JP2010277871A - 電子サイクロトロン共鳴イオン源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＣＲイオン源を用いて、原子内包フラーレンを容易に形成し、かつイオンビームとして引き出し、分析するＥＣＲイオン源装置を提供する。
【解決手段】常温で気体の物質と、高融点の物質のガスのＥＣＲプラズマを生成可能なＥＣＲチェンバ部１ａと、フラーレンガス供給用の蒸発源１０８を有するプロセスチェンバ部１ｂと、イオン引き出しメッシュ電極１０４と、イオンアパーチャ１０７とを備え、イオン引き出しメッシュ電極１０４とイオンアパーチャ１０７への印加電圧を制御することにより、ＥＣＲプラズマのプラズマポテンシャルを制御し、ＥＣＲプラズマからイオンのみをプロセスチェンバ部１ｂへ抽出し、当該イオンをフラーレンにイオン注入し、フラーレン誘導体を生成すると同時に、イオンアパーチャ１０７よりイオンビーム９４として引き出し、分析するＥＣＲイオン源装置５０。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子サイクロトロン共鳴イオン源装置に関し、特に、医療分野・ナノエレクトロニクス分野等に使用できる電子サイクロトロン共鳴イオン源装置に関する。

原子内包フラーレンやヘテロフラーレンなどのフラーレン誘導体は、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）の映像媒体、生体内トレース媒体、有機磁性体、有機超伝導体などに応用可能である。

原子内包フラーレンやヘテロフラーレンなどのフラーレン誘導体は、従来、アーク放電法やレーザー蒸発法などにより生成されていた。近年、窒素イオンのイオン注入による、フラーレンの窒素誘導体の生成が報告されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１および特許文献２参照。）。

一方、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）イオン源を用いたフラーレンプラズマおよびフラーレンビームの生成と、窒素フラーレンやヘテロフラーレンなどのフラーレン誘導体の生成についても報告されている（例えば、非特許文献３および非特許文献４参照。）。

特開２００８−１１２５８０号公報 特開２００７−５０２１号公報

S. Abe et al.： "Effects of ion energy on production of nitrogen-C60 compounds by ion implantation", JJAP 45, (2006) pp.8340-8343 T. Kaneko et al.: "An electron cyclotron resonance plasma configuration for increasing the efficiency in the yield of nitrogen endohedral fullerenes", Physics of Plasmas 14, 110705 (2007) S. Biri et al.： "Fullerenes in electron cyclotron resonance ion sources", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 03A314 (2006) S. Biri et al.： "Production of multiply charged fullerene and carbon cluster beams by a 14.5GHz ECR", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 73, NUMBER 2 (2002)

本発明者らは、ＥＣＲイオン源を用いて、原子内包フラーレンを容易に形成し、かつイオンビームとして引き出し、分析する方法を見出した。

本発明の目的は、ＥＣＲイオン源を用いて、原子内包フラーレンを容易に形成し、かつイオンビームとして引き出し、分析する電子サイクロトロン共鳴イオン源装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、常温で気体の物質と、高融点の物質それぞれのガスを導入可能でかつ前記それぞれのガスのＥＣＲプラズマを生成可能なＥＣＲチェンバ部と、前記ＥＣＲチェンバ部の下流側に配置され、フラーレンガスを供給可能な蒸発源を有するプロセスチェンバ部と、前記ＥＣＲチェンバ部と前記プロセスチェンバ部との間に配置され、前記ＥＣＲチェンバ部内で生成された前記それぞれのガスのＥＣＲプラズマを抽出するメッシュ電極と、前記プロセスチェンバ部の下流側に配置され、電圧印加可能なイオンアパーチャとを備え、前記メッシュ電極と前記イオンアパーチャへの印加電圧を制御することにより、前記ＥＣＲプラズマのプラズマポテンシャルを制御し、前記ＥＣＲプラズマからイオンのみを前記プロセスチェンバ部へ抽出する電子サイクロトロン共鳴イオン源装置が提供される。

本発明によれば、ＥＣＲイオン源を用いて、原子内包フラーレンを容易に形成し、かつイオンビームとして引き出し、分析する電子サイクロトロン共鳴イオン源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置の模式的全体構成図。 本発明の第１の実施の形態に係る電子サイクロトロン共鳴イオン源装置のＥＣＲチェンバ部、プロセスチェンバ部およびイオンビーム引き出し・検出部の模式的拡大構成図。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置のＥＣＲチェンバ部およびプロセスチェンバ部の電位分布を示す模式図。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置を用いて形成されるフラーレン誘導体として、原子内包フラーレンの模式的構造図。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置のイオン引き出しメッシュ電流Ｉｍ（ｍＡ）とメッシュ電圧Ｖｍ（Ｖ）の関係を示す図。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置のイオンアパーチャ電流Ｉａ（ｍＡ）とアパーチャ電圧Ｖａ（Ｖ）の関係を示す図。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置のファラデーカップ電流Ｉｆ（ｍＡ）とアパーチャ電圧Ｖａ（Ｖ）の関係を示す図。 本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置のボート印加電流Ｉ_B（Ａ）とボート温度Ｔ（°Ｃ）の関係を示す図。 本発明の第１の実施の形態の変形例１に係るＥＣＲイオン源装置のＥＣＲチェンバ部、プロセスチェンバ部およびイオンビーム引き出し・検出部の模式的拡大構成図。 本発明の第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置のＥＣＲチェンバ部、プロセスチェンバ部およびイオンビーム引き出し・検出部の模式的拡大構成図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部の厚みと平面寸法との関係、各部の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０の模式的全体構成は、図１に示すように表され、ＥＣＲチェンバ部１ａ、プロセスチェンバ部１ｂおよびイオンビーム引き出し・検出部２ａの模式的拡大構成は、図２に示すように表される。

本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０の模式的全体構成は、図１に示すように、ＥＣＲチェンバ部１ａとプロセスチェンバ部１ｂからなるＥＣＲイオン源部１と、イオンビーム引き出し・検出部２ａとイオンビーム質量分析部２ｂからなるビーム輸送・質量分析部２と、ビーム検出・減速・堆積部３とを備える。

また、図２に示すように、ＥＣＲチェンバ部１ａの後部にプロセスチェンバ部１ｂが配置され、また、プロセスチェンバ部１ｂの後部にイオンビーム引き出し・検出部２ａが配置されている。

（ＥＣＲイオン源部）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０は、図２に示すように、常温で気体の物質と、高融点の物質それぞれのガスを導入可能でかつそれぞれのガスのＥＣＲプラズマを生成可能なＥＣＲチェンバ部１ａと、ＥＣＲチェンバ部１ａの下流側に配置され、フラーレンガスを供給可能な蒸発源１０８を有するプロセスチェンバ部１ｂと、ＥＣＲチェンバ部１ａとプロセスチェンバ部１ｂとの間に配置され、ＥＣＲチェンバ部１ａ内で生成されたそれぞれのガスのＥＣＲプラズマを抽出するプラズマメッシュ電極１０２およびイオン引き出しメッシュ電極１０４と、プロセスチェンバ部１ｂの下流側に配置され、電圧印加可能なイオンアパーチャ１０７とを備え、プラズマメッシュ電極１０２およびイオン引き出しメッシュ電極１０４とイオンアパーチャ１０７への印加電圧を制御することにより、ＥＣＲプラズマのプラズマポテンシャルを制御し、ＥＣＲプラズマからイオンのみをプロセスチェンバ部１ｂへ抽出する。

ＥＣＲプラズマから抽出されたイオンは、プロセスチェンバ部１ｂ内において、蒸発源１０８から蒸発したフラーレン中性粒子にイオン注入される。

また、第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０は、図２に示すように、イオンアパーチャ１０７の下流側に配置され、ＥＣＲチェンバ部１ａで生成したイオンおよびフラーレン中性粒子にイオン注入されたフラーレン誘導体イオンをイオンビーム９４として抽出可能なイオン引き出し電極１１２と、イオン引き出し電極１１２の下流側に配置され、イオンビーム電流を検出するファラデーカップ１１４とを有するイオンビーム引き出し・検出部２ａを備え、フラーレン中性粒子にイオン注入すると同時に、フラーレン誘導体イオンをイオンビームとして引き出し・検出することができる。

また、第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０は、図１に示すように、イオン引き出し電極１１２とファラデーカップ１１４との間には、アインツェルレンズ１１８と、スリット１５を備えていても良い。

フラーレンガスは、Ｃ₆₀で表される構造には限定されず、ヘテロフラーレン、イオン化フラーレンなどのフラーレン誘導体のガスが含まれる。

ＥＣＲプラズマから抽出され、プロセスチェンバ部１ｂ内において、蒸発源１０８から蒸発したフラーレン中性粒子にイオン注入されるイオンは、例えば、水素原子、ヘリウム原子、窒素原子、酸素原子、フッ素原子、ネオン原子、塩素原子、アルゴン原子、クリプトン原子、キセノン原子、ラドン原子、鉄原子、コバルト原子、ニッケル原子、白金原子、亜鉛原子、銅原子、金原子、銀原子、スカンジウム原子、チタン原子、マンガン原子、パラジウム原子、イットリウム原子、ルテニウム原子、ローレンシウム原子のいずれかのイオンである。

ＥＣＲチェンバ部１ａは、プラズマを生成するＥＣＲチェンバ１００ａと、ＥＣＲチェンバ１００ａのすぐ外周に配置され、ＥＣＲチェンバ１００ａの動径方向で荷電粒子を閉じ込めるための多極（六極）永久磁石６と、多極（六極）永久磁石６の外周に配置され、ＥＣＲチェンバ１００ａの軸方向で荷電粒子を閉じ込めるための一対の電磁石５と、ＥＣＲチェンバ１００ａ内にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導波管８と、イオン化対象の物質を供給するガス導入口９とを有している。多極（六極）永久磁石６と電磁石５間には、絶縁体２２ａが配置され、互いに絶縁されている。

一対の電磁石５は、ミラーコイルから構成されていても良い。このミラーコイルの電流値は、約５００Ａであり、最大磁場強度は、例えば、約０．６４２Ｔ、最小磁場強度は、例えば、約０．２６５Ｔである。

マイクロ波導波管８によって導入されるマイクロ波周波数は、例えば、８〜１０ＧＨｚ程度である。マイクロ波出力パワーは、約５０Ｗ〜１００Ｗ、反射パワーは、約１０Ｗ〜１８Ｗである。また、マイクロ波導波管８によって導入される最大マイクロ波パワーは、約３５０Ｗである。

尚、ＥＣＲチェンバ１００ａは、フラーレン蒸気導入口７が接続され、フラーレン蒸発用抵抗加熱炉（図示省略）からのフラーレン蒸気が導入可能な構成を備えていても良い。

ここで、ガス導入口９から供給されるイオン化対象物質のガス源としては、少なくとも以下の（ａ）、（ｂ）に示す２種類からなる。

（ａ）常温で気体のガス、例えば、水素、ヘリウム、窒素、酸素、フッ素、ネオン、塩素、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンである。

（ｂ）高融点（高昇華点）物質のガス供給のための誘導加熱ガス源であり、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、白金、亜鉛、銅、金、銀、スカンジウム、チタン、マンガン、パラジウム、イットリウム、ルテニウム、ローレンシウムである。

また、ＥＣＲチェンバ部１ａには、低融点（低昇華点）物質のガス供給のための抵抗加熱ガス源として、例えば、フラーレン類、フェロセン類等のガスも導入可能であり、かつそれぞれのガスのＥＣＲプラズマを生成可能な構成を備えていても良い。

ＥＣＲイオン源よるイオン化はマイクロ波放電をきっかけとして起こる。マイクロ波導波管８を介してＥＣＲチェンバ１００ａ内にマイクロ波電力を供給すると、荷電粒子がイオンと電子になり、荷電粒子が磁場中でサイクロトロン運動をしながら衝突運動をする。その際、特に電子のサイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致する場合に、マイクロ波エネルギーを電子が共鳴的に吸収する電子サイクロトロン共鳴が起こり、電子エネルギーが高いレベルに保持される。このような磁場中でトラップされた電子が中性粒子やイオンと衝突することでイオン化が起こる。

電子と同様に磁場中ではイオンもサイクロトロン運動をしている。電子が磁場中でトラップされるようにイオンも磁場中でトラップされている。しかしながら電子に比べてイオンの質量は桁違いに大きいため、トラップの効率は低い。

しかしながら、第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０においては、ＥＣＲチェンバ１００ａの内径を、他の一般的なＥＣＲイオン源装置よりも大きくしてあるため、イオンの閉じ込め効率も高い。

したがって、第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０においては、低圧力で高イオン密度のプラズマを生成できる。これによりイオン注入による原子内包フラーレンなどのフラーレン誘導体の生成効率を高くすることができる。

第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置において、ＥＣＲチェンバ１００ａの内径は、例えば、約１０ｃｍ〜約１５ｃｍであり、長さは、約３５０ｍｍである。

また、ＥＣＲイオン源部１の圧力は、例えば、約１．４×１０^-3(Ｐａ)〜５×１０^-5(Ｐａ)、ビーム輸送・質量分析部２の圧力は、例えば、約１．４×１０^-4(Ｐａ)〜３．６×１０^-5(Ｐａ)、ビーム検出・減速・堆積部３の圧力は、例えば、約７×１０^-5(Ｐａ)〜９．０×１０^-5(Ｐａ)である。

プロセスチェンバ部１ｂは、ＥＣＲチェンバ部１ａとの区切り位置に配置された一対のメッシュ電極（１０２、１０４）と、常温では固体で低融点（低昇華点）の物質（フラーレン類）のガスを供給できる蒸発源１０８と、電圧印加可能なイオンアパーチャ１０７とを備える。

蒸発源１０８は、例えば、タングステンボート１０６上に配置されたフラーレンパウダーで形成される。タングステンボート１０６には、抵抗加熱交流電圧源１１が接続されて、タングステンボート１０６を加熱する構成が採用されている。

一対のメッシュ電極（１０２、１０４）は、プラズマメッシュ電極１０２と、イオン引き出しメッシュ電極１０４から構成される。ＥＣＲチェンバ１００ａ側に配置されるプラズマメッシュ電極１０２は、ＥＣＲチェンバ部１ａの外壁と同電位になされている。ＥＣＲチェンバ部１ａの外壁には、図１に示すように、加速電圧Ｅｖが印加されていることから、プラズマメッシュ電極１０２にも加速電圧Ｅｖが印加されている。加速電圧Ｅｖの値としては、例えば、約５ｋＶ以下である。

プロセスチェンバ１００ｂ側に配置されるイオン引き出しメッシュ電極１０４にはプラズマメッシュ電極１０２の電位レベルに対して負のメッシュ電圧Ｖｍが印加される。イオン引き出しメッシュ電極１０４に印加されるメッシュ電圧Ｖｍは、イオン引き出し直流電圧源１０によって供給される。尚、イオン引き出しメッシュ電極１０４には、イオン引き出し高周波電圧源１０ａから、高周波信号により変調された電圧が、メッシュ電圧Ｖｍに重畳されて供給されていても良い。

このように、イオン引き出しメッシュ電極１０４にはプラズマメッシュ電極１０２の電位レベルに対して負のメッシュ電圧Ｖｍが印加されることによって、正電荷をもったイオンのみをＥＣＲチェンバ１００ａから、プロセスチェンバ１００ｂに引き出すことが可能となる。

ＥＣＲチェンバ１００ａ内で生成されたガスプラズマ９０は、プラズマメッシュ電極１０２およびイオン引き出しメッシュ電極１０４を通過して、プロセスチェンバ１００ｂ内に、ガスイオン９２として導入される。尚、イオン引き出しメッシュ電極１０４に、イオン引き出し高周波電圧源１０ａから、高周波信号により変調された電圧が供給されている場合には、ＥＣＲチェンバ１００ａ内で生成されたガスプラズマ９０は、高周波変調された状態で通過して、プロセスチェンバ１００ｂ内に、ガスイオン９２として導入される。この場合、ガスイオン９２には、高周波信号によって供給されたエネルギーレベルの高い状態が保持される。

プロセスチェンバ部１ｂにおいて、イオンアパーチャ１０７にもプラズマメッシュ電極１０２の電位レベルに対して負のアパーチャ電圧Ｖａを印加し、イオンアパーチャ１０７にイオンを照射させることができる。イオンアパーチャ１０７に印加するアパーチャ電圧Ｖａにより、イオンの照射エネルギーを制御することができる。イオンアパーチャ１０７に印加するアパーチャ電圧Ｖａは、イオンアパーチャ供給電圧源１２から供給される。

蒸発源１０８により生成されたフラーレンガスはイオンアパーチャ１０７に効率的に堆積させ、それに対しイオンを照射し、イオン注入によりフラーレン誘導体１１０を生成することができる。ここでフラーレン誘導体１１０には、原子内包フラーレンやヘテロフラーレンなどが含まれる。

第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０のＥＣＲチェンバ部１ａおよびプロセスチェンバ部１ｂからなるＥＣＲイオン源部１の電位分布は、模式的に図３に示すように表される。図３において、プラスの符号は、イオンを表し、マイナスの符号は、電子を表す。

マイクロ波導波管８およびガス導入口９からＥＣＲチェンバ部１ａ内およびプラズマメッシュ電極１０２までは、図３に示すように、一定電位に保持されている。この一定電位の値は、ＥＣＲイオン源部１の外壁に印加される加速電圧Ｅｖに等しく、例えば、５ｋＶ以下程度である。イオン引き出しメッシュ電極１０４には、イオン引き出し直流電圧源１０が接続されて、Ｅｖに対して負電位となるメッシュ電圧Ｖｍが供給されている。さらに、イオンアパーチャ１０７には、イオンアパーチャ供給電圧源１２が接続されて、さらにＥｖに対して負電位となるアパーチャ電圧Ｖａが供給されている。結果として、プロセスチェンバ部１ｂ内において、イオン引き出しメッシュ電極１０４とイオンアパーチャ１０７間には、Ｖａ−Ｖｍ＝Ｖirrad.の値に等しいイオン照射電圧が印加されている。さらに、イオン引き出し電極１１２には、イオン引き出し電位１３として、例えば、接地電位を供給することによって、イオンアパーチャ１０７とイオン引き出し電極１１２間には、外部引き出し電圧Ｖext.が印加されている。ＥＣＲチェンバ部１ａ、プロセスチェンバ部１ｂに正の高電圧を印加し、それより下流側全体を接地することにより、イオンアパーチャ１０７とイオン引き出し電極１１２との間に電位差を生じさせ、イオンをイオンビーム９４として引き出すことができる。引き出したイオンビーム電流値はファラデーカップ１１４に接続されたピコアンメータ１６によって検出する。

第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０を用いて形成されるフラーレン誘導体として、原子内包フラーレンの模式的構造は、図４に示すように表される。図４の例は、炭素原子１２６を配置したＣ₆₀で表されるフラーレン内に内包原子１２４からなるイオンが内包された構造を示す。内包原子１２４からなるイオンは、例えば、鉄原子、コバルト原子、ニッケル原子、白金原子、亜鉛原子、銅原子、金原子、銀原子、スカンジウム原子、チタン原子、マンガン原子、パラジウム原子、イットリウム原子、ルテニウム原子、ローレンシウム原子からなるイオンである。

尚、フラーレンとしては、Ｃ₆₀で表される構造には限定されず、例えば、Ｃ₇₀, Ｃ₇₄, Ｃ₇₆, Ｃ₇₈, Ｃ₈₄, …、或いはヘテロフラーレンなどのフラーレン誘導体、イオン化フラーレンＣ_60-2n ^q+(Ｃ₆₀ ⁺, Ｃ₅₈ ⁺, Ｃ₅₆ ⁺,…, Ｃ₆₀ ²⁺, Ｃ₅₈ ²⁺, Ｃ₅₆ ²⁺,…, Ｃ₆₀ ³⁺, Ｃ₅₈ ³⁺, Ｃ₅₆ ³⁺,…)などフラーレン類全般が含まれる。

第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０を用いて形成される原子内包フラーレンは、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）の映像媒体、生体内トレース媒体、有機磁性体、有機超伝導体などに応用可能である。

（イオン引き出しメッシュ電流Ｉｍとメッシュ電圧Ｖｍの関係）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０において、イオン引き出しメッシュ電極１０４に印加されるメッシュ電圧Ｖｍと、イオン引き出しメッシュ電極１０４を導通するイオン引き出しメッシュ電流Ｉｍとの関係は、図５に示すように表される。図５は、イオンアパーチャ１０７に供給されるアパーチャ電圧Ｖａ＝０（Ｖ）とした時の、イオン引き出しメッシュ電流Ｉｍとメッシュ電圧Ｖｍの関係を示している。イオン引き出しメッシュ電流Ｉｍ＝０（ｍＡ）となるメッシュ電圧Ｖｍの値は−２（Ｖ）程度であり、メッシュ電圧Ｖｍの最適値は、約−２（Ｖ）であることがわかる。

（イオンアパーチャ電流Ｉａとアパーチャ電圧Ｖａの関係）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０において、イオンアパーチャ１０７に印加されるアパーチャ電圧Ｖａと、イオンアパーチャ１０７を導通するイオンアパーチャ電流Ｉａとの関係は、図６に示すように表される。図６は、メッシュ電圧Ｖｍ＝−２（Ｖ）とした時の、イオンアパーチャ電流Ｉａとアパーチャ電圧Ｖａの関係を示している。イオンアパーチャ電流Ｉａ＞０となる条件より、イオン注入を引き起こすために必要なアパーチャ電圧Ｖａは、−１０（Ｖ）以下であることがわかる。

（ファラデーカップ電流Ｉｆとアパーチャ電圧Ｖａの関係）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０において、ファラデーカップ１１４に接続されたピコアンメータ１６において測定されるファラデーカップ電流Ｉｆとアパーチャ電圧Ｖａの関係は、図７に示すように表される。図７は、メッシュ電圧Ｖｍ＝−２（Ｖ）とした時の、ファラデーカップ電流Ｉｆとアパーチャ電圧Ｖａの関係を示している。ファラデーカップ電流Ｉｆの最大値は、メッシュ電圧Ｖｍ＝−２（Ｖ）、アパーチャ電圧Ｖａ＝０（Ｖ）の時に得られることがわかる。

（ボート印加電流Ｉ_Bとボート温度Ｔの関係）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０において、タングステンボート１０６に供給されるボート印加電流Ｉ_Bとボート温度Ｔの関係は、図８に示すように表される。図８の領域Ａの近傍から明らかなように、ボート印加電流Ｉ_B＝３７〜４０（Ａ）において、ボート温度Ｔ＝３５０〜４００（℃）が得られることがわかる。

（ビーム輸送・質量分析部）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０は、図１に示すように、イオンビーム引き出し・検出部２ａの下流側に配置された質量分離用電磁石１７を有するイオンビーム質量分析部２ｂを備え、イオンビームの質量分析を行うことができる。

イオンビーム質量分析部２ｂは、質量電荷比２０００までのイオンを輸送可能である。

質量分離用電磁石１７は、質量電荷比２０００までのイオンを輸送可能とする分析用扇形磁石半径を有し、扇形磁石磁場を発生することができる。

ビーム輸送・質量分析部２は、図１に示すように、イオン引き出し電極１１２,アインツェルレンズ１１８,スリット１５,ファラデーカップ１１４からなるイオンビーム引き出し・検出部２ａと、質量分離用電磁石１７からなるイオンビーム質量分析部２ｂとを備える。尚、図１において、イオンビーム引き出し・検出部２ａ内の参照番号２２ｂは、絶縁体を示し、絶縁体２２ｂによって、イオンビーム引き出し・検出部２ａにおける前後は、絶縁されている。

イオン引き出し電極１１２には、例えば、接地電位となるイオン引き出し電位１３が供給されている。

アインツェルレンズ１１８は、アインツェルレンズ供給電圧源１４に接続されている。アインツェルレンズ供給電圧源１４から供給される電圧値は、例えば、約５．１ｋＶであり、電流値は、略０．０ｍＡである。

スリット１５には、上下、左右からイオンビームを絞る工夫が施されている。スリット１５のスリット幅は、例えば、約１０ｍｍである。

ファラデーカップ１１４には、ピコアンメータ１６が接続されており、ピコアンメータ１６の電流値を計測することによって、イオンビーム電流値を測定することができる。実際に質量分析する際には、ファラデーカップ１１４は取り外される。質量分離用電磁石１７によって、生成されたイオンを質量分析することができる。

イオンビーム質量分析部２ｂは、５ｋｅＶのイオンビームについて、質量電荷比２０００までのイオンを輸送可能である。

質量分離用電磁石１７は、質量電荷比２０００までのイオンを輸送可能とする分析用扇形磁石半径を有し、扇形磁石磁場を発生することができる。

（ビーム検出・減速・堆積部）
第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０は、図１に示すように、イオンビーム質量分析部２ｂの下流側に配置され、質量分析後のイオンビームを検出し、前記イオンビームを減速し、イオンビーム堆積を行うビーム検出・減速・堆積部３を備える。

ビーム検出・減速・堆積部３は、質量分離用電磁石１７の下流側に配置されたスリット１８と、スリット１８の下流側に配置され、減速用高圧電圧源２０に接続された減速用電極１２０と、減速用電極１２０上に配置され、イオンビームを堆積する堆積基板１２２とを備える。

ビーム検出・減速・堆積部３は、図１に示すように、スリット１８と、ファラデーカップ１２８と、減速用電極１２０上に配置された堆積基板１２２とを備える。スリット１８には、上下、左右から質量分析されたイオンビームを絞る工夫が施されている。スリット１８のスリット幅は、例えば、約１０ｍｍである。

ファラデーカップ１２８には、ピコアンメータ１９が接続されており、ピコアンメータ１９の電流値を計測することによって、質量分析されたイオンビーム電流値を測定することができる。実際に堆積する際には、ファラデーカップ１２８は取り外される。減速用電極１２０には、減速用高圧電圧源２０が接続され、正の電位が供給されることによって、質量分析されたイオンビームを堆積基板１２２上にソフトランディングさせることができる。堆積基板１２２としては、例えば加工の容易な導電性シリコン基板などを適用することができる。

第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０は、図１に示すように、イオンビーム輸送に必要なイオン光学系と質量電荷比により質量分離するための扇形構造の質量分離用電磁石１７と、イオン電流値検出のためのファラデーカップ１２８と、質量分析後イオンビームの減速のための減速用電極１２０と、イオンビーム堆積のための堆積基板１２２と、堆積基板１２２を固定する基板ホルダ（図示省略）を装備している。この装置構成によりイオンアパーチャ１０７からイオン引き出し電極１１２により引き出したイオンビームを扇形構造の質量分離用電磁石１７により質量分離することが可能となり、任意の質量電荷比のイオンを分析し、減速用電極１２０によりイオンビームを減速させ堆積基板１２２上に任意のイオンビームの堆積を行うことが可能となる。

（変形例１）
第１の実施の形態の変形例１に係るＥＣＲイオン源装置５０ａのＥＣＲチェンバ部１ａ、プロセスチェンバ部１ｂおよびイオンビーム引き出し・検出部２ａ部分の模式的拡大構成は、図９に示すように表される。図９に示すように、ＥＣＲチェンバ部１ａの後部にプロセスチェンバ部１ｂが配置され、また、プロセスチェンバ部１ｂの後部にイオンビーム引き出し・検出部２ａが配置されている。

第１の実施の形態の変形例１に係るＥＣＲイオン源装置５０ａは、図９に示すように、プロセスチェンバ部１ｂの内壁全体を加熱するヒータ１１６を備え、プロセスチェンバ部１ｂ内でフラーレンがガスとして存在し続ける確率が高めている。

第１の実施の形態の変形例１に係るＥＣＲイオン源装置５０ａは、フラーレンガスに対するイオン注入を行う装置の改良例であり、図９に示すように、イオン引き出しメッシュ電極１０４を除くプロセスチェンバ１００ｂの内壁全体を加熱できる機構としてヒータ１１６を導入した点に特徴を有する。その他の構成は、第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置と同様であるため、重複説明は省略する。

イオン引き出しメッシュ電極１０４を除くプロセスチェンバ１００ｂの内壁全体を加熱できる加熱機構として、例えば、ヒータ１１６を導入したことによって、プロセスチェンバ１００ｂ内でフラーレンがガスとして存在し続ける確率が高くなる。このため、フラーレンがプロセスチェンバ１００ｂの内壁やイオンアパーチャ１０７へ堆積することなく、ＥＣＲチェンバ部１ａ内で生成したガスプラズマ９０をガスイオン９２として抽出し、フラーレンガス９３に対して、イオン注入を行うことができる。蒸発源１０８により生成されたフラーレンガス９３に対して、イオン注入によりフラーレン誘導体１１０を生成することができる。その結果として、フラーレン誘導体の収集量を高めることができる。ここでフラーレン誘導体には、原子内包フラーレンやヘテロフラーレンなどが含まれる。

第１の実施の形態の変形例１に係るＥＣＲイオン源装置５０ａにおいても、第１の実施の形態と同様のイオンビーム質量分析部２ｂおよびビーム検出・減速・堆積部３を適用することができるため、重複説明は省略する。

（変形例２）
第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂのＥＣＲチェンバ部１ａ、プロセスチェンバ部１ｂおよびイオンビーム引き出し・検出部２ａ部分の模式的拡大構成は、図１０に示すように表される。図１０に示すように、ＥＣＲチェンバ部１ａの後部にプロセスチェンバ部１ｂが配置され、また、プロセスチェンバ部１ｂの後部にイオンビーム引き出し・検出部２ａが配置されている。

第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂは、図１０に示すように、プロセスチェンバ部１ｂに、マイクロ波導波管９３ａを配置し、フラーレンガス９３をプラズマ化したフラーレンガスプラズマ９３ｂを生成し、当該フラーレンガスプラズマ９３ｂとＥＣＲチェンバ部１ａ内で生成したガスプラズマ９０のイオンとの衝突反応を促進させている。

第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂは、図１０に示すように、プロセスチェンバ１００ｂに、マイクロ波導波管９３ａを配置し、フラーレンガス９３をプラズマ化したフラーレンガスプラズマ９３ｂを生成できる点に特徴を有する。第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂにおいては、フラーレンガスプラズマ９３ｂとＥＣＲチェンバ１００ａで生成したガスプラズマ９０のイオンとの衝突反応を行うことができる。その他の構成は、第１の実施の形態に係るＥＣＲイオン源装置５０と同様であるため、重複説明は省略する。

マイクロ波導波管９３ａにより導入されるマイクロ波の周波数は、例えば、約２．４５ＧＨｚである。２．４５ＧＨｚとする理由は、無磁場でもフラーレンガスプラズマ９３ｂを生成可能なため、マイクロ波導波管８によるＥＣＲチェンバ部１ａ内のプラズマ生成条件とプロセスチェンバ部１ｂ内のプラズマ生成条件を独立に制御可能となるからである。だたし、多極（六極）永久磁石６と一対の電磁石５の磁場により、プロセスチェンバ１００ｂ内でＥＣＲ点を作ることも可能である。

第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂにおいては、イオン−イオン衝突反応により生成した物質のイオンをイオンビームとして引き出すことが可能である。その結果として、フラーレン誘導体の収集量を高めることができる。また、フラーレンイオン、ＥＣＲイオン源によるイオン、生成物イオンそれぞれの定量評価が可能であり、生成収率等も算出可能である。

第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂにおいては、イオン−イオン衝突反応により生成した物質のイオンには、原子内包フラーレンイオン、フラーレン誘導体イオンやヘテロフラーレンイオンなどが含まれる。

第１の実施の形態の変形例２に係るＥＣＲイオン源装置５０ｂにおいても、第１の実施の形態と同様のイオンビーム質量分析部２ｂおよびビーム検出・減速・堆積部３を適用することができるため、重複説明は省略する。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例によれば、ＥＣＲイオン源は荷電粒子の閉じ込め効果が高いため、低圧力下でも安定して高強度のイオンを供給できる。これはイオン注入効率を高め、生成物への不純物の混入も最小限に抑えることができる。また、生成と同時に生成物を分析することができる。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例によれば、ＥＣＲチェンバで生成したイオンをフラーレンに対してイオン注入し、フラーレン誘導体を生成すると同時に、ＥＣＲチェンバで生成したイオンもしくはフラーレン誘導体イオンをイオンビームとして引き出し、分析する電子サイクロトロン共鳴イオン源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例によれば、ＥＣＲイオン源を用いて、原子内包フラーレンを容易に形成し、かつイオンビームとして引き出し、分析する電子サイクロトロン共鳴イオン源装置を提供することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置を用いて形成される原子内包フラーレンは、ＭＲＩの映像媒体、生体内トレース媒体、有機磁性体、有機超伝導体などに適用可能であることから、本発明の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置は、ナノテクノロジー・材料科学分野に適用可能であり、医療分野・ナノエレクトロニクス分野等の幅広い適用分野がある。

１…ＥＣＲイオン源部
１ａ…ＥＣＲチェンバ部
１ｂ…プロセスチェンバ部
２…ビーム輸送・質量分析部
２ａ…イオンビーム引き出し・検出部
３…ビーム検出・減速・堆積部
５…電磁石
６…多極（六極）永久磁石
７…フラーレン蒸気導入口
８、９３ａ…マイクロ波導波管
９…ガス導入口
１０…イオン引き出し直流電圧源
１０ａ…イオン引き出し高周波電圧源
１１…抵抗加熱交流電圧源
１２…イオンアパーチャ供給電圧源
１３…イオン引き出し電位
１４…アインツェルレンズ供給電圧源
１５、１８…スリット
１６、１９…ピコアンメータ
１７…質量分離用電磁石
２０…減速用高圧電圧源
２２ａ,２２ｂ…絶縁体
５０、５０ａ、５０ｂ…電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源装置
９０…ガスプラズマ
９２…ガスイオン
９３…フラーレンガス
９３ｂ…フラーレンガスプラズマ
９４…イオンビーム
１００ａ…ＥＣＲチェンバ
１００ｂ…プロセスチェンバ
１０２…プラズマメッシュ電極
１０４…イオン引き出しメッシュ電極
１０６…タングステンボート
１０７…イオンアパーチャ
１０８…蒸発源
１１０…フラーレン誘導体
１１２…イオン引き出し電極
１１４、１２８…ファラデーカップ
１１６…ヒータ
１１８…アインツェルレンズ
１２０…減速用電極
１２２…堆積基板
１２４…内包原子
１２６…炭素原子

Claims (15)

1. 常温で気体の物質と、高融点の物質それぞれのガスを導入可能でかつ前記それぞれのガスのＥＣＲプラズマを生成可能なＥＣＲチェンバ部と、
   前記ＥＣＲチェンバ部の下流側に配置され、フラーレンガスを供給可能な蒸発源を有するプロセスチェンバ部と、
   前記ＥＣＲチェンバ部と前記プロセスチェンバ部との間に配置され、前記ＥＣＲチェンバ部内で生成された前記それぞれのガスのＥＣＲプラズマを抽出するメッシュ電極と、
   前記プロセスチェンバ部の下流側に配置され、電圧印加可能なイオンアパーチャ
   とを備え、前記メッシュ電極と前記イオンアパーチャへの印加電圧を制御することにより、前記ＥＣＲプラズマのプラズマポテンシャルを制御し、前記ＥＣＲプラズマからイオンのみを前記プロセスチェンバ部へ抽出することを特徴とする電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
2. 前記ＥＣＲプラズマから抽出されたイオンは、前記プロセスチェンバ部内において、前記蒸発源から蒸発したフラーレン中性粒子にイオン注入されることを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
3. 前記イオンアパーチャの下流側に配置され、前記ＥＣＲチェンバ部で生成したイオンおよび前記フラーレン中性粒子にイオン注入されたフラーレン誘導体イオンをイオンビームとして抽出可能なイオン引き出し電極と、前記イオン引き出し電極の下流側に配置され、イオンビーム電流を検出するファラデーカップとを有するイオンビーム引き出し・検出部を備え、
   前記フラーレン中性粒子にイオン注入すると同時に、前記フラーレン誘導体イオンをイオンビームとして引き出し・検出することを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
4. 前記イオン引き出し電極と前記ファラデーカップとの間には、アインツェルレンズと、スリットを備えることを特徴とする請求項３に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
5. 前記常温で気体の物質のガスは、水素、ヘリウム、窒素、酸素、フッ素、ネオン、塩素、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンのいずれかであり、前記高融点の物質のガスは、鉄、コバルト、ニッケル、白金、亜鉛、銅、金、銀、スカンジウム、チタン、マンガン、パラジウム、イットリウム、ルテニウム、ローレンシウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
6. 前記ＥＣＲチェンバ部は、低融点の物質のガスとして、フラーレン類、フェロセン類のガスも導入可能でかつ前記それぞれのガスのＥＣＲプラズマを生成可能であることを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
7. 前記フラーレンガスは、Ｃ₆₀で表される構造には限定されず、ヘテロフラーレン、イオン化フラーレンなどのフラーレン誘導体のガスが含まれることを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
8. 前記ＥＣＲプラズマから抽出され、前記プロセスチェンバ部内において、前記蒸発源から蒸発したフラーレン中性粒子にイオン注入されるイオンは、水素原子、ヘリウム原子、窒素原子、酸素原子、フッ素原子、ネオン原子、塩素原子、アルゴン原子、クリプトン原子、キセノン原子、ラドン原子、鉄原子、コバルト原子、ニッケル原子、白金原子、亜鉛原子、銅原子、金原子、銀原子、スカンジウム原子、チタン原子、マンガン原子、パラジウム原子、イットリウム原子、ルテニウム原子、ローレンシウム原子のいずれかのイオンであることを特徴とする請求項２に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
9. 前記イオンビーム引き出し・検出部の下流側に配置された質量分離用電磁石を有するイオンビーム質量分析部を備え、イオンビームの質量分析を行うことを特徴とする請求項３に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
10. 前記イオンビーム質量分析部は、質量電荷比２０００までのイオンを輸送可能であることを特徴とする請求項３に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
11. 前記質量分離用電磁石は、質量電荷比２０００までのイオンを輸送可能とする分析用扇形磁石半径を有し、扇形磁石磁場を発生することを特徴とする請求項９に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
12. 前記イオンビーム質量分析部の下流側に配置され、質量分析後のイオンビームを検出し、減速し、堆積を行うビーム検出・減速・堆積部を備えることを特徴とする請求項９に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
13. 前記ビーム検出・減速・堆積部は、前記質量分離用電磁石の下流側に配置されたスリットと、前記スリットの下流側に配置され、減速用高圧電圧源に接続された減速用電極と、前記減速用電極上に配置され、前記質量分析後のイオンビームを堆積する堆積基板とを備えることを特徴とする請求項１２に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
14. 前記プロセスチェンバ部の内壁全体を加熱するヒータを備え、前記プロセスチェンバ部内でフラーレンがガスとして存在し続ける確率を高めたことを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。
15. 前記プロセスチェンバ部に、マイクロ波導波管を配置し、フラーレンガスをプラズマ化したフラーレンガスプラズマを生成し、当該フラーレンガスプラズマと前記ＥＣＲチェンバ部で生成したガスプラズマのイオンとの衝突反応を行うことを特徴とする請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源装置。

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