JP2003346672A - イオン源およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ生成時のプラズマ生成容器の温度を
低く抑えることができるようにする。 【解決手段】 このイオン源２ａでは、プラズマ１４を
生成するためのプラズマ生成容器６をイオン源フランジ
３６から支持する支持体３４ａ内に、プラズマ生成容器
６の近傍からイオン源フランジ３６の近傍にかけて、空
洞４０を設けている。この空洞４０は、プラズマ生成容
器６の近傍まで冷媒４８を流してプラズマ生成容器６を
冷却する冷媒流路になっている。この冷媒４８によって
プラズマ生成容器６をそのすぐ近傍から冷却することが
できるので、プラズマ生成時のプラズマ生成容器６の温
度を低く抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プラズマを生成
してそれからイオンビームを引き出すイオン源に関し、
特に、当該プラズマを生成するためのプラズマ生成容器
のプラズマ生成時の温度を低く抑えたり、低温運転用と
高温運転用とに切り換えることができるようにする手段
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオン源の一例を図４に示す。こ
のイオン源２は、ガスまたは蒸気のイオン種が導入され
それを電離させてプラズマ１４を生成するプラズマ生成
部４を、複数本（通常は４本）の棒状の支持体（この例
では支柱）３４によって、イオン源フランジ３６から支
持した構造をしている。

【０００３】イオン源フランジ３６は、当該イオン源２
を、イオン源チャンバーと呼ばれる真空容器内に取り付
けるためのものであり、このイオン源フランジ３６の内
側（プラズマ生成部４側）は真空雰囲気にされる。また
このイオン源フランジ３６は、真空シール用にパッキン
３８を有していて、それを冷却して保護する等のために
通常は水冷構造にされている。

【０００４】プラズマ生成部４は、この例ではバーナス
型と呼ばれるものであり、イオン引出し口８を有してい
て中でプラズマ１４を生成するためのプラズマ生成容器
６内に、電子放出用のフィラメント１０と電子反射用の
反射電極１２とを相対向させて配置した構造をしてい
る。但し、プラズマ生成部４は、他の方式のもの、例え
ば棒状のフィラメントを有するフリーマン型等でも良
い。このプラズマ生成部４から（より具体的にはそのプ
ラズマ生成容器６から）、電界の作用でイオンビーム１
６を引き出すことができる。

【０００５】プラズマ生成容器６内には、この例では、
ガス導入管１８を経由して、イオン種（イオン化物質と
も呼ばれる。以下同じ）としての原料ガス２０を導入す
ることができる。更にこの例では、ヒータ２８によって
固体原料２６を加熱して蒸気２４を発生させる蒸気発生
炉（オーブン）２２を有しており、この固体原料２６か
ら発生させた蒸気２４をイオン種として、ノズル２３を
経由して、プラズマ生成容器６内に導入することもでき
る。蒸気発生炉２２は、支持部３０およびオーブンフラ
ンジ３２を介して、イオン源フランジ３６から支持され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記プラズマ生成容器
６は、プラズマ１４の発生に伴って、例えば数百℃〜１
０００℃程度の高温になる。これは、フィラメント１０
からの熱や、フィラメント１０とプラズマ生成容器６と
の間で発生させるアーク放電の熱による。

【０００７】一方、イオン源フランジ３６は、前述した
ようにパッキン３８の保護等のために、室温程度の低温
になるように冷却される。

【０００８】そこで従来は、プラズマ生成容器６からイ
オン源フランジ３６への熱伝導を小さく抑えてプラズマ
生成容器６の高温を維持しつつ、プラズマ生成容器６を
イオン源フランジ３６から機械的に支持するために、複
数本の棒状の支持体（支柱）３４を用いている。

【０００９】原料ガス２０や蒸気２４を構成するイオン
種が、例えばインジウム、フッ化インジウム、アンチモ
ン等のように融点の高い物質の場合は、プラズマ生成容
器６を高温に保持するのが好ましいので、前記構成で問
題はなかった。リン、ヒ素のように中温に保持するのが
好ましいイオン種の場合も、前記構成で問題はなかっ
た。

【００１０】しかし、原料ガス２０や蒸気２４を構成す
るイオン種が、例えばデカボラン（Ｂ₁₀Ｈ₁₄）のように
融点や昇華点の低い物質の場合は、プラズマ生成時のプ
ラズマ生成容器６が前記のような高温になると、プラズ
マ１４の生成密度ひいてはイオンビーム１６の引き出し
量の制御が困難になる。これは、プラズマ生成容器６の
温度が上記低温用のイオン種の融点や昇華点を遙かに超
えてしまい、プラズマ生成の制御が困難になるからであ
る。

【００１１】このような問題は、ガス導入管１８から原
料ガス２０を導入する場合だけでなく、蒸気発生炉２２
を使用する場合にも起こる。これは、蒸気発生炉２２と
プラズマ生成容器６とはノズル２３を介して接続されて
いて、蒸気発生炉２２のヒータ２８に供給する電流を下
げる、あるいは切っても、高温のプラズマ生成容器６か
らの熱伝導によって、蒸気発生炉２２の温度が不所望に
高くなってしまうからである。プラズマ生成容器６から
の放射熱によっても、蒸気発生炉２２の温度が不所望に
上昇する。

【００１２】イオン種に上記デカボランを用いると、ク
ラスターイオンビームの特徴を生かして、等価的に低エ
ネルギーかつ大電流ビームが得られ、基板のチャージア
ップが少ないイオンビーム照射（例えばイオン注入）を
行うことができる等の利点があるけれども、イオン種に
デカボランを用いる場合は、特に、プラズマ生成時のプ
ラズマ生成容器６の温度を低く抑える必要がある。例え
ば、室温〜１００℃程度以下に抑える必要がある。この
ようなことは、前記のような従来のイオン源２では到底
困難である。

【００１３】そこでこの発明は、プラズマ生成時のプラ
ズマ生成容器の温度を低く抑えることができるようにす
ることを主たる目的としている。

【００１４】また、プラズマ生成時のプラズマ生成容器
の温度を、相対的に低温で運転する場合と相対的に高温
で運転する場合とに切り換えることができるようにする
ことを他の目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に係るイオン源
は、前記支持体内に、前記プラズマ生成容器の近傍まで
冷媒を流して前記プラズマ生成容器を冷却する冷媒流路
を設けたことを特徴としている（請求項１）。

【００１６】このイオン源によれば、前記支持体内に設
けた冷媒流路に流される冷媒によってプラズマ生成容器
を冷却することができるので、プラズマ生成時のプラズ
マ生成容器の温度を低く抑えることができる。

【００１７】この発明に係るイオン源の運転方法は、前
記支持体内であって前記プラズマ生成容器近傍から前記
イオン源フランジ近傍にかけての部分に空洞を設けてお
き、この支持体の空洞に冷媒を流す冷却モードと、当該
空洞を真空排気する排気モードとに切り換えて運転する
ことを特徴としている（請求項２）。

【００１８】この運転方法によれば、冷却モード時は、
前記支持体内の空洞に流される冷媒によってプラズマ生
成容器を冷却することができるので、プラズマ生成容器
の温度が相対的に低い状態で運転することができる。ま
た、排気モード時は、前記支持体の空洞を真空排気する
ことによって、当該空洞における真空断熱作用を利用し
て、支持体の断熱効果を高めることができるので、プラ
ズマ生成容器の温度が相対的に高い状態で運転すること
ができる。「相対的に」というのは、前記二つのモード
時の温度を互いに比べて、という意味である。

【００１９】このような冷却モードと排気モードとを切
り換えて運転することによって、１台のイオン源を、そ
のプラズマ生成容器の温度に関して広い温度領域で使用
することができるので、使用することのできるイオン種
の選択の自由度が非常に高くなる。

【００２０】この発明に係るイオン源装置は、プラズマ
を生成するためのプラズマ生成容器を支持体によってイ
オン源フランジから支持した構造をしており、かつ当該
支持体内であってプラズマ生成容器近傍からイオン源フ
ランジ近傍にかけての部分に空洞を有するイオン源と、
このイオン源の支持体の空洞に冷媒を流すための冷媒供
給装置と、前記イオン源の支持体の空洞を真空排気する
ための真空排気装置と、前記イオン源の支持体の空洞
を、前記冷媒供給装置と前記真空排気装置とに切り換え
て通じさせる切換器とを備えることを特徴としている
（請求項３）。

【００２１】このイオン源装置によれば、切換器によっ
て、前記支持体の空洞に冷媒供給装置から冷媒を流す運
転（冷却モード）と、当該空洞を真空排気装置によって
真空排気する運転（排気モード）とに切り換えることが
できるので、１台のイオン源を、そのプラズマ生成容器
の温度に関して広い温度領域で使用することができる。
従って、使用することのできるイオン種の選択の自由度
が非常に高くなる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオン源
の一例を示す断面図である。図４に示した従来例と同一
または相当する部分には同一符号を付し、以下において
は当該従来例との相違点を主に説明する。

【００２３】このイオン源２ａは、ガス導入管１８を備
えているけれども、蒸気発生炉を備えていない場合の例
である。このイオン源２ａでは、前記従来の支持体３４
に対応する支持体３４ａ内に、即ち前記プラズマ生成部
４のプラズマ生成容器６をイオン源フランジ３６から支
持する支持体３４ａ内に、プラズマ生成容器６の近傍か
らイオン源フランジ３６の近傍にかけて、空洞４０を設
けている。より具体的には、このイオン源２ａでは、支
持体３４ａは、底面４１を有する筒状のものであり、そ
の内部が空洞４０になっている。支持体３４ａのイオン
源フランジ３６外に位置する開口部には蓋４２が設けら
れている。各部材の接合部は、パッキン３８によって、
真空や冷媒のシールが行われている（図２の例も同
様）。

【００２４】この空洞４０内には、冷媒給排手段によっ
て、即ちこの例では冷媒導入パイプ４４および冷媒導出
パイプ４６によって、冷媒４８が流される。従って、こ
の空洞４０は、プラズマ生成容器６の近傍まで冷媒４８
を流してプラズマ生成容器６を冷却する冷媒流路になっ
ている。冷媒導入パイプ４４は、この例のように、空洞
４０内に、その上部付近まで、即ちプラズマ生成容器６
の近くまで、挿入しておくのが好ましい。そのようにす
ると、導入された冷媒４８をプラズマ生成容器６の近傍
まで効率良く供給して、プラズマ生成容器６を効率良く
冷却することができる。

【００２５】冷媒４８は、例えば室温の冷却水である
が、その他の冷媒でも良い。この冷媒４８の温度、流量
および種類等は、プラズマ生成時のプラズマ生成容器６
の温度が所望のものになるように選べば良い。また、イ
オン源２ａの運転時には、イオン源フランジ３６、支持
体３４ａおよびプラズマ生成容器６には高電圧（イオン
ビーム１６を引き出すための高電圧）が印加されるの
で、これらが冷媒４８を通して大地電位部と導通するこ
とを防止する等のために、冷媒４８として水を用いる場
合は、電気抵抗の高い純水を用いるのが好ましい。

【００２６】このイオン源２ａによれば、支持体３４ａ
内に設けた空洞（冷媒流路）４０に流される冷媒４８に
よって、プラズマ生成容器６をそのすぐ近傍から冷却す
ることができるので、プラズマ生成時のプラズマ生成容
器６の温度を低く抑えることができる。例えば、冷媒４
８に室温の冷却水を用いることによって、プラズマ生成
時のプラズマ生成容器６の温度を、室温〜数十℃程度
に、高くても１００℃程度以下に保つことができる。

【００２７】従って、ガス導入管１８からプラズマ生成
容器６内に導入する原料ガス２０を構成するイオン種が
融点や昇華点の低い物質であっても、例えば原料ガス２
０が前記デカボランを含むものであっても、プラズマ１
４の生成密度ひいてはイオンビーム１６の引き出し量を
目的のものに制御することが可能になる。

【００２８】なお、支持体３４ａは、横断面が四角（即
ち角筒状）のものでも良いし、丸（即ち円筒状）のもの
でも良い。また、その底面４１とプラズマ生成容器６の
底面７とは、この例のように互いに別体のものとして両
者間で分割できる構造にしても良いし、両底面４１、７
を互いに一体のものとして一つの面で兼用できる構造に
しても良い。後述する図２の例においても同様である。

【００２９】このイオン源２ａは、上記のように支持体
３４ａの空洞４０に冷媒４８を流す冷却モードと、当該
空洞４０を真空排気する排気モードとに切り換えて運転
することもできる。空洞４０の真空排気は、例えば、冷
媒導入パイプ４４および冷媒導出パイプ４６を経由して
行えば良い。

【００３０】冷却モード時の作用効果は、前述したとお
りである。

【００３１】排気モードは、支持体３４ａの空洞４０を
真空排気することによって、空洞４０における真空断熱
作用を利用して、支持体３４ａの断熱効果を高めること
ができるので、プラズマ生成容器６の温度が冷却モード
時よりも高い状態（例えば数百℃〜１０００℃程度）で
運転するのに適している。

【００３２】このような冷却モードと排気モードとを切
り換えて運転することによって、１台のイオン源２ａ
を、そのプラズマ生成容器６の温度に関して広い温度領
域で使用することができるので、使用することのできる
イオン種の選択の自由度が非常に高くなる。つまり、１
台のイオン源２ａで、融点や昇華点の低いイオン種か
ら、融点や昇華点の高いイオン種まで、広範囲に使用す
ることができる。

【００３３】なお、イオン源２ａを冷却モードのみで運
転するのであれば、支持体３４ａ内であって少なくとも
プラズマ生成容器６の近傍に空洞４０を設けておき、こ
の空洞４０に冷媒流通パイプ、冷媒流通溝等の冷媒給排
手段によって冷媒４８を流すようにしても良い。これで
も、プラズマ生成容器６を冷却するという目的を達成す
ることができる。後述する図２のイオン源２ａの場合も
同様である。

【００３４】図２は、この発明に係るイオン源の他の例
を示す断面図である。このイオン源２ａは、ガス導入管
１８の他に蒸気発生炉２２を備えている場合の例であ
る。ここでは、図１に示した例との相違点を主体に説明
する。

【００３５】このイオン源２ａも、プラズマ生成容器６
をイオン源フランジ３６から支持する支持体３４ａ内
に、プラズマ生成容器６の近傍からイオン源フランジ３
６の近傍にかけて、空洞４０を設けている。そしてこの
空洞４０に、前記と同様の冷媒導入パイプ４４および冷
媒導出パイプ４６を接続している。冷媒導入パイプ４４
は、前記と同様に空洞４０内に挿入している。この支持
体３４ａは、更に、その中心部に柱状の空間５０を有し
ており、この空間５０に、前述したような蒸気発生炉２
２を収納している。即ち、支持体３４ａは、この例で
は、中心部に空間５０を有し、更にその周りを空洞４０
が取り囲んでいる、言わば二重筒状の構造をしている。

【００３６】蒸気発生炉２２は、前述したように、固体
原料２６をヒータ２８によって加熱して蒸気２４を発生
させ、それをノズル２３を経由してプラズマ生成容器６
内に導入するものである。支持部３０を介して蒸気発生
炉２２を支持するオーブンフランジ３２は、支持体３４
ａのイオン源フランジ３６外に位置するオーブン接続部
５２に取り付けられている。

【００３７】このイオン源２ａも、図１のイオン源２ａ
の場合と同様、支持体３４ａの空洞４０に冷媒４８を流
すことによって、即ち空洞４０を冷媒流路とすることに
よって、プラズマ生成時のプラズマ生成容器６の温度を
低く抑えることができる。その作用効果の詳細は、前述
したとおりである。

【００３８】また、蒸気発生炉２２を使用するときも、
プラズマ生成容器６を上記のように冷却することによっ
て、蒸気発生炉２２もノズル２３を経由してある程度冷
却されるので、この冷却作用とヒータ２８による加熱と
を併用することができる。それによって、蒸気発生炉２
２の温度を低い温度領域（例えば数十℃〜１００℃程
度）においても制御性良く制御することができる。これ
は、例えば固体原料２６にデカボランを使用する場合等
に特に有効である。

【００３９】このイオン源２ａはまた、図１のイオン源
２ａの場合と同様、支持体３４ａの空洞４０に冷媒４８
を流す冷却モードと、当該空洞４０を真空排気する排気
モードとに切り換えて運転することができる。その作用
効果は、前述したとおりである。

【００４０】イオン源２ａを、前記のような冷却モード
と排気モードとに切り換えて運転するのに適したイオン
源装置の一例を図３に示す。

【００４１】このイオン源装置は、図１または図２を参
照して説明したようなイオン源２ａと、このイオン源２
ａの支持体３４ａの空洞４０に冷媒４８を流すための冷
媒供給装置６０と、イオン源２ａの支持体３４ａの空洞
４０を真空排気するための真空排気装置６２と、イオン
源２ａの支持体３４ａの空洞４０を、冷媒供給装置６０
と真空排気装置６２とに択一的に切り換えて通じさせる
切換器５４とを備えている。

【００４２】冷媒供給装置６０は、例えば水供給装置、
好ましくは純水供給装置である。

【００４３】切換器５４は、この例では、イオン源２ａ
の前記冷媒導入パイプ４４を冷媒供給装置６０側と真空
排気装置６２側とに択一的に切り換えて通じさせる２位
置切換弁５６と、イオン源２ａの前記冷媒導出パイプ４
６を冷媒供給装置６０側と真空排気装置６２側とに択一
的に切り換えて通じさせる２位置切換弁５８とから成
る。両切換弁５６、５８は、例えば互いに連動するよう
にしている。

【００４４】更にこのイオン源装置は、イオン源２ａの
支持体３４ａの空洞４０やそれにつながる配管等に窒素
ガス６６を供給して水分を窒素ガスによってパージする
ための窒素ガス源６４および弁６８を備えている。但し
これは、この発明に必須のものではない。

【００４５】このイオン源装置の運転方法の一例を以下
に示す。

【００４６】（１）イオン源２ａを冷却モードで運転す
るとき 切換器５４を、即ち２位置切換弁５６および５８を冷媒
供給装置６０側に切り換えて、イオン源２ａの支持体３
４ａの空洞４０に冷媒供給装置６０から冷媒４８を流
す。

【００４７】（２）イオン源２ａを排気モードで運転す
るとき 先にイオン源２ａを冷却モードで運転した場合は、窒素
ガスでパージを行うのが好ましい。その場合は、切換器
５４を冷媒供給装置６０側に切り換えたままにしてお
き、弁６８を開いて窒素ガス源６４から窒素ガス６６を
支持体３４ａの空洞４０やそれにつながる配管等に供給
して、それらの内部に残存する水分を冷媒供給装置６０
側に押し戻してパージする。こうすると、余分な水分を
排気しなくて済むので、次の真空排気に必要な時間を短
縮することができる。

【００４８】その後、切換器５４を、即ち２位置切換弁
５６および５８を真空排気装置６２側に切り換えて、イ
オン源２ａの支持体３４ａの空洞４０内を真空排気装置
６２によって真空排気する。

【００４９】

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。

【００５０】請求項１記載のイオン源によれば、前記支
持体内に設けた冷媒流路に流される冷媒によってプラズ
マ生成容器を冷却することができるので、プラズマ生成
時のプラズマ生成容器の温度を低く抑えることができ
る。従って、プラズマ生成容器内に導入するイオン種が
融点や昇華点の低い物質であっても、プラズマの生成密
度ひいてはイオンビームの引き出し量を目的のものに制
御することが可能になる。

【００５１】請求項２記載の運転方法によれば、冷却モ
ード時はプラズマ生成容器の温度が相対的に低い状態で
運転することができ、排気モード時はプラズマ生成容器
の温度が相対的に高い状態で運転することができ、この
ような冷却モードと排気モードとを切り換えて運転する
ことによって、１台のイオン源を、そのプラズマ生成容
器の温度に関して広い温度領域で使用することができる
ので、使用することのできるイオン種の選択の自由度が
非常に高くなる。

【００５２】請求項３記載のイオン源装置によれば、切
換器によって、前記支持体の空洞に冷媒供給装置から冷
媒を流す運転モードと、当該空洞を真空排気装置によっ
て真空排気する運転モードとに切り換えることができる
ので、１台のイオン源を、そのプラズマ生成容器の温度
に関して広い温度領域で使用することができる。従っ
て、使用することのできるイオン種の選択の自由度が非
常に高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す断面図で
ある。

【図２】この発明に係るイオン源の他の例を示す断面図
である。

【図３】この発明に係るイオン源装置の一例を示す配管
系統図である。

【図４】従来のイオン源の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

２ａ イオン源 ６ プラズマ生成容器 １４ プラズマ １６ イオンビーム １８ ガス導入管 ２０ 原料ガス ２２ 蒸気発生炉 ２４ 蒸気 ３４ａ 支持体 ３６ イオン源フランジ ４０ 空洞 ４８ 冷媒 ５４ 切換器 ６０ 冷媒供給装置 ６２ 真空排気装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマを生成するためのプラズマ生成
   容器を支持体によってイオン源フランジから支持した構
   造のイオン源において、前記支持体内に、前記プラズマ
   生成容器の近傍まで冷媒を流して前記プラズマ生成容器
   を冷却する冷媒流路を設けたことを特徴とするイオン
   源。
2. 【請求項２】 プラズマを生成するためのプラズマ生成
   容器を支持体によってイオン源フランジから支持した構
   造のイオン源において、前記支持体内であって前記プラ
   ズマ生成容器近傍から前記イオン源フランジ近傍にかけ
   ての部分に空洞を設けておき、この支持体の空洞に冷媒
   を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気する排気モー
   ドとに切り換えて運転することを特徴とするイオン源の
   運転方法。
3. 【請求項３】 プラズマを生成するためのプラズマ生成
   容器を支持体によってイオン源フランジから支持した構
   造をしており、かつ当該支持体内であってプラズマ生成
   容器近傍からイオン源フランジ近傍にかけての部分に空
   洞を有するイオン源と、 このイオン源の支持体の空洞に冷媒を流すための冷媒供
   給装置と、 前記イオン源の支持体の空洞を真空排気するための真空
   排気装置と、 前記イオン源の支持体の空洞を、前記冷媒供給装置と前
   記真空排気装置とに切り換えて通じさせる切換器とを備
   えることを特徴とするイオン源装置。