JP2014235814A - 絶縁構造及び絶縁方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】メンテナンス頻度を低減し、装置稼働率を向上することに寄与する絶縁構造及び絶縁方法を提供する。
【解決手段】プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造３０が提供される。絶縁構造３０は、第１電極２０に接続される第１部分５２と、第２電極２２に接続される第２部分５４と、を備え、第１電極２０を第２電極２２に支持するための絶縁部材３２と、第１部分５２を汚染粒子１８から保護するために第１部分５２の少なくとも一部を囲む第１カバー７０と、第２部分５４を汚染粒子１８から保護するために第２部分５４の少なくとも一部を囲む第２カバー７２と、を備える。第１部分５２及び第２部分５４の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、イオン注入装置又はそのイオン源の引出電極系に適する絶縁構造及び絶縁方法に関する。
イオン源にはイオンビームを引き出すための引出電極系が設けられている。引出電極系はいくつかの電極を有しており、一の電極が絶縁体により他の電極又は周囲の構造物に支持されている。
特開平２−７２５４４号公報 特表昭６３−５０２７０７号公報
イオンビームの原料やイオン源の構成によっては、導電性を有する汚染粒子がイオンビームとともに引き出される。汚染粒子の堆積により絶縁体の表面に導電路が形成され得る。十分な絶縁を維持することができなくなり、装置の正常な運転が妨げられるかもしれない。汚染粒子が大量に生成される場合には、当該絶縁部分のメンテナンスを高い頻度で行うことが求められ、装置の稼働率が低下する。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、メンテナンス頻度を低減し、装置稼働率を向上することに寄与する絶縁構造及び絶縁方法を提供することにある。
本発明のある態様によると、プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造が提供される。前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備える。前記絶縁構造は、前記第１電極に接続される第１部分と、前記第２電極に接続される第２部分と、を備え、前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材と、前記第１部分を汚染粒子から保護するために前記第１部分の少なくとも一部を囲む第１保護部材と、前記第２部分を汚染粒子から保護するために前記第２部分の少なくとも一部を囲む第２保護部材と、を備える。前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されている。
本発明のある態様によると、絶縁方法が提供される。本方法は、第１電極と、絶縁部材により該第１電極を支持する第２電極との間に電位差を与えることと、第１電極及び第２電極を使用してプラズマ生成部からイオンビームを引き出すことと、保護部材を使用して前記絶縁部材を汚染粒子から保護することと、を備える。前記絶縁部材は、前記第１電極に接続される第１部分と、前記第２電極に接続される第２部分と、を備え、前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されている。
本発明のある態様によると、プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造が提供される。前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備える。前記絶縁構造は、前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材と、前記絶縁部材を汚染粒子から保護するための保護部材と、を備える。前記保護部材は、汚染粒子を吸着する吸着面を備える。
本発明のある態様によると、プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造が提供される。前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備える。前記絶縁構造は、前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材を備える。前記絶縁部材は、第１電極側の第１部分と、第２電極側の第２部分と、を備える。前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されている。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、メンテナンス頻度を低減し、装置稼働率を向上することに寄与する絶縁構造及び絶縁方法を提供することができる。
本発明のある実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るイオン源装置を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係る絶縁構造を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る絶縁構造を概略的に示す断面図である。 本発明のある実施形態におけるサプレッション電流を例示するグラフである。 比較例におけるサプレッション電流を例示するグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
図１は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す図である。イオン注入装置１００は、被処理物Ｗの表面にイオン注入処理をするよう構成されている。被処理物Ｗは、例えば基板であり、例えばウエハである。よって以下では説明の便宜のため被処理物Ｗを基板Ｗと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図していない。
イオン注入装置１００は、イオン源装置１０２と、ビームライン装置１０４と、注入処理室１０６と、を備える。イオン注入装置１００は、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方により基板Ｗの全体にわたってイオンビームＢを照射するよう構成されている。
イオン源装置１０２は、イオンビームＢをビームライン装置１０４に与えるよう構成されている。詳しくは図２を参照して後述するが、イオン源装置１０２は、イオン源１１２と、イオン源１１２からイオンビームＢを引き出すための引出電極部１１４と、を備える。また、イオン源装置１０２は、イオン源１１２に対する引出電極部１１４の位置及び／または向きを調整するための引出電極駆動機構１１５を備える。
ビームライン装置１０４は、イオン源装置１０２から注入処理室１０６へとイオンを輸送するよう構成されている。イオン源装置１０２の下流には質量分析装置１０８が設けられており、イオンビームＢから必要なイオンを選別するよう構成されている。
ビームライン装置１０４は、質量分析装置１０８を経たイオンビームＢに、例えば、偏向、加速、減速、整形、走査などを含む操作をする。ビームライン装置１０４は例えば、イオンビームＢに電場または磁場（またはその両方）を印加することによりイオンビームＢを走査するビーム走査装置１１０を備えてもよい。このようにして、ビームライン装置１０４は、基板Ｗに照射されるべきイオンビームＢを注入処理室１０６に供給する。
注入処理室１０６は、１枚又は複数枚の基板Ｗを保持する物体保持部１０７を備える。物体保持部１０７は、イオンビームＢに対する相対移動（いわゆるメカニカルスキャン）を必要に応じて基板Ｗに提供するよう構成されている。
また、イオン注入装置１００は、イオン源装置１０２、ビームライン装置１０４、及び注入処理室１０６に所望の真空環境を提供するための真空排気系（図示せず）を備える。
図２は、本発明のある実施形態に係るイオン源装置１０２を概略的に示す図である。イオン源装置１０２は、イオン源１１２及び引出電極部１１４を収容するためのイオン源真空容器１１６を備える。図示されるイオン源１１２は傍熱型カソードイオン源であるが、本発明が適用可能であるイオン源はこの特定の傍熱型カソードイオン源には限られない。
プラズマ生成部であるアークチャンバー７には２つのカソード１３が設けられている。一方のカソード１３はアークチャンバー７の上部に配置され、他方のカソード１３はアークチャンバー７の下部に配置されている。カソード１３は、カソードキャップ１及びフィラメント３を備える。カソードキャップ１とフィラメント３は、アークチャンバー７の磁場方向に対称に配置されている。カソードキャップ１及びフィラメント３の周囲にはカソードリペラー８が設けられている。また、アークチャンバー７の一側にガス導入口１２が設けられ、ガス導入口１２に対面する他側に引出開口１０が形成されている。
プラズマ生成部の内壁であるライナー１６が、アークチャンバー７に設けられている。ライナー１６は、炭素を含む材料、例えば炭素材料（例えば、グラファイト、ガラス状カ−ボン等）で形成されている。アークチャンバー７の内面の全部（または少なくとも一部）がライナー１６により被覆されている。これにより、イオンビームの金属汚染を低減することができる。ライナー１６は、アークチャンバー７の内側の形状に沿うようにいくつかの部分に分割して成形されており、嵌め込みによりアークチャンバー７の内壁に装着される。
イオン源１１２は、アークチャンバー７に引出電圧を印加するための引出電源（図示せず）を備える。また、イオン源１１２は、フィラメント３のためのフィラメント電源、及び、カソード１３のためのカソード電源を備える（いずれも図示せず）。
引出電極部１１４は、サプレッション電極である第１電極２０と、グランド電極である第２電極２２と、を含む複数の電極を備える。第１電極２０及び第２電極２２は、例えば、ステンレス鋼、グラファイト、モリブデン、またはタングステンで形成されている。第１電極２０及び第２電極２２にはそれぞれ、図示されるように、引出開口１０に対応する開口がイオンビームＢを通すために設けられている。これらの開口は例えば上下長孔形状を有する。
第１電極２０は、サプレッション電源２４に接続されている。サプレッション電源２４は、第２電極２２に対して第１電極２０に負電位を印加するために設けられている。サプレッション電源２４を介して第１電極２０は接地されており、第１電極２０から接地電位への電流経路にはサプレッション電流計２６が設けられている。第２電極２２は接地されている。
サプレッション電流計２６は、第１電極２０と接地電位との間の電子の流れであるサプレッション電流を監視するために設けられている。イオンビームＢが正常に引き出されているとき、サプレッション電流は十分に小さい。サプレッション電流にはある制限値が予め設定されており、この制限値を超えるサプレッション電流が検出されると、イオン源１１２の運転が停止される（例えば、アークチャンバー７及び／または引出電極部１１４への高電圧の印加が停止される）。
第１電極２０と第２電極２２との絶縁のための絶縁構造３０が第１電極２０と第２電極２２との間に設けられている。詳しくは図３を参照して後述するが、絶縁構造３０は、第１電極２０を第２電極２２に支持するための絶縁部材３２と、絶縁部材３２を汚染粒子１８から保護するための少なくとも１つの保護部材３４と、を備える。
絶縁構造３０は、絶縁部材３２と保護部材３４との組み合わせを複数備える。絶縁部材３２及び保護部材３４の複数の組が、イオンビームＢを引き出すための開口を囲むように第１電極２０及び第２電極２２の外周部に配置されている。例えば、一の組が開口の一方側に設けられ他の組が当該開口の反対側に設けられている。絶縁部材３２及び保護部材３４のある組が開口の上方に、他の組が開口の下方に設けられていてもよい。または、絶縁部材３２及び保護部材３４は開口の左右に設けられていてもよい。あるいは、絶縁部材３２及び保護部材３４は開口の四隅に設けられていてもよい。
図３は、本発明のある実施形態に係る絶縁構造３０を概略的に示す断面図である。図３に示されるように、第１電極２０は、サプレッション電極３６と、サプレッション電極３６を支持するサプレッション電極キャリア３８とを備える。サプレッション電極３６は、図示されるように、締結部材４０によりサプレッション電極キャリア３８に取り付けられている。
第２電極２２は、グランド電極４２、グランド電極キャリア４４、及びグランド電極ブラケット４６を備える。グランド電極４２は、小さい隙間を隔ててサプレッション電極３６に隣接して配置されている。グランド電極４２は、締結部材４８によりグランド電極キャリア４４に取り付けられ、グランド電極キャリア４４に支持されている。グランド電極ブラケット４６は、グランド電極キャリア４４を絶縁構造３０に取り付けるために設けられている。グランド電極キャリア４４は、締結部材５０によりグランド電極ブラケット４６に取り付けられている。
絶縁部材３２は、第１電極２０に接続される第１部分５２と、第２電極２２に接続される第２部分５４と、を備える。第１部分５２はサプレッション電極キャリア３８に接続され、第２部分５４はグランド電極ブラケット４６に接続されている。また、絶縁部材３２は、第１部分５２と第２部分５４との間に中間部分５６を備える。絶縁部材３２は、第１部分５２、第２部分５４、及び中間部分５６を有する一体の部材として形成されている。
絶縁部材３２は、概ね円柱形状を有する。絶縁部材３２は、第１電極２０側の第１端面５８と、第２電極２２側の第２端面６０と、第１端面５８と第２端面６０とをつなぐ絶縁部材側面６２と、を備える。第１端面５８及び第２端面６０は同径の円形を有し、絶縁部材側面６２は円筒面である。なお絶縁部材３２は、角柱形状などその他の任意の形状を有する棒状体であってもよい。
絶縁部材３２の第１部分５２、第２部分５４、及び中間部分５６はそれぞれ、その外周に第１凹部６４、第２凹部６６、及び第３凹部６８を有する。これらの凹部は、第１凹部６４、第３凹部６８、第２凹部６６の順に絶縁部材側面６２に等間隔に配列されている。第１凹部６４、第２凹部６６、及び第３凹部６８は、絶縁部材３２の全周に形成された溝である。こうした凹部を形成することにより、絶縁部材側面６２における第１端面５８と第２端面６０との間の沿面距離を大きくすることができる。
絶縁部材３２は、硬度が低く脆い絶縁材料で形成されている。絶縁部材３２は、例えば、ビッカース硬さが５ＧＰａ以下のマシナブルセラミックで形成されている。マシナブルセラミックとは、機械加工、特に切削加工の容易なセラミックである。絶縁部材３２は、例えば、窒化ホウ素で形成されている。
あるいは、絶縁部材３２は、マイカセラミック（例えば、マコール、ホトベール、またはマセライト（いずれも登録商標））で形成されていてもよい。絶縁部材３２は、多孔質アルミナ、多孔質シリカガラス、または多孔質ジルコニアのような多孔質セラミックで形成されていてもよい。絶縁部材３２は、ビッカース硬さが５ＧＰａ以下の多孔質セラミックで形成されていてもよい。マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックは、複数の材料の混合物または複合材料であってもよい。
絶縁構造３０は、絶縁部材３２の少なくとも第１部分５２を汚染粒子１８から保護するための第１保護部材である第１カバー７０と、絶縁部材３２の少なくとも第２部分５４を汚染粒子１８から保護するための第２保護部材である第２カバー７２と、を備える。第１カバー７０は、第１部分５２を囲み、第１電極２０に支持されている。第２カバー７２は、第２部分５４を囲み、第２電極２２に支持されている。
第１カバー７０と第１部分５２との間には、第１部分５２を囲む第１隙間７１が形成されている。第２カバー７２と第２部分５４との間には、第２部分５４を囲む第２隙間７３が形成されている。第１隙間７１の中途には第１凹部６４があり、第２隙間７３の中途には第２凹部６６がある。第３凹部６８によって第１隙間７１と第２隙間７３とが隔てられている。
第２カバー７２は、第１カバー７０の外側に設けられている。第２カバー７２は、絶縁部材３２の第２部分５４を囲む基部と、この基部から第１電極２０に向けて第１カバー７０を囲むよう延在する先端部と、を備える。この先端部と第１カバー７０との間に第３隙間８４が形成されている。第２カバー７２は第１カバー７０から離れており、両者は接触していない。
第１カバー７０及び第２カバー７２は、導電性を有する炭素材料、例えば熱分解黒鉛（グラファイト）で形成されている。そのため、第１カバー７０及び第２カバー７２は、汚染粒子１８を吸着する吸着面を有する。吸着面は例えば多孔質表面である。吸着性能は、公知のパラメタである「あらさ係数」に相関する。あらさ係数（roughness factor）とは、幾何学的表面積に対する真表面積の割合である。良好な吸着性能を得るためには、第１カバー７０及び第２カバー７２は、あらさ係数が２００以上であることが望ましい。これに対し、金属のように平滑な表面のあらさ係数は典型的に５未満である。
第１カバー７０及び第２カバー７２は導体であり、第１カバー７０及び第２カバー７２はそれぞれ第１電極２０及び第２電極２２に直接支持されている。よって、第１カバー７０の電位は第１電極２０に等しく、第２カバー７２の電位は第２電極２２に等しい。
あるいは、第１カバー７０及び第２カバー７２は、セラミックで形成されていてもよい。第１カバー７０及び第２カバー７２は、窒化ホウ素などのマシナブルセラミックで形成されていてもよいし、多孔質セラミックで形成されていてもよい。
第１カバー７０は、いわば、絶縁部材３２の第１部分５２に被さる蓋である。第１カバー７０は、第１電極２０側が閉じられ第２電極２２側が開放された概ね円筒の形状を有する。第１カバー７０は、絶縁部材３２と同軸に配設されている。第１カバー７０の内径は絶縁部材３２の外径より大きく、それにより第１カバー７０と絶縁部材３２との間には第１隙間７１が形成されている。なお第１カバー７０は、角筒の形状などその他の任意の形状を有する筒状体であってもよい。
第１カバー７０は、円板形状の第１接触部７４と、円筒状の第１側壁７６とを備える。第１接触部７４は、絶縁部材３２の第１部分５２に接触しており、第１部分５２と第１電極２０とに挟まれている。第１側壁７６は第１接触部７４の外周部から第２電極２２に向けて延びている。第１側壁７６の内面と絶縁部材側面６２との間には第１隙間７１があり、第１隙間７１の最深部に第１カバー７０と絶縁部材３２と第１隙間７１との境界部分（すなわち、導体、絶縁体、及び真空の境界である三重点）が形成されている。
第１接触部７４は、一方の表面が第１端面５８に接触し、反対側の表面がサプレッション電極キャリア３８に接触する。サプレッション電極キャリア３８には第１カバー７０のための第１位置決め凹部３９が形成されている。図示されるように、第１接触部７４はこの第１位置決め凹部３９に適合する凸部を有する。この凸部を第１位置決め凹部３９に嵌め入れることにより、第１カバー７０を取付位置に容易に位置決めすることができる。
絶縁部材３２の第１部分５２は、第１締結部材５１により第１電極２０に取り付けられている。第１締結部材５１は、絶縁部材３２の中心軸上に配設される。第１締結部材５１は例えば皿ネジである。サプレッション電極キャリア３８及び第１接触部７４には、第１締結部材５１を通すための貫通孔（ねじ穴）が形成されている。この貫通孔は絶縁部材３２の第１締結孔（ねじ穴）に連続する。絶縁部材３２、第１カバー７０、及び第１電極２０を１つの部材の取付によって固定することができるので、取付作業が容易である。
第２カバー７２は、いわば、絶縁部材３２の第２部分５４に被さる蓋である。第２カバー７２は、第２電極２２側が閉じられ第１電極２０側が開放された概ね円筒の形状を有する。第２カバー７２は、絶縁部材３２と同軸に配設されている。第２カバー７２の内径は絶縁部材３２の外径より大きく、それにより第２カバー７２と絶縁部材３２との間には第２隙間７３が形成されている。なお第２カバー７２は、角筒の形状などその他の任意の形状を有する筒状体であってもよい。
第２カバー７２は、円板形状の第２接触部７８と、円筒状の第２側壁８０とを備える。第２接触部７８は、絶縁部材３２の第２部分５４に接触しており、第２部分５４と第２電極２２とに挟まれている。
第２接触部７８は、一方の表面が第２端面６０に接触し、反対側の表面がグランド電極ブラケット４６に接触する。グランド電極ブラケット４６には第２カバー７２のための第２位置決め凹部４７が形成されている。図示されるように、第２接触部７８はこの第２位置決め凹部４７に適合する凸部を有する。この凸部を第２位置決め凹部４７に嵌め入れることにより、第２カバー７２を取付位置に容易に位置決めすることができる。
絶縁部材３２の第２部分５４は、第２締結部材５３により第２電極２２に取り付けられている。第２締結部材５３は、絶縁部材３２の中心軸上に配設される。第２締結部材５３は例えば皿ネジである。グランド電極ブラケット４６及び第２接触部７８には、第２締結部材５３を通すための貫通孔（ねじ穴）が形成されている。この貫通孔は絶縁部材３２の第２締結孔（ねじ穴）に連続する。絶縁部材３２、第２カバー７２、及び第２電極２２を１つの部材の取付によって固定することができるので、取付作業が容易である。
第２側壁８０は第２接触部７８の外周部から第１電極２０に向けて延びている。第２側壁８０は、第２電極２２側の厚肉部８１と、第１電極２０側の薄肉部８２と、を備える。厚肉部８１の外径は薄肉部８２の外径に等しく、厚肉部８１の内径は薄肉部８２の内径より小さい。こうして厚肉部８１と薄肉部８２との間には段部８３が形成されている。段部８３は第２カバー７２の内側にある。厚肉部８１の内面と絶縁部材側面６２との間には第２隙間７３があり、第２隙間７３の最深部に第２カバー７２と絶縁部材３２と第２隙間７３との境界部分（すなわち、導体、絶縁体、及び真空の境界である三重点）が形成されている。
第１カバー７０及び第２カバー７２は、汚染粒子１８の進入を許容する第３隙間８４を形成するように配設されている。第３隙間８４は、第１カバー７０と第２カバー７２との間にある。第３隙間８４への入口８５は、第１電極２０と第２電極２２との間の空間２１につながっている。入口８５は第１側壁７６と第２側壁８０の薄肉部８２との隙間である。第３隙間８４の出口８６は、第１側壁７６の先端である第１カバー末端７７と段部８３との隙間である。第３隙間８４は入口８５と出口８６との間に屈曲部を有する。出口８６は、絶縁部材３２の第３凹部６８に対向する。このようにして、第３凹部６８は第３隙間８４の近傍に位置する。
第１カバー７０は、第２側壁８０の先端である第２カバー末端７９から絶縁部材３２の第１端面５８の外周への視線（図３において破線矢印Ｐで示す）を遮るように、第２カバー７２と絶縁部材３２との間に延びている。したがって、第１カバー７０と絶縁部材３２と第１隙間７１との境界部分は、第３隙間８４の入口８５から見えない。また、第２カバー７２と絶縁部材３２と第２隙間７３との境界部分についても、第３隙間８４の入口８５から見えなくなっている。このようにして、絶縁構造３０は、導体、絶縁体、及び真空の境界である三重点を外部から覆い隠すように構成されている。
図４には、別の絶縁構造９０を例示する。図３に示す絶縁構造３０とは逆に、図４においては、第１カバー９２が外側に配置され、第２カバー９４が内側に配置されている。ただし、第１カバー９２及び第２カバー９４は金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。絶縁部材９６は高硬度のセラミック（例えばアルミナ）で形成されている。図４に示すその他の部分については、図３と概ね同様である。
ある実施形態においては、図４に示すカバー配置を採用してもよい。
本装置の動作を説明する。イオン源１１２において、アークチャンバー７には例えば数十ｋＶの正の電位が印加される。フィラメント３に直流電流を流すことにより、フィラメント３を加熱して熱電子５を発生させる。発生した熱電子５は、カソードキャップ１とフィラメント３との間の電圧により加速され、カソードキャップ１に流れ込み、カソードキャップ１を加熱する。加熱されたカソードキャップ１は、さらにアークチャンバー７内に熱電子６を供給し、これにより、ガス導入口１２から導入されるガス１７が反応して、プラズマが発生して維持される。
引出電極部１１４においては、第１電極２０に数ｋＶの負の電位が印加され、第１電極２０と第２電極２２との間に電位差が与えられる。引出電極部１１４を使用してアークチャンバー７からイオンビームＢが引き出される。イオンビームＢは、引出開口１０及び引出電極部１１４を通じてビームライン装置１０４へと届けられる。イオンビームＢは、ビームライン装置１０４を経て注入処理室１０６にて基板Ｗに照射される。このとき、保護部材３４（例えば、第１カバー７０及び第２カバー７２）により、絶縁部材３２は汚染粒子１８から保護されている。
ところで、アークチャンバー７のガス導入口１２から導入されるガス１７はしばしば、フッ化物のような腐食性または高い反応性をもつガスである。ガス１７及び／またはそこから生じるイオンがアークチャンバー７の内壁に作用し、その結果、壁から汚染粒子１８が放出されイオンビームＢとともにアークチャンバー７の外に引き出され得る。
例えば、ガス１７が三フッ化ホウ素（ＢＦ３）を含む場合には、Ｂ＋、ＢＦ２ ＋などのドーパントイオンだけでなくフッ素イオン（Ｆ＋）も生じる。フッ素イオンがライナー１６の炭素（Ｃ）に結合するとＣＦｘの形で放出される。プラズマ中でのイオン化により炭素を含むイオン（ＣＦｘ＋、Ｃ＋など）が生成される。このようにして導電性の汚染粒子１８（つまり、Ｃ、ＣＦｘ、ＣＦｘ＋、Ｃ＋など）が、アークチャンバー７の外に放出され、または引き出され得る。
汚染粒子１８は装置の構成要素の表面に堆積し得る。この堆積物は導電性を有するから、当該構成要素の表面に導電路を形成し得る。汚染粒子１８が絶縁部材３２を被覆した場合、第１電極２０と第２電極２２との間の絶縁が不十分となるかもしれない。
また、三重点の領域で汚染が進行すると、当該領域にて導体と絶縁体との間の微小放電が起こりやすくなる。微小放電により導体が溶かされて絶縁体に融着し、導体と絶縁体との間に強固な導電接合を形成するおそれがある。図４に例示する構成のように高硬度のセラミックに金属が接している場合には、こうした現象が生じやすい。
仮に、絶縁構造３０における絶縁性能が低下したとすると、第１電極２０と第２電極２２との間にリーク電流Ｉが流れることになる。リーク電流Ｉは、第２電極２２から絶縁構造３０、第１電極２０、サプレッション電源２４及びサプレッション電流計２６を経由して接地電位へと流れる。そのため、リーク電流Ｉの増加はサプレッション電流計２６の測定値の増加を招き、サプレッション電流の見かけの増加をもたらす。
汚染粒子１８による導電膜が絶縁部材３２に成長したとき、リーク電流Ｉの増加によって、サプレッション電流計２６の測定値が上述の制限値を超えてしまうかもしれない。そうすると、真のサプレッション電流は正常レベルに保たれているにもかかわらず、イオン源１１２の運転が停止されてしまう。絶縁部材３２の清掃または交換といったメンテナンスが必要となり、その間は運転を再開することができないから、装置の稼働率が低下する。
しかし、本実施形態においては、絶縁部材３２が、硬度が低く脆い絶縁材料、例えば窒化ホウ素で形成されている。たとえ三重点近傍で微小放電が生じたとしても、材料の硬度が低いので微小放電による外力（例えば衝撃）は放電部位に微小な変形または損傷を与え得る。そのため、上述の強固な導電接合が生じにくくなり、三重点近傍での絶縁が保たれやすくなる。また、本実施形態においては、負電位である第１カバー７０が高融点材料、例えばグラファイトで形成されている。そのため、微小放電が生じたとしても、導体の融着が生じにくい。これも三重点近傍での絶縁の維持に役立つ。
さらに、第１電極２０側の三重点が同電位の第１カバー７０に覆われており、三重点近傍の電界は弱い。そのため、微小放電の発生を抑えることができる。これに対して、図４に例示する構成においては正極である第２カバー９４の先端が負極である第１電極２０側の三重点近傍にあるので、三重点近傍の電界が強い。
また、本実施形態においては、保護部材３４（例えば、第１カバー７０及び第２カバー７２）は、汚染粒子１８を吸着する吸着面を備える材料、例えばグラファイトで形成されている。保護部材３４の吸着作用によって、第１電極２０と第２電極２２との間の空間２１から絶縁部材３２の表面に到達する汚染粒子１８を少なくすることができる。
こうした材質の改良に加えて、本実施形態においては、保護部材３４の形状及び配置も改良されている。例えば、絶縁構造３０の外から中への汚染粒子１８の進入路である第３隙間８４は入口８５と出口８６との間に屈曲部を有する。そのため、進入した汚染粒子１８の大半は屈曲部にて第１カバー７０または第２カバー７２の表面に捕捉される。
また、第３隙間８４の出口８６が、絶縁部材３２の中間部分５６に形成された第３凹部６８に対向する。こうして第３凹部６８に汚染粒子１８を集中的に受け入れることができる。よって、第１隙間７１及び第２隙間７３に進入する汚染粒子１８を少なくすることができる。第３凹部６８は絶縁部材３２の両端の三重点から遠い位置にあるので、三重点近傍の汚染を抑制することができる。
さらに、絶縁構造３０の外から三重点が直接見えないように保護部材３４の形状及び配置が定められている。よって、汚染粒子１８は三重点に到達しにくい。
したがって、本実施形態によると、電極間の絶縁低下が抑制され、リーク電流Ｉによるサプレッション電流の見かけの上昇を防ぐことができる。すなわち、本実施形態によると、長い寿命をもつ絶縁構造３０を提供することができる。
発明者の実験によると、図４に例示した構成において第１カバー９２及び第２カバー９４がステンレス鋼で形成されかつ絶縁部材９６がアルミナで形成されている場合、あるビーム条件のもとで、サプレッション電流が制限値に達するまでの時間は約５時間であった（図６参照）。一方、図３を参照して説明した構成において第１カバー９２及び第２カバー９４がグラファイトで形成されかつ絶縁部材９６が窒化ホウ素で形成されている場合、同一のビーム条件のもとで、サプレッション電流が制限値に達するまでの時間は約１００時間にまで延長された（図５参照）。
特に、低硬度で脆い材料を絶縁部材に採用することにより顕著な効果を得られることを発明者は実験により確認した。例えば、図４に例示した構成において絶縁部材を窒化ホウ素に変更した場合には、絶縁部材がアルミナである場合に比べて、約２倍の寿命を得ることができた（この場合、第１カバー９２及び第２カバー９４はステンレス鋼である）。
また、発明者は、吸着面を有する材料を保護部材に採用することにより顕著な効果を得られることを実験により確認した。例えば、図４に例示した構成において保護部材をグラファイトに変更した場合には、保護部材がステンレス鋼である場合に比べて、約１．６倍の寿命を得ることができた（この場合、絶縁部材９６はアルミナである）。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
上述の実施形態においては、絶縁構造３０は、両極の三重点それぞれにカバーを有する。しかし、絶縁構造は、第１電極及び第２電極の少なくとも一方に保護部材を備えてもよい。例えば、負電位が印加される第１電極側に、単一の保護部材を備えてもよい。あるいは、絶縁構造は、保護部材を備えていなくてもよい。
上述の実施形態においては、第１電極２０はサプレッション電極であり、第２電極２２はグランド電極である。しかし、絶縁構造は、その他の電極間の支持、または電極とその周囲の構造物との間の支持に用いられてもよい。例えば、絶縁構造は、プラズマ電極（サプレッション電極に対向するプラズマ生成部の部分）とサプレッション電極との間に設けられてもよい。
上述の実施形態においては、絶縁部材３２は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成された単一の部材である。しかし、絶縁部材３２は、複数の部片から成っていてもよい。例えば、絶縁部材３２は、第１部分５２と第２部分５４と（及び／または、中間部分５６と）に分割可能であってもよい。第１部分５２及び第２部分５４の少なくとも一方がマシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていてもよい。絶縁部材３２の一部（例えば中間部分５６）が、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミック以外の材料、例えば高硬度のセラミック（例えばアルミナ）で形成されていてもよい。
保護部材３４についても同様に、複数の部片から成っていてもよい。例えば、第１カバー７０は、第１接触部７４と第１側壁７６とに分割可能であってもよい。保護部材３４の少なくとも一部（例えば、第１接触部７４、または第１側壁７６）が、汚染粒子を吸着する材料、または、導電性を有する炭素材料で形成されていてもよい。
保護部材３４は、絶縁部材３２の少なくとも一部を囲んでいてもよい。保護部材３４は絶縁部材３２を完全には覆っていなくてもよい。例えば、保護部材３４は、孔やスリットを有してもよい。また、保護部材３４は、絶縁部材３２を囲んでいなくてもよい。例えば、絶縁部材３２の一部（例えば中間部分５６）が、汚染粒子の吸着面を提供する保護部材であってもよい。
上述の実施形態においては、第１カバー７０と第２カバー７２とは絶縁部材３２の軸方向に重なる部分を有する。しかし、第１カバー７０と第２カバー７２とは絶縁部材３２の軸方向に重なっていなくてもよい。例えば、第１カバー７０の先端と第２カバー７２の先端とが対向し、それら先端の間に第３隙間８４が形成されていてもよい。
上述の実施形態においては、絶縁部材３２が保護部材３４（第１カバー７０及び第２カバー７２）を介して第１電極２０及び第２電極２２に取り付けられている。しかし、絶縁部材３２及び保護部材３４がそれぞれ個別に第１電極２０及び第２電極２２に取り付けられていてもよい。例えば、絶縁部材３２が第１電極２０及び第２電極２２に直接取り付けられ、保護部材３４が絶縁部材３２を囲むように第１電極２０及び／または第２電極２２に直接取り付けられていてもよい。
以下、本発明の幾つかの態様を挙げる。
１．プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造であって、前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備えており、前記絶縁構造は、
前記第１電極に接続される第１部分と、前記第２電極に接続される第２部分と、を備え、前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材と、
前記第１部分を汚染粒子から保護するために前記第１部分の少なくとも一部を囲む第１保護部材と、
前記第２部分を汚染粒子から保護するために前記第２部分の少なくとも一部を囲む第２保護部材と、を備え、
前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていることを特徴とする絶縁構造。
２．前記マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックは、ビッカース硬さが５ＧＰａ以下であることを特徴とする実施形態１に記載の絶縁構造。
３．前記マシナブルセラミックは窒化ホウ素を含むことを特徴とする実施形態１または２に記載の絶縁構造。
４．前記多孔質セラミックは多孔質アルミナを含むことを特徴とする実施形態１から３のいずれかに記載の絶縁構造。
５．前記第１保護部材及び前記第２保護部材の少なくとも一方は、導電性を有する炭素材料で形成されていることを特徴とする実施形態１から４のいずれかに記載の絶縁構造。
６．前記第１保護部材及び前記第２保護部材の少なくとも一方は、汚染粒子を吸着する吸着面を備えることを特徴とする実施形態１から５のいずれかに記載の絶縁構造。
７．前記吸着面は、あらさ係数が２００以上であることを特徴とする実施形態６に記載の絶縁構造。
８．前記絶縁部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に中間部分を備え、該中間部分はその表面に凹部を有し、
前記第１保護部材及び前記第２保護部材は、汚染粒子の進入を許容する隙間を前記第１保護部材と前記第２保護部材との間に形成するように配設されており、前記凹部は該隙間の近傍にあることを特徴とする実施形態１から７のいずれかに記載の絶縁構造。
９．前記第１電極に近接する前記第２保護部材の末端から第１電極側の絶縁部材末端への視線を遮るように、前記第２保護部材と前記絶縁部材との間に前記第１保護部材が延びていることを特徴とする実施形態１から８のいずれかに記載の絶縁構造。
１０．前記第１保護部材は、前記第１部分を囲み、前記第１電極に支持されており、
前記第２保護部材は、前記第１保護部材の外側に設けられており、
前記第１電極は、前記第２電極に対して負電位が印加されることを特徴とする実施形態１から９のいずれかに記載の絶縁構造。
１１．前記第１保護部材は前記第１部分に接触する第１接触部を備え、該第１接触部は前記第１部分と前記第１電極とに挟まれており、及び／または、
前記第２保護部材は前記第２部分に接触する第２接触部を備え、該第２接触部は前記第２部分と前記第２電極とに挟まれていることを特徴とする実施形態１から１０のいずれかに記載の絶縁構造。
１２．前記第１電極は、前記第１接触部に適合する第１位置決め凹部を有し、及び／または、
前記第２電極は、前記第２接触部に適合する第２位置決め凹部を有することを特徴とする実施形態１１に記載の絶縁構造。
１３．前記第１部分は、前記第１電極及び前記第１接触部を貫通する第１締結部材により前記第１電極に取り付けられ、及び／または、
前記第２部分は、前記第２電極及び前記第２接触部を貫通する第２締結部材により前記第２電極に取り付けられていることを特徴とする実施形態１１または１２に記載の絶縁構造。
１４．前記プラズマ生成部は、炭素を含む内壁を備えることを特徴とする実施形態１から１３のいずれかに記載の絶縁構造。
１５．前記第１保護部材及び前記第２保護部材に代えて、前記絶縁構造は、単一の保護部材を第１電極側に備え、
前記第１電極は、前記第２電極に対して負電位が印加されることを特徴とする実施形態１に記載の絶縁構造。
１６．実施形態１から１５のいずれかに記載の絶縁構造を備えるイオン源装置。
１７．実施形態１から１５のいずれかに記載の絶縁構造を備えるイオン注入装置。
１８．第１電極と、絶縁部材により該第１電極を支持する第２電極との間に電位差を与えることと、
第１電極及び第２電極を使用してプラズマ生成部からイオンビームを引き出すことと、
保護部材を使用して前記絶縁部材を汚染粒子から保護することと、を備え、
前記絶縁部材は、前記第１電極に接続される第１部分と、前記第２電極に接続される第２部分と、を備え、前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていることを特徴とする絶縁方法。
１９．プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造であって、前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備えており、前記絶縁構造は、
前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材と、
前記絶縁部材を汚染粒子から保護するための保護部材と、を備え、
前記保護部材は、汚染粒子を吸着する吸着面を備えることを特徴とする絶縁構造。
２０．プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造であって、前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備えており、前記絶縁構造は、
前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材を備え、
前記絶縁部材は、第１電極側の第１部分と、第２電極側の第２部分と、を備え、前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていることを特徴とする絶縁構造。
７ アークチャンバー、 １６ ライナー、 １８ 汚染粒子、 ２０ 第１電極、 ２２ 第２電極、 ３０ 絶縁構造、 ３２ 絶縁部材、 ３４ 保護部材、 ３６ サプレッション電極、 ３９ 第１位置決め凹部、 ４２ グランド電極、 ４７ 第２位置決め凹部、 ５１ 第１締結部材、 ５２ 第１部分、 ５４ 第２部分、 ５６ 中間部分、 ６８ 第３凹部、 ７０ 第１カバー、 ７２ 第２カバー、 ７４ 第１接触部、 ７７ 第１カバー末端、 ７８ 第２接触部、 ７９ 第２カバー末端、 ８４ 第３隙間、 １００ イオン注入装置、 １０２ イオン源装置、 １１２ イオン源、 Ｂ イオンビーム。

Claims (20)

  1. プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造であって、前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備えており、前記絶縁構造は、
    前記第１電極に接続される第１部分と、前記第２電極に接続される第２部分と、を備え、前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材と、
    前記第１部分を汚染粒子から保護するために前記第１部分の少なくとも一部を囲む第１保護部材と、
    前記第２部分を汚染粒子から保護するために前記第２部分の少なくとも一部を囲む第２保護部材と、を備え、
    前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていることを特徴とする絶縁構造。
  2. 前記マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックは、ビッカース硬さが５ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁構造。
  3. 前記マシナブルセラミックは窒化ホウ素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁構造。
  4. 前記多孔質セラミックは多孔質アルミナを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の絶縁構造。
  5. 前記第１保護部材及び前記第２保護部材の少なくとも一方は、導電性を有する炭素材料で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の絶縁構造。
  6. 前記第１保護部材及び前記第２保護部材の少なくとも一方は、汚染粒子を吸着する吸着面を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の絶縁構造。
  7. 前記吸着面は、あらさ係数が２００以上であることを特徴とする請求項６に記載の絶縁構造。
  8. 前記絶縁部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に中間部分を備え、該中間部分はその表面に凹部を有し、
    前記第１保護部材及び前記第２保護部材は、汚染粒子の進入を許容する隙間を前記第１保護部材と前記第２保護部材との間に形成するように配設されており、前記凹部は該隙間の近傍にあることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の絶縁構造。
  9. 前記第１電極に近接する前記第２保護部材の末端から第１電極側の絶縁部材末端への視線を遮るように、前記第２保護部材と前記絶縁部材との間に前記第１保護部材が延びていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の絶縁構造。
  10. 前記第１保護部材は、前記第１部分を囲み、前記第１電極に支持されており、
    前記第２保護部材は、前記第１保護部材の外側に設けられており、
    前記第１電極は、前記第２電極に対して負電位が印加されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の絶縁構造。
  11. 前記第１保護部材は前記第１部分に接触する第１接触部を備え、該第１接触部は前記第１部分と前記第１電極とに挟まれており、及び／または、
    前記第２保護部材は前記第２部分に接触する第２接触部を備え、該第２接触部は前記第２部分と前記第２電極とに挟まれていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の絶縁構造。
  12. 前記第１電極は、前記第１接触部に適合する第１位置決め凹部を有し、及び／または、
    前記第２電極は、前記第２接触部に適合する第２位置決め凹部を有することを特徴とする請求項１１に記載の絶縁構造。
  13. 前記第１部分は、前記第１電極及び前記第１接触部を貫通する第１締結部材により前記第１電極に取り付けられ、及び／または、
    前記第２部分は、前記第２電極及び前記第２接触部を貫通する第２締結部材により前記第２電極に取り付けられていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の絶縁構造。
  14. 前記プラズマ生成部は、炭素を含む内壁を備えることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の絶縁構造。
  15. 前記第１保護部材及び前記第２保護部材に代えて、前記絶縁構造は、単一の保護部材を第１電極側に備え、
    前記第１電極は、前記第２電極に対して負電位が印加されることを特徴とする請求項１に記載の絶縁構造。
  16. 請求項１から１５のいずれかに記載の絶縁構造を備えるイオン源装置。
  17. 請求項１から１５のいずれかに記載の絶縁構造を備えるイオン注入装置。
  18. 第１電極と、絶縁部材により該第１電極を支持する第２電極との間に電位差を与えることと、
    第１電極及び第２電極を使用してプラズマ生成部からイオンビームを引き出すことと、
    保護部材を使用して前記絶縁部材を汚染粒子から保護することと、を備え、
    前記絶縁部材は、前記第１電極に接続される第１部分と、前記第２電極に接続される第２部分と、を備え、前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていることを特徴とする絶縁方法。
  19. プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造であって、前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備えており、前記絶縁構造は、
    前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材と、
    前記絶縁部材を汚染粒子から保護するための保護部材と、を備え、
    前記保護部材は、汚染粒子を吸着する吸着面を備えることを特徴とする絶縁構造。
  20. プラズマ生成部からイオンビームを引き出すための複数の電極間に設けられる絶縁構造であって、前記複数の電極は、第１電極と、該第１電極と異なる電位が印加される第２電極と、を備えており、前記絶縁構造は、
    前記第１電極を前記第２電極に支持するための絶縁部材を備え、
    前記絶縁部材は、第１電極側の第１部分と、第２電極側の第２部分と、を備え、前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方は、マシナブルセラミックまたは多孔質セラミックで形成されていることを特徴とする絶縁構造。
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