JP2006253122A - プラズマ源、イオン源、及び、イオン生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子内包炭素クラスターを大量合成するためには、高密度の内包原子プラズマ流を生成可能なプラズマ源が必要である。従来、単層で穴のない平板状の熱電極に内包原子蒸気を噴射して、接触電離により内包イオンを生成していた。しかし、イオン化効率が低く、噴射した蒸気の一部の原子しかイオン化せず、十分なイオン電流を取り出すことができなかった。
【解決手段】熱電極を金網など、複数の開口部を有する金属板にした。さらに、複数の熱電極を積層することにより、蒸気が接触する熱電極の表面積が大幅に増加するので、イオン化効率が向上し、大きなイオン電流を取り出すことが可能になった。また、熱電極を細いタングステン線などで構成することにより、熱電極をヒーターで加熱しなくても、熱電極自体に電流を流して発熱させることが可能になり、熱エネルギーの利用効率が向上するという効果もある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接触電離方式によりイオンを発生するプラズマ源、イオン源、及び、イオン生成方法に関し、特に、原子内包フラーレンの製造に有用なプラズマ源に関する。

特開平02−311757号公報 Y.Chai et al., J.Phys.Chem., 95, 7564 (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」 O. Heinz, The Review of Scientific Instrument, Vol. 39(No. 8), pp. 1229-1230, August 1968

原子内包フラーレンは、フラーレンとして知られる炭素クラスターの内部空間に1個又は複数個の原子を閉じ込めた物質である。初めて存在の仮説が提唱された原子内包フラーレンは、1991年SmalleyらのグループによるLa@C₈₂である（非特許文献１）。このとき試みられた合成方法は、La₂O₃とグラファイト粉末を原料とする試料にレーザー光を照射するレーザー蒸発法であった。しかし、彼らが原子内包フラーレンを合成したと述べているのは、LDTOF-MASSにより内包フラーレンに相当する質量ピークを観察したというものに過ぎなかった。彼らの合成法は合成量が極めて少なく、その物性や構造を評価して確実に物質の存在を立証することができるものではなかった。
近年、内包フラーレンを含む炭素クラスターベース材料の有用性が着目され、物性や構造の評価、或いは、研究利用、工業利用のために、生産効率の高い炭素クラスターベース材料製造技術の出現が期待されている。炭素クラスターベース材料の製造方法としては、現在、上記したレーザー蒸発法以外に、アーク放電法や、非特許文献２に記載されたプラズマ合成法が試みられているが、いずれの方法も、十分な量の炭素クラスターベース材料を効率的に合成することができなかった。

プラズマ合成法は、真空容器内で内包原子プラズマ流に、炭素クラスター、例えば、フラーレンを噴射し、プラズマ流の下流に配置した堆積基板に内包フラーレンを堆積させる技術である。図５を用いて、プラズマ合成法による内包フラーレンの製造方法を説明する。内包対象原子、例えば、アルカリ金属を収容した昇華オーブン５２から平坦な表面を有する単層の熱電極５１に向けてアルカリ金属蒸気を噴出すると、接触電離によってプラズマ流５５が形成される。プラズマ流５５は堆積基板５７に向かって移動する。フラーレン昇華オーブン５３から噴出したフラーレン蒸気５６がプラズマ流５５を構成する電子やアルカリ金属イオンと反応して内包フラーレンが生成され、堆積基板５７上に堆積する。内包フラーレンの合成量を増やすには、プラズマ流におけるイオン電流を増やすことが必要であるが、従来の表面が平坦な熱電極を用いたプラズマ源では、せいぜい1mA程度のイオン電流しかとることができず、十分な量の内包フラーレンの合成に必要な数mA以上のイオンを取り出すことができなかった。

一方、半導体製造装置、例えば、イオン注入装置に使用されるイオン源としては、バーナス型、フリーマン型、マイクロ波型のイオン源が知られている。これらの方式では、気相の中性原子に自由電子を衝突させて原子をイオン化している。このため、やはりイオン化効率を高くできず、取り出せるイオン電流は前記した従来のプラズマ源よりも低かった。
一部の計測用途でも、接触電離プラズマ法によるイオン生成法が知られている（特許文献１）。特許文献１による方法では、加熱したフィラメントに被分析成分を接触させてイオン化を行う。この方法ではフィラメントとの接触面積を大きくとれないので、計測用途には十分なイオン電流をとることが可能であるが、やはり内包フラーレンの大量合成に十分な量のイオン電流をとることはできなかった。
核融合装置等の学術研究用として、図２に示すカソード型イオン源が、アルカリ金属イオン生成のために使用されている。例えば、多孔質モリブデン板２９にリチウムを熱処理で含浸させたカソードをタングステン線ヒーター２６で加熱するアルカリ金属イオン源が米国Heat Wave Labs Incから発売されている。しかし、このイオン源は、最大でも0.1mA程度のイオン電流しか得られない（非特許文献３）。そのため、やはり内包フラーレンの大量合成に必要なイオン電流を取り出すことはできなかった。

内包フラーレンは、その特異な分子構造、電気的特性、磁気的特性を利用して、医薬品、電子デバイス、記録媒体、燃料電池などの材料として応用が期待されている。特に、内包対象原子として、アルカリ金属又はアルカリ土類金属などの金属原子を内包した金属内包フラーレンが興味深い特性を示すとの報告がなされている。
しかし、新規材料としての期待は大きいものの、内包フラーレンの生成自体がまだ研究開発の領域を出ておらず、製品への応用という点では十分な成果が得られていない。従って、工業用材料として用いるのに十分な量の内包フラーレンを製造する方法の確立が望まれている。さらに、内包フラーレンの大量合成のために、高いイオン電流でプラズマを取り出すことのできるプラズマ源の開発が望まれている。

本発明（１）は、イオン化対象原子を含む蒸気又はガスを表面に噴射してイオンを生成する、複数の開口部を有する金属板を積層した熱電極である。

本発明（２）は、前記イオン化対象原子がアルカリ金属であることを特徴とする前記発明（１）の熱電極である。

本発明（３）は、前記金属板の材料が、タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム、オスミウム、イリジウムから選択された一つ又は複数の元素からなる金属又は合金を含む材料であることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（２）の熱電極である。

本発明（４）は、前記金属板が、複数の金属線からなる金網であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）の熱電極である。

本発明（５）は、前記金属線に電流を流すことにより前記熱電極を加熱することを特徴とする前記発明（４）の熱電極である。

本発明（６）は、前記発明（１）乃至前記発明（５）の熱電極を備えたプラズマ源である。

本発明（７）は、前記発明（１）乃至前記発明（５）の熱電極を備えたイオン源である。

本発明（８）は、前記発明（６）のプラズマ源を用いてプラズマを生成することを特徴とする炭素クラスターベース材料の製造装置である。

本発明（９）は、前記発明（７）のイオン源を用いてイオンを生成することを特徴とする半導体装置の製造装置である。

本発明（１０）は、前記発明（１）乃至前記発明（５）の熱電極にイオン化対象原子を接触させてイオンを生成するイオン生成方法である。

本発明（１１）は、前記発明（６）のプラズマ源を用いてプラズマを生成することを特徴とする炭素クラスターベース材料の製造方法である。

本発明（１２）は、前記発明（７）のイオン源を用いてイオンビームを生成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

１．複数の開口部を有する金属板からなる熱電極にアルカリ金属蒸気を噴射して接触電離によりイオンを生成する。アルカリ金属原子が接触する高温の金属板の表面積が大きくなり、イオン化効率が向上し、大きなイオン電流を取り出すことができる。
２．複数の開口部を有する複数の金属板を積層して熱電極を構成する。該熱電極にアルカリ金属蒸気を噴射して、噴射面と反対面からプラズマ流を取り出す（透過型プラズマ源）。アルカリ金属原子が高温の金属体に繰り返し接触し、接触確率が飛躍的に増加する。イオン化効率が向上し、大きなイオン電流を取り出すことができる。
３．複数の開口部を有する複数の金属板を積層して熱電極を構成する。該熱電極にアルカリ金属蒸気を噴射して、噴射面と同じ面から蒸気噴射方向と異なる方向にプラズマ流を取り出す（反射型プラズマ源）。アルカリ金属原子が高温の金属体に接触する確率がさらに増加し、イオン化効率が向上し、大きなイオン電流を取り出すことができる。
４．反射型プラズマ源の場合は、熱電極を構成する複数の金属板のうち蒸気噴射側から見て一番奥の一枚の金属板は穴のない板とするのが好ましい。アルカリ金属蒸気が熱電極を透過しないので、供給されるアルカリ金属原子を無駄なくイオン化することができる。
５．タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム、オスミウム、イリジウムなど高融点、高抵抗材料からなる金属線を用い、金網形状の熱電極を形成することにより、熱電極自体に電流を流して発熱させることができ、加熱ヒーターにより間接的に加熱する熱電極に比べ、熱エネルギーの利用効率が高く、消費電力の低減が可能である。
６．熱電極の材料に仕事関数の大きいレニウム、オスミウム、イリジウムを用いることにより、アルカリ金属原子が電離しやすくなるので、イオン化効率が向上し、大きなイオン電流を取り出すことができる。
７．本発明の大電流プラズマ源を用いることにより、内包フラーレンなど炭素クラスターベース材料の大量生成が可能になる。
８．本発明の大電流イオン源を用いることにより、例えば、半導体製造プロセスにおいてイオン注入の大電流化が可能になり、ソース・ドレイン拡散工程の製造時間短縮などに効果がある。

以下、本発明の最良形態について説明する。

[熱電極]
発明者らは、従来のプラズマ合成法で用いられるプラズマ源では十分大きなイオン電流を取り出すことができない原因を分析した。図６(a)乃至(d)は、発明者らが分析に用いた接触電離のメカニズムの概念図である。
図６(d)は、従来のプラズマ源に係る接触電離の概念図である。アルカリ金属などイオン化対象原子蒸気９２を1000〜3000℃に加熱した熱電極９１に噴射する。蒸気９２を構成する原子９４は、熱電極９１に接触すると、一部が熱電極９１に電子を奪われて正イオン９５になる。しかし、残りの原子はイオンにならず、中性原子９６のまま熱電極９１から離れる。原子は全体的には蒸気の流れに従って、熱電極に近づいて、ぶつかって、離れるという運動をしている。微視的には、原子はランダムな動きをしているので、何度も熱電極と接触する原子もあるが、大部分の原子は一度しか熱電極に接触する機会がない。従って、従来の穴を有しない単層の熱電極を用いたプラズマ源では、プラズマ流９３に含まれるイオン化した原子の割合、即ちイオン化効率は高くない。

（複数の開口部を有する金属板からなる熱電極）
そこで、発明者らは、複数の開口部を有する金属板を複数枚積層して熱電極を構成し、該熱電極にイオン化対象原子を噴射することで、原子が熱電極に接触する確率が増える本発明に係るプラズマ源を考え出した。さらに、穴があいていることで、従来の蒸気流とプラズマ流の運動方向が反対の反射型の接触電離だけではなく、蒸気流とプラズマ流の運動方向が同一の透過型の接触電離でもイオン生成を行うことができる。従って、プラズマ源又はイオン源を用いた製造装置の設計自由度が増えるという効果もある。

図６(a)は、透過型の積層熱電極による接触電離の概念図である。熱電極は3枚の金属板６１、６２、６３を積層したものである。各金属板には複数の開口部が形成されており、1000〜3000℃に加熱している。イオン化対象原子蒸気６４を金属板６１に噴射する。イオン化対象原子６６は、金属板における穴を通過して、高温の金属板６１、６２、６３に次々に接触する。一部の原子は金属板に電子を奪われ正イオン６７になる。積層板を通過したイオンは蒸気６４と同じ方向に流れるプラズマ流６５になる。原子と金属板の接触確率が増えるので、プラズマ流６５におけるイオン化効率が高くなり、大きなイオン電流を取り出すことが可能になる。

図６(b)は、反射型の積層熱電極による接触電離の概念図である。熱電極は3枚の金属板７１、７２、７３を積層したものである。各金属板には複数の開口部が形成されており、1000〜3000℃に加熱している。イオン化対象原子蒸気７４を金属板７３に噴射する。イオン化対象原子７６は、金属板の穴を通過して、高温の金属板７３、７２、７１に次々に接触する。一部の原子は積層板を通過するが、残りの原子は蒸気の入射方向と反対方向に流れる。それらの原子は、金属板７２、７３に再度接触する。原子が金属板と接触する確率が透過型の熱電極よりも高くなるので、イオン化効率をさらに高くすることができる。反射型の積層熱電極の場合は、図６(c)に示すように、蒸気の入射側からみて一番奥に配置された金属板を穴のない板とすることが好ましい。その場合、熱電極を通過してしまうために、プラズマ流として取り出すことのできないイオンが少なくなるので、さらにイオン化効率の向上が可能である。

熱電極として穴のある金属板を用いる場合には、従来の穴のない平坦な金属板を用いる場合に比べ、単層の金属板でもイオン化効率を向上できる。多くの穴があいている場合は、表面積が大きくなるので、原子と金属板の接触確率が増えるからである。同様に、穴があいていなくても、表面に凹凸のある金属板、例えば、ポーラスな金属板を用いることで表面積が大きくなり、イオン化効率の向上が可能になる。

（熱電極の構造）
本発明に係る熱電極のひとつの具体例は、上記において説明したように複数の開口部を有する金属板を用いるものである。ここで、開口部というのは、単なる凹部のことではなく、貫通孔のことを意味する。複数の開口部を有する金属板としては、薄い金属板に多数の穴をあけたものを用いてもよいし、複数の金属線を用いて作製した金網を用いてもよい。金網は、縦線と横線を有するメッシュ状であってもよいし、縦線又は横線のみを有するストライプ状であってもよい。さらに、縦、横の他に斜めなどさまざまな角度の金属線を組み合わせて作製したものでもよい。

熱電極の加熱方法は、金属板の近傍に加熱ヒーターを配置して輻射熱で加熱する方法もあるし、前記した金網構造の熱電極の場合は、金網に直接電流を流して金網を発熱させることも可能である。この場合、熱利用効率が高いので、消費電力を低減することが可能である。

金属板に形成される開口部の大きさは、0.01mm以上、1cm以下の範囲に設定し、金属板の面内において開口部を均等に配置するのが好ましい。積層板の枚数は2枚以上であれば有効であるが、３枚以上積層するのがより好ましい。
金属板を薄板で形成する場合は、薄板の厚さは0.01mm以上、1cm以下とするのが好ましい。金属板を金網にする場合は、金属線の直径は0.01mm以上、1cm以下とするのが好ましい。
積層板は互いに接触していてもよい。さらに、積層板の間隔は、0.01mm以上、10cm以下の範囲に設定するのが好ましい。1mm以上、1cm以下の範囲に設定するのがより好ましい。積層板の間にスペーサーを配置することにより、容易に高精度、微細間隔の積層板配置を行うことが可能になる。

（金属板の材料）
熱電極を構成する金属板の材料の選択は、
（１）イオンを生成する際の真空度、温度などの設定条件で溶解しない高融点金属であること、
（２）イオン化対象原子との仕事関数差が熱エネルギーで十分電子移動が起きる値であること
を考慮して決める必要がある。熱電極の加熱温度は通常1000〜3000℃の範囲で設定される。従って、金属板の材料としては、高融点金属であるタングステン(W)、モリブデン（Mo）、タンタル（Ta）、レニウム（Re）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）の中から仕事関数、加工容易性、製造コストを考慮して適宜選択して用いるのが好ましい。また、これらの材料から複数の元素を選択して、その合金を用いることも可能である。
これらの高融点金属は、低融点金属と比べて、溶解して精錬できないことから、通常金属酸化物を水素雰囲気で還元して、得られた金属粉末をプレスや高温焼結により固めて金属素材を作製する。この金属素材を圧延して板状又は線状の部材を作製することができる。

[用語の定義]
ここで、本明細書で用いられる用語の意義について明らかにする。
（プラズマ源、イオン源）
「プラズマ」とは、正の荷電粒子と負の荷電粒子を含み、全体的にほぼ電気的中性を保った荷電粒子集団のことである。
「プラズマ源」とは、プラズマを生成する装置のことである。プラズマは、荷電粒子間にクーロン力による相互作用が働く、荷電粒子の移動により電流が流れるなど特有の性質を示す。通常、プラズマ源では、気体放電、衝突電離、接触電離などの電離方法で原子を励起してイオンと電子からなるプラズマを生成する。プラズマは、外部電界や外部磁界により荷電粒子の動きを制御でき、CVD、スパッタリング、エッチングなどの微細加工技術に応用されている。
「イオン源」とは、イオン又はイオンビームを生成する装置のことである。通常、イオン源では、プラズマ源によりイオンと電子を含むプラズマを生成し、引き出し電極による電界印加及び/又は質量分析により必要なイオンだけ加速してイオンビームとして取り出す方式が用いられている。イオン源で生成したイオンビームは、イオン注入、FIBなどの微細加工技術に応用されている。

（接触電離、熱電極）
真空雰囲気でイオン化対象原子からなるガス又は蒸気を高温に加熱した金属体に噴射すると、熱エネルギーにより電子が励起され、イオン化対象原子と金属体の間で電子の移動が起こり、正又は負のイオンが生成する。これは、「接触電離」と呼ばれる電離方法である。金属体は、通常、1000〜3000℃に加熱されており、電子の照射、又は、イオンの引き出しのため電源に接続され、電圧が印加される。このため接触電離に用いられる金属体は「熱電極」と呼ばれる。

（フラーレンベース材料、炭素クラスターベース材料）
「フラーレン」とは、C_n（ｎ＝60, 70, 76, 78・・・）で示される中空の炭素クラスター物質であり、例えば、C₆₀やC₇₀を挙げることができる。また、「フラーレンベース材料」とは、フラーレンをベースにして製造した材料のことであり、篭状のフラーレン分子の中空部に炭素以外の原子又は分子を閉じ込めた内包フラーレン以外にも、ヘテロフラーレン、化学修飾フラーレン、フラーレン重合体、フラーレンポリマーを含むものとする。本発明の製造装置は、内包フラーレンの製造以外にも、プラズマとフラーレンの反応により、これらのフラーレンベース材料の製造に用いることが可能である。
また、原料となるフラーレンとして、混合フラーレンを用いることも可能である。「混合フラーレン」とは、種類の異なる複数のフラーレンが混合した炭素クラスター物質のことである。抵抗加熱法やアーク放電法でフラーレンを製造する場合、生成されたフラーレンの中で、重量比にして、７０〜８５％がC₆₀、１０〜１５％がC₇₀、残りがC₇₆、C₇₈、C₈₄などの高次フラーレンとなる。燃焼法によるフラーレンの製造においても、C₆₀、C₇₀の重量比は高次フラーレンよりも大きい。従って、C₆₀、C₇₀は、他の高次フラーレンと比較して入手が容易でかつ安価である。また、C₆₀とC₇₀からなる混合フラーレンも、フロンティアカーボンなどから市販されており、容易に入手してフラーレンベース材料の製造に利用することができる。
さらに、原料となるフラーレンには、窒素へテロフラーレンや酸化フラーレンを含むものとする。窒素へテロフラーレンや酸化フラーレンは、上記に定義されたフラーレンベース材料に含まれる物質であるが、フラーレンをプラズマ処理し、例えば内包フラーレンなどのフラーレンベース材料を製造するときに大量に合成される副生成物であり、これらを再利用して、窒素へテロフラーレンや酸化フラーレン以外の産業上より価値の高いフラーレンベース材料を製造することが可能である。

「炭素クラスター」とは、炭素が結合した分子の総称であり、フラーレンの他にもダイヤモンド、グラファイト、カーボンナノチューブが含まれる。「炭素クラスターベース材料」とは、炭素クラスターをベースにして製造した材料のことであり、上記したフラーレンベース材料の他に、例えば、カーボンナノチューブにフラーレンベース材料を内包したピーポッドなどが含まれる。

[透過型の積層熱電極を用いたイオン源]
図１(a)は、本発明に係る透過型の積層熱電極を用いたイオン源の概念図である。図１(a)に示すイオン源は、真空容器８と、アルカリ金属４を充填した昇華オーブン２と、積層熱電極１と、引き出し電極３とから構成される。
図１(b)は、積層熱電極の具体例の正面図である。図1（b）に示す熱電極は、線径：０．０３mm、密度：１００メッシュ／インチの市販のタングステン金網（ニラコ社カタログ番号：Ｗ―４６８０７１）を上下左右に半ピッチずつずらして、厚み０．３ｍｍのタンタル板の上に２枚重ねて電気溶接した電極である。電極形状は、電極加熱用の電流が流入・流出する金網端部の幅を、中性原子が飛来して接触する領域の幅より大きくして、接触電離部の温度上昇の均一化、安定化を図っている。金網を半ピッチずつずらすことにより、中性原子と金網の接触確率が向上する。
この接触電離用の電極１に、印加電圧１０Ｖで３０Ａ程度の電流を流して、自己発熱により接触電離用の電極１を約１４００℃に昇温させる。印加電圧を変えることにより、この温度を１０００〜３０００℃に調節可能である。この他に、接触電離用の電極１の外部に加熱ヒーターを設置して輻射熱で加熱する方法や、加速した電子を接触電離用の電極１に衝突さる方法により加熱することも可能である。
次に、昇華オーブン２を加熱して、昇華したアルカリ金属蒸気７を噴射口６から接触電離用の電極１に噴射する。アルカリ金属原子は、2枚の積層されたタングステン金網に接触して、電子を奪われ正イオンになる。生成された正イオンは、負の電圧を印加した引き出し電極３による電界により加速されて、イオンビーム５として取り出される。

[反射型の積層熱電極を用いたイオン源]
図４は、本発明に係る反射型の積層熱電極を有するイオン源の概念図である。図４に示すイオン源は、アルカリ金属４４を充填した昇華オーブン４２と、積層熱電極４１と、引き出し電極４３とから構成される。
積層熱電極としては、例えば、図１(b)に示すタングステン金網を用いることも可能である。図４に示す反射型の積層熱電極を用いる場合は、アルカリ金属蒸気４７を積層熱電極４１に対し、例えば、45°の入射角で噴射する。積層熱電極４１にアルカリ金属原子が接触してアルカリ金属の正イオンが発生する。発生した正イオンは、負の電圧を印加した引き出し電極４３により加速されて、引き出し電極４３の方向に流れるイオンビーム４５となる。

[金属イオン生成効率の高い熱電極]
本発明に係る熱電極の別の具体例は、特に金属イオンの生成効率が高い熱電極である。発明者らは、金属板の材料に、従来用いられていたタングステンではなく、タングステンよりも仕事関数の大きいレニウム、オスミウム、又はイリジウムを用いることで、開口部のない単層の金属板でも、従来よりもイオン化効率の向上が可能になることを見出した。イオン化対象原子が金属である場合、特に、アルカリ金属やアルカリ土類金属である場合に、金属板にレニウム、オスミウム、又はイリジウムからなる板を用いることにより、イオン化対象原子の電離電圧と金属板材料の仕事関数の差が小さくなる。原子が金属板に接触してイオンになる確率（イオン化確率）が高くなるため、大きなイオン電流を取り出すことが可能になる。

レニウム、オスミウム、又はイリジウムは、前記したようにプレスや高温焼結により加工することが可能である。いずれも材料コストの高い金属であるため、コスト低減のため、タングステン板上に例えばレニウムをスパッタした板（東京タングステン社から製造販売されている）や、レニウムとタングステンの合金からなる板（東芝マテリアル社から製造販売されている）を用いることも可能である。

[プラズマ源、イオン源の応用]
本発明の大電流プラズマ源を用いることにより、内包フラーレンなど炭素クラスターベース材料の大量生成が可能になる。
本発明の大電流イオン源を用いることにより、例えば、半導体製造プロセスにおいてイオン注入の大電流化が可能になり、ソース・ドレイン拡散工程の製造時間短縮などに効果がある。

炭素クラスターベース材料の製造用として、例えば、リチウムやナトリウムなどのアルカリ金属やカルシウムなどのアルカリ土類金属のイオンを生成するために本発明のプラズマ源を用いることが可能である。また、半導体装置の製造用として、例えば、リン、ボロン、砒素、アンチモンなどのイオンを生成するために本発明のイオン源を用いることも可能である。

以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

[実施例１]
（積層熱電極を用いたイオン源）
図１に示す透過型の積層熱電極を用いたイオン源を作製し、イオン電流のリチウムオーブン温度依存性を測定した（図３）。イオン電流は、本発明の積層熱電極を用いた場合と、従来の単層穴なしの熱電極を用いた場合の相対比でプロットしてある。積層熱電極は、直径1mmのタングステン線を5mm間隔でメッシュ状（縦と横）に配置した金網を3枚積層したものを用いた。熱電極の両端に電流を流して発熱させ、電極温度を約1400℃とした。リチウムオーブン温度が480℃の時に、従来のイオン源と比較して約20倍の高いイオン電流を取り出すことができた。

[実施例２]
（Re製熱電極を用いたプラズマ源）
Re製熱電極を用いたプラズマ源を作製し、W製熱電極を用いたプラズマ源と比較した。Re製熱電極は、Goodfellow社のスパッターターゲット用の金属板を用いた。材料の分析データによると、電極材料は、Reが99.99%で、不純物としては、酸素が1150ppm、水素が62ppm含まれていた。熱電極の形状は、Re製が厚さ1mm、直径50mmの円板、W製が厚さ4mm、直径50mmの円板である。いずれも穴のない単層の平板を用いた。

（イオン電流の測定）
プラズマ源を真空室中に配置し、熱電極の裏面に配置したヒーターにより熱電極を1700〜1900℃に加熱した。熱電極表面に、Li蒸気を噴射してLi分子をイオン化しプラズマを生成した。真空室の周りに配置した電磁コイルで発生させた磁場によりプラズマを閉じ込め、イオンプローブによりプラズマ中のLiイオン電流を測定した。
図７は、Liイオン電流の熱電極温度依存性の測定データを示すグラフである。Li昇華オーブンの温度は540℃とした。熱電極を加熱するヒーターに印加した電力は2〜2.4kW、磁場強度は、Reプラズマ源では0.03T、Wプラズマ源では0.1Tとした。グラフから、Reプラズマ源、Wプラズマ源とも、熱電極の温度が上昇するとイオン電流が増加することがわかる。また、Reプラズマ源はWプラズマ源と比較して、イオン電流が3.5〜3.8倍多くとれることがわかる。

（Li内包フラーレンの合成実験）
Re製熱電極を用いたプラズマ源をLi内包フラーレン製造装置に取付け、プラズマ源により生成したLiイオンプラズマを堆積基板に照射し、同時に、フラーレン昇華オーブンからフラーレン蒸気を堆積基板に噴射してLi内包フラーレンを堆積基板上に合成した。合成条件は以下の通りである。
熱電極投入電力：2.3〜2.5kW、磁場強度：0.03T、基板バイアス電圧：-30V、Liイオン電流：4.5〜6.6mA、C60オーブン温度：580〜600℃、合成時間：4時間
図８は、合成物のLDTOF-MASSによる質量分析データである。Li@C₆₀の存在を示す727のピークがあり、Re製熱電極を用いて内包フラーレンを合成可能なことが確認できた。また、従来のW製熱電極を用いた内包フラーレンの製造装置と比較して、内包率の向上も確認された。実際にイオン電流が増えたことで、内包フラーレンの生成効率が向上することが確かめられた。

以上のように、本発明に係るプラズマ源は、特に、大電流のプラズマを生成できるので、内包フラーレンなど炭素クラスターベース材料の製造に有用である。

(a)は、本発明に係る透過型の積層熱電極を有するイオン源の概念図である。(b)は、(a)に示すイオン源で用いる積層熱電極の具体例の正面図である。 従来のアルカリ金属含浸カソード型イオン源の概念図である。 本発明に係る透過型の積層熱電極を有するイオン源で生成したイオンビームにおけるイオン電流の実測データである。 本発明に係る反射型の積層熱電極を有するイオン源の概念図である。 従来の熱電極を用いた内包フラーレン製造装置の概念図である。 (a)乃至(d)は、接触電離のメカニズムの概念図である。 本発明に係るRe製単層熱電極を有するプラズマ源で生成したプラズマにおけるイオン電流の実測データである。 本発明に係るプラズマ源を用いて製造した内包フラーレンの質量分析データである。

符号の説明

１、４１ 積層熱電極
２、４２ アルカリ金属昇華オーブン
３、４３ 引き出し電極
４、４４ アルカリ金属
５、４５ イオンビーム
６、４６ アルカリ金属蒸気導入管
７、４７ アルカリ金属蒸気
８ 真空容器
１１ タングステン金網積層板
１２ 電流印加用のタンタル板
２５ イオンビーム
２６ タングステン線ヒーター
２７ アルミナ充填体
２８ ヒーター容器
２９ リチウム含浸多孔質モリブデン板
５０、５９ 中性アルカリ金属
５１ 熱電極
５２ アルカリ金属昇華オーブン
５３ フラーレン昇華オーブン
５４ 再昇華円筒
５５ プラズマ流
５６ フラーレン蒸気
５７ 堆積基板
５８ 真空容器
６１、６２、６３、７１、７２、７３、８１、８２、８３、９１ 熱電極
６４、７４、８４、９２ イオン化対象原子蒸気
６５、７５、８５、９３ プラズマ流
６６、７６、８６、９４ イオン化対象原子
６７、７７、８７、９５ イオン

Claims (12)

1. イオン化対象原子を含む蒸気又はガスを表面に噴射してイオンを生成する、複数の開口部を有する金属板を積層した熱電極。
2. 前記イオン化対象原子がアルカリ金属であることを特徴とする請求項１記載の熱電極。
3. 前記金属板の材料が、タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム、オスミウム、イリジウムから選択された一つ又は複数の元素からなる金属又は合金を含む材料であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか1項記載の熱電極。
4. 前記金属板が、複数の金属線からなる金網であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項記載の熱電極。
5. 前記金属線に電流を流すことにより前記熱電極を加熱することを特徴とする請求項４記載の熱電極。
6. 請求項１乃至５のいずれか1項記載の熱電極を備えたプラズマ源。
7. 請求項１乃至５のいずれか1項記載の熱電極を備えたイオン源。
8. 請求項６記載のプラズマ源を用いてプラズマを生成することを特徴とする炭素クラスターベース材料の製造装置。
9. 請求項７記載のイオン源を用いてイオンを生成することを特徴とする半導体装置の製造装置。
10. 請求項１乃至５のいずれか1項記載の熱電極にイオン化対象原子を接触させてイオンを生成するイオン生成方法。
11. 請求項６記載のプラズマ源を用いてプラズマを生成することを特徴とする炭素クラスターベース材料の製造方法。
12. 請求項７記載のイオン源を用いてイオンビームを生成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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