(57)【要約】  プラズマ源およびプラズマの生成方法が提供される。プラズマ源は、第１のホロカソードと、第２のホロカソードと、第３のホロカソードと、を含む、少なくとも３つのホロカソードを含み、各々のホロカソードは、プラズマ出口領域を有する。また、プラズマ源は、第１の出力波と、第２の出力波と、第３の出力波と、を含む、複数の出力波を形成することのできる電力源も含み、第１の出力波と第２の出力波は位相がずれており、第２の出力波と第３の出力波は位相がずれており、第１の出力波と第３の出力波は位相がずれている。ホロカソードは各々、第１のホロカソードが第１の出力波に電気的に接続され、第２のホロカソードが第２の出力波に電気的に接続され、第３のホロカソードが第３の出力波に電気的に接続されるようにして、電力源に電気的に接続されている。
2018535532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々がプラズマ出口領域を有する、第１のホロカソードと、第２のホロカソードと、第３のホロカソードと、を含む、少なくとも３つのホロカソードと、
第１の出力波と、第２の出力波と、第３の出力波と、を含む、複数の出力波を形成することのできる電力源と、を備えるプラズマ源であって、
前記第１の出力波と前記第２の出力波は位相がずれており、前記第２の出力波と前記第３の出力波は位相がずれており、前記第１の出力波と前記第３の出力波は位相がずれており、
前記ホロカソードは各々、前記第１のホロカソードが前記第１の出力波に電気的に接続され、前記第２のホロカソードが前記第２の出力波に電気的に接続され、前記第３のホロカソードが前記第３の出力波に電気的に接続されるようにして、前記電力源に電気的に接続され、
電気的位相がずれている前記少なくとも３つのホロカソード間に電流が流れ、
前記プラズマ源は、前記ホロカソード間にプラズマを発生させることができる、プラズマ源。
【請求項２】
前記プラズマ源によって発生する前記プラズマは、前記複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に８０％の間は活発な電子放出を含む、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３】
前記プラズマ源によって発生する前記プラズマは、前記複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に９０％の間は活発な電子放出を含む、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項４】
前記プラズマ源によって発生する前記プラズマは、前記複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に１００％の間は活発な電子放出を含む、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項５】
前記少なくとも３つのホロカソードは、互いに電気的位相が位相角で１８０°ずれている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項６】
前記少なくとも３つのホロカソードは、電気的位相が位相角で１２０°ずれている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項７】
前記少なくとも３つのホロカソードのうち隣接する２つは各々、前記少なくとも３つのホロカソードのうち他の隣接する２つと同じ位相角だけ電気的位相がずれている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項８】
前記少なくとも３つのホロカソードは、リニアホロカソードである、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項９】
前記少なくとも３つのホロカソードは各々、細長いキャビティを含む、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１０】
前記少なくとも３つのホロカソード各々の前記プラズマ出口領域は、複数のプラズマ出口オリフィスを含む、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１１】
前記少なくとも３つのホロカソード各々の前記プラズマ出口領域は、プラズマ出口溝を含む、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１２】
前記少なくとも３つのホロカソードは各々、前記ホロカソードおよび前記プラズマ出口領域の内面だけが電子を放出したり受け取ったりするように、電気的に絶縁されている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１３】
前記発生するプラズマは、実質的にすべてが前記少なくとも３つのホロカソードの各々の前記プラズマ出口領域を通って流れる、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１４】
前記電流は、二次電子放出に由来する電子からなる、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１５】
前記電流は、熱電子放出電子に由来する電子からなる、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１６】
前記少なくとも３つのホロカソードは、直線的に配置されている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１７】
前記少なくとも３つのホロカソードは、前記プラズマ出口領域の各々が共通の線に向くように構成されている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１８】
前記少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間の距離も同一である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項１９】
電気的位相がずれた前記少なくとも３つのホロカソードの間を流れる電流は、前記少なくとも３つのホロカソード間の電位差によって生じるものである、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２０】
前記電位差は、前記少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間でも少なくとも５０Ｖである、請求項１９に記載のプラズマ源。
【請求項２１】
前記電位差は、前記少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間でも少なくとも２００Ｖである、請求項１９に記載のプラズマ源。
【請求項２２】
前記複数の出力波が方形波を含むことで、電力入力が全体として同一である場合に正弦波よりも前記電位差が小さくなる、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２３】
前記電力源は、ＡＣ電気エネルギーの形態である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２４】
前記電力源は、パルス電気エネルギーの形態である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２５】
前記発生するプラズマは、実質的に磁場駆動閉回路電子ドリフトが存在しない状態で、その長さ全体で実質的に均一である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２６】
前記プラズマは、約０．１ｍから約１ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２７】
前記プラズマは、約１ｍから約４ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２８】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚから約５００ＭＨｚの範囲である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項２９】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３０】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３１】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約２０ｋＨｚから約１００ｋＨｚの範囲である、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３２】
放出面からの前記電子は、ホロカソード効果によって閉じ込められる、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３３】
前記少なくとも３つのホロカソード各々の放出面からの前記電子は、磁場によって閉じ込められない、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３４】
前記電力源によって生じる前記複数の出力波のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも３つのホロカソードのうちの複数に電力を供給するように構成されている、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項３５】
各々がプラズマ出口領域を有する、第１のホロカソードと、第２のホロカソードと、第３のホロカソードと、を含む、少なくとも３つのホロカソードを準備し、
第１の出力波と、第２の出力波と、第３の出力波と、を含む、複数の出力波を形成することのできる電力源を準備することを含む、プラズマを発生させる方法であって、
前記第１の出力波と前記第２の出力波は位相がずれており、前記第２の出力波と前記第３の出力波は位相がずれており、前記第１の出力波と前記第３の出力波は位相がずれており、
前記ホロカソードは各々、前記第１のホロカソードが前記第１の出力波に電気的に接続され、前記第２のホロカソードが前記第２の出力波に電気的に接続され、前記第３のホロカソードが前記第３の出力波に電気的に接続されるようにして、前記電力源に電気的に接続され、
電気的位相がずれている前記少なくとも３つのホロカソード間に電流が流れ、
プラズマは、前記ホロカソード間で発生する、方法。
【請求項３６】
前記プラズマは、前記複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に８０％の間は活発な電子放出を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記プラズマは、前記複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に９０％の間は活発な電子放出を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記プラズマは、前記複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に１００％の間は活発な電子放出を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記少なくとも３つのホロカソードは、互いに電気的位相が位相角で１８０°ずれている、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記少なくとも３つのホロカソードは、電気的位相が位相角で１２０°ずれている、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記少なくとも３つのホロカソードのうち隣接する２つは各々、前記少なくとも３つのホロカソードのうち他の隣接する２つと同じ位相角だけ電気的位相がずれている、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記少なくとも３つのホロカソードは、リニアホロカソードである、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記少なくとも３つのホロカソードは各々、細長いキャビティを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記少なくとも３つのホロカソード各々の前記プラズマ出口領域は、複数のプラズマ出口オリフィスを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記少なくとも３つのホロカソード各々の前記プラズマ出口領域は、プラズマ出口溝を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記少なくとも３つのホロカソードは各々、前記ホロカソードおよび前記プラズマ出口領域の内面だけが電子を放出したり受け取ったりするように、電気的に絶縁されている、請求項３５に記載の方法。
【請求項４７】
前記発生するプラズマは、実質的にすべてが前記少なくとも３つのホロカソードの各々の前記プラズマ出口領域を通って流れる、請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
前記電流は、二次電子放出に由来する電子からなる、請求項３５に記載の方法。
【請求項４９】
前記電流は、熱電子放出電子に由来する電子からなる、請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
前記少なくとも３つのホロカソードは、直線的に配置されている、請求項３５に記載の方法。
【請求項５１】
前記少なくとも３つのホロカソードは、前記プラズマ出口領域の各々が共通の線に向くように構成されている、請求項３５に記載の方法。
【請求項５２】
前記少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間の距離も同一である、請求項３５に記載の方法。
【請求項５３】
電気的位相がずれた前記少なくとも３つのホロカソードの間を流れる電流は、前記少なくとも３つのホロカソード間の電位差によって生じるものである、請求項３５に記載の方法。
【請求項５４】
前記電位差は、前記少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間でも少なくとも５０Ｖである、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記電位差は、前記少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間でも少なくとも２００Ｖである、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記複数の出力波が方形波を含むことで、電力入力が全体として同一である場合に正弦波よりも前記電位差が小さくなる、請求項３５に記載の方法。
【請求項５７】
前記電力源は、ＡＣ電気エネルギーの形態である、請求項３５に記載の方法。
【請求項５８】
前記電力源は、パルス電気エネルギーの形態である、請求項３５に記載の方法。
【請求項５９】
前記連続的に発生するプラズマは、実質的に磁場駆動閉回路電子ドリフトが存在しない状態で、その長さ全体で実質的に均一である、請求項３５に記載の方法。
【請求項６０】
前記プラズマは、約０．１ｍから約１ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する、請求項３５に記載の方法。
【請求項６１】
前記プラズマは、約１ｍから約４ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する、請求項３５に記載の方法。
【請求項６２】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚから約５００ＭＨｚの範囲である、請求項３５に記載の方法。
【請求項６３】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲である、請求項３５に記載の方法。
【請求項６４】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲である、請求項３５に記載の方法。
【請求項６５】
前記複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約２０ｋＨｚから約１００ｋＨｚの範囲である、請求項３５に記載の方法。
【請求項６６】
放出面からの前記電子は、ホロカソード効果によって閉じ込められる、請求項３５に記載の方法。
【請求項６７】
前記少なくとも３つのホロカソード各々の放出面からの前記電子は、磁場によって閉じ込められない、請求項３５に記載の方法。
【請求項６８】
前記電力源によって生じる前記複数の出力波のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも３つのホロカソードのうちの複数に電力を供給するように構成されている、請求項３５に記載の方法。
【請求項６９】
基板を準備し、
プラズマ化学蒸着を用いて前記基板にコーティングを形成することをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来、コーティングおよび表面処理の用途で、ホロカソードプラズマ源が一般に使用されている。これらのプラズマ源は、電力源に電気的に接続された1つ以上のホロカソードを含む。これらのプラズマ源では、何種類かのホロカソードを使用することができ、その中には点源やリニアホロカソードがある。
【０００２】
ホロカソードプラズマ源で用いられる典型的な電源は、直流、交流、パルス電流（すなわち、デューティサイクルが１００％未満の方形または矩形の波形を有する電流）のうちのいずれかをホロカソードに供給するように構成されている。また、現在は、ホロカソードプラズマ源に交流またはパルス電流を供給するのにバイポーラ電源（すなわち二相での電力供給）も使用されている。
【０００３】
リニアホロカソードプラズマ源の稼働時に直流を使用すると、リニアホロカソードの長さ全体ではなく主に単一の領域でプラズマが発生する。直流を使用するプラズマ源の中には、磁石を効果的に用いて均一にプラズマを発生させることができるタイプもあるが、リニアホロカソードではこれを行うことができない。しかしながら、プラズマ化学蒸着を使用するガラスのコーティングなど多くの用途で、（リニアホロカソードプラズマ源で直流を使用すると達成できない）高度の均一性が必要とされている。
【０００４】
本発明者らは以前、ホロカソードプラズマ源で二相（バイポーラ）の交流電源またはパルス電源を使用することにより、均一な線形プラズマを達成できることを発見した。しかしながら、ホロカソードプラズマ源で二相電源を使用することにはいくつかの問題がある。たとえば、電源に交番があるため、動作時間の中にプラズマ源でプラズマが活発に発生しない（すなわち、活発な電子放出がない）時間帯がある。典型的な用途では、このプラズマが活発に発生しない時間は、電力供給周期の約２５％である。また、二相電源の使用が原因でプラズマ源が著しく摩耗し、プラズマ源の動作寿命が低下するという問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、従来技術では、公知のプラズマ源におけるこれらの欠点などを克服するプラズマ源が必要とされている。
【０００６】
本出願と同一の譲受人に譲渡された、米国特許出願第１２／５３５，４４７号（現在は米国特許第８，６５２，５８６号）、米国特許出願第１４／１４８，６１２号、同第１４／１４８，６０６号、同第１４／４８６，７２６号、同第１４／４８６，７７９号、ＰＣＴ／ＵＳ１４／０６８９１９号、ＰＣＴ／ＵＳ１４／６８８５８号（それぞれの出願全体を本明細書に援用する）には、本発明の実施形態において使用できるものなど、さまざまなホロカソードプラズマ源が記載されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態の利点には、プラズマ源の動作寿命の改善、堆積率の改善、プラズマが活発に発生する時間の改善が含まれるが、これに限定されるものではない。また、本発明の実施形態では使用する原料ガスの解離エネルギーが増大し、プラズマ化学蒸着を用いる場合に一層密度の高いコーティングになる。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、プラズマ源が提供される。このプラズマ源は、第１のホロカソードと、第２のホロカソードと、第３のホロカソードと、を含む、少なくとも３つのホロカソードを含む。各々のホロカソードは、プラズマ出口領域を有する。また、プラズマ源は、第１の出力波と、第２の出力波と、第３の出力波と、を含む、複数の出力波を形成することのできる電力源も含む。第１の出力波と第２の出力波は位相がずれており、第２の出力波と第３の出力波は位相がずれており、第１の出力波と第３の出力波は位相がずれている。ホロカソードは各々、第１のホロカソードが第１の出力波に電気的に接続され、第２のホロカソードが第２の出力波に電気的に接続され、第３のホロカソードが第３の出力波に電気的に接続されるようにして、電力源に電気的に接続されている。電気的位相がずれている少なくとも３つのホロカソード間に、電流が流れる。プラズマ源は、ホロカソード間にプラズマを発生させることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、プラズマを発生させる方法が提供される。この方法は、第１のホロカソードと、第２のホロカソードと、第３のホロカソードと、を含む、少なくとも３つのホロカソードを準備することを含む。各々のホロカソードは、プラズマ出口領域を有する。また、この方法は、第１の出力波と、第２の出力波と、第３の出力波と、を含む、複数の出力波を形成することのできる電力源を準備することも含む。第１の出力波と第２の出力波は位相がずれており、第２の出力波と第３の出力波は位相がずれており、第１の出力波と第３の出力波は位相がずれている。ホロカソードは各々、第１のホロカソードが第１の出力波に電気的に接続され、第２のホロカソードが第２の出力波に電気的に接続され、第３のホロカソードが第３の出力波に電気的に接続されるようにして、電力源に電気的に接続されている。電気的位相がずれている少なくとも３つのホロカソード間に、電流が流れる。ホロカソード間で、プラズマが発生する。いくつかの実施形態では、この方法は、基板を準備し、プラズマ化学蒸着を用いて基板にコーティングを形成することをさらに含む。
【００１０】
（本発明のいずれかの態様による）いくつかの実施形態では、プラズマ源によって生じるプラズマは、複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に８０％の間は活発な電子放出を含む。他の実施形態では、プラズマ源は、複数の出力波の周期のうち少なくとも実質的に９０％または少なくとも実質的に１００％の間は活発な電子放出を含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは、互いに電気的位相が位相角で１８０°ずれている。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは、電気的位相が位相角で１２０°ずれている。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードのうち隣接する２つは各々、少なくとも３つのホロカソードのうち他の隣接する２つと同じ位相角だけ電気的位相がずれている。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは、リニアホロカソードである。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは各々、細長いキャビティを含む。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソード各々のプラズマ出口領域は、複数のプラズマ出口オリフィスを含む。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソード各々のプラズマ出口領域は、プラズマ出口溝を含む。
【００１２】
いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは各々、ホロカソードおよびプラズマ出口領域の内面だけが電子を放出したり受け取ったりするように、電気的に絶縁されている。いくつかの実施形態では、発生するプラズマは、実質的にすべてが少なくとも３つのホロカソードの各々のプラズマ出口領域を通って流れる。いくつかの実施形態では、電流は、二次電子放出に由来する電子からなる。いくつかの実施形態では、電流は、熱電子放出電子に由来する電子からなる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは、直線的に配置されている。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードは、プラズマ出口領域の各々が共通の線に向くように構成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間の距離も同一である。いくつかの実施形態では、電気的位相がずれた少なくとも３つのホロカソードの間を流れる電流は、少なくとも３つのホロカソード間に電位差（最大値、最小値の電位差など）を生じさせる。いくつかの実施形態では、電位差は、少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間でも少なくとも５０Ｖである。いくつかの実施形態では、電位差は、少なくとも３つのホロカソードのうち、どの２つの間でも少なくとも２００Ｖである。いくつかの実施形態では、複数の出力波が方形波を含むことで、電力入力が全体として同一である場合に正弦波よりも電位差（最大値、最小値の電位差など）が小さくなる。いくつかの実施形態では、電力源は、ＡＣ電気エネルギーの形態である。いくつかの実施形態では、電力源は、パルス電気エネルギーの形態である。
【００１４】
いくつかの実施形態では、発生するプラズマは、実質的に磁場駆動閉回路電子ドリフトが存在しない状態で、その長さ全体で実質的に均一である。いくつかの実施形態では、プラズマは、約０．１ｍから約１ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する。いくつかの実施形態では、プラズマは、約１ｍから約４ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する。いくつかの実施形態では、複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚから約５００ＭＨｚの範囲である。いくつかの実施形態では、複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲である。いくつかの実施形態では、複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲である。いくつかの実施形態では、複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約２０ｋＨｚから約１００ｋＨｚの範囲である。いくつかの実施形態では、放出面からの電子は、ホロカソード効果によって閉じ込められる。いくつかの実施形態では、少なくとも３つのホロカソード各々の放出面からの電子は、磁場によって閉じ込められない。いくつかの実施形態では、電力源によって生じる複数の出力波のうちの少なくとも１つは、少なくとも３つのホロカソードのうちの複数に電力を供給するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付図面は、本開示のさまざまな実施形態を示し、明細書の説明と一緒に、本開示の原理を説明するとともに本明細書に開示する実施形態を当業者が製造および使用できるようにする一助となる。図中、同様の参照番号は同一または機能的に類似の要素を示す。
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態による三相正弦波形を示す。
【図２】図２は、バイポーラホロカソードプラズマ源における２つのホロカソード間の電圧プロットおよび電流プロットを示す。
【図３】図３は、従来のバイポーラホロカソードプラズマ源の異なる時点における断面図を示す。
【図４】図４は、従来のバイポーラホロカソードプラズマ源におけるプラズマなしの時間帯を示す。
【図５】図５は、本発明の例示的な実施形態による、多相ホロカソードプラズマ源における２つのホロカソード間の電圧プロットおよび電流プロットを示す。
【図６】図６は、本発明の例示的な実施形態による、多相ホロカソードプラズマ源の異なる時点における断面図を示す。
【図７】図７は、本発明の例示的な実施形態による方法を示す。
【図８】図８は、本発明の例示的な実施形態による方法で形成されたコーティングを示す。
【図９】図９は、本発明の例示的な実施形態による、プラズマ出口領域を有するホロカソードを含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。
【図１０】図１０は、本発明の例示的な実施形態による、溝状の制限されたプラズマ出口領域を有するホロカソードを含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。
【図１１】図１１は、本発明の例示的な実施形態による、６つのホロカソードと６つの相を含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。
【図１２】図１２は、本発明の例示的な実施形態による、６つのホロカソードと３つの相を含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。
【図１３】図１３は、本発明の例示的な実施形態による、等間隔である３つのホロカソードを含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、バイポーラホロカソードプラズマ源におけるホロカソード内およびその周囲でのプラズマ形成の電子密度を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、多相ホロカソードプラズマ源におけるホロカソード内およびその周囲でのプラズマ形成の電子密度を示す。
【図１５Ａ】図１５Ａは、バイポーラホロカソードプラズマ源におけるホロカソード内およびその周囲でのプラズマ形成のイオン密度を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、多相ホロカソードプラズマ源における中空カソード内およびその周囲でのプラズマ形成のイオン密度を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、バイポーラホロカソードプラズマ源および本発明の例示的な実施形態による多相ホロカソードプラズマ源の両方におけるホロカソードキャビティの壁に沿ったイオンの吸収量を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１６Ａのグラフに示すホロカソードキャビティの壁に沿った指標を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、正弦波Ａｓｉｎ２πｆｔ＋・（式中、Aは振幅、ｆは周波数、・は位相角である）について検討する。位相角・は、時刻ｔ＝０の時点で振動のある場所を示す。２つの正弦波Ａ１ｓｉｎ２πｆｔ＋・１およびＡ２ｓｉｎ２πｆｔ＋・２に関して、２つの波の位相差は、位相角・２−・１の差として定義される。この定義がゆえ、位相差は、どの波を第１の波とみなし、どの波を第２の波とみなすかに依存する点に注意が必要である。すなわち、順序が変わると、位相差の符号も変わることになる。位相角が大きいほうの波を先行波といい、位相角が小さいほうの波を遅延波という。先行波を第１の波とするのであれば位相差は・であり、遅延波を第１の波にすると位相差が−・になる。通常、本明細書では位相差の符号をそれほど重要なものとして扱うことはなく、波の順序を重視することもない。なお、上記の式において・はラジアンで表されているが、本出願では通常（便宜上）、位相角または位相差を角度の度数で論じることにする。正弦波は正確に３６０°（すなわち２πラジアン）のサイクルすなわち周期を持つため、位相角・は−１８０°（すなわち−πラジアン）と＋１８０°（すなわち＋πラジアン）との間の数で表すことができる。位相差は振幅Ａとは無関係であり、周波数ｆが同一である２つの波の間でのみ適切に定義される。
【００１７】
２つの波の位相角・が一致する場合、位相差はなく、波が（互いに）同相であるという。２つの波の位相角・が一致しない場合、波が（互いに）位相がずれているという。位相差が１８０°である場合、２つの波が（互いに）逆位相であるという。位相差は２つの波の間の特性である。互いに位相差のある２つの波は、もう一方の位相からオフセットしている、あるいは位相オフセットしているとも呼ばれることがある。当業者であれば、方形波、脈波などの波形に対して位相差を定義できることも理解できるであろう。
【００１８】
２つのホロカソードが位相のずれた２つの波によって電力を得ている場合、本出願では、これらのホロカソードを、当該ホロカソードに給電する２つの波の位相差として定義される特定の位相角分だけ（互いに）位相がずれているという。したがって、波とホロカソードのどちらも（同義で）互いに位相オフセットしているということができる。あるいは、２つの波が同相である場合、２つのホロカソードは（同義に）同相であるといえることになる。
【００１９】
「熱電子」は、表面温度が高くなると大幅に加速される、表面からの電子の放出を意味すると解釈される。熱電子温度は、一般に約６００℃以上である。
【００２０】
「二次電子」または「二次電子電流」とは、固体表面に粒子が衝突した場合にその表面からの電子放出と、その結果として生じる電流をそれぞれ意味すると解釈される。本発明の実施形態による電子放出面は、プラズマを発生させることができ、その表面に、電子またはイオンがさらに衝突する。電子放出面に電子またはイオンが衝突すると、電子放出面から二次電子が放出される。二次電子の流れが高密度プラズマ生成の一助となるため、二次電子の放出は重要である。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態による三相正弦波形を示す。波形プロット１００における３つの異なる正弦波（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、互いに±１２０°位相がずれている。具体的には、波ＡとＢ、波ＢとＣの組み合わせでは、それぞれ＋１２０°位相がずれており、波ＡとＣの組み合わせでは−１２０°位相がずれている。
【００２２】
図２は、バイポーラホロカソードプラズマ源における一対のホロカソード間の電圧および電流プロットを示す。電圧プロット２０２および電流プロット２０４には時点ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６が表示され、さまざまな着目点を示している。
【００２３】
図３は、従来のバイポーラホロカソードプラズマ源の異なる時点における断面図を示す。バイポーラホロカソード配置３００は、ホロカソード３０２，３０４と、バイポーラ電源３１０とを含む。電源３１０によって電力が供給されると、ホロカソード３０２，３０４の間にプラズマ３２０が発生する。電圧プロット２０２および電流プロット２０４はそれぞれ、ホロカソード３０２，３０４間の電圧および電流を示している。電源３１０は交流電流を供給し、ホロカソード３０２，３０４は交互に陰極および陽極として機能する。この配置では、ホロカソード３０２，３０４は逆位相である（すなわち、位相が１８０°ずれている）。電圧プロット２０２および電流プロット２０４上には時点ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６が表示され、図３に示すホロカソード配置３００の異なる図に対応するさまざまな着目点を示している。
【００２４】
ｔ１に対応する図は、交流電圧入力および結果として生じる電流の両方がゼロ値に達する時点を示している。この時点で、プラズマは活発に生成されてはいない。ｔ２に対応する図は、ホロカソード３０２，３０４の間の電位差が最大に達し、プラズマ３２０が点火される時点を示している。ｔ３に対応する図は、２つのホロカソード３０２，３０４の間にプラズマ３２０が完全に確立される、電流が最大となる時点を示している。ｔ４に対応する図は、電流がｔ２の時点における電流と等しく、（ｔ３に対応する図などと比較して）強度が低下したプラズマ３２０が存在するバイポーラホロカソード配置３００を示している。ｔ５に対応する図は、次のゼロ点交差を示し、この時点でプラズマ生成がいったん停止する。ｔ６に対応する図は、プラズマ３２０が再び生成され、ホロカソード３０２およびホロカソード３０４の役割（陰極または陽極）がｔ２の場合とは逆になってサイクルが継続されることを示している。
【００２５】
陰極と陽極との間の役割の切り替えについて簡単に説明する。まず、バイポーラ電源によって第1の電子放出面を負電圧に駆動してプラズマ形成を可能にするとともに、第2の電子放出面を電圧印加回路の陽極として機能するように正電圧に駆動する。その後、第1の電子放出面を正電圧に駆動し、陰極と陽極の役割を逆にする。電子放出面の1つが負に駆動されると、対応するキャビティ内で放電がなされる。他方のカソードが陽極となり、陰極側のホロカソードから陽極側のホロカソードに電子電流が流れる。
【００２６】
図４は、従来のバイポーラホロカソードプラズマ源における、プラズマなしの時間帯を示す。具体的には、図４では、電圧プロット２０２および電流プロット２０４に沿って、ホロカソード間でプラズマを活発に生成できるだけの十分な電位差が存在しない時間帯を特定する。非プラズマ生成帯４０２，４０４，４０６では、バイポーラホロカソード配置３００は、それぞれの波周期の約２５％の間、プラズマの生成を停止する。対照的に、本発明の実施形態による利点のひとつに、プラズマ生成用のホロカソード間に十分な電位差を維持することによって、本発明の実施形態ではプラズマが形成されない時間を短縮するか、排除することができる点がある。
【００２７】
図５は、本発明の実施形態による多相ホロカソードプラズマ源における、２つのホロカソード間の電圧プロットおよび電流プロットを示す。電圧プロット５０２，５０６，５１０および電流プロット５０４，５０８，５１２には、時点ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２、ｔ１３、ｔ１４、ｔ１５が表示され、さまざまな着目点を示している。
【００２８】
図６は、本発明の実施形態による多相ホロカソードプラズマ源の異なる時点における断面図を示す。多相ホロカソード配置６００は、ホロカソード６０２，６０４，６０６と、多相電源６１０とを含む。電源６１０によって電力が供給されると、ホロカソード６０２，６０４，６０６の間にプラズマ６２０が発生する。具体的には、２つのホロカソード６０２と６０４、６０４と６０６、６０２と６０６のそれぞれの間にプラズマ６２０が発生する。電圧プロット５０２，５０６，５１０および電流プロット５０４，５０８，５１２（図５に示す）はそれぞれ、２つのホロカソード６０２と６０４（図５では「Ａ−Ｂ」と表示されている）、６０４と６０６（図５では「Ｂ−Ｃ」と表示されている）、６０２と６０６（図５では「Ａ−Ｃ」と表示されている）の間の電圧および電流を示している（図６に示すホロカソードの組み合わせの場合）。電源６１０は交流電流を供給し、ホロカソード６０２，６０４，６０６は交互に陰極および陽極として機能する。この配置では、ホロカソード６０２と６０４、６０４と６０６の組み合わせでは位相が＋１２０°ずれており、ホロカソード６０２と６０６の組み合わせでは位相が−１２０°ずれている。電圧プロット５０２，５０６，５１０および電流プロット５０４，５０８，５１２上には時点ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２、ｔ１３、ｔ１４、ｔ１５が表示され、図６に示すホロカソード配置６００の異なる図に対応するさまざまな着目点を示している。
【００２９】
任意の２つのホロカソード間で発生するプラズマは、両ホロカソード間の距離にいくらか影響される。いくつかの実施形態では、隣接する２つのホロカソード（たとえば、ホロカソード６０２と６０４、６０４と６０６の組み合わせ）間の距離は同一であるか、または実質的に同一であるが、隣接しないホロカソード（たとえば、６０２と６０６）間の距離は、隣接する２つの間の距離よりも長い。一対のホロカソード間の距離が長すぎると、両者間にプラズマが形成されないことがある。当業者であれば理解できるように、ホロカソード間の距離は、プロセス依存である。距離が増すにつれて、プラズマ形成に必要な電圧も大きくなる。いくつかの実施形態では、ホロカソード間の距離は、５００ｍｍ未満または４００ｍｍ未満、あるいは２００ｍｍ未満である。いくつかの実施形態では、ホロカソード間の距離は約１００ｍｍである。これよりも長い距離でプラズマを形成できることもあるが、一般的なプロセスや電源では、最大距離は５００ｍｍであろう。また、有効な空間の範囲に、磁場が影響することもある。
【００３０】
発生するプラズマは、一対のホロカソード間の電圧および電流にもいくらか影響される。たとえば、複数対のホロカソード間にプラズマが生じることもあるが、ある程度、異なる組み合わせでのホロカソード間の電圧差および電流差がゆえ、プラズマ密度が均一にならない場合がある。プラズマ化学蒸着を用いた基板のコーティングに使用するには、たとえば、この不均一な状態はたいしたことがない。なぜなら、不均一な状態は短時間しか生じず、基板が明らかに移動するまでにプラズマ密度の高い領域と低い領域が何度も切り替わるからである。さらに、インラインコーティングプロセスでは、基板がプラズマ源の下を移動し、それぞれのホロカソードの下を通過するので、基板は均等に処理されることになる。
【００３１】
多相電源６１０は、単一の電源を含んでもよいし、複数の電源を含んでもよい。具体的には、多相電源６１０は、複数の出力波（たとえば、波形プロット１００における波Ａ、Ｂ、Ｃ）を形成することができ、この場合、複数の出力波（ならびに、これらの波が電力を供給するホロカソード）が各々、互いにタイミングがずれている。いくつかの実施形態では、隣接するホロカソード、たとえば２つのホロカソード６０２と６０４、６０４と６０６）の位相が互いに同じ位相角（たとえば、三相電源の場合は１２０°、四相電源の場合は９０°、五相電源では７２°、六相電源は６０°、ｎ相電源であればｎ分の３６０°）だけずれている。三相でホロカソードが３つあるリニアの実施形態（すなわち、ホロカソードが直線的に配置されている）では、隣接する２つのホロカソード６０２と６０４、６０４と６０６の位相が１２０°ずれていれば、隣接しない２つのホロカソード６０２と６０６は、位相が−１２０°ずれている。四相でホロカソードが４つあるリニアの実施形態では、隣接する２つの位相が６０°ずれている場合、直線上で隣接しない第１および第３の２つのホロカソードでは位相が１２０°ずれており、直線上で隣接しない第１および第４の２つのホロカソードでは、位相が１８０°ずれている。
【００３２】
ｔ１０に対応する図は、ホロカソード６０２と６０４との間の電流が最大になる一方、ホロカソード６０４と６０６との間の電流が最大値の約半分となる時点を示している。ｔ１１に対応する図では、ホロカソード６０２と６０４との間の電流はゼロになり、ホロカソード６０２と６０６との間に電流が流れ始める。この同じ時点（ｔ１１）において、ホロカソード６０４と６０６の間の電流はその最大値に達する。サイクルは、ホロカソード６０２と６０６との間の電流が最大値に達し、ｔ１０に対応する図に示した方向とは逆方向ではあるがホロカソード６０２と６０４との間に電流が再び流れ始めるｔ１２に対応する図において継続する。ｔ１３に対応する図は、ホロカソード６０２と６０４との間を流れる電流が最大になる一方、ホロカソード６０４と６０６との間の電流が最大値の約半分となるｔ１０に対応する図からのサイクルの反対側の端を示す。ｔ１３に対応する図の電流は、ｔ１０に対応する図における電流とは逆方向に流れ、それまで陰極として機能していたホロカソードが、ここでは陽極として機能している。ｔ１４に対応する図は、電流がｔ１１に対応する図で説明したものとは逆方向に流れる状況を示し、ｔ１５に対応する図は、電流がｔ１２に対応する図で説明したものとは逆方向に流れる状況を示している。
【００３３】
図６（ならびに本発明の他の実施形態）に示す多相ホロカソード配置６００のひとつの特徴として、電流が任意の２つのホロカソード間でゼロに近づく点のいずれにおいても、他の組み合わせでのホロカソード間の電圧差と電流がゼロではないことがあげられる。この配置では、バイポーラ電源で駆動される従来のプラズマ源における上述したプラズマなしの時間帯が生じないプラズマ装置を製造することが可能である。すなわち、本発明の実施形態では、上述のように、従来技術のバイポーラホロカソード配置３００に固有の非プラズマ生成帯４０２，４０４，４０６を効果的に回避する。本発明の実施形態によれば、少なくとも３つのホロカソードと多相電源を含むことによって、稼働時間全体にわたって、電流と、それによって得られるプラズマ生成を維持することで連続的にプラズマを発生させる装置を含む、改良されたプラズマ特性が得られる。少なくとも３つの位相オフセット波と少なくとも３つのホロカソードを用いることにより、交流電源によって波が生じるプラズマなしの時間は実質的になくなることになる。パルス電力の場合、プラズマなしの時間は、設計上のパラメータに応じて実質的に０％から約２０％になることがある。たとえば、少なくとも３つの位相オフセット波と少なくとも３つのホロカソードとを用いると、プラズマなしの時間が実質的に２０％（あるいは、波の周期のうち８０％の間は、プラズマが活発に発生する）、プラズマなしの時間が実質的に１０％（あるいは、波の周期のうち９０％の間は、プラズマが活発に発生する）、プラズマなしの時間が実質的に０％（あるいは、波の周期の１００％でプラズマが活発に発生する）といった具合になり得る。プラズマに関連して減衰時間が存在する（すなわち、一対のホロカソード間で電圧がゼロまで降下した後ですら、プラズマが活発に生成されているわけではないにもかかわらず、電圧降下後の短時間、依然としてプラズマが存在する可能性がある）ため、本出願では、電子が活発に放出されている時間を、プラズマが活発に生成されているという。
【００３４】
いくつかの実施形態では、ホロカソード６０２，６０４，６０６（または本明細書に記載され、あるいは本明細書によって可能になる他のホロカソード配置）は、細長いキャビティを含んでもよい。ホロカソードは、プラズマ出口領域を含んでもよく、プラズマ出口領域は、単一のプラズマ出口オリフィスを含んでもよいし、複数のプラズマ出口オリフィスあるいはプラズマ出口溝を含んでもよく、これらのプラズマ出口領域のいくつかの組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ホロカソードは、ホロカソードおよびプラズマ出口領域の内面だけが電子を放出したり受け取ったりするように、それぞれ電気的に絶縁されている。いくつかの実施形態では、連続的に発生するプラズマは、実質的にすべて各ホロカソードのプラズマ出口領域を通って流れる。いくつかの実施形態では、電流は、二次電子放出または熱電子放出電子またはこれらの電流のいくつかの組み合わせからなる。いくつかの実施形態では、電位差がゆえにホロカソード間に電流が流れる。いくつかの実施形態では、この電位差は、任意の２つのホロカソード間で少なくとも５０Ｖまたは少なくとも２００Ｖである。いくつかの実施形態では、複数の出力波を形成する多相電源は、方形波からなる複数の出力波を生成し、それによって正弦波寄りも電位差が小さくなる。多相電源は、ＡＣ電気エネルギーの形態、パルス電気エネルギーの形態またはこれらの形態の電気エネルギーの何らかの組み合わせである。いくつかの実施形態では、発生するプラズマは、実質的に磁場駆動閉回路電子ドリフトが存在しない状態で、その長さ全体で実質的に均一である。いくつかの実施形態では、プラズマは、約０．１ｍから約１ｍまたは約１ｍから約４ｍの長さ全体で実質的に均一に発生する。いくつかの実施形態では、複数の出力波それぞれの周波数は等しく、約１ｋＨｚ〜約１ＭＨｚまたは約１０ｋＨｚ〜約２００ｋＨｚまたは約２０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚの範囲内である。いくつかの実施形態では、放出面から放出される電子が、ホロカソード効果によって閉じ込められる。いくつかの実施形態では、放出面から放出される電子は、磁場によって閉じ込められない。
【００３５】
電子電流に影響をおよぼす１つの要因に、ホロカソードキャビティ壁の温度がある。キャビティ壁温度が１０００℃未満のホロカソード構成では、電子放出は二次電子放出によって支配される。イオンがキャビティの壁に衝突すると、衝突するイオンの運動エネルギーと負の電位によって、壁面からの電子放出が誘発される。一般に、これらの「冷」ホロカソードは、キャビティ壁温度５０℃〜５００℃で稼働される。通常、ホロカソード構造をこのような温度に維持するには、冷却方法が適用される。ホロカソード構造内に水冷チャネルが組み込まれることも多い。冷ホロカソード放電用の動作電圧は一般に、３００ボルトから１０００ボルトである。
【００３６】
あるいは、ホロカソードを熱電子モードで動作させてもよい。熱電子放出を発生させるためには、ホロカソードキャビティ壁の温度は通常１０００℃〜２０００℃の範囲である。熱電子ホロカソードでは、加熱を助けるためにキャビティ壁の周囲にヒータを組み込むようにしてもよいし、さらに簡単にするのであれば、プラズマエネルギーの伝達を利用してキャビティ壁を加熱してもよい。通常、熱伝導または放熱による熱の損失を低減するために、高温のキャビティは断熱されている。熱電子ホロカソード放電用の動作電圧は一般に、１０ボルトから３００ボルト、より一般的には１０ボルトから１００ボルトである。
【００３７】
堆積率が十分に高く商業的に有用なＰＥＣＶＤプロセスでは、何らかの形で高密度化したプラズマに依存している。ホロカソード効果は、閉じた空間または部分的に閉じた空間における電界を利用して、電子を高密度化して閉じ込める具体的な方法のひとつである。負の電界を囲むことによって、気相である自由電子が捕捉され、周囲の壁または反対側の負にバイアスされた壁との間で振動運動をする。電子が振動すると電子の移動経路が長くなり、結果的に気相衝突の可能性が高くなる。このような衝突が生じると、気体分子がイオン化し、さらに電子と陽イオンが発生する。陽イオンは加速され、負にバイアスされたホロカソード壁に衝突する。壁に陽イオンが衝突すると、二次電子放出によってさらに電子が生じることになる。文献によれば、ホロカソードプラズマは通常、閉ドリフトでの電子閉じ込めプロセス（マグネトロンスパッタリングなど）で用いられるような、磁場による閉じ込めで得られるプラズマよりも密度の高いプラズマである。
【００３８】
図６における実施形態の別の利点は、本発明の他の実施形態同様に、ホロカソードを増やすことにより、より広いプラズマが生成され、ＰＥＣＶＤでの堆積率が改善されることにある。
【００３９】
図７は、本発明の実施形態による方法を示す。多相ホロカソード配置６００（および本開示に記載され、本開示によって可能になる他のホロカソード配置）を利用して、プラズマを連続的に発生させることができる。プラズマを発生させる方法７００は、少なくとも３つのホロカソードを準備する工程（工程７０２）を含む。ホロカソードには各々、プラズマ出口領域がある。また、この方法は、複数の出力波を形成することができる電力源を準備することを含む（工程７０４）。この電力源には、各ホロカソードが電気的に接続されている。どのホロカソードも他のホロカソードとは電気的位相がずれるように、電力源によって生じた複数の出力波は位相のタイミングがずれている。電気的位相がずれている少なくとも３つのホロカソード間に、電流が流れる。ホロカソード間には、プラズマが連続的に生じる。いくつかの実施形態では、この方法は、基板を準備する工程（工程７０６）と、プラズマＣＶＤを用いて基板にコーティングを施す工程（工程７０８）とをさらに含む。図７において工程７０６および７０８が点線で囲まれているのは、これらの工程が任意であることを示している。プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）を用いて基板にコーティングを施すことは、ホロカソードキャビティ内に、あるいはホロカソードに隣接するマニホールドを通して、原料ガス、プロセスガス、反応物ガスまたはこれらの組み合わせを準備することを含んでもよい。当業者であれば、ＰＥＣＶＤに適用可能な他の工程を含んでもよいことも理解できるであろう。
【００４０】
図８は、本発明の実施形態による方法によって形成されたコーティングを示す。コーティング８０２は、基板８０４の上に形成され、コーティングと基板との組み合わせ８００となる。いくつかの実施形態では、基板８０４はガラスである。他の実施形態では、基板８０４は、プラスチック、金属、半導体材料またはＰＥＣＶＤプロセス用の他の適切な材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、コーティング８０２は単一の層またはフィルムであってもよいし、複数の層またはフィルムを含んでもよい。いくつかの実施形態では、コーティングと基板との組み合わせ８００が建築での用途に適するように、コーティング８０２は低輻射コーティングであってもよく、基板８０４はガラス窓であってもよい。いくつかの実施形態では、コーティング８０２は、冷蔵庫のドアに使用される防曇コーティングまたは光電池に使用される透明な導電性酸化物コーティングなど、特定の用途のための別のコーティングであってもよい。
【００４１】
図９は、本発明の実施形態によるプラズマ出口領域のあるホロカソードを含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。直線状の多相ホロカソード配置６００（図９に示す）は、ホロカソード６０２，６０４，６０６と、多相電源６１０とを含む。ホロカソード６０２，６０４，６０６は各々、ホロカソード同士の位相がずれるように、交流電源またはパルス電源によって多相電源６１０から電力を供給される。ホロカソード６０２，６０４，６０６はそれぞれ、ホロカソードキャビティ９０４と、プラズマ出力路９０２とを含む。図９に示す実施形態では、ホロカソード６０２，６０４，６０６は、互いに離隔した２つの側部領域と、キャビティ９０４を画定している上部領域と、プラズマ出力路９０２を画定している開放された底部領域とを含む。各ホロカソード６０２，６０４，６０６のホロカソードキャビティ９０４には、反応物ガス（またはプロセスガスまたは原料ガスまたはこれらの気体の組み合わせ）が存在してもよい。反応物ガス（またはプロセスガスまたは原料ガスまたはこれらの気体の組み合わせ）は、反応領域９１０に存在していてもよい。いくつかの実施形態では、反応領域９１０は基板８０４などの基板を含んでもよく、いくつかの実施形態では、反応領域９１０において基板にコーティングが形成されてもよい。多相電源６１０によって電力が供給されると、ホロカソード６０２，６０４，６０６各々の間で交互に電子が流れ、プラズマ出力路９０２から反応領域９１０に流出するプラズマを発生させる。
【００４２】
図１０は、本発明の実施形態による、溝状の限定されたプラズマ出口領域を有するホロカソードを含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。図１０の実施形態は、図９の実施形態の変更例であり、プラズマ出力路９０２が溝状のプラズマ出力路１００２に置き換えられている。ホロカソード６０２，６０４，６０６はそれぞれ、ホロカソードキャビティ９０４と、プラズマ出力路１００２とを含む。図１０に示す実施形態では、ホロカソード６０２，６０４，６０６は、互いに離隔した２つの側部領域と、底部領域から離れた上部領域とを含み、プラズマ出力路１００２が底部領域の溝によって画定されるようになっている。プラズマ出力路１００２がゆえ、プロセスガスがホロカソードキャビティ９０４の中にあるときに、ホロカソード６０２，６０４，６０６内のガス圧をより高めることができる。
【００４３】
上述したように、本発明の実施形態による多相プラズマ源は、位相が互いにずれた３つのホロカソードすなわち三相でホロカソードが３つある実施形態を含むことができる。四相、五相または六相の実施形態といった他の実施形態も可能であり、一般に、ｎ相の実施形態（ｎは２より大きい）で多相ホロカソード配置を提供可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。追加のホロカソードと位相がずれた波を用いることで、所与のプロセスまたは用途に望ましい特性を持つプラズマを発生させることが可能になる。図９および図１０の実施形態に示す（かつ、後述する）ように、本発明の実施形態によるｎ相のホロカソード配置は、ｍ個のホロカソードを含むことができる（ここで、ｎはｍ以下である）。
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【００４４】
2018535532.tif 000004
【００４５】
【表１】
2018535532.tif 000005
【００４６】
図１２は、本発明の実施形態による６つのホロカソードと３つの相を含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。すなわち、本実施形態では、ｍ＝３、ｎ＝６である。ホロカソード配置１２００は、多相電源１２１０に接続されたホロカソード１１０２，１１０４，１１０６，１１０８，１１１０，１１１２を含む。多相電源１２１０は、３つの位相オフセット波１２２０，１２２２，１２２４を形成する。この実施形態では、波１２２０はホロカソード１１０２と１１０８、波１２２２はホロカソード１１０４と１１１０、波１２２４はホロカソード１１０６と１１１２に電力を供給する。いくつかの実施形態では、波１２２０、１２２２、１２２４はそれぞれ、同じ位相角（たとえば、１２０°）だけオフセットしている。図１２に示す実施形態では、隣接しない組み合わせである１１０２と１１０８、１１０４と１１１０、１１０６と１１１２は、互いに同相である。なぜなら、各組のホロカソードには、それぞれ同じ波１２２０、１２２２、１２２４から電力が供給されるためである。隣接する２つの位相が１２０°ずれている図１２に示す２つのホロカソード間の位相差を、以下の表に示す。
【００４７】
【表２】
2018535532.tif 000006
【００４８】
図１３は、等間隔である３つのホロカソードを含む多相ホロカソードプラズマ源を示す。配置１３００は、プラズマ出力路１００２がそれぞれ共通の線に向けられた３つのホロカソード６０２，６０４，６０６を含む（図１３は断面図であるので、それぞれの出力路が共通の点に向けられているように見える）。言うまでもなく、図１３に示す実施形態には、各ホロカソード（またはホロカソードのいくつかのサブセット）のプラズマ出力路が同じ線（または同じ線の組）に向けられるようにして、さらに他のホロカソードを様々な幾何学的構成で含むこともできる。いくつかの実施形態では、ホロカソード間（隣接しているホロカソード間および隣接していないホロカソード間）の距離が等しい。たとえば、図１３は、２つのホロカソード６０２と６０４との間の距離が、２つのホロカソード６０２と６０６、ホロカソード６０４と６０６との間の距離と実質的に同じであることを示している。いくつかの実施形態では、２つのホロカソード間の距離をホロカソードの中心から測定してもよいし、ホロカソードのプラズマ出力路から、あるいはホロカソードの中、上またはその付近の他の点から測定してもよい。図１３に示す実施形態または類似の実施形態を使用すると、たとえばワイヤーまたは光ファイバーのコーティングなど、二次元の基材にコーティングを施すことができる。たとえば、このような細長い基材を同じ方向に通すことで、２次元の基材に均一にコーティングを施すことができる。
【００４９】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の実施形態によるバイポーラホロカソードプラズマ源と多相ホロカソードプラズマ源の両方におけるホロカソード内とその周囲でのプラズマ形成の電子密度を示す。図示のとおり、ホロカソードキャビティの外側すなわち反応領域における電子密度のレベルはバイポーラ（図１４Ａ）と多相プラズマ源（図１４Ｂ）で同等であるのに対し、ホロカソードキャビティ内での電子密度は、多相プラズマ源よりもバイポーラプラズマ源の方が大幅に高い（図１４Ｂ）。
【００５０】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明の実施形態によるバイポーラホロカソードプラズマ源と多相ホロカソードプラズマ源の両方におけるホロカソード内とその周囲でのプラズマ形成のイオン密度を示す。図示のとおり、ホロカソードキャビティの外側すなわち反応領域におけるイオン密度のレベルはバイポーラ（図１５Ａ）と多相プラズマ源（図１５Ｂ）で同等であるのに対し、ホロカソードキャビティ内でのイオン密度は、多相プラズマ源よりもバイポーラプラズマ源の方が大幅に高い（図１５Ｂ）。
【００５１】
図１６Ａは、本発明の実施形態によるバイポーラホロカソードプラズマ源および多相ホロカソードプラズマ源の両方におけるホロカソードキャビティの壁に沿ったイオンの吸収量を示す。図示のとおり、ホロカソードキャビティの壁に沿ったイオンの吸収量は、多相プラズマ源よりもバイポーラプラズマ源の方が大幅に多い。また、同図は、ホロカソードキャビティの隅（指標値８、６３、８９、１４４）でイオンの吸収量が最低であることを示している。同図によれば、バイポーラ配置（この値は、たとえば、プラズマ源の稼働時に使用される電力レベルに応じて変化する）と比較して、多相配置のほうが吸収率は約８８％低い。
【００５２】
図１６Ｂは、図１６Ａのグラフに示すホロカソードキャビティの壁に沿った指標を示す。具体的には、図１６Ｂでホロカソードキャビティ６００の壁に沿って示された値は、図１６Ａにおけるｘ軸上の値に対応する（「キャビティ壁に沿った指標」）。
【００５３】
図１４から図１６Ｂは、バイポーラホロカソード配置（配置３００と同様）および多相ホロカソード配置（配置６００と同様）の両方をシミュレーションした結果として得られたものである。たとえば、図１４Ａおよび図１５Ａを参照すると、このバイポーラ配置は、真空チャンバ１４３０内に位置する２つのリニアホロカソード１４０２ａ、１４０４ａ（逆位相）を含む。原料マニホールド１４１０を通って原料ガスが流れる。反応領域１４２０でプラズマが形成される。ここで、図１４Ｂおよび図１５Ｂを参照すると、この多相配置には、真空チャンバ１４３０内に位置する３つのリニアホロカソード１４０２ｂ、１４０４ｂ、１４０６ｂ（互いに位相が１２０°オフセットしている）を含む。原料マニホールド１４１０を通って原料ガスが流れる。反応領域１４２０でプラズマが形成される。シミュレーションの設定について、以下でさらに説明する。ホロカソードキャビティでのプロセスガスにはアルゴンガスを使用した。本発明の実施形態によれば、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、キセノン、水素、フッ素、塩素およびそれらの混合物を含むが、これらに限定されない他のプロセスガスも使用できる。反応性のガスとしては、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、Ｎ２、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、ＳＨ２、他の硫黄系ガス、ハロゲン、臭素、リン系ガス、それらの混合物があげられる。
【００５４】
具体的には、図１４から図１６Ｂを参照すると、ホロカソードの外側にあるプラズマ生成領域におけるプラズマ密度は、２相配置と３相配置のどちらも同レベルであるのに対し、（プラズマ密度およびイオン密度、イオンの吸収量によって示される）ホロカソードキャビティ内の摩耗のレベルは、本発明の実施形態による３相配置のほうが大幅に少ない。本発明の実施形態では、これによって、バイポーラプラズマ源よりもホロカソードのほうが動作寿命を長くすることができる。動作寿命は、他の要因の中でも、プラズマ源がどのようなプロセスに使用されているかに依存する。ガラスコーティングに関連する一般的なＰＥＣＶＤの用途では、従来のバイポーラ配置と比較して、三相でホロカソードが３つある配置では、想定される動作寿命が約６０％の増加する形で改善されている。いくつかの実施形態では、これは寿命が約２００時間長くなることに等しく、たとえば、ベースライン３００時間に対して動作寿命５００時間と同等となり得る。この利点は、単にホロカソードを追加した結果ではなく、多相電力配置としたことによるものである。
【００５５】
本発明者らは、ホロカソードキャビティ表面でのスパッタリング量が、数値シミュレーションで決定されるホロカソードキャビティ表面での反応性イオンの吸収量に関連していることを見いだした。
【００５６】
ガス流とガス放電のシミュレーションに用いたシミュレーションソフトウェアは、ドイツのＢｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇにあるＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  ＩＳＴによって開発されたＰＩＣ−ＭＣと呼ばれるプログラムである。このソフトウェアでは、ガス流、磁場、プラズマのシミュレーションを組み合わせている。そこでは、ガス流のシミュレーションでは、直接シミュレーションモンテカルロ（ＤＳＭＣ）法が用いられ、磁場のシミュレーションでは境界要素法（ＢＥＭ）、プラズマシミュレーションではセル内粒子モンテカルロ法（ＰＩＣ−ＭＣ）が用いられている。
【００５７】
ホロカソードプラズマ源を横方向に１．０１６ｍｍ厚で切った切片である擬似２Ｄモデルを使用して、シミュレーションを行った。擬似２Ｄは、切片の厚みが小さく、それぞれの面に対して横方向に一定の周期で条件が適用されることを意味する。
【００５８】
シミュレーションには、プラズマを形成する多くの異なるガスを用いることができ、先の例ではアルゴンを使用した。計算時間を制限するために、コーティング原料としてＳｉ２Ｈ６を選択し、それによって生じうる反応のうち、以下の２つを選択した。
Ｓｉ２Ｈ６＋ｅ−  →  Ｓｉ２Ｈ４＋＋２Ｈ＋２ｅ−  （１）
Ｓｉ２Ｈ６＋ｅ−  →  ＳｉＨ３＋ＳｉＨ２＋Ｈ＋ｅ−  （２）
【００５９】
水素種は、シミュレーションに含めなかった。
【００６０】
入力パラメータの各セットについて、シミュレーションでは、異なる気相種（原子、イオン、分子、電子）が占有する空間全体における、それらの気相種の数と速度に関するデータが得られる。このデータから、密度やフラックスなど、何らかの値を計算することができる。ここで、フラックスとは、単位面積あたりの気相種の流動率である（単位：ｍｏｌ・ｍ-２・ｓ-１）。
【００６１】
もうひとつの有用な計算値として、表面で吸収されるフラックスがある。カソードキャビティ材料の何らかの固着係数があれば、その表面に向けられたイオンフラックスから、表面でのイオンの吸収量を計算することができる。バイポーラホロカソードの動作によって得られる結果をシミュレーションデータと相関させることにより、本発明者らは、シミュレーションモデルによれば実際のプラズマ源で観察されるデブリの形成、ひいてはキャビティの表面でのスパッタリングが、ホロカソードキャビティの表面におけるイオン化プラズマ種の吸収レベルに関連していることを見いだした。
【００６２】
アルゴンの吸収量は、使用したプラズマシミュレーションで容易に導き出される特性のひとつである。さらに、アルゴンの吸収量は、電極表面に入射する粒子フラックスとイオンエネルギーを示す有効な指標である。当業者であれば、イオンエネルギーと粒子フラックスが、スパッタリングや電極侵食といった物理的プロセスの引き金となる主な要因であることを理解するであろう。デブリは、近傍の表面からスパッタされる材料の堆積量とスパッタ率とのバランスが正味の堆積量に偏っている場合に発生する。この作用は、図１６Ａおよび図１６Ｂで観察できる。同図には、（シミュレーションによって）イオンの吸収量が最低であると判明した矩形電極の隅で正味の堆積量とスパッタが少ないことが示されている。
【００６３】
このようにシミュレーションでは実際のスパッタリング値を測定するわけではないが、本発明者らは、本明細書に記載する多相の実施形態でのスパッタリングまたは電極侵食の指標として、アルゴンの吸収値を使用した。
【００６４】
ホロカソードのキャビティ表面で吸収されるイオン化プラズマ種が低レベルであるということは、キャビティでのスパッタリングレベルが低く、デブリ形成が少ないことを意味する。図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、プロセスチャンバでのバイポーラプラズマ源と多相プラズマ源の両方のプラズマエネルギーが等しくなる大部分の電極表面において、バイポーラプラズマ源でスパッタリングと摩耗量が増大していた。バイポーラプラズマ源から材料がさらにスパッタリングされると、電極キャビティの隅やプラズマ源の外にある（浮遊しているか接地電位にあってスパッタリングの対象とならない）表面など、強いスパッタリングが生じていない表面に被着したときに、デブリをさらに増す可能性がある。こうしたデブリの性質および量は、電極の表面材料とプラズマガスとの組み合わせに大きく左右される。
【００６５】
別の重要な量として、発生する電子密度がある。電子密度は表面処理またはコーティング効率に大きな影響を与え、電子密度が高いほど表面処理またはコーティング効率も高くなる。本シミュレーションでは、プラズマ源を支持するチャンバ構造から２．５４ｍｍの距離に設定したライン上の真空チャンバで電子密度を決定し、これを平均した。
【００６６】
本発明者らは、驚くべきことに、位相が１２０°ずつシフトしている３つのホロカソードを用いた場合に、位相が１８０°シフトしている２つのホロカソードのある構成と比較して、カソードキャビティの表面で吸収されるイオン化プラズマ種のレベルが低くなることを見いだした。
【００６７】
本発明のこの実施形態によれば、本発明者らは、驚くべきことに、三相で３つのホロカソードを配置した場合と二相で２つのホロカソードを配置した場合では、ホロカソードの外側にある反応領域での電子密度は同じような強度であることを見いだした。これは、驚くべきことである。なぜなら、たとえば三相で３つのホロカソードを配置すると、２相で２つのホロカソードを配置するよりもプラズマが集中する面積が大きくなり、ホロカソード内での摩耗が減るからである。
【００６８】
当業者が本開示から理解するように、特定の配置を特定の用途に適するように設計してホロカソードおよび多相電力入力を他の多くの形で組み合わせることが可能である。
【００６９】
以上、さまざまな実施形態について説明したが、いずれも限定的なものではなく、単なる例示として示したものにすぎない点を理解されたい。したがって、本開示の範囲および意図は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。さらに、本明細書中で他に示されるか文脈から明らかに矛盾しない限り、すべての可能な変形例における上記の要素の任意の組み合わせが、本開示に包含される。
【００７０】
さらに、上記にて説明して図示したプロセスは、一連の工程として示されているが、これは説明の便宜上のものである。したがって、いくつかの工程を追加してもよいし、いくつかの工程を省略してもよく、工程の順序を変えたり、いくつかの工程を同時並行で実施したりしてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【国際調査報告】
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