JP2015225720A - イオン発生装置および熱電子放出部 - Google Patents

Abstract

【課題】カソードのメンテナンス頻度を低減することのできるイオン発生装置および熱電子放出部を提供する。
【解決手段】イオン発生装置は、アークチャンバ１２と、アークチャンバ１２の内から外へ向けて軸方向に延在し、アークチャンバ内に熱電子を放出するカソード３０と、カソード３０の径方向外側に設けられ、軸方向に延在する筒状のサーマルリフレクタ５６と、カソード３０とサーマルリフレクタ５６とに挟まれる間隙５８において、径方向の幅Ｗ_Ｂが軸方向の所定位置で小さくなるように構成される狭隘構造６０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオン発生装置およびそれに用いられる熱電子放出部に関する。

半導体製造工程では、導電性を変化させる目的、半導体ウエハの結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウエハにイオンを注入する工程が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般にイオン注入装置と呼ばれる。

このようなイオン注入装置におけるイオン源として、傍熱型のイオン源が知られている。傍熱型のイオン源は、直流電流によってフィラメントを加熱して熱電子を発生させ、その熱電子によってカソードが加熱される。そして、加熱されたカソードから発生した熱電子がアークチャンバ内で加速され、アークチャンバ内のガスソース分子と衝突することで、ガスソース分子に含まれている原子がイオン化される。熱電子を放出するためのカソードは、例えば、フィラメントにより加熱されるキャップと、キャップが端部に取り付けられる管状部材とにより構成される（特許文献１参照）。

特開平８−２２７６８８号公報

アークチャンバ内に導入されるソースガス分子には、例えば、フッ化物や塩化物等のハロゲン化物が用いられる。ハロゲン化物のソースガス分子は、イオン化の過程でハロゲンラジカルを発生させ、このハロゲンラジカルがイオン源を構成する部品、例えばアークチャンバ内壁の金属材料に作用し、化学結合する。そして、化学結合した金属材料は、ソースガス分子とともにイオン化され、イオン化物質としてアークチャンバの内壁や、カソードを構成する管状部材の表面などに堆積しうる。

カソードキャップは、熱電子の発生効率を高めるために高温に保たれることが好ましく、キャップが取り付けられる管状部材は熱絶縁性が高いと望ましい。一方で、イオン源の使用により管状部材の表面に金属材料が堆積されると、管状部材の熱絶縁性が低下し、キャップを高温に維持できなくなるおそれが生じる。そうすると、イオンを安定的に生成することが困難となり、熱絶縁性が低下した部品の清掃や交換などのメンテナンスが必要となる。特に、高温状態となるカソード周辺ではハロゲン化物が解離しやすく金属材料が堆積しやすいため、頻繁にメンテナンスする必要が生じ、その結果、イオン注入装置を用いる工程の生産性が低下する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、カソードのメンテナンス頻度を低減することのできるイオン発生装置および熱電子放出部を提供することにある。

本発明のある態様のイオン発生装置は、アークチャンバと、アークチャンバの内から外へ向けて軸方向に延在し、アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードと、カソードの径方向外側に設けられ、軸方向に延在する筒状のサーマルリフレクタと、カソードとサーマルリフレクタとに挟まれる間隙において、径方向の幅が軸方向の所定位置で小さくなるように構成される狭隘構造と、を備える。

本発明の別の態様は、熱電子放出部である。この熱電子放出部は、アークチャンバ内にプラズマを生成するための熱電子放出部であって、アークチャンバの内から外へ向けて軸方向に延在し、アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードと、カソードの径方向外側に設けられ、軸方向に延在する筒状のサーマルリフレクタと、カソードとサーマルリフレクタとに挟まれる間隙において、径方向の幅が軸方向の所定位置で小さくなるように構成される狭隘構造と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合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、カソードのメンテナンス頻度を低減し、生産性の高いイオン発生装置および熱電子放出部を提供できる。

実施の形態に係るイオン発生装置のアークチャンバおよび熱電子放出部の概略構成を示す図である。 実施の形態に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。 実施の形態に係る熱電子放出部の構成を示す上面図である。 比較例に係る熱電子放出部を示す模式図である。 図５（ａ）は、変形例１に係る熱電子放出部を示す断面図であり、図５（ｂ）は、変形例２に係る熱電子放出部を示す断面図である。 図６（ａ）は、変形例３に係る熱電子放出部を示す断面図であり、図６（ｂ）は、変形例４に係る熱電子放出部を示す断面図である。 他の実施の形態に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。

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、実施の形態に係るイオン発生装置１０のアークチャンバ１２および熱電子放出部１４の概略構成を示す図である。

本実施の形態に係るイオン発生装置１０は、傍熱型のイオン源であり、アークチャンバ１２と、熱電子放出部１４と、リペラー１８と、サプレッション電極２０と、グランド電極２２と、各種電源を備える。

アークチャンバ１２は、略直方体の箱型形状を有する。アークチャンバ１２は、高融点材料、具体的には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属やそれらの合金、グラファイト（Ｃ）等で構成されている。これにより、アークチャンバ内が比較的高温となる環境下でも、アークチャンバを溶けにくくできる。

アークチャンバ１２は、上面板１２ａと、下面板１２ｂと、側壁板１２ｃと、を含む。側壁板１２ｃには、ソースガスを導入するガス導入口２４と、イオンビームが引き出される開口部としてのフロントスリット２６とが形成されている。上面板１２ａには、熱電子放出部１４が設けられ、下面板１２ｂにはリペラー１８が挿通される。

なお、以下の説明において、上面板１２ａから下面板１２ｂに向かう方向を軸方向といい、軸方向に直交する方向を径方向ということがある。また、アークチャンバ１２の内部を内側、アークチャンバ１２の外部を外側ともいう。

熱電子放出部１４は、アークチャンバ内に熱電子を放出するものであり、フィラメント２８とカソード３０を有する。熱電子放出部１４は、上面板１２ａの取付孔１２ｄに挿入され、アークチャンバ１２と絶縁された状態で固定される。

フィラメント２８は、フィラメント電源３４で加熱され、先端に熱電子を発生させる。フィラメント２８で発生した（１次）熱電子は、カソード電源３６によるカソード電界で加速され、カソード３０に衝突し、その衝突時に発生する熱でカソード３０を加熱する。加熱されたカソード３０は（２次）熱電子４０を発生し、この（２次）熱電子４０が、アーク電源３８によってカソード３０とアークチャンバ１２との間に印加されたアーク電圧によって加速され、ガス分子を電離するに十分なエネルギーを持ったビーム電子としてアークチャンバ１２中に放出される。

リペラー１８は、リペラープレート３２を有する。リペラープレート３２は、熱電子放出部１４と対向する位置に設けられており、カソード３０と対向してほぼ平行に設けられている。リペラープレート３２は、アークチャンバ内の電子を跳ね返して、プラズマ４２が生成される位置に電子を滞留させてイオン生成効率を高める。

つづいて、図２及び図３を参照しながら、熱電子放出部１４の構成について詳述する。図２は、実施の形態に係る熱電子放出部１４の構成を示す断面図であり、図３は、実施の形態に係る熱電子放出部１４の構成を示す上面図である。

熱電子放出部１４は、フィラメント２８と、カソード３０と、サーマルリフレクタ５６と、狭隘構造６０を備える。カソード３０は、カソードキャップ５０と、サーマルブレイク５２と、カソードリテーナ５４を含む。熱電子放出部１４は、アークチャンバ１２の上面板１２ａと接触しないように取付孔１２ｄと間隔をあけて取付孔１２ｄに挿入され、取付プレート４６に固定される。カソード３０およびサーマルリフレクタ５６は、同電位であり、アークチャンバ１２とは異なるアーク電位が印加される。

カソードキャップ５０は、フィラメント２８により加熱されてアークチャンバ内に熱電子を放出する部材であり、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）などを含む高融点材料で構成される。カソードキャップ５０は、軸方向に厚さを有する柱状形状を有し、例えば、円柱形状を有する。カソードキャップ５０は、アークチャンバ１２の内部空間に対する前面５０ａと、フィラメント２８に対する背面５０ｂと、側面５０ｃを有する。背面５０ｂには、側面５０ｃから径方向外側に突出するフランジ５０ｄが設けられる。フランジ５０ｄは、サーマルブレイク５２とカソードリテーナ５４の間に挟み込まれて係止される。これにより、カソードキャップ５０は、サーマルブレイク５２およびカソードリテーナ５４の端部に固定され、係止端部５２ａからアークチャンバ１２の内側へ向けて突出する。

サーマルブレイク５２は、アークチャンバ１２の内から外へ向けて軸方向に延在する筒状部材であり、カソードキャップ５０を固定する部材である。サーマルブレイク５２は、例えば、カソードキャップ５０の形状に対応して円筒形状を有する。サーマルブレイク５２は、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）などを含む高融点材料で構成される。サーマルブレイク５２は、カソードキャップ５０を係止するための係止端部５２ａと、アークチャンバ１２の外に設けられる取付プレート４６に取り付けするための取付端部５２ｂを有する。取付端部５２ｂは、取付プレート４６に直接取り付けられてもよいし、カソードリテーナ５４を介して取付プレート４６に間接的に取り付けられてもよい。つまり、サーマルブレイク５２は、取付端部５２ｂにおいてカソードリテーナ５４に固定されてもよい。

サーマルブレイク５２は、カソードキャップ５０を高温状態に保つため、熱絶縁性の高い形状を有することが望ましく、例えば、軸方向に長く、肉厚の薄い形状を有する。サーマルブレイク５２をこのような形状とすることにより、カソードキャップ５０と取付プレート４６との間の熱絶縁性が高められる。これにより、フィラメント２８により加熱されるカソードキャップ５０は、サーマルブレイク５２を介して取付プレート４６へ放冷されにくくなる。

カソードリテーナ５４は、サーマルブレイク５２の内側に設けられる部材であり、サーマルブレイク５２に沿って軸方向に延在する筒状部材である。カソードリテーナ５４は、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）などを含む高融点材料で構成される。カソードリテーナ５４は、カソードキャップ５０を押さえるための固定端部５４ａと、取付プレート４６に取り付けするための取付端部５４ｂを有する。カソードリテーナ５４も、サーマルブレイク５２と同様に、軸方向に長く、肉厚の薄い形状とすることが望ましい。

フィラメント２８は、二本のリード電極４４に接続されており、アークチャンバ１２の外に設けられる取付プレート４６に絶縁部４８を介して固定される。フィラメント２８は、タングステンワイヤを螺旋ループ状に曲げて形成される。フィラメント２８は、カソードキャップ５０、サーマルブレイク５２およびカソードリテーナ５４によって区画されるカソード３０の内部に設けられる。これによりフィラメント２８を、アークチャンバ１２の内部空間で生成されるプラズマから隔離して、フィラメント２８の劣化を防ぐ。

サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の径方向外側に設けられ、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃに対向して軸方向に延在する筒状形状を有する。サーマルリフレクタ５６は、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、グラファイト（Ｃ）などの高融点材料で構成される。サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０の前面５０ａの近傍で径方向外側に延びる開口端部５６ａと、サーマルブレイク５２の取付端部５２ｂの近傍で径方向内側に延びてサーマルブレイク５２に接続される接続端部５６ｂと、を有する。

サーマルリフレクタ５６は、高温状態となるカソードキャップ５０からの輻射熱をカソードキャップ５０へ向けて反射し、カソードキャップ５０の高温を維持する。サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０の側面５０ｃからの輻射熱を反射できるように、側面５０ｃに対向する位置まで軸方向に延びることが望ましい。言いかえれば、サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０を係止するサーマルブレイク５２よりも、アークチャンバ１２の内側に向けて軸方向に延びていることが望ましい。

また、サーマルリフレクタ５６は、サーマルブレイク５２の取付端部５２ｂの近傍において、サーマルブレイク５２に取り付けられることが望ましい。言いかえれば、サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の係止端部５２ａから離れた位置に取り付けられることが望ましい。カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の係止端部５２ａの近くにサーマルリフレクタ５６を取り付けると、カソードキャップ５０の熱がサーマルリフレクタ５６に伝わりやすくなり、サーマルブレイク５２による熱絶縁性が低下するためである。

狭隘構造６０は、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２と、サーマルリフレクタ５６とに挟まれる間隙５８において、間隙５８の径方向の幅Ｗを軸方向の所定位置において小さい幅Ｗ_Ｂとするように構成される構造である。狭隘構造６０は、図２に示されるように、サーマルリフレクタ５６の内周面５６ｃから径方向内側に突出する突起部６２を含む。なお、狭隘構造６０は、後述する図５（ａ）に示す変形例のように、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃから径方向外側に突出する突起部を含んでもよいし、図６（ａ）、（ｂ）に示す変形例のように、サーマルブレイク５２とサーマルリフレクタ５６の双方から突出する突起部を含んでもよい。

突起部６２は、突起部６２が設けられる箇所において、間隙５８の径方向の幅が小さい幅Ｗ_Ｂとなるように間隙５８の径方向の幅を狭くする。突起部６２は、間隙５８のもとの幅Ｗに比べて、突起部６２が設けられる箇所の間隙５８の幅Ｗ_Ｂが１／２以下となるようにすることが望ましい。言いかえれば、突起部６２の径方向の突出幅Ｗ_Ａを間隙５８の幅Ｗ_Ｂよりも大きくすることが望ましい。また、突起部６２の軸方向の長さＬは、間隙５８の幅Ｗ_Ｂの２倍以上とすることが望ましい。例えば、間隙５８のもとの幅Ｗが２ｍｍ程度である場合、間隙５８の幅Ｗ_Ｂを０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度とし、軸方向の長さＬを１ｍｍ〜３ｍｍ程度とすればよい。好ましくは、間隙５８の幅Ｗ_Ｂを０．５ｍｍ程度とし、軸方向の長さＬを１．５ｍｍ程度とすればよい。

突起部６２は、軸方向に延びるサーマルリフレクタ５６の内周面５６ｃのうち、サーマルブレイク５２の係止端部５２ａの近傍の位置に設けられる。ここで、係止端部５２ａの近傍の位置とは、間隙５８を軸方向の位置に応じて上部領域Ｃ１、中間領域Ｃ２、底部領域Ｃ３の３領域に分けたときに、中間領域Ｃ２の範囲内に対応する位置である。上部領域Ｃ１は、アークチャンバ１２の内部空間に近い領域であり、具体的には、カソードキャップ５０の前面５０ａおよび背面５０ｂの軸方向の中間位置を境界として、この中間位置よりも前面５０ａに近い領域である。底部領域Ｃ３は、アークチャンバ１２の内部空間から遠い領域であり、具体的には、サーマルブレイク５２の係止端部５２ａおよびサーマルリフレクタ５６の接続端部５６ｂの軸方向の中間位置を境界として、この中間位置よりも接続端部５６ｂに近い領域である。中間領域Ｃ２は、上部領域Ｃ１および底部領域Ｃ３の間に位置する領域である。

突起部６２を中間領域Ｃ２に設けることにより、アークチャンバ１２の内部空間にて生成されるプラズマを間隙５８の奥側、つまり底部領域Ｃ３へ侵入しにくくする。また、底部領域Ｃ３に突起部６２を設けないことにより、間隙５８の奥側における径方向の幅Ｗを大きくし、突起部６２によって狭くなった箇所を通過したプラズマを底部領域Ｃ３において希薄化することができる。これにより、底部領域Ｃ３を区画するサーマルブレイク５２やサーマルリフレクタ５６が高密度プラズマに曝される影響を低減する。また、突起部６２を上部領域Ｃ１に設けないことにより、カソードキャップ５０の側面５０ｃから放出される熱電子の放出を阻害しないようにすることができる。これにより、カソード３０から放出される熱電子量の低減を防ぎ、イオン生成効率を高めることができる。

また、突起部６２は、図３に示されるように、内周面５６ｃに沿って周方向に連続して設けられ、サーマルブレイク５２またはカソードキャップ５０の外側を取り囲むようにリング状に形成される。突起部６２は、間隙５８の幅Ｗ_Ｂが周方向の異なる位置において一定となるように設けられる。なお、変形例においては、突起部６２は、間隙５８の幅Ｗ_Ｂが周方向の異なる位置において異なる幅となるように形成されてもよいし、周方向の部分的な位置にのみ形成されてもよい。

以上の構成を有するイオン発生装置１０には、図１に示すように、カソード３０とリペラー１８を結ぶ軸方向にソース磁場コイルにより誘起される外部磁場Ｂが印加されている。また、ビーム電子を放出するカソード３０と対向させてリペラー１８が設けられているため、ビーム電子は磁場Ｂに沿ってカソード３０とリペラー１８との間を往復移動する。往復移動するビーム電子は、アークチャンバ１２に導入されたソースガス分子と衝突電離してイオンを発生させ、アークチャンバ１２にプラズマ４２を生成する。ビーム電子は、印加磁場によってほぼ限定された範囲に存在するのでイオンはその範囲で主に生成され、拡散によりアークチャンバ１２の内壁、フロントスリット２６、カソード３０、リペラー１８に到達し、壁面で失われる。

ソースガスには、希ガスや、水素（Ｈ_２）、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）等の水素化物、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）等のフッ化物、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ_３）等の塩化物、等のハロゲン化物が用いられる。また、ソースガスには、二酸化炭素（ＣＯ_２）一酸化炭素（ＣＯ）、酸素（Ｏ_２）などの酸素原子（Ｏ）を含む物質も用いられる。これらのソースガスは、アークチャンバ１２にガス導入口２４を通じて導入され、（２次）熱電子４０によりイオン化される。励起されたイオンは、アークチャンバ１２の内壁、カソード３０、リペラー１８に入射して衝突すると、各部の構成素材（Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、グラファイト等）を、スパッタや化学的エッチングにより摩滅させる。

ソースガスがフッ化物の場合、例えば、ＢＦ_３の場合、イオン化によりＢ^＋、ＢＦ^＋、ＢＦ_２ ^＋、Ｆ^＋、Ｆ_２ ^＋が生成され、これらのイオンがアークチャンバ１２の内部の壁面で中性化されると、Ｆ、Ｆ_２等の反応性の高いフッ素ラジカルが生成される。フッ素ラジカルは、イオン発生装置１０を構成する部品の材料と化学結合し、ＷＦ_ｘ、ＴａＦ_ｘ、ＭｏＦ_ｘ、ＣＦ_ｘなどのフッ化物となる。これらフッ化物は、比較的低温でガス化し、アームチャンバ内でイオン化され、ＷＦ_ｘ ^＋、ＴａＦ_ｘ ^＋、ＭｏＦ_ｘ ^＋、ＣＦ_ｘ ^＋などのイオン化物質としてアークチャンバの内壁などに流入付着する。

このようなハロゲン化物で構成される付着物は、熱電子放出部１４を構成するサーマルブレイク５２などにも付着する。カソード３０を構成するサーマルブレイク５２などは、イオン発生装置１０の稼働中において高温状態となるため、熱分解により堆積物に含まれるＦなどのハロゲンが解離し、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃ等の熱伝導性の比較的高い物質として堆積される。そうすると、サーマルブレイク５２の厚さが増大して、堆積物の増加とともにサーマルブレイク５２の熱絶縁性が低下していく。そうすると、カソードキャップ５０の温度を維持するためにフィラメント２８への投入電力を大きくしなければならなくなる。

また、フィラメント電源３４の電源容量には一般に上限があるため、サーマルブレイク５２の熱絶縁性が低下すると、上限値まで投入電力を引き上げてもカソードキャップ５０を必要とする温度に維持できなくなるおそれがある。カソードキャップ５０の温度が維持できないとすると、熱電子放出部１４により生成される熱電子の量が目標値に到達せず、イオン生成効率ないしイオン生成量が低減してしまうかもしれない。そうすると、イオン発生装置１０から目標とする電流量のイオンビームを引き出すことができなり、熱絶縁性を回復するためにカソード３０を交換するなどしてメンテナンスする必要が生じる。メンテナンスの頻度が高まると、イオン発生装置１０の稼働率が低下し、イオン注入装置を用いる工程の生産性が低下してしまう。また、カソード３０の交換頻度が増加すると、メンテナンスコストも増大する。

ソースガスとして酸素原子を含む物質を用いる場合、アークチャンバ内において酸素ラジカルが発生し、発生した酸素ラジカルは、イオン発生装置１０を構成する各部の構成素材（Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、グラファイト等）を蝕耗させる。特に、高温となるカソード３０の周辺では、酸素ラジカルによる蝕耗の度合いが大きい。サーマルブレイク５２やサーマルリフレクタ５６の肉厚の薄い部分が蝕耗されてしまうと、これらの部品が外れてしまうおそれが生じる。そうすると、安定的なプラズマ生成が困難となり、損傷した部品のメンテナンスが必要となってしまう。メンテナンスの頻度が高まると、イオン発生装置１０の稼働率が低下し、イオン注入装置を用いる工程の生産性が低下するとともに、メンテナンスコストが増大する。

このような課題について、図４に示す比較例を参照しながら詳述する。図４は、比較例に係る熱電子放出部１１４を示す模式図である。熱電子放出部１１４は、実施の形態に係る熱電子放出部１４において狭隘構造６０を構成する突起部６２が設けられない点を除いて、実施の形態に係る熱電子放出部１４と同様の構成を有する。

比較例では、狭隘構造６０が設けられないため、矢印Ｘで示されるように、アークチャンバ１２の内部空間で生成されるプラズマないしイオン化物質が間隙１５８の奥側（取付端部５２ｂや接続端部５６ｂの近傍）まで流入しやすい。カソード３０の近傍は高温に保たれるため、イオン化物質に起因する堆積物が堆積しやすく、プラズマによる蝕耗の度合いが大きい。例えば、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃに金属材料が多量に堆積すると、サーマルブレイク５２の熱絶縁性が大きく低下することとなる。また、サーマルブレイク５２の取付端部５２ｂや、サーマルリフレクタ５６の接続端部５６ｂの近傍が蝕耗されてしまうと、これらの部材の取付強度が低下してしまう。したがって、イオン発生装置を安定的に稼働させるために、熱電子放出部１１４を構成する部品を頻繁にメンテナンスしなければならなくなる。

一方、本実施の形態では、熱電子放出部１４に狭隘構造６０が設けられるため、サーマルブレイク５２とサーマルリフレクタ５６とに挟まれた間隙５８に流入するプラズマ量を減らし、間隙５８におけるプラズマを希薄化することができる。これにより、間隙５８を区画するサーマルブレイク５２の外周面５２ｃに堆積される堆積物の量を低減して、サーマルブレイク５２の熱絶縁性の低下を抑制することができる。また、間隙５８を区画するサーマルブレイク５２やサーマルリフレクタ５６が蝕耗される度合いを低減し、これらの部材の損傷を抑制することができる。これにより、熱電子放出部１４を構成する部品のメンテナンス頻度を低下させて、生産性の高いイオン発生装置１０および熱電子放出部１４とすることができる。また、突起部６２が設けられる位置においてサーマルブレイク５２とサーマルリフレクタ５６を接触させず、双方の間に隙間を設けることで、サーマルブレイク５２の熱的絶縁性を維持できる。これにより、熱電子放出量の低下を防ぎ、イオン発生装置１０および熱電子放出部１４を安定的に稼働させることができる。

図５（ａ）は、変形例１に係る熱電子放出部１４を示す断面図である。変形例１は、狭隘構造６０を構成する突起部として、サーマルリフレクタ５６の内周面５６ｃに設けられる突起部６２の代わりに、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃに設けられる突起部６４を有する点で上述の実施の形態と異なる。突起部６４は、突起部６２と同様に、軸方向の位置が中間領域Ｃ２に含まれる位置となるように配置される。突起部６４を設けることにより、間隙５８の奥側へ流入するプラズマ量を減らし、熱電子放出部１４を構成する部品のメンテナンス頻度を低下させることができる。

図５（ｂ）は、変形例２に係る熱電子放出部１４を示す断面図である。変形例２は、狭隘構造６０を構成する突起部として、径方向に突起する幅Ｗ_Ａが軸方向の位置に応じて異なるように形成される突起部６６を有する点で上述の実施の形態と異なる。突起部６６は、アークチャンバの内部空間から離れるほど径方向に突起する幅Ｗ_Ａが徐々に小さくなる形状を有する。このような形状とすることにより、アークチャンバの内部空間からのプラズマの流入を効果的に抑制するとともに、底部領域Ｃ３における間隙５８の容積を大きくして底部領域Ｃ３におけるプラズマ密度を希薄化できる。このような効果を奏するには、底部領域Ｃ３の範囲において突起部６６の突起する幅Ｗ_Ａを十分に小さくするか、底部領域Ｃ３の範囲に突起部６６を形成しない構成とすることが望ましい。なお、図５（ｂ）では、サーマルリフレクタ５６に突起部６６を設ける構成としているが、さらなる変形例として、突起する幅Ｗ_Ａが軸方向に変化する突起部６６をサーマルブレイク５２に設ける構成としてもよい。

図６（ａ）は、変形例３に係る熱電子放出部１４を示す断面図である。変形例３は、狭隘構造６０を構成する突起部として、サーマルリフレクタ５６に設けられる第１突起部６８ａと、サーマルブレイク５２に設けられる第２突起部６８ｂを有する点で上述の実施の形態と異なる。第１突起部６８ａおよび第２突起部６８ｂは、軸方向に重なる位置に設けられ、例えば、軸方向に同じ位置かつ同じ範囲に設けられる。第１突起部６８ａの径方向に突出する幅Ｗ_Ａ１および第２突起部６８ｂの径方向に突出する幅Ｗ_Ａ２は、その合計値Ｗ_Ａ１＋Ｗ_Ａ２が第１突起部６８ａと第２突起部６８ｂの間の径方向の幅_ＷＢよりも大きくなるような値とすることが望ましい。これにより、間隙５８の奥側へ流入するプラズマの量を減らして、間隙５８の底部領域Ｃ３におけるプラズマ密度を希薄化することができる。

図６（ｂ）は、変形例４に係る熱電子放出部１４を示す断面図である。変形例４は、狭隘構造６０を構成する突起部として、サーマルリフレクタ５６に設けられる第１突起部６９ａと、サーマルブレイク５２に設けられる第２突起部６９ｂを有する点で上述の実施の形態と異なる。第１突起部６９ａおよび第２突起部６９ｂは、軸方向に重ならない位置に設けられ、軸方向に互い違いとなる位置に設けられる。第１突起部６９ａの径方向に突出する幅Ｗ_Ａ１は、第１突起部６９ａとサーマルブレイク５２の間の径方向の幅Ｗ_Ｂ１よりも大きい。同様に、第２突起部６９ｂの径方向に突出する幅Ｗ_Ａ２は、第２突起部６９ｂとサーマルリフレクタ５６の間の径方向の幅Ｗ_Ｂ２よりも大きい。したがって、第１突起部６９ａおよび第２突起部６９ｂは、その一部が径方向に重なるように配置される。このような構造とすることにより、間隙５８の奥側へプラズマを侵入させにくくすることができ、間隙５８の底部領域Ｃ３においてプラズマ密度を希薄化することができる。

図７は、他の実施の形態に係る熱電子放出部２１４の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る熱電子放出部２１４は、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の径方向外側に配置されるサーマルリフレクタ５６が設けられない点で上述の実施の形態と異なる。

本実施の形態において、狭隘構造２６０を構成する突起部２６４は、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃに設けられる。狭隘構造２６０は、サーマルブレイク５２と、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃに対向する上面板１２ａの取付孔１２ｄとに挟まれる間隙２５８において、間隙２５８の径方向の幅Ｗ_Ｂをもとの幅Ｗに対して部分的に小さくする。これにより、間隙２５８を通じてアークチャンバの内部から外部へ流出するプラズマの量を低減し、アークチャンバ１２の外に設けられるサーマルブレイク５２に対する堆積や蝕耗の影響を低減することができる。なお、本実施の形態において、突起部２６４は、アークチャンバ１２の取付孔１２ｄに設けられてもよい。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０…イオン発生装置、１２…アークチャンバ、１４…熱電子放出部、２４…ガス導入口、２８…フィラメント、３０…カソード、４０…熱電子、４２…プラズマ、５０…カソードキャップ、５０ａ…前面、５０ｂ…背面、５２…サーマルブレイク、５２ａ…係止端部、５２ｂ…取付端部、５２ｃ…外周面、５６…サーマルリフレクタ、５６ｂ…接続端部、５８…間隙、６０…狭隘構造、６２…突起部、Ｃ１…上部領域、Ｃ２…中間領域、Ｃ３…底部領域。

Claims (16)

1. アークチャンバと、
   前記アークチャンバの内から外へ向けて軸方向に延在し、前記アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードと、
   前記カソードの径方向外側に設けられ、前記軸方向に延在する筒状のサーマルリフレクタと、
   前記カソードと前記サーマルリフレクタとに挟まれる間隙において、前記径方向の幅が前記軸方向の所定位置で小さくなるように構成される狭隘構造と、
   を備えることを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記カソードおよび前記サーマルリフレクタは、同電位であることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 前記狭隘構造は、前記カソードおよび前記サーマルリフレクタの少なくとも一方に設けられ、前記径方向に突出し、前記軸方向に延在する突起部を含み、
   前記突起部は、前記軸方向に延在する区間において、前記間隙の前記径方向の幅を前記所定位置で小さくすることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン発生装置。
4. 前記突起部は、前記軸方向に延在する区間における前記間隙の前記径方向の幅よりも前記径方向に突出する幅が大きいことを特徴とする請求項３に記載のイオン発生装置。
5. 前記突起部は、前記軸方向に延在する区間の長さが、前記軸方向に延在する区間における前記間隙の前記径方向の幅の２倍以上となることを特徴とする請求項３または４に記載のイオン発生装置。
6. 前記突起部は、前記カソードに設けられる内側突起部と、前記サーマルリフレクタに設けられる外側突起部とを有し、
   前記内側突起部および前記外側突起部は、前記軸方向に重なる位置に設けられることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
7. 前記突起部は、前記カソードに設けられる内側突起部と、前記サーマルリフレクタに設けられる外側突起部とを有し、
   前記内側突起部および前記外側突起部は、前記軸方向に重ならない位置に設けられ、前記径方向に重なるように構成されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
8. 前記カソードは、前記アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードキャップと、前記アークチャンバの内から外へ向けて軸方向に延在し、前記カソードキャップを固定する筒状のサーマルブレイクと、を含み、
   前記狭隘構造は、前記サーマルブレイクと前記サーマルリフレクタとの間において、前記径方向の幅を小さくするように構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
9. 前記カソードは、前記アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードキャップと、前記アークチャンバの内から外へ向けて軸方向に延在し、前記カソードキャップを固定する筒状のサーマルブレイクと、を含み、
   前記突起部は、前記カソードキャップに設けられないことを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
10. 前記サーマルブレイクは、前記カソードキャップが係止される係止端部と、前記アークチャンバの外に設けられる部材に取り付けられる取付端部と、を有することを特徴とする請求項８または９のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
11. 前記サーマルリフレクタは、前記取付端部の近傍において前記サーマルブレイクに向かって径方向内側へ延出し、前記サーマルブレイクに接続される接続端部を含み、
    前記間隙は、前記軸方向の位置が前記係止端部と前記接続端部の中間よりも前記接続端部に近い位置となる底部領域と、前記軸方向の位置が前記底部領域よりも前記係止端部に近い位置となる中間領域と、を有し、
    前記狭隘構造は、前記中間領域よりも前記底部領域において、前記径方向の幅が大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１０に記載のイオン発生装置。
12. 前記サーマルブレイクの内部に設けられ、前記カソードキャップを加熱するフィラメントをさらに備え、
    前記カソードキャップは、前記アークチャンバの内部空間に対する前面と、前記係止端部に係止されて前記フィラメントに対する背面と、を含み、
    前記間隙は、前記軸方向の位置が前記前面と前記背面の中間よりも前記前面に近い位置となる上部領域を有し、
    前記中間領域は、前記軸方向の位置が前記上部領域よりも前記係止端部に近い位置となる領域であり、
    前記狭隘構造は、前記中間領域よりも前記上部領域において、前記径方向の幅が大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１１に記載のイオン発生装置。
13. 前記底部領域は、前記アークチャンバの内部空間よりもプラズマ密度が希薄化した空間であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のイオン発生装置。
14. プラズマ生成のためのソースガスを前記アークチャンバ内に導入するガス導入口をさらに備え、
    前記ソースガスは、ハロゲン化物を含むものであり、
    前記狭隘構造は、前記ハロゲン化物に起因して生成される導電性物質が付着することにより生じうる前記サーマルブレイクの熱絶縁性の低下を抑制することを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
15. プラズマ生成のためのソースガスを前記アークチャンバ内に導入するガス導入口をさらに備え、
    前記ソースガスは、酸素（Ｏ）を含むものであり、
    前記狭隘構造は、酸素に起因して生成される物質により生じうる前記サーマルブレイクの損傷を抑制することを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載のイオン発生装置。
16. アークチャンバ内にプラズマを生成するための熱電子放出部であって、
    前記アークチャンバの内から外へ向けて軸方向に延在し、前記アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードと、
    前記カソードの径方向外側に設けられ、前記軸方向に延在する筒状のサーマルリフレクタと、
    前記カソードと前記サーマルリフレクタとに挟まれる間隙において、前記径方向の幅が前記軸方向の所定位置で小さくなるように構成される狭隘構造と、
    を備えることを特徴とする熱電子放出部。

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