(57)【要約】プラズマ源はバイポーラ交流電源（５）に接続される二つのホローカソード形態（１，２）からなる構成を備える。バイポーラ交流電源が交互に１つのホローカソードを負の電圧に駆動する間、反対側のホローカソードが正の電圧に駆動される。二つのホローカソード形態の一方が負に駆動されると、ホローカソード放電が対応する空洞内に形成される。他方のカソードはアノードを形成し、電子をプラズマから逃がして他方側に移動させて電気回路を作る。このように形成されたプラズマ発生器を噴散セルの熱源として用い、反応ガスからプラズマを形成すか、あるいは真空蒸着源とコーティングされる基板との間にあるガスの反応性を高めることができる。【選択図】図１
2004533703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のホローカソード構成体および第二のホローカソード構成体と、
前記ホローカソード構成体の各々に接続され、前記ホローカソード構成体の各々一方が他方の電圧に対して十分マイナスである負電圧を前記ホローカソード構成体の各々に交互に印加してプラズマを生成させるよう配置された交流電源とからなり、
前記負電圧が第一のホローカソード構成体に印加されてプラズマがそこに生成される際、第二のホローカソード構成体が該二つのホローカソード構成体の第一の方から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして電源と電気回路を作るように前記交流電源が配置されると共に、
第一のホローカソード構成体に印加される電圧の極性が反転するともう１つ他のプラズマが第二のホローカソード構成体に生じ、第一のホローカソード構成体が第二のホローカソード構成体から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして再び電源と電気回路を作るプラズマ源。
【請求項２】
前記ホローカソード構成体は、対称的な円筒形状の開口が中に形成された導電性構成体の形をとり、該円筒形状の開口が互いに向き合っている請求項１記載のプラズマ源。
【請求項３】
前記ホローカソード構成体は互いに向き合う面に沿って広がる溝の形をとる請求項１記載のプラズマ源。
【請求項４】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する中間周波数発生器である請求項１記載のプラズマ源。
【請求項５】
前記プラズマがホローカソード型のプラズマ放電の形をとる請求項１記載のプラズマ源。
【請求項６】
前記ホローカソード構成体が絶縁不要である請求項１記載のプラズマ源。
【請求項７】
前記プラズマ源が熱源としての機能を果たす請求項１記載のプラズマ源。
【請求項８】
前記第一および第二のホローカソード構成体が噴散源の蓋の出口の両側に位置し、それによって前記プラズマ源が熱を供給して前記噴散源からの気体の反応性を増すのに役立つ請求項７記載のプラズマ源。
【請求項９】
前記プラズマ源が真空蒸着源と基板との間に位置し、ガスをプラズマに変えるよう配置されてガスの反応性を増す請求項１記載のプラズマ源。
【請求項１０】
前記第一および第二のホローカソード構成体がそれらの間に広がる容積を規定する出口またはスロットを備えると共に、前記スロット間の電子の通路と平行に磁場を作るように配置された磁石をさらに備え、前記電子が前記磁石間の容積内の通路に閉じ込められる請求項９記載のプラズマ源。
【請求項１１】
前記第一および第二のホローカソード構成体が出口またはスロットを備えると共に、前記スロット間の電子の通路と平行に磁場を作るように配置された磁石をさらに備え、前記電子が前記磁石間の通路に閉じ込められる請求項１記載のプラズマ源。
【請求項１２】
前記通路が前記出口またはスロット間に広がる直線または平面に限定される請求項１１記載のプラズマ源。
【請求項１３】
前記通路が前記ホローカソード構成体間に広がり前記磁石によって範囲が規定される曲線に沿う請求項１１記載のプラズマ源。
【請求項１４】
第一および第二のホローカソード構成体を用意し、乖離電圧がこれら構成体に印加される際に自由電子がこれら構成体間を通過できるように配置するステップと、
電源が最初に第一のホローカソード形態を負電圧に駆動してプラズマを形成させる一方、電圧印加回路のアノードとしての機能を果たすべく第二のホローカソード形態が正の電圧に駆動され、次いで、第一のホローカソード形態を正の電圧に駆動し、プラズマ発生器およびアノードの役割を逆転させるように交流電流をこれらホローカソード構成体に印加することにより乖離電圧を第一および第二のホローカソード構成体に印加するステップとからなるプラズマ生成方法。
【請求項１５】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する発生器である請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
電圧を印加しプラズマを生成する前記ステップは、熱イオン放出を生じないようにするために前記ホローカソード構成体を十分冷やした状態に維持しながら標準モードで実施される請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
電圧を印加しプラズマを生成する前記ステップは、前記第一および第二のホローカソード構成体それぞれを加熱しながら熱電子モードで実施される請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
電圧を印加しプラズマを生成する前記ステップが噴散源の出口付近に位置するホローカソード間で行われ、前記プラズマが前記噴散源からの気体を加熱および、または気体の反応性を増すことに役立つ請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記ホローカソード構成体間の電子の通路付近でその通路と平行に磁場を生成して前記電子を前記ホローカソード構成体間に広がる通路に閉じ込めるステップをさらに備える請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
気体が噴散セルから抜け出る出口を有する蓋を備えた噴散セルと、
前記噴散セルの熱源としての機能を果たすプラズマ発生器とからなる噴散源。
【請求項２１】
前記プラズマ発生器は、
前記出口の一方の辺に沿って伸びる第一のホローカソード構成体および前記出口の反対側の辺に沿って伸びる第二のホローカソード構成体と、
プラズマ生成に十分な負電圧を前記ホローカソード構成体の各々に交互に印加するように前記ホローカソード構成体の各々に接続される交流電源とからなり、
前記負電圧が第一のホローカソード構成体に印加されてプラズマがそこに生成される際、第二のホローカソード構成体が該二つのホローカソード構成体の第一の方から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして電源と電気回路を作るように前記交流電源が配置され、
第一のホローカソード構成体に印加される電圧の極性が反転すると、もう１つ他のプラズマが第二のホローカソード構成体に生じ、第一のホローカソード構成体が第二のホローカソード構成体から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして再び電源と電気回路を作ると共に、
前記プラズマが前記出口から抜け出る気体の熱源としての機能を果たす請求項２０記載の噴散源。
【請求項２２】
前記ホローカソード構成体は互いに向き合う面に沿って広がる溝の形をとる請求項２１記載の噴散源。
【請求項２３】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する中間周波数発生器である請求項２１記載の噴散源。
【請求項２４】
前記プラズマが前記セル中の蒸発物質の熱源として機能する請求項２０記載の噴散源。
【請求項２５】
前記プラズマが、前記熱を前記蒸発物質に伝えて前記蒸発物質の反応性を増す構成体の熱源として機能する請求項２０記載の噴散源。
【請求項２６】
第一の溝を有する第一のホローカソード構成体および上記第一溝に面しかつこれと平行な第二の溝を有する第二のホローカソード構成体と、
プラズマ生成に十分な負電圧を前記ホローカソード構成体の各々に交互に印加するように前記ホローカソード構成体の各々に接続される交流電源と、
前記各溝の各々の側にある磁気構成体とからなり、
前記負電圧が第一のホローカソード構成体に印加されてプラズマがそこに生成される際、第二のホローカソード構成体が該二つのホローカソード構成体の第一の方から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして電源と電気回路を作るように前記交流電源が配置され、
第一のホローカソード構成体に印加される電圧の極性が反転するともう１つ他のプラズマが第二のホローカソード構成体に生じ、第一のホローカソード構成体が第二のホローカソード構成体から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして再び電源と電気回路を作ると共に、
前記磁気構成体が前記電子を前記溝間に広がる通路に閉じ込める磁場を生成するプラズマシート源。
【請求項２７】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する中間周波数発生器である請求項２６記載のプラズマシート源。
【請求項２８】
前記通路が前記スロット間に広がる平面に限定される請求項２６記載のプラズマシート源。
【請求項２９】
前記通路が前記ホローカソード構成体間に広がり前記磁場によって範囲が規定される曲線に沿う請求項２６記載のプラズマシート源。
【請求項３０】
前記プラズマシート源が真空蒸着源と基板との間に位置し、ガスをプラズマに変えるよう配置されてガスの反応性を増す請求項２６記載のプラズマシート源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にプラズマ源に関し、特に、二つのホローカソード（中空陰極）から構成され、均一なプラズマを生成するために、該二つのホローカソードを相反する正・負の電圧に駆動するバイポーラ交流信号が印加されるバイポーラプラズマ源に関するものである。
【０００２】
また、本発明は、均一なプラズマを生成するために、二つのホローカソード構成体にバイポーラ交流信号を印加してプラズマを生成する方法に関するものである。
本発明のバイポーラプラズマ源の用途は以下のものを含む。（ｉ）バイポーラ電源によって作動する二つの相反するホローカソード内で生成されたプラズマによって、蒸発物質の蒸発に用いられる熱が直接または間接的に供給される噴散セル。ここで、ホローカソードは、気体が噴散セルから出る出口付近の噴散セル蓋の中にある。（ｉｉ）バイポーラ電源によって作動する二つの相反するホローカソードのスロットによってプラズマが生成されるプラズマシート源。ここで、プラズマは、電界の向きの線と並行に走る磁力線によって閉じ込められており、また、プラズマシート源は、真空蒸着源とコーティングされる基板との間にあるガスを活性化するのに適している。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、広域面積上へエネルギーまたは熱を均一に供給することが求められるプロセスにおいて、プラズマを熱またはエネルギー源として利用することを可能にするために、より均一で安定したプラズマの供給を追及するものである。本発明のプラズマ源および方法が適用できるプロセスは真空蒸着等のコーティングプロセスを含み、ここでプラズマは、噴散セル内の蒸発物質の熱源として、および、または真空蒸着源とコーティングされる基板との間にあるガスにエネルギーを供給するために利用される。
【０００４】
Ａ．ホローカソードプラズマ生成に関する背景
本発明は、ホローカソードプラズマ生成として知られた従来のプラズマ生成方法に変形を加えたものを用いて、例えば、噴散セル内の蒸発物質の効率的な加熱や反応物の均一な活性化を要する用途に必要な安定で均一なプラズマを得るものである。マグネトロンスパッタリングを含み、閉路プラズマ形態を有する密閉ドリフトイオン源を用いて均一なプラズマが生成されてきたが、そのようなソースは大型で従来の真空蒸着あるいはスパッタ装置での使用に即座に適応できるものではない。一方、従来のホローカソードプラズマ装置は簡便、小型で能率が良いが、ホローカソードプラズマ発生器を用いて広域の長さ寸法にわたって安定で均一なプラズマを生成するのは今まで不可能であった。このように、ホローカソードプラズマ発生器をコーティングプロセスの熱またはエネルギー源として用いるのには限界があった。
【０００５】
ホローカソードは、単に導電材料中の開口すなわちスロットの形をとる空洞である。そして、電圧を導電材料に印加すると、印加電圧がその開口すなわちスロットの中に含まれるガスに電子を生じ、印加電圧からエネルギーを得て最終的にプラズマを形成する。
【０００６】
プラズマ形成における主要なパラメータには、ホローカソードを形成する開口すなわちスロットに含まれるガスの物質および圧力、開口又はスロットの形状および寸法、開口すなわちスロットの範囲を規定する壁の材質が含まれる。また、放電を維持するのに必要な円筒形状の開口の内径、又はスロットの幅はガス圧によって決まり、プラズマ用の理想的な空洞の大きさは圧力に反比例するので、動作圧力が高ければ高いほど空洞は小さくなる。通常の空洞径、すなわちスロット幅は、常圧から１０４トール領域に下げて動作する装置が提案されており、本発明の範囲内に含まれるものであるが、１０−１から１０−３トールの範囲のガス圧で1ｍｍから3ｍｍ程度である。
【０００７】
上述のパラメータにもよるが、表面への物質輸送用としてカソード壁からのものも含めた物質の移動を伴う蒸着用途と共に、クリーニング、エッチングおよび表面上あるいは表面内に含まれる化合物の活性化等の表面処理用途のためのプラズマ形成に必要なエネルギー伝達に基く用途も含め、開口すなわちスロットに形成されるプラズマは多種多様な産業用途に用いることができる。プラズマ成分はホローカソードから輸送され、電場またはその他の輸送現象によってノズルを介して加速されるか、あるいは電子のイオンとの再結合によるプラズマ形成の直後にエネルギーを失うようにしてもよい。
【０００８】
ホローカソードプラズマ形成手法は公知であり、長年にわたって成功裡に利用されてきたが、ホローカソードプラズマ形成手法を用いて広域面積をカバーするプラズマを形成することは難しい。それに加え、ホローカソードプラズマ形成手法は、電子が気体によって汚染される一部の用途において欠点がある。
【０００９】
広域な長さ寸法をカバーするプラズマを生成する従来の方法は、一般的な導電構成に電圧を印加するための多数のホローカソードアレイを形成するものである。理想的には、開口すなわちスロットが均一寸法からなるなら、各カソードは同一量および、または同一密度のプラズマを同時に生成し、その結果広域面積上に比較的均一なプラズマを形成することになる。しかしながら、理想的な状況下にあっても、プラズマを形成するホローカソードアレイ方法は多くの問題を来している。
【００１０】
・第一に、アレイ中のカソードの離散的性質により、そのようなアレイによって形成されるプラズマを完全に均質にすることはできない。
・第二に、カソードが全て同時に点灯しない限り、一部のカソードの点火が他のカソード部分の電圧降下を引き起こしてそれらの点火を妨げる可能性があり、各穴を均一に点火状態にするのを極めて困難にするという問題が生じる。
・第三に、実際の応用例においては、カソード壁が汚染されるようになり、印加電圧によってカソード内に生成される場に変化を生じる。
【００１１】
離散的カソードアレイにおいて生成されるプラズマの本来非均一な性質、および汚染に起因するものを含めた開口の電気特性の相違による影響を相殺する一つの方法は、プラズマ形成に続いてプラズマをよりむらなく広げるように磁場を用いることである。この目的に用いられる磁場は、プラズマの生成に続く特定用途のためにプラズマを操作、制御するのに利用される磁場や電場とは別のものであるが、それゆえ装置の複雑度を増すことになる。さらに、広域面積、すなわちビーム長にわたって制御できない場合もある。
【００１２】
本願は、スパッタ成膜間に物質の堆積を防ぐのに用いられるのと類似した手法を利用することにより、すなわち、交流電流が交互に印加される二つのマグネトロンを用い、交流電流のプラス周期でプラズマ源から汚染物質を放出してプラズマの不安定性および非均一性の問題を回避する。スパッタ成膜の場合、この手法がデュアルマグネトロン、又は交互に励起されるカソードを用いるのに対し、本発明はホローカソードを用いる。
【００１３】
ホローカソードプラズマ形成の間に一対のカソードに交流電圧を印加することの効果は、（偶然のアーク放電等）カソードにおける汚染物質形成の影響を低減するのみならず、以外にも長さ方向の広域面積にわたってプラズマの均一性を増すことになり、無限の長さ寸法を有するプラズマ形成を可能にする。以下に説明するようにして配置されるホローカソードの各々が従来のホローカソードと同一だとしても、該従来のホローカソードは、均一性を高めるよう磁場が加えられる場合であっても、本発明によって得られるような広域距離にわたり均一なプラズマを生成するものではない。さらに、従来のホローカソード配列とは対照的に、本発明は同じく以下に説明するように「標準」プラズマと熱イオンプラズマの双方の形成を可能にする。
【００１４】
上記したように、プラズマの安定性と均一性は多くの産業用途に欠くことのできないもので、プラズマの均一性すなわち線形性を向上させるべく従来幾多の試みがなされてきた。プラズマホローカソード手法によって作り出されたプラズマの均一性を向上させるか、あるいはホローカソードアレイを用いて広域面積上にプラズマを生成することを対象にした背景技術特許の例としては、High Density Plasma Sourcesと題された出版物（Noyes Publications刊、４１３−４１８頁）やSurface Coatings and TechnologyのMulti-jet Hollow Cathode Discharge for Remote Polymer Deposition"と題された出版物（１９９７年度vol.９３、１２８−１３３頁）に加え、米国特許第５，９０８，６０２号、第５，２１７，７６１号および第５，６２７，４３５号が挙げられる。一方、プラズマに類似しているが自由電子を欠いたイオンビームの均一性を向上することを対象にした装置や手法については米国特許第６，００２，２０８号、第５，７６３，９８９号、第５，３５９，２５８号および第４，８６２，０３２号に開示され、マグネトロンを用いたスパッタ成膜配列に関しては米国特許第５，９４４，９６７号および５，８９７，７５３に開示あるいは論じられている。一般論としてのホローカソードやプラズマ生成手法に関する補足背景は、米国特許第６，０６４，１５６号、第６，０３７，７１７号、第５，９６９，４７０号、第５，９３９，８２９号、第５，９３８，８５４号、５，９１７，２８６号、第５，４５７，２９８号、第５，４１４，３２４号、第５，４３７，７７８号、第５，３８７，８４２号、第５，２４１，２４３号、第５，０７５，２４３号および第５，０７５，５９４号から得られる。
【００１５】
上記特許および文献に記載された線形プラズマあるいはイオン源のいずれもが、本発明によって提供されるのと同様に均一な連続プラズマの生成をもたらすものではなく、また、そこに記載された線形プラズマあるいはイオン源のほとんどが本発明のものよりかなり複雑なものである。例外として小さなプラズマ源の単純なアレイ構成のものもあるが、それらは上述の通り不連続であり、全ての穴でプラズマ強度を等しくすることに問題がある。
【００１６】
Ｂ．プラズマシート生成に関する背景
本発明のプラズマ発生器の一応用例は、真空蒸着源から放出されたシリコン、チタニウム、あるいはその他金属の酸化物や窒化物を形成するのに用いられる酸素や窒素等反応ガスの反応性を増すためのエネルギー源としてのものである。一般的に、そのようなコーティングプロセスにおいては、金属源と基板との間の空間に反応性ガスが導入される。金属原子が基板に影響を及ぼすにつれ、反応性ガスの原子も表面に居合わせており、化学反応が起こり金属化合物皮膜を作り出す。反応熱は基板の原子によって吸収されるので、金属原子および反応ガス原子は結合した状態のままでいられる。
【００１７】
金属および反応性ガス間の反応速度を高め、それによって完全に酸化した化合物、すなわち化学量論的化合物を確保するために、反応性ガスをプラズマに変えるという条件において、そのガスのエネルギーレベル、又はその反応性を一桁以上高くしてもよい。その結果として分離した形の反応性ガス分子、さらに大きな軌道に電子を有する中性ガス原子あるいは分子、そしてガスイオンは全てその基底状態の時よりも反応が早く、これら活性化された化学種の基底状態のガス原子に対する比率が高ければ高いほど、プラズマの反応はより早くなる。
【００１８】
高分子ウェブやガラス等、大きな面積のスパッタリングや真空蒸着のためには、通常蒸着層の均一性が重要となる。多くの場合、基板の幅全体に必要な厚さ寸法、層形態、あるいは層の酸化状態は±２％以内に維持されなければならない。プラズマを使ったプロセスにおいてこれら必要条件を満たすために、皮膜源からの沈着速度を極めて均一にする必要があるだけでなく、プラズマ生成装置によって作り出されるプラズマ密度も均一でなければならない。
【００１９】
この用途においては、反応ガスと結合されるスパッタ金属、又は蒸着金属の長さ寸法のみならず、その面積も均一性の実現をより困難にする。プラズマ発生器の場合、アノードおよびカソード間の距離は少なくとも１０ｃｍ幅なければならない。従来装置を用いてこのように幅広い面積全面に均一なプラズマを実現するのは非常に難しい。一方、本発明のバイポーラプラズマは、このようなプラズマを使ったコーティングプロセスに要する均一なプラズマを供給するのにうってつけである。
【００２０】
Ｃ．噴散源加熱に関する背景
真空蒸着に用いられる反応ガスを活性化するのに適用可能な連続プラズマ源の提供に加え、本発明は、抵抗性熱源ではなくプラズマを利用してプラズマ内で蒸発物を加熱することにより、蒸着に用いられる気体流のために改良された噴散源（エフュージョンソース）を提供する。この用途において、プラズマはより高率的な熱源を供給するのに役立つ上、噴散源の規模を縮小すると共にその信頼性を増す。
【００２１】
従来の噴散源は、噴散セルまたはクヌーセンセルとしても知られており、主として真空槽に配置された円筒容器と、円筒の内径よりも小さな穴を有する容器の蓋と、蒸発させるべく容器内に入れた材料と、蒸発物質を加熱する抵抗性熱源とからなる。蒸発物質が十分な温度にまで加熱されると、蒸発物質の一部が状態を気相に変え、セル内の圧力をバックグランドの減圧より高くする。この時のセル内の気体は蒸発物質と化学的に同じであるか、あるいは蒸発物質が化合物である場合には分離が起こる。いずれにせよ、セル内は高圧のため、気体は蓋の穴から抜け出て基板に誘導され、その基板上で液化して皮膜を形成する。通常、蒸発物質のみならずセル全体も加熱する必要がある。穴の部分が気体より冷たいと穴に凝結が生じ、その結果穴が詰まってしまうか、あるいは部分的に詰まりを生じる可能性がある。
【００２２】
噴散セルの形状はコーティングされる基板に合わせて変更可能である。高分子ウェブやその他の大きな基板をコーティングするために、ソースは放出気体用のスロットあるいは一連の穴を有する細長い蓋を取り付けた細長い長方形ボックスであるかもしれない。蒸発物質を蒸発するための熱は抵抗発熱体によって供給され、これら発熱体は、米国特許第５，９０２，６３４号に記載されているように蓋自身によって形成された坩堝内に設置されるか、米国特許第５，１６７，９８４号に記載されているように坩堝の外に配置されるか、あるいは米国特許第４，４０１，０５２号に記載されているように付属の補助ボックスに配置される。
【００２３】
従来の抵抗発熱型の噴散セルの各デザインは、満足のいく蒸発速度を得るために必要な高温に達するために何百アンペアの範囲の高電流を要する。その結果、発熱体以外の加熱装置のパーツは水冷式でなければならない。これは均一な温度の実現を難しくすると共に、発熱体が接続される水冷式のパーツが発熱体から熱を流出させるという問題ももたらす。さらに、抵抗として機能すべく配置された蓋やその他要素が高温で破損しやすく、抵抗発熱体の即時交換が必要となる。バイポーラプラズマ源の使用はこれら問題の各々を著しく抑えるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従って本発明は、連続、安定した均一なプラズマで、さらにそれを単純な構成で提供することを第一の目的とする。
また本発明は、連続、安定した均一なプラズマを広域な長さ寸法にわたって供給することを第二の目的とする。
さらに本発明は、形成時に磁場を用いてプラズマをより均一に分布する必要なしに均一性を向上するプラズマ源を提供することを第三の目的とする。
【００２５】
さらに本発明は、抵抗熱源と比較して、大型の高電流電源およびコネクタを必要としない熱源として用いられるプラズマ源を提供することを第四の目的とする。
【００２６】
さらに本発明は、比較的小さな外形を有し、大きな熱源がうまく収まらない真空槽に後から取り付けることのできるプラズマ源を提供することを第五の目的とする。
【００２７】
さらに本発明は、汚染されて汚れた場合でも改良された耐アーク放電性を有するプラズマ源を提供することを第六の目的とする。
【００２８】
さらに本発明は、単純な構成を有しているが通常モードおよび熱イオンモード双方で作動するプラズマ源を提供することを第七の目的とする。
【００２９】
さらに本発明は、単純な構成を有しながら従来のものよりより多目的で、多くの異なる形態にも使用可能なプラズマ源を提供することを第八の目的とする。
【００３０】
さらに本発明は、コーティングプロセスに用いられるようなＳiＯ、ＴiＯ、その他の酸化物や窒化物等、別な方法では汚染を来たす多様なガスから均一で安定、かつ騒音の少ないプラズマを供給するプラズマ源を提供することを第九の目的とする。
【００３１】
さらに本発明は、より均一で連続的なプラズマ発生器を活用する様々なプラズマ生成の応用例を提供することを第十の目的とする。これら応用例は以下を含む。
Ａ．真空蒸着源および基板間に導入された反応性ガスを均一に活性化するのに適したプラズマシート源
Ｂ．より均一なプラズマシート源を利用するプラズマを使った反応プロセス
Ｃ．抵抗性加熱効果ではなくプラズマから熱を得る噴散セル型蒸着源
【課題を解決するための手段】
【００３２】
これら目的は、本発明の実施の形態の原理に従って、バイポーラ交流電流出力電源が印加される第一および第二のホローカソード形態を備える構成を提供することによって達成される（ここで、交流電流という用語は、正弦波、方形波、その他の周期的あるいは非周期的交流波形を含み、極性を逆転させる任意の電流を意味する）。バイポーラ電源は、最初に第一のホローカソード形態を負の電圧に駆動してプラズマを形成させる一方、電圧印加回路のアノードとしての機能を果たすべく第二のホローカソード形態が正の電圧に駆動される。次いで、第一のホローカソード形態を正の電圧に駆動し、カソードおよびアノードの役割を逆転させる。
【００３３】
本発明の好適実施形態のホローカソード配列は、二つの一般的なモード、すなわち標準モードと熱イオンモードの何れか一方で作動するようにしてもよい。標準モードでは、ホローカソードの温度が水冷式か他の冷却方法によって低温に保たれ、カソードの動作には数百から数千ボルトを要するが、電子電流は比較的低いままである。熱イオンモードでは、プラズマの加熱効果あるいは別個の加熱装置からホローカソードの温度上昇を可能にし、ホローカソードの表面が超高温に達すると、冷たいカソードよりも電子放射が一桁高くなり、比較的低電圧（例えば何十ボルト）で高いカソード放電電流（例えば１００アンペア）をもたらすことになる。熱電子モードに達するのに要する温度および必要な電子電流はカソードの材質の仕事関数次第である。
【００３４】
本発明の好適実施形態のプラズマ源は、安定で均一なプラズマが求められる多様な用途の何れにも制限なく用いることができる。本発明はそのような用途の二つの具体例を記載する。
第一の例は、蒸着に用いられる噴散セル用のヒータとしてホローカソードを使用する。この応用例では、気体がセルから抜け出るスロットの対向端面にホローカソードが設置されていて、その気体が噴散セルから抜け出る前、あるいは抜け出ている間に、プラズマを用いて気体および、または蒸発物質を直接的または間接的に加熱する。
【００３５】
本発明のプラズマ源の第二の応用例はプラズマシート源としてのものであり、真空蒸着コーティングプロセスの間に反応ガスを活性化するのに用いられるか、あるいはその反応ガスから形成される。プラズマシート発生器は、交流電源によって動力が供給される二つのほぼ向かい合ったホローカソードを備える。上述したように、これらホローカソードは蒸着源とコーティングされる基板との間に位置し、反応ガスをプラズマに変え、ガスの反応性を向上させて蒸着化合物の均一性を向上させる。
【００３６】
コーティングプロセスにおいて反応物質を活性化する目的以外の用途に用いられる可能性のあるプラズマシート源のうち、特に好ましい実装によれば、ホローカソード間の電場と並行な磁場を用いて電子をホローカソード形態間の経路に制限することにより、これら形態間により大きな電流を形成し、これら形態間の距離をより離して設置できるようにする。磁場は平面的であっても、あるいは湾曲されたもので、ホローカソードが互いに向き合っていない応用例にも使用できるようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、本発明の第一の好適実施形態の原理に従うデュアルホローカソード型のプラズマ源配列を示す。このプラズマ源は第一および第二のホローカソード構成体１および２を備え、各々がホローカソードの空洞３および４を備える。個々のカソード構成体の正確な寸法および形状はもっぱら従来型のものでよく、本発明は、図示したように接続可能な任意のホローカソード構成体に適用するためのものであるが、放電を持続するのに要する円筒形状の開口の内径、すなわちスロットの幅がガス圧によって決まるので、動作圧が高いほど空洞が小さくなるようにプラズマの理想的な空洞寸法が圧力に反比例すること、そして一般的な空洞径、すなわちスロット幅が１００から１０−３トールの範囲のガス圧で１ｍｍから３ｍｍ程度であることに留意する。
【００３８】
二つのホローカソード構成体１および２は、交流電流を生じる交流電源５に電気的に接続されている。連続的で均一なプラズマを生成するために求めた周波数の例は、例えば４０ｋＨｚ等、１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの中間周波数範囲の周波数であるが、本発明のプラズマ発生器が適用される具体的用途によっては、それよりかなり高周波または低周波の場合もある。カソード構成体の一方が負電圧を受けている間、他方のカソードは正電圧を受け、カソード構成体間の電圧差を生み出し、電流を該構成間に流して電気回路を作る。第二の構成体は電子供与体としての機能を果たすが、そこにプラズマを生成する負電圧を受けない。他方、電圧の交流性質により印加電圧の極性が反転すると、カソードおよびアノードの役割が反転してプラズマが第二の構成体に生じ、第一のホローカソード構成体がアノードとしての役割を果たす。
【００３９】
図１において、電源回路は随意的なセンタタップ７を備えた変圧器６をさらに備えるが、電源回路は性質として電源が交流であることを単に要求するだけで、その性質および詳細が本発明の範囲から逸脱することなく幾多の点で変更可能なこと、電源周波数がほぼ一定の電圧によってプラズマを形成するのに十分な低周波でよいこと、そして電源を二つのホローカソード構成体１および２間に接続し、互いに反対側に帯電した二つのホローカソード構成体間を移動する自由電子によって電源回路が作られてもよいことは当業者にとって十分理解されるだろう。また、特定周波数に限定されるものではないが、４０ｋＨｚ程度の周波数が多くのプラズマ用途で都合がよく、本発明の好適実施形態の装置に用いる周波数とする。
【００４０】
また、穴の内側以外の表面が放電から絶縁されなければならない従来のホローカソードアレイとは異なり、本発明のホローカソードの外側表面を互いに絶縁する必要はないが、ホローカソードが互いに接近している場合にはショートを防止するのに絶縁を利用してもよいことは当業者にとって十分理解されるだろう。さらに、ホローカソード間の距離は、ガス圧次第であるが、プラズマ形成を防ぐ暗黒部の距離よりも長くなければならないことも当業者は十分理解するだろう。
【００４１】
最後に、図１に示したような好適実施形態に関して、本発明は単にプラズマ生成に関係するものでプラズマ発生器の応用例に関するものではないので、図１に表された装置は極めて図式的に描かれており、具体的な一用途に限定されるものではないことも当業者は十分理解するだろう。上述したように、生成に続いて、図示しない適当なノズルを通してプラズマが発生器から射出されてもよいし、あるいは崩壊するまで、すなわちプラズマがエネルギーを失って自由電子が再結合するまでプラズマがホローカソード構成体内やそれら構成体に隣接してとどまるようにしてもよい。全てこのような応用例は本発明の範囲内にあるものとする。加えて、好適実施形態に用いられるホローカソード構成体は、電気的に結合して二つ一組になる配列を除いて他全てが従来のものでもよいので、多くのこのような応用例はホローカソードプラズマ生成に関する当業者の能力内のことであると考える。
【００４２】
図２および３に示す好適実施形態の具体的な実装において、ホローカソード構成体は互いに向き合った構成８および９の形をとっており（図３ではそのうち一つだけが示されている）、導電材で作られた絶縁ブロック１０および１１によって取り囲まれ、円筒形の開口ではなくホローカソード構成体に沿って伸びるホローカソード溝１２および１３を有するので、任意の長さの連続的な線状プラズマではあるが、様々な気体に対してその全長で驚くほど安定した均一なプラズマを生成することができる。
【００４３】
従来のホローカソード配列と同様に、ガスは溝１２および１３の裏側の開口を通して溝に供給されてもよく、あるいは溝の形成された構成間の空間から供給されてもよい。この場合、構成間の空間が開いているうちに従来装置によりガスが供給され加圧される。
図１に示すより一般的な実施形態におけるように、向かい合った構成の各々が交流電源１６に接続されている。交流電源１６は、構成内にプラズマを生成するのに十分な時間、各カソード構成体に電圧を交互に印加するのに十分な低さの周波数を有する交流電流を生じる。
【００４４】
本発明の好適実施形態の特に有利な特徴によれば、図１から３の何れにも示したように、本発明の好適実施形態のホローカソード配列は二つのモード、すなわち標準（すなわち非熱イオン）モードと熱イオンモードの何れか一方で作動するようにしてもよい。標準モードでは、ホローカソードの温度が水冷式か他の冷却方法によって低温に保たれ、カソードの動作には数百から数千ボルトを要するが、電子電流は数アンペア範囲と比較的低いままである。熱イオンモードでは、電子放射が冷えたカソードのものより少なくとも一桁高くなり、何十ボルト範囲のカソード放電と、アノードに対する１００アンペアと同程度の電流をもたらすような温度にホローカソードの表面が達するまでホローカソードの温度を上昇させる。熱イオンモードに達するのに要する温度および必要な電子電流はカソードの材質の仕事関数に依存する。
【００４５】
本発明の方法は、カソード構成体の一方がプラズマを発生する間にアノードとして機能する他方のカソードが電源回路を作るように、交流電流を二つのホローカソード構成体へ印加するだけである。好適方法の具体的ステップは以下の通りである。（ｉ）二つのホローカソード構成体を準備し、乖離電圧がこれら構成体に印加される際に自由電子が構成間を通過できるように配置する。（ｉｉ）電源が最初に第一のホローカソード形態を負の電圧に駆動しプラズマを形成させる一方で、電圧印加回路のアノードとしての機能を果たすべく第二のホローカソード形態が正の電圧に駆動され、次いで、第一のホローカソード形態を正の電圧に駆動し、カソードおよびアノードの役割を逆転させ、印加される交流信号すなわちパルスの周波数が十分低く十分な時間、第一の（または第二の）ホローカソード形態の負電圧を絶えずゆっくりと変化させてプラズマを生成するように交流電流をこれら構成に印加することにより乖離電圧（differential voltage）を構成体に印加する。
【００４６】
本発明のプラズマ発生器を利用する噴散セルを図４に示す。図４の噴散セルは蒸発物質２２を入れた細長い坩堝２１の形をとる。坩堝の蓋には、図２および３に示したホローカソード構成体８および９に対応する二つのホローカソード構成体２４および２５が配置される端面に沿って、スロット２３が備えられる。各カソード構成体はその中に形成されたそれぞれのホローカソード溝２６および２７を有する。蓋は電気絶縁体としての機能を果たし、カソード構成体は交流電流源２８に電気的に接続される。
【００４７】
バックグランドガス雰囲気中で電力をホローカソード構成体に供給すると、ホローカソード構成体中のバックグランドガスがプラズマに変わり、次いでホローカソード構成体と少なくともスロットとを加熱する。蒸発物質２１の加熱時に坩堝内の圧力が増す時、スロットを通して気体２９が放出される。このように、ホローカソード構成体は、坩堝の内部を加熱して内容物を蒸発させるか、および、またはスロット２３を通して放出される気体に熱を供給するかの何れの構成でもよく、スロットを抜け出る際に気体が凝結するのを防いで気体のエネルギーを増すか、あるいはガス圧とスロット幅次第であるが、気体をイオン化して結果として生じる皮膜の均一性を増す。
【００４８】
図５に示す用途のプラズマシート源も二つの向かい合ったホローカソード構成体３０および３１を備えるが、これらホローカソード構成体は真空蒸着源３２とコーティングされる基板３３との間に配置される。真空蒸着源３２は図４に示す噴散源に対応するものであればよいが、そのようなプラズマによる発熱源に限るものではない。この用途で、ホローカソード構成体は、ソースからの放出物と結合して基板上に皮膜を形成するためのガス中でプラズマを生成するように配置されている。
【００４９】
ソース３２からの放出物は基板に向かって移動するにつれて広がるので、ホローカソードは図３に示す例におけるよりもさらに離して配置される。特に、この場合のホローカソードは、数ｃｍから１０ｃｍあるいはそれ以上離れた距離間ならどこにでも配置可能である。
【００５０】
ホローカソード間の電子の通路をそれらホローカソード形態間を直接結ぶ直線に限定するために、互いに相補的な極が向き合ってカソードスロットの端面に沿って伸びる磁石３４、３５、３６および３７によって電子通路と平行に磁場が作られる。磁石３４、３５、３６および３７は永久磁石であっても電子磁石であってもよく、均一な磁場を供給するよう配置される。
【００５１】
所定の場所にある磁場と相まって、より大きな電流をカソード形態間に作ることができ、その結果、プラズマは基底状態のガス原子または分子に対してより高い比率の励起化学種を含む。カソード形態間の磁場が大きければ大きいほど、形態間の距離を長くすることができる。
【００５２】
ホローカソード構成体３０および３１を比較的長い距離離して配置できることに加え、磁石は平行な電磁場内の狭く限られた通路を移動する電子を生じるという利点もある。この狭く限られた通路は電子とガス分子間の衝突の機会を増し、励起化学種の比率をさらに高める。
【００５３】
図５に示すプラズマシート発生器の変形例においては、磁石を用いてホローカソード構成体間の曲線に沿って進む電子を生じることもできる。図６に示すこの変形例では、ホローカソード３８および３９、そして周囲の磁石４０、４１、４２および４３が互いにある角度に方向付けられており、それぞれの磁石によって生じた磁束の帰路を随意に形成するベース４５と共に、電子を磁場間の通路に閉じ込める曲線状の磁場をもたらす。
【００５４】
図５および６の両実施形態において、ホローカソードだけではなく磁石も水で冷やす必要があるかもしれないが、このプラズマ発生器は標準的な噴散セルに組み込む必要はなく、またこのプラズマ発生器がヒータとして使用されることもないので、水冷構成の大きさが問題になることはないだろう。
【００５５】
このように、本発明の好適実施形態を当業者が本発明を活用できる程度に詳細に説明したが、本発明の精神を逸脱することなく図解した実施形態の度重なる変形や変更が可能であり、本発明が上記説明や添付図面に限定されず添付の請求項のみによって定義されることは十分に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一好適実施形態の原理に従う円筒状ホローカソードを用いたバイポーラプラズマ発生器の概略図である。
【図２】図１に示すバイポーラプラズマ発生器の具体的な実装例の側面からの概略立面図である。
【図３】図２に示す二つのホローカソード構成体の内一つを示す投影図である。
【図４】上部にあるスロットを通過する気体および蒸発物質の熱源として図２および３に示すプラズマ発生器を利用する噴散源の部分切り欠き投影図である。
【図５】図２および３に示すプラズマ発生器を利用して平面領域一面で均一なプラズマを生成するプラズマシート源の概略図である。
【図６】図５のプラズマシート源の変形例の概略図であり、ホローカソード構成体間の電子の通路が湾曲している場合を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月21日(2003.3.21)
【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】
第一のホローカソード構成体および第二のホローカソード構成体と、
前記ホローカソード構成体の各々に接続され、前記ホローカソード構成体の各々一方が他方の電圧に対して十分マイナスである負電圧を前記ホローカソード構成体の各々に交互に印加してプラズマを生成させるよう配置された交流電源とからなり、
前記負電圧が第一のホローカソード構成体に印加されてプラズマがそこに生成される際、第二のホローカソード構成体が該二つのホローカソード構成体の第一の方から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして電源と電気回路を作るように前記交流電源が配置されると共に、
第一のホローカソード構成体に印加される電圧の極性が反転するともう１つ他のプラズマが第二のホローカソード構成体に生じ、第一のホローカソード構成体が第二のホローカソード構成体から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして再び電源と電気回路を作るプラズマ源。
【請求項２】
前記ホローカソード構成体は、対称的な円筒形状の開口が中に形成された導電性構成体の形をとり、該円筒形状の開口が互いに向き合っている請求項１記載のプラズマ源。
【請求項３】
前記ホローカソード構成体は互いに向き合う面に沿って広がる溝の形をとる請求項１記載のプラズマ源。
【請求項４】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する中間周波数発生器である請求項１記載のプラズマ源。
【請求項５】
前記プラズマがホローカソード型のプラズマ放電の形をとる請求項１記載のプラズマ源。
【請求項６】
前記ホローカソード構成体が絶縁不要である請求項１記載のプラズマ源。
【請求項７】
前記プラズマ源が熱源としての機能を果たす請求項１記載のプラズマ源。
【請求項８】
前記第一および第二のホローカソード構成体が噴散源の蓋の出口の両側に位置し、それによって前記プラズマ源が熱を供給して前記噴散源からの気体の反応性を増すのに役立つ請求項７記載のプラズマ源。
【請求項９】
前記プラズマ源が真空蒸着源と基板との間に位置し、ガスをプラズマに変えるよう配置されてガスの反応性を増す請求項１記載のプラズマ源。
【請求項１０】
前記第一および第二のホローカソード構成体がそれらの間に広がる容積を規定する出口またはスロットを備えると共に、前記スロット間の電子の通路と平行に磁場を作るように配置された磁石をさらに備え、前記電子が前記磁石間の容積内の通路に閉じ込められる請求項９記載のプラズマ源。
【請求項１１】
前記第一および第二のホローカソード構成体が出口またはスロットを備えると共に、前記スロット間の電子の通路と平行に磁場を作るように配置された磁石をさらに備え、前記電子が前記磁石間の通路に閉じ込められる請求項１記載のプラズマ源。
【請求項１２】
前記通路が前記出口またはスロット間に広がる直線または平面に限定される請求項１１記載のプラズマ源。
【請求項１３】
前記通路が前記ホローカソード構成体間に広がり前記磁石によって範囲が規定される曲線に沿う請求項１１記載のプラズマ源。
【請求項１４】
第一および第二のホローカソード構成体を用意し、乖離電圧がこれら構成体に印加される際に自由電子がこれら構成体間を通過できるように配置するステップと、
電源が最初に第一のホローカソード形態を負電圧に駆動してプラズマを形成させる一方、電圧印加回路のアノードとしての機能を果たすべく第二のホローカソード形態が正の電圧に駆動され、次いで、第一のホローカソード形態を正の電圧に駆動し、プラズマ発生器およびアノードの役割を逆転させるように交流電流をこれらホローカソード構成体に印加することにより乖離電圧を第一および第二のホローカソード構成体に印加するステップとからなるプラズマ生成方法。
【請求項１５】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する発生器である請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
電圧を印加しプラズマを生成する前記ステップは、熱イオン放出を生じないようにするために前記ホローカソード構成体を十分冷やした状態に維持しながら標準モードで実施される請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
電圧を印加しプラズマを生成する前記ステップは、前記第一および第二のホローカソード構成体それぞれを加熱しながら熱電子モードで実施される請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
電圧を印加しプラズマを生成する前記ステップが噴散源の出口付近に位置するホローカソード間で行われ、前記プラズマが前記噴散源からの気体を加熱および、または気体の反応性を増すことに役立つ請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記ホローカソード構成体間の電子の通路付近でその通路と平行に磁場を生成して前記電子を前記ホローカソード構成体間に広がる通路に閉じ込めるステップをさらに備える請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
気体が噴散セルから抜け出る出口を有する蓋を備えた噴散セルと、前記出口付近の前記蓋内に配置され前記噴散セルの熱源としての機能を果たすプラズマ発生器とからなる噴散源。
【請求項２１】
前記プラズマ発生器は、
前記出口の一方の辺に沿って伸びる第一のホローカソード構成体および前記出口の反対側の辺に沿って伸びる第二のホローカソード構成体と、
プラズマ生成に十分な負電圧を前記ホローカソード構成体の各々に交互に印加するように前記ホローカソード構成体の各々に接続される交流電源とからなり、
前記負電圧が第一のホローカソード構成体に印加されてプラズマがそこに生成される際、第二のホローカソード構成体が該二つのホローカソード構成体の第一の方から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして電源と電気回路を作るように前記交流電源が配置され、
第一のホローカソード構成体に印加される電圧の極性が反転すると、もう１つ他のプラズマが第二のホローカソード構成体に生じ、第一のホローカソード構成体が第二のホローカソード構成体から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして再び電源と電気回路を作ると共に、
前記プラズマが前記出口から抜け出る気体の熱源としての機能を果たす請求項２０記載の噴散源。
【請求項２２】
前記ホローカソード構成体は互いに向き合う面に沿って広がる溝の形をとる請求項２１記載の噴散源。
【請求項２３】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する中間周波数発生器である請求項２１記載の噴散源。
【請求項２４】
前記プラズマが前記セル中の蒸発物質の熱源として機能する請求項２０記載の噴散源。
【請求項２５】
前記プラズマが、前記熱を前記蒸発物質に伝えて前記蒸発物質の反応性を増す構成体の熱源として機能する請求項２０記載の噴散源。
【請求項２６】
第一の溝を有する第一のホローカソード構成体および上記第一溝に面しかつこれと平行な第二の溝を有する第二のホローカソード構成体と、
プラズマ生成に十分な負電圧を前記ホローカソード構成体の各々に交互に印加するように前記ホローカソード構成体の各々に接続される交流電源と、
前記各溝の各々の側にある磁気構成体とからなり、
前記負電圧が第一のホローカソード構成体に印加されてプラズマがそこに生成される際、第二のホローカソード構成体が該二つのホローカソード構成体の第一の方から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして電源と電気回路を作るように前記交流電源が配置され、
第一のホローカソード構成体に印加される電圧の極性が反転するともう１つ他のプラズマが第二のホローカソード構成体に生じ、第一のホローカソード構成体が第二のホローカソード構成体から電子を引き付けるアノードとしての機能を果たして再び電源と電気回路を作ると共に、
前記磁気構成体が前記電子を前記溝間に広がる通路に閉じ込める磁場を生成するプラズマシート源。
【請求項２７】
前記交流電源は１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の中間周波数出力を有する中間周波数発生器である請求項２６記載のプラズマシート源。
【請求項２８】
前記通路が前記スロット間に広がる平面に限定される請求項２６記載のプラズマシート源。
【請求項２９】
前記通路が前記ホローカソード構成体間に広がり前記磁場によって範囲が規定される曲線に沿う請求項２６記載のプラズマシート源。
【請求項３０】
前記プラズマシート源が真空蒸着源と基板との間に位置し、ガスをプラズマに変えるよう配置されてガスの反応性を増す請求項２６記載のプラズマシート源。
【国際調査報告】
2004533703.tif 000047