(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じたホール効果ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記アノードと前記カソードの間に流れる前記アノード放電電流は、少なくとも部分的に前記電磁石手段を駆動することを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項２】
前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と直列に、前記アノードと前記パワーサプライ手段の正電極リード線の間の放電電流パス中に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項３】
前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と直列に、前記自己持続動作するカソードと前記パワーサプライ手段の負電極リード線の間の放電電流パス中に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項４】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じたホール効果ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記電磁石手段によって確立されたアノード表面近傍の前記磁界のフラックスのラインの方向は、前記アノード放電領域の前記第２の端部の前記アノードの表面にほぼ平行であり、
前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によって磁束の方向を周期的に反転させるため、前記電磁石手段を通して周期的に反転させられることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項５】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じたホール効果ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記電磁石手段によって確立されたアノード放電領域出口近傍の前記磁界のフラックスのラインの方向は、前記アノード放電領域を出るプラズマビームの方向とほぼ同じ方向に発散し、
前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によって磁束の方向を周期的に反転させるため、前記電磁石手段を通して周期的に反転させられることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項６】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じたホール効果ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記電磁石手段によって確立されたアノード表面近傍の前記磁界のフラックスのラインの方向は、前記アノード放電領域の前記第２の端部の前記アノードの表面にほぼ平行であり、
前記アノード放電電流は、磁束の方向を周期的に反転させ、前記電磁石手段を少なくとも部分的に駆動するため、前記電磁石手段を通して周期的に反転させられることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項７】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じたホール効果ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記電磁石手段によって確立されたアノード放電領域出口近傍の前記磁界のフラックスのラインの方向は、前記アノード放電領域を出るプラズマビームの方向とほぼ同じ方向に発散し、
前記アノード放電電流は、磁束の方向を周期的に反転させ、前記電磁石手段を少なくとも部分的に駆動するため、前記電磁石手段を通して周期的に反転させられることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項８】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記磁界のフラックスの方向は周期的に反転させられ、前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じていないホール効果電子ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と直列に、前記アノードと前記パワーサプライ手段の正電極リード線の間の放電電流パス中に接続されていることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項９】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記磁界のフラックスの方向は周期的に反転させられ、前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じていないホール効果電子ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によってフラックスの方向を周期的に反転させるために、前記電磁石手段を通して周期的に反転させられ、
前記電磁石手段は、前記アノード放電電流と直列に、前記自己持続動作するカソードと前記パワーサプライ手段の負電極リード線の間の放電電流パス中に接続されていることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【請求項１０】
(a)ハウジングと、
(b)プラズマビームの形成及び加速のための前記ハウジング内の少なくとも１つのアノード放電領域であって、前記アノード放電領域は、前記ハウジングの外部の近傍の第１の端部に開口部を、及び少なくとも１つのギャップを中に有する少なくとも１つのアノードを第２の端部に有し、前記アノードは、前記アノードの背後の前記ハウジングの内部中に移動するプラズマの形成を妨げるように、前記ハウジングから電気的に絶縁されているアノード放電領域と、
(c)前記アノードを熱放射以外の方法で冷却する冷却手段と、
(d)少なくとも１つの自己持続動作するカソードと、
(e)ガスの放電を形成し、前記アノード放電領域を通して前記アノードから前記カソードへのアノード放電電流を駆動するため、作動ガスのブレークダウンのための前記アノードと前記カソードの間に電圧を供給する、前記アノードに接続されたパワーサプライ手段と、
(f)作動ガスを前記アノード中の前記ギャップを通して前記アノード放電領域中に導く注入手段と、
(g)前記アノード放電領域内に磁界を確立し及び前記磁界を少なくとも部分的に駆動するための、前記ハウジング中に設置された電磁石手段とを有し、
前記磁界のフラックスの方向は周期的に反転させられ、前記アノード放電領域及び前記磁界は、前記アノード放電領域内のホール効果による力によって駆動される閉じていないホール効果電子ドリフト電流パスの形成を許すように配置され、
前記アノード放電電流は、電流スイッチング回路手段によってフラックスの方向を周期的に反転させるために、前記電磁石手段を通して周期的に反転させられ、
前記アノード放電電流と直列で、前記アノードと前記電圧のためのパワーサプライの正電極リード線の間の前記放電電流パス中の前記電磁石、及び電子電流スイッチングネットワークにより前記周期的波形を確立する手段は、前記電磁石内で電流の方向又は大きさ又はその組合わせを変更するように配置されていることを特徴とする材料の真空での処理のためのグリッドのないイオンソース。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、グリッドのないイオンソース装置、及び表面改変(surface modification)及び基板上へのコーティングの堆積(deposition)を含む材料の高電流密度のイオンビーム処理に関する。丈夫なイオンソースは、熱に影響されやすい基板上への高い堆積速度での非伝導性コーティングの堆積に特に有用である。
【０００２】
発明の背景
空間推進の用途のために設計されてきた多くのイオンソースが、材料処理に利用された。低圧気体放電からのイオンを加速するために静電的イオン加速光学系(electrostatic ion acceleration optics)（グリッド）を利用するグリッドのあるイオンソースは、イオンスパッタリング、イオン注入(ion implantation)、表面改変、デュアル・イオンビーム・スパッタ堆積(dual ion-beam sputter deposition)、及びイオンビームアシステッド堆積(ion-beam-assisted-deposition)のために普通に使用されてきた。低圧気体放電を形成するため電子を生産又は加熱する特定の手段、及び静電的加速光学系によってイオンビームを作り出す手段をそれぞれが有する、多くのグリッドのあるイオンソースが発明されてきた。電子の生産及び加熱のための手段のいくつかの例は、ホットフィラメント(hot filament)、高電界電子放射(high-field electron emission)、高周波容量加熱(RF capacitive heating)、高周波誘導加熱(RF inductive heating)、及びマイクロ波電子サイクロトロン共鳴高周波加熱(microwave electron cyclotron resonant RF heating)の使用を含む。一旦、気体放電が形成されると、静電的グリッド(electrostatic grid)又は静電的グリッドのシステムによってエネルギーを選択するために、イオンビームが引き出されて加速される。イオン加速光学系の下流では、ビームの分岐、及びターゲットすなわち加工物の表面の荷電を減少させるために、イオンビームの空間電荷を中性化するよう第２の電子源がしばしば使用される。
【０００３】
いくつかの工程では、高いイオンビーム電流密度（＞１mA/cm2）が、速い処理又は堆積速度のために望まれる。特に大きい領域に亘って、速い処理速度を達成するために、広い面積のイオンビームで、非常に高い総計のビーム電流及び電流密度が要求される。イオン加速光学系手段からの高いビーム電流束の密度を維持するためにイオンソース内に比較的高い荷電粒子密度（1011から1012/cm3）を形成することに多くの進歩がなされた。しかし、1011/cm3より大きい荷電粒子では、連続的にイオンソースから引き出さして加速することができるイオン電流密度及び総計のイオンビーム電流を制限する、イオン加速グリッドの特定の制限がある。イオン加速光学系システムの静電的レンズ作用が、ほとんど電子を除外するため、グリッド光学系によって引き出されるイオンビーム電流密度の、固有の空間電荷の制限がある。総計のイオンビーム電流スループットも、イオン加速グリッドの熱的及び機械的制限により制限される。スパッタリング及び堆積の環境では、グリッドは、伝導性又は絶縁性のいずれかのコーティングによって覆われることがある。そのような用途のグリッドのあるイオンビーム源は、不要のコーティングの結果として、短絡又は誘電体によるシールドのいずれかを通じて、故障しやすい。グリッドは、直接的なイオンスパッタリングのために、時間と共に侵食される。そういうように、普通のイオンビームグリッドは、多くの材料処理の用途に使用するとき、時間と共に劣化し、汚染を引き起こし、及びかなりのメンテナンスおよび信頼性のための費用を発生させる。
【０００４】
イオン加速グリッドにより課される制限を克服するために、研究者はグリッドレスＤＣイオンソース(gridless DC ion source)を開発した。これらのＤＣ又はパルスＤＣデバイスでは、イオンは、装置のアノードの近くの放電空間(bulk)内に確立された電界Ｅを通して、イオン発生領域から加速される。電界は、カソードからアノードへの電子ドリフトモーションが磁界によって妨げられる、アノードの近傍の放電に課される静的又は準静的な磁界Ｂによって引き起こされる。カソードに形成された電子は、それらがアノードの方に磁界を通して衝突の異常な拡散(collisional and anomalous diffusion)によって拡散するとき、給送ガスをイオン化する。磁界に亘る制限された電子の移動度は、アノードの近くの空間電荷、及び課された磁界とアノードの表面とにほぼ直交する、比較的強い電界を形成する。アノード放電領域内に生成されたイオンは、アノードから離れるように加速される。アノード放電及びイオン加速領域は電子を除外しないため、イオンビーム電流密度は、静電的加速光学系に固有の空間電荷制限によって制限されない。カソードのところで放電内に形成された電子は、それはアノードのイオン加速領域から離れるように伝播するため、イオンビームを電気的に中性化するためにも役立つ。１０-4トール(Torr)より大きい圧力では、アノード放電領域から離れたイオン化及びイオンビーム内の電荷交換プロセスは、イオンソースの出力特性が、電気的に中性の、強力なイオンビーム及び拡散的な背景プラズマの両方のように見えるようにする、拡散的な背景放電(diffusive background discharge)を形成することができる。自己中性化したイオンビーム及び拡散的プラズマの両方の結合した出力は、「プラズマビーム」と呼ばれることがある。
【０００５】
このタイプのイオンソースの他の特徴は、加速領域内での電子のＥ×Ｂドリフト電流モーション(drift current motion)である。磁界の線に関してらせん形に動く電子は、Ｅ×Ｂ又はホール効果の力を受け、電界及び磁界の両方に直交する方向に集合してドリフトする。これは、ホール効果ドリフト電流と呼ばれる。この電子ドリフトパス(electron drift path)に沿って形成されるホールポテンシャルを避けるため、これらのイオンソースは、ホール効果ドリフト電流が連続的な閉じたパスを流れるようにする、アノード放電領域すなわちチャネルを有する。研究者は、これらのタイプのイオンソースを多くの名称：「マグネト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ(Magneto-Plasma-Dynamic Arc Thrusters)」、「ホール−アクセラレータ(Hall-Accelerators)」、「クローズド−ドリフト・スラスタ(Closed-Drift Thrusters)」及び「ホール電流イオンソース(Hall-Current Ion Source)」によって言及してきた。説明及び解説の目的のため、我々はこれらのタイプのデバイスを、一般に、「ホール電流イオンソース」と呼ぶ。
【０００６】
以下の参考文献は、ホール電流イオンソースに関する先行技術を説明する。
【０００７】
空間推進の用途のために開発されたホール電流イオンソースの研究の内容は、H. R. Kaufmanによる「テクノロジー・オブ・クローズド−ドリフト・スラスタ(Technology of Closed-Drift Thrusters)」ＡＩＡＡジャーナル第３巻、７８〜８７ページ（１９８３年）及びそこに引用された参考文献に要約されている。
【０００８】
Burkhartによる米国特許第３，７３５，５９１号は、空間推進の用途のための「マグネト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ(Magneto-Plasma-Dynamic Arc Thrusters)」という名称のホール電流イオンソースを開示し、クレームとしている。
【０００９】
Cuomo他による米国特許第４，５４１，８９０号は、集積回路製造工程で使用するための、高い電流密度で、低いイオンエネルギーのホール電流イオンソースを開示し、クレームとしている。
【００１０】
Kaufmanによる米国特許第４，８６２，０３２号は、高い電流密度で、低いエネルギーイオンビームの発生のための、いわゆる「エンド−ホール(End-Hall)」イオンソースを開示し、クレームとしている。
【００１１】
Okada他によるジャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジクス(Japanese Journal Applied Physics)、第３１巻、１８４５〜１８５４ページ（１９９２年）は、イオン注入及びダイヤモンド状カーボン(diamond-like carbon, DLC)コーティングの堆積のために使用する、高いエネルギーのホール電流イオンソースを説明する。
【００１２】
Chuzhko他によるダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアル(Diamond and Related Material)第１巻、３３２〜３３３ぺージ（１９９２年）、及びFedoseev他によるダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアル(Diamond and Related Material)第４巻、３１４〜３１７ぺージ（１９９５年）の記事は、ＤＬＣコーティングの堆積に使用されるホール電流イオンソースを説明する。ホール電流イオンソースは、空間推進及び材料処理の用途のための、化学的に不活性な及び反応性のイオンビームを生成するために使用されてきた。いくつかのデザインが開発されてきた間、ホール電流イオンソースは、図１Ａから１Ｃまでに示すような、３つの基本的な形態に分類することができる。図１Ａ〜１Ｃは、これらのイオンソースでしばしば使用される、アノードの非磁性ステンレススチール（ＳＳ）、磁極片(pole piece)の磁性ステンレススチール、及び絶縁材料の間を区別している。
【００１３】
図１Ａは、延長されたアノード放電領域すなわち加速チャネル１４を有する「延長チャネル(Extended Channel)」ホール電流イオンソース１０を示す。イオンソース１０は、以下のいくつかの部品：すなわち、絶縁材料からなり、第１の端部１７にある開口部１６、及び非磁性ステンレススチールからなり、チャネル１４の第２の端部の内部でその近傍に位置する、少なくとも１つの平らなリングアノード１８からなる、円形、円筒形のチャネルすなわちアノード放電領域１４と、第２の端部２０のところのアノード１８の背後で、アノード放電領域１４と通じているガス給送ライン２２と、磁性ステンレススチールからなり、放射方向の磁界Ｂを形成する磁極片２６を有する磁気回路と、１以上の電磁石３０（又は永久磁石３０）と、カソード３４と、カソード３４とアノード１８の間に電気的に接続された放電パワーサプライ３８とを含む。延長されたチャネル１４は、１より大きい（Ｌ／Ｗ＞１）、チャネル長Ｌをチャネル幅Ｗで割ったアスペクト比を有する。
【００１４】
図１Ｂは、チャネル１４よりかなり短い円筒形のチャネル４４を有する「空間電荷シース(Space-charge Sheath)」ホール電流イオンソース４０を示し、通常チャネル４４はＬ／Ｗ＜１である。更に、イオンソース４０は、溝又はチャネル５０を有するリングアノード４８を持つ。比較的短いアノード放電領域を有する、このタイプのホール電流イオンソースは、延長チャネルタイプより通常低い平均エネルギーを有するイオンビームを作り出すが、アノード放電領域の境界となる壁部への放電損失が大きく減少したという利点を有する。図１Ｂのイオンソースでは、カソードとアノードの間の電子の流れは、主に、磁界のライン中に伸び、それと交差する溝のあるリングアノード４８の内側及び外側の先端と接触する。
【００１５】
図１Ｃは、第３のタイプの先行技術のホール電流イオンソース、「エンド−ホール(End Hall)」イオンソース６０を更に示す。エンド−ホールイオンソース６０では、磁性を有する磁極片２６が、イオンソースの軸に沿って向けられ、開口部１６を通して外側の極２８に向けられた、端で分岐する(end-divergent)磁界を形成するように配置されている。円錐の、環状の部分６４は、アノード放電領域６８を画定する。
【００１６】
ホール電流イオンソースは、高い堆積速度で生産することに適するように、いくつかの基準に合致しなければならない。以下に詳細に説明するこれらの基準の多くは、イオンビームの堆積及び非堆積の両方のプロセスに適用されることは注意すべきである。
【００１７】
第１に、高い堆積速度は、通常高い放電パワーレベルを要求する。ホール電流イオンソースに供給される電力の普通５０から７０％は、直接的又は間接的に、イオンソースの構成部品を加熱することに失われる。もしイオンソースが、真空中の輻射する熱放射によって受動的に冷却されているなら、プラスチックのような熱の影響を受けやすい素材は、ホットイオンソースアセンブリからの熱の流れによって損傷されることがあり得る。このように、高い堆積速度を促進するため、ホール電流イオンソースを輻射する熱放射の他の方法により冷却することが望ましい。
【００１８】
第２に、イオンソースは、生産中、丈夫に動作しなくてはならない。イオンソースは、確実にかつ簡単に動作が始まらなくてはならないし、パワー及び圧力の最も広い可能な動作範囲を持たなくてはならない。イオンソースは、それの有する内部構成部品又は出力効率を劣化させるように動作すべきではない。プラズマビームの出力特性は、時間が経っても安定したままであるべきであり、ほぼ均一か少なくとも装置の大きさ及び対称性に関して対称的であるべきである。更に、これらの属性のすべては、長い期間、すなわち２０時間を超える連続的なコーティングの実施の全体を通して、イオンソースのために一定に維持すべきである。伝導性コーティングが生成される用途では、（ほぼ体抵抗＜１０2Ω-cmのコーティング）、イオンソースの非伝導性コーティングの上の不要な堆積は、電気的に活動している構成部品間の短絡を引き起こしてはならない。逆に、非伝導性コーティングが生成される用途では、（ほぼ体抵抗＞１０2Ω-cmのコーティング）、イオンソースの電気的に重要な表面は、絶縁性の堆積物によって全体がコーティングされてはならない。
【００１９】
第３に、ホール電流イオンソースは、望ましいコーティングの均一性を達成するために、広い表面の面積を、プラズマビーム内で最小の加工物の操作で処理できるように大きさを変えられる(scalable)べきである。
【００２０】
摩滅に抵抗性のあるコーティングの直接イオンビーム堆積のためのエンド−ホールイオンソースの使用は、Knapp他の米国特許第５，５０８，３６８号に記載されている。彼らは、アクリル及びポリカーボネートのようなプラスチック材料を含む種々の基板の上に、１から１０μｍの厚さを有する摩滅に高い抵抗性のあるコーティングを堆積させる工程を開示する。コーティングは、前駆(precursor)ガス及び蒸気を、イオンソースのアノード放電領域の下流でプラズマビーム中に注入することによって作り出された。彼らの研究では、総計の体積コーティング速度は、約0.01から0.1cm3/分の範囲であった。しかし、エンド−ホール及び他の先行技術のホール電流イオンソースを、Knapp他によって開示された工程に、より高い体積速度（0.1から1cm3/分）で適用しようとするとき、イオンソース装置の性能に関する多くの技術的問題が発生する。
【００２１】
例えば、エンド−ホールイオンソースの２つの商業的形態（バージニア州、アレクサンドリアの、コモンウェルス・サイエンティフィック・コーポレーション(Commonwealth Scientific Corporation)によって製造された、マークIIエンド−ホールイオンソース及びマークIIIエンド−ホールイオンソース）のいずれかを、非常に高い堆積速度でプラスチックをコーティングするための商業的製造設定に適合させようとしたとき、いくつかの複雑な状況が発生した。これらのエンド−ホールイオンソースは放射冷却であり、熱の影響を受けやすいプラスチックを長い時間コーティングするとき、ホットイオンソースの構成部品から放射される高い熱のパワーの流れのために、それらのパワーの範囲は非常に限られていた。更に、イオンソースは、アノードアセンブリのベースの近くに位置する、ガス分配器のプレートから物理的に金属をスパッタリングする傾向があった。通常、この電気的浮遊プレートのポテンシャルは、アノードのそれより何十ボルトも低く、アノード放電領域で発生したイオンのいくつかは、ガス分配器プレートの方に逆に加速される。このイオン射出(bombardment)は、ガス分配器プレートを、非伝導性堆積物が比較的ないように維持するが、電気的浮遊プレートを加熱し、プラズマビーム中に金属の汚染物質をスパッタリングする。そのような金属汚染物質は、例えば、処理される加工物上の、不良なフィルムの接合、光学的欠陥及び同様のもののような、不良な処理性能を引き起こすことが発見されている。商業的エンド−ホールイオンソース中のアノードアセンブリはまた、イオンソース本体内の、接地及び浮遊の両方の金属構成部品にしばしばアーク放電するであろう。これらのランダムな一時的なアーク放電は、金属をアセンブリ内の電気絶縁体上にスパッタリングして電気的短絡を引き起こし、またコーティング動作中に、放電をただちに再開始するための簡単な方法もなく、しばしば放電を消滅させる。更に、これらのアークの発生は、イオン化が困難な給送ガスを使用した、より高いパワーレベルで動作させたとき、及び非伝導性コーティングを堆積させたときに、より顕著かつ頻繁になった。
【００２２】
これらの問題があるため、Kaufmanによって米国特許第４，８６２，０３２号に記載され、コモンウェルス・サイエンティフィック・コーポレーションによって商業的に製造されたエンド−ホールイオンソースは、これらのイオンソースを非常に高い堆積速度で動作させようとするとき、Knapp他による第５，５０８，３６８号特許に開示された方法によって堆積させられるコーティングの生産には不適切であった。更に、Kaufmanの第４，８６２，０３２号特許には、これらの欠点の解決策を導く、開示された方法又は説明も、当業者に明らかな方法もない。
【００２３】
先行技術の他の特許及び報告は、不活性あるいは活性ガス中の長い時間の動作のための、イオンソースプラズマビームからの材料の直接堆積のための、ホール電流イオンソースの使用を説明する。それでも、コーティングを堆積させることに関連する問題、特に熱の影響を受けやすい材料の上への非伝導性コーティングの高い速度での堆積に関連する問題をどのようにして克服するかを説明又は教えるものはない。
【００２４】
Burkhartの米国特許第３，７３５，５９１号に記載され、上述された「マグネト−プラズマ−ダイナミック・アーク・スラスタ」は、放射冷却であり、熱の影響を受けやすい材料上への非常に高い堆積速度を維持するには、低すぎるパワーレベルで又は高すぎる温度で動作する。このデバイスは、プラズマビームの直接内側に位置するカソードを使用し、これは、カソードがプラズマビームを静電的に混乱させ、スパッタリングの汚染源となる点で望ましくない状況である。このホール電流イオンソースでは、ガスは、中空で円筒形のアノードの壁部を通して少なくとも１つのチューブによってイオンソース中に注入される。他の先行技術の例で明らかになるように、このイオンソースの非伝導性コーティングの堆積の間の長い動作は、放電電流をガス給送開口部に集中させることになり、不均一なプラズマビームを作り出して、高い放電電流で動作しているときにガスの入口付近のアノードの壁部を溶融させたり気化させたりすることによって損傷させる。
【００２５】
同様の問題が、空間推進の用途のために開発された先行技術のホール電流イオンソースに見られる。これらのホール電流イオンソースのすべては、アルゴン又はキセノンのような化学的に不活性な推進燃料(inert propellant)を、又は場合によってセシウムのような簡単にイオン化される金属を使用するとき、低いパワーでの動作、軽量な構成部品、高い特定の衝撃(specific impulse)及びスラスト効率(thrust efficiency)、及び長寿命の動作を強調する。空間推進のホール電流イオンソースの共通の特徴は、それらは輻射する熱放射によって冷却されることである。連続動作では、それらは比較的低いパワーでのみ動作させることができ、及びこの制限は、空間推進の用途のために望ましいようにそれらをよりコンパクトで軽量に作るときに、より制限的になる。そのように、この分野の豊富な文献は、高いパワーでの、及び化学的に活性の又は堆積する環境での動作のためのホール電流イオンソースの使用に関する手段及び方法の説明を提供していない。
【００２６】
放射冷却されたホール電流イオンソースの、Chumo他の米国特許第４，５４１，８９０号に記載された好適な実施形態では、作動ガスは、アノードから電気的に絶縁もされている離れた環状のマニホルドによって、背後の近傍のアノードから、アノード放電チャンバ中に導かれる。後の先行技術の例で明らかになるように、ガス分配のこの手段は、不活性な、堆積を生じないガスと共に動作するようにすることができる。しかし、堆積を生じるガスの場合は、この同じホール電流イオンソースは故障しやすい。非伝導性堆積物は、堆積を生じる環境にさらされたアノードの領域上に容易に生じることができ、その後、電気的に活性なアノード領域は、見通し内の堆積が低いか無視できるところである、アノードの背後の表面へと狭くなる。高いエネルギーの電子をこれらの領域へ流すこと(channeling)は、効率的な動作のために望ましいようなアノード放電領域内ではなく、アノードアセンブリの背後又はそれに沿った強い放電活性を動かすことになり得る。更に、ガス分配マニホルドのような、アノードと非アノード表面の間の強い放電活性は、接地あるいは浮遊の金属又は絶縁非アノード表面のいずれかの、イオンスパッタリング及び／又はオーバーヒートを引き起こし得る。そのアセンブリ次第で、スパッタリングされた金属は絶縁ハードウェアを横切る短絡を形成し、金属の汚染物質をプロセス中に入れることがある。Chumo他は、高い速度の堆積プロセスに使用したときの、彼らのイオンソースで遭遇するであろう、性能を劣化させる問題に取り組むいかなる手段も説明又は教えていないことは注意すべきである。
【００２７】
上述の記事で説明された、Feedoseev他の最近の研究では、水冷のアノードを有する、いわゆる「ホール・アクセラレータ」イオンソースが、水素、アルゴン、及びメタン給送ガスの混合からＤＬＣコーティングを作るために使用された。彼らのホールアクセラレータの設計では、ガスは、Ｖ字形の環状のアノードのベース中の0.02cmの広さの環状のスロットを通して、アノード放電領域に均一に送られる。このイオンソースは、炭化水素給送ガスからＤＬＣコーティングを堆積させるために使用することができることが実証されたが、この同じイオンソースは、それを上述の参考文献中のKnapp他により開示されたプロセス中に統合しようとしたとき、故障したことが観察された。非伝導性堆積がホール・アクセラレータのアノード上に形成され、それは、電気的に活性な表面の面積を減少させ、アノードのポテンシャルを増加させる。結局、アノードのポテンシャルは、アノードの背後のガスがブレークダウン(breakdown)するために十分に高く、アークがイオンソースの内部又は背後の伝導性表面に発生した。アノード上の非伝導性のコーティングの存在は、イオンソースを再点火することも非常に難しくした。ＤＬＣ堆積の間は、ホットイオンソースの表面上への堆積は、グラファイトの組成で、このため電気的に伝導性であり得ることが知られている。これが、放電電子接触電流の多くが発生するように意図されているＶ字形のアノードの先端のような、冷却が不十分なホール・アクセラレータのアノードの領域上で起こったことが推定される。しかし、Knapp他によって記載されたプロセスでは、アノード上の、熱い及び冷たい両方の領域上の堆積物は非伝導性であり、またこのため、それらの存在はホール・アクセラレータイオンソースの能力を奪った。
【００２８】
延長されたチャネルを有するホール電流イオンソースが、Okada他によって、アルゴン及び種々の炭化水素ガスの組合わせからＤＬＣフィルムを堆積させるための上述の記事に記載された研究で使用された。比較的体積の大きい、洗練されたデバイスは、多くの電磁石を使用し、それの延長された加速チャネル内に磁界を形成する。アノードアセンブリの直接の能動的な冷却はなく、またイオンソースは自立した(self-sustained)カソードを使用しない。非伝導性の体積物が熱いアノード上に形成される環境での、この装置の使用についての報告はまだ開示されていない。非伝導性コーティングの直接堆積で遭遇する共通の問題に関する他の先行技術のホール電流イオンソースを超える独特の利点を有する、この延長されたチャネルのホール電流イオンソース内の開示された実施形態もない。
【００２９】
以下の一般的な技術的問題は、高い速度の堆積又は高いパワーの動作が要求されるプロセスへの先行技術のホール電流イオンソースの使用と直面する。
【００３０】
先行技術の放射冷却のホール電流イオンソースは、熱の影響を受けやすい材料の迅速な処理及びコーティングには適していない。高いパワーでの動作の間、ホットイオンソースからの放射熱エネルギーは、熱の影響を受けやすい加工物を加熱し、損傷を与える可能性がある。このように、輻射する熱放射の他の手段により、イオンソース装置から熱エネルギーを取り出すことは重要である。
【００３１】
ホール電流イオンソースで非伝導性コーティングを堆積させるとき、コーティングは、アノード放電領域にさらされたきれいなアノード表面の領域を覆うであろう。これは、活動するアノード領域を減少させ、結局多くの方法でイオンソースを故障させる。ガスがアノードの回りに送られる先行技術のイオンソースでは、活動するアノード表面はアノードの側面及び背後へと狭くなり、その結果、放電に供給されるパワーは、アノード放電領域内の体積のイオン化(volume ionization)及びイオン加速ではなく、アノードの周囲及び背後のあたりの壁部の再結合損失(wall recombination losses)へ転じる傾向がある。ガスがアノードを通して１以上の別個の穴によって入れられる先行技術のイオンソースでは、活動するアノード領域は、別個のガス注入穴から近傍の、高い電流密度の領域へと狭くなる。１つの穴の場合、加速チャネル中の放電及び結果として生じるプラズマイオンビームのプロフィールは不均一又は非対称となる。更に、狭い伝導性の表面領域への強い電子電流が、イオンソースが高い電流レベルで動作するとき、局所的にアノードの金属を溶かし蒸発させ得る。アノード放電領域に直接開いている、アノード中の穴のアレイ又は薄い連続的なスロットの場合は、活動しているアノード表面は、特に高い速度の堆積の状況の間、イオンソースが不安定になりそれのアノード電圧動作範囲の外に上昇するような程度に減少し得る。結局、イオンソースの放電電流は、カソードとアノード放電領域の間で、消滅するか流れなくなるであろう。
【００３２】
先行技術のホール電流イオンソースによって伝導性コーティングを堆積させるとき、非伝導性の表面への不要な堆積は、電気的に活動している構成部品間の絶縁を劣化させ得る。早くから、これは、堆積速度を減少させる知られていないパワー損失を引き起こすであろう。結局、アノードからカソードへのポテンシャル降下は、プラズマを維持することができない所まで減少するであろう。
【００３３】
先行技術の多くのホール電流イオンソースは、しばしばイオン化が困難なガスで動作するとき、アノード放電領域とこの領域の近くの金属境界の間の、放電中の「スパーク」あるいは「アーク」のいずれかの不安定さの結果として、不安定な性能も示す。これらの事象は、アノード放電領域内の放電電流を減少させたりそらせたりすることがあり、放電特性、例えば、荷電粒子密度及びプラズマポテンシャル電界(plasma potential field)を、放電が消滅するほどに混乱させることがある。そのような不安定さ又はアークすることを示さない、又は少なくともそれらの発生の影響を受けないホール電流イオンソースを持つことが望まれる。先行技術の多くのホール電流イオンソースは、アノード放電領域を境界とする金属構成部品を有する。イオン射出は、随伴するイオンスパッタリング及びそのような表面の加熱が堆積と競合する、非伝導性コーティングの堆積の条件下でさえ、これらの表面から金属をスパッタリングすることができる。コーティングプロセスを汚染し得る又はアノードの電気的短絡を引き起こす可能性のある、すべての金属の構成部品からのスパッタリングを排除又は最小化することが望まれる。
【００３４】
先行技術のほとんどすべてのホール電流イオンソースは、静的な磁界を形成するため、永久磁石又は独立したパワーサプライに駆動される電磁石のいずれかを使用する。そのように、これらのホール電流イオンソースは、それらの望ましい動作範囲にわたって、いつも簡単にかつ確実に点火するわけではない。作動ガスがブレークダウンするために必要なアノード電圧閾値及び給送ガスレベルは、定常状態の動作のために必要なものより大きい。このように、先行技術のホール電流イオンソースの点火プロセスは、固有のヒステリシスを有する。研究者は、放電を点火し、次にこれらの特性を望ましい設定値に再調節するために、磁界の強度を変更し、高い電圧の波形を引き起こし、動的にガスの流れを変更しなくてはならない。簡単に放電を点火し、イオンソースをそれの最も広い定常状態の範囲に亘って動作させるための、より複雑でない点火手順が望まれる。迅速かつ簡単な点火は、数秒だけのイオンソースの動作が必要とされる、非常に薄いコーティング（５０から１００オングストローム）の迅速な堆積のために特に望まれる。
【００３５】
安定動作のためのガス給送要件を大きく増加させることなく、大きい面積の処理するために、従来のホール電流イオンソースの規模を変更することは難しい。先行技術のすべてのホール電流イオンソースは、次に非対称のプラズマビーム特性を引き起こす、電子のＥ×Ｂのドリフトパスに沿った非対称のホールポテンシャルの形成を避けるために、閉じたパスの(closed-path)アノード放電領域を使用する。いくつかのプロセスでは、動いているシート、備品、平面又はウェブのような広い表面に亘って分配される直線的な(linear)プラズマビームを形成するために非常に利点があるであろう。従来の閉じたパスのそのような直線的なホール電流イオンソースは、少なくとも直線的イオンソースの長さの２倍の、ドリフトの閉じた(closed-drift)アノード放電領域を持たなくてはならない。ホール電流イオンソースのガス負荷要件(gas load requirement)は、アノードの閉じたパスの外周すなわち長さと共に規模が変わる傾向がある。このようにして、従来の閉じたパスの形態の大きい直線的ホール電流イオンソースは、安定した動作のため、十分に高いガス給送レベル及び高い真空ポンプスピードを必要とするであろう。しかし、単にイオンソースの出力の構造を再分配するための努力のガス及びポンプの要件の規模を変えることは普通望ましくない。先行技術の閉じたパスの慣例によって制限されないが、それのプラズマビーム特性に非対称のホールポテンシャル及び同様の非対称性を示さない、ホール電流イオンソースを持つことがより望ましい。
【００３６】
先行技術のホール電流イオンソースからのプラズマビームの出力を幾何学的に分配したり、規模を変更したりするために、複数のアノード及びカソードパワーサプライを有する複数のイオンソース、及び多くの場合、電磁石のパワーサプライが必要である。１以上のパワーサプライからのパワーを、アノードのアレイのような、いくつかのアノード又はアノード放電領域に、２以上のアノード間に放電電流を分配し、次に電流を単一の共通のカソードで合体させることによって、分配することが望ましい。そのような方法は、広い領域を処理するようプラズマビームを形成するために必要なパワーサプライ及びイオンソースの構成部品の数を最小化するであろう。そのようなアプローチは、全体の中で、放電電流とそれぞれのアノードに送られるパワーの比率を均衡させるための手段も必要とする。複数のホール電流イオンソースを一団にすることに加えて、先行技術には、そのようなイオンソースシステムを電気的に結合させて制御するための手段が示されていない。
【００３７】
以下に示すものは、先行技術のホール電流イオンソースの欠点の要約である。
(1)熱の影響を受けやすい加工物に有害な輻射する熱放射。
(2)プロセスに固有の、アノード表面の非伝導性コーティングによる広範なコーティングであって、以下の原因となるもの。
(a)イオンが主に作り出され加速される、アノード放電領域の付近の不均一又は非対称的な放電の形成、
(b)アノードの側面及び背後に沿った領域への、電気的に活動しているアノード表面の縮小、
(c)アノード表面の損傷を引き起こすアノードの、局所的な、高い放電電流密度、及び
(d)アノード放電領域とカソードの間の放電電流の損失又は混乱。
(3)伝導性コーティングが堆積する環境中での、信頼性のない動作。
(4)アノードと非アノードの金属構成部品の間の頻繁なアーク、及び一時的なアークへの感受性、及び放電電流の損失及びアノード放電領域の外のそれの方向変更を引き起こす不安定性。
(5)アノード放電領域内又はプラズマビーム内の、イオンソースの金属の構成部品からの金属のスパッタリング。
(6)不注意な、一時的な放電電流の損失の場合に、イオンソースの放電を点火し、イオンソース放電電流を再確立するための、簡単で、迅速で、電気的に受動的な手段がない。
(7)閉じていないアノードパスを有するホール電流イオンソースの規模を変更する手段、及びアノード放電領域中及びプラズマビーム中の非対称的なホールポテンシャルを避けるための手段がない。
(8)広い処理領域に亘る、放電パワー、電流、及びプラズマビーム特性を分配し制御するための、複数のイオンソースシステム又はアノードを共通のカソード及びアノードパワーサプライと並列に接続するための簡単な手段がない。
【００３８】
発明の概要
本発明の装置は、発生環境(production environment)で使用するときに先行技術のイオンソースが遭遇する問題を克服する特徴を実現した、閉じたパスの、又は閉じていないパスのホール電流イオンソースを提供する。本発明のイオンソースは、伝導性表面領域、又は化学的に活性な（例えば、腐食性の）又は堆積する環境で材料を処理するとき、電子接触電流(electron contact current)がアノードの近傍に連続的かつほぼ均一に維持できる領域を提供する、非放射性の(non-radiative)又は液冷のアノードを含む。結果として、このイオンソースは、非常に高い生成速度で、熱の影響を受けやすい材料又は加工物を処理する、真空の３つのモードで使用することができる。これらのモードは、(1)例えば、表面の組織を変更するための反応性のイオンビームエッチング又は非反応性のイオンビームスパッタリングエッチング、マスクされたプロフィール(masked profile)、又は種々の基板の接合特性のような、加工物の表面改変のような堆積ではない用途、(2)基板上への伝導性コーティングの堆積、及び(3)基板上への非伝導性コーティングの堆積、を含む。
【００３９】
モード(1)の用途のためのイオンソースは、以下を要求する。
(a)プラズマビームの形成及び加速のためのアノード放電領域、
(b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシールされたアノード、
(c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、
(d)自立したカソード、すなわち独立したパワーサプライを有するカソード、
(e)アノードから自立したカソードへの放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、及び
(f)プラズマ維持ガス又は作動ガスを導くアノード内のギャップ。
【００４０】
モード(2)の用途のためのイオンソースは、以下を要求する。
(a)アノードが、ギャップ中への堆積を防止するように配置され、アノードとアノード近傍のイオンソースの他の部品の間の伝導性のパスの生成を次に防止する、１以上の連続する薄いギャップにより境界が定められた、プラズマビームの形成及び加速のためのアノード放電領域、
(b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシールされたアノード、
(c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、
(d)自立したカソード、
(e)アノードから自立したカソードへの放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、
(f)プラズマ維持ガス又は作動ガスを導くアノード内のギャップ、及び
(g)堆積させるガスを直接プラズマビーム中に導き分配する分配手段。
【００４１】
モード(3)の用途のためのイオンソースは、以下を要求する。
(a)プラズマビームの形成及び加速のためのアノード放電領域、
(b)プラズマがアノードの背後に形成されることを防ぐための絶縁的にシールされたアノード、
(c)アノードを冷却するための、非放射性の冷却手段、
(d)自立したカソード、
(e)放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段、
(f)非伝導性堆積がほぼないままであるギャップ内のアノード表面領域を提供する、プラズマ維持ガスを導くアノード内のギャップ、及び
(g)堆積させるガスを直接プラズマビーム中に導き分配する分配手段。
【００４２】
具体的には、３つのすべてのモードを容易にする本発明のイオンソース装置は、ハウジング、アノードを一端に有するハウジング内のアノード放電領域、非放射性の冷却手段を有するアノード、自立したカソード、アノードとカソードの間に電圧供給するためのアノードに接続されたパワーサプライ手段、アノード内の少なくとも１つのギャップを通して作動ガスを導くための注入手段、ハウジング内に設置され、放電電流、又は独立した周期的に反転するすなわち交流電流のいずれかで、少なくとも部分的に動作する電磁石手段を含む。
【００４３】
３つのすべてのモードの動作を容易にする、従来の閉じた、又は従来にはない閉じていないホール電流ドリフトパス領域を有する本発明のイオンソース装置を工夫することが可能である。閉じていないパスのホール電流イオンソースは、空間的時間平均出力がイオンソースの構造及び大きさに関して対称的であるプラズマビームを形成するために、周期的に反転するすなわち交番する磁界を使用する。閉じていないパスのホール電流イオンソースは、直線的なイオンソースのイオンビーム出力が望まれるところでの処理及びコーティングの用途に特に有用である。
【００４４】
本発明のイオンソース装置は、複数のアノード、アノード放電領域、自立したカソード、電磁石、及びイオンソースアセンブリのアレイ又は総体を動作させるためのパワーサプライを有する形態とすることもできる。そのようなイオンソースの形態は、広い表面面積及び／又は複雑な形状を有する加工物を処理するために必要なように、イオンビーム出力を空間的に分配するために望まれる。
【００４５】
発明の詳細な説明
熱の影響を受けやすい材料を処理するための、本発明のグリッドのないホール電流イオンソース装置は、先行技術のホール電流イオンソースに関連する欠点を、以下によって克服する。
【００４６】
(1)低い温度及び高いパワーで動作させること、
(2)堆積中のすべての時において、カソードとアノード放電領域の間の放電電流を維持するため、ほぼ非伝導性コーティングがないアノード上の表面領域を維持すること、
(3)伝導性コーティングが堆積する環境中の電気的に活動している構成部品の電気的絶縁を維持すること、
(4)給送又は堆積ガスのイオン化が、アノードの側面及び背後ではなく、アノード加速領域内で主に発生するように、アノードを通して、アノード放電領域中に作動ガスを注入すること、
(5)イオンソースハウジングの付近及び内部の、アノードから非アノード表面への一時的なアークを抑制すること、
(6)それの構成部品からの、十分低い金属のスパッタリングの侵食を呈すること、
(7)イオンソースは、イオンソース中の不安定性、及びイオンソースの付近の不注意なアークの影響を受けにくいという点で、丈夫であること、
(8)それの意図された又は不注意の混乱の場合には、イオンソースの放電の簡単で確実な点火及び／又は再点火を提供すること、及び
(9)プラズマビームを広い処理領域に幾何学的に分配するために、１つだけの自立したカソード及び１つだけのパワーサプライの使用を伴う、本発明のホール電流イオンソース又はアノードのアレイへパワーを供給し制御すること。
【００４７】
本発明のホール電流イオンソース装置は、ユニークな陰になったギャップ(shadowed gap)及びガス分配の特徴を有する液冷のアノード、電気的絶縁性の壁部、及び／又はアノードに対してシールする電気的絶縁性のギャップを有する１以上の囲まれたアノード放電領域、アノードからカソードへの電流パスに直列に接続された１以上の電磁石の使用を含む。
【００４８】
本発明のホール電流イオンソース装置では、ガス又は蒸気は、イオン化及びイオン加速チャネル又はアノード放電領域中に、アノード又はアノードアセンブリ中のユニークな自己を陰にするギャップ(self-shadowing gap)によって、完全に又は部分的に導かれる。作動ガスのこのアノードギャップを通しての導入は、アノード放電領域に効率的に面していない、アノードの領域の背後又は側面の、望ましくない放電活性を抑制する。またアノードアセンブリは、ハウジング内部の内側でのアノードと非アノード伝導性部品の間の継続した又は一時的なアークを防ぐために、イオンソースハウジング内に、電気的絶縁性の境界又はアセンブリによって囲まれる。このユニークなアノードの形態により、本発明のホール電流イオンソースは、非伝導性コーティングを堆積させているときでさえ、例えば２０時間を超える長い時間の期間、高い電流及び放電パワーレベルで連続的に動作することができるようになる。非伝導性コーティングは、約１０2Ω-cmより大きい体抵抗を有するものとして定義される。
【００４９】
本発明のホール電流イオンソース装置は、理想的には、多くの重要な産業のプロセスの用途に適する。これらのプロセスは、イオンビーム粉砕(ion beam milling)、反応性イオンビームエッチング、イオンビームスパッタリングエッチング、イオンビームアシステッド堆積(ion beam assisted deposition)、イオン注入、イオンビームアッシング(ion beam ashing)、及び伝導性及び非伝導性のコーティングの直接イオンビーム堆積を含むが、それらに限定されない。これらのタイプのプロセスの状況では、本発明のホール電流イオンソースは、半導体及び光電子デバイスの製造；磁気、光磁気及び光相変化データ記憶媒体構成部品の製造；材料を湿らせたり(wetting)接合したりするための表面の処理及び改変；パッケージング、薬及び化学の用途のためのバリアコーティングの製造；低い放射率(emmisivity)の、反射防止(anti-reflection)の、フィルタ及びバンドパス光学コーティング；耐水、耐腐食、及び耐摩耗保護コーティングを含む、鍵となる産業の用途に使用することができる。
【００５０】
本発明のホール電流イオンソース装置の特性のために、１９９５年９月８日に発行された、Knapp他のＰＣＴ国際出願第ＷＯ９５／２３８７８号のような、ダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）保護コーティング；１９９６年９月３日に出願された、係属中の米国特許出願第０８／７０７，１８８号（代理人事件整理番号６０５１／５３１３２号）のような、磁気トランスデューサ及び磁気メディア上のシリコンをドーピングしたＤＬＣ保護コーティング；１９９７年７月２日に出願された、係属中の米国特許出願（代理人事件整理番号６０５１／５３２７１号）のような、光相変化データ記憶媒体上へのＤＬＣ及びドーピングされたＤＬＣ保護コーティング；１９９６年４月２日に出願された、係属中の米国特許出願第０８／６３１，１７０号（代理人事件整理番号６０５１／５３１１９号）及び１９９６年４月１６日発行の、Knapp他の米国特許第５，５０８，３６８号のような、レーザ・バーコード・スキャナ・ウィンドウのような光学基板上のＤＬＣ及び他の保護のための硬い光学的に透明なコーティング；１９９７年４月８日発行の、Petrmichl他の米国特許第５，６１８，６１９号のような柔らかい基板上の、高い耐摩耗性の、フレキシブルな保護コーティング；及び１９９６年４月１５日に出願された係属中の米国特許出願第０８／６３２，６１０号（代理人事件整理番号６０５１／５３１２３号）のような、レンズのための、高い耐久性の、耐摩耗性の複数層の誘電体コーティングの堆積のための理想的なソースとなる。前述の文献、特許及び出願の関連する部分は、ここに参考文献として組込まれる。
【００５１】
本発明の１つの実施形態では、ホール電流イオンソースは、以下に図２及び３の記述に関して説明するように、従来の閉じたアノード放電パスを有する形態である。圧力、フロー、及び放電パワーの広い動作範囲を促進するため、アノード放電領域の磁界は、アノードと自立したカソードの間の放電電流と直列の１以上の電磁石によって動かされる。磁界を確立するこの比較的簡単な手段は、反復動作(step-and-repeat operation)及びパルスパワー動作(pulsed-power operation)のための確実な点火及び再点火を提供し、不注意な一時的なアーク又は放電装置の不安定性による、放電のいかなる中断からの、迅速な回復を確実にする。
【００５２】
本発明の他の実施形態では、ホール電流イオン源は、最小の給送ガスの要件で表面を処理する又は広い領域に亘ってコーティングを堆積させるための、従来にない閉じていないアノード放電パスを有する形態である。この実施形態の閉じていないホール電流イオンソースの特定の実施形態は、以下に図４Ａ及び４Ｂの記述に関して説明するように、アノード放電領域内の磁界及び横方向の電子のドリフトが周期的に交番させる又は反転させる手段を含む。そのような反転手段では、非対称的なホールポテンシャルが均等にされ、それは別に、閉じていないアノード放電領域に沿って形成される。この新しい、閉じていないドリフトパスの形態は、交番しない磁界を有する、より普通の閉じたパスの形態と比較できる。
【００５３】
更に、上述の特定の実施形態のこれらの本発明のホール電流イオンソースのいくつかは、本発明の単一のアノードサプライ及び単一の共通の自立したカソードによりパワーが与えられる、ホール電流イオンソースの、自己均衡する総体(self-balancing ensemble)を形成するために、種々のＤＣ電力と組合わせることができる。そのような装置は、２以上のアノード、２以上の同心のアノード、直線的なアノードアレイ又はアノードの集まったアレイを含むことができよう。これらの利点は、いくつかのホール電流イオンソースを組合わせてプラズマビームの流れ及びパワーを広い領域に分配し、及び多くの材料処理の用途で必要とされるようにコーティングを確実にかつ均一に堆積させることを可能にする。
【００５４】
図２及び３Ａでは、本発明の閉じたパスのホール電流イオンソース装置の基本的な構成部品が示される。ホール電流イオンソース７０は、カソードアセンブリ７４、磁界回路アセンブリすなわち電磁石７６、アノードアセンブリ又はアノード８０、及びカソード接続８７経由でカソード電子エミッタソース７４を動かす電圧を供給する別個のパワーサプライ手段８４及び８６、及びアノード及び電磁石接続８９経由でアノード８０及び電磁石７６を動かすためパワーサプライ手段８８を含む。ＤＣ及びパルスＤＣは従来使用されているが、パワーサプライ手段は、ＤＣ、ＡＣ、ＲＦ、パルス電圧波形又はそのような電圧波形の結合を供給する。
【００５５】
カソード７４は、熱いフィラメント、プラズマ電子放射ブリッジ(plasma electron emitting bridge)又は中空のカソード電子エミッタとすることができる、電子エミッタソースである。カソード７４は、アノードからカソードへの電流パスに給送する電子の絶えることのない供給を提供する。詳細には、本発明のカソード７４は、空間推進の用途のために開発されたものと同様の、自立した、中空の電子エミッタカソードであり、バージニア州、アレキサンドリアのコモンウェルス・サイエンティフィック・コーポレーション(commonwealth Scientific Corporation)及びペンシルバニア洲、クラリトン(Clariton)のカート・Ｊ・レスカー・カンパニー(Kurt J. Lesker Company)から購入できる、商業的に利用可能な中空のカソード電子ソースと同様である。カソード７４は、中空の耐熱性金属の電子エミッタ９０及び「キーパ(keeper)」電極版９４を含む。局所的に強い放電９８を形成するために、電圧がパワーサプライ８４及び８６によってエミッタ９０とキーパ電極版９４の間にかけれている間、電気的に絶縁されたガス給送ライン９６からの不活性ガスが、エミッタ９０中に注入される。放電９８からのイオン射出は、エミッタチップ(emitter tip)９０の先端部を、局所的な放電が最小のパワーレベル及びガスのフローで維持できるような、熱イオン電子放射温度(thermionic electron emission temperature)に加熱する。通常、約１０から４０ワットのパワーレベル及び１０sccm（立方センチメートル毎分（標準状態下））のアルゴンのフローがカソード７４を動作させるために必要である。先行技術で教えられているように、プラズマブリッジ(plasma bridge)又は熱いフィラメントのような、他のカソード電子ソースの形態を使用することができる。
【００５６】
磁界回路は、円筒形のイオンソースハウジングアセンブリ１００の中心内に位置させれた電磁石７６により動かされる。アノード放電領域内に磁界を確立させ、磁界の方向及び強度を作り上げるために、電磁石７６に加えて、永久磁石及び強磁性材料、又は１より大きい透磁率を有する他の材料を使用することができる。電磁石７６は、放電電流によって動かされ、示すように、アノード８０に直接接続した、マグネット−オン−アノード(magnet-on-anode)形態とすることができる。他には、放電電流をカソード７４に接続した、マグネット−オン−コモン(magnet-on-common)形態とすることができる。磁気回路は、磁性を有するステンレススチールコアアセンブリ１０６及び１０８、センターポール(center pole)１１０、アウターポール(outer pole)１１２、アウターシェル１１４及びバックプレート１１８を含む。ギャップの開いた磁束(open-gap magnetic field)が、アノード８０の前で、ハウジング１００の外部の近傍の第１の端部の開口部１２２から第２の端部のアノード８０に広がる、アノード放電領域又はチャネル１２０を横切って、放射状に分配される。円形の領域１２０の中心の磁界の強さは、通常、約１０から３００ガウスの範囲である。図２及び３Ａに示すイオンソースアセンブリ７０では、領域１２０中の磁界のプロフィールは、センターポール１１０及びアウターポール１１２の物理的配置によって主に決定される。アノード８０のプロフィール及び磁性ポール１１０及び１１２の配置は、横切る磁界の線を、アノード８０の電気的に活動している表面あるいは陰になった環状のギャップ１２４のようなアノード８０中の開口部に平行に向けるような形態にされる。このように整えることにより、磁界の線に沿って導かれた放電電流の電子が、磁界の線と交差する高い点又は端部に優先的に接触しないことが確実にされる。磁界の線は、ギャップ１２４あるいは領域１２０の表面のいずれかに平行に、又は領域１２０から外に向かって分岐するように向けることができる。
【００５７】
非磁性ステンレススチールアノードアセンブリ８０は、インナーアノードリング１２６及びアウターアノードリング１２８、リング１２６及び１２８の整列によって画定されるギャップ１２４、電気的に絶縁されたガス給送ライン１３２が与えられたガス分配マニホルドすなわちリング１３０、及びいくつかのガス注入穴１３６を含む。穴１３６は、マニホルド１３０からギャップ１２４中にガスを均一に分配するような、大きさ及び間隔にされている。アノード８０は、インナーリング１２６及びアウターリング１２８に、それぞれ水冷チャネル１４０及び１４２も含む。アノード８０は、コンタクト１４６によってパワーサプライ手段８８に電気的に接続される。アノードアセンブリ８０は、例えば肩付きネジ１４８Ａ及び１４８Ｂのような、ファスナの２つの円状のアレイによって一緒に保持され、インナーインシュレータリング(inner insulator ring)１５０及びアウターインシュレータ(outer insulator)１５２によって磁気回路アセンブリ７６から絶縁される。これらのインシュレータの両方は、アルミナ、窒化アルミニウム、石英、窒化ホウ素、ガラスを接着したマイカ(glass-bonded mica)、ジルコニア、前述のもの又は他の真空に適合する、高温用の、セラミックインシュレータの混合のような材料から作られる。これらの電気的インシュレータは、磁性ポール１１０及び１１２の表面上に、及びリング１２６及び１２８の表面上に、ギャップ１２４を除いて、熱プラズマスプレーコーティング(thermal-plasma spray coating)のような技術によって、堆積させることもできる。インシュレータ１５０及び１５２は、アノード８０をポール１１０及び１１２から絶縁する。アノードアセンブリ８０は、いくつかの、ファスナ１５６、及び上記に挙げたインシュレータ材料の１つ、好適にはアルミナセラミックからなるインシュレータ１５８によって、ポール１１０の下面に取り付けられる。加速チャネル１２０をシールするために、ポール１１０、インシュレータリング１５０及びリング１２６の間、及びポール１１２、インシュレータリング１５２及びリング１２８の間のフィット及び仕上げは、プラズマのイオンソースハウジング１００の内部領域１６０への拡散を防ぐために十分なフィット及び仕上げを有する。
【００５８】
図３Ｂ及び３Ｃは、アノード放電領域１２０中の境界の他の形態を図解する。図３Ｂでは、チャネル壁部１２０が、絶縁ギャップ１５８及び１５９を形成するためインシュレータ１５１及び１５３によって分離された区分された金属浮遊プレート１５５及び１５７によって形成される。そのようなギャップは、伝導性の層がイオンソースの表面の露出した表面上に堆積する状況で、アノードアセンブリ８０と磁気回路構成部品１１０及び１１２の間の電気的絶縁を維持するために使用される。絶縁ギャップ１５８及び１５９は、インシュレータ１５１及び１５３の露出した面に沿った伝導性コーティングが形成されることを防ぎ、ギャップ内に深くプラズマが形成されることを防ぐような、形態及び間隔にされている。図３Ｃは、薄いギャップ１６３及び１６４が、アノード８０とインシュレータリング１５０及び１５２の間に配置された、他の絶縁のアプローチを示す。（追加のギャップ１６１及び１６２を、インシュレータリング１５０及び１５２と磁性ポール片１１０及び１１２の間に配置することができる。）ギャップ１６３及び１６４は、マニホルド領域１６５及び１６６から送られた不活性ガスのフローによってパージ(purge)することができる。図３Ｂのギャップ１５８及び１５９のように、ギャップ１６１、１６２、１６５及び１６６は、ギャップ内のインシュレータ１５０及び１５２の表面に沿った伝導性コーティングが形成されることを防ぎ、ギャップ内に深くプラズマが形成されることを防ぐような間隔にされている。
【００５９】
暗い空間のシールド(dark space shield)すなわち「スパッタキャップ(sputter caps)」（図示せず）を、不注意な放電の形成及び領域１６０内のスパッタリングのための追加の絶縁として、アセンブリファスナ１５６及びインシュレータ１５８と共に使用することもできるが、本質的な構成部品ではない。
【００６０】
組立及び点検を簡単にするために、ハウジング１００及びアウターポール１１２、アウターシェル１１４及びバックプレート１１８は、スプリングローデッドテンションラッチ(spring loaded tension latch)１６４（図２）で、一緒に留められる。アノード８０及び磁性コア１０８への冷却剤の給送及び回収は、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）の電気的に絶縁するライン（図示せず）及びバルクヘッドフィッティング(bulkhead fitting)１６６によって、アウターシェル１１４を通して流れる。図３Ａは、ホール電流イオンソース７０の動作をより明確に説明する。少なくとも２つのパワーサプライが、本発明のイオンソースを開始させ維持するために必要である。図２〜３Ａは、説明のための、３つのパワーサプライを示す。カソードエミッタ９０とキーパ電極プレート９４の間に接続されたパワーサプライ８４は「スタータ(starter)」すなわちプリヒータ(pre-heater)のパワーサプライである。このパワーサプライは、エミッタ９０及びプレート９４の開いたギャップの接合点(open gap junction)で放電を開始させるために使用され、それは今度はエミッタ９０を熱イオン放出温度に加熱する。キーパパワーサプライ手段８６は、パワーサプライ手段８４と並列であり、カソード９０での放電を維持する働きをする。パワーサプライ８４及び８６の特徴を、１つのパワーサプライ又はパワーシステム中に組込むことが可能である。
【００６１】
ホール電流イオンソース７０は、最初にカソード７４を、それに例えばアルゴンのような不活性ガスを供給することにより動き出させ、次にパワーサプライ手段８４でキーパプレート９４とカソードエミッタ９０の間に高電圧（通常５００から１０００V）をかけることによって、動作させられる。カソード放電９８が形成され、カソード７４が熱イオン放射温度に達した後、パワーサプライ８４からの高い電位が解除され、パワーサプライ手段８６は、アノード８０とカソード７４の間の主要な放電の開始のための絶えることのない電子の供給を提供するため、より低い電圧レベル（４０から１００V）で放電９８を維持する。
【００６２】
中空のカソード７４が動き出した後、作動ガスがアノードの円形のギャップ１２４を通してイオンソース７０中に導入される。次に、アノード８０とカソードエミッタ９０の先端の間で流れる、メインの放電電流１７０を開始させるため、パワーサプライ手段８８により電位がかけられる。放電電流１７０は、アノード放電領域１２０を横切ってポール１１０と１１２の間に磁界１７４を形成するため、電磁石７６を通して流れる。磁界１７４が存在することにより、電子の移動性は、領域１２０を通したところに制限される。結果として、アノード８０と中空のカソード７４の間の電界は、領域１２０を通して最も高い強さを有する。ホール電流１７８は、領域１２０内を環状に流れる。中性の給送ガス又は蒸気は、領域１２０中に加速された電子によってイオン化され、イオンは外に向かって加速される。イオン化は、主に領域１２０の全体にわたって、そしてより低い程度で領域１２０の外側に発生し、それによって、比較的高いエネルギーのイオン（２０から５００eV）の広い広がり、及び拡散性で低圧のガスの放電で通常見られる低いエネルギーのイオン（０．１から２０eV）の分配によって特徴づけられる、電気的に中性のプラズマイオンビーム１８０が作り出される。ホール電流イオンソースの動作のための典型的な圧力範囲は、約１０-4トール(Torr)から１０-2トールである。
【００６３】
ホール電流イオンソースの放電の電流−電圧特性及びビームの特性は、活動しているアノード領域、アノードガスのフロー及びガスの組成、磁界の強さ及びプロフィール及びアノード放電領域の深さ及び構造に依存する。約１２cmの公称のアノードギャップの直径を有する図３Ａに表現したものとほぼ同様のホール電流イオンソースシステムは、約０．５から約２０Aの範囲の放電電流及び４kWまでの放電パワーで連続的に動作できる。給送ガス、動作状況、及びイオンソースからの距離によって、通常、総計のビーム電流のアノード放電電流との比率（ＩB／ＩA）は、０．２０から０．４０の範囲であり、平均イオンエネルギーは、アノードポテンシャルの３０から６０％の間の範囲である。
【００６４】
堆積の前駆ガス又は蒸気は、アノードを通してか、あるいは補助ガス分配ノズル又はリング（図示せず）を通してかのいずれかで、注入される。補助ガス分配ノズル又はリングは、アノード放電領域の近傍のイオンソースアセンブリの部分とすることができるし、又はイオンソースアセンブリから離してアノード放電領域の開口部から下流に配置することができる。
【００６５】
非伝導性コーティングが形成されるプロセスでは、非伝導性コーティング１８２は、伝導性のアノード表面１２６及び１２８上に堆積を始める。前駆ガスが下流のリング又はノズルによって注入されたとき、陰になったギャップ１８６の背後の表面上の堆積は、低い程度からほとんど無視できる程度の速度で進行する。時間が経つにつれて、絶縁コーティング１８２は、１２６及び１２８の露出した表面に放電電流がつくことを妨げ、放電接触電流表面領域(discharge contact current surface area)は、アノード８０の中心内の陰になったギャップ１２４の入口に移動する。もし放電電流ＩAが一定に保たれるならば、減少した活動しているアノード領域は、ギャップ１２４での陰になったギャップ１８６内の、局所的な放電密度及び電流(current flux)密度の増加を引き起こす。結局、陰になったギャップ１８６中の有効なアノード表面領域は、ほぼ定常状態の状況に達し、それにより例えば約２０時間より長い長時間の間、ソースが連続的に動作し、コーティングを堆積させることができる。
【００６６】
ギャップ１２４及び１８６の決定的な幅(critical width)、ｗは、キャップの近傍の局所的な放電の、デバイ長λDの約４から１０倍である、局所的なアノードシースの幅、ｓである。ｗ≦ｓのとき、濃度の高いプラズマ（１０11１０12/cm3）をギャップ中に形成し、陰になったギャップを境界とする伝導性アノード表面への放電の電子の良好な接触を維持することは難しくなる。このように、見通し内の堆積を妨げ、ｓより十分大きく、λDより非常に大きいｗを有するギャップの開口部を持つことが望ましい。ギャップ内のデバイ長、
0004467787.tif 000002
は、放電領域内のギャップに非常に近いところで行うラングミュア(Langmuir)プローブ測定によって測定されるように、荷電粒子密度、ｎe、及び電子温度、Ｔeの合理的な推定値に基づいて、０．００４から０．０１cmの範囲である。通常、ｗは０．０２cmより十分大きいと期待するはずである。
【００６７】
伝導性コーティングが堆積するプロセスでは、アノード放電領域１２０に沿った絶縁リング又はプレートの露出した表面は、伝導性堆積でコーティングされる。この用途では、薄い真空のギャップ又はパージされたギャップ内の深いところのインシュレータの表面は、図３Ｂ及び３Ｃに示すように、コーティングされず、またこのようにして、アノードアセンブリ８０と磁気ポール編１１０及び１１２の間の電気的絶縁が維持される。これらの特定の絶縁ギャップ内のプラズマの形成を妨げることが望ましいため、ギャップの幅は、ギャップの開口部の近傍のプラズマの局所的な放電シースの幅より十分小さいことを期待するはずである。
【００６８】
先行技術のすべてのホール電流イオンソースは、アノード放電領域のために閉じたパスまたはチャネルを使用する。これは、もしホール電流が閉じたパス中に流れることが許されなかったなら発生していた、プラズマビーム中の不均一性又は非対称性を示していた、ホールポテンシャルを避けるために、なされた。図４Ａ及び４Ｂは、以下に示すものを除き、図２に示されたイオンソース７０に示されたものと同じ参照数字を有する要素のすべてを含む、本発明のホール電流イオンソースを示す。図４Ａ及び４Ｂに示す実施形態では、イオンソース１９０は、閉じていないホール効果ドリフト電流パスの形態を有し、ホールポテンシャルの影響を避けるようにユニークに動作している。イオンソース１９０は、図２に示した円形の同等物と同様の断面の特徴を有する直線的なギャップ１９３を形成する直線的なアノード放電領域１９２を有する。ポール片１９４及び１９６は、電流が電磁石２００Ａ及び２００Ｂを通して動かされるとき、磁界１９８を領域１９２を横切って分け与える。こららの同じポール片は、直線的な領域１９２の端で、先端の磁界(magnetic cusp field)を形成するように設計することができる。領域１９２に沿ったホールポテンシャルの非対称効果を除去するために、本発明のこの実施形態は、時間で周期的に磁界１９８の極性を交番又は反転させるための反転手段を使用する。磁界を交番させることにより、領域１９２中の閉じたパスに沿ったホール電流２０４の方向は、周期的に反転する。時間平均した結果は、放電及びプラズマビーム特性が、直線的なアノード放電領域１９２の長さ及び大きさに関して、十分に対称的で均一なホール電流イオンソースである。
【００６９】
磁界１９８を交番させる１つの手段は、周期的な電流波形を供給する、別個の独立した電磁石電流サプライを使用することにより実施される。磁界１９８を交番させる他の手段は、電磁石２００Ａ及び２００Ｂへの放電電流１７０の方向を分配し切り替える周期的な信号が与えられる、図４Ｂに示す電流スイッチング回路２１０である。
【００７０】
本発明のホール電流イオンソースは、特に温度の影響を受けやすい基板の高いパワーの処理のための、イオンビーム処理の丈夫な性能のために必要なようには今まで実施されておらず、教えられていなかったいくつかの特徴を兼備するため、先行技術を超える進歩である。
【００７１】
本発明のホール電流イオンソースは、それは、アノード放電領域を画定する近傍の外側の構成部品に対してシールされた、非放射的に冷却されたアノードアセンブリを有するという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。この囲まれた又はシールされたアノード形態は、非伝導性コーティングの堆積の間、アノードの側面又は背後の表面領域への、活動しているアノード領域の縮小を防止する。逆に、伝導性コーティングが堆積するプロセスで、短絡が他の電気的に活動している表面に発生することを防止する、アノードアセンブリの境界に、薄い絶縁ギャップがある。シールされたアノードの形態は、イオンソース表面からプラズマビーム中へ金属汚染物質がスパッタリングされ得る程度を制限する。更に、シールされたアノードの形態は、アノード放電領域のアセンブリの表面に沿った、イオンソースの内部への、プラズマの形成を防止する。これは次に、イオンソースの内部の内側の、アノードと非アノード金属アセンブリ部品の間の一時的なアークを防止する。
【００７２】
また、本発明のホール電流イオンソースは、アノードを通した、アノード中の少なくとも１つの陰になったギャップの開口部によって、ガスが注入されるという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。このアノードの形態は、ガスを均一にアノード放電領域に分配し、アノードアセンブリ上の導電性表面領域の十分に均一な分配を提供するために働く。陰になったギャップへの高い電流(current flux)密度、陰になったギャップを通るパージする中性ガスのフロー、及び陰になったギャップの構造の組合わせは、製造のために望ましい長時間の間、先行技術の欠点なしに、ホール電流イオンソースを動作させる丈夫な手段を提供する。
【００７３】
本発明のホール電流イオンソースは、加速チャネル中の電磁石及び磁界が、ＡＣ電流ソースにより動かされるイオンソース放電電流に直接動かされ、それに結合するという点で、先行技術とは違い、それを超える改善である。これにより、先行技術では論じられず教えられなかった３つの利点が提供される。（１）デバイスの全体の連続的動作可能な範囲に亘る、イオンソース放電の簡単で即時の点火が可能である。（２）不注意な一時的なアーク又は本質的な不安定性によって、メインの放電電流の放電電流が不注意に中断させられた場合に、アノードへの放電電流のパスに沿ったインピーダンスを減少させるため、磁界の強さが減少する。この迅速な磁界及び放電インピーダンスの減少により、プロセスの中断が無視できる、イオンソース放電の迅速な再点火又は自己調節された回復が可能になる。（３）アノードへ電磁石を接続することによって、２つのアノードへの放電電流を単一のパワーサプライ及び共通のカソードにより動かすこと、及び同時にそれぞれのアノード放電領域へ流れ出すパワーを分割し調節することが可能である。この特性により、広く多様な形態（アノードのアレイ）の複数のホール電流イオンソースのアノードを接続し、それらを少なくとも１つのパワーサプライ又はパワーサプライシステムで動かし、及び複雑な形状の又は大きい面積の表面を処理するために必要なようにアノードのアレイから分配されたプラズマビームの特性を空間的に制御することが可能にされる。
【００７４】
図５は、図２及び３Ａに示したイオンソース７０と同様で、真空フランジ２２０に設置するための形態にされている、円形のホール電流イオンソース２１０を表現する。イオンソース７０と２１０に共通の構成部品のために、図２及び３Ａで使用されているものと同じ参照番号が図５に使用されている。フランジに設置されるイオンソース２１０のための追加の構成部品は、アノードアセンブリ８０をセンターポール２２４から離して保持するための、水冷のセンターポール２２４上のアノードサポートリング２２２及び誘電体ブッシング２２６を含む。Ｏ−リングが、フランジの設置及び真空にするために、アセンブリ８０内に分配される。図５は、どのようにして中空のカソード電子ソースが、イオンソースの水冷の磁性を有するセンターポール２２４中に統合することができるかも示す。中空のカソードは、密封するようにシールされ、電気的に絶縁された、ガスフィードスルー２３０及びＯ−リングシール２３２を有する。
【００７５】
図５に表現されたホール電流イオンソースの装置は、ホール電流イオンソースの前に直接位置させられた、円形の又はディスク形状の基板を処理するときに、特に好都合である。そのような非常な近接では、図２に示すような、プラズマビームに関する非対称的なカソードの配置は、プラズマビームの対称性を混乱させ得る。高い程度のビームの対称性及び均一性を達成するために、図５に示すように、イオンソース２１０の垂直軸上にカソードを位置させることが役に立つ。
【００７６】
図６は、円筒形のアノードアセンブリ８０を有する、本発明のホール電流イオンソース２５０の部分的なカッタウェイ図である。イオンソース７０と２５０で共通な構成部品に対して、図２及び３Ａで使用したものと同じ参照番号が図６で引き続き使用されている。中空のカソード電子ソース７４及びパワーサプライ手段８８が図６に示されていないが、図２及び３に示すように、接続８９をパワーサプライ手段８８に接続することができる。図６の実施形態は、どのようにして、ホール電流イオンソースを、放射方向のプラズマビームを生成するような、幾何学的な形態にすることができるかを示す。そのようなイオンソース又はイオンソースのアレイは、中空の形態、円筒内に、又は樽型の装置内に固定された加工物上に、フィルム及びコーティングを堆積させるために好都合であろう。
【００７７】
更に、当業者は、図２及び３Ａに表現した特徴を実施するが、ユニークな形状の閉じた又は開いたホール効果ドリフト電流パス１７８及びアノード放電領域すなわちチャネル１２０を有する、アノードアセンブリの形態をつくることができる。そのようなチャネルの形状は、図２、３Ａ、５、６及び７に示す閉じた円形のギャップを有する円筒形チャネル、及び図４Ａ及び４Ｂに示す閉じていない直線的なチャネル及びギャップを含む。アノード中のチャネル及び対応するギャップは、楕円、凹の鞍状、凸の鞍状、弓状、又は曲がりくねった形状ともすることができる。
【００７８】
図７は、両方とも図２及び３に示すものと同様の特徴を有し、同じハウジング１００を有する、２つの閉じた同心かつ円形のアノードアセンブリを持つ、本発明のホール電流イオンソース２７０の部分的なカッタウェイ図である。共通の中空のカソードアセンブリは、分離することも、図５のようにイオンソースアセンブリ中に統合することも可能である。２つのアノードアセンブリ２７４及び２７６は、単一のパワーサプライ手段２８０及びスイッチング回路２８２によってパワーが供給される。このスイッチング回路は、アノード２７４と２７６の間に色々な比率で動的に電流（パワー）を分配するために制御することのできる、リレーすなわちソリッドステートトランジスタＳＷ１及びＳＷ２を含む。スイッチングネットワーク２８２は種々のアノードへの電流分配の制御を示す一方、２つの同様のすなわち相補的なスイッチングネットワークは、電磁石のタップの位置を調節するため、及びアノード放電領域２８６及び２８８のいずれかを横切る磁界の強さを変更し、それによりそれぞれのアノードに分配されるパワーを動的に変更するために使用することができるであろう。同様すなわち相補的な制御原理も、フィードライン２９０及び２９２経由でそれぞれのアノードへの給送ガスに適用することができる。更に、電流及び／又は電圧検出及び制御の特徴は、それぞれのアノードに分配されたパワーの不注意なドリフトを制御するために、スイッチングネットワーク内に適合させることができる。単一のアノードを有するホール電流ソースでは達成することができないように、加工物上を均一に処理する又はコーティングを堆積させるため、イオンビーム又はプラズマのプロフィールの大きさ又は構造を動的に変更することが望まれるときに、この特定のホール電流イオンソースの形態及び相補的パワー分配ネットワークは好都合である。
【００７９】
図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、ホール電流イオンソースのアレイ、又はホール電流イオンソースのアノードアセンブリのセットを接続し、それにパワーを与えるために使用される種々の電気回路を説明する。図８Ａは、アノードが並列に、また共通のカソード電子ソースと接続された、（円形又は直線状に配列された、）円形のホール電流イオンソース３００、３０２及び３０４のアレイを示す。図８Ａ〜８Ｃに表現された、閉じたパスのホール電流イオンソースは、図２〜３に示されたものと同様の特徴を有する。しかし、同様のイオンソースのアレイは、図４Ａ、４Ｂ、５、６又は７に示すものを含む、どのような形態の本発明のホール電流イオンソースからも、構成することができたことは理解される。図８Ａでは、パワーサプライ３０５からの電流ＩAが、複数のイオンソースのアノード３０６、３０８及び３１０の間に、分けられて分配される。電流ＩA1、ＩA2及びＩA3は、共通の、自立したカソード３１２に引き出され、パワーサプライ３０５へ戻される。この場合、パワーは、ホール電流イオンソースの間で受動的に分割され、アレイ中のそれぞれのイオンソースのインピーダンスにより自己調節される。
【００８０】
図８Ｂは、加工物３２４の両側を処理するように配置された、図５のものと同様の特徴を有する、２つのホール電流イオンソース３２０及び３２２を説明する。この場合、ホール電流イオンソースは、パワーサプライ３２６及び３２８により独立してパワーが与えられ、またそれぞれは、それらの自立したカソード３３０及び３３２を有する。この２面の(dual-sided)形態は、基板又は固定物３２４の両面を同時に処理又はコーティングする際に特に有用である。
【００８１】
図８Ｃは、広い面積を処理するために工夫された、より複雑なホール電流イオンソースのアレイを示す。それぞれが２つのアノードアセンブリ４０８及び４１０を有する、４つのホール電流イオンソース４００、４０２、４０４、及び４０６は、図７に示したものと同様の特徴を持つ。イオンソースは、２つの別個のパワーサプライ４１２及び４１４、及び２つのプログラム可能な電流スイッチングネットワーク４１６及び４１８によって、パワーが与えられる。更に、それぞれが４つの放電電流パス、ＩA1からＩA4及びＩA5からＩA8をそれぞれ与える、２つの共通の自立したカソード４２０及び４２２がある。図７のイオンソースでは、それぞれのアノード放電領域に送られるパワーは、動的に調節することができる。このようにして、全体のホール電流イオンソースのアレイの空間的な分配は、それの空間的なビーム特性及び出力を合わせるために電気的に調節することができる。同様な電気的な制御体系は、ガスのフロー及び磁界の値も、個々のアノード放電領域の電気的なインピーダンスに大きく影響するために種々のアノード放電領域に関連する、ガスのフロー及び電磁石のタップの位置に適合させることができる。
【００８２】
例
以下の例は、本発明のホール電流イオンソースの好適な実施形態の優れた性能を説明する。この例は、説明の目的のみのためであり、いかなる場合も請求項の範囲を制限する意味を有しない。
【００８３】
これらの例では、すべてのホール電流イオンソースは、以下の共通構成部品を有することが理解される。
(a)堆積真空チャンバ内に配置されたイオンソースハウジング、
(b)アノードアセンブリ、
(c)それのパワーサプライを有する自立したカソード、及び
(d)アノード放電パワーサプライ。
【００８４】
以下の例のすべてで、加工部は堆積チャンバ中にバッチでロードされた。生産の環境では、産業界で周知のロードロックによって、加工部はチャンバ中に連続的にロードすることができることは理解される。
【００８５】
例Ａ及びＢは、本発明のホール電流イオンソース（例Ｂ）と先行技術のそれ（例Ａ）の間の性能を区別するために役立つ、ホール電流イオンソースを説明する。これらの例は、アノード上の自己を陰にするギャップの、可能にする原理を特に実証する。
【００８６】
例Ａ
この先行技術の例は、非伝導性コーティングを堆積させるため先行技術のホール電流イオンソースを使用するときに生じる障害を説明する。この例は、図１Ｂに表現した、従来の空間電荷シースホール電流イオンソースによる問題を特に説明する。
【００８７】
図１Ｂのものと同様のホール電流イオンソースが、公称１２．７cmの直径、１．７５cmの幅の、水冷の、ステンレススチールのアノードで製造された。アノード放電領域は、アノードのエッジとアルミナの円筒の間に０．３cmのギャップを有する内側及び外側のアルミナの円筒によって囲まれていた。アノードは、アノード放電領域の中心に、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）に覆われたバックプレートに取り付けられた隔離絶縁器(standoff)によって、支持された。隔離絶縁器により、アノード放電領域のアスペクト比（Ｌ／Ｗ）を約２にまで調整することができた。この例では、Ｌ／Ｗは、約１に調整された。ガスが、アノードの背後からアノードのエッジの回りに導入された。高温用セラミックブレード(braid)が、セラミックの「ふるい(sieve)」を形成するため０．３cmのギャップで、アノードの内側及び外側の直径の回りを覆った。このふるいは、ある程度均一にアノード放電領域中へガスを分配するために形成された。
【００８８】
ほぼ一定の磁界の強さ、及びアノード面に平行に走る放射方向の力線(field line)を有する磁界が、冷間圧延されたスチールから製作された内側及び外側の円筒形の極によって形成され、アノードアセンブリの背後に配置された単一の電磁石によって動かされた。電磁石は、独立したパワーサプライによって動かされた。直径０．６４cmのステンレススチールの、加熱されたノズルが、堆積の前駆物質(precursor)をプラズマビーム中に導入するために、ソースの軸に沿ってホール電流イオンソースの面から約７．６２cm下流に位置させられた。
【００８９】
要約すると、先行技術のホール電流イオンソースのホール電流イオンソースの例は、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)部分的にシールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、
(b)液冷アノード、
(c)アノードの背後及び回りに給送されたガス、及び
(d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
【００９０】
堆積動作の前に、ソースは、テストの堆積動作のために十分安定であるアルゴン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ2）での安定動作が、問題を生じることなくテストされた。（高いパワーのアルゴン及び酸素での動作では、放電がアノードアセンブリの背後に形成されることになる徴候があった）このテストの前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。
【００９１】
堆積動作をテストするために、ホール電流イオンソースは、ゼロに設定された電磁石電流ＩM、１００sccmのアルゴン、２００sccmの酸素、及び１２Aに設定された放電電流ＩAで動作を開始させられた。点火後、ＩMが１７０ガウス（公称）の磁界を、アノード面のアノード放電領域の中心の直径にかけるように調節された。堆積の前駆蒸気、オクタメチルシクロテトラシロキサン（octamethylcyclotetrasiloxane, ＯＭＣＴＳ）が、次に前駆物質ノズルを通して１０と４０sccmの間の可変の流速で導入され、イオンソースガスが、３００sccmの酸素に調節された。次に真空圧力が、真空チャンバへのポンプのポートのスロットルバルブによって、１．７ミリトール(mTorr)から４ミリトールに増加させられた。最初の放電電圧は１３０Vであり、そして５分間１５７Vに上昇し、その後はイオンソース放電は自分で消えた(self-extinguish)。ＩMをゼロに降下させ、アノードパワーサプライをリセットすることによってイオンソースを再スタートさせるための試みが何度かなされたが、与えられたソースの形態では、イオンソースの放電を数分間以上継続させることはできなかった。
【００９２】
動作後のイオンソースの検査により、アノードの前方の表面が非伝導性の層でコーティングされ、アノードへの放電の継続を中断させていたことが分かった。放電電流が、セラミックのふるいをバイパスし、露出した機械的支持ハードウェアの近傍でコーティングされていないアノードの背面に接触したことも観察された。アノードの背面のこの強烈な放電活動形成は、支持ハードウェアを溶かし、アルミナの円筒に損傷を与えた。
【００９３】
例Ｂ
例Ａに記載したものと同様のホール電流イオンソースが、アノードアセンブリ中のガスマニホルドによって水冷の銅のアノードを通して、及び２０個の均等に間隔を空けた０．０７９cmの直径のピンホールによってアノード面を通して給送ガスが送られるように、改変された。アノードリングの幅の約半分の０．４７８cmの厚さの銅のガス偏向リング(gas deflection ring)が、２０個のピンホールを見通し内の堆積から陰にするためにアノード面に直接設置された。いくつかの小さいステンレススチールのネジが、ガス偏向リングをアノードに設置するために使用された。偏向リングは、ガスを放射方向の外側への方向に偏向させるように工夫された、０．１６cmの高さで０．７１cmの幅の環状のギャップを形成した。アノードのエッジとアルミナの壁部の間に０．３cmの環状のギャップが開いているようにされた。前駆物質ノズルは、軸状でホール電流イオンソースの面から９．５cm下流に位置させられた。
【００９４】
要約すると、本発明のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)部分的にシールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャップ、及び
(d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
【００９５】
堆積動作の前に、ソースはアルゴン及びでの安定した動作のためにテストされた。また、このテストの前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。
【００９６】
ホール電流イオンソースは、ＩM＝０A、１００sccmのアルゴン、ＩA＝１０Aで動作を開始させられた。点火後、ソースは、失敗することなく、ＩA＝６Aで６０分に亘って、２ミリトールで、３００ガウスの磁界で、２００sccmのアノードを通る酸素で、及び前駆物質ノズルを通る６０sccmのＯＭＣＴＳで好結果に動作した。放電電流は、通常約１７６Vであった。より高いアノード電流レベルで短時間動作させるとができたが、陰にするガス偏向リングをアノードの面に設置するために使用した目立つ(high profile)ステンレススチールのネジがオーバーヒートして電流を吸い込み始めたため、連続的には動作させられなかった。意図的にイオンソースの放電を消した後、イオンソースはＩMをほぼ０Aに減少させることによる再スタートさせることができた。
【００９７】
動作後のイオンソースの検査により、アノードの露出した表面及び側面、ガス偏向リング、及びステンレススチールハードウェアは、すべて非伝導性コーティングでコーティングされたことが明らかになった。しかし、アノードの面の陰になったキャップ内のこれらの領域は、ほぼ堆積がなく、伝導性のままであった。不要な拡散的な放電活動がアノードの背面に明らかに存在したが、アノードアセンブリの背面への強い放電活動（すなわちアーク）の形跡はなかった。
【００９８】
軸上で７４cmイオンソースから下流のポリカーボネート、シリコン及び石英の証拠物の標本上に堆積した８μmのコーティングの特性は、Knapp他の第５，５０８，３６８号特許に報告されたものと同様であることが発見された。
【００９９】
例Ｃ及びＤは、アノード放電電流と並列に動かされる電磁石の使用が、どのようにして本発明のホール電流イオンソースの動作領域を拡大し拡張するかを示す。
【０１００】
例Ｃ
本発明及び図２に表現したものと同様のホール電流イオンソースが、アルゴン及び酸素の給送ガスでの安定動作のために製造されテストされた。アノードの直径は公称１２cmであった。イオンソースの面から約１．２７cmに位置する、直径１６．５cmの前駆物質抽入リングが、０．６４インチ（１．６２６cm）の直径のステンレススチールのチューブから構成され、前駆物質をプラズマビーム中に導くための３個の等間隔の０．１８cmの直径の穴がそこに作られた。
【０１０１】
堆積中又は堆積動作の間の機能するような、イオンソースの点火応答を調べるために、イオンソースのアノードは、堆積するモードで動作させることによって「慣らされ(seasoned)」た。この例では、次にイオンソースは、１８０sccmの酸素で、前駆物質抽入リングを通る４５sccmのテトラメチルシクロテトラシロキサン（tetramethylcyclotetrasiloxane, ＴＭＣＴＳ）で、ＩA＝１２Aで、約３０分の期間の間、動作させられた。イオンソースのアノードの慣らし(seasoning)ステップの後、ソースの点火特性が、独立の電流サプライによって動かされる電磁石によりテストされた。電磁石は、アノードサプライ回路から接続を切られ、そして次に、放電電流設定ポイント、ＩAと等しく調節された、電磁石電流設定ポイント、ＩMで、独立したパワーサプライに再接続された。
【０１０２】
要約すると、本発明のこの例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品と含んでいた。
(a)シールされたアノードの、閉じたパスの、放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャップ、及び
(d)独立したＤＣパワーサプライによって制御される電磁石。
【０１０３】
この例では、アノードサプライでの、ピークのアノード電圧レベルは、３００Vに設定された。放電の点火は、アルゴン（１００sccmで、０．７５ミリトールのチャンバ圧力）及び酸素（１８０sccmで、１ミリトールのチャンバ圧力）中で、２、５、１０及び１５AのＩA及びＩM電流の設定ポイントでテストされた。放電は、ＩMを２及び５Aに予め設定したアルゴンのテストケースのためにアノードパワーサプライを作動させるとすぐに点火したことが見つかった。しかし、すべての他の設定ポイントでは、放電の点火はすぐには起きなかったし、また３００Vのアノードサプライの設定ではまったく起きなかった。（同様の状況は、例Ａ及びＢのイオンソースで観察された。）より高いＩM電流レベルの設定の多くに対して、ブレークダウンを開始させ放電を開始させるために必要な閾値アノードポテンシャルを超えるために、３５０と５００Vの間にピークのアノード弁圧設定を増加させる必要があった。いくつかの例では、放電は、より高いアノードサプライ電圧設定で点火したが、安定した定常状態の状況には達せず、放電の低い周波数（０．１〜１Hz）での周期的なオン及びオフの振動を生じた。消えるとき、ブレークダウンのための閾値アノードポテンシャルを減少させて放電を再点火させるために、ＩMを０A近くに減少させることが必要となった。
【０１０４】
いくつかの例では、この例のホール電流イオンソースは、図２及び３に表現したイオンソースアセンブリから、インシュレータ１５２又は１５０を除くことによって引き起こされる、「スパーク」又は「アーク火花(arclet)」の影響を非常に受けやすかった。これらの２から２０ミリ秒のスパーク又はアーク火花は、アノード放電領域の近傍の磁性極片の付近で発生し、アノード放電領域中から接地付近のポテンシャルへ、実際上ショートさせた。これらの一時的な事象は、しばしば、放電の自己停止を一緒に引き起こした。少数の他の例では、イオンソースは、高い強度の周期的な放電電流の振動（５から２０kHzで、２から約８Ap-p）を示す、それ自身の非線形特性の影響を受けやすいように見えた。イオンソースは、そのような大きい電流振動が存在したとき、ときどき自己停止した。
【０１０５】
例Ｄ
例Ｃで説明したホール電流イオンソースの電磁石が、いつでもＩMがＩAと等しいように、図２に示すようにアノード放電領域と直列に電磁石と再接続された。
【０１０６】
要約すれば、本発明のこの例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノードを通したガスの入口の領域でのアノード上の自己を陰にするギャップ、及び
(d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１０７】
この例では、アノードサプライでのピークのアノード電圧レベルは、３００Vに設定された。アノードの放電の点火は、アルゴン（１００sccmで、０．７５ミリトールのチャンバ圧力）及び酸素（１８０sccmで、１ミリトールのチャンバ圧力）中で、２、５、１０及び１５AのＩAの電流の設定ポイントでテストされた。すべてのテストの場合で、放電は、アノードパワーサプライを作動させた後、簡単にかつ即座に点火した。アノード閾値電圧は、典型的には１２０から２００Vの範囲であった。この形態では、不要で能力を損なう、低い周波数のオン及びオフの振動及び例Ｃで言及した停止の過程は、アーク火花及び高い電流ノイズが誘導又は観察されたときでさえ、見られなかった。
【０１０８】
例Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩは、特に、囲まれた又はシールされたアノード放電領域及びアノード中の陰になったギャップを通して作動ガスを導入する手段に関連するときの本発明の好適な方法に従った、本発明の好適な実施形態のホール電流イオンソースの優れた性能を説明する。
【０１０９】
例Ｅ
図２に表現され、例Ｄで説明した、ホール電流イオンソースが、インシュレータ１５２及びガス接続１３２を除くことにより、本発明の範囲外のイオンソースをもたらすように改変された。これにより、ガスは、アノードの背面から、部品１１２と１２８の間で、アノード放電領域１２０中に導入された。
【０１１０】
要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)シールされていない、閉じたパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノードの背後及び回りから給送されたガス、及び
(d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１１１】
堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させられた。放電ポテンシャルは、１２０と１４３Vの間で変化した。
【０１１２】
５０分の堆積期間の間に、数回の失敗が発生した。アノードがコーティングされたにつれて、アノード表面の活動している部分は、部品１１２及び１２８によって画定されるギャップの間のアノードの外側のエッジまで縮小し、それによりギャップ中に強い放電活動が強いられた。接地したアウターポール１１２とアウターアノードリング１２８の間に集中させられたようなアーク火花も、段々頻繁に（１秒あたり数回のアーク火花）になった。この望ましくない、イオンソースの内部領域への放電及びプラズマ活動の移動は、他の問題を引き起こした。アーク活動は、アウターポール１１２の下面から金属をスパッタリングし、アノードリング１２８の表面に溶けたスポットを形成させた。損傷は、イオンソースの内部にも広がった。例えば、電気接続１４６は変色し、アノード給送電線の誘電体シールドは溶けて、アノードの電線を露出していた。この接合の回りに明らかに形成されていた酸素プラズマによって、電線は腐食されていた。
【０１１３】
例Ｆ
図２に表現され、例Ｄで説明されたホール電流イオンソースが、アウターアノードリング１２８を、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴を持たず、本発明の好適な方法に従わずに２０個のピンホール１３６をアノード放電領域１２０に直接露出したものと置き換えることによって、改変された。更にこの例では、２０個のピンホールのうち１９個がシールされた。これにより、ガスは、１つだけの穴を通してアノード中に導入された。
【０１１４】
要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノード表面を通して１つの露出した入口のポイントで給送されたガス、及び
(d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１１５】
堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させられた。
【０１１６】
実験の全体を通して、アノードでの放電電流は、単一の開いたピンホールの回りのガスの柱(plume)に集中した。放電電流は、環状のアノード放電領域を均一には満たさず、比較的短い投射距離（１０から３０cm）に位置させられた静止した加工物をコーティングするためには有用ではなかった。動作の最初の１５分間、放電電圧は、アノードがコーティングされて活動するアノード領域がピンポール近傍の領域に縮小するにつれて、９２から１１７Vに上昇した。その後すぐに放電電圧は１００Vに降下し、明るいグローが、単一のピンホールの近傍のアノード表面に観察された。
【０１１７】
２７分後、実験を停止し、アノードを検査した。アノード放電領域に露出したすべての表面は、アノード表面が単一のピンホールから数ミリメータ溶けて、電子ドリフトの時計まわりの方向にオフセットした局所的なスポットを除いて、非伝導性の層でコーティングされた。導電性のスポットは、明らかに、ガス給送の近傍の狭い領域に集中した強い電子接触電流密度（約３０から６０A/cm2）によるアノード表面の過度の加熱によって引き起こされた。そのような溶解は、アノードアセンブリを損傷し、プラズマビーム中に不要な気化した金属を注入したであろう。この例は、アノード放電領域の回りに均一に分配される、アノードのより広い活動している表面領域に、放電電流密度を分配する必要を説明する。
【０１１８】
例Ｇ
図２に表現され、例Ｄで説明されたホール電流イオンソースが、アウターアノードリング１２８を、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴を持たず、ピンホール１３６をアノード放電領域１２０に直接露出したリングと置き換えることによって、改変された。この例では、すべての２０個のピンホールが、好適な実施形態に従って開いたままにされた。これにより、ガスは、１つだけの穴を通してアノード中に導入された。
【０１１９】
要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)シールされた、閉じたパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノード表面を通して、いくつか（２０個）の露出した、均等に分配された入口のポイントで給送されたガス、及び
(d)アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１２０】
堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１０Aで動作させられた。
【０１２１】
この実験中、放電電圧は最初１００Vで、そして迅速に増大した。堆積動作の数分内に、強い、輝く放電の柱が２０個のピンホールのそれぞれの付近に形成され、放電ポテンシャルは１８０Vに増大した。４分間内に放電ポテンシャルは２００Vを超え、イオンソースアセンブリの内側で背後に、電磁石及びアノードへの電気接続に沿って、アークが発生し始めた。５分で、堆積の実験は、アークの問題のために終了した。その後、何度か、アルゴン及び酸素中でイオンソースを再点火しようとしたが、ほとんど成功しなかった。
【０１２２】
それに続いてイオンソースを検査すると、アノード放電領域に露出したアノードの全体の表面が、２０個のピンホールの内側の表面を除いて、非伝導性の層でコーティングされていることが分かった。２０個のピンホールの付近の、活動しているアノード領域の総体は非常に狭いので、放電電流を維持するために必要なアノードポテンシャルは、イオンソースアセンブリの内部の構成部品の設計限界を超えた。この例は、アノードを通る、露出した、複数のガス注入手段は、故障しやすく、本発明の好適な実施形態の陰になったギャップの特徴なしに非伝導性コーティングを堆積させるときに損傷させることがあることを実証する。
【０１２３】
例Ｈ
図２に表現され、例Ｄに説明したホール電流イオンソースが、本発明の好適な実施形態に従って、アルゴン及び酸素での安定動作が、問題を生じることなくテストされた。堆積動作の前に、アノードはすべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。次に、イオンソースは、イオンソースを通る１８０sccmの酸素で、前駆物質注入リングを通る４５sccmのＴＭＣＴＳで、及びＩA＝１２Aで動作させられた。放電ポテンシャルは、１０６Vからほぼ定常状態の値である１７０Vに、３０分の堆積期間にわたって上昇した。例Ｄのように、イオンソースは、堆積期間の全体にわたって、完全に、中断なしに動作した。
【０１２４】
例Ｉ
図２に表現され、例Ｄに説明したタイプのホール電流イオンソースが、同じ真空チャンバ中に取り付けられ、約３０cm離された。それぞれのイオンソースは、それの中空のカソード電子ソース(hollow cathode electron source, ＨＣＥＳ)及びアノードパワーサプライによって動かされる。この例では、堆積の前駆物質は、例Ｂに説明したように、液体供給システムによって、２つの加熱されたノズルを通して導入される。堆積動作の前に、両方のイオンソースのアノードは、すべての非伝導性コーティングがクリーニングで除去された。イオンソースは、それぞれイオンソースを通る２３０sccmの酸素で、それぞれの加熱された気化器及び前駆物質ノズルを通る１５グラム／時間のＯＭＣＴＳの液体（約４５sccmのＯＭＣＴＳ蒸気）で、及びＩA＝１２Aで一緒に動作させられた。堆積動作の最初の４５分内に、それぞれのイオンソースの放電ポテンシャルは、ほぼ定常状態のレベルの１７９及び１６６Vに上昇した。イオンソースは、２１．５時間の堆積期間の全体にわたって完全に動作し続け、その後その実験は意図的に終了させられた。最終の放電ポテンシャルは、それぞれ１８７及び１７９Vであった。
【０１２５】
例Ｊは、アノード放電領域のアレイを含む本発明のホール電流イオンソースを形成するために、共通のパワーサプライに及び少なくとも１つのＨＣＥＳに並列に接続された２以上のアノードの使用を説明する。
【０１２６】
例Ｊ
図２に表現され、例Ｄに説明したタイプのホール電流イオンソースが、同じ真空チャンバ中に、お互いに接近して（それぞれのイオンソースアセンブリのアウターエッジの間が約２０cmの間隔を空けて）取り付けられた。単一のアノードサプライが、それぞれのイオンソースの電磁石に結ばれ、それは次にそれらのそれぞれのアノードに接続された。アノードサプライの帰路は、２つのイオンソースの間に物理的に配置された単一のＨＣＥＳに接続された。この形態では、アノード電流は、共通のＨＣＥＳへの帰路と並列に動作した。電磁石は、放電システムがＨＣＥＳに関して対称に見えるように、それぞれのアノードについての時計回り及び反時計回りの対向する電子ドリフトを形成するように配線された。
【０１２７】
２つのイオンソースシステムは、１２５sccmそして７５sccmのそれぞれのイオンソースへのアルゴンの流量で、及び５、１０、１５、及び２０Aの（２つのアノード間で分割した）総計の放電電流レベルで動作させられた。これらの状況では、両方のイオンソースのための放電電圧は、５４から７７Vの範囲であった。それぞれのアノードへの電流は、調査したすべての電流範囲で１５％の差の内に入るように分割された。２つのイオンソースのいずれかへの、ガスの流量あるいは電磁石の電流のターンのいずれかを調節することにより、並列に動作しているアノードへ送られる放電電流又はパワーの不均衡を補償することができることが確認された。
【０１２８】
例Ｋ及びＬは、本発明の閉じていないドリフトパスのホール電流イオンソース及びそのようなイオンソースを周期的に交番する磁界の使用を通じて動作させる手段を実証する。
【０１２９】
例Ｋ
図２に表現され、例Ｄに説明したタイプのホール電流イオンソースが、アノード放電領域の環状部の半分を、窒化ホウ素のインシュレータプレート及び端部によって遮断することにより改変された。２０個のピンホールの内、窒化ホウ素インシュレータの後方の１０個も遮断された。この形態で、半円形の、閉じていない電子ドリフトホール電流イオンソースがテストのために形成された。
【０１３０】
要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)シールされた、閉じていないパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノードを通した、ガスの入口領域の、自己を陰にするアノード上のギャップ、及び
(d)電磁石を通じた電流の周期的な交番のない、アノードからカソードへの放電電流によって動かされる電磁石。
【０１３１】
これらのテストの前に、イオンソースのアノードは、例Ｃで説明したように非伝導性の層で慣らされた(seasoned)。
【０１３２】
最初のテストは、閉じていないドリフトパスのイオンソースが、それの閉じたドリフトパスの同等品より点火しにくいことを示した。グロー放電がアノード放電領域中に形成された後に、グローは、電子ドリフトの方向に、目に見えるように時計回りに円運動をし、そしてしばしばドリフトパスの末端で素早く消えた。放電が維持された場合、グロー放電は、１つの側で薄暗く、時計回りの電子ドリフトの方向に明るさが増大していた。非対称的なグローは、電子ドリフト及びアノード放電領域に沿ったホールポテンシャルの始まりを示していた。
【０１３３】
例Ｌ
例Ｋで説明されたホール電流イオンソースが、電磁石をアノードサプライ回路から分離し、独立したＡＣ（６０Hz）パワーサプライに再接続することにより改変された。これにより、磁界及び電子ドリフトの両方の方向が、アノード放電電流と独立して、周期的に方向が変化させられた。
【０１３４】
要約すると、この例のホール電流イオンソースは、以下の追加の構成部品を含んでいた。
(a)シールされた、閉じていないパスの、アノード放電領域、
(b)液冷のアノード、
(c)アノードを通した、ガスの入口領域の、自己を陰にするアノード上のギャップ、及び
(d)周期的な交番電流により動かされる電磁石。
【０１３５】
例Ｋで説明したイオンソースの形態と対照的に、周期的に反転する磁界を有する閉じていないドリフトパスのイオンソースは、点火及び維持が、はるかに簡単であった。これは、２倍のＡＣ磁界の周期で、放電の点火のための磁界及び閾値電圧が最小にされ、簡単な点火又は約８３ミリ秒毎の周期的な再点火が可能になったという事実に、部分的に起因する。アノード放電領域に沿ったグロー放電の目に見える出現も均一であり、またそれは、ドリフトパスに沿った時間平均されたホールポテンシャルが、ならされたか、あるいはホール電流イオンソースの形状及び大きさに関して対称的にされたかのいずれかであったことを示す。
【０１３６】
本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の用途及び状況に適合させるために、当業者は本発明に種々の変更及び改変を行うことができる。そのようなこれらの変更及び改変は、正当に、公正に、添付の請求項の均等物の最大範囲内であり、またそのように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  延長チャネルタイプ（Ｌ／Ｗ＞１）ホール電流イオンソースの断面の線図である。
【図１Ｂ】  空間電荷シース(space-charge sheath)タイプ（Ｌ／Ｗ＜１）ホール電流イオンソースの断面の線図である。
【図１Ｃ】  端で分岐する(end-divergent)磁界のタイプのホール電流イオンソースの断面の線図である。
【図２】  真空中での設置のための、閉じたアノード放電領域及び自立したカソードを有する円形のホール電流イオンソースアセンブリを含む本発明のイオンソース装置の１つの実施形態の、４分の１の断面を有する等角図である。
【図３Ａ】  物理的挙動を示す、図２に示したイオンソース装置の断面の線図である。
【図３Ｂ】  図３Ａに示したホール電流イオンソースアセンブリのそれぞれの交流アノード放電領域の断面の詳細を示す図である。
【図３Ｃ】  図３Ａに示したホール電流イオンソースアセンブリのそれぞれの交流アノード放電領域の断面の詳細を示す図である。
【図４Ａ】  閉じていないアノード放電領域を有する、直線的なホール電流イオンソースアセンブリを含む、本発明のイオンソース装置の他の実施形態の、部分的断面を示す等角図である。
【図４Ｂ】  物理的挙動を示す、図４Ａに示した直線的なホール電流イオンソースアセンブリの断面の線図である。
【図５】  直線的なホール電流イオンソース及び真空フランジ設置のために工夫された、直線的なホール電流イオンソース及び自立したカソードを含む、本発明のイオンソース装置の他の実施形態の、断面の線図である。
【図６】  放射方向のプラズマビームを発生させるための円筒形のアノードアセンブリを有するホール電流イオンソースを含む本発明のイオンソース装置の実施形態の、部分的断面を示す等角図である。
【図７】  複数の同心のアノードアセンブリ及び自立したカソードを有するホール電流イオンソースを含む本発明のイオンソース装置の実施形態の、部分的断面を示す等角図である。
【図８Ａ】  ホール電流イオンソースのアレイ又は本発明のホール電流イオンソースアノードアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路の概略図である。
【図８Ｂ】  ホール電流イオンソースのアレイ又は本発明のホール電流イオンソースアノードアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路の概略図である。
【図８Ｃ】  ホール電流イオンソースのアレイ又は本発明のホール電流イオンソースアノードアセンブリの一組に接続してパワーを与えるために使用される種々の電気回路の概略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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