JP2021502688A - 線形化されたエネルギーの無線周波数プラズマイオン供給源 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2017年11月13日に出願された「Linearized Energetic Radio-Frequency Inductive Plasma Ion Source」という表題の米国仮特許出願第62/585,126号、および、2018年11月8日に出願された「Linearized Energetic Radio-Frequency Plasma Ion Source」という表題の米国特許出願第16/184,177号の利益を主張し、それらの文献の完全な開示は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれている。
・ イオンビームのプラスの空間電荷を補償するための二次的なまたは補助的な電子供給源の必要性なしに、自己中和されたイオンビームを発生させるRFプラズマイオン供給源;
・ イオン電流密度(すなわち、イオンフラックス)およびイオンエネルギーの独立した制御ができるRFプラズマイオン供給源;
・ 基板バイアシングの必要性なしに、エネルギーイオンビームを発生させるように構成されており、したがって、大面積の可動基板上に膜を堆積させるのに適切なRFプラズマイオン供給源;
・ たとえば、それに限定されないが、引っ掻き抵抗性、硬度、疎水性などのような、有益な特性を提供するために、膜核形成および成長の間にエネルギーイオン衝撃を必要とする膜を堆積させることができるRFプラズマイオン供給源;
・ メンテナンスなしに長期間の動作にわたって(たとえば、数十時間以上)電気的に絶縁性のコーティングまたは膜を堆積させるときに、安定した動作ができるRFプラズマイオン供給源。
単なる例として、および、限定ではなく、図3に示されている例示目的のプラズマイオン供給源300を使用してガラス基板の上部表面上に形成されたDLCコーティングが、さらに詳細に下記に示されている。この例に関して、プラズマイオン供給源300は、約635mmの合計長さおよび約178mmの幅を有するということが仮定される。抽出グリッド334とガラス基板の上部表面との間の距離は、約172mmに固定された。アルゴンフィードガスは、約80毎分標準立法センチメートル(sccm)のレートで、セラミックマルチボア酸化アルミニウムフィードチューブ310を介して、プラズマイオン供給源300に供給された。プリカーサーガスは、約431mmの長さおよび約305mmの幅を有する静止した非磁性ステンレス鋼基板ホルダーに隣接して配設されている、約483mmの長さを有するプリカーサーガスフィードチューブを介して、真空チャンバーに供給された。プリカーサーガスフィードチューブは、基板ホルダーの上部表面の前に約83mmの距離に配置され、プラズマイオン供給源300の抽出グリッド334の前に約171mmの距離に配設された。プリカーサーガスは、100%ブタンであった。
図7は、本発明の例示目的の実施形態による、図6に示されている例示的なプラズマイオン供給源602からの抽出されたイオン電流密度に対する、バイアス電圧およびバイアス電圧のパルス周波数の影響を示すグラフ700である。図7に示されているグラフ700によって表されている結果は、基板(図6の符号640)の前におおよそ4インチの距離において、抽出グリッドアセンブリ(図6の符号638)の下流に配設されているファラデーカッププローブを使用して取得された。ファラデーカップは、プラズマイオン供給源(図6の符号602)から抽出されたイオン電流密度(μΑ/cm2)を測定する。測定されたイオン電流密度は、図7のグラフ700に図示されているように、バイアスパワー供給部(図6の符号630)の複数の異なるパルス周波数(KHz)、すなわち、300KHz、200KHz、100KHz、50KHz、および0KHz(すなわち、DC)に関して、バイアス電圧レベル(ボルト)に対してプロットされた。この例では、プラズマイオン供給源602は、フィードガスとしてアルゴンによって動作させられ、フィードガスは、ガスフィードチューブ634(図6)を通して送達された。RF発生器618(たとえば、Advanced Energy Litmas(登録商標) RPS 1501)は、誘導アンテナ610(図6)に1,000ワットを送達した。ファラデーカッププローブによって収集されたイオン電流密度が、真空チャンバーの外側に配設されている電流計によって記録された。
図8は、本発明の例示目的の実施形態による、図6に示されている例示的なプラズマイオン供給源602からのイオンエネルギーに対するバイアス電圧の影響を示すグラフ800である。図8に示されているグラフ800によって表されているイオンエネルギー分布(dl/dE)結果は、基板(図6の符号640)の前に抽出グリッドアセンブリ(図6の符号638)の下流に配設されている、たとえば、Dublin、IrelandのImpedans Ltd.によって製造されるリターディングフィールドエネルギーアナライザー(RFEA)を使用して、イオンエネルギー(eV)を測定することによって取得された。プラズマイオン供給源602(図6)は、誘導アンテナ610(図6)に印加された500ワットのRFパワーによって、15mTorrの動作圧力における80sccmのアルゴンフィードガス流量によって動作させられた。
102 プラズマイオン供給源
104 基板
106 輸送メカニズム
108 プラズマチャンバー本体部
110 入口部
112 フィードガス
113 プリカーサーガス
114 プリカーサーガス入口部
116 マニホールド
118 薄膜コーティング
200 プラズマイオン供給源
202 プラズマチャンバー本体部
204 絶縁性真空フランジ
206 真空チャンバー嵌合フランジ
208 グリッド抽出アセンブリ
210 導電性のロッド
300 プラズマイオン供給源
302 プラズマチャンバー本体部
304 冷却チャネル
306 供給源フランジ
308 冷却チャネル
310 入口部
312 誘導アンテナ
314 巻線
316 プラズマ放電
318 酸化アルミニウムチュービング
320 真空嵌合フランジ
322 冷却チャネル
324 誘電体真空遮断部
326 真空チャンバードア
328 冷却チャネル
330 静電シールド
332 アフターグロープラズマ
334 抽出グリッド
336 グリッドアセンブリ
338 プラズマイオンビーム
400 プラズマイオン供給源
402 プラズマチャンバー本体部
404 冷却チャネル
406 抽出グリッド
408 抽出グリッドアセンブリ
500 プラズマイオン供給源
502 電磁石
504 磁力線
506 磁界
600 インラインコーターまたはボックスコーターシステム
602 プラズマイオン供給源
604 プラズマチャンバー本体部
606 真空チャンバー
608 誘電体真空遮断嵌合フランジ
610 誘導アンテナ
612 銅チュービングリード
614 真空シール
616 電気的な接続部
618 RF発生器
620 RF電圧分割器
622 バイアスミキサー
624 同軸の接続部
626 同軸のケーブル
628 同軸のケーブル
630 バイアスパワー供給部
632 同軸のケーブル
634 ガスマニホールド
636 プラズマイオンビーム
638 抽出グリッドアセンブリ
640 基板
642 プリカーサーガス
644 プリカーサーガスマニホールド
802 イオンエネルギー分布波形
804 イオンエネルギー分布波形
806 イオンエネルギー分布波形
Claims (25)
- 線形化されたエネルギーのプラズマイオン供給源であって、前記プラズマイオン供給源は、
真空チャンバーから電気的に隔離されているプラズマチャンバー本体部であって、前記プラズマチャンバー本体部は、前記真空チャンバーに取り付けられており、前記プラズマチャンバー本体部は、前記プラズマイオン供給源の電極としての役割を果たし、前記プラズマチャンバー本体部に印加されるバイアス電圧を受け入れるように適合されている、プラズマチャンバー本体部と;
誘導アンテナであって、前記誘導アンテナは、前記プラズマチャンバー本体部の内部に配設されており、電磁エネルギーの供給源を前記プラズマチャンバー本体部の内部に供給するように構成されており、前記誘導アンテナは、前記誘導アンテナに供給される無線周波数(RF)電圧に応じて、前記誘導アンテナの中に閉じ込められているプラズマ放電を持続させており、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧は、前記プラズマ放電の中の荷電種に静電電位を供給する、誘導アンテナと;
前記プラズマチャンバー本体部における前記誘導アンテナの反対側の端部に配設されている抽出グリッドであって、前記抽出グリッドは、前記真空チャンバーと同じ電位になっており、前記抽出グリッドと前記プラズマチャンバー本体部との間の電位差は、前記プラズマ放電の中の前記荷電種を前記抽出グリッドから外へ加速させ、出力準中性プラズマイオンビームを発生させるように構成されている、抽出グリッドと;
を含み、
前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧は、パルス状の直流(DC)電圧と組み合わせられた、前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧の一部分を含む、プラズマイオン供給源。 - 前記プラズマチャンバー本体部は、電気伝導性の材料から形成されており、実質的に中空の直方体として形状決めされている、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマチャンバー本体部は、前記プラズマチャンバー本体部と前記真空チャンバーとの間に配設されている絶縁性真空フランジを使用して、前記真空チャンバーから電気的に隔離されている、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記絶縁性真空フランジは、剛性を有するセラミック材料、剛性を有するポリマー材料、および、剛性を有するガラス状材料のうちの少なくとも1つを含む、請求項3に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記絶縁性真空フランジは、1.0メガヘルツにおいて約3.0よりも大きい誘電率を有する、1.0メガヘルツにおいて約0.0015よりも小さいRF散逸因子を有する、約150メガパスカルよりも大きい圧縮応力を有する、かつ、約1014ohm−cmよりも大きい体積抵抗率を有する、剛性材料を含む、請求項3に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマイオン供給源は、少なくとも1つの冷却チャネルをさらに含み、冷却流体またはガスが、前記少なくとも1つの冷却チャネルを通って流れ、前記少なくとも1つの冷却チャネルは、前記プラズマチャンバー本体部の少なくとも1つの側壁部と熱的接触して配設されており、前記冷却チャネルは、前記プラズマチャンバー本体部から離れるように熱を伝達するように適合されている、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記少なくとも1つの冷却チャネルは、前記プラズマチャンバー本体部の前記少なくとも1つの側壁部の中へ一体化されていること、および、前記プラズマチャンバー本体部の前記少なくとも1つの側壁部の外部表面に取り付けられていることのうちの少なくとも1つである、請求項6に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記抽出グリッドは、
複数の電気伝導性のロッドと;
抽出グリッドアセンブリであって、前記抽出グリッドアセンブリは、開口部を有しており、前記複数の電気伝導性のロッドを支持するように適合されており、前記複数の電気伝導性のロッドは、前記抽出グリッドアセンブリの前記開口部を横切って分配されている、抽出グリッドアセンブリと;
を含む、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。 - 前記複数の電気伝導性のロッドは、前記プラズマチャンバー本体部から電気的に隔離されている、請求項8に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマイオン供給源は、前記誘導アンテナを取り囲む静電シールドをさらに含み、前記静電シールドは、前記誘導アンテナと前記プラズマチャンバー本体部との間に配設されている、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記誘導アンテナは、複数の巻線を含み、前記誘導アンテナは、前記プラズマチャンバー本体部の形状に実質的に対応する形状を有している、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記誘導アンテナの前記巻線は、中空の導電性の材料から形成されており、冷却流体またはガスが、前記誘導アンテナから離れるように熱を伝達するために、前記中空の導電性の材料を通って流れる、請求項11に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記誘導アンテナの前記巻線の第1の部分は、前記プラズマチャンバー本体部の中に配設されており、前記誘導アンテナの前記巻線の第2の部分は、前記プラズマチャンバー本体部の外部に配設されており、前記プラズマ放電は、前記巻線の前記第1の部分同士の間の内部スペースの中に閉じ込められており、前記誘導アンテナは、前記プラズマ放電にさらされる前記巻線の少なくとも前記第1の部分を包む電気絶縁体を含み、前記電気絶縁体は、前記誘導アンテナの前記巻線をスパッタリングされることから保護する、請求項11に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記巻線の少なくとも前記第1の部分を包む前記電気絶縁体は、前記誘導アンテナの前記巻線の少なくとも前記第1の部分を取り囲む酸化アルミニウムチュービングを含む、請求項13に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記誘導アンテナは、前記プラズマチャンバー本体部から電気的に隔離されている、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマイオン供給源は、前記バイアスミキサーと連結されている電圧分割器をさらに含み、前記電圧分割器は、前記誘導アンテナに印加される前記RF電圧を受け入れるように構成されており、また、弱められたRF電圧を発生させるように構成されており、前記弱められたRF電圧は、前記パルス状のDC電圧と組み合わせられるときに、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧を形成する、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記電圧分割器は、第1のシールドされた接続部および第2のシールドされた接続部をそれぞれ使用して、前記バイアスミキサーおよび前記誘導アンテナと連結されており、前記バイアスミキサーは、第3のシールドされた接続部を使用して、前記プラズマチャンバー本体部と連結されている、請求項16に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記バイアスミキサーは、前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧の前記一部分および前記パルス状のDC電圧を組み合わせるように構成されており、前記出力準中性プラズマイオンビームのイオン電流密度およびイオンエネルギーが独立して制御されるようになっており、前記イオン電流密度は、前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧の前記一部分に応じて制御され、前記イオンエネルギーは、前記パルス状のDC電圧に応じて制御される、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記抽出グリッドは、少なくとも1つの冷却チャネルを含み、冷却流体またはガスが、前記少なくとも1つの冷却チャネルを通って流れ、前記冷却チャネルは、前記抽出グリッドから離れるように熱を伝達するように適合されている、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマイオン供給源は、前記プラズマチャンバー本体部の周りに配設されている電磁石および永久磁石アレイのうちの少なくとも1つをさらに含み、前記電磁石および前記永久磁石アレイのうちの前記少なくとも1つは、前記プラズマチャンバー本体部の内部に磁界を発生させ、前記磁界は、前記誘導アンテナによって発生させられる前記プラズマ放電のプラズマ密度を増加させる、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- プリカーサーガスとともに前記プラズマイオン供給源を利用するときの薄膜コーティングの堆積レートは、前記電磁石および前記永久磁石アレイのうちの前記少なくとも1つによって発生させられる前記磁界に応じて選択的に制御される、請求項20に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマチャンバー本体部は、前記プラズマチャンバー本体部の内部にフィードガスを導入するための少なくとも1つの入口部を含み、前記プラズマ放電は、前記フィードガスから発生させられる、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- 前記プラズマイオン供給源は、前記プラズマチャンバー本体部と連結されているバイアスミキサーをさらに含み、前記バイアスミキサーは、前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧の一部分をパルス状の直流(DC)電圧と組み合わせ、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧を発生させる、請求項1に記載のプラズマイオン供給源。
- プラズマ強化型化学的気相堆積によって大面積にわたって薄膜コーティングを堆積させるための装置であって、前記装置は、
線形化されたエネルギーのプラズマイオン供給源であって、前記プラズマイオン供給源は、
真空チャンバーから電気的に隔離されているプラズマチャンバー本体部であって、前記プラズマチャンバー本体部は、前記真空チャンバーに取り付けられており、前記プラズマチャンバー本体部は、前記プラズマイオン供給源の電極としての役割を果たし、前記プラズマチャンバー本体部に印加されるバイアス電圧を受け入れるように適合されている、プラズマチャンバー本体部;
誘導アンテナであって、前記誘導アンテナは、前記プラズマチャンバー本体部の内部に配設されており、電磁エネルギーの供給源を前記プラズマチャンバー本体部の内部に供給するように構成されており、前記誘導アンテナは、前記誘導アンテナに供給される無線周波数(RF)電圧に応じて、前記誘導アンテナの中に閉じ込められているプラズマ放電を持続させており、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧は、前記プラズマ放電の中の荷電種に静電電位を供給する、誘導アンテナ;および、
前記プラズマチャンバー本体部における前記誘導アンテナの反対側の端部に配設されている抽出グリッドであって、前記抽出グリッドは、前記真空チャンバーと同じ電位になっており、前記抽出グリッドと前記プラズマチャンバー本体部との間の電位差は、前記プラズマ放電の中の前記荷電種を前記抽出グリッドから外へ加速させ、準中性プラズマイオンビームを発生させるように構成されている、抽出グリッド;
を含む、プラズマイオン供給源と;
前記プラズマイオン供給源と連結されているRF発生器であって、前記RF発生器は、前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧を発生させる、RF発生器と;
前記プラズマイオン供給源と連結されているバイアスミキサーであって、前記バイアスミキサーは、前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧の一部分をパルス状の直流(DC)電圧と組み合わせ、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧を発生させる、バイアスミキサーと;
前記バイアスミキサーと連結されているバイアスパワー供給部であって、前記バイアスパワー供給部は、前記バイアスミキサーに供給される前記パルス状のDC電圧を発生させる、バイアスパワー供給部と;
前記プラズマイオン供給源とコーティングされることとなる基板表面との間に配設されているプリカーサーガスマニホールドであって、前記プリカーサーガスマニホールドは、前記装置に供給されるプリカーサーガスを受け入れるように適合されており、前記プリカーサーガスは、前記プラズマイオンビームと相互作用し、前記基板表面上に前記薄膜コーティングを堆積させる、プリカーサーガスマニホールドと;
を含む、装置。 - 大面積の基板表面上に薄膜コーティングを堆積させるための線形化されたエネルギーのプラズマイオンビームを発生させるための方法であって、前記方法は、
プラズマイオン供給源を提供するステップであって、前記プラズマイオン供給源は、
真空チャンバーから電気的に隔離されているプラズマチャンバー本体部であって、前記プラズマチャンバー本体部は、前記真空チャンバーに取り付けられており、前記プラズマチャンバー本体部は、前記プラズマイオン供給源の電極としての役割を果たし、前記プラズマチャンバー本体部に印加されるバイアス電圧を受け入れるように適合されている、プラズマチャンバー本体部;
誘導アンテナであって、前記誘導アンテナは、前記プラズマチャンバー本体部の内部に配設されており、電磁エネルギーの供給源を前記プラズマチャンバー本体部の内部に供給するように構成されており、前記誘導アンテナは、前記誘導アンテナの中に閉じ込められているプラズマ放電を持続させており、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧は、前記プラズマ放電の中の荷電種に静電電位を供給する、誘導アンテナ;および、
前記プラズマチャンバー本体部における前記誘導アンテナの反対側の端部に配設されている抽出グリッドであって、前記抽出グリッドは、前記真空チャンバーと同じ電位になっており、前記抽出グリッドと前記プラズマチャンバー本体部との間の電位差は、前記プラズマ放電の中の前記荷電種を前記抽出グリッドから外へ加速させ、出力準中性プラズマイオンビームを発生させるように構成されている、抽出グリッド;
を含む、ステップと;
無線周波数(RF)電圧を前記誘導アンテナに印加するステップであって、前記プラズマ放電は、前記RF電圧のレベルに応じて発生させられる、ステップと;
前記誘導アンテナに供給される前記RF電圧の一部分をパルス状の直流(DC)電圧と組み合わせることによって、前記プラズマチャンバー本体部に印加される前記バイアス電圧を発生させるステップと;
前記プラズマイオンビームのイオン電流密度およびイオンエネルギーを独立して制御するステップであって、前記イオン電流密度は、前記誘導アンテナに印加される前記RF電圧のレベルに応じて制御され、前記イオンエネルギーは、前記パルス状のDC電圧のレベルに応じて制御される、ステップと;
を含む、方法。
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