高密度プラズマを生成する方法および装置
強電離プラズマを生成する方法および装置が記載されている。本発明による強電離プラズマを生成する装置には、アノードとカソードとが含まれており、カソードはアノードに隣接して配置され、アノードとカソードとの間にギャップが形成される。イオン源は、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する。電源は、アノードとカソードとの間のギャップに電場を生成する。電場は、弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、カソードから二次電子を生成する。二次電子は励起原子を電離することにより、強電離プラズマを生成する。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プラズマは、第４の物質の状態と考えられている。プラズマは、不規則な方向に動く荷電粒子の集まりである。プラズマは、平均して電気的に中性である。プラズマを生成する１つの方法は、２つの並列な導電性電極の間の低圧気体に電流を印加することである。あるパラメータが満たされると、気体は「破壊」してプラズマを形成する。例えば、プラズマは、約１０−１Ｔｏｒｒと１０−２Ｔｏｒｒとの間にある圧力で希ガス雰囲気（例えば、アルゴン）において２つの並列な導電性電極の間の数キロボルトの電位を適用することによって生成され得る。
【０００２】
プラズマ処理は、半導体製造産業などの多くの産業において広く用いられている。例えば、プラズマエッチングは、電子工学において基板材料および基板上に堆積した膜をエッチングするのに広く用いられている。表面から材料を除去するために用いられるプラズマエッチング処理には、スパッタエッチング、純化学的エッチング（ｐｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンエネルギー誘起エッチング（ｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｒｉｖｅｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）およびイオンインヒビターエッチング（ｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｅｔｃｈｉｎｇ）の４つの基本的な典型がある。
【０００３】
プラズマスパッタリングとは、基板上に膜を堆積させるのに広く用いられる技術である。スパッタリングは、ターゲット表面から原子を物理的に取り出すものであり、物理気相成長（ＰＶＤ）と呼ばれることがある。アルゴンイオンといったイオンが生成されて、プラズマから引き出されて、陰極暗部を越えて加速される。ターゲットは、プラズマが形成される領域よりも低い電位を有する。従って、ターゲットは正イオンを誘引する。正イオンは高速でターゲットに向かって移動する。正イオンはターゲットに衝撃を与え、原子をターゲットから物理的に取り除きまたはスパッタさせる。スパッタ原子はそれから、スパッタターゲット材料の膜を堆積する基板に伝播する。プラズマは、ターゲット表面で生成された二次電子とともに中性分子の衝突によって形成された電子−イオンペアによって補充される。
【０００４】
マグネトロンスパッタリングシステムは、ターゲット表面のイオン衝撃によって生成される二次電子を閉じ込め、濃縮するように成形された磁場を使用する。マグネトロンスパッタリングシステムによって生成されたプラズマ放電はターゲットの表面の近傍に位置し、高い電子密度を有する。高い電子密度は、ターゲット表面に近い領域においてスパッタリングガスのイオン化を引き起こす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、特に、詳細な説明において記載される。添付の図面とともに以下の記載を参照することによって、本発明の上記の利点およびさらなる利点はより良く理解され得る。図面において、類似した数字は、様々な図における類似した構造要素および特徴を示す。図面は必ずしもその縮尺である必要はなく、本発明の原理の図示を重視したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
（詳細な説明）
図１は、無線周波数（ＲＦ）電源１０２を有する周知のプラズマ発生装置１００の断面図を示す。周知のプラズマ発生装置１００には真空チャンバ１０４が含まれ、ここでプラズマ１０５が生成される。真空チャンバ１０４は、管１０８を介して真空ポンプ１０６と流動的に位置づけられる。真空ポンプ１０６は、真空チャンバ１０４を高真空に真空引きするように適合される。真空チャンバ１０４内の圧力は、一般的に１０−１Ｔｏｒｒを下回る。アルゴンガス供給源などの原料ガス供給源１０９からの原料ガスは、ガス注入口１１０を介して真空チャンバ１０４に導入される。ガス流量はバルブ１１２によって制御される。
【０００７】
プラズマ発生装置１００にはカソード１１４も含まれる。カソード１１４は、通常、円板の形をしている。カソード１１４は、伝送線１２２によって、ブロッキングコンデンサ１２０の第１の電極１１８に電気接続される。ブロッキングコンデンサ１２０の第２の電極１２４は、ＲＦ電源１０２の第１の出力１２６に結合される。絶縁体１２８は、カソード１１４を真空チャンバ１０４と電気的に絶縁させるために、真空チャンバ１０４の壁に伝送線１２２を貫通させるために用いられ得る。
【０００８】
アノード１３０は、真空チャンバ１０４においてカソード１１４の近傍に配置される。アノード１３０は、通常、伝送線１３２を用いてグランドに結合される。ＲＦ電源１０２の第２の出力１３４も通常グランドに結合される。アノード１３０を真空チャンバ１０４と絶縁するために、絶縁体１３６を用いることにより、真空チャンバ１０４の壁に伝送線１３２を貫通させ得る。真空チャンバ１０４は、グランドにも電気的にも結合され得る。
【０００９】
動作中に、ＲＦ電源１０２はカソード１１４とアノード１３０との間にＲＦ電圧パルスを印加する。このＲＦ電圧パルスは、真空チャンバ１０４においてアルゴン原料ガスをイオン化するのに十分な振幅を有する。典型的なＲＦ駆動電圧は１００Ｖ〜１０００Ｖの間にあり、カソード１１４とアノードとの間隔１３８は、約２ｃｍ〜１０ｃｍの間である。典型的な圧力は、１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲内にある。典型的な電力密度は、０．１Ｗ／ｃｍ２〜１Ｗ／ｃｍ２の範囲にある。駆動周波数は典型的に１３．５６ＭＨｚである。典型的なプラズマ密度は、１０９ｃｍ−３〜１０１１ｃｍ−３の範囲にあり、電子温度は、３ｅＶのオーダーである。
【００１０】
電離プロセスは、電子衝突による直接電離または原子電離と呼ばれ、以下のように記述し得る。
【００１１】
Ａｒ＋ｅ−→Ａｒ＋＋２ｅ−
ここで、Ａｒは、原料ガス中の中性のアルゴン原子を表し、ｅ−は、カソード１１４とアノード１３０との間に印加される電圧に応答して生成されるイオン化用電子を表す。中性のアルゴン原子とイオン化用電子との衝突によって、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と２つの電子が得られる。
【００１２】
プラズマ放電は、少なくとも部分的にカソードからの二次電子放出によって保持される。しかしながら、典型的な動作圧力が比較的高い必要があるために、二次電子はアノード１３０またはチャンバ１０４の壁から離れない。このような圧力は大抵のプラズマ処理において最適ではない。
【００１３】
プラズマ放電は、従来のグロー放電において得られ得るものより高い電流密度、より低い電圧およびより低い圧力において動作することが所望される。これにより、カソード１１４の近くのＤＣ磁場を使用することにより二次電子を閉じ込めることになる。二次電子を閉じ込めることにより、実質的にチャンバ１０４の場所（図示せず）にプラズマが閉じ込められ、それによって、所与の入力電力でその場所におけるプラズマ密度が高められ、その一方で、ロスエリアが削減される。
【００１４】
磁気閉込めは主に、比較的低い磁界強度がある閉込め領域（図示せず）において生じる。閉込め領域の形および場所は、磁石のデザインによって決定される。一般的に、閉込め領域におけるプラズマ内の正に帯電したイオンの濃度は、チャンバ１０４内のどの領域におけるその濃度よりも高い。その結果、プラズマの均一性は磁気強化システムにおいて大幅に減ぜられ得る。
【００１５】
マグネトロンスパッタリングシステムにおけるプラズマの不均一性により、望ましくないターゲット材料の不均一な侵食と、そして、比較的低いターゲットの利用率とが導かれ得る。マグネトロンスパッタリングシステムにおけるプラズマの不均一性により、基板の不均一なエッチングが導かれ得る。
【００１６】
プラズマに印加するＲＦ電力を激増することだけでは、より均一でより密度の高いプラズマの形成は得られない。その上、均一性および密度のまさに斬新的な増加の達成に必要な電力量を印加することによって、チャンバ１０４内に望ましくない放電（アーク放電）を引き起こす絶縁破壊状態を発生させる可能性が増し得る。
【００１７】
比較的高電力のパルスを周期的に印加するが、放出電力の平均を比較的低いままにし得るために、プラズマに印加される直流（ＤＣ）電力をパルス状にすることは、有利であり得る。その上、望ましくない電気放電をもたらす絶縁破壊状態が成立する可能性を低減するように、このような大きい電圧パルスの幅を事前設定し得る。望ましくない電気放電は、エッチング処理を阻害し、真空チャンバ１０４の汚染を引き起し得る。しかしながら、非常に大きい電力パルスはそれでもやはり、電圧パルスの幅とは関係なく、望ましくない電気放電を結果として招き得る。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の一実施形態によるパルス電源２０２を有するパルス生成装置２００の断面図を示す。例えば、図２Ａは、パルス電源２０２が起動する前の時におけるパルス電源２０２を有するパルス生成装置２００の断面図を示す。一実施形態において、プラズマ発生装置２００には、プラズマを支持する真空チャンバなどのチャンバ（図示せず）が含まれる。チャンバは、真空システム（図示せず）に結合され得る。
【００１９】
プラズマ発生装置２００には、カソード２０４も含まれる。一実施形態において、カソード２０４は、ステンレス鋼などの金属材料または反応性ガスと化学的に反応しない他の材料から成り得る。他の実施形態では、カソード２０４には、スパッタリングに用いられ得るターゲットが含まれる。カソード２０４は整合器２０８の出力２０６に結合される。整合器２０８の入力２１０はパルス電源２０２の第１の出力２１２に結合される。パルス電源２０２の第２の出力２１４はアノード２１６に結合される。絶縁体２１８は、アノード２１６をカソード２０４と絶縁する。
【００２０】
一実施形態において、パルス電源２０２の第１の出力２１２はカソード２０４（図示せず）に直接結合される。一実施形態（図示せず）において、パルス電源２０２の第２の出力２１４はグランドに結合される。この実施形態において、アノード２１６もまたグランドに結合される。
【００２１】
一実施形態（図示せず）において、パルス電源２０２の第１の出力２１２は、負電圧のインパルスをカソード２０４に結合する。別の実施形態（図示せず）において、パルス電源２０２の第２の出力２１４は、正電圧のインパルスをアノード２１６に結合する。
【００２２】
一実施形態において、パルス電源２０２は約３０，０００Ｖまでのピーク電圧レベルを生成する。典型的な動作電圧は、一般的に約５０Ｖ〜３０ｋＶの間にある。一実施形態において、パルス電源２０２は、プラズマの体積に応じて、約１Ａ〜約５，０００Ａ以上のピーク電流レベルを生成する。典型的な動作電流は、プラズマの体積に応じて変わり得、１００Ａ未満の電流から数千Ａよりも大きな電流の間にある。一実施形態において、パルス電源２０２により生成されるパルスの繰返し率は１ｋＨｚ未満である。一実施形態において、パルス電源２０２により生成されるパルスのパルス幅は、実質的に、約１マイクロ秒〜数秒の間にある。
【００２３】
アノード２１６とカソード２０４との間に形成されるギャップ２２０、アノード２１６とカソード２０４との間の領域２２２に電流が流れ得るに十分であるように、アノード２１６は配置される。一実施形態において、ギャップ２２０の幅は、約０．３ｃｍ〜約１０ｃｍの間にある。カソード２０４の表面積から領域２２２の体積が決定される。ギャップ２２０および領域２２２の総体積は、本明細書に記載する電離プロセスにおけるパラメータである。
【００２４】
一実施形態において、プラズマ発生装置２００には、真空チャンバなどのチャンバ（図示せず）が含まれる。チャンバは、真空バルブ（図示せず）を介して真空ポンプ（図示せず）と流動的に結合される。一実施形態において、チャンバ（図示せず）はグランド電位に電気的に結合される。１つまたは複数のガスライン２２４は、原料ガス供給源（図示せず）から原料ガス２２６をチャンバに提供する。一実施形態において、ガスライン２２４は、絶縁体２２８によって、チャンバおよび他の構成要素と絶縁される。他の実施形態において、直列絶縁カプラー（図示せず）を用いて、ガスライン２２４を原料ガス供給源と絶縁し得る。ガス供給源は、アルゴンが含まれるがこれに限定されない任意の原料ガス２２６であり得る。実施形態によっては、原料ガス２２６は、異なるガス、反応性ガスまたは純反応性ガスの混合ガスを含み得る。実施形態によっては、原料ガス２２６は希ガスまたはガスの混合ガスを含む。
【００２５】
動作中において、ガス供給源から原料ガス２２６が、ガス流制御システム（図示せず）によりチャンバに供給される。好ましくは、原料ガス２２６はカソード２０４とアノード２１６との間に供給される。カソード２０４とアノード２１６との間に原料ガス２２６を直接注入することにより、原料ガス２２６の流速が増加し得る。これにより、カソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２において急速な体積交換が引き起こされ、より長い幅を有する高電力パルスがギャップ２２０全体に印加されることを可能にする。より長い幅を有する高電力パルスは、より高密度のプラズマの形成をもたらす。この体積交換は本明細書により詳細に記載する。
【００２６】
一実施形態において、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２を発生させるイオン源の構成要素である。図２Ｂを参照すると、原料ガスがカソード２０４とアノード２１６との間に供給された後、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に電圧パルスを印加する。一実施形態において、パルス電源２０２は、カソード２０４に負の電圧パルスを印加する。電界２３０がカソード２０４とアノード２１６との間において展開するように、電圧パルスの大きさおよび形状が選択される。弱電離プラズマ２３２がアノード２１６とカソード２０４との間の領域２２２において発生するように、電界２３０の大きさおよび形状が選択される。
【００２７】
弱電離プラズマ２３２は、予備電離プラズマとも呼ばれる。一実施形態において、予備電離プラズマのプラズマ密度のピークは、アルゴン原料ガスに対して、約１０６ｃｍ−３〜１０１２ｃｍ−３の間にある。チャンバ内の圧力は約１０−３Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒｒまたはそれより高くへと変化し得る。圧力は、カソード２０４に近傍の磁場の存在といった種々のシステムパラメータに依存して変化し得る。弱電離プラズマ２３２のプラズマ密度のピークは、特定のプラズマ生成システムの特性に依存しており、弱電離プラズマ２３２における測定場所の関数である。
【００２８】
一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成するためにパルス電源２０２は、約０．１Ａ〜１００Ａの間の放電電流を伴う約１００Ｖ〜５ｋＶの間の初期電圧を有する低電力パルスを生成する。実施形態によっては、パルス幅は約０．１マイクロ秒〜約１００秒のオーダーであり得る。パルスの特定のパラメータについて、本明細書により詳細に記載する。
【００２９】
一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成する前に、パルス電源２０２は、原料ガス２２６をカソード２０４とアノード２１６との間に供給する前に、カソード２０４とアノード２１６との間に電位差を生成する。別の実施形態において、原料ガス２２６をカソード２０４とアノード２１６との間に供給した後に、パルス電源２０２は、ギャップ２２０を流れる電流を生成する。
【００３０】
一実施形態において、直流（ＤＣ）電源（図示せず）をイオン源において用いることにより、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を生成し、保持する。この実施形態において、ＤＣ電源は、弱電離プラズマ２３２を点火するに十分高い電圧を生成するように適合される。一実施形態において、ＤＣ電源は、弱電離プラズマ２３２を生成し、保持するために、カソード２０４とアノード２１６との間に約０．１Ａ〜１００Ａの範囲にある放電電流を伴う約１００Ｖ〜１ｋＶのオーダーでプラズマ放電電圧を生成する数キロボルトの初期電圧を生成する。放電電流の値は、電源の電力レベルに依存し、弱電離プラズマ２３２の体積の関数である。さらに、領域２２２に磁場（図示せず）があることにより、弱電離プラズマ２３２を生成するのに要求される印加電圧と印加電流との値に劇的効果を与えられ得る。
【００３１】
実施形態（図示せず）によっては、ＤＣ電源はプラズマ生成システムの大きさと領域２３４内の磁場の強さとに応じて約１ｍＡ〜１００Ａの間にある電流を生成する。一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成する前に、ＤＣ電源は、原料ガス２２６の導入前に、カソード２０４とアノード２１６との間に初期ピーク電圧を生成し、保持するように適合される。
【００３２】
別の実施形態において、交流（ＡＣ）電源（図示せず）を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を生成し、保持する。例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、容量結合プラズマ放電（ＣＣＰ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を生成し得、または保持し得る。
【００３３】
ＡＣ電源は、弱電離プラズマを生成し、保持するためにＤＣ電源よりも小さい電力を必要とし得る。その上、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマ２３２は、紫外線法、Ｘ線法、電子ビーム法、イオンビーム法、または電離フィラメント法などの多数の他の方法を用いても生成され得る。これら方法には、本発明によるイオン源において用いられる構成要素が含まれる。実施形態によっては、弱電離プラズマは領域２２２の外側に形成され、次いで、領域２２２へと拡散する。
【００３４】
弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を形成することによって、カソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを印加するときにチャンバ内が破壊状態になる可能性は実質的になくなる。破壊状態になる可能性は実質的になくなる。これは、弱電離プラズマ２３２が、プラズマを介する電気伝導を提供する低レベルの電離を有するためである。この伝導によって、プラズマに高電力を印加するときにでさえ、破壊状態になることは実質的に防止される。
【００３５】
一実施形態において、原料ガス２２６が領域２２２内を通過する様に、弱電離プラズマ２３２は、いくらか均一に領域２３４へと拡散する。この均一な拡散により、領域２３４に非常に均一な強電離プラズマの生成を促す傾向になる。
【００３６】
一実施形態（図示せず）において、弱電離プラズマ２３２は、磁場によってカソード２０４の近傍に閉じ込められ得る。特に、弱電離プラズマ２３２内の電子がカソード２０４の近傍に生成される磁場によって閉じ込められ得る。一実施形態において、磁場の強さは約５０ガウス〜約２，０００ガウスの間にある。
【００３７】
一実施形態において、磁石系（図示せず）は、カソード２０４の近傍に磁場を生成する。磁石系は、永久磁石（図示せず）が含まれ得、またはその代わりに電磁石（図示せず）が含まれ得る。磁石系の配置は、磁場の所望の形状および強さに応じて変更され得る。別の実施形態において、磁石系はバランスのとれた配置、またはバランスの取れていない配置を取り得る。一実施形態において、磁石系には切り替え可能な電磁石が含まれ、切り替え可能な電磁石は、カソード２０４の近傍にパルス状の磁場を生成する。実施形態によっては、チャンバ（図示せず）の周囲およびチャンバのいたる所の様々な位置に、追加の磁石系（図示せず）が配置され得る。
【００３８】
図２Ｃを参照して、弱電離プラズマ２３２が形成されるとすぐに、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを生成する（図２Ｃ）。高電力パルスの所望の電力レベルは、例えば、弱電離プラズマ２３２の密度とプラズマの体積とを含むいくつかの要因に依存する。一実施形態において、高電力パルスの電力レベルは、約１ｋＷ〜約１０ＭＷまたはそれより高くまでの範囲にある。
【００３９】
各高電力パルスは所定の時間保たれ、実施形態によっては、その時間は約１マイクロ秒〜１０秒の間にある。高電力パルスの繰返し周波数または繰返し率は、実施形態によっては、約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲にある。パルス電源２０２により生成される平均電力は、プラズマの体積に応じて１ＭＷ未満であり得る。一実施形態において、カソード２０４および／またはアノード２１６の熱エネルギーは、ヘリウム冷却などの液体冷却またはガス冷却によって持去られるか、もしくは分散される（図示せず）。
【００４０】
高電力パルスにより、カソード２０４とアノード２１６との間に強電場２３６が生成される。この強電場２３６は実質的に、カソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２に存在する。一実施形態において、電場２３６はパルス状の電場である。他の実施形態において、電場２３６は準静的な電場である。本明細書において、準静的な電場とは、電子の中性ガス粒子との衝突時間と比べてかなり長い電場変動の特性時間を有する電場のことを指す。上記の電場変動の時間は、１０秒のオーダーであり得る。強電場２３６の強さおよび位置について、本明細書により詳細に記載する。
【００４１】
図２Ｄを参照して、高電力パルスにより、弱電離プラズマ２３２から高電離プラズマまたは強電離プラズマ２３８が発生する（図２Ｃ）。強電離プラズマ２３８は高密度プラズマとも呼ばれる。圧力が約１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒのオーダーである場合には、この強電離プラズマ２３８から形成される放電電流は約５ｋＡ以上のオーダーであり得、放電電圧は約５０Ｖ〜５００Ｖの範囲にある。
【００４２】
一実施形態において、強電離プラズマ２３８は、領域２３４に均一に拡散する傾向にある。均一な拡散により、より均一なプラズマボリュームが生成される。均一な拡散については、図５Ａ〜図５Ｄを参照しながらより詳細に記載される。
【００４３】
均一な拡散は、多くのプラズマ処理に有利である。例えば、均一な拡散を有するプラズマエッチング処理は、従来のプラズマエッチングと比べてより均一な方法でエッチングされる基板の表面（図示せず）に向けて強電離プラズマ２３８内のイオンを加速する。結果として、基板の表面はより均一にエッチングされる。均一な拡散を有するプラズマ処理により、基板を回転させる必要なく高い均一性が得られ得る。
【００４４】
また、均一な拡散を有するマグネトロンスパッタリングシステムも、従来のマグネトロンスパッタリングと比べてより均一な方法でスパッタリングターゲットの表面に向けて強電離プラズマ２３８内のイオンを加速する。結果として、ターゲット材料は、基板およびまたはマグネトロンを回転させる必要なくより均一に基板上に堆積される。また、スパッタリングターゲットの表面はより均等に侵食されており、より高いターゲットの利用が達成される。
【００４５】
一実施形態において、本発明のプラズマ発生装置２００は、比較的高い電子温度と比較的高密度のプラズマとを生成する。本発明の強電離プラズマ２３８の一用途は、電離物理気相成長（ＩＰＶＤ）（図示せず）であり、電離物理気相成長は、中性スパッタ原子を正イオンに変換することによりスパッタリング処理を強化する技術である。
【００４６】
再度、図２Ｄを参照して、強電場２３６は強電離プラズマ２３８が形成される速度を実質的に上げる原料ガス２２６の多段階電離プロセスを促進する。一実施形態において、原料ガスは分子性気体であり、強電場２３６はプラズマ内のイオン形成を強化する。多段階または段階的な電離プロセスは以下のように記載される。
【００４７】
原料ガス２２６をまたぎカソード２０４とアノード２１６との間に予備電離電圧を印加し、弱電離プラズマ２３２を形成する。弱電離プラズマ２３２は、通常、領域２２２内に形成され、原料ガス２２６が引続き流れるように、領域２３４へと拡散する。一実施形態（図示せず）において、磁場が領域２２２内に生成され、カソード２０４の中心に広がる。この磁場は、電子の領域２２２から領域２３４への拡散を促進する傾向がある。弱電離プラズマ２３２内の電子は実質的に、磁場により領域２３４内に閉じ込められる。一実施形態において、領域２２２における弱電離プラズマの体積は、原料ガス２２６の新しい体積と急速に交換される。
【００４８】
弱電離プラズマ２３２の形成の後（図２Ｃ）、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを印加する。この高電力パルスはカソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２における強電場２３６を生成する。強電場２３６により、弱電離プラズマ２３２内において中性原子２４０、電子（図示せず）およびイオン２４２間で生じる衝突が引き起こされる。これら衝突により弱電離プラズマ２３２内に励起原子２４４が多数生成される。
【００４９】
弱電離プラズマ２３２における励起原子２４４の蓄積は、電離プロセスを変える。一実施形態において、強電場２３６は、原子原料ガスの多段階電離プロセスを促進する。多段階電離プロセスは、強電離プラズマ２３８が形成される速度を有意に増加させる。多段階電離プロセスの効率は、弱電離プラズマ２３２における励起原子２４４の密度の増加に伴い上がる。他の実施形態において、強電場２３６は、分子または原子の原料ガスのイオンの形成を強化する。
【００５０】
一実施形態において、原子の励起速度を最大化にするように、カソード２０４とアノード２１６との間の距離またはギャップ２２０が選択される。領域２２２内の電場２３６の値は、パルス電源２０２により印加される電圧レベル、および、アノード２１６とカソード２０４との間のギャップ２２０の大きさに依存する。実施形態によっては、種々のシステムのパラメータおよびプラズマシステムの動作条件に応じて、電場２３６の強さは約２Ｖ／ｃｍ〜１０５Ｖ／ｃｍの間を変化し得る。
【００５１】
実施形態によっては、所望のプラズマの種々のパラメータに応じて、ギャップ２２０は約０．３０ｃｍ〜約１０ｃｍの間にあり得る。一実施形態において、領域２２２内の電場２３６は、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマ２３２に急激に加えられる。実施形態によっては、急激に印加される電場２３６は、立上り時間が約０．１ミリ秒〜１０秒の間にある電圧パルスを印加することにより生成される。
【００５２】
一実施形態において、ギャップ２２０の大きさ、および、印加電場２３６のパラメータは、領域２２２内の原子２４０の励起速度が比較的速い速度となる最適条件を決定するために変動する。例えば、アルゴン原子を励起させるには約１１．５５ｅＶのエネルギーが必要である。従って、原料ガス２２６が領域２２２を介して流れるときに、弱電離プラズマ２３２が形成され、弱電離プラズマ内２３２の原子２４０は、段階的な電離プロセスを受ける。
【００５３】
弱電離プラズマ２３２内の励起原子２４４は、領域２３４内にある電子（図示せず）に衝突する。中性原子２４０を電離させるには約１５．７６ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、励起原子２４４を電離させるには約４ｅＶのエネルギーしか必要でない。従って、励起原子２４４は中性原子２４０よりもかなり高い速度で電離する。一実施形態において、強電離プラズマ２３８内のイオン２４２はカソード２０４に衝突し、それにより、カソード２０４から二次電子放出を引き起こす。その二次電子は、強電離プラズマ２３８内の全ての中性原子２４０または励起原子２４４と相互作用する。このプロセスにより、原料ガス２２６が交換されるときに、強電離プラズマ２３８内のイオン２４２密度がさらに増加する。
【００５４】
電場２３６の急激な印加に対応する多段階電離プロセスは次のように記述し得る。
【００５５】
Ａｒ＋ｅ−→Ａｒ☆＋ｅ−
Ａｒ☆＋ｅ−→Ａｒ＋＋２ｅ−
ここで、Ａｒは原料ガス２２６内の中性のアルゴン原子２４０を表し、ｅ−は、カソード２０４とアノード２１６との間に十分な電圧が印加される場合に、予備電離プラズマ２３２に応答して生成されるイオン化用電子を表す。また、Ａｒ☆は、弱電離プラズマ２３２内の励起したアルゴン原子２４４を表す。励起したアルゴン原子２４４とイオン化用電子との衝突により、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と２つの電子とが得られる。
【００５６】
励起したアルゴン原子２４４を電離させるために必要なエネルギーは、通常、中性のアルゴン原子２４０の場合よりも少ない。従って、中性のアルゴン原子２４０と比べて、その励起原子２４４は、カソード２０４の表面近傍においてより速く電離する傾向にある。プラズマ内の励起原子２４４の密度が増えるにつれ、電離プロセスの効率は急激に上がる。この効率の増大により、最終的に、強電離プラズマ２３８の密度がアバランシェのように増加する。適切な励起条件下において、励起原子２４４に変換される弱電離プラズマ２３２に加えられるエネルギーの割合は、原料ガス２２６内のパルス放電に対して非常に高い。
【００５７】
従って、本発明の一局面において、ギャップ２２０全体に弱電離プラズマ２３２に高電力パルスを印加することにより、アノード２１６とカソード２０４との間に強電場２３６が生成される。この強電場２３６により、弱電離プラズマ２３２内に励起原子２４４が生成される。励起原子２４４はカソード２０４により放出される二次電子との相互作用によって急激に電離される。その急激な電離の結果、カソード２０４の近傍領域２３４に形成されているイオン密度の高い強電離プラズマ２３８が得られる。強電離プラズマ２３８はまた高密度プラズマとも呼ばれる。
【００５８】
本発明の一実施形態において、領域２２２における原料ガス２２６の流量を制御することによって、より高い密度のプラズマが生成される。この実施形態において、原料ガス２２６の第１のボリュームは領域２２２に供給される。次いで、原料ガス２２６の第１のボリュームが電離さることにより、領域２２２内に弱電離プラズマ２３２が形成される。次いで、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２全体に高電力電気パルスを印加する。その高電力電気パルスにより、弱電離プラズマ２３２から強電離プラズマ２３８が生成される。
【００５９】
高電力電気パルスのレベルおよび持続時間は、高電力放電が縮小し、終結する前に強電離プラズマ２３８が吸収し得る電力レベルおよび持続時間に制限される。一実施形態において、原料ガス２２６の流速を増加させることにより、高電力電気パルスの強度および持続時間が増加され、強電離プラズマ２３８の密度が増加する。
【００６０】
一実施形態において、原料ガス２２６のボリュームの速い交換により、領域２２２を介して強電離プラズマ２３８を移動させる。原料ガス２２６が領域２２２を介して移動すると、原料ガス２２６は、移動する強電離プラズマ２３８と相互作用し、印加された高電力電気パルスを受けて強電離状態になる。電離プロセスは、先に記載のように、直接電離および／または段階的電離を組み合わせたものであり得る。原料ガス２２６のボリュームの速い交換による領域２２２を介する強電離プラズマ２３８の移動により、強電離プラズマ２３８に印加され得る電力レベルおよび持続時間は増加される。従って、領域２３４内に高密度の強電離プラズマ２３８が生成される。
【００６１】
電離プロセスの効率性は、ここに記載するように、カソード２０４の近傍の磁場（図示せず）を加えることによって高められ得る。磁場は、弱電離プラズマ２３２内に電子を閉じ込める傾向にあり、またカソード２０４の近傍に二次電子を閉じ込める傾向にある。閉じ込められた電子は、励起原子２４４を電離し、強電離プラズマ２３８を生成する。一実施形態において、磁場は領域２２２内に生成されることにより、弱電離プラズマ２３２が点火される領域に電子を実質的に閉じ込める。
【００６２】
一実施形態において、プラズマ発生システム２００はプラズマエッチングのために構成され得る。別の実施形態において、プラズマ発生システム２００はプラズマスパッタリングのために構成され得る。特に、プラズマ発生装置２００は磁性材をスパッタリングするのに用いられ得る。周知のマグネトロンスパッタリングシステムは、一般的に、磁性材をスパッタすることに適していない。これは、マグネトロンにより生成される磁場は、磁性ターゲット材によって吸収され得るからである。ＲＦダイオードスパッタリングを用いて磁性材をスパッタすることがある。しかしながら、ＲＦダイオードスパッタリングは一般的に、質の悪い膜の厚さの均一性と比較的低い堆積速度を有する。
【００６３】
プラズマ発生システム２００は、磁性ターゲット材を有するターゲット集合体を含むことによって、かつ、そのターゲット集合体をＲＦ電源（図示せず）で駆動することによって磁性材をスパッタするように適合され得る。例えば、ＲＦ電源は、約１０ｋＷのオーダーであるＲＦ電力を提供し得る。実質的に均一な弱電離プラズマは、ターゲット集合体の近傍に位置する原料ガス全体にＲＦ電力を印加することによって生成され得る。強電離プラズマは、ここに記載するように、弱電離プラズマ全体に強電場を加えることによって生成される。ＲＦ電源は、負のバイアス電圧をターゲット集合体に印加する。強電離プラズマ内のイオンは、ターゲット材を衝撃し、それによりスパッタリングを引き起こす。
【００６４】
プラズマ生成システム２００はまた、誘電体をスパッタするようにも適合され得る。誘電体は、誘電性ターゲット材を含むターゲット集合体をＲＦ電源（図示せず）で駆動することによってスパッタされ得る。例えば、ＲＦ電源は約１０ｋＷのオーダーであるＲＦ電力を提供し得る。実質的に均一な弱電離プラズマは、ターゲット集合の近傍に位置する原料ガス全体にＲＦ電力を印加することによって生成され得る。
【００６５】
他の実施形態において、ＤＣ電源（図示せず）を用いて、本発明による弱電離プラズマ２３２を生成する。この実施形態においては、誘電性ターゲット材は、カソード２０４の領域がアノード２１６とカソード２０４との間に直流電流を伝導し得るようにカソード２０４に関して配置される。
【００６６】
一実施形態において、磁場は弱電離プラズマ内に電子を閉じ込めるためにターゲット集合体の近傍に生成される。強電離プラズマは、ここに記載するように弱電離プラズマ全体に強電場を加えることによって生成される。ＲＦ電源は、負のバイアス電圧をターゲット集合体に印加する。強電離プラズマ内のイオンは、ターゲット材を衝撃し、それによりスパッタリングする。
【００６７】
一実施形態において、本発明による強電離プラズマ２３８を用いてイオンビームを生成する。本発明によるイオンビーム源は、ここに記載したプラズマ発生装置とプラズマにおいてイオンを加速させるのに用いられる追加の電極（図示せず）とを含む。一実施形態において、外部電極はグリッドである。本発明によるイオンビーム源は、非常に高い密度のイオンフラックスを生成し得る。例えば、イオンビーム源は、オゾンフラックスを生成し得る。オゾンは非常に反応性のある酸化剤であり、これは、チャンバーをクリーニングする処理、空気を脱臭する、水を清浄する、および産業廃棄物を処置するといった多くの用途で用いられ得る。
【００６８】
図３は、図２Ａのプラズマ発生装置２００においてプラズマに印加される周期的なパルスに対するパルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。時刻ｔ０において、パルス電源２０２を作動させる前に、原料ガス２２６をカソード２０４とアノード２１６との間に流入させる。カソード２０４とアノード２１６との間を流れる十分な量のガス２２６の流入に要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、ガス２２６の流速および領域２２２内の所望の圧力が含まれる。
【００６９】
一実施形態（図示せず）において、原料ガス２２６を領域２２２に流入させる前に、パルス電源２０２を作動させる。この実施形態において、アノード２１６とカソード２０４との間に原料ガス２２６を注入し、ここで、パルス電源２０２により原料ガス２２６が点火されることによって、弱電離プラズマ２３２が生成される。
【００７０】
一実施形態において、時刻ｔ０〜時刻ｔ１において、原料ガス２２６はアノード２１６とカソード２０４との間を流れる。時刻ｔ１において、パルス電源２０２は、カソード２０４とアノード２１６との間にパルス３０２を生成し、パルス３０２の電力は、プラズマの体積に応じて、約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの間にある。パルス３０２は原料ガス２２６を点火するに十分であり、弱電離プラズマ２３２を生成する。
【００７１】
一実施形態（図示していない）において、原料ガス２２６が領域２２２内に配送される前に、パルス電源２０２は、カソード２０４とアノード２１６との間に電位差を加える。この実施形態において、原料ガス２２６がカソード２０４とアノード２１６との間に流れるときに、原料ガス２２６は点火される。他の実施形態において、原料ガス２２６が領域２２２に到達する間、または、到達した後に、パルス電源２０２は、カソード２０４とアノード２１６との間にパルス３０２を生成する。
【００７２】
パルス電源２０２により生成される電力は、カソード２０４アノード２１６との間の領域２２２に存在する原料ガス２２６を部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２（図２Ｂ）とも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマ２３２の形成により、高電力パルスを弱電離プラズマ２３２に印加するときに破壊状態が作り出される可能性は実質的になくなる。
【００７３】
一実施形態において、約１マイクロ秒〜１００秒の間の時間、連続的にその電力を加えることにより、予備電離プラズマ２３２は十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を保持するために、弱電離プラズマ２３２の点火の後に、パルス電源２０２から電力を連続的に加える。パルス電源２０２により高電力パルスが供給されるまでに弱電離プラズマ２３２を生成し、保持するために、パルス電源２０２は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
【００７４】
時刻ｔ２において、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２全体に高電力パルス３０４を供給する。実施形態によっては、プラズマ発生装置２００のパラメータに応じて、高電力パルス３０４の電力は、約１ｋＷ〜１０ＭＷの範囲内にある。高電力パルスは、立上り時間が約０．１マイクロ秒〜１０秒の間にある立上りエッジ３０６を有する。
【００７５】
高電力パルス３０４の電力およびパルス幅は、弱電離プラズマ２３２を強電離プラズマ２３８に変えるに十分である（図２Ｄ）。強電離プラズマ２３８は、高密度プラズマとも呼ばれる。一実施形態において、約１０マイクロ秒〜１０秒の範囲内の時間、高電力パルス３０４を加える。時刻ｔ４において、高電力パルス３０４の印加を終了させる。
【００７６】
高電力パルス３０４の供給後に、バックグランド電力を加えることにより、電源２０２は弱電離プラズマ２３２を保持する。そのバックグランド電力は、一実施形態において、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの間にある。バックグランド電力は、パルス状、または、連続的に印加される電力であり得るが、パルス電源２０２が他の高電力パルス３０８の供給の準備をする間に、その電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
【００７７】
時刻ｔ５において、パルス電源２０２は他の高電力パルス３０８を供給する。一実施形態において、高電力パルス３０４と高電力パルス３０８との間の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚの間にある。高電力パルス３０４および高電力パルス３０８の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源２０２の設計、プラズマ発生装置２００の設計、プラズマの堆積およびチャンバにおける圧力が含まれる。強電離プラズマ２３８の電離速度を制御するが、弱電離プラズマ２３２を保持するように、高電力パルス３０４の立上りエッジ３０６および立下がりエッジ３１０の形状および持続時間は選択される。
【００７８】
一実施形態において、強電離プラズマ２３８の密度を制御するように、高電力パルス３０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。一実施形態において、基板（図示せず）のエッチング速度を制御するように、高電力パルス３０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。一実施形態において、スパッタリングターゲット（図示せず）のスパッタリング速度を制御するように、高電力パルス３０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。
【００７９】
図４は、図２Ａのプラズマ発生装置２００におけるプラズマに周期的なパルスを印加する場合における、時間の関数としての、印加電圧の絶対値のグラフ表示３２０、印加電流の絶対値のグラフ表示３２２、および印加電力の絶対値のグラフ表示３２４を示す。一実施形態において、時刻ｔ０（図示せず）において、パルス電源２０２が作動する前に、原料ガス２２６をカソード２０４近傍に流入させる。カソード２０４近傍に十分な量の原料ガス２２６が流れるのに要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、原料ガス２２６の流速と領域２２２内の所望の圧力とが含まれる。
【００８０】
図４に示される実施形態において、電源２０２は定電力を生成する。時刻ｔ１において、パルス電源２０２は、アノード２１６およびカソード２０４全体に電圧３２６を生成する。一実施形態において、電圧３２６は、約１００Ｖ〜５ｋＶの間にある。時刻ｔ０と時刻ｔ１との間隔（図示せず）は、数マイクロ秒〜数ミリ秒のオーダーであり得る。時刻ｔ１において、電流３２８および電力３３０は一定値である。
【００８１】
時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、弱電離プラズマ２３２（図２Ｂ）が生成されるように、電圧３２６、電流３２８および電力３３０は一定のままである。時刻ｔ２における電圧３３２は、約１００Ｖ〜５ｋＶの間にある。時刻ｔ２における電流３３４は、約０．１Ａ〜１００Ａの間にある。時刻ｔ２において供給される電力３３６は、約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの間にある。
【００８２】
パルス電源２０２により生成される電力３３６は、カソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２に位置するガス２２６を部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２とも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマ２３２の形成により、高電力パルスを弱電離プラズマ２３２に印加するときに破壊状態が作り出される可能性は実質的になくなる。この破壊状態の抑制により、アノード２１６とカソード２０４との間の望ましくないアーク放電の発生は実質的になくなる。
【００８３】
一実施形態において、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間隔は約１マイクロ秒〜１００秒の間であり、それにより、予備電離プラズマ２３２は十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を保持するために、パルス電源２０２から電力３３６を連続的に加える。弱電離プラズマ２３２を保持するために、パルス電源２０２は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
【００８４】
時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２全体に高電圧パルス３３８を供給する。実施形態によっては、高電圧パルス３３８の電圧は、２００Ｖ〜３０ｋＶの範囲内にある。実施形態によっては、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間隔は、約０．１マイクロ秒〜１０秒の間にある。弱電離プラズマ２３２をまたぐ電流が増加しだす前に、時刻ｔ３〜時刻ｔ４において高電圧パルス３３８を印加する。一実施形態において、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間隔は、約１０ナノ秒〜１マイクロ秒の間にあり得る。
【００８５】
時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、電圧３４０は下げられ、電流３４２は増加する。電力３４４も、電圧３４６と電流３４８との間に準静的な状態が存在するまで、時刻ｔ４〜時刻ｔ５において増加する。時刻ｔ４と時刻ｔ５との間隔は、数百ナノ秒のオーダーであり得る。
【００８６】
一実施形態において、時刻ｔ５において、電圧３４６は約５０Ｖ〜３０ｋＶ（１０００Ｖ）の間にあり、電流３４８は約１０Ａ〜５ｋＡの間にあり、電力３５０は約１ｋＷ〜１０ＭＷの間にある。時刻ｔ６まで、電力３５０はプラズマに連続的に印加される。一実施形態において、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間隔は、約１マイクロ秒〜１０秒の間にある。
【００８７】
パルス電源２０２は、最大電力３５０およびパルス幅が弱電離プラズマ２３２を強電離プラズマ２３８（図２Ｄ）に変えるに十分である高電力パルスを供給する。時刻ｔ６において、最大電力３５０の印加を終了させる。一実施形態において、時刻ｔ６の後に、パルス電源２０２は、プラズマを保持するに十分なバックグランド電力を供給し続ける。
【００８８】
一実施形態において、高電力パルスの供給後に、約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの間にあり得る電力３５２をプラズマに連続的に加えることにより、電源２０２はプラズマを保持する。パルス電源２０２が次の高電力パルスの供給の準備をする間に、連続的に生成される電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
【００８９】
時刻ｔ７において、パルス電源２０２は次の高電力パルス（図示せず）を供給する。一実施形態において、高電力パルス間の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚの間にある。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅および周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源２０２の設計、プラズマ発生装置２００の設計、プラズマの堆積および強電離プラズマ２３８の密度および領域２２２における圧力が含まれる。
【００９０】
他の実施形態（図示せず）において、電源２０２は定電圧を生成する。この実施形態において、時刻ｔ２から時刻ｔ６まで電圧３２０を連続的に印加する。電流３２２および電力３２４は、定電圧レベルを保持するために、時刻ｔ６まで増大し、電圧３２０の印加が終了する。電流、電力および電圧のパラメータが最適化されて励起原子が生成される。
【００９１】
本発明の一実施形態において、電離プロセスの効率性はカソード２０４の近傍に磁場を生成することによって大きくなる。磁場は、カソード２０４近傍の弱電離プラズマ２３２内に電子を閉じ込める傾向にある。閉じ込められた電子は、励起原子２４４を電離し、それにより強電離プラズマ２３８が生成される。この実施形態において、磁気強化プラズマは強反磁性の性質を有する。「強反磁性の性質」という用語は、磁気強化高密度プラズマ放電が外部の磁場をプラズマボリュームから排除する傾向にあることを意味する。
【００９２】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の一実施形態による磁気強化プラズマ発生装置における種々の電子のＥ×Ｂドリフト電流に対してシミュレートしたカソード２０４近傍における磁場分布４００、磁場分布４０２、磁場分布４０４および磁場分布４０６を示す。磁気強化プラズマ発生装置には、カソード２０４近傍に位置する磁石系４０７が含まれる。磁石系４０７は、カソード２０４近傍に磁場を生成する。一実施形態において、磁場の強さは約５０ガウス〜２，０００ガウスの間である。シミュレートされた磁場分布４００、磁場分布４０２、磁場分布４０４および磁場分布４０６は、大電流を有する高電力プラズマが、磁気強化プラズマ発生装置の領域２３４’に均一に拡散する傾向にあることを示す。
【００９３】
カソード２０４とアノード２１６との間の高電力パルスは、カソード２０４から二次電子を生成し、その二次電子は交差した電場と磁場とに従ってカソード２０４の近傍で実質的に円運動する。電子の実質的な円運動により、電子のＥ×Ｂドリフト電流が生成される。電子のＥ×Ｂドリフト電流の大きさは、プラズマ内の放電電流の大きさに比例し、一実施形態において、放電電流の大きさの約３倍〜１０倍の範囲にほぼある。
【００９４】
一実施形態において、実質的に円形の電子Ｅ×Ｂドリフト電流により磁場が生成されるが、その磁場は磁石系４０７により生成される磁場と交差する。一実施形態において、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場の向きは、磁石系４０７により生成される磁場の向きと実質的に反対である。電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場の大きさは、電子のＥ×Ｂドリフト電流の増加とともに増加する。磁石系４０７により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場との相互作用により、領域２３４’内の少なくとも一部に強電離プラズマの均一な拡散が引き起こされる。
【００９５】
一実施形態において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流は、低電流密度プラズマの場合には、実質的に円形な形状を定める。しかしながら、プラズマの電流密度が増加するにつれ、実質的に円形の電子Ｅ×Ｂドリフト電流は、より複雑な形状を表す傾向にある。これは、磁石系４０７により生成される磁場と、高電力パルスにより生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流により生成される磁場との相互作用が強くなるためである。例えば、一実施形態において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流の形状は実質的にサイクロイドである。電子Ｅ×Ｂドリフト電流の正確な形状は非常に複雑であり得、様々な要因に依存する。
【００９６】
例えば、図５Ａは、磁石系４０７により生成される磁場と、実質的に円形な輪により示される電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４０８を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０は、カソード２０４近傍に生成される。
【００９７】
図５Ａに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０は約１００Ａである。本発明の一実施形態において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０は、放電電流の約３倍〜１０倍である。従って、図５Ａに示される例において、放電電流はほぼ１０Ａ〜３０Ａの間にある。磁石系４０７により生成される磁場は、比較的小さな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０により生成される比較的小さな磁場によって、実質的には乱されないということを、図５Ａに示される磁力線４０８は示す。
【００９８】
図５Ｂは、磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４１２を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４は、カソード２０４近傍に生成される。図５Ｂに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４は約３００Ａである。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４は、通常、放電電流の約３倍〜１０倍であるため、この例における放電電流はほぼ３０Ａ〜１００Ａである。
【００９９】
磁石系４０７により生成される磁力線４１２は、比較的小さな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４により生成される比較的小さな磁場によって実質的には乱されない。しかしながら、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４に最近接する磁力線４１６は、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４により生成される磁場によっていくぶんか歪められる。より大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流により、磁石系４０７により生成される磁場とより強く相互作用するより強い磁場が生成されるということを、この歪みは示唆する。
【０１００】
図５Ｃは、磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４１８を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０はカソード２０４の近傍に生成される。図５Ｃに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０は約１，０００Ａである。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０は、通常、放電電流の約３倍〜１０倍であるため、この例における放電電流はほぼ１００Ａ〜３００Ａである。
【０１０１】
磁石系４０７により生成される磁力線４１８は相当な歪みを示し、その歪みは比較的大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０により生成される比較的強い磁場により引き起こされる。従って、より大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０は、より強い磁場を生成し、そのより強い磁場は磁石系４０７により生成される磁場と強く相互作用し、その磁場を支配し始め得る。
【０１０２】
磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０により生成される磁場との相互作用は磁力線４２２を生成するが、磁力線４２２は図５Ａの磁力線４０８ならびに図５Ｂの磁力線４１２および磁力線４１６よりも、カソード２０４の表面に対して幾らかより平行である。磁力線４２２は、強電離プラズマ２３８を領域２３４’内においてより均一に分布させる。従って、強電離プラズマ２３８は領域２３４’内において実質的に均一に拡散する。
【０１０３】
図５Ｄは、磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４２４を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６はカソード２０４の近傍に生成される。図５Ｄに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６は約５ｋＡである。この例における放電電流はほぼ５００Ａ〜１，７００Ａである。
【０１０４】
比較的大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６により生成される比較的強い磁場と相互作用するために、磁石系４０７により生成される磁力線４２４は比較的強く歪められる。従って、この実施形態において、比較的大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６は非常に強い磁場を生成し、その磁場は磁石系４０７により生成される磁場と比べてより強い。
【０１０５】
図６Ａ〜図６Ｄは、本発明によるプラズマ発生システム２００’、２００’’、２００’’’および２００’’’’の代わりの実施形態の断面図を示す。図６Ａのプラズマ発生システム２００’は、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成する電極４５２を含む。電極４５２は、予備電離フィラメント電極とも呼ばれ、弱電離プラズマを生成するイオン源の構成要素である。
【０１０６】
一実施形態において、電極４５２は電源４５６の出力４５４に結合される。電源４５６はＤＣ電源またはＡＣ電源であり得る。絶縁体４５８は、電極４５２をアノード２１６と絶縁する。一実施形態において、電極４５２は実質的に円形の電極である。他の実施形態において、電極４５２は実質的に直線の形状であるか、または、プラズマを予備電離するに適する形状である。
【０１０７】
一実施形態において、電源４５６の第２の出力４６０はカソード２０４に結合される。絶縁体２１８はカソード２０４をアノード２１６と絶縁する。一実施形態において、電源４５６は、平均が約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの範囲にある出力電力を生成する。そのような出力電力は、電極４５２とカソード２０４との間に、電極４５２の近傍に存在する原料ガス２２６を予備電離するに適する電流を生成するに十分である。
【０１０８】
動作中において、プラズマ発生装置２００’は、図２Ａのプラズマ発生装置２００と類似した態様で機能するが、動作上の相違をいくらか有する。一実施形態（図示せず）において、磁場はカソード２０４の近傍に生成される。一実施形態において、磁場の強さは約５０ガウス〜２，０００ガウスである。原料ガス２２６は、電極４５２とカソード２０４との近傍に供給される。
【０１０９】
電源４５６は、カソード２０４と電極４５２との間に適切な電流を印加する。電極４５２近傍の領域２３４に弱電離プラズマを発生させるように、電流のパラメータは選択される。一実施形態において、電源４５６はシステムの大きさに応じて、約１００Ｖ〜５ｋＶの電圧を生成し、約０．１Ａ〜１００Ａの放電電流を伴う。電圧の特定のパラメータの例について、図７とともに以下により詳細に記載する。
【０１１０】
一実施形態において、アルゴンスパッタリングガスに対して、結果として生じる予備電離プラズマ密度は、約１０６ｃｍ−３〜１０１２ｃｍ−３の間にある。一実施形態において、領域２３４内の圧力は、約１０−３Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒもしくはそれ以上の範囲にある。圧力は、カソード２０４近傍の磁場の存在といった種々のシステムパラメータに応じて変動し得る。上述したように、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマにより、プラズマに高電力パルスを印加するときにカソード２０４とアノード２１６との間が破壊状態になる可能性は実質的になくなる。
【０１１１】
次いで、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。高電力パルスのパラメータは様々なパラメータに依存し、そのパラメータにはプラズマの体積、所望のプラズマ密度および領域２３４内の圧力が含まれる。
【０１１２】
一実施形態において、カソード２０４とアノード２１６との間の高電力パルスは約１ｋＷ〜１０ＭＷの範囲内にある。一実施形態において、約１０ｍＴｏｒｒの圧力に対して、強電離プラズマから生成され得る放電電流密度は約１Ａ／ｃｍ２よりも大きい。
【０１１３】
一実施形態において、高電力パルスのパルス幅は、約１マイクロ秒から数秒の範囲内にある。一実施形態において、高電力放電の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲内にある。一実施形態において、パルス電源により生成される電力の平均は、システムの大きさに応じて１ＭＷ未満である。一実施形態において、カソード２０４および／またはアノード２１６における熱エネルギーは、液体冷却またはガス冷却（図示せず）によって持去られるか、もしくは分散され得る。
【０１１４】
一実施形態（図示せず）において、磁場はカソード２０４近傍に生成される。強電離プラズマは、図５Ａ〜図５Ｄとともに記載したように、生成された磁場の相互作用のために領域２３４内に均一に拡散する傾向にある。
【０１１５】
図６Ｂは、本発明によるプラズマ発生装置２００’’の他の実施形態の断面図である。この実施形態は図６Ａのプラズマ発生装置２００’に類似する。しかしながら、この実施形態において、イオン源の構成要素である電極４５２’はカソード２０４を実質的に取り囲む。カソード２０４に対する電極４５２’の位置は、アノード２１６とカソード２０４との間のギャップ２２０における特定の電気的条件を得られるように選ばれる。
【０１１６】
例えば、電極４５２’とカソード２０４との間の距離４６２は、電極４５２’の直径を変化させることによって変動し得る。一実施形態において、距離４６２は約０．１ｃｍから約１０ｃｍまで変動し得る。距離４６２は、領域２３４内に持続可能な弱電離プラズマを生成するように最適化され得る。カソード２０４に対する電極４５２’の縦方向の位置もまた変動し得る。
【０１１７】
予備電離電極４５２’は、アノード２１６とカソード２０４との間の領域２２２内に物理的に位置していない。従って、予備電離電極４５２’は、パルス電源２０２からの高電力パルスがアノード２１６とカソード２０４との間に加えられると生じる強電場を干渉しない。さらに、予備電離電極４５２’の位置により、領域２３４内により均一に分散した弱電離プラズマがもたらされる。
【０１１８】
動作中において、電源４５６はカソード２０４と電極４５２’との間に電圧を印加する。電圧は、電極４５２’およびカソード２０４の近傍に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成する。予備電離プラズマは、パルス電源２０２からの高電力パルスがプラズマに加えられると、破壊状態になる可能性を実質的になくす。
【０１１９】
一実施形態において、電源４５６は約０．１Ａ〜１００Ａの範囲にある放電電流を伴う約１００Ｖ〜５ｋＶの範囲にあるＤＣ電圧を生成するＤＣ電源である。他の実施形態において、電源４５６はカソード２０４と電極４５２’との間の電圧パルスを生成するＡＣ電源である。
【０１２０】
図６Ｃは、本発明によるプラズマ発生装置２００’’’の他の実施形態の断面図である。電極４５２とカソード２０４’との構成により、電極４５２とカソード２０４’との間に生成される電場のパラメータに影響が及び得る。電場のパラメータは、予備電離プラズマの点火ならびに予備電離プロセス全般に影響を及ぼし得る。この実施形態は、アノード２１６とカソード２０４’との間の領域２２２内の原料ガスの破壊と弱電離プラズマの点火とに必要な状態を生成する。
【０１２１】
図６Ｃで図示される実施形態において、カソード２０４’と電極４５２との間に生成される電気力線（図示せず）はカソード２０４’上の点４７０において、カソード２０４’と実質的に直交する。電極４５２とカソード２０４’との間のギャップ４７２における電場は、ギャップ４７２を介して流れる原料ガス２２６からのプラズマを点火するように適合される。予備電離プロセスの効率性は、磁場の強さおよびカソード２０４’の近傍領域の圧力などのパラメータに依存して、この実施形態を用いて上げられ得る。
【０１２２】
図６Ｄは、本発明によるプラズマ発生装置２００’’’’の他の実施形態の断面図である。この実施形態において、カソード２０４’’と電極４５２との間に生成される電気力線（図示せず）は点４７４においてカソード２０４’’と実質的に直交する。電極４５２とカソード２０４’’との間のギャップ４７６における電場は、ギャップ４７６を介して流れる原料ガス２２６からのプラズマを点火するように適合される。予備電離プロセスの効率性は、磁場の強さおよびカソード２０４’’の近傍領域の圧力などのパラメータに依存して、この実施形態を用いて上げられ得る。
【０１２３】
図７は、図６Ａのプラズマ発生システム２００’におけるプラズマに周期的なパルスを加える場合における、時間の関数としてのパルス電力のグラフ表示５００を示す。一実施形態において、電源４５６またはパルス電源２０２のどちらか一方を作動させる前に、時刻ｔ０において、原料ガス２２６を電極４５２に近傍の領域２２２に流入させる。
【０１２４】
別の実施形態において、ガス２２６を電極４５２に近傍の領域２２２に流入する前に、時刻ｔ０において、電源４５６および／またはパルス電源２０２を作動させる。この実施形態において、原料ガス２２６は、電極４５２とカソード２０４との間に注入され、電極４５２とカソード２０４との間において、原料ガス２２６は電源４５６により点火されて、弱電離プラズマを生成する。
【０１２５】
十分な量のガス２２６を領域２２２に流入させる所要時間は様々な要因に依存し、その要因には、ガス２２６の流速と所望の動作圧力とが含まれる。時刻ｔ１において、電源４５６は、電極４５２とカソード２０４との間に、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの範囲にある電力５０２を生成する。電力５０２により、電極４５２近傍のガス２２６が部分的に電離し、それにより、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマが生成される。
【０１２６】
時刻ｔ２において、パルス電源２０２はプラズマの体積と動作圧力とに応じて、１ｋＷ未満〜約１０ＭＷのオーダーの高電力パルス５０４を弱電離プラズマに供給する。高電力パルス５０４は、弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である。その高電力パルスの立上りエッジ５０６の立上り時間は約０．１マイクロ秒〜１０秒の間にある。
【０１２７】
一実施形態において、高電力パルス５０４のパルス幅は、約１マイクロ秒〜１０秒の範囲にある。時刻ｔ４において、高電力パルス５０４の印加を終了させる。高電力パルス５０４の供給の後においても、パルス電源２０２が他の高電力パルス５０８の供給の準備をする間に、電源４５６からの電力５０２は連続的に印加されて、予備電離プラズマを保持する。他の実施形態（図示せず）において、電源４５６はＡＣ電源であり、適切な電力パルスを供給することにより、弱電離プラズマを点火し、かつ保持する。
【０１２８】
時刻ｔ５において、パルス電源２０２は他の高電力パルス５０８を供給する。一実施形態において、高電力パルスの繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚである。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅および周波数は、動作圧力、パルス電源２０２の設計、カソード２０４近傍の磁場の存在、プラズマの体積といったプロセスパラメータに依存する。高電力パルス５０４の立上りエッジ５０６および立下がりエッジ５１０の形状および持続時間は、強電離プラズマの電離速度を制御するように選択される。
【０１２９】
図８は、本発明による高密度電離プラズマまたは強電離プラズマの実例となるプロセスのフローチャート６００である。そのプロセスは、図２Ａのプラズマ発生装置２００内の様々なシステムを起動することにより開始する（工程６０２）。例えば、チャンバ（図示せず）を最初に特定の圧力まで真空引きする（工程６０４）。次いで、チャンバ内の圧力を評価する（工程６０６）。一実施形態においては、次いで、チャンバに原料ガス２２６を供給する（工程６０８）。ガス圧を評価する（工程６１０）。ガス圧が適当である場合には、チャンバ内の圧力を再び評価する（工程６１２）
チャンバ内の圧力が適当であるときに、適切な磁場が原料ガス２２６（図示せず）の近傍に生成される。一実施形態において、磁石系（図示せず）には少なくとも１つの永久磁石を含まれ得るので、プロセスが開始される前であっても、磁場は絶え間なく生成される。他の実施形態において、磁石系（図示せず）には少なくとも１つの電磁石が含まれているので、電磁石が動作しているときのみ磁場が生成される。
【０１３０】
原料ガス２２６は電離して、弱電離プラズマ２３２を生成する（工程６１４）。一実施形態において、図２Ａのカソード２０４とアノード２１６との間のギャップ２２０に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマ２３２が生成され得る。他の実施形態において、図６Ａの電極４５２とカソード２０４との間に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマ２３２が生成され得る。さらに他の実施形態（図示せず）において、電極が加熱されて、カソード２０４の近傍に電子を放出する。この実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成するために、比較的低い電流放電がアノード２１６と電極との間に作り出される。
【０１３１】
図２Ａに示される実施形態において、原料ガス２２６を導入する前に、カソード２０４とアノード２１６との間のギャップ２２０に電位を加えることによって、弱電離プラズマ２３２が生成される。図６Ａに示される実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成する原料ガス２２６を導入する前に、電極４５２とカソード２０４との間に電位差を加えることによって、弱電離プラズマ２３２が生成される。
【０１３２】
ガスが弱電離した後（工程６１６）、強電離プラズマ２３８（図２Ｄ）が弱電離プラズマ２３２から生成される（工程６１８）。一実施形態において、カソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを印加することによって、強電離プラズマ２３８が生成される。ここに記載したように、高電力パルスによって、アノード２１６とカソード２０４との間のギャップ２２０に強電場２３６が生成される結果がもたらされる。その強電場２３６によって、原料ガス２２６の段階的な電離プロセスが引き起こされる。一実施形態において、強電場２３６は、強電離プラズマ２３８を強化するイオン形成を促進する。一実施形態において、強電離プラズマ２３８は図２Ｄの領域２３４内において実質的に均一である。
【０１３３】
強電離プラズマ２３８が形成された後（工程６２０）、強電離プラズマ２３８はプラズマ処理の必要に応じて維持される（工程６２２）。プラズマ処理が完了すると（工程６２４）、プラズマ処理を終了させる（工程６２６）。
【０１３４】
（均等物）
特に、特定の好ましい実施形態を参照しながら本発明を示し、記載してきたが、本明細書に定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な形態および詳細の変更がなされ得ることは、当業者には理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】無線周波数（ＲＦ）電源を有する周知のプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ａ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図３】図２Ａのプラズマ発生装置においてプラズマに印加される周期的なパルスに対するパルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図４】図２Ａのプラズマ発生装置においてプラズマに加えられる周期的なパルスの印加電圧、印加電流、および、印加電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図５】図５Ａ〜５Ｄは、本発明による、種々の電子Ｅ×Ｂドリフト電流に対する、カソード近傍の種々のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図６Ａ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図６Ｂ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図６Ｃ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図６Ｄ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図７】図６Ａのプラズマ生成システムにおいてプラズマに加えられる周期的なパルスに対して、パルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図８】本発明による高密度プラズマを生成する実例となる方法のフローチャートである。
【背景技術】
【０００１】
プラズマは、第４の物質の状態と考えられている。プラズマは、不規則な方向に動く荷電粒子の集まりである。プラズマは、平均して電気的に中性である。プラズマを生成する１つの方法は、２つの並列な導電性電極の間の低圧気体に電流を印加することである。あるパラメータが満たされると、気体は「破壊」してプラズマを形成する。例えば、プラズマは、約１０−１Ｔｏｒｒと１０−２Ｔｏｒｒとの間にある圧力で希ガス雰囲気（例えば、アルゴン）において２つの並列な導電性電極の間の数キロボルトの電位を適用することによって生成され得る。
【０００２】
プラズマ処理は、半導体製造産業などの多くの産業において広く用いられている。例えば、プラズマエッチングは、電子工学において基板材料および基板上に堆積した膜をエッチングするのに広く用いられている。表面から材料を除去するために用いられるプラズマエッチング処理には、スパッタエッチング、純化学的エッチング（ｐｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンエネルギー誘起エッチング（ｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｒｉｖｅｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）およびイオンインヒビターエッチング（ｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｅｔｃｈｉｎｇ）の４つの基本的な典型がある。
【０００３】
プラズマスパッタリングとは、基板上に膜を堆積させるのに広く用いられる技術である。スパッタリングは、ターゲット表面から原子を物理的に取り出すものであり、物理気相成長（ＰＶＤ）と呼ばれることがある。アルゴンイオンといったイオンが生成されて、プラズマから引き出されて、陰極暗部を越えて加速される。ターゲットは、プラズマが形成される領域よりも低い電位を有する。従って、ターゲットは正イオンを誘引する。正イオンは高速でターゲットに向かって移動する。正イオンはターゲットに衝撃を与え、原子をターゲットから物理的に取り除きまたはスパッタさせる。スパッタ原子はそれから、スパッタターゲット材料の膜を堆積する基板に伝播する。プラズマは、ターゲット表面で生成された二次電子とともに中性分子の衝突によって形成された電子−イオンペアによって補充される。
【０００４】
マグネトロンスパッタリングシステムは、ターゲット表面のイオン衝撃によって生成される二次電子を閉じ込め、濃縮するように成形された磁場を使用する。マグネトロンスパッタリングシステムによって生成されたプラズマ放電はターゲットの表面の近傍に位置し、高い電子密度を有する。高い電子密度は、ターゲット表面に近い領域においてスパッタリングガスのイオン化を引き起こす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、特に、詳細な説明において記載される。添付の図面とともに以下の記載を参照することによって、本発明の上記の利点およびさらなる利点はより良く理解され得る。図面において、類似した数字は、様々な図における類似した構造要素および特徴を示す。図面は必ずしもその縮尺である必要はなく、本発明の原理の図示を重視したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
（詳細な説明）
図１は、無線周波数（ＲＦ）電源１０２を有する周知のプラズマ発生装置１００の断面図を示す。周知のプラズマ発生装置１００には真空チャンバ１０４が含まれ、ここでプラズマ１０５が生成される。真空チャンバ１０４は、管１０８を介して真空ポンプ１０６と流動的に位置づけられる。真空ポンプ１０６は、真空チャンバ１０４を高真空に真空引きするように適合される。真空チャンバ１０４内の圧力は、一般的に１０−１Ｔｏｒｒを下回る。アルゴンガス供給源などの原料ガス供給源１０９からの原料ガスは、ガス注入口１１０を介して真空チャンバ１０４に導入される。ガス流量はバルブ１１２によって制御される。
【０００７】
プラズマ発生装置１００にはカソード１１４も含まれる。カソード１１４は、通常、円板の形をしている。カソード１１４は、伝送線１２２によって、ブロッキングコンデンサ１２０の第１の電極１１８に電気接続される。ブロッキングコンデンサ１２０の第２の電極１２４は、ＲＦ電源１０２の第１の出力１２６に結合される。絶縁体１２８は、カソード１１４を真空チャンバ１０４と電気的に絶縁させるために、真空チャンバ１０４の壁に伝送線１２２を貫通させるために用いられ得る。
【０００８】
アノード１３０は、真空チャンバ１０４においてカソード１１４の近傍に配置される。アノード１３０は、通常、伝送線１３２を用いてグランドに結合される。ＲＦ電源１０２の第２の出力１３４も通常グランドに結合される。アノード１３０を真空チャンバ１０４と絶縁するために、絶縁体１３６を用いることにより、真空チャンバ１０４の壁に伝送線１３２を貫通させ得る。真空チャンバ１０４は、グランドにも電気的にも結合され得る。
【０００９】
動作中に、ＲＦ電源１０２はカソード１１４とアノード１３０との間にＲＦ電圧パルスを印加する。このＲＦ電圧パルスは、真空チャンバ１０４においてアルゴン原料ガスをイオン化するのに十分な振幅を有する。典型的なＲＦ駆動電圧は１００Ｖ〜１０００Ｖの間にあり、カソード１１４とアノードとの間隔１３８は、約２ｃｍ〜１０ｃｍの間である。典型的な圧力は、１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲内にある。典型的な電力密度は、０．１Ｗ／ｃｍ２〜１Ｗ／ｃｍ２の範囲にある。駆動周波数は典型的に１３．５６ＭＨｚである。典型的なプラズマ密度は、１０９ｃｍ−３〜１０１１ｃｍ−３の範囲にあり、電子温度は、３ｅＶのオーダーである。
【００１０】
電離プロセスは、電子衝突による直接電離または原子電離と呼ばれ、以下のように記述し得る。
【００１１】
Ａｒ＋ｅ−→Ａｒ＋＋２ｅ−
ここで、Ａｒは、原料ガス中の中性のアルゴン原子を表し、ｅ−は、カソード１１４とアノード１３０との間に印加される電圧に応答して生成されるイオン化用電子を表す。中性のアルゴン原子とイオン化用電子との衝突によって、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と２つの電子が得られる。
【００１２】
プラズマ放電は、少なくとも部分的にカソードからの二次電子放出によって保持される。しかしながら、典型的な動作圧力が比較的高い必要があるために、二次電子はアノード１３０またはチャンバ１０４の壁から離れない。このような圧力は大抵のプラズマ処理において最適ではない。
【００１３】
プラズマ放電は、従来のグロー放電において得られ得るものより高い電流密度、より低い電圧およびより低い圧力において動作することが所望される。これにより、カソード１１４の近くのＤＣ磁場を使用することにより二次電子を閉じ込めることになる。二次電子を閉じ込めることにより、実質的にチャンバ１０４の場所（図示せず）にプラズマが閉じ込められ、それによって、所与の入力電力でその場所におけるプラズマ密度が高められ、その一方で、ロスエリアが削減される。
【００１４】
磁気閉込めは主に、比較的低い磁界強度がある閉込め領域（図示せず）において生じる。閉込め領域の形および場所は、磁石のデザインによって決定される。一般的に、閉込め領域におけるプラズマ内の正に帯電したイオンの濃度は、チャンバ１０４内のどの領域におけるその濃度よりも高い。その結果、プラズマの均一性は磁気強化システムにおいて大幅に減ぜられ得る。
【００１５】
マグネトロンスパッタリングシステムにおけるプラズマの不均一性により、望ましくないターゲット材料の不均一な侵食と、そして、比較的低いターゲットの利用率とが導かれ得る。マグネトロンスパッタリングシステムにおけるプラズマの不均一性により、基板の不均一なエッチングが導かれ得る。
【００１６】
プラズマに印加するＲＦ電力を激増することだけでは、より均一でより密度の高いプラズマの形成は得られない。その上、均一性および密度のまさに斬新的な増加の達成に必要な電力量を印加することによって、チャンバ１０４内に望ましくない放電（アーク放電）を引き起こす絶縁破壊状態を発生させる可能性が増し得る。
【００１７】
比較的高電力のパルスを周期的に印加するが、放出電力の平均を比較的低いままにし得るために、プラズマに印加される直流（ＤＣ）電力をパルス状にすることは、有利であり得る。その上、望ましくない電気放電をもたらす絶縁破壊状態が成立する可能性を低減するように、このような大きい電圧パルスの幅を事前設定し得る。望ましくない電気放電は、エッチング処理を阻害し、真空チャンバ１０４の汚染を引き起し得る。しかしながら、非常に大きい電力パルスはそれでもやはり、電圧パルスの幅とは関係なく、望ましくない電気放電を結果として招き得る。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の一実施形態によるパルス電源２０２を有するパルス生成装置２００の断面図を示す。例えば、図２Ａは、パルス電源２０２が起動する前の時におけるパルス電源２０２を有するパルス生成装置２００の断面図を示す。一実施形態において、プラズマ発生装置２００には、プラズマを支持する真空チャンバなどのチャンバ（図示せず）が含まれる。チャンバは、真空システム（図示せず）に結合され得る。
【００１９】
プラズマ発生装置２００には、カソード２０４も含まれる。一実施形態において、カソード２０４は、ステンレス鋼などの金属材料または反応性ガスと化学的に反応しない他の材料から成り得る。他の実施形態では、カソード２０４には、スパッタリングに用いられ得るターゲットが含まれる。カソード２０４は整合器２０８の出力２０６に結合される。整合器２０８の入力２１０はパルス電源２０２の第１の出力２１２に結合される。パルス電源２０２の第２の出力２１４はアノード２１６に結合される。絶縁体２１８は、アノード２１６をカソード２０４と絶縁する。
【００２０】
一実施形態において、パルス電源２０２の第１の出力２１２はカソード２０４（図示せず）に直接結合される。一実施形態（図示せず）において、パルス電源２０２の第２の出力２１４はグランドに結合される。この実施形態において、アノード２１６もまたグランドに結合される。
【００２１】
一実施形態（図示せず）において、パルス電源２０２の第１の出力２１２は、負電圧のインパルスをカソード２０４に結合する。別の実施形態（図示せず）において、パルス電源２０２の第２の出力２１４は、正電圧のインパルスをアノード２１６に結合する。
【００２２】
一実施形態において、パルス電源２０２は約３０，０００Ｖまでのピーク電圧レベルを生成する。典型的な動作電圧は、一般的に約５０Ｖ〜３０ｋＶの間にある。一実施形態において、パルス電源２０２は、プラズマの体積に応じて、約１Ａ〜約５，０００Ａ以上のピーク電流レベルを生成する。典型的な動作電流は、プラズマの体積に応じて変わり得、１００Ａ未満の電流から数千Ａよりも大きな電流の間にある。一実施形態において、パルス電源２０２により生成されるパルスの繰返し率は１ｋＨｚ未満である。一実施形態において、パルス電源２０２により生成されるパルスのパルス幅は、実質的に、約１マイクロ秒〜数秒の間にある。
【００２３】
アノード２１６とカソード２０４との間に形成されるギャップ２２０、アノード２１６とカソード２０４との間の領域２２２に電流が流れ得るに十分であるように、アノード２１６は配置される。一実施形態において、ギャップ２２０の幅は、約０．３ｃｍ〜約１０ｃｍの間にある。カソード２０４の表面積から領域２２２の体積が決定される。ギャップ２２０および領域２２２の総体積は、本明細書に記載する電離プロセスにおけるパラメータである。
【００２４】
一実施形態において、プラズマ発生装置２００には、真空チャンバなどのチャンバ（図示せず）が含まれる。チャンバは、真空バルブ（図示せず）を介して真空ポンプ（図示せず）と流動的に結合される。一実施形態において、チャンバ（図示せず）はグランド電位に電気的に結合される。１つまたは複数のガスライン２２４は、原料ガス供給源（図示せず）から原料ガス２２６をチャンバに提供する。一実施形態において、ガスライン２２４は、絶縁体２２８によって、チャンバおよび他の構成要素と絶縁される。他の実施形態において、直列絶縁カプラー（図示せず）を用いて、ガスライン２２４を原料ガス供給源と絶縁し得る。ガス供給源は、アルゴンが含まれるがこれに限定されない任意の原料ガス２２６であり得る。実施形態によっては、原料ガス２２６は、異なるガス、反応性ガスまたは純反応性ガスの混合ガスを含み得る。実施形態によっては、原料ガス２２６は希ガスまたはガスの混合ガスを含む。
【００２５】
動作中において、ガス供給源から原料ガス２２６が、ガス流制御システム（図示せず）によりチャンバに供給される。好ましくは、原料ガス２２６はカソード２０４とアノード２１６との間に供給される。カソード２０４とアノード２１６との間に原料ガス２２６を直接注入することにより、原料ガス２２６の流速が増加し得る。これにより、カソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２において急速な体積交換が引き起こされ、より長い幅を有する高電力パルスがギャップ２２０全体に印加されることを可能にする。より長い幅を有する高電力パルスは、より高密度のプラズマの形成をもたらす。この体積交換は本明細書により詳細に記載する。
【００２６】
一実施形態において、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２を発生させるイオン源の構成要素である。図２Ｂを参照すると、原料ガスがカソード２０４とアノード２１６との間に供給された後、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に電圧パルスを印加する。一実施形態において、パルス電源２０２は、カソード２０４に負の電圧パルスを印加する。電界２３０がカソード２０４とアノード２１６との間において展開するように、電圧パルスの大きさおよび形状が選択される。弱電離プラズマ２３２がアノード２１６とカソード２０４との間の領域２２２において発生するように、電界２３０の大きさおよび形状が選択される。
【００２７】
弱電離プラズマ２３２は、予備電離プラズマとも呼ばれる。一実施形態において、予備電離プラズマのプラズマ密度のピークは、アルゴン原料ガスに対して、約１０６ｃｍ−３〜１０１２ｃｍ−３の間にある。チャンバ内の圧力は約１０−３Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒｒまたはそれより高くへと変化し得る。圧力は、カソード２０４に近傍の磁場の存在といった種々のシステムパラメータに依存して変化し得る。弱電離プラズマ２３２のプラズマ密度のピークは、特定のプラズマ生成システムの特性に依存しており、弱電離プラズマ２３２における測定場所の関数である。
【００２８】
一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成するためにパルス電源２０２は、約０．１Ａ〜１００Ａの間の放電電流を伴う約１００Ｖ〜５ｋＶの間の初期電圧を有する低電力パルスを生成する。実施形態によっては、パルス幅は約０．１マイクロ秒〜約１００秒のオーダーであり得る。パルスの特定のパラメータについて、本明細書により詳細に記載する。
【００２９】
一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成する前に、パルス電源２０２は、原料ガス２２６をカソード２０４とアノード２１６との間に供給する前に、カソード２０４とアノード２１６との間に電位差を生成する。別の実施形態において、原料ガス２２６をカソード２０４とアノード２１６との間に供給した後に、パルス電源２０２は、ギャップ２２０を流れる電流を生成する。
【００３０】
一実施形態において、直流（ＤＣ）電源（図示せず）をイオン源において用いることにより、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を生成し、保持する。この実施形態において、ＤＣ電源は、弱電離プラズマ２３２を点火するに十分高い電圧を生成するように適合される。一実施形態において、ＤＣ電源は、弱電離プラズマ２３２を生成し、保持するために、カソード２０４とアノード２１６との間に約０．１Ａ〜１００Ａの範囲にある放電電流を伴う約１００Ｖ〜１ｋＶのオーダーでプラズマ放電電圧を生成する数キロボルトの初期電圧を生成する。放電電流の値は、電源の電力レベルに依存し、弱電離プラズマ２３２の体積の関数である。さらに、領域２２２に磁場（図示せず）があることにより、弱電離プラズマ２３２を生成するのに要求される印加電圧と印加電流との値に劇的効果を与えられ得る。
【００３１】
実施形態（図示せず）によっては、ＤＣ電源はプラズマ生成システムの大きさと領域２３４内の磁場の強さとに応じて約１ｍＡ〜１００Ａの間にある電流を生成する。一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成する前に、ＤＣ電源は、原料ガス２２６の導入前に、カソード２０４とアノード２１６との間に初期ピーク電圧を生成し、保持するように適合される。
【００３２】
別の実施形態において、交流（ＡＣ）電源（図示せず）を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を生成し、保持する。例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、容量結合プラズマ放電（ＣＣＰ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を生成し得、または保持し得る。
【００３３】
ＡＣ電源は、弱電離プラズマを生成し、保持するためにＤＣ電源よりも小さい電力を必要とし得る。その上、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマ２３２は、紫外線法、Ｘ線法、電子ビーム法、イオンビーム法、または電離フィラメント法などの多数の他の方法を用いても生成され得る。これら方法には、本発明によるイオン源において用いられる構成要素が含まれる。実施形態によっては、弱電離プラズマは領域２２２の外側に形成され、次いで、領域２２２へと拡散する。
【００３４】
弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２を形成することによって、カソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを印加するときにチャンバ内が破壊状態になる可能性は実質的になくなる。破壊状態になる可能性は実質的になくなる。これは、弱電離プラズマ２３２が、プラズマを介する電気伝導を提供する低レベルの電離を有するためである。この伝導によって、プラズマに高電力を印加するときにでさえ、破壊状態になることは実質的に防止される。
【００３５】
一実施形態において、原料ガス２２６が領域２２２内を通過する様に、弱電離プラズマ２３２は、いくらか均一に領域２３４へと拡散する。この均一な拡散により、領域２３４に非常に均一な強電離プラズマの生成を促す傾向になる。
【００３６】
一実施形態（図示せず）において、弱電離プラズマ２３２は、磁場によってカソード２０４の近傍に閉じ込められ得る。特に、弱電離プラズマ２３２内の電子がカソード２０４の近傍に生成される磁場によって閉じ込められ得る。一実施形態において、磁場の強さは約５０ガウス〜約２，０００ガウスの間にある。
【００３７】
一実施形態において、磁石系（図示せず）は、カソード２０４の近傍に磁場を生成する。磁石系は、永久磁石（図示せず）が含まれ得、またはその代わりに電磁石（図示せず）が含まれ得る。磁石系の配置は、磁場の所望の形状および強さに応じて変更され得る。別の実施形態において、磁石系はバランスのとれた配置、またはバランスの取れていない配置を取り得る。一実施形態において、磁石系には切り替え可能な電磁石が含まれ、切り替え可能な電磁石は、カソード２０４の近傍にパルス状の磁場を生成する。実施形態によっては、チャンバ（図示せず）の周囲およびチャンバのいたる所の様々な位置に、追加の磁石系（図示せず）が配置され得る。
【００３８】
図２Ｃを参照して、弱電離プラズマ２３２が形成されるとすぐに、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを生成する（図２Ｃ）。高電力パルスの所望の電力レベルは、例えば、弱電離プラズマ２３２の密度とプラズマの体積とを含むいくつかの要因に依存する。一実施形態において、高電力パルスの電力レベルは、約１ｋＷ〜約１０ＭＷまたはそれより高くまでの範囲にある。
【００３９】
各高電力パルスは所定の時間保たれ、実施形態によっては、その時間は約１マイクロ秒〜１０秒の間にある。高電力パルスの繰返し周波数または繰返し率は、実施形態によっては、約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲にある。パルス電源２０２により生成される平均電力は、プラズマの体積に応じて１ＭＷ未満であり得る。一実施形態において、カソード２０４および／またはアノード２１６の熱エネルギーは、ヘリウム冷却などの液体冷却またはガス冷却によって持去られるか、もしくは分散される（図示せず）。
【００４０】
高電力パルスにより、カソード２０４とアノード２１６との間に強電場２３６が生成される。この強電場２３６は実質的に、カソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２に存在する。一実施形態において、電場２３６はパルス状の電場である。他の実施形態において、電場２３６は準静的な電場である。本明細書において、準静的な電場とは、電子の中性ガス粒子との衝突時間と比べてかなり長い電場変動の特性時間を有する電場のことを指す。上記の電場変動の時間は、１０秒のオーダーであり得る。強電場２３６の強さおよび位置について、本明細書により詳細に記載する。
【００４１】
図２Ｄを参照して、高電力パルスにより、弱電離プラズマ２３２から高電離プラズマまたは強電離プラズマ２３８が発生する（図２Ｃ）。強電離プラズマ２３８は高密度プラズマとも呼ばれる。圧力が約１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒのオーダーである場合には、この強電離プラズマ２３８から形成される放電電流は約５ｋＡ以上のオーダーであり得、放電電圧は約５０Ｖ〜５００Ｖの範囲にある。
【００４２】
一実施形態において、強電離プラズマ２３８は、領域２３４に均一に拡散する傾向にある。均一な拡散により、より均一なプラズマボリュームが生成される。均一な拡散については、図５Ａ〜図５Ｄを参照しながらより詳細に記載される。
【００４３】
均一な拡散は、多くのプラズマ処理に有利である。例えば、均一な拡散を有するプラズマエッチング処理は、従来のプラズマエッチングと比べてより均一な方法でエッチングされる基板の表面（図示せず）に向けて強電離プラズマ２３８内のイオンを加速する。結果として、基板の表面はより均一にエッチングされる。均一な拡散を有するプラズマ処理により、基板を回転させる必要なく高い均一性が得られ得る。
【００４４】
また、均一な拡散を有するマグネトロンスパッタリングシステムも、従来のマグネトロンスパッタリングと比べてより均一な方法でスパッタリングターゲットの表面に向けて強電離プラズマ２３８内のイオンを加速する。結果として、ターゲット材料は、基板およびまたはマグネトロンを回転させる必要なくより均一に基板上に堆積される。また、スパッタリングターゲットの表面はより均等に侵食されており、より高いターゲットの利用が達成される。
【００４５】
一実施形態において、本発明のプラズマ発生装置２００は、比較的高い電子温度と比較的高密度のプラズマとを生成する。本発明の強電離プラズマ２３８の一用途は、電離物理気相成長（ＩＰＶＤ）（図示せず）であり、電離物理気相成長は、中性スパッタ原子を正イオンに変換することによりスパッタリング処理を強化する技術である。
【００４６】
再度、図２Ｄを参照して、強電場２３６は強電離プラズマ２３８が形成される速度を実質的に上げる原料ガス２２６の多段階電離プロセスを促進する。一実施形態において、原料ガスは分子性気体であり、強電場２３６はプラズマ内のイオン形成を強化する。多段階または段階的な電離プロセスは以下のように記載される。
【００４７】
原料ガス２２６をまたぎカソード２０４とアノード２１６との間に予備電離電圧を印加し、弱電離プラズマ２３２を形成する。弱電離プラズマ２３２は、通常、領域２２２内に形成され、原料ガス２２６が引続き流れるように、領域２３４へと拡散する。一実施形態（図示せず）において、磁場が領域２２２内に生成され、カソード２０４の中心に広がる。この磁場は、電子の領域２２２から領域２３４への拡散を促進する傾向がある。弱電離プラズマ２３２内の電子は実質的に、磁場により領域２３４内に閉じ込められる。一実施形態において、領域２２２における弱電離プラズマの体積は、原料ガス２２６の新しい体積と急速に交換される。
【００４８】
弱電離プラズマ２３２の形成の後（図２Ｃ）、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを印加する。この高電力パルスはカソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２における強電場２３６を生成する。強電場２３６により、弱電離プラズマ２３２内において中性原子２４０、電子（図示せず）およびイオン２４２間で生じる衝突が引き起こされる。これら衝突により弱電離プラズマ２３２内に励起原子２４４が多数生成される。
【００４９】
弱電離プラズマ２３２における励起原子２４４の蓄積は、電離プロセスを変える。一実施形態において、強電場２３６は、原子原料ガスの多段階電離プロセスを促進する。多段階電離プロセスは、強電離プラズマ２３８が形成される速度を有意に増加させる。多段階電離プロセスの効率は、弱電離プラズマ２３２における励起原子２４４の密度の増加に伴い上がる。他の実施形態において、強電場２３６は、分子または原子の原料ガスのイオンの形成を強化する。
【００５０】
一実施形態において、原子の励起速度を最大化にするように、カソード２０４とアノード２１６との間の距離またはギャップ２２０が選択される。領域２２２内の電場２３６の値は、パルス電源２０２により印加される電圧レベル、および、アノード２１６とカソード２０４との間のギャップ２２０の大きさに依存する。実施形態によっては、種々のシステムのパラメータおよびプラズマシステムの動作条件に応じて、電場２３６の強さは約２Ｖ／ｃｍ〜１０５Ｖ／ｃｍの間を変化し得る。
【００５１】
実施形態によっては、所望のプラズマの種々のパラメータに応じて、ギャップ２２０は約０．３０ｃｍ〜約１０ｃｍの間にあり得る。一実施形態において、領域２２２内の電場２３６は、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマ２３２に急激に加えられる。実施形態によっては、急激に印加される電場２３６は、立上り時間が約０．１ミリ秒〜１０秒の間にある電圧パルスを印加することにより生成される。
【００５２】
一実施形態において、ギャップ２２０の大きさ、および、印加電場２３６のパラメータは、領域２２２内の原子２４０の励起速度が比較的速い速度となる最適条件を決定するために変動する。例えば、アルゴン原子を励起させるには約１１．５５ｅＶのエネルギーが必要である。従って、原料ガス２２６が領域２２２を介して流れるときに、弱電離プラズマ２３２が形成され、弱電離プラズマ内２３２の原子２４０は、段階的な電離プロセスを受ける。
【００５３】
弱電離プラズマ２３２内の励起原子２４４は、領域２３４内にある電子（図示せず）に衝突する。中性原子２４０を電離させるには約１５．７６ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、励起原子２４４を電離させるには約４ｅＶのエネルギーしか必要でない。従って、励起原子２４４は中性原子２４０よりもかなり高い速度で電離する。一実施形態において、強電離プラズマ２３８内のイオン２４２はカソード２０４に衝突し、それにより、カソード２０４から二次電子放出を引き起こす。その二次電子は、強電離プラズマ２３８内の全ての中性原子２４０または励起原子２４４と相互作用する。このプロセスにより、原料ガス２２６が交換されるときに、強電離プラズマ２３８内のイオン２４２密度がさらに増加する。
【００５４】
電場２３６の急激な印加に対応する多段階電離プロセスは次のように記述し得る。
【００５５】
Ａｒ＋ｅ−→Ａｒ☆＋ｅ−
Ａｒ☆＋ｅ−→Ａｒ＋＋２ｅ−
ここで、Ａｒは原料ガス２２６内の中性のアルゴン原子２４０を表し、ｅ−は、カソード２０４とアノード２１６との間に十分な電圧が印加される場合に、予備電離プラズマ２３２に応答して生成されるイオン化用電子を表す。また、Ａｒ☆は、弱電離プラズマ２３２内の励起したアルゴン原子２４４を表す。励起したアルゴン原子２４４とイオン化用電子との衝突により、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と２つの電子とが得られる。
【００５６】
励起したアルゴン原子２４４を電離させるために必要なエネルギーは、通常、中性のアルゴン原子２４０の場合よりも少ない。従って、中性のアルゴン原子２４０と比べて、その励起原子２４４は、カソード２０４の表面近傍においてより速く電離する傾向にある。プラズマ内の励起原子２４４の密度が増えるにつれ、電離プロセスの効率は急激に上がる。この効率の増大により、最終的に、強電離プラズマ２３８の密度がアバランシェのように増加する。適切な励起条件下において、励起原子２４４に変換される弱電離プラズマ２３２に加えられるエネルギーの割合は、原料ガス２２６内のパルス放電に対して非常に高い。
【００５７】
従って、本発明の一局面において、ギャップ２２０全体に弱電離プラズマ２３２に高電力パルスを印加することにより、アノード２１６とカソード２０４との間に強電場２３６が生成される。この強電場２３６により、弱電離プラズマ２３２内に励起原子２４４が生成される。励起原子２４４はカソード２０４により放出される二次電子との相互作用によって急激に電離される。その急激な電離の結果、カソード２０４の近傍領域２３４に形成されているイオン密度の高い強電離プラズマ２３８が得られる。強電離プラズマ２３８はまた高密度プラズマとも呼ばれる。
【００５８】
本発明の一実施形態において、領域２２２における原料ガス２２６の流量を制御することによって、より高い密度のプラズマが生成される。この実施形態において、原料ガス２２６の第１のボリュームは領域２２２に供給される。次いで、原料ガス２２６の第１のボリュームが電離さることにより、領域２２２内に弱電離プラズマ２３２が形成される。次いで、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２全体に高電力電気パルスを印加する。その高電力電気パルスにより、弱電離プラズマ２３２から強電離プラズマ２３８が生成される。
【００５９】
高電力電気パルスのレベルおよび持続時間は、高電力放電が縮小し、終結する前に強電離プラズマ２３８が吸収し得る電力レベルおよび持続時間に制限される。一実施形態において、原料ガス２２６の流速を増加させることにより、高電力電気パルスの強度および持続時間が増加され、強電離プラズマ２３８の密度が増加する。
【００６０】
一実施形態において、原料ガス２２６のボリュームの速い交換により、領域２２２を介して強電離プラズマ２３８を移動させる。原料ガス２２６が領域２２２を介して移動すると、原料ガス２２６は、移動する強電離プラズマ２３８と相互作用し、印加された高電力電気パルスを受けて強電離状態になる。電離プロセスは、先に記載のように、直接電離および／または段階的電離を組み合わせたものであり得る。原料ガス２２６のボリュームの速い交換による領域２２２を介する強電離プラズマ２３８の移動により、強電離プラズマ２３８に印加され得る電力レベルおよび持続時間は増加される。従って、領域２３４内に高密度の強電離プラズマ２３８が生成される。
【００６１】
電離プロセスの効率性は、ここに記載するように、カソード２０４の近傍の磁場（図示せず）を加えることによって高められ得る。磁場は、弱電離プラズマ２３２内に電子を閉じ込める傾向にあり、またカソード２０４の近傍に二次電子を閉じ込める傾向にある。閉じ込められた電子は、励起原子２４４を電離し、強電離プラズマ２３８を生成する。一実施形態において、磁場は領域２２２内に生成されることにより、弱電離プラズマ２３２が点火される領域に電子を実質的に閉じ込める。
【００６２】
一実施形態において、プラズマ発生システム２００はプラズマエッチングのために構成され得る。別の実施形態において、プラズマ発生システム２００はプラズマスパッタリングのために構成され得る。特に、プラズマ発生装置２００は磁性材をスパッタリングするのに用いられ得る。周知のマグネトロンスパッタリングシステムは、一般的に、磁性材をスパッタすることに適していない。これは、マグネトロンにより生成される磁場は、磁性ターゲット材によって吸収され得るからである。ＲＦダイオードスパッタリングを用いて磁性材をスパッタすることがある。しかしながら、ＲＦダイオードスパッタリングは一般的に、質の悪い膜の厚さの均一性と比較的低い堆積速度を有する。
【００６３】
プラズマ発生システム２００は、磁性ターゲット材を有するターゲット集合体を含むことによって、かつ、そのターゲット集合体をＲＦ電源（図示せず）で駆動することによって磁性材をスパッタするように適合され得る。例えば、ＲＦ電源は、約１０ｋＷのオーダーであるＲＦ電力を提供し得る。実質的に均一な弱電離プラズマは、ターゲット集合体の近傍に位置する原料ガス全体にＲＦ電力を印加することによって生成され得る。強電離プラズマは、ここに記載するように、弱電離プラズマ全体に強電場を加えることによって生成される。ＲＦ電源は、負のバイアス電圧をターゲット集合体に印加する。強電離プラズマ内のイオンは、ターゲット材を衝撃し、それによりスパッタリングを引き起こす。
【００６４】
プラズマ生成システム２００はまた、誘電体をスパッタするようにも適合され得る。誘電体は、誘電性ターゲット材を含むターゲット集合体をＲＦ電源（図示せず）で駆動することによってスパッタされ得る。例えば、ＲＦ電源は約１０ｋＷのオーダーであるＲＦ電力を提供し得る。実質的に均一な弱電離プラズマは、ターゲット集合の近傍に位置する原料ガス全体にＲＦ電力を印加することによって生成され得る。
【００６５】
他の実施形態において、ＤＣ電源（図示せず）を用いて、本発明による弱電離プラズマ２３２を生成する。この実施形態においては、誘電性ターゲット材は、カソード２０４の領域がアノード２１６とカソード２０４との間に直流電流を伝導し得るようにカソード２０４に関して配置される。
【００６６】
一実施形態において、磁場は弱電離プラズマ内に電子を閉じ込めるためにターゲット集合体の近傍に生成される。強電離プラズマは、ここに記載するように弱電離プラズマ全体に強電場を加えることによって生成される。ＲＦ電源は、負のバイアス電圧をターゲット集合体に印加する。強電離プラズマ内のイオンは、ターゲット材を衝撃し、それによりスパッタリングする。
【００６７】
一実施形態において、本発明による強電離プラズマ２３８を用いてイオンビームを生成する。本発明によるイオンビーム源は、ここに記載したプラズマ発生装置とプラズマにおいてイオンを加速させるのに用いられる追加の電極（図示せず）とを含む。一実施形態において、外部電極はグリッドである。本発明によるイオンビーム源は、非常に高い密度のイオンフラックスを生成し得る。例えば、イオンビーム源は、オゾンフラックスを生成し得る。オゾンは非常に反応性のある酸化剤であり、これは、チャンバーをクリーニングする処理、空気を脱臭する、水を清浄する、および産業廃棄物を処置するといった多くの用途で用いられ得る。
【００６８】
図３は、図２Ａのプラズマ発生装置２００においてプラズマに印加される周期的なパルスに対するパルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。時刻ｔ０において、パルス電源２０２を作動させる前に、原料ガス２２６をカソード２０４とアノード２１６との間に流入させる。カソード２０４とアノード２１６との間を流れる十分な量のガス２２６の流入に要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、ガス２２６の流速および領域２２２内の所望の圧力が含まれる。
【００６９】
一実施形態（図示せず）において、原料ガス２２６を領域２２２に流入させる前に、パルス電源２０２を作動させる。この実施形態において、アノード２１６とカソード２０４との間に原料ガス２２６を注入し、ここで、パルス電源２０２により原料ガス２２６が点火されることによって、弱電離プラズマ２３２が生成される。
【００７０】
一実施形態において、時刻ｔ０〜時刻ｔ１において、原料ガス２２６はアノード２１６とカソード２０４との間を流れる。時刻ｔ１において、パルス電源２０２は、カソード２０４とアノード２１６との間にパルス３０２を生成し、パルス３０２の電力は、プラズマの体積に応じて、約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの間にある。パルス３０２は原料ガス２２６を点火するに十分であり、弱電離プラズマ２３２を生成する。
【００７１】
一実施形態（図示していない）において、原料ガス２２６が領域２２２内に配送される前に、パルス電源２０２は、カソード２０４とアノード２１６との間に電位差を加える。この実施形態において、原料ガス２２６がカソード２０４とアノード２１６との間に流れるときに、原料ガス２２６は点火される。他の実施形態において、原料ガス２２６が領域２２２に到達する間、または、到達した後に、パルス電源２０２は、カソード２０４とアノード２１６との間にパルス３０２を生成する。
【００７２】
パルス電源２０２により生成される電力は、カソード２０４アノード２１６との間の領域２２２に存在する原料ガス２２６を部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２（図２Ｂ）とも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマ２３２の形成により、高電力パルスを弱電離プラズマ２３２に印加するときに破壊状態が作り出される可能性は実質的になくなる。
【００７３】
一実施形態において、約１マイクロ秒〜１００秒の間の時間、連続的にその電力を加えることにより、予備電離プラズマ２３２は十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を保持するために、弱電離プラズマ２３２の点火の後に、パルス電源２０２から電力を連続的に加える。パルス電源２０２により高電力パルスが供給されるまでに弱電離プラズマ２３２を生成し、保持するために、パルス電源２０２は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
【００７４】
時刻ｔ２において、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２全体に高電力パルス３０４を供給する。実施形態によっては、プラズマ発生装置２００のパラメータに応じて、高電力パルス３０４の電力は、約１ｋＷ〜１０ＭＷの範囲内にある。高電力パルスは、立上り時間が約０．１マイクロ秒〜１０秒の間にある立上りエッジ３０６を有する。
【００７５】
高電力パルス３０４の電力およびパルス幅は、弱電離プラズマ２３２を強電離プラズマ２３８に変えるに十分である（図２Ｄ）。強電離プラズマ２３８は、高密度プラズマとも呼ばれる。一実施形態において、約１０マイクロ秒〜１０秒の範囲内の時間、高電力パルス３０４を加える。時刻ｔ４において、高電力パルス３０４の印加を終了させる。
【００７６】
高電力パルス３０４の供給後に、バックグランド電力を加えることにより、電源２０２は弱電離プラズマ２３２を保持する。そのバックグランド電力は、一実施形態において、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの間にある。バックグランド電力は、パルス状、または、連続的に印加される電力であり得るが、パルス電源２０２が他の高電力パルス３０８の供給の準備をする間に、その電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
【００７７】
時刻ｔ５において、パルス電源２０２は他の高電力パルス３０８を供給する。一実施形態において、高電力パルス３０４と高電力パルス３０８との間の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚの間にある。高電力パルス３０４および高電力パルス３０８の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源２０２の設計、プラズマ発生装置２００の設計、プラズマの堆積およびチャンバにおける圧力が含まれる。強電離プラズマ２３８の電離速度を制御するが、弱電離プラズマ２３２を保持するように、高電力パルス３０４の立上りエッジ３０６および立下がりエッジ３１０の形状および持続時間は選択される。
【００７８】
一実施形態において、強電離プラズマ２３８の密度を制御するように、高電力パルス３０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。一実施形態において、基板（図示せず）のエッチング速度を制御するように、高電力パルス３０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。一実施形態において、スパッタリングターゲット（図示せず）のスパッタリング速度を制御するように、高電力パルス３０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。
【００７９】
図４は、図２Ａのプラズマ発生装置２００におけるプラズマに周期的なパルスを印加する場合における、時間の関数としての、印加電圧の絶対値のグラフ表示３２０、印加電流の絶対値のグラフ表示３２２、および印加電力の絶対値のグラフ表示３２４を示す。一実施形態において、時刻ｔ０（図示せず）において、パルス電源２０２が作動する前に、原料ガス２２６をカソード２０４近傍に流入させる。カソード２０４近傍に十分な量の原料ガス２２６が流れるのに要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、原料ガス２２６の流速と領域２２２内の所望の圧力とが含まれる。
【００８０】
図４に示される実施形態において、電源２０２は定電力を生成する。時刻ｔ１において、パルス電源２０２は、アノード２１６およびカソード２０４全体に電圧３２６を生成する。一実施形態において、電圧３２６は、約１００Ｖ〜５ｋＶの間にある。時刻ｔ０と時刻ｔ１との間隔（図示せず）は、数マイクロ秒〜数ミリ秒のオーダーであり得る。時刻ｔ１において、電流３２８および電力３３０は一定値である。
【００８１】
時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、弱電離プラズマ２３２（図２Ｂ）が生成されるように、電圧３２６、電流３２８および電力３３０は一定のままである。時刻ｔ２における電圧３３２は、約１００Ｖ〜５ｋＶの間にある。時刻ｔ２における電流３３４は、約０．１Ａ〜１００Ａの間にある。時刻ｔ２において供給される電力３３６は、約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの間にある。
【００８２】
パルス電源２０２により生成される電力３３６は、カソード２０４とアノード２１６との間の領域２２２に位置するガス２２６を部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２３２とも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマ２３２の形成により、高電力パルスを弱電離プラズマ２３２に印加するときに破壊状態が作り出される可能性は実質的になくなる。この破壊状態の抑制により、アノード２１６とカソード２０４との間の望ましくないアーク放電の発生は実質的になくなる。
【００８３】
一実施形態において、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間隔は約１マイクロ秒〜１００秒の間であり、それにより、予備電離プラズマ２３２は十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマ２３２を保持するために、パルス電源２０２から電力３３６を連続的に加える。弱電離プラズマ２３２を保持するために、パルス電源２０２は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
【００８４】
時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、パルス電源２０２は、弱電離プラズマ２３２全体に高電圧パルス３３８を供給する。実施形態によっては、高電圧パルス３３８の電圧は、２００Ｖ〜３０ｋＶの範囲内にある。実施形態によっては、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間隔は、約０．１マイクロ秒〜１０秒の間にある。弱電離プラズマ２３２をまたぐ電流が増加しだす前に、時刻ｔ３〜時刻ｔ４において高電圧パルス３３８を印加する。一実施形態において、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間隔は、約１０ナノ秒〜１マイクロ秒の間にあり得る。
【００８５】
時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、電圧３４０は下げられ、電流３４２は増加する。電力３４４も、電圧３４６と電流３４８との間に準静的な状態が存在するまで、時刻ｔ４〜時刻ｔ５において増加する。時刻ｔ４と時刻ｔ５との間隔は、数百ナノ秒のオーダーであり得る。
【００８６】
一実施形態において、時刻ｔ５において、電圧３４６は約５０Ｖ〜３０ｋＶ（１０００Ｖ）の間にあり、電流３４８は約１０Ａ〜５ｋＡの間にあり、電力３５０は約１ｋＷ〜１０ＭＷの間にある。時刻ｔ６まで、電力３５０はプラズマに連続的に印加される。一実施形態において、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間隔は、約１マイクロ秒〜１０秒の間にある。
【００８７】
パルス電源２０２は、最大電力３５０およびパルス幅が弱電離プラズマ２３２を強電離プラズマ２３８（図２Ｄ）に変えるに十分である高電力パルスを供給する。時刻ｔ６において、最大電力３５０の印加を終了させる。一実施形態において、時刻ｔ６の後に、パルス電源２０２は、プラズマを保持するに十分なバックグランド電力を供給し続ける。
【００８８】
一実施形態において、高電力パルスの供給後に、約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの間にあり得る電力３５２をプラズマに連続的に加えることにより、電源２０２はプラズマを保持する。パルス電源２０２が次の高電力パルスの供給の準備をする間に、連続的に生成される電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
【００８９】
時刻ｔ７において、パルス電源２０２は次の高電力パルス（図示せず）を供給する。一実施形態において、高電力パルス間の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚの間にある。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅および周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源２０２の設計、プラズマ発生装置２００の設計、プラズマの堆積および強電離プラズマ２３８の密度および領域２２２における圧力が含まれる。
【００９０】
他の実施形態（図示せず）において、電源２０２は定電圧を生成する。この実施形態において、時刻ｔ２から時刻ｔ６まで電圧３２０を連続的に印加する。電流３２２および電力３２４は、定電圧レベルを保持するために、時刻ｔ６まで増大し、電圧３２０の印加が終了する。電流、電力および電圧のパラメータが最適化されて励起原子が生成される。
【００９１】
本発明の一実施形態において、電離プロセスの効率性はカソード２０４の近傍に磁場を生成することによって大きくなる。磁場は、カソード２０４近傍の弱電離プラズマ２３２内に電子を閉じ込める傾向にある。閉じ込められた電子は、励起原子２４４を電離し、それにより強電離プラズマ２３８が生成される。この実施形態において、磁気強化プラズマは強反磁性の性質を有する。「強反磁性の性質」という用語は、磁気強化高密度プラズマ放電が外部の磁場をプラズマボリュームから排除する傾向にあることを意味する。
【００９２】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の一実施形態による磁気強化プラズマ発生装置における種々の電子のＥ×Ｂドリフト電流に対してシミュレートしたカソード２０４近傍における磁場分布４００、磁場分布４０２、磁場分布４０４および磁場分布４０６を示す。磁気強化プラズマ発生装置には、カソード２０４近傍に位置する磁石系４０７が含まれる。磁石系４０７は、カソード２０４近傍に磁場を生成する。一実施形態において、磁場の強さは約５０ガウス〜２，０００ガウスの間である。シミュレートされた磁場分布４００、磁場分布４０２、磁場分布４０４および磁場分布４０６は、大電流を有する高電力プラズマが、磁気強化プラズマ発生装置の領域２３４’に均一に拡散する傾向にあることを示す。
【００９３】
カソード２０４とアノード２１６との間の高電力パルスは、カソード２０４から二次電子を生成し、その二次電子は交差した電場と磁場とに従ってカソード２０４の近傍で実質的に円運動する。電子の実質的な円運動により、電子のＥ×Ｂドリフト電流が生成される。電子のＥ×Ｂドリフト電流の大きさは、プラズマ内の放電電流の大きさに比例し、一実施形態において、放電電流の大きさの約３倍〜１０倍の範囲にほぼある。
【００９４】
一実施形態において、実質的に円形の電子Ｅ×Ｂドリフト電流により磁場が生成されるが、その磁場は磁石系４０７により生成される磁場と交差する。一実施形態において、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場の向きは、磁石系４０７により生成される磁場の向きと実質的に反対である。電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場の大きさは、電子のＥ×Ｂドリフト電流の増加とともに増加する。磁石系４０７により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場との相互作用により、領域２３４’内の少なくとも一部に強電離プラズマの均一な拡散が引き起こされる。
【００９５】
一実施形態において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流は、低電流密度プラズマの場合には、実質的に円形な形状を定める。しかしながら、プラズマの電流密度が増加するにつれ、実質的に円形の電子Ｅ×Ｂドリフト電流は、より複雑な形状を表す傾向にある。これは、磁石系４０７により生成される磁場と、高電力パルスにより生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流により生成される磁場との相互作用が強くなるためである。例えば、一実施形態において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流の形状は実質的にサイクロイドである。電子Ｅ×Ｂドリフト電流の正確な形状は非常に複雑であり得、様々な要因に依存する。
【００９６】
例えば、図５Ａは、磁石系４０７により生成される磁場と、実質的に円形な輪により示される電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４０８を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０は、カソード２０４近傍に生成される。
【００９７】
図５Ａに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０は約１００Ａである。本発明の一実施形態において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０は、放電電流の約３倍〜１０倍である。従って、図５Ａに示される例において、放電電流はほぼ１０Ａ〜３０Ａの間にある。磁石系４０７により生成される磁場は、比較的小さな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１０により生成される比較的小さな磁場によって、実質的には乱されないということを、図５Ａに示される磁力線４０８は示す。
【００９８】
図５Ｂは、磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４１２を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４は、カソード２０４近傍に生成される。図５Ｂに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４は約３００Ａである。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４は、通常、放電電流の約３倍〜１０倍であるため、この例における放電電流はほぼ３０Ａ〜１００Ａである。
【００９９】
磁石系４０７により生成される磁力線４１２は、比較的小さな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４により生成される比較的小さな磁場によって実質的には乱されない。しかしながら、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４に最近接する磁力線４１６は、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４１４により生成される磁場によっていくぶんか歪められる。より大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流により、磁石系４０７により生成される磁場とより強く相互作用するより強い磁場が生成されるということを、この歪みは示唆する。
【０１００】
図５Ｃは、磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４１８を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０はカソード２０４の近傍に生成される。図５Ｃに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０は約１，０００Ａである。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０は、通常、放電電流の約３倍〜１０倍であるため、この例における放電電流はほぼ１００Ａ〜３００Ａである。
【０１０１】
磁石系４０７により生成される磁力線４１８は相当な歪みを示し、その歪みは比較的大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０により生成される比較的強い磁場により引き起こされる。従って、より大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０は、より強い磁場を生成し、そのより強い磁場は磁石系４０７により生成される磁場と強く相互作用し、その磁場を支配し始め得る。
【０１０２】
磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２０により生成される磁場との相互作用は磁力線４２２を生成するが、磁力線４２２は図５Ａの磁力線４０８ならびに図５Ｂの磁力線４１２および磁力線４１６よりも、カソード２０４の表面に対して幾らかより平行である。磁力線４２２は、強電離プラズマ２３８を領域２３４’内においてより均一に分布させる。従って、強電離プラズマ２３８は領域２３４’内において実質的に均一に拡散する。
【０１０３】
図５Ｄは、磁石系４０７により生成される磁場と、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４２４を示す。電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６はカソード２０４の近傍に生成される。図５Ｄに示される例において、電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６は約５ｋＡである。この例における放電電流はほぼ５００Ａ〜１，７００Ａである。
【０１０４】
比較的大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６により生成される比較的強い磁場と相互作用するために、磁石系４０７により生成される磁力線４２４は比較的強く歪められる。従って、この実施形態において、比較的大きな電子Ｅ×Ｂドリフト電流４２６は非常に強い磁場を生成し、その磁場は磁石系４０７により生成される磁場と比べてより強い。
【０１０５】
図６Ａ〜図６Ｄは、本発明によるプラズマ発生システム２００’、２００’’、２００’’’および２００’’’’の代わりの実施形態の断面図を示す。図６Ａのプラズマ発生システム２００’は、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成する電極４５２を含む。電極４５２は、予備電離フィラメント電極とも呼ばれ、弱電離プラズマを生成するイオン源の構成要素である。
【０１０６】
一実施形態において、電極４５２は電源４５６の出力４５４に結合される。電源４５６はＤＣ電源またはＡＣ電源であり得る。絶縁体４５８は、電極４５２をアノード２１６と絶縁する。一実施形態において、電極４５２は実質的に円形の電極である。他の実施形態において、電極４５２は実質的に直線の形状であるか、または、プラズマを予備電離するに適する形状である。
【０１０７】
一実施形態において、電源４５６の第２の出力４６０はカソード２０４に結合される。絶縁体２１８はカソード２０４をアノード２１６と絶縁する。一実施形態において、電源４５６は、平均が約０．０１ｋＷ〜１００ｋＷの範囲にある出力電力を生成する。そのような出力電力は、電極４５２とカソード２０４との間に、電極４５２の近傍に存在する原料ガス２２６を予備電離するに適する電流を生成するに十分である。
【０１０８】
動作中において、プラズマ発生装置２００’は、図２Ａのプラズマ発生装置２００と類似した態様で機能するが、動作上の相違をいくらか有する。一実施形態（図示せず）において、磁場はカソード２０４の近傍に生成される。一実施形態において、磁場の強さは約５０ガウス〜２，０００ガウスである。原料ガス２２６は、電極４５２とカソード２０４との近傍に供給される。
【０１０９】
電源４５６は、カソード２０４と電極４５２との間に適切な電流を印加する。電極４５２近傍の領域２３４に弱電離プラズマを発生させるように、電流のパラメータは選択される。一実施形態において、電源４５６はシステムの大きさに応じて、約１００Ｖ〜５ｋＶの電圧を生成し、約０．１Ａ〜１００Ａの放電電流を伴う。電圧の特定のパラメータの例について、図７とともに以下により詳細に記載する。
【０１１０】
一実施形態において、アルゴンスパッタリングガスに対して、結果として生じる予備電離プラズマ密度は、約１０６ｃｍ−３〜１０１２ｃｍ−３の間にある。一実施形態において、領域２３４内の圧力は、約１０−３Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒもしくはそれ以上の範囲にある。圧力は、カソード２０４近傍の磁場の存在といった種々のシステムパラメータに応じて変動し得る。上述したように、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマにより、プラズマに高電力パルスを印加するときにカソード２０４とアノード２１６との間が破壊状態になる可能性は実質的になくなる。
【０１１１】
次いで、パルス電源２０２はカソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。高電力パルスのパラメータは様々なパラメータに依存し、そのパラメータにはプラズマの体積、所望のプラズマ密度および領域２３４内の圧力が含まれる。
【０１１２】
一実施形態において、カソード２０４とアノード２１６との間の高電力パルスは約１ｋＷ〜１０ＭＷの範囲内にある。一実施形態において、約１０ｍＴｏｒｒの圧力に対して、強電離プラズマから生成され得る放電電流密度は約１Ａ／ｃｍ２よりも大きい。
【０１１３】
一実施形態において、高電力パルスのパルス幅は、約１マイクロ秒から数秒の範囲内にある。一実施形態において、高電力放電の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲内にある。一実施形態において、パルス電源により生成される電力の平均は、システムの大きさに応じて１ＭＷ未満である。一実施形態において、カソード２０４および／またはアノード２１６における熱エネルギーは、液体冷却またはガス冷却（図示せず）によって持去られるか、もしくは分散され得る。
【０１１４】
一実施形態（図示せず）において、磁場はカソード２０４近傍に生成される。強電離プラズマは、図５Ａ〜図５Ｄとともに記載したように、生成された磁場の相互作用のために領域２３４内に均一に拡散する傾向にある。
【０１１５】
図６Ｂは、本発明によるプラズマ発生装置２００’’の他の実施形態の断面図である。この実施形態は図６Ａのプラズマ発生装置２００’に類似する。しかしながら、この実施形態において、イオン源の構成要素である電極４５２’はカソード２０４を実質的に取り囲む。カソード２０４に対する電極４５２’の位置は、アノード２１６とカソード２０４との間のギャップ２２０における特定の電気的条件を得られるように選ばれる。
【０１１６】
例えば、電極４５２’とカソード２０４との間の距離４６２は、電極４５２’の直径を変化させることによって変動し得る。一実施形態において、距離４６２は約０．１ｃｍから約１０ｃｍまで変動し得る。距離４６２は、領域２３４内に持続可能な弱電離プラズマを生成するように最適化され得る。カソード２０４に対する電極４５２’の縦方向の位置もまた変動し得る。
【０１１７】
予備電離電極４５２’は、アノード２１６とカソード２０４との間の領域２２２内に物理的に位置していない。従って、予備電離電極４５２’は、パルス電源２０２からの高電力パルスがアノード２１６とカソード２０４との間に加えられると生じる強電場を干渉しない。さらに、予備電離電極４５２’の位置により、領域２３４内により均一に分散した弱電離プラズマがもたらされる。
【０１１８】
動作中において、電源４５６はカソード２０４と電極４５２’との間に電圧を印加する。電圧は、電極４５２’およびカソード２０４の近傍に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成する。予備電離プラズマは、パルス電源２０２からの高電力パルスがプラズマに加えられると、破壊状態になる可能性を実質的になくす。
【０１１９】
一実施形態において、電源４５６は約０．１Ａ〜１００Ａの範囲にある放電電流を伴う約１００Ｖ〜５ｋＶの範囲にあるＤＣ電圧を生成するＤＣ電源である。他の実施形態において、電源４５６はカソード２０４と電極４５２’との間の電圧パルスを生成するＡＣ電源である。
【０１２０】
図６Ｃは、本発明によるプラズマ発生装置２００’’’の他の実施形態の断面図である。電極４５２とカソード２０４’との構成により、電極４５２とカソード２０４’との間に生成される電場のパラメータに影響が及び得る。電場のパラメータは、予備電離プラズマの点火ならびに予備電離プロセス全般に影響を及ぼし得る。この実施形態は、アノード２１６とカソード２０４’との間の領域２２２内の原料ガスの破壊と弱電離プラズマの点火とに必要な状態を生成する。
【０１２１】
図６Ｃで図示される実施形態において、カソード２０４’と電極４５２との間に生成される電気力線（図示せず）はカソード２０４’上の点４７０において、カソード２０４’と実質的に直交する。電極４５２とカソード２０４’との間のギャップ４７２における電場は、ギャップ４７２を介して流れる原料ガス２２６からのプラズマを点火するように適合される。予備電離プロセスの効率性は、磁場の強さおよびカソード２０４’の近傍領域の圧力などのパラメータに依存して、この実施形態を用いて上げられ得る。
【０１２２】
図６Ｄは、本発明によるプラズマ発生装置２００’’’’の他の実施形態の断面図である。この実施形態において、カソード２０４’’と電極４５２との間に生成される電気力線（図示せず）は点４７４においてカソード２０４’’と実質的に直交する。電極４５２とカソード２０４’’との間のギャップ４７６における電場は、ギャップ４７６を介して流れる原料ガス２２６からのプラズマを点火するように適合される。予備電離プロセスの効率性は、磁場の強さおよびカソード２０４’’の近傍領域の圧力などのパラメータに依存して、この実施形態を用いて上げられ得る。
【０１２３】
図７は、図６Ａのプラズマ発生システム２００’におけるプラズマに周期的なパルスを加える場合における、時間の関数としてのパルス電力のグラフ表示５００を示す。一実施形態において、電源４５６またはパルス電源２０２のどちらか一方を作動させる前に、時刻ｔ０において、原料ガス２２６を電極４５２に近傍の領域２２２に流入させる。
【０１２４】
別の実施形態において、ガス２２６を電極４５２に近傍の領域２２２に流入する前に、時刻ｔ０において、電源４５６および／またはパルス電源２０２を作動させる。この実施形態において、原料ガス２２６は、電極４５２とカソード２０４との間に注入され、電極４５２とカソード２０４との間において、原料ガス２２６は電源４５６により点火されて、弱電離プラズマを生成する。
【０１２５】
十分な量のガス２２６を領域２２２に流入させる所要時間は様々な要因に依存し、その要因には、ガス２２６の流速と所望の動作圧力とが含まれる。時刻ｔ１において、電源４５６は、電極４５２とカソード２０４との間に、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの範囲にある電力５０２を生成する。電力５０２により、電極４５２近傍のガス２２６が部分的に電離し、それにより、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマが生成される。
【０１２６】
時刻ｔ２において、パルス電源２０２はプラズマの体積と動作圧力とに応じて、１ｋＷ未満〜約１０ＭＷのオーダーの高電力パルス５０４を弱電離プラズマに供給する。高電力パルス５０４は、弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である。その高電力パルスの立上りエッジ５０６の立上り時間は約０．１マイクロ秒〜１０秒の間にある。
【０１２７】
一実施形態において、高電力パルス５０４のパルス幅は、約１マイクロ秒〜１０秒の範囲にある。時刻ｔ４において、高電力パルス５０４の印加を終了させる。高電力パルス５０４の供給の後においても、パルス電源２０２が他の高電力パルス５０８の供給の準備をする間に、電源４５６からの電力５０２は連続的に印加されて、予備電離プラズマを保持する。他の実施形態（図示せず）において、電源４５６はＡＣ電源であり、適切な電力パルスを供給することにより、弱電離プラズマを点火し、かつ保持する。
【０１２８】
時刻ｔ５において、パルス電源２０２は他の高電力パルス５０８を供給する。一実施形態において、高電力パルスの繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚである。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅および周波数は、動作圧力、パルス電源２０２の設計、カソード２０４近傍の磁場の存在、プラズマの体積といったプロセスパラメータに依存する。高電力パルス５０４の立上りエッジ５０６および立下がりエッジ５１０の形状および持続時間は、強電離プラズマの電離速度を制御するように選択される。
【０１２９】
図８は、本発明による高密度電離プラズマまたは強電離プラズマの実例となるプロセスのフローチャート６００である。そのプロセスは、図２Ａのプラズマ発生装置２００内の様々なシステムを起動することにより開始する（工程６０２）。例えば、チャンバ（図示せず）を最初に特定の圧力まで真空引きする（工程６０４）。次いで、チャンバ内の圧力を評価する（工程６０６）。一実施形態においては、次いで、チャンバに原料ガス２２６を供給する（工程６０８）。ガス圧を評価する（工程６１０）。ガス圧が適当である場合には、チャンバ内の圧力を再び評価する（工程６１２）
チャンバ内の圧力が適当であるときに、適切な磁場が原料ガス２２６（図示せず）の近傍に生成される。一実施形態において、磁石系（図示せず）には少なくとも１つの永久磁石を含まれ得るので、プロセスが開始される前であっても、磁場は絶え間なく生成される。他の実施形態において、磁石系（図示せず）には少なくとも１つの電磁石が含まれているので、電磁石が動作しているときのみ磁場が生成される。
【０１３０】
原料ガス２２６は電離して、弱電離プラズマ２３２を生成する（工程６１４）。一実施形態において、図２Ａのカソード２０４とアノード２１６との間のギャップ２２０に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマ２３２が生成され得る。他の実施形態において、図６Ａの電極４５２とカソード２０４との間に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマ２３２が生成され得る。さらに他の実施形態（図示せず）において、電極が加熱されて、カソード２０４の近傍に電子を放出する。この実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成するために、比較的低い電流放電がアノード２１６と電極との間に作り出される。
【０１３１】
図２Ａに示される実施形態において、原料ガス２２６を導入する前に、カソード２０４とアノード２１６との間のギャップ２２０に電位を加えることによって、弱電離プラズマ２３２が生成される。図６Ａに示される実施形態において、弱電離プラズマ２３２を生成する原料ガス２２６を導入する前に、電極４５２とカソード２０４との間に電位差を加えることによって、弱電離プラズマ２３２が生成される。
【０１３２】
ガスが弱電離した後（工程６１６）、強電離プラズマ２３８（図２Ｄ）が弱電離プラズマ２３２から生成される（工程６１８）。一実施形態において、カソード２０４とアノード２１６との間に高電力パルスを印加することによって、強電離プラズマ２３８が生成される。ここに記載したように、高電力パルスによって、アノード２１６とカソード２０４との間のギャップ２２０に強電場２３６が生成される結果がもたらされる。その強電場２３６によって、原料ガス２２６の段階的な電離プロセスが引き起こされる。一実施形態において、強電場２３６は、強電離プラズマ２３８を強化するイオン形成を促進する。一実施形態において、強電離プラズマ２３８は図２Ｄの領域２３４内において実質的に均一である。
【０１３３】
強電離プラズマ２３８が形成された後（工程６２０）、強電離プラズマ２３８はプラズマ処理の必要に応じて維持される（工程６２２）。プラズマ処理が完了すると（工程６２４）、プラズマ処理を終了させる（工程６２６）。
【０１３４】
（均等物）
特に、特定の好ましい実施形態を参照しながら本発明を示し、記載してきたが、本明細書に定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な形態および詳細の変更がなされ得ることは、当業者には理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】無線周波数（ＲＦ）電源を有する周知のプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ａ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態によるパルス電源を有するプラズマ発生装置の断面図を示す。
【図３】図２Ａのプラズマ発生装置においてプラズマに印加される周期的なパルスに対するパルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図４】図２Ａのプラズマ発生装置においてプラズマに加えられる周期的なパルスの印加電圧、印加電流、および、印加電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図５】図５Ａ〜５Ｄは、本発明による、種々の電子Ｅ×Ｂドリフト電流に対する、カソード近傍の種々のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図６Ａ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図６Ｂ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図６Ｃ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図６Ｄ】本発明によるプラズマ生成システムの種々の実施形態の断面図を示す。
【図７】図６Ａのプラズマ生成システムにおいてプラズマに加えられる周期的なパルスに対して、パルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図８】本発明による高密度プラズマを生成する実例となる方法のフローチャートである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強電離プラズマを生成する装置であって、
原料ガスのボリュームから弱電離プラズマを生成するイオン源と、
該弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することにより、該強電離プラズマを生成する電源と、
該電気パルスを第２の原料ガスのボリューム全体に印加することにより、さらなる強電離プラズマを生成しながら、該強電離プラズマを該第２の原料ガスのボリュームと交換する手段と
を備える、装置。
【請求項２】
前記電源は、前記電気パルスを前記弱電離プラズマ全体に印加することにより、弱電離プラズマ内の原子を励起させ、かつ、二次電子を生成し、該二次電子は該励起原子を電離し、それにより前記強電離プラズマを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第３の原料ガスのボリューム全体に前記電気パルスを印加しながら、前記弱電離プラズマを第３の原料ガスのボリュームと交換するガス交換手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電源は定電力を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電源は定電圧を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記イオン源が、ＤＣ電源に結合された電極と、ＡＣ電源に結合された電極と、ＵＶ源と、Ｘ線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波プラズマ源とを含む群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように配置される磁石であって、該磁場は該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、磁石をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記磁石は電磁石を備える、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記磁石は可動である、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
強電離プラズマを生成する方法であって、
原料ガスのボリュームを電離することにより、弱電離プラズマを形成することと、
該弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することにより、該強電離プラズマを生成することと、
第２の原料ガスのボリューム全体に該電気パルスを印加することにより、さらなる強電離プラズマを生成しながら、該強電離プラズマを該第２の原料ガスのボリュームと交換することと
を包含する、方法。
【請求項１１】
前記弱電離プラズマ全体に前記電気パルスを印加することは、該弱電離プラズマ内の原子を励起させ、かつ、二次電子を生成し、該二次電子は該励起原子を電離し、それにより強電離プラズマを生成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第３の原料ガスのボリューム全体に前記電気パルスを印加しながら、前記弱電離プラズマを該第３の原料ガスのボリュームと交換することをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気パルスを印加することは、準静的な電場を前記弱電離プラズマ全体に印加することを包含する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記強電離プラズマの電離速度を増加させるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記強電離プラズマを実質的に均一にさせるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記電気パルスは、約０．１マイクロ秒〜１０秒の間である立上り時間を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記弱電離プラズマのピークプラズマ密度が約１０１２ｃｍ−３未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記強電離プラズマのピークプラズマ密度が約１０１２ｃｍ−３よりも高い、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記原料ガスを電離することが、静電場と、パルス電場と、紫外線と、Ｘ線放射と、電子ビーム放射と、イオンビームとのうちの１つに該原料ガスをさらすことを包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
磁場を前記弱電離プラズマの近傍に生成することであって、該磁場は該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、ことをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
前記弱電離プラズマが、絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
強電離プラズマを生成する装置であって、
アノードと、
該アノードに隣接して配置され、該アノードとの間にギャップを形成するカソードと、
該カソードの近傍に弱電離プラズマを生成するイオン源と、
該ギャップ全体に電場を生成する電源であって、該電場は該弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、該カソードから二次電子を生成し、該二次電子は該励起原子を電離することにより、該強電離プラズマを生成する、電源と
を備える、装置。
【請求項２３】
前記電源は定電力を生成する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電源は定電圧を生成する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記電場は準静的な電場を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記電場がパルス状の電場を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記電場の立上り時間を選択することにより、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子の電離速度を増加させる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記弱電離プラズマが、前記アノードと前記カソードとの間に絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記強電離プラズマは前記カソードの近傍で実質的に均一である、請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記アノードと前記カソードとの間のギャップの大きさは、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子の電離速度を増加させるように選択される、請求項２２に記載の装置。
【請求項３１】
前記イオン源が、ＤＣ電源に結合された電極と、ＡＣ電源に結合された電極と、ＵＶ源と、Ｘ線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波プラズマ源とを含む群から選択される、請求項２２に記載の装置。
【請求項３２】
前記弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように配置される磁石であって、該磁場は前記カソード近傍の該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、磁石をさらに備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項３３】
強電離プラズマを生成する方法であって、
原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成することと、
該弱電離プラズマ内の原子を励起し、かつ、該カソードから二次電子を生成するために該弱電離プラズマ全体に電場を印加することであって、該二次電子は該励起原子を電離し、これにより該強電離プラズマを生成する、ことと
を包含する、方法。
【請求項３４】
前記電場を印加することは、準静的な電場を印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記場を印加することが、定電力で該電場を印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記電場を印加することが、定電圧で該電場を印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記電場を印加することが、前記弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記強電離プラズマの電離速度を増加させるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記カソードの表面に隣接する領域において前記強電離プラズマを実質的に均一にさせるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記強電離プラズマは、前記カソードの近傍において実質的に均一である、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記弱電離プラズマの近傍に磁場を生成することであって、該磁場は該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、ことをさらに包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
前記弱電離プラズマが、前記アノードと前記カソードとの間に絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
強電離プラズマを生成する装置であって、
原料ガスのボリュームを電離することにより、弱電離プラズマを形成する手段と、
該弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することにより、該強電離プラズマを生成する手段と、
該電気パルスを第２の原料ガスのボリューム全体に印加することにより、さらなる強電離プラズマを生成するしながら、該強電離プラズマを該第２の原料ガスのボリュームと交換する手段と
を備える、装置。
【請求項４４】
強電離プラズマを生成する装置であって、
原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する手段と、
該弱電離プラズマ内の原子を励起させるために該弱電離プラズマ全体に電場を印加することにより、該カソードから二次電子を生成する手段であって、該二次電子は該励起原子を電離することにより該強電離プラズマを生成する手段と
を備える、装置。
【請求項１】
強電離プラズマを生成する装置であって、
原料ガスのボリュームから弱電離プラズマを生成するイオン源と、
該弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することにより、該強電離プラズマを生成する電源と、
該電気パルスを第２の原料ガスのボリューム全体に印加することにより、さらなる強電離プラズマを生成しながら、該強電離プラズマを該第２の原料ガスのボリュームと交換する手段と
を備える、装置。
【請求項２】
前記電源は、前記電気パルスを前記弱電離プラズマ全体に印加することにより、弱電離プラズマ内の原子を励起させ、かつ、二次電子を生成し、該二次電子は該励起原子を電離し、それにより前記強電離プラズマを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第３の原料ガスのボリューム全体に前記電気パルスを印加しながら、前記弱電離プラズマを第３の原料ガスのボリュームと交換するガス交換手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電源は定電力を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電源は定電圧を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記イオン源が、ＤＣ電源に結合された電極と、ＡＣ電源に結合された電極と、ＵＶ源と、Ｘ線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波プラズマ源とを含む群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように配置される磁石であって、該磁場は該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、磁石をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記磁石は電磁石を備える、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記磁石は可動である、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
強電離プラズマを生成する方法であって、
原料ガスのボリュームを電離することにより、弱電離プラズマを形成することと、
該弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することにより、該強電離プラズマを生成することと、
第２の原料ガスのボリューム全体に該電気パルスを印加することにより、さらなる強電離プラズマを生成しながら、該強電離プラズマを該第２の原料ガスのボリュームと交換することと
を包含する、方法。
【請求項１１】
前記弱電離プラズマ全体に前記電気パルスを印加することは、該弱電離プラズマ内の原子を励起させ、かつ、二次電子を生成し、該二次電子は該励起原子を電離し、それにより強電離プラズマを生成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第３の原料ガスのボリューム全体に前記電気パルスを印加しながら、前記弱電離プラズマを該第３の原料ガスのボリュームと交換することをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気パルスを印加することは、準静的な電場を前記弱電離プラズマ全体に印加することを包含する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記強電離プラズマの電離速度を増加させるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記強電離プラズマを実質的に均一にさせるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記電気パルスは、約０．１マイクロ秒〜１０秒の間である立上り時間を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記弱電離プラズマのピークプラズマ密度が約１０１２ｃｍ−３未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記強電離プラズマのピークプラズマ密度が約１０１２ｃｍ−３よりも高い、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記原料ガスを電離することが、静電場と、パルス電場と、紫外線と、Ｘ線放射と、電子ビーム放射と、イオンビームとのうちの１つに該原料ガスをさらすことを包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
磁場を前記弱電離プラズマの近傍に生成することであって、該磁場は該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、ことをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
前記弱電離プラズマが、絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
強電離プラズマを生成する装置であって、
アノードと、
該アノードに隣接して配置され、該アノードとの間にギャップを形成するカソードと、
該カソードの近傍に弱電離プラズマを生成するイオン源と、
該ギャップ全体に電場を生成する電源であって、該電場は該弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、該カソードから二次電子を生成し、該二次電子は該励起原子を電離することにより、該強電離プラズマを生成する、電源と
を備える、装置。
【請求項２３】
前記電源は定電力を生成する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電源は定電圧を生成する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記電場は準静的な電場を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記電場がパルス状の電場を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記電場の立上り時間を選択することにより、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子の電離速度を増加させる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記弱電離プラズマが、前記アノードと前記カソードとの間に絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記強電離プラズマは前記カソードの近傍で実質的に均一である、請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記アノードと前記カソードとの間のギャップの大きさは、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子の電離速度を増加させるように選択される、請求項２２に記載の装置。
【請求項３１】
前記イオン源が、ＤＣ電源に結合された電極と、ＡＣ電源に結合された電極と、ＵＶ源と、Ｘ線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波プラズマ源とを含む群から選択される、請求項２２に記載の装置。
【請求項３２】
前記弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように配置される磁石であって、該磁場は前記カソード近傍の該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、磁石をさらに備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項３３】
強電離プラズマを生成する方法であって、
原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成することと、
該弱電離プラズマ内の原子を励起し、かつ、該カソードから二次電子を生成するために該弱電離プラズマ全体に電場を印加することであって、該二次電子は該励起原子を電離し、これにより該強電離プラズマを生成する、ことと
を包含する、方法。
【請求項３４】
前記電場を印加することは、準静的な電場を印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記場を印加することが、定電力で該電場を印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記電場を印加することが、定電圧で該電場を印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記電場を印加することが、前記弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記強電離プラズマの電離速度を増加させるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記カソードの表面に隣接する領域において前記強電離プラズマを実質的に均一にさせるために、前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することをさらに包含する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記強電離プラズマは、前記カソードの近傍において実質的に均一である、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記弱電離プラズマの近傍に磁場を生成することであって、該磁場は該弱電離プラズマ内に電子を閉じ込める、ことをさらに包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
前記弱電離プラズマが、前記アノードと前記カソードとの間に絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
強電離プラズマを生成する装置であって、
原料ガスのボリュームを電離することにより、弱電離プラズマを形成する手段と、
該弱電離プラズマ全体に電気パルスを印加することにより、該強電離プラズマを生成する手段と、
該電気パルスを第２の原料ガスのボリューム全体に印加することにより、さらなる強電離プラズマを生成するしながら、該強電離プラズマを該第２の原料ガスのボリュームと交換する手段と
を備える、装置。
【請求項４４】
強電離プラズマを生成する装置であって、
原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する手段と、
該弱電離プラズマ内の原子を励起させるために該弱電離プラズマ全体に電場を印加することにより、該カソードから二次電子を生成する手段であって、該二次電子は該励起原子を電離することにより該強電離プラズマを生成する手段と
を備える、装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００６−５０５９０６（Ｐ２００６−５０５９０６Ａ）
【公表日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５５０２５１（Ｐ２００４−５５０２５１）
【出願日】平成１５年１０月２９日（２００３．１０．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３４４８３
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０４２７７４
【国際公開日】平成１６年５月２１日（２００４．５．２１）
【出願人】（５０５１５４０６０）ゾンド， インコーポレイテッド (3)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１０月２９日（２００３．１０．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３４４８３
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０４２７７４
【国際公開日】平成１６年５月２１日（２００４．５．２１）
【出願人】（５０５１５４０６０）ゾンド， インコーポレイテッド (3)
【Ｆターム（参考）】
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