JP2006049102A - Plasma ion source for metal-containing carbon cluster manufacturing apparatus - Google Patents

Plasma ion source for metal-containing carbon cluster manufacturing apparatus Download PDF

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邦義 横尾
Yasuhiko Kasama
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    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma ion source suitable for manufacturing metal-containing carbon cluster. <P>SOLUTION: In the plasma ion source, element to be contained is made to contact with a metal electrode at a high temperature in the vacuum vessel (ion chamber) to be ionized. Thermoelectrons generated from high-temperature portions are accelerated and made to collide with neutral elements which are not ionized, in spite of contacting to increase ionization ratio. The ion chamber has an ion extraction electrode portion, in which the charged ions are extracted from the plasma produced in the ion chamber to be provided as an ion beam to a containing process portion requiring the ions. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、元素をプラズマ化してイオンを発生するイオン源に関する。特に、金属内包炭素クラスター製造に適用して好適なプラズマイオン源を提供する。半導体デバイスの製造に用いるイオン注入装置のイオン源にも応用できる。   The present invention relates to an ion source that generates ions by converting elements into plasma. In particular, a plasma ion source suitable for application to metal-encapsulated carbon cluster production is provided. The present invention can also be applied to an ion source of an ion implantation apparatus used for manufacturing a semiconductor device.

特開平2−311757JP-A-2-311757 R.E.Smalley, The Sciences, March/April,p.22(1991)R.E.Smalley, The Sciences, March / April, p.22 (1991) プラズマ・核融合学会誌 第75巻 第8号 pp.927-933 (1999年8月)「フラーレンプラズマの性質と応用」Journal of Plasma and Fusion Research Vol.75 No.8 pp.927-933 (August 1999) "Properties and Applications of Fullerene Plasma"

例えば非特許文献1に記載されているように、1991年スモーリーらによって炭素クラスターの中空部分に別の元素を有する元素内包炭素クラスターの存在が確認された。   For example, as described in Non-Patent Document 1, in 1991, Smalley et al. Confirmed the existence of an element-encapsulated carbon cluster having another element in the hollow portion of the carbon cluster.

ところが、スモーリーらの合成方法はレーザー照射による方法で、生成した元素内包炭素クラスターを単離して物質特性を同定できるだけの大量の元素内包炭素クラスターを得ることができなかった。   However, the synthesis method of Smalley et al. Was a method by laser irradiation, and it was not possible to obtain a large amount of element-encapsulated carbon clusters that could identify the element-encapsulated carbon clusters and identify the material properties.

近年、内包炭素クラスターの各種有用性が着目され、より高い収率で内包炭素クラスターを製造できる技術が期待されている。   In recent years, attention has been paid to various usefulness of the inclusion carbon cluster, and a technique capable of producing the inclusion carbon cluster with higher yield is expected.

現在、元素内包炭素クラスター類は、代表的には、強力なレーザー光をグラファイト円板に照射して蒸発させるレーザー蒸発法、混合炭素棒を原料として用いてアーク放電を行うアーク放電法、気相中で炭素クラスターへ元素イオンを衝突させる気相中衝突法、プラズマ法(東北大学方式)などによって生成されることが知られている。   Currently, element-embedded carbon clusters typically include laser evaporation, which evaporates by irradiating a powerful laser beam onto a graphite disk, arc discharge, in which arc discharge is performed using a mixed carbon rod as a raw material, gas phase Among them, it is known to be generated by a gas phase collision method in which element ions collide with carbon clusters, a plasma method (Tohoku University method), or the like.

東北大学方式のプラズマ法による元素内包炭素クラスターの生成技術として、非特許文献2のFig.1に示す方式が提案されている。真空容器内において、内包対象元素のプラズマの流れに、炭素クラスターを噴射し、プラズマの流れの下流に配置した堆積基板(堆積プレート)に内包炭素クラスターを堆積させることにより内包炭素クラスターを生成する技術である。   A method shown in Fig. 1 of Non-Patent Document 2 has been proposed as a technique for generating element-encapsulated carbon clusters by the Tohoku University plasma method. In a vacuum vessel, a carbon cluster is injected into the plasma flow of the element to be included, and the inclusion carbon cluster is generated by depositing the inclusion carbon cluster on a deposition substrate (deposition plate) arranged downstream of the plasma flow. It is.

図1を用いて、従来のプラズマ法による元素内包炭素クラスターの生成技術を簡単に説明する。   A conventional technology for generating element-encapsulated carbon clusters by the plasma method will be briefly described with reference to FIG.

内包対象元素吐出装置(元素オーブン2)から、約2700℃に加熱された熱板1(例えばタングステン製板)に向けて内包対象物質を吐出すると、接触電離によって内包元素プラズマの流れ5が形成される。内包対象元素(例えばアルカリ金属等)は吐出装置(元素オーブン2)内で、内包対象元素の昇華温度以上に加熱され、吐出される。   When the inclusion target substance is discharged from the inclusion target element discharge device (element oven 2) toward the hot plate 1 (for example, a tungsten plate) heated to about 2700 ° C., a flow 5 of the inclusion element plasma is formed by contact ionization. The An inclusion target element (for example, alkali metal) is heated and discharged at a temperature higher than the sublimation temperature of the inclusion target element in a discharge device (element oven 2).

このやり方では、熱板1の外側の真空容器8内壁に被着した内包対象元素9は内包対象元素プラズマの流れ5の生成に寄与しないで、無駄に消費される。また、プラズマ化されずに熱板1から反射して真空容器8内壁に被着した内包対象元素10も内包対象元素プラズマの流れ5の生成に寄与しない。   In this manner, the inclusion target element 9 deposited on the inner wall of the vacuum vessel 8 outside the hot plate 1 does not contribute to the generation of the inclusion target element plasma flow 5 and is wasted. Also, the inclusion target element 10 that is reflected from the hot plate 1 without being converted into plasma and deposited on the inner wall of the vacuum vessel 8 does not contribute to the generation of the flow 5 of the inclusion target element plasma.

プラズマの流れ5は基盤7に向かって移動する。炭素クラスターオーブン3から吐出された炭素クラスター分子が加熱円筒4内でプラズマの流れ5(内包対象元素イオン)と混ぜられて、基盤7上に元素内包炭素クラスターを生成する。炭素クラスター分子は必要に応じて大量に加熱円筒4に供給できるので、元素内包化効率(生成される元素内包炭素クラスター分子数/元素オーブンから昇華した内包対象元素数)は加熱円筒4内に導入されるプラズマ量(内包対象元素イオンの数)で律せられている。   The plasma flow 5 moves toward the base 7. Carbon cluster molecules discharged from the carbon cluster oven 3 are mixed with the plasma flow 5 (encapsulation target element ions) in the heating cylinder 4 to generate element-encapsulated carbon clusters on the substrate 7. Since carbon cluster molecules can be supplied in large quantities to the heated cylinder 4 as required, the element encapsulation efficiency (number of element-encapsulated carbon cluster molecules / number of elements to be encapsulated sublimated from the element oven) is introduced into the heated cylinder 4 It is determined by the amount of plasma (number of inclusion target element ions).

このように、プラズマ法による元素内包炭素クラスター製造装置で、元素内包炭素クラスターの収率を大きくするには、プラズマの流れ5(内包対象元素イオンの数)を増やすことが重要である。発明者らのこれまでの実験では、この方法でイオン化効率(内包対象元素イオンの数/元素オーブンから昇華した内包対象元素数)は最大1%程度であった。   Thus, in order to increase the yield of the element-encapsulated carbon cluster in the element-encapsulated carbon cluster production apparatus by the plasma method, it is important to increase the plasma flow 5 (number of element ions to be included). In the experiments conducted by the inventors so far, the ionization efficiency (number of inclusion target element ions / number of inclusion target elements sublimated from the element oven) by this method was about 1% at maximum.

プラズマの流れ5が真空容器8の管壁に拡散しないようにプラズマの流れに平行して(図面では水平方向に)磁界が加えられているが、図1では省略している。   A magnetic field is applied in parallel to the plasma flow (in the horizontal direction in the drawing) so that the plasma flow 5 does not diffuse into the tube wall of the vacuum vessel 8, but is omitted in FIG.

東北大学方式のプラズマ法による元素内包炭素クラスターの生成技術は高い収率で元素内包炭素クラスターを得る方法として期待されているが、高効率、高品質で内包炭素クラスターを量産できる具体的な技術はまだ各種検討されている段階である。とくに、この方式を用いて金属内包炭素クラスターを量産可能とするには、内包対象元素のプラズマの流れを安定で大量に生成できることが重要である。   The technology for generating element-encapsulated carbon clusters by the plasma method of the Tohoku University method is expected as a method for obtaining element-encapsulated carbon clusters with high yield, but the specific technology that can mass-produce encapsulated carbon clusters with high efficiency and high quality is Various studies are still underway. In particular, in order to enable mass production of metal-encapsulated carbon clusters using this method, it is important that the plasma flow of the encapsulated element can be generated stably and in large quantities.

これまで、一般的なイオン源として、熱電子衝撃電離を用いるバーナス(Burnus)型、およびフリーマン(Freeman)型と、高周波電力を用いるマイクロ波型が知られている。半導体製造装置に使われているイオン源としては、所定のガスを上記のアーク放電でプラズマ化してイオンを発生させる装置が多く使われている。   Conventionally, as a general ion source, a Bernus type using Free Electron Impact Ionization, a Freeman type, and a microwave type using high frequency power are known. As an ion source used in a semiconductor manufacturing apparatus, an apparatus that generates ions by converting a predetermined gas into plasma by the above arc discharge is often used.

半導体製造装置に使われているイオン源は、主として半導体基板に高精度に不純物を注入する目的で作られているから、必ずしも大量にイオンプラズマの流れを発生する必要性は無い。一方、プラズマ法で金属内包炭素クラスターを量産するには内包対象元素のプラズマの流れを安定に大量に生成できることが重要である。   Since an ion source used in a semiconductor manufacturing apparatus is made mainly for the purpose of implanting impurities with high accuracy into a semiconductor substrate, it is not always necessary to generate a large amount of ion plasma flow. On the other hand, in order to mass-produce metal-encapsulated carbon clusters by the plasma method, it is important to be able to stably generate a large amount of plasma flow of the inclusion target element.

接触電離プラズマ法によるイオン生成法は、計測用途(ガスクロマトグラフィ)で公知例が有る。例えば、特許文献1で公知であるように、加熱した固体表面に被分析成分を接触させてイオン化する技術が知られている。計測目的では、イオン化率、生成イオン量がごく少量であっても実用上問題なく、従来技術の接触電離プラズマ法は本発明の課題である高密度のイオンプラズマ生成には適していなかった。   The ion generation method by the contact ionization plasma method has a well-known example by the measurement use (gas chromatography). For example, as known in Patent Document 1, a technique is known in which an analyte is brought into contact with a heated solid surface for ionization. For measurement purposes, even if the ionization rate and the amount of generated ions are very small, there is no practical problem, and the prior art contact ionization plasma method is not suitable for high density ion plasma generation, which is the subject of the present invention.

金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造するために、大量に内包元素を含む高純度で高密度の安定なプラズマの流れが必要とされている。ところが、従来技術で述べたように、半導体デバイス製造装置用イオン源、計測目的イオン化装置では高密度のプラズマの流れを得られなかった。金属内包炭素クラスター製造装置用に元素プラズマを高純度で高密度発生できれば、これを半導体デバイス製造用イオン打ち込み装置で必要とされる不純物注入イオン源としても活用できる。   In order to produce metal-encapsulated carbon clusters with high efficiency and high yield, a high-purity and high-density stable plasma flow containing a large amount of encapsulated elements is required. However, as described in the prior art, a high-density plasma flow cannot be obtained with an ion source for a semiconductor device manufacturing apparatus and an ionization apparatus for measurement purposes. If element plasma can be generated with high purity and high density for a metal-encapsulated carbon cluster production apparatus, it can be used as an impurity implantation ion source required for an ion implantation apparatus for semiconductor device production.

請求項1に記載した、真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用の電極を有し、前記電極を筒状としてイオン化対象元素をその筒状電極の片側内部に入射角0度以上90度以下で入射させ、前記筒状電極反対側からプラズマを放出させる構造を特徴とするプラズマ発生装置。この手段を用いることにより、元素加熱容器から吐出した中性元素は、熱せられ2700℃程度になっている電極部に複数回接触して、電極から熱エネルギーを得て、電子を放出して正イオン化する。   A vacuum vessel according to claim 1, a heating vessel for ejecting an ionization target element in the vacuum vessel, and an electrode for contact ionization, the electrode being a cylindrical shape, and the ionization target element being a cylindrical electrode A plasma generating apparatus characterized by having a structure in which an incident angle is not less than 0 degrees and not more than 90 degrees, and plasma is emitted from the opposite side of the cylindrical electrode. By using this means, the neutral element discharged from the element heating container contacts the electrode part heated to about 2700 ° C a plurality of times, obtains thermal energy from the electrode, emits electrons, and corrects. Ionize.

請求項2、3、4に記載した、真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用電極と補助電極を有し、電極を配置する空間に磁場を印加して、補助電極に正の電位を与え、イオン化対象元素を電離用電極の片側から入射させ、接触電離と電子衝撃電離を同時に発生させて、電離用電極の反対側からプラズマを放出する構造を特徴とするプラズマ発生装置。接触電離で正イオン化されなかった中性元素には、電子を加速衝突させて衝突電離を起こし、イオン化効率をさらに向上させる。   A vacuum vessel according to claim 2, a heating vessel for ejecting an ionization target element, an electrode for contact ionization, and an auxiliary electrode in the vacuum vessel, and a magnetic field in a space in which the electrode is arranged A structure in which a positive potential is applied to the auxiliary electrode, the element to be ionized is incident from one side of the ionization electrode, contact ionization and electron impact ionization are generated simultaneously, and plasma is emitted from the opposite side of the ionization electrode A plasma generator characterized by the above. Neutral elements that have not been positively ionized by contact ionization cause electrons to undergo accelerated collisions to cause impact ionization, further improving ionization efficiency.

請求項1、2、3、4いずれか記載のイオン化対象元素がアルカリ金属であることを特徴とする請求項5に記載したプラズマ発生装置。オーブンを500℃程度に加熱すれば、収容したアルカリ金属を昇華させることができるので、本発明により高密度で高純度のアルカリ金属イオンの流れが得られる。アルカリ金属の昇華は加熱して行うので、不必要な金属種のクロスコンタミ(Cross Contamination:汚染)防止が必要な場合は、金属種毎に専用のオーブンを用いる。また、さらに大量のアルカリ金属を低温で昇華させるためには、昇華温度の低い(蒸気圧の高い)金属アミドなどのアルカリ金属化合物(例えばリチウムの場合はLiNH)を用いると良い。 6. The plasma generator according to claim 5, wherein the ionization target element according to any one of claims 1, 2, 3, and 4 is an alkali metal. If the oven is heated to about 500 ° C., the contained alkali metal can be sublimated, and the present invention provides a flow of high-density and high-purity alkali metal ions. Since alkali metal sublimation is performed by heating, if it is necessary to prevent cross contamination of unnecessary metal species, a dedicated oven is used for each metal species. In order to sublimate a larger amount of alkali metal at a low temperature, an alkali metal compound such as a metal amide having a low sublimation temperature (high vapor pressure) (for example, LiNH 2 in the case of lithium) is preferably used.

請求項1、2、3、4いずれか記載のイオン化対象元素がB、In、As、P、Sbであることを特徴とする請求項6に記載したプラズマ発生装置。請求項1、2、3、4いずれか記載の手段を用いれば、半導体デバイスへの不純物イオン注入に用いられるこれらのイオン種も、3フッ化ホウ素ガス(B)の導入、あるいは金属粒(In、As、P、Sb)をオーブンで昇華させることで、高いイオン化効率で安定して生成できる。固体元素の昇華は、加熱して行われるが、元素の種類により加熱温度が異なり(例えば、Pは約280℃、Bは約2550℃の各加熱温度が必要)、クロスコンタミを防止する意味でも、同一オーブンを共用して昇華することは出来ない。元素毎に専用のオーブンを用いる。   7. The plasma generator according to claim 6, wherein the ionization target element according to any one of claims 1, 2, 3, and 4 is B, In, As, P, and Sb. If the means of any one of Claims 1, 2, 3, and 4 is used, these ionic species used for impurity ion implantation into a semiconductor device are also introduced with boron trifluoride gas (B) or metal particles (In , As, P, Sb) can be stably generated with high ionization efficiency by sublimation in an oven. Sublimation of solid elements is performed by heating, but the heating temperature differs depending on the type of element (for example, P requires about 280 ° C and B requires about 2550 ° C), which also prevents cross contamination. It is not possible to use the same oven for sublimation. Use a dedicated oven for each element.

請求項7に記載したプラズマ発生装置を特徴とする金属内包炭素クラスター製造装置。この手段を用いることにより、金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造できる。   An apparatus for producing a metal-encapsulated carbon cluster, comprising the plasma generator according to claim 7. By using this means, metal-encapsulated carbon clusters can be produced with high efficiency and high yield.

本発明にかかる接触電離電極構造の工夫により、内包対象元素のイオン化効率を高めることができ、金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造できる(例えば請求項1、2、3、4、5、7)。   By devising the contact ionization electrode structure according to the present invention, the ionization efficiency of the inclusion target element can be increased, and the metal-encapsulated carbon cluster can be produced with high efficiency and high yield (for example, claims 1, 2, 3, 4, 5, 7).

請求項6の技術を用いれば、高密度で高純度のイオンプラズマを連続生成できるので、半導体製造装置用の不純物注入イオン源としても用いることができる。   According to the sixth aspect of the present invention, since high-density and high-purity ion plasma can be continuously generated, it can also be used as an impurity-implanted ion source for a semiconductor manufacturing apparatus.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。アルカリ金属を例にとって説明するが、他の元素、分子であっても動作原理は同じである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Although an alkali metal will be described as an example, the operation principle is the same for other elements and molecules.

図2は本発明の一実施例であるプラズマイオン源の動作原理を説明する要部断面図で、イオン化対象元素を吐出するための元素吐出容器(元素オーブン12)、元素を接触させてプラズマ化するため高温の筒状接触電離電極11(例えば、コイル状もしくはリボン状タングステンフィラメント)、生成したプラズマからイオンを外部に取り出すためのイオン引き出し電極13が示されている。図が複雑にならないように、これらの電極部を外気と遮断する真空容器を省略している。   FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part for explaining the principle of operation of a plasma ion source according to one embodiment of the present invention. For this purpose, a high-temperature cylindrical contact ionization electrode 11 (for example, a coil-shaped or ribbon-shaped tungsten filament) and an ion extraction electrode 13 for extracting ions from the generated plasma to the outside are shown. In order not to complicate the figure, a vacuum vessel that blocks these electrode portions from the outside air is omitted.

元素オーブン12を昇温して噴出するアルカリ金属元素ガスを、印加電圧10Vで20A程度の電流を流して約2700℃に熱せられた筒状接触電離電極11の内壁に入射角0度以上90度以下で衝突させる。電極11から熱エネルギーを受け取ったアルカリ金属元素の最外殻にある電子は電極11に流入し、残されたアルカリ金属元素は正に帯電してアルカリイオン(M)となり、アルカリイオンプラズマの流れ15が発生する。 Alkali metal element gas ejected by raising the temperature of the element oven 12 is applied to the inner wall of the cylindrical contact ionization electrode 11 heated to about 2700 ° C. by applying a current of about 20 A at an applied voltage of 10 V, and an incident angle of 0 ° to 90 °. Collide with: Electrons in the outermost shell of the alkali metal element that has received thermal energy from the electrode 11 flow into the electrode 11, and the remaining alkali metal element is positively charged to become alkali ions (M + ), and the flow of the alkali ion plasma. 15 is generated.

アルカリ金属は一回の衝突でわずかしか接触電離できないので、筒状接触電離電極11の内壁に多数回衝突させてイオン化効率を高める必要がある。発明者らの実験では、ナトリウム(Na)の場合、コイル状タングステンフィラメントの温度を2700℃程度にして、図2でフィラメントコイル長を内径の10倍程度に設定すれば、アルカリ金属元素はフィラメント表面で多重衝突するので、図1の熱板1に一回だけ衝突させる方式の数倍のイオン化効率を得ている。   Since alkali metal can be contact ionized only slightly in one collision, it is necessary to increase the ionization efficiency by colliding with the inner wall of the cylindrical contact ionization electrode 11 many times. In the experiments by the inventors, in the case of sodium (Na), if the temperature of the coiled tungsten filament is set to about 2700 ° C. and the filament coil length is set to about 10 times the inner diameter in FIG. As a result of multiple collisions, the ionization efficiency is several times that of the method of making a single collision with the hot plate 1 of FIG.

こうして得られた高密度のプラズマの流れ15にはアルカリイオンと自由電子が共存する。このプラズマの流れを図1のプラズマの流れ5として使用すれば、従来の数倍のアルカリイオンを加熱円筒4内に導入できるので、アルカリ金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造できる。   Alkali ions and free electrons coexist in the high-density plasma flow 15 thus obtained. If this plasma flow is used as the plasma flow 5 in FIG. 1, alkali ions several times the conventional amount can be introduced into the heating cylinder 4, so that an alkali metal-encapsulating carbon cluster can be produced with high efficiency and high yield.

イオン引き出し電極13に接触電離電極11に対して負の電位を印加することにより、電子を接触電離電極11側に追い返して、金属イオンだけを取り出すことのできるイオン源としても使用でき、半導体製造装置への応用が考えられる。   By applying a negative potential to the ion extraction electrode 13 with respect to the contact ionization electrode 11, it can be used as an ion source that can repel electrons to the contact ionization electrode 11 side and extract only metal ions. Application to is considered.

図2では接触電離だけで高密度のプラズマの流れを得る方法を説明したが、電子を加速して、接触電離できなかった中性アルカリ金属元素に衝突させてイオン化効率を高める技術について以下に説明する。   Although the method for obtaining a high-density plasma flow only by contact ionization has been described with reference to FIG. 2, a technique for increasing ionization efficiency by accelerating electrons and colliding with a neutral alkali metal element that could not be contact ionized will be described below. To do.

図3aは図2の接触電離電極11の中心部に補助電極16(例えばタングステン細線)を配置して、補助電極16に平行して(図面で水平方向に)磁場17を印加する構造を有す。補助電極16に接触電離電極11に対して正の電圧(例えば100V)を印加する。接触電離電極11から飛び出した熱電子は補助電極16に向かって飛行しようとする。しかし、進行方向に対して直角に印加された磁場17によってローレンツ力を受け、補助電極16と接触電離電極11の間に形成される空間で、補助電極16の回りを磁界方向を軸にして電子は旋回しながら周回運動を続ける。電子が補助電極16に直ぐには到達できないように磁場の強さを設定すると、補助電極16に印加した電位から高い運動エネルギーを得た電子は、接触電離できなかった中性元素と回転運動の途中で何回か衝突して、中性アルカリ金属元素をイオン化する。この様子を、図3bに示す。図を見易くするために回転電子の一部を示した。図には示していないが、接触電離電極11と補助電極16の間に形成される電子が存在している空間のいたるところでこのような回転電子による衝突電離が発生している。図3の接触電離と衝突電離を併用するやり方を採用して、発明者らはアルカリ金属元素のイオン化効率を図2の方式と比べてさらに高めることができた。   3A has a structure in which an auxiliary electrode 16 (for example, a tungsten thin wire) is arranged at the center of the contact ionization electrode 11 of FIG. 2 and a magnetic field 17 is applied parallel to the auxiliary electrode 16 (in the horizontal direction in the drawing). . A positive voltage (for example, 100 V) is applied to the auxiliary electrode 16 with respect to the contact ionization electrode 11. The thermoelectrons jumping out from the contact ionization electrode 11 try to fly toward the auxiliary electrode 16. However, in a space formed between the auxiliary electrode 16 and the contact ionization electrode 11 by receiving a Lorentz force by a magnetic field 17 applied at right angles to the traveling direction, electrons around the auxiliary electrode 16 with the magnetic field direction as an axis. Continues the orbital motion while turning. When the strength of the magnetic field is set so that the electrons cannot reach the auxiliary electrode 16 immediately, electrons that have obtained high kinetic energy from the potential applied to the auxiliary electrode 16 are in the middle of rotational movement with neutral elements that could not be contact ionized. In several collisions, neutral alkali metal elements are ionized. This is shown in FIG. 3b. Some of the rotating electrons are shown to make the figure easier to see. Although not shown in the drawing, such impact ionization due to rotating electrons occurs throughout the space where the electrons formed between the contact ionization electrode 11 and the auxiliary electrode 16 exist. By adopting a method of using both contact ionization and impact ionization in FIG. 3, the inventors were able to further increase the ionization efficiency of the alkali metal element as compared with the method in FIG.

接触電離と衝突電離を併用するプラズマ発生装置の変形例を、図4、図5、図6に示す。   Modified examples of the plasma generator using both contact ionization and impact ionization are shown in FIGS. 4, 5, and 6.

図3の接触電離電極11であるコイル状もしくはリボン状タングステンフィラメント径を小さくして、補助電極16(例えば筒状タングステン板)を接触電離電極11の外側に配置した構造が図4である。元素オーブンから飛び出した中性アルカリ金属元素は接触電離電極11の内周面、外周面で接触電離するほか、接触電離電極11外側の補助電極との間に出来る空間で回転電子と衝突して電離する。図を見やすくするために元素オーブン12とイオン引き出し電極13は省略してある。また、接触電離電極11と補助電極16の間には図3の説明で述べたと同様に100V印加しているが、図では省いている。   FIG. 4 shows a structure in which the diameter of the coil-like or ribbon-like tungsten filament that is the contact ionization electrode 11 of FIG. 3 is reduced and the auxiliary electrode 16 (for example, a cylindrical tungsten plate) is arranged outside the contact ionization electrode 11. The neutral alkali metal element jumping out of the element oven is contact ionized on the inner and outer peripheral surfaces of the contact ionization electrode 11 and collides with rotating electrons in the space formed between the auxiliary electrode outside the contact ionization electrode 11 and ionization. To do. In order to make the drawing easier to see, the element oven 12 and the ion extraction electrode 13 are omitted. Further, 100 V is applied between the contact ionization electrode 11 and the auxiliary electrode 16 in the same manner as described in the explanation of FIG. 3, but it is omitted in the figure.

図4の接触電離電極11の径を長さ方向に傾斜を持たせた構造が図5、図6である。図5では中性元素が飛び込む側の接触電離電極11の径を小さく、プラズマの流れが出てくる側の接触電離電極11の径を大きくして、それを取り巻く補助電極16も平行して傾斜を持たせている。図6では図5の筒状補助電極16の外周径は一定である。図6の構造で注意することがある。補助電極16と接触電離電極11の間に出来る空間を最大限に利用して、衝突電離を効率良く実現するために、接触電離電極11の径の長さ方向の傾斜に対応して磁場17の強度を変化する必要がある。公知の設計技術により、接触電離電極11の径の長さ方向の変化に応じて、磁場を発生させる電磁コイルの巻き線密度を変化させることにより磁場強度を変化することができる。   The structure in which the diameter of the contact ionization electrode 11 in FIG. 4 is inclined in the length direction is shown in FIGS. In FIG. 5, the diameter of the contact ionization electrode 11 on the side from which the neutral element jumps is reduced, the diameter of the contact ionization electrode 11 on the side from which the plasma flow comes out is increased, and the auxiliary electrode 16 surrounding it is also inclined in parallel. Is given. In FIG. 6, the outer peripheral diameter of the cylindrical auxiliary electrode 16 of FIG. 5 is constant. There are cases where attention is paid to the structure of FIG. In order to realize the impact ionization efficiently by making the maximum use of the space between the auxiliary electrode 16 and the contact ionization electrode 11, the magnetic field 17 corresponds to the gradient in the length direction of the diameter of the contact ionization electrode 11. It is necessary to change the intensity. According to a known design technique, the magnetic field strength can be changed by changing the winding density of the electromagnetic coil that generates the magnetic field in accordance with the change in the length direction of the diameter of the contact ionization electrode 11.

本発明の特定の実施形態を詳細に説明してきたが、当業者であれば、上記実施形態をさらに改良、変更、修正ができることは明らかである。本発明の技術的思想または特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、このような全ての改良、変更、修正は、本発明に包含されるものと考える。   While specific embodiments of the present invention have been described in detail, it will be apparent to those skilled in the art that the above embodiments can be further improved, altered, and modified. All such improvements, changes and modifications are considered to be included in the present invention within the scope of the technical idea of the present invention or claims.

プラズマ法による従来の金属内包フラーレンの製造装置を示す概念図。The conceptual diagram which shows the manufacturing apparatus of the conventional metal inclusion fullerene by a plasma method. 本発明の実施の形態によるプラズマ発生装置の概念図。The conceptual diagram of the plasma generator by embodiment of this invention. 接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置の概念図Conceptual diagram of plasma generator with combined contact ionization and impact ionization 中性元素の衝突電離の説明図Illustration of impact ionization of neutral elements 接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置変形例1の概念図Conceptual diagram of modified example 1 of contact ionization and impact ionization combined plasma generator 接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置変形例2の概念図Conceptual diagram of modified example 2 of contact ionization and impact ionization plasma generator 接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置の変形例3の概念図Conceptual diagram of modification 3 of the contact ionization / impact ionization combined plasma generator

符号の説明Explanation of symbols

1 内包対象元素プラズマ発生用熱板
2 内包対象元素加熱オーブン
3 炭素クラスター加熱オーブン
4 加熱円筒
5 内包対象元素プラズマの流れ
6 炭素クラスター分子
7 基板
8 真空容器
9 熱板から外れて真空容器に付着した内包対象元素
10 熱板に衝突してプラズマ化されずに真空容器に付着した内包対象元素
11 接触電離電極
12 内包対象元素加熱オーブン
13 イオン引き出し電極
14 内包対象中性元素の流れ
15 内包対象元素プラズマの流れ
16 補助電極
17 磁場
18 回転電子
19 入射角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heating plate for element inclusion plasma generation 2 Heating oven for inclusion target element 3 Carbon cluster heating oven 4 Heating cylinder
5 Flow of inclusion target element plasma
6 Carbon cluster molecules
7 Substrate
8 Vacuum container
9 Inclusion target element attached to the vacuum vessel after coming off the hot plate 10 Inclusion target element adhering to the vacuum vessel without being converted into plasma by colliding with the hot plate
11 Contact ionization electrode 12 Encapsulation target element heating oven 13 Ion extraction electrode 14 Encapsulation target neutral element flow 15 Encapsulation target element plasma flow 16 Auxiliary electrode
17 Magnetic field
18 Rotating electron 19 Incident angle

Claims (7)

真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用の電極を有し、前記電極を筒状としてイオン化対象元素をその筒状電極の片側内部に入射角0度以上90度以下で入射させ、前記筒状電極反対側からプラズマを放出させる構造のプラズマ発生装置 A vacuum vessel, a heating vessel for ejecting an ionization target element in the vacuum vessel, and an electrode for contact ionization, the electrode being a cylinder, the ionization target element being incident on one side of the cylindrical electrode at an incident angle of 0 The plasma generator has a structure that emits plasma from the opposite side of the cylindrical electrode by being incident at an angle of not less than 90 degrees and not more than 90 degrees 真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用電極と補助電極を有し、電極を配置する空間に磁場を印加して、補助電極に正の電位を与え、イオン化対象元素を電離用電極の片側から入射させ、接触電離と電子衝撃電離を同時に発生させて、電離用電極の反対側からプラズマを放出する構造のプラズマ発生装置。 A vacuum vessel, a heating vessel for ejecting an ionization target element in the vacuum vessel, a contact ionization electrode, and an auxiliary electrode, applying a magnetic field to the space in which the electrode is arranged, and applying a positive potential to the auxiliary electrode A plasma generator having a structure in which an ionization target element is incident from one side of an ionization electrode, contact ionization and electron impact ionization are simultaneously generated, and plasma is emitted from the opposite side of the ionization electrode. 請求項2で、電子を加速して元素に衝突させるための電位を与える補助電極を包み込んで、接触電離用の電極を配置してなるプラズマ発生装置。 3. The plasma generating apparatus according to claim 2, wherein an electrode for contact ionization is disposed so as to enclose an auxiliary electrode for applying a potential for accelerating electrons to collide with an element. 請求項2で、電子を加速して元素に衝突させるための電位を与える補助電極で接触電離用の電極を包み込んで配置してなるプラズマ発生装置。 3. The plasma generating apparatus according to claim 2, wherein the electrode for contact ionization is wrapped and arranged with an auxiliary electrode for applying a potential for accelerating electrons to collide with an element. イオン化対象元素がアルカリ金属であることを特徴とする請求項1、2、3、4いずれか記載のプラズマ発生装置。 5. The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the ionization target element is an alkali metal. イオン化対象元素がB、In、As、Pであることを特徴とする請求項1、2、3、4いずれか記載のプラズマ発生装置。 5. The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the ionization target element is B, In, As, or P. 請求項1、2、3、4、5いずれか記載のプラズマ発生装置を有す金属内包炭素クラスター製造装置。

An apparatus for producing a metal-encapsulated carbon cluster comprising the plasma generator according to any one of claims 1, 2, 3, 4, and 5.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014038858A (en) * 2005-01-14 2014-02-27 Kaneko Hiroyuki Ion source, and plasma source

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