子１５は、電力供給装置１８に戻るためにアノード４０へと到達しなければならない。図２により明確に示されているように、電子１５はアノード４０へ到達しようとするため、磁力線３１によって阻止される。この抵抗に対抗するために、電力供給装置１８は、電子１５のアノード４０への流れを促進するように磁場３１を横切る電位降下を形成する。暗部１４から流出するガス１３は、閉じ込め領域３３において阻止された電子１５と遭遇し、ガス１３のある部分はイオン化される。これらの新たに形成されたイオン２２は、その後電場を受けて、アノード４０から離れてガラス１９へ向かって加速される。イオン２２は、ガラス１９に衝撃し、薄膜の密度を増加させるように作用する。イオン源がマグネトロンカソードから上流に配置される場合、イオン２２の衝撃は、スパッタ被覆に先立って、ガラス１９表面から不要なものを取り除くように作用する。さらに、視覚的に明るいプラズマ２１が、源１００から放射されるように見られる。前記プラズマ２１はさらに、基板表面の処理及び修飾に有益である。
【００１８】
電子を阻止する磁力線３１は、アノード４０、絶縁層またはセラミックシールド４を通って、クローズドドリフト領域３３へ入り、その後外部磁極シャント５へと入る。アノード４０に到達するためにイオン源に入ってくる電子１５は、磁力線３１によって阻止され、これらの磁力線の周りを回転し始める。電子１５は、力線３１の周りを回転するため、力線３１に沿って比較的自由に移動する。本発明において、電子１５は、絶縁カバー４及びシャント５表面３０で、電気的に流動する表面によって、力線３１に沿って閉じ込められる。当技術分野で周知のように、流動する表面は、電子に反発するよう帯電する傾向にある。
【００１９】
絶縁層またはカバー４は、本発明において重要であり、米国特許第６，７３４，４３４号におけるＳａｉｎｔｙの説明に反する。絶縁層またはカバー４がある場合、電子１５は、単に磁力線に沿って移動するだけではアノード４０に到達することができない。本発明において、電子は、アノード４０に到達するために、閉じ込め領域３３において磁力線３１を横切らなければならない。電子１５が力線３１を横切るよう強制することにより、より高い抵抗が形成され、従ってより高いエネルギーのイオンが形成される。
【００２０】
実施において、図１及び３に見られるように線状クローズドドリフトイオン源１００により、高密度で均一な線状プラズマ２１及びイオンビーム２２が生成される。プラズマ２１及びイオンビーム２２はそれぞれ、ホール方向の力及び源１００のクローズドドリフト構造のため、均一である。磁気閉じ込め領域３３に捕捉された電子１５は、ホール方向に沿ってレーストラックの周りを移動する。線状イオン源１００の端部において、クローズドドリフトに電子１５を閉じ込めたままにするため、前記シャント５は円形である。
【００２１】
再び図２を参照すると、従来技術のクローズドドリフトイオン源に優る本発明の利点は、明らかである。電子１５がアノード４０に到達するために磁力線３１を横切るよう強制するため、第１磁力線３１が、前記アノード４０及び絶縁層またはカバー４を通過する。第１磁力線３１は、電子を阻止するクローズドドリフト領域３３を形成する力線として定義される。
【００２２】
従来技術のクローズドドリフトイオン源において、第１磁場は、外部極から環状アノードを越えて内部極へと通っている。
【００２３】
本発明によると、中央の非環状アノード４０は、磁気的手段１またはアノード４０を通過する第１磁場３１のいずれかを備える。
【００２４】
米国特許第６，７３４，４３４号の従来技術のイオン源においても、第１磁力線はアノードを通過している。しかしながら、米国特許第６，７３４，４３４号では、電子は磁力線を横切らずにアノードに到達することができる。米国特許第６，７３４，４３４号では、アノードとカソードとの間に、ミラー電子抵抗が組み入れられている。
【００２５】
さらに本発明の実施によると、セラミックの非導電層またはカバー４は、電子１５が磁力線３１に沿ってアノード４０に到達するのを阻止することである。イオン源１００において、電子１５は、アノードカバー３に到達するために、磁力線３１を横切らなければならない。当技術分野で周知のように、磁力線３１を横切る電子１５の抵抗は、ミラー電場の抵抗より高い。この高いインピーダンスにより、結果として重要な利益がもたらされる。
【００２６】
１つの利点は、より高い抵抗により、源から放射されるよりエネルギーの高いイオンを生成するクローズドドリフト領域にわたってより高い電圧が発生することである。
【００２７】
さらなる利点は、アノード４０へ向かって流れる電子が、より効率的に阻止され、その結果ガス１３がより効率的にイオン化されることである。
【００２８】
アノード４０上にセラミック絶縁層またはカバー４を追加することでさらに、長い線状のイオン源に利用される本発明の実施に役立つ。カバー４が無ければ、アノード４０は、米国特許第６，７３４，４３４号と同様に軸上の電流の流れにさらされるだろう。カバー４を備えていない長い線状の源１００の作動において、源から放射されるイオンの流れは均一ではない。これは、源の全長にわたって不均一なグローとして視覚的に見られる。特に、明るい点が見える源の端部（図３、１０９）において、電子電流はもっとも高くなるようである。カバー４を備える場合、源にわたるプラズマグロー２１の均一性は著しく向上し、イオン源からより均一な線状イオンビーム２２が放射されることを示唆する。
【００２９】
マグネトロンスパッタカソード用のアノードとして、線状イオン源１００は様々な利点及び用途を有する。
【００３０】
１つの利点は、クローズドドリフトイオン源１００が、マグネトロンスパッタカソード装置における既存のアノードに代わることができることである。新たなまたは追加の電力供給装置を必要としない。従って、本発明は、既存の大面積スパッタ装置に、容易に、かつ経済的に組み込むことができる。
【００３１】
別の利点は、源１００が、ガラスの全幅上を、高密度で均一なイオンビーム２２及びプラズマ２１で照射することである。
【００３２】
さらなる利点は、前述の点源プラズマアノードとは異なって、本発明は、基板全幅を均一に処理することができる線状イオンビームを発生させることである。
【００３３】
１つの有利な使用は、マグネトロンより前方または前にクローズドドリフトイオン源１００を配置することで、源線状プラズマ２１及びイオンビーム２２が、スパッタ被覆のために基板表面を洗浄及び下処理をすることができる方法である。
【００３４】
別の有利な使用は、マグネトロンより後にクローズドドリフトイオン源１００を配置することで、源プラズマ２１及びイオンビーム２２が、スパッタ被覆の密度を高める、及び／または多膜プロセスにおいて次のスパッタ膜の表面の下準備をするのに役立つことができる方法である。
【００３５】
酸素ガスを、ガス１３としてクローズドドリフトイオン源１００に直接供給することができると好都合である。酸素が、次に、クローズドドリフト領域３３に閉じ込められた電子１５によって活性化される。これにより、反応性スパッタプロセスにおいて、スパッタターゲット２３の汚染を減少させることができる。
【００３６】
さらなる利点は、アノード４０が、シャント５及びプラズマ２１の後ろに‘隠れて’いて、絶縁反応性スパッタプロセスの間でさえ導電性を維持する傾向にあることである。
【００３７】
図４は、本発明の別の実施形態の断面図を示す。イオン源２００は、宇宙スラスタまたは産業用イオン源利用のための環状源である。源２００において、クローズドドリフト回路の中央磁極は、中央磁極とアノードとが一体構造として形成されるようなアノード２０３である。アノード２０３は、セラミック電磁スプール２１４の中央に取り付けられ、示されていないバックシャント２１５を通じて絶縁固定具によって所定の位置に保持される。電磁石２０２は、電気絶縁スプール２１４上に巻き付けられる。ガス１３は、バックシャント２１５におけるポート２０１を通じて、空間２１３へと流される。前記空間２１３から、ガス１３は、スプール２１４における複数の分配ビア２１２、２１１、２１０へと流れ込む。ビア２１０を通過した後、ガス１３は、放電キャビティ２１９へと流れ込む。外部極２０４は、スプール２１４の周りの環状管である。アノード２０３及び外部極２０４の両方は、それぞれセラミック絶縁被覆２０６及び２０５でプラズマ被覆される。重要なことに、中央極アノード２０３の導電部分２２０は、放電キャビティ２１９にさらされる。
【００３８】
中空カソードまたはフィラメントなどの電子源２０７は、イオン２１６を形成し、イオン２１６ビームを中和するために、電子２０９を供給する。イオン源の電力供給装置２０８は、アノード２０３と接続されている。作動において、電子源２０７から飛び出す電子は、アノード２０３の導電性表面２２０に到達しようとする。クローズドドリフト領域２１７において、電子は、放射状の磁場２１８によって、及び絶縁被覆２０６及び２０５によって、阻止される。捕捉されたエネルギー電子２０９により、源２００におけるクローズドドリフト領域２１７で、ガス１３はイオン化される。新たに形成されたイオン２１６は、クローズドドリフト領域２１７における電場のため、前記源から放出される。その結果として、高密度イオンビームが源２００の外に放射される。
【００３９】
本発明の原理によると、源２００は、内部、中央磁極と、アノードとを、１つの構成２０３へと統合または組み込む。あらゆる従来技術のクローズドドリフトイオン源は、別々の内部極とアノードとの構成を有する。さらに、あらゆる従来技術のアノードは、環状の形態である。
【００４０】
内部極とアノードとの機能の組み合わせ及び単純なアノードの形状は、様々な利点を有する。１つの利点は、宇宙用クローズドドリフトスラスタ源をより小さく軽量に作製することができることである。源のサイズ及び重量を最小化することは、これらの応用にとって重要な設計に関する懸念である。さらなる利点は、別々のアノードとアノード支持構成とを必要としないため、前記源が低コストであることである。源２００の単純性は、産業用及び宇宙用の応用の両方にとって魅力的である。
【００４１】
本発明は、本発明の原理を使用する２つの典型的実施形態を開示する。２つの実施形態は、本発明の原理を使用してできる多くの変形を示す。
【００４２】
クローズドドリフトイオン源は、円形イオン源または３メートル超の長さの線状イオン源として構成されることができる。
【００４３】
クローズドドリフトイオン源は、マグネトロンスパッタのアノードとなり得る。この応用において、カソードとイオン源との間に１つの電力供給装置または２つの電力供給装置源を使用することができる。２つの電力供給装置源の場合、一方はカソードと地面との間に接続され、他方はアノードと地面との間に接続される。
【００４４】
クローズドドリフトイオン源の電子源は、中空カソードであり得る。
【００４５】
電力供給装置は、ＤＣ、パルスＤＣ、ＡＣ、またはＲＦであり得る。ＡＣまたはＲＦの場合、カソードまたはアノード上のＤＣバイアスを維持するために、ブロッキングキャパシタを追加することができる。
【００４６】
イオン源アノードは、磁場を伝導するための強磁性体材料、磁石を含むことができるか、または非磁性材料から構成されることができる。本発明の特徴は、第１クローズドドリフト磁力線が、アノードを通過することである。
【００４７】
本発明は、特定の実施例に関して説明されている。本発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここに記載された実施例および変形例に、様々な変更及び修正を行うことができることは当業者にとって明らかだろう。本発明の範囲は、ここで示された及び／または記載された実施例及び変形例によって制限されるものではなく、ここに添付された特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１  磁石
２  アノード本体
３  カバー
４  シールド
５  シャント
６  パイプ
７  バックプレート
８  圧延溝
９  ハウジング
１０  分配穴
１１  ガスキャビティ
１２、２１５  バックシャント
１３  ガス
１４  暗部
１５、２０９  電子
１６  マグネトロンカソードプラズマ
１８、２０８  電力供給装置
１９  ガラス
２０  輸送ローラー
２１  プラズマ
２２  イオン
２３  ターゲット
２４  開口部
３１  磁力線
３３、２１７  クローズドドリフト領域
４０、２０３  アノード
１００、２００  イオン源
１１０  マグネトロンスパッタカソード
２０１  ポート
２０２  電磁石
２０４  外部極
２０５、２０６  絶縁被覆
２０７  電子源
２１０、２１１、２１２  分配ビア
２１３  空間
２１４  電磁スプール
２１６  イオン
２１８  磁場
２１９  放電空間
２２０  導電部分
【国際調査報告】
2010507881.tif 000007