(57)【要約】  カソード（２）と、カソードに対して環状に配置されそのカソードから離間して構成されたアノード（１）と、グロー放電によってカソードで電子を生成する手段と、少なくとも１つの開口（２５）を内部に有する抽出プレート（３）であって、その開口を通じて、生成した電子を使用時に抽出できる抽出プレートとを備える、プラズマブリッジ中和装置（１０）。
2012502419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、
そのカソードに対して環状に配置され該カソードから離れて構成されたアノードと、
グロー放電によって前記カソードで電子を発生させる手段と、
少なくとも１つの開口を内部に有し、その開口を通じて、発生した前記電子を使用時に抽出できる抽出プレートと、
を備える、プラズマブリッジ中和装置。
【請求項２】
前記アノードが、前記中和装置用のハウジングを形成している、請求項１に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項３】
前記アノードがステンレス鋼で形成されている、請求項１または請求項２に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項４】
前記カソードがチタンで形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項５】
前記抽出プレートがタンタルで形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項６】
前記アノードのうちグロー放電に曝される表面積と、前記カソードのうちグロー放電に曝される表面積との比が、約３：１から約２：１、好ましくは約２．４：１から約２．５：１である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項７】
前記カソードが、その中を通る複数の開口を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項８】
金属ボルトが、前記アノードを貫通し前記カソード中に入る、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項９】
前記ボルトがチタンで形成される、請求項８に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【請求項１０】
前記アノードを電気的および物理的に前記カソードから分離するために、絶縁体が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマブリッジ中和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマブリッジ中和装置に関する。詳細には、イオンビームの外側からイオンビーム中に電子フラックスを吹き込むプラズマブリッジ中和装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な技術で非常に薄い膜が必要とされる。これらの薄膜は、一般に、厚さが数ミクロンまたはそれどころか数ナノメートルである。イオンビームはしばしばこれらのフィルムの作製または処理に用いられる。イオンビームの使用はよく知られているが、一般に、高エネルギー陽イオンの流れによって基板またはその部品を照射するものである。イオンビームが基板または目標物の表面に衝突する場合、その表面は帯電する。衝突を受ける基板または目標物が導電性である状況では、表面の帯電は問題ではない。
【０００３】
多くの最終使用は、陽イオンビームによって処理および照射される基板または目標物の全面的または部分的な絶縁を必要とする。こうした状況では、電荷が蓄積する可能性がある。このように電荷が蓄積されると様々な問題が生じるおそれがある。
【０００４】
特に、絶縁表面上に電荷が蓄積すると単極アークが生じることがあり、これにより、損傷が生じ、微粒子が発生する可能性がある。デバイスが影響を受け易い場合、そのデバイスを介して蓄積した電荷の放電が元に戻せない損傷につながるおそれがある。さらに、イオンビームの照射は正に帯電したイオンの流れを含むので、デバイスの表面上に蓄積した電荷は照射が不均一になることがあり、それにより、処理が妨害され、最終的に、望ましくない歪みが生じ、製品の品質が低下する。最悪の状況では、システムが完全に故障することがある。
【０００５】
上記の問題を克服するために、電子源を使用し、可動電子がイオンビーム中に導入される。これらの電子は質量が陽イオンより４桁小さく、したがって、イオンビーム内で簡単に運ばれ、イオンビームによって照射された表面に蓄積した電荷があればその電荷を効果的に中和するように働く。
【０００６】
可動電子を生成する様々な方法が知られている。それらの電子を生成する基本的な方法は、陽イオンビーム内に浸漬されたフィラメントからの熱電子放出によるものである。その方法は用途によっては有用であるが、フィラメントから放出された望ましくない微粒子によってデバイスが覆われ汚染されていくという問題があるので、一般に商業的には使用されていない。さらに、フィラメントの寿命は、商業的用途に受け入れられないほどに短いことがある。実際に、耐用年数は全く予測できない場合がある。
【０００７】
浸漬フィラメントに関係する問題に対処するために、プラズマブリッジ中和装置として知られる遠隔デバイスが商業的用途で使用されている。それらのデバイスは、陽イオンビーム中にビーム境界外側から電子フラックスを吹き込むために使用される。
用語「プラズマブリッジ」はプラズマプルームから生じるものであり、そのプラズマプルームは、デバイスがイオンビームに事実上接続されるときに電子源とイオンビーム境界との間の空間を架橋する。既知のプラズマブリッジは、次の点で、基本的な方法における浸漬フィラメントとは異なる：すなわち、フィラメントが別々の容器中で孤立しており、その別々の容器中から電子の流れが電気バイアスの印加によって小型開口を通じて抽出される点である。この構成は、フィラメントの汚染に関連する問題には首尾よく対処するが、フィラメントの耐用年数が予測不能であるという問題は解決していない。
【０００８】
上記の問題に対処するための代替の手法は、フィラメントの無いプラズマブリッジ中和装置を使用することである。これらの中和装置は、電子ビームを生成するためにグロー放電技法に依存する。電子をそこから抽出できるグロー放電を行う方法は、ｄｃ中空カソード、無線周波数（ＲＦ）、またはマイクロ波励起を含む。それらの構成はフィラメントを使用しないので、フィラメントの短い寿命に関連する問題が未然に防止される。しかし、そのシステムはこの問題には対処するが、そのシステム自体の不利点および欠点がある。
【０００９】
商業的な用途では、どの振動技法を選択しても、動作が信頼でき予測可能なものでなければならない。さらに、堆積装置内の空間制約によって、プラズマブリッジ中和装置に使用できる装置の寸法が制限される。したがって、空間的制約と、必要なレベルの電子の流れを供給できることとの間の、対処すべき相反する事柄がある。これに関して、何百時間もの間、信頼できる連続した動作をしながら、中和装置は少なくとも２５ｍＡの出力を供給する必要があることに留意されたい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、公知の構成に関連した問題を克服する、代替の好ましくは改善型のプラズマブリッジ中和装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、カソードと、カソードに対して環状に配置されそのカソードから離れる構成されたアノードと、グロー放電によってカソードで電子を発生する手段と、少なくとも１つの開口を内部に有しその開口を通じて発生した上記電子を使用時に抽出できる抽出プレートと、を備えるプラズマブリッジ中和装置が提供される。
【００１２】
カソードは略円形の断面であって、アノードは従来のカソードの周りの円環であってもよいが、任意の断面のカソードを使用でき同様にアノードも任意の適切な構成であってもよいことが理解されよう。本出願のためにこのことを考慮して、用語「環状」は、カソードの側部を囲む何らかの任意の構成を意味すると解釈されるべきである。
【００１３】
アノードおよびカソードがハウジング内に含まれていてもよく、好ましい構成では、アノードがハウジングを形成してもよい。
【００１４】
本発明の中和は、環状中空カソードの放電の刺激および持続可能性をもたらす。これを維持することによって、環状の放電熱は簡単にアノードに放散される。
【００１５】
一構成では、アノードは、カソードの側部の周りおよびカソードのうち抽出プレートから離れている方の端部の周りに延在する。抽出プレートはアノードに直接連結されてもよい。
【００１６】
アノードは任意の適切な材料で形成できる。一構成では、アノードはステンレス鋼から構成される。カソードは任意の適切な材料で形成できる。一般に、カソードは耐火金属から形成される。一構成では、カソードをチタンで形成することができる。抽出プレートは任意の適切な材料で形成できる。その材料は、一般に、軟質で耐火性の金属である。適切な材料のひとつはタンタルである。軟質材料の使用は、適切な気密シールの形成を助ける。ワッシャが使用されてもよく、シールを改善するためにそのワッシャをグラファイトで形成することができる。
【００１７】
アノードおよびカソードはそれぞれ任意の適切な寸法であってもよい。一構成では、カソードの長さはアノードより短く、それにより、組立時にカソードがそのカソードの前方に延在して、カソードと抽出プレートとの間に空間が生じる。カソードに対するアノードの相対寸法は、任意の適切な値であってもよい。一構成では、アノードのうちグロー放電に曝される表面積と、カソードのうちグロー放電に曝される表面積の比は、約３：１から約２：１、好ましくは約２．４：１から約２．５：１である。しかし、カソードは動作中に腐食し、そうなると、比は上昇し、約４：１を超える程度になることがある。カソードに対するアノードの質量の比は、使用する材料に応じて変わるが、アノードがステンレス鋼から形成され、カソードがチタンから形成されている実施形態に関しては、その比は２０：１程度であってもよい。
【００１８】
一構成では、カソードの直径は約２０から約２４ｍｍ、好ましくは約２２ｍｍでよく、アノードの外径は、約４０から約４４ｍｍ、好ましくは約４２ｍｍであってもよい。円形以外の断面を有するアノードおよびカソードが使用されているときは、寸法は、概して、上記で与えられたものと同様の呼び寸法である。
【００１９】
任意の適切な長さのアノードおよびカソードを用いることができる。一構成では、カソードの長さは約８ｍｍから約１２ｍｍでよく、約１０ｍｍが特に好ましい。アノードの長さは約３６から約４０ｍｍでよく、約３８ｍｍが特に好ましい。
【００２０】
プラズマブリッジ中和装置は管内に配置されてもよく、薄膜堆積装置中への中和装置の配置が可能になる。その管は、任意の好都合な断面、任意の適切な寸法であってもよいが、その管は、内径が本発明の中和装置の外径よりわずかに大きい内径を有していてもよく、したがって、約４８ｍｍから約５２ｍｍ程度でよく、約５０ｍｍが特に好ましい。管の全長は、本発明の中和装置だけでなく中和装置の制御および動作のための補助的な機構をも収容する、約３５０から約３７５ｍｍ、好ましくは約３６０から約３７０ｍｍ程度であってもよい。したがって、従来技術デバイスに関連した空間的問題に対処されていることが認識されよう。
【００２１】
カソードは、中実であってもよいが、好ましい構成ではその中を長手方向に通る複数の開口を有する。こうしたカソードは中空カソードとして知られている。それらの開口は、任意の適切な寸法および配置であってもよい。一構成では、開口は断面が円形でよく、直径が約５ｍｍ程度であってもよい。
【００２２】
アノードとカソードとの間の間隔は任意の適切な寸法であってもよい。一般に、それは、カソード自体の内部で単独で起きる内部中空グロー放電を促進するように小さくなるよう、選択される。しかし、約１ｍｍ未満程度の非常に小さい空間では問題が生じることがある。ある表面から別の表面へのスパッタリングの影響により、材料はアセンブリの内側に沿って移動する。これにより、樹木状の針として知られたデブリが蓄積し、それらが２つの電極の間の隙間を架橋する。これを低減させるために、通常、隙間は約１ｍｍから約１０ｍｍ程度であり、約５ｍｍ程度の隙間が特に好ましい。
【００２３】
材料の接着を強化するために、中和装置アセンブリの内面が粗面化されていてもよい。粗面化は、任意の適切な手段によって実現することができる。一構成では、ビードブラストを用いて表面を粗面仕上げすることができる。こうした技術は、真空堆積装置の準備では一般的な手法である。
【００２４】
カソードは、通常、高圧電源、通常はｄｃ電源を備えており、その電源は、放電を起こし電子を形成するのに十分にカソードを振動させるのに必要とされる。こうした電源は、アノードを貫通しカソード中に至る金属製のボルトを介して設けられていてもよい。ボルトを任意の適切な材料から形成することができる。ステンレス鋼を用いることができるが、使用中に劣化し、最終的に故障する可能性がある。好ましい構成では、チタンまたは同様の金属を使用することができる。
【００２５】
アノードがカソードの端部のうち抽出プレートから離れている方の端部の周りで延在する場合、１つまたは複数の絶縁体を使用して、電気的および物理的にアノードをカソードから分離することができる。絶縁体は、任意の適切な材料で形成できる。セラミック材料が特に適切な場合がある。適切なセラミックにはアルミナ、磁器または凍石岩が含まれる。熱伝導が良好な絶縁材料が必要な場合は、窒化アルミニウムを使用することができる。アノードバイアスは比較的低く典型的には約２４Ｖ程度なので、アノードを地面から孤立するために、陽極酸化アルミニウムを使用することもできる。
【００２６】
ワッシャおよび／またはシールを使用することもできる。ワッシャおよび／またはシールがそれから形成される材料は、中和装置内の環境に耐えるように選択される。グラファイトは適切な材料とすることができる。
【００２７】
ワッシャおよび／または空間を使用して、カソード表面と存在可能な任意の絶縁体との間に小さい隙間を作り出すことできる。動作の際、絶縁体は導電性材料で被覆することができる。隙間またはアンダーカットの使用は、アノードとカソードとの間に導電性パスを作るのにかかる時間を延ばし、それにより中和装置の寿命が延びる。
【００２８】
本発明の構成は、空間的な要件を満たすだけでなく、高い電子フラックス出力の供給も行い、これにより、１つまたは複数の構成要素の過熱および溶融のリスクが低減され、また、従来実現可能であった寿命より大幅に寿命を延ばす。どんな理論にも縛られたくはないが、動作の寿命を延ばす鍵は熱を除去する手段であると考えられる。本発明の構成では、カソードは良好に孤立しており、主として放射によって熱を失う。環状の放電が存在するような構成とすることによって、熱負荷の大部分がより簡単に熱を放散（本体および支持プレートからの放射および伝導の両方）できるアノード上にあることとなる。アノードからの熱は、存在する場合は、ヒートシンクとして作用する管の支持チャンバに戻るように伝わる。したがって、本構成により、放射、伝導およびコンベンションによる熱損失が可能になる。熱の放散のためのこうした通路を可能にすることによって、カソードを溶融させる虞がある過熱のリスクなしに、高い電子出力を維持することが可能である。 
【００２９】
支持プレートを使用する場合、そのプレートは、中和装置の物理的な重さを負担し、アノードバイアスを伝える必要がある。支持プレートは一般に接地されている。支持プレートをセラミック材料で形成できる。適切なセラミック材料には、絶縁体に関連して上記で特定したものが含まれる。支持プレートは、アノードの電位でよく、絶縁体を貫通するボルトを用いて、接地された支持フランジ、および真空境界につなぐことができる。それら陽極酸化アルミニウムから形成することができ、この理由は、陽極酸化アルミニウムは電気的に孤立させるが比較的熱伝導が高いためである。
【００３０】
動作の際、中和装置は、抽出プレートの１つまたは複数の開口から電子のプルームを放出する。適切な開口には、直径約１ｍｍの開口が含まれる。陽イオンの場合と比べて電子の電流密度が高いときには、単一の開口を使用することができる。一構成では、抽出プレートは複数の開口を含んでいてもよい。複数の開口が使用される場合、それらは、カソード中の対応する開口と整列するように配置されてもよい。例えば、４つの開口を、カソード中の４つの開口と位置合わせして配置することができる。一構成では、開口を、カソードの外周に沿った環状の空間と位置合わせすることができる。
【００３１】
アノードの２つ以上の面からの電子の抽出を可能にするようにカソードを取り付けることも可能である。使用する場合、こうした構成は、中和装置が２つ以上の別々のイオンビームに同時に向けられた電子フラックスを供給することが簡単に可能になるという利点を有する。その装置は、抽出プレートが平行ではなく互いにある角度で配置された面から放出を与えるように構成されていてもよい。各放出面を、単一の放出用開口、または複数の放出用開口を有するように構成することができる。カソードおよびアノードの詳細な設計を、電子プルームをその中に放出する必要がある形状に合うように変更することができることが理解されよう。
【００３２】
完全な処理モジュールのために、トータルのガス負荷の予算が難しくなるおそれがあることが理解されよう。 したがって、特定の状況では、中和装置からのガス負荷を最小限に抑えることが有利である。浸漬されたフィラメントを用いた従来技術の構成では、浸漬フィラメントがバックグラウンドガスを使用しながら動作し、専用のガス流は必要としないという利点があることが理解されよう。本発明の中和装置は電気的なグロー放電の生成に依存するので、ガスの流れが必要であり、ガスの浸入を可能にする適切な手段が提供される。原則、アノードからの唯一の出口は抽出プレートの放出開口であってもよい。実際は、開口プレートは気密封止のシールもカソードフィードスルーも形成しないこともある。したがって、コスト要件とのバランスをとりながらこれらの領域でシーリングを最大にすることが望ましい。
【００３３】
次に、本発明を、添付の図面を参照しながら例示によって説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の中和装置を通る概略断面図である。
【図２】本発明の中和装置を通る詳細断面図である。
【図３】堆積装置に挿入するために管中に配置された本発明の中和装置を示しており、補助的な装置が示されている。
【図４】図２の構成の前端面図である。
【図５】抽出プレート中の開口の配置のいくつかの例の図である。
【図６】２つの方向に電子プルームを放出するプラズマブリッジ中和装置の概略図である。
【図７】抽出プレートとアノードとの間のシールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１に概略的に示すように、本発明のプラズマブリッジ中和装置は、ステンレス鋼製のアノード１と、チタン製のカソード２と、開口付きのタンタル製抽出プレート３とを備えている。抽出プレート３は、適切な締め具４でアノード１に連結されている。図の抽出プレートは単一の開口２５を有しており、その開口２５を通じて電子が放出される。カソードの周りおよびその上下に空間５が延在している。チタンボルト６は、アノード１とカソード２を適位置に保持するのに使用されている。このボルトは２つの機能を果たす。ボルトは、カソードを適位置に支持するとともに高圧電源をカソードに接続する。絶縁体７、８、９は、アノード１を電気的および物理的にカソード２から分離するために存在している。
【００３６】
図１には示していないが、空間を塞ぐためにワッシャが使用されてもよい。ワッシャはカソードの表面と絶縁体との間に隙間を形成する。
【００３７】
図２には、ワッシャ１１、１２、１３が示されている。ワッシャ１３によって形成された隙間も見られる。ガス入口１４が設けられている。
【００３８】
図３は、管１５の内部に配置された中和装置１０を示している。ガス入口１４は、ガスフィードスルー１６、１７に連結されており、これらは可撓性のホース１８で互いに連結されている。安全スイッチ１９が設けられている。管１５内には支持バー２０が配置されている。クランプ２１、２２が設けられており、これらはシール２３、２４を含んでいる。
【００３９】
図４は、前端から見た管１５を示しており、その前端を通って電子が放出される。
【００４０】
図５は、抽出プレートの開口の位置のいくつかの例の図である。
【００４１】
代替の実施形態では、本発明のプラズマブリッジ中和装置１０が図６に概略的に示されている。この構成では、それぞれ対応する開口２５ａ、２５ｂを有するように２つの抽出プレート３ａ、３ｂが示されている。
【００４２】
電子プルーム３０ａ、３０ｂがそれぞれの開口から放出される。
【００４３】
図７は、締め具４によってアノード１に連結された抽出プレート３の詳細を示している。この構成では、クランプリング５０がアノードの周りで延在するように使われており、これによりアノードの外周全体にわたるクランピングが生じる。これをさらに図４に示す。
【図１】
2012502419.tif 000003
【図２】
2012502419.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012502419.tif 000006
【図５】
2012502419.tif 000007
【図６】
2012502419.tif 000008
【図７】
2012502419.tif 000009
【国際調査報告】
2012502419.tif 000010
2012502419.tif 000011
2012502419.tif 000012