JP2016120496A - 固体材料から化合物又はその中間体を調製するための装置及び方法並びにそのような化合物及び中間体の使用 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体反応材料から化合物又は中間体を調製するための装置及び方法、並びに、そのような化合物及び中間体の使用方法を提供する。
【解決手段】中間生成物を生成することに有効な条件下で反応ガスを反応固体に接触させる反応領域と、気体反応剤の未反応部分及び中間生成物が反応領域から出ることを許容する開口と、含む装置を記載する。装置は、中間生成物と反応ガスとの反応生成物として最終生成物を生成すべく有利には利用されることが可能である。反応ガスと反応固体との反応を第１の反応ゾーンで行うことが可能であり、反応ガスと中間生成物との反応を第２の反応ゾーンで行うことが可能である。特定の実施形態では、反応ガスと中間生成物との反応は、可逆的であり、反応ガス及び中間生成物は、反応固体を生成する逆反応を抑制するために制御速度で又は制御下で、第２の反応ゾーンに流動させられる。
【選択図】図１

Description

[0001] 「固体材料から化合物又はその中間体を調製するための装置並びにそのような化合物及び中間体の使用方法」に関して、Oleg Byl、Joseph D. Sweeney、Robert Kaim、Richard S. Ray、及びEdward E. Jonesの名義で２０１０年８月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／３７８，３７５号に基づいて、３５ＵＳＣ１１９の規定により優先権の利益を主張する。米国仮特許出願第６１／３７８，３７５号の開示は、あらゆる目的のため、参照によりその全体が本明細書に組み入れられるものとする。
[0002] 本開示は、固体反応材料から化合物又は中間体を調製するための装置及び方法、並びに、そのような化合物及び中間体の使用方法に関する。特定の態様では、本開示は、基材中へのホウ素のイオン注入用の前駆体として有用なホウ素含有前駆体化合物を調製するためのそのようなタイプの装置及び方法に関する。
[0003] イオン注入は、マイクロ電子デバイス製品の製造及び他の工業用途で広範に利用されている。イオン注入プロセスでは、基材上への高エネルギーイオンの衝突によって化学種が基材中に堆積させられる。所望のイオンを生成するために、前駆体フラグメント、正イオン、負イオン、並びに再結合したイオン種及び非イオン種をさまざまに含み得るイオン化媒体を生じさせるイオン化を起こしやすい前駆体が必要とされる。このイオン化媒体は、基材上に衝突させられる所望のタイプのイオンの最終イオンビームを生成するために、抽出、磁気濾過、加速／減速、分析磁石処理、コリメーション、走査、及び磁気補正により処理される。
[0004] 広範にわたるさまざまなタイプの前駆体が利用され、それに対応してさまざまな注入材料及びデバイスが形成される。例示的な前駆体は、アルゴン、酸素、水素、並びに、ヒ素、リン、ゲルマニウム、ホウ素、ケイ素などのドーパント元素の水素化物及びハロゲン化物を含む。特にホウ素は、非常に広範に使用されるドーパント元素であり、近年、既存のホウ素前駆体の効率及び利用の向上並びに新しいホウ素前駆体の開発に関心が払われてきた。
[0005] 多くの集積回路の製造の主工程の１つは、シリコンウエハ中へのホウ素の注入を含む。単体ホウ素は、高温であっても非常に低い蒸気圧を呈するので、揮発性のホウ素含有前駆体化合物の利用が必要である。現在、ホウ素注入用の前駆体として、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）が広く使用されている。２００７年、イオン注入用のＢＦ３の全世界消費量は約３０００ｋｇ程度であると推定されたが、この量は増加の一途をたどってきた。
[0006] 広範に利用されているにもかかわらず、ＢＦ３には欠点がある。ＢＦ３分子は、イオン化が非常に困難であり、従来のイオン化装置のイオン源チャンバに流入した全ＢＦ３のわずか約１５％がフラグメント化され得るにすぎない。残りは廃棄される。さらに、イオン化されたＢＦ３のわずか約３０％が、注入に使用可能なＢ＋イオンに変換されるにすぎない。この結果、低Ｂ＋ビーム電流を生じるので、注入プロセスのスループットが厳しく制限される。
[0007] プロセスパラメータを変化させることにより、たとえば、抽出電流を増加させたり、ＢＦ３流量を増加させたりすることにより、Ｂ＋ビーム電流のいくらかの増加を達成することが可能である。しかしながら、これらの対策により、イオン源の寿命が低下し、結果的にツールの不安定性につながる高電圧アーク放電を起こし、真空の劣化、及びビームエネルギーの汚染を招く。
[0008] 近年、半導体製造業では、ＢＦ３使用時の低Ｂ＋ビーム電流に伴うスループットの制限がより重要になってきた。なぜなら、そのような製造業では、より低い注入エネルギーを利用する一般的な傾向がみられるからである。より低い注入エネルギーでは、Ｂ＋ビームは、空間電荷に起因してより大きいブローアウト効果を受ける。
[0009] したがって、信頼性がありかつ費用効果が高いことを特徴とするホウ素前駆体の大量生産ができれば、半導体製造技術分野だけでなく、ホウ素ドーピングが利用される他のイオン注入用途にも、多大な貢献をするであろう。
[0010] 本開示は、固体反応材料と流体とを反応させて中間体及び最終生成物を生成するための装置及び方法並びにそのような中間体及び最終生成物の使用方法に関する。特定の態様では、本開示は、ホウ素ドーピング半導体用途に有用なホウ素前駆体の大量生産に有用であるそのようなタイプの装置及び方法に関する。
[0011] 一態様では、本開示は、中間種の生成に有効な温度及び圧力の条件下で固体材料に気体反応剤を接触させる反応領域と、
気体反応剤の未反応部分及び中間種を反応領域から送出することを許容する開口と、を備える装置に関する。
[0012] こうした装置では、開口は、たとえば、装置を加熱したり、反応領域に対して装置を適切なサイズにしたり、又は、装置の使用時に他の方法で開口の閉塞を防止したりすることにより、装置の動作時の当該開口の閉塞を防止するように構成されることが可能である。
[0013] 他の態様では、本開示は、中間生成物と反応ガスとの反応生成物として最終生成物を形成する方法に関する。この場合、中間生成物は、反応ガスと反応固体との気体反応生成物であり、こうした方法は、第１の反応ゾーンで反応ガスと反応固体との反応を行うことと、第２の反応ゾーンで反応ガスと中間生成物との反応を行うことと、を含み、第１の反応ゾーンでの反応ガスと反応固体との反応は、可逆的であり、かつ未反応の反応ガス及び中間生成物は、制御速度で又は制御下で第２の反応ゾーンに流動させられる。
[0014] 本開示の他の態様、特徴、及び実施形態は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲からさらに自明なものとなろう。
本開示の一実施形態に係る、固体反応剤と流体とを反応させるための反応器系の概略図である。 本開示の別の実施形態に係る、固体反応剤と流体とを反応させるための反応器系の概略図である。 反応固体との接触を達成すべく反応ガスの３つの流路が提供されているマルチパス高温反応ゾーンの概略図である。 本開示の一実施形態に係る例示的なトラップツートラップ回収装置を示している。この装置は、粗Ｂ２Ｆ４含有反応生成物混合物の純度を９０％の純度まで増加させるべく使用可能であり（図４の装置）、続いて、Ｂ２Ｆ４は、９９．９９％の純度まで精製される（図５の装置）。 本開示の一実施形態に係る例示的なトラップツートラップ回収装置を示している。この装置は、粗Ｂ２Ｆ４含有反応生成物混合物の純度を９０％の純度まで増加させるべく使用可能であり（図４の装置）、続いて、Ｂ２Ｆ４は、９９．９９％の純度まで精製される（図５の装置）。 分単位の時間の関数として摂氏度単位の温度及びｔｏｒｒ単位の圧力を表したグラフであり、大量の新たに捕獲されたＢｘＦｙを含有する槽の加温時に起こり得る温度及び圧力の偏倚を示している。 分単位の時間の関数として摂氏度単位の温度及びｔｏｒｒ単位の圧力を表したグラフであり、図６のグラフに示されるタイプの温度及び圧力の偏倚を抑制するうえでの、大量の新たに捕獲されたＢｘＦｙを含有する槽の制御加温の有効性を示している。
[0021] 本開示は、流体と固体反応材料との反応から中間体及び最終生成物を生成するための装置及び方法並びにそのような中間体及び最終生成物の利用方法に関する。特定の態様では、本開示は、ホウ素前駆体を製造するためのそのようなタイプの装置及び方法、並びに、イオン注入操作における結果とした生じたホウ素前駆体の使用に関する。
[0022] 特定の態様では、本開示は、気体反応剤と反応固体との反応による中間生成物の生成及び気体反応剤と中間生成物との反応による実質的により低い温度での最終生成物の生成を行うための装置及び方法に関する。そのような装置及び方法のさらなる態様では、反応固体及び気体反応剤の少なくとも一方を、特定の同位元素又は元素で天然存在レベルよりも同位体濃縮することが可能である。
[0023] たとえば、気体反応剤及び反応固体の一方又は両方は、それらの天然存在濃度又はその比よりも高い濃度又は比でホウ素同位体を含有するホウ素含有化合物を含み得る。この場合、中間生成物及び最終生成物は、それに対応して同位体濃縮され得る。
[0024] 同位体濃縮された最終生成物は、イオン注入用の前駆体として有用なホウ素含有化合物であり得る。この前駆体の同位体濃縮特性は、マイクロ電子デバイス及びそれを内蔵する対応製品の製造において利点を提供する。
[0025] マイクロ電子デバイスの発展の現在の傾向は、より浅いデバイス接合に向かっている。この結果、そのような浅い接合を達成すべく、より低エネルギーのイオン注入の必要性が生じている。より低エネルギーで注入を行うと、生産性が影響を受けてスループットの制限を招くので、デバイス製造に利用されるイオンビームを低イオンビームエネルギー環境できわめて効率的なものにすることが必要である。
[0026] ホウ素前駆体及びイオン注入に適用した場合、特定のホウ素前駆体、具体的には同位体濃縮されたホウ素前駆体は、従来の濃縮されていない（天然存在度の）ホウ素前駆体よりも有意な利点を提供することが可能である。
[0027] 本開示の特定の態様では、四フッ化二ホウ素（Ｂ２Ｆ４）は、とくに四フッ化二ホウ素が天然存在濃度又はその存在比よりもホウ素で同位体濃縮された場合、従来の三フッ化ホウ素前駆体よりも利点を提供する前駆体化合物である。たとえば、そのような同位体濃縮された四フッ化二ホウ素は、三フッ化ホウ素自体が同位体濃縮された場合であっても、三フッ化ホウ素よりも高いビーム電流を提供する。同位体濃縮された四フッ化二ホウ素は、三フッ化ホウ素用に設計された系で利用可能であり、そのような利用のための新しいプロセスの組込みを全く必要としない。
[0028] さらに、四フッ化二ホウ素は、ホウ素間化学結合の性質に起因して、三フッ化ホウ素よりも解離及びイオン化が有意により容易である。その結果、四フッ化二ホウ素の使用により、有意により高いビーム電流を達成することが可能である。ＡＭＵ磁石選択を利用すれば、三フッ化ホウ素を前駆体として使用した場合に選択される場合と同一のイオン（１１Ｂ又は１１ＢＦ２）を、同一のイオン注入ツールで、注入用に選択することが可能である。それに加えて、四フッ化二ホウ素は、安全性強化槽内に、たとえば、ATMI, Inc.（Danbury, Connecticut, USA）からＶＡＣという商標で市販されている圧力調整供給槽内に、又は収着剤が四フッ化二ホウ素用の貯蔵媒体として機能する収着剤含有供給槽内に、供給されることが可能である。
[0029] 四フッ化二ホウ素は、−５６℃の融点及び３４℃の標準沸点及び２１℃で９．５４ｂａｒの蒸気圧を有する安定な液化可能ガスである。
[0030] 本開示に従って四フッ化二ホウ素を製造するために、ホウ素を高温でＢＦ３に接触させて中間体としてＢＦを発生させる。しかしながら、この反応は、反応が行われる反応キャビティの閉塞を引き起こし得る。そのような閉塞が起こると、長期間にわたる反応器の動作が妨害される。
[0031] 閉塞の問題は、本開示の一実施形態に従って、表面に開口を有するケーシングの内部にホウ素固体反応剤を配置することにより、克服される。この場合、ケーシングの底部には、ホウ素固体を支持してそれをケーシングの内部空間内に維持する保持構造が設けられており、保持構造を通って反応ガスが流動することができるようになっている。ケーシングは反応キャビティ内に挿入される。このキャビティは、たとえば、グラファイトなどの好適な材料で形成された中空円筒の形状をとり得る。内側円筒表面がケーシングに対して離間した関係になるように、そのようなグラファイト円筒の内径はケーシングの直径よりも大きい。特定の配置構成では、ケーシング及びグラファイト円筒は、それらの間に環状空間が形成されるように、互いに同軸状に配置されることが可能である。円筒及びケーシングは、液体窒素や他の伝熱冷却媒体などの好適な冷却剤又は他の冷却源により冷却されるコールドトラップと直接的な流体連通状態にある。
[0032] この配置構成では、円筒形状のグラファイト反応キャビティ内にケーシングを配置した状態で、ホウ素固体をケーシング内に充填してホウ素固体床を形成することが可能である。この集合体は、ケーシングの所定部分に位置する反応ゾーンに三フッ化ホウ素を送達するチューブにより懸架されることが可能であり、その結果、三フッ化ホウ素は、そのような反応ゾーン内でホウ素固体と反応してフッ化ホウ素（ＢＦ）中間体を生成する。
[0033] ＢＦ中間体及び未反応ＢＦ３は、反応ゾーンからコールドトラップ内に直接排出されることが可能であるか、又は、最初に反応キャビティ内、次いでコールドトラップ内に排出されることが可能である。そのような配置構成では、ＢＦ中間体及び未反応ＢＦ３は、コールドトラップの表面で凝縮し、ＢＦとＢＦ３との反応によりＢ２Ｆ４を生成する。十分な量のＢＦ、ＢＦ３、及びＢ２Ｆ４が凝縮した後、反応器を停止させてコールドトラップをより高い温度にすることにより、Ｂ２Ｆ４及びＢｘＦｙ及び未反応ＢＦ３などの反応生成物を蒸発させる。次いで、Ｂ２Ｆ４含有ガス混合物をコールドトラップからポンプで取り出して蒸留などの回収処理に付してＢ２Ｆ４を回収すると同時に、ＢＦ３を回収して再循環させて反応器に戻すか、又は、他の処分又は使用に付すことが可能である。
[0034] この配置構成の特定の実施形態では、三フッ化ホウ素は、２２００℃までの高温、たとえば、１０００℃〜２２００℃の範囲内の温度の反応ゾーンを有するホウ素固体床を通る。特定の用途で有用に利用し得るそのような広範な１０００℃〜２２００℃内の温度の部分範囲としては、部分範囲の下限温度が、任意の好適な値、たとえば、１０００℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１２５０℃、１３００℃、１３５０℃、１４００℃、１４５０℃、１５００℃、１５５０℃、１６００℃、１６５０℃、１７００℃、１７５０℃、１８００℃、１８５０℃、１９００℃、１９５０℃、２０００℃、２０５０℃、２１００℃、又は２１５０℃を有しうる、かつそのような部分範囲の上限が、部分範囲の下限よりも大きい値、たとえば、特定の実施形態では、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１２５０℃、１３００℃、１３５０℃、１４００℃、１４５０℃、１５００℃、１５５０℃、１６００℃、１６５０℃、１７００℃、１７５０℃、１８００℃、１８５０℃、１９００℃、１９５０℃、２０００℃、２０５０℃、２１００℃、２１５０℃、又は２２００℃の上限温度を有する、部分範囲が含まれる。ＢＦを生成する本開示の広義の実施では、さらに他の温度範囲を利用することが可能であるか、又は本明細書に開示されている装置及び方法を他の中間体及び最終生成物の生成に利用する場合、好適な特性の他の温度範囲を利用することが可能である。
[0035] 反応ゾーンの位置は、ケーシング及び反応キャビティのジオメトリ並びにそれらの空間配置により、さらには反応ゾーンの空間温度プロファイルにより、決定されてもよい。
[0036] ホウ素固体と三フッ化ホウ素との反応時の圧力は、特定の実施形態では、任意の好適な値、たとえば、１０−６〜１，０００ｔｏｒｒの範囲内の圧力であり得る。
[0037] 中間体ＢＦの生成に利用されるホウ素固体は、任意の好適なサイズ及び形状特性、たとえば、ケーシング内の反応固体が三フッ化ホウ素に十分に接触して所望の量のフッ化ホウ素（ＢＦ）中間体を生成するように、ＢＦ３が送達される反応キャビティ内に設置されたケーシング内への固体の充填を可能にするサイズ及び形状特性を有し得る。
[0038] ホウ素固体は、たとえば、反応器装置のスケール及び反応キャビティ内のケーシング内に固体を保持すべく使用される保持構造に応じて、１ｍｍ〜５ｃｍの範囲内の直径又は特性主要寸法を有し得る。保持構造は、１つ又は複数の任意の好適なタイプ、たとえば、スクリーン、グリッド、ロッド、オフセットプレート、カップ、金属又は非金属のウールプラグなどであり得る。ホウ素固体は、コールドトラップで捕獲されるようにケーシングからのＢＦ中間体の排出を可能にする任意の好適な方式で配置構成されることが可能である。
[0039] 以上で説明した配置構成をとれば、ＢＦ３とＢとの接触面積を実質的に低減することなく、ケーシング内及び反応キャビティ内からＢＦを排出するための効率的な出口ポートを提供して、かつ反応の平衡
ＢＦ３＋２Ｂ⇔３ＢＦ
が正反応方向に維持されるように、反応キャビティ内及びケーシング内の適切な温度プロファイルを維持して、逆方向の反応（すなわち逆反応）から生じるホウ素金属の析出に起因する閉塞が回避されるようにすることにより、閉塞は回避される。
[0040] 特定の実施形態では、同様にグラファイトで又はその代わりに他の好適な作製材料で形成され得る円筒状ケーシング内にホウ素固体を充填し、次いで、他の非調心配置をとることも可能であるが、好ましくはケーシングが円筒状キャビティ内に調心されるように、円筒状反応キャビティ内にケーシングが配置される。有利には、ＢＦ３がケーシングの頂部から進入して、ホウ素固体を通り、そして反応ゾーンが位置する有孔セクションに到達するように、ケーシングには、その下側セクションに孔が設けられている。ＢＦ３反応剤とＢ反応剤との反応から反応ゾーン内で生成されたＢＦは、ケーシングの孔から出た後、下方に流動してコールドトラップ内に入る。ケーシング及び反応キャビティの底部での閉塞は、ケーシングと反応キャビティとの間にギャップを設けることにより低減される。
[0041] ケーシングと反応キャビティとを含む反応器集合体を位置決めする際、水平方向又は垂直方向又は反応器集合体の水平位置と垂直位置とのなす任意の角度の角度方向を利用することができる。反応キャビティ内に配置される有孔ケーシングの開口形状は、均一又は不均一な特性を有することが可能であり、円形であり得るか、又はケーシングからフッ化ホウ素及び三フッ化ホウ素を流出させる開放経路を維持すると同時に、三フッ化ホウ素とホウ素固体との適切な接触を行うという目的に合致する、他の幾何学形状を有し得る。ホウ素固体の形状及び／又はサイズは、均一又は不均一な特性を有し得る。
[0042] より一般的には、反応キャビティ内のケーシングの開口の特性、並びに反応に利用されるホウ素固体のモルフォロジー、形状、結晶性、及びサイズは、ホウ素固体と三フッ化ホウ素との反応を最適化すべく個別に又は組合せで調整されることが可能なパラメータである。
[0043] 三フッ化ホウ素と単体ホウ素との反応により一フッ化ホウ素を生成する高温反応器の下流に提供されるより低温の反応器、たとえば、コールドトラップを考慮して、コールドトラップのサイズ、形状、及び特性は、コールドトラップ内の好適な真空状態を維持しながら、より高温の反応ゾーンからコールドトラップに流動させられる中間体含有ストリームから材料のより均一な堆積を最適に達成すべく、調整可能な追加のパラメータであることに留意されたい。より高温の反応ゾーンからコールドトラップに流動させられる中間体含有ストリーム中の材料の凝縮のための表面積を増大させるべく、拡張表面構造体、たとえば、コールドフィンガー、フィンなどを、コールドトラップ内に設けることが可能である。
[0044] コールドトラップは、固体フッ化ホウ素残渣、たとえば、式ＢｘＦｙ〔式中、ｘ及びｙは、化学量論的に適切な値を有する〕で示される高級／高分子量フッ化ホウ素種を除去するために、水で定期的に洗浄されることが可能である。動作時、コールドトラップは、液体窒素又は他の好適な寒剤で冷却されることが可能である。液体窒素を冷却剤として使用した場合、コールドトラップの底部の温度は−１９６℃程度であってよい。
[0045] 特定の実施形態では、中間体含有反応混合物がコールドトラップに後続的に流動させられる場合、内部に三フッ化ホウ素を予備凝縮させることにより四フッ化二ホウ素の生成を増大させるように、コールドトラップを動作させることも可能である。
[0046] コールドトラップから抽出又は送出される反応生成物混合物は、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、又はそれを超える濃度の四フッ化二ホウ素を含有してもよく、残りの部分は、三フッ化ホウ素及び痕跡量の揮発性重質フッ化ホウ素である。
[0047] 本開示に係る反応系は、高効率連続操作のために、種々の特定の特性をもたせて、かつ種々の特定の配置で、利用されることが可能である。たとえば、単一の反応キャビティとホウ素が充填される単一のケーシングとを含有する反応器の代わりに、高温反応器集合体は、複数の独立した反応キャビティと、互いに独立して動作、維持、及び再充填が可能な複数のケーシングと、を備えることが可能である。
[0048] 一フッ化ホウ素と三フッ化ホウ素との反応による四フッ化二ホウ素の生成に使用されるより低温の反応器を考慮すると、そのような反応器は、コールドトラップのキャビティ内に移送されてＢＦ、ＢＦ３、及びＢ２Ｆ４を受容及び凝縮するプレート部材や拡張表面付きプレート部材などの十分に冷却された表面要素を含むコールドトラップとして、提供されることが可能である。そのような受容プレート部材が凝縮材料で十分に被覆された後、それをキャビティから移送して新しい受容プレート部材で置き換える。
[0049] 他の配置構成では、反応器内の低温区画コールドトラップの上に高温集合体を位置決めすることが可能である。そのような集合体を任意の好適な方式で反応器の異なる区画に移動させることにより、反応器の残りの部分に対して隔離された状態で、ＢＦ、ＢＦ３、及びＢ２Ｆ４を特定のコールドトラップ区画に堆積させることが可能である（たとえば、反応器の残りの部分で洗浄を行うか、又は他のコールドトラップ区画にすでに堆積された凝縮生成物の「送出」を行うことが可能である）。
[0050] 固体／流体反応により中間体を生成するための高温集合体と、中間体とのさらなる流体反応を行うためのコールドトラップと、を含む反応器系は、任意の好適なジオメトリ、サイズ、及びスケールを有してよい。ただし、反応ゾーン及びコールドトラップは、さらなる反応により最終生成物を生成するためのコールドトラップゾーン内への中間生成物を含むガス混合物の流動を可能にすべく、流体流動連通状態にある。
[0051] 次に図面を参照すると、図１は、固体反応剤１０と流体（「反応流体」）とを反応させるための反応器系の概略図である。この構成では、高温集合体は、反応固体１０が充填されたケーシング１３を包囲する反応キャビティ１２を含む。反応ガスは、入口１４を介して反応固体床中に導入される。集合体内の有利な温度空間プロファイルを達成すべく、かつ中間生成物が生成される反応ゾーン１４を形成すべく、任意の好適な方式で集合体に熱が提供される。反応ゾーンの位置は、反応キャビティ１２、ケーシング１３のジオメトリ、及び温度プロファイルにより決定される。中間生成物は、未反応流体と一緒になって、ケーシングの孔１５を介して反応ゾーンから排出され、反応キャビティからコールドトラップ１６内に流動する。コールドトラップでは、中間生成物は、反応ガスと反応して最終生成物を生成する。
[0052] 特定の実施形態では、反応ガスと中間生成物との反応は、可逆的であり、反応ガス及び中間生成物は、反応固体を生成する逆反応を抑制するために制御速度で又は制御下で、第２の反応ゾーン（コールドトラップ１６）に流動させられる。
[0053] 図２に示される別の実施形態では、ＢＦ３は、細長状高温集合体に導入されて、適切な温度に加熱されたホウ素金属の固体粒子と反応する。そのような配置のホウ素金属の固体粒子は、それを取り囲む円筒状反応器ハウジングと同軸状のケーシング内に提供される。ケーシング内の反応ゾーンでは、ホウ素金属及び三フッ化ホウ素は、反応してＢＦを生成し、ＢＦ及び未反応ＢＦ３は反応ゾーンから排出される。
[0054] ケーシングは、多孔性であってもよく、そこに開口を有してもよい。たとえば、ケーシングは、その側壁に、任意の好適なサイズ、形状、及び特性の開口を備えてよい。一実施形態では、ケーシングの表面に沿って複数の開口が形成される。複数の開口は、所定の方向に沿ってさまざまなサイズを有してよい。開口のサイズは、所定の方向に沿って増加してよく、又は他の選択肢として、減少してよい。開口は、反応チャンバ内の所望の中間体ＢＦの生成を最大化すべく、任意の好適な方式で配置されてもよい。
[0055] 高温集合体は、水平方向、垂直方向、又はその間の任意の角度方向に向けられてよい。
[0056] 三フッ化ホウ素をホウ素金属固体に接触させるための反応ゾーンが多種多様な配置及び構成のいずれかをとりうることがわかるであろう。その場合、四フッ化二ホウ素の製造装置は、ガス形態で一フッ化ホウ素中間体を生成するためのより高温の反応ゾーンと、一フッ化ホウ素を固体形態に凝縮させてかつ利用可能な三フッ化ホウ素と反応させて四フッ化二ホウ素を生成するためのより低温の回収ゾーンと、を含むことだけが必要である。
[0057] さらに、前述及び後述の開示は、主に四フッ化二ホウ素の合成に関するものであるが、液体又は固体の形態に凝縮可能な気体生成物を生成し、その形態で液体又は固体が、利用可能なガスとのさらなる反応を起こして最終生成物を生成するように、本発明に係る装置及び方法が、固体反応種と反応ガスとから生成される多種多様な異なる中間化合物の合成に適用されることが可能であることがわかるであろう。
[0058] 示された特定の配置構成の代替として、ケーシング内の固体は、例示されたようにケーシングの内部空間内に充填される代わりに、ケーシングと反応キャビティ壁との間の環状空間内に充填されてもよく、又は固体は、気体反応剤に提示すべく他の形で支持されてもよい。
[0059] ケーシング及び反応キャビティは、有利には、グラファイト又は他の炭素質材料で形成されることが可能である。グラファイトは、そのような目的に好適である。なぜなら、たとえば、円筒状キャビティ及び反応固体を含有するケーシングに対して外接して配置された電気コイルの高周波（ＲＦ）場で誘導される振動電流により、そのような材料内に抵抗により容易に熱を発生させることが可能であるからである。ＲＦコイルは、三フッ化ホウ素とホウ素固体との反応に必要とされる高温をそのような固体を保持するケーシング内で達成するための単純かつ効果的な配置構成を提供する。以上で説明したケーシングは、有孔特性を有し得るか、多孔性収着性透過性材料で構築し得るか、又は他の選択肢として内部での高温反応により生成された中間体を送出するための１以上の開口を有してよい。
[0060] ホウ素固体を含有するケーシングの構築にはグラファイトが好適であるが、２０００℃までの温度に耐え、かつ対象となる全温度範囲にわたり三フッ化ホウ素に対して不活性であるかぎり、セラミックス又は他の高温材料を利用してもよい。
[0061] したがって、三フッ化ホウ素を高温で単体ホウ素と反応させて一フッ化ホウ素を生成し、得られた一フッ化ホウ素を低温で、たとえば極低温で、三フッ化ホウ素と反応させて四フッ化二ホウ素（Ｂ２Ｆ４）及びより重質のフッ化ホウ素化合物を生成する、種々の反応器構成が本開示の範囲内で考えられる。三フッ化ホウ素と単体ホウ素との反応は可逆的であるので、反応器構成は、望ましくは、ＢＦ生成に有利なように対応する反応を制御する任意の好適な方式で中間体一フッ化ホウ素の生成を最大化するように構成される。
[0062] 種々の実施形態の高温反応器は、内部反応キャビティを画定する垂直方向に細長い反応器として提供され、このキャビティ内では、ケーシング内に保持された単体ホウ素固体を、ダウンフロー操作モードで反応器の上端で導入された三フッ化ホウ素に接触させることが可能であり、ＢＦと未反応ＢＦ３とを含む反応生成物は、反応器の下端で排出される。反応を制御しかつＢＦの生成を最大化するために、過剰の添加された三フッ化ホウ素により反応が順方向に駆動されるように、垂直反応器の中間部分で三フッ化ホウ素を導入すべく、第２の三フッ化ホウ素入口を配置してもよい。
[0063] 三フッ化ホウ素ガスをホウ素固体に接触させるためのシングルパス（一回通過）フロー配置のほかに、本開示では、フッ化ホウ素（ＢＦ）の高速連続生産を達成すべく、三フッ化ホウ素を再循環させて、再循環ループに導入された補充三フッ化ホウ素により増量する配置構成を提供することが考えられる。
[0064] 本開示ではまた、反応固体を有する反応ガスのマルチプルパスを伴う拡張流路に沿って三フッ化ホウ素ガスをホウ素固体に接触させるマルチパス高温反応ゾーンを提供することが考えられる。そのようなタイプの高温反応ゾーンの例示的な例は、図３に示される。図３に示されるように、三フッ化ホウ素反応ガスは、外側ハウジングの上端で高温反応ゾーンに入る。ハウジングの内部空間内には、逆カップ状バッフル構造体が配置され、逆カップ状バッフル構造体内には最終パス管状流路が配置され、ハウジング内の全空間には反応固体（ホウ素含有固体）が充填される。最終パス管状流路から、一フッ化ホウ素（ＢＦ）及び未反応三フッ化ホウ素は、ハウジングの下端で排出される。
[0065] 前述の考察と合致して、本開示の広義の実施で使用される反応固体は、粉末、顆粒、ペレット、小板、基材担体粒子上の固体膜などを含めて、任意のサイズの粒子又は不連続形態で提供されてもよい。それに加えて、固体反応粒子床の空隙体積を低減するために、かつ、固体反応粒子床を静止させるケーシングの単位体積あたりの反応固体の量を最大化するために、多モード粒子サイズ分布を利用することが可能である。
[0066] 固体中間体（ＢＦ）の凝縮のために使用されるより低温のゾーンでは、液体窒素を例示的な冷却剤として記載してきた。特定の用途では、液体酸素、液体ヘリウムなどを含む他の冷却媒体を利用することが可能であるが、これらに限定されるものではない。
[0067] 反応ガスが流動する反応固体接触ゾーンにグラファイト材料を使用すること、及び、そのようなグラファイト材料を反応温度に抵抗加熱するためにＲＦコイルを使用することに関して、コイルの間隔、直径、形状、複数のコイルの使用などが、加えられるＲＦ場のジオメトリ及び強度に影響を及ぼすことがわかるであろう。本明細書の開示に基づいて、当該技術の範囲内で、反応ゾーン内で反応固体と反応ガスとの反応生成物としてＢＦ中間体の効率的生成を達成するために、ＲＦコイルを適切に構築及び配置して、高温反応ゾーン内に有効な軸方向及び半径方向の温度プロファイルを提供することが可能である。
[0068] 一般的には、より低温の反応ゾーン（コールドトラップ）で生成された反応生成物を任意の好適な回収技術及びプロセスに付すことにより、所望の生成物を回収することが可能である。所望の生成物たとえばＢ２Ｆ４を高純度でかつ大量に取得するために、回収には、様々なタイプの精製方法が必要となり得る。たとえば、極低温蒸留及び／又はトラップツートラップ分離技術を用いることにより、より低温のゾーンからの最終生成物の回収を行うことが可能である。
[0069] より低温の反応ゾーンからの反応生成物成分の再循環は、本開示の特定の実施形態に有用であり得る。たとえば、より低温の反応ゾーンからの反応生成物混合物のＢｘＦｙ成分を加熱に付してそれを分解することにより、より低温の反応ゾーンの反応プロセスの回収副生成物として固体ホウ素を生成することが可能である。
[0070] さらに、より低温の反応ゾーンで生成された反応生成物混合物を同位体分離に付して、イオン注入手順などの用途にきわめて有用であり得る生成物として、天然存在度よりも１１Ｂが濃縮された四フッ化二ホウ素を提供することが可能である。そのような手順では、ＡＭＵ磁石分離を利用して１１Ｂ含有イオン又はイオンフラグメントを優先的に選択することにより、より高いイオンビーム電流などの改良を達成することが可能である。同位体濃縮された四フッ化二ホウ素はまた、プラズマ浸漬注入プロセス及び他のタイプのイオン注入で利用可能である。
[0071] より一般的には、本開示に係る装置及び方法は、１０Ｂ及び１１Ｂの一方が天然存在度よりも同位体濃縮されたさまざまなホウ素化合物を調製するために利用可能である。そのようなホウ素化合物は、イオン種、たとえば、Ｂ２Ｆ４ ＋、Ｂ２Ｆ３ ＋、Ｂ２Ｆ２ ＋、ＢＦ３ ＋、ＢＦ２ ＋、ＢＦ＋、Ｂ＋、Ｆ＋、Ｂ２Ｆ４ ＋＋、Ｂ２Ｆ３ ＋＋、Ｂ２Ｆ２ ＋＋、ＢＦ３ ＋＋、ＢＦ２ ＋＋、ＢＦ＋＋、Ｂ＋＋、Ｆ＋＋、Ｂ２Ｆ４ ＋＋＋、Ｂ２Ｆ３ ＋＋＋、Ｂ２Ｆ２ ＋＋＋、ＢＦ３ ＋＋＋、ＢＦ２ ＋＋＋、ＢＦ＋＋＋、Ｂ＋＋＋、及びＦ＋＋＋、並びにそれらの混合物（これらのうちのホウ素含有種は、１０Ｂ又は１１Ｂの天然存在度よりも同位体濃縮されている）よりなる群から選択される１種以上のイオン種を生成するイオン化に有用であり得る。
[0072] 反応ガスに接触させるホウ素固体を利用して、多種多様なタイプのホウ素含有化合物を合成することが可能であり、それらは任意の数のホウ素原子を含み得る。一実施形態では、ホウ素含有化合物は少なくとも２個のホウ素原子を含有する。別の実施形態では、ホウ素含有化合物は、Ｂ２Ｆ４などの二ホウ素化合物、三ホウ素化合物、（Ｆ２Ｂ）３ＢＣＯなどの四ホウ素化合物、五ホウ素化合物、六ホウ素化合物、七ホウ素化合物、八ホウ素化合物、九ホウ素化合物、十ホウ素化合物、十一ホウ素化合物、十二ホウ素化合物などから、フラーレンのＢ８０類似体などのＢ８０までの化合物を含めて、２〜８０個のホウ素原子を含有する。
[0073] 他の実施形態では、ホウ素含有化合物は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又は１１個のホウ素原子を含有し得る。そのほかの実施形態は、クラスターホウ素化合物を含み得る。さらに他の実施形態では、ホウ素含有化合物は、二ホウ素化合物であり得る。他の実施形態では、ホウ素含有化合物は、特定のホウ素含有化合物種以外の二ホウ素化合物、たとえば、ジボラン以外の二ホウ素化合物を含み得る。したがって、本開示では、本開示の広義の範囲内に含まれる多種多様なクラスのホウ素含有化合物が考えられることは、わかるであろう。
[0074] 本開示に係る同位体濃縮されたホウ素含有化合物の合成を含む一実施形態では、所望の同位体は、原子質量１０のホウ素であり、その天然存在濃度は、約１９．９％である。そのようなホウ素化合物では、原子質量１０のホウ素同位体の濃度は、特定の組成種で、たとえば、１９．９％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．９％、又は９９．９９％を上回ることが可能である。たとえば、原子質量１０のホウ素同位体の濃度は、２０〜２５％、２５〜３０％、３０〜３５％、３５〜４０％、４０〜４５％、４５〜５０％、５０〜５５％、５５〜６０％、６０〜６５％、６５〜７０％、７０〜７５％、７５〜８０％、８０〜８５％、８５〜９０％、９０〜９５％、９５〜９９％、又は９５〜９９．９％であり得る。他の実施形態では、原子質量１０のホウ素同位体の濃度は、２０〜３０％、３０〜４０％、４０〜５０％、５０〜６０％、６０〜７０％、７０〜８０％、８０〜９０％、又は９０〜９９％であり得る。これらの種々の実施形態のうちのいくつかの実施形態では、ホウ素含有化合物は２個のホウ素原子を含有する。本明細書の同位体パーセントはすべてモルパーセントである。
[0075] 本開示に係る同位体濃縮されたホウ素含有化合物の合成を含む別の実施形態では、所望の同位体は、原子質量１１のホウ素であり、その天然存在濃度は、約８０．１％である。そのようなホウ素化合物では、原子質量１１のホウ素同位体の濃度は、特定の組成種で、たとえば、８０．１％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．９％、又は９９．９９％を上回ることが可能である。たとえば、原子質量１１のホウ素同位体の濃度は、８１〜８５％、８５〜９０％、９０〜９５％、９５〜９９％、９５〜９９．９％であり得る。特定の実施形態では、原子質量１１のホウ素同位体の濃度は、８１〜９０％又は９０〜９９％であり得る。これらの種々の実施形態のうちのいくつかの実施形態では、ホウ素含有化合物は２個のホウ素原子を含有する。
[0076] 以上で説明した同位体濃縮されたホウ素含有化合物を含む種々の実施形態では、本開示に従って製造する場合、ホウ素含有化合物は、Ｂ２Ｆ４で示される化学式を有する。以上で説明した同位体濃縮されたホウ素含有化合物の合成の種々の他の実施形態では、ホウ素含有化合物は、任意の好適な数のホウ素原子、たとえば、３、４、５、６、７、８、９、１０、又は１１個のホウ素原子を含有し得る。
[0077] 本開示に従って製造されるホウ素含有化合物は、ホウ素含有化合物をイオン化させてホウ素イオンを生成してから基材中に注入する、イオン注入用の前駆体化合物としての使用を含めて、多種多様な用途で利用可能である。
[0078] 固体ホウ素と三フッ化ホウ素との反応による一フッ化ホウ素の生成に使用される高温反応器の表面上の堆積物の発生率は低いにもかかわらず、いくらかの残渣が長期間の運転にわたり反応器内で生成され蓄積されるので、反応器の定期的な洗浄が必要となろう。そのような洗浄は、任意の好適な洗浄剤を用いて任意の好適な方式で実施されることが可能である。種々の実施形態では、反応器表面の洗浄は、フッ素、二フッ化キセノン、三フッ化窒素などの気相洗浄剤を用いて、そのような洗浄剤のプラズマ活性化を併用して又は併用せずに、実施されることが可能である。
[0079] 本開示に係るより低温の反応ゾーンは、下流のポンプ、コンプレッサ、又は他の流路要素に有害であり得る種などの反応生成物混合物の特定の成分を除去するために、種々の方法で拡張可能である。生成物の回収のために、複数のトラップを備えてもよい。
[0080] 特定の装置配置では、本開示に係る高温集合体を反応キャビティが取り付けられるシャフトにより懸架し、そのようなシャフトがキャビティの加熱と同時に加熱されるように配置されてもよい。これは、反応ガスＢＦ３の予備加熱に有利であり得る。また、そのような予備加熱は、反応ガスの温度を所望のレベルに上昇させる専用のヒータ又は熱交換装置によりさらに拡張されてもよい。
[0081] 本開示に係る反応器系は、反応固体に接触させて中間生成物を生成し、中間体の後続反応により最終生成物を得るために、供給ガスの処理時に所望の運転条件を達成すべく、任意の好適なモニタ要素及び制御要素、集合体、並びに配置を利用することができる。たとえば、コールドトラップの圧力をモニタして、トラップ内を一定した低真空状態に確実に維持することが可能であり、また、マスフローコントローラ、流量制御バルブ、流量制限オリフィス要素、ガス流量調整器、圧力スイッチなどの流量制御器を利用して、反応固体に接触させるためのより高温の反応ゾーンへの反応ガスの流動を調整してもよい。一般的には、適切な特性の中間生成物及び最終生成物が得られるように、反応器系を有利に操作する役割を担う任意の好適なモニタ装置及び制御装置を配設することができる。
[0082] したがって、反応固体接触反応ゾーン内さらには最終生成物の生成に利用される中間生成物処理ゾーン内の温度及び圧力を制御するために、モニタ要素及び制御要素、集合体、並びに配置を利用することが可能である。他の選択肢として、プロセス系の有利な動作を達成すべく、他のモニタ方式及び制御方式を利用して、他のシステム変数及びパラメータを調整してもよい。
[0083] より高温の反応ゾーンで使用される反応固体は、任意の適切なタイプであり得る。四フッ化二ホウ素などのホウ素化合物の生成では、固体ホウ素を好適な固体反応剤として例示的に記載してきた。他の実施形態では、ホウ素金属以外の反応固体を接触に使用することが望ましいこともある。たとえば、炭化ホウ素、ケイ化ホウ素、又は他のホウ素化合物は、最終生成物を生成するために後続処理される中間生成物を生成するための反応固体として有用であり得る。
[0084] したがって、本開示を多種多様な形態で実施し得ることがわかる。本開示に係る装置及び方法の種々の態様及び特徴を以下にまとめる。
[0085] 一態様では、本開示により、
中間種の生成に有効な温度及び圧力の条件下で気体反応剤を固体材料に接触させる反応領域と、
気体反応剤の未反応部分及び中間種を反応領域から送出することを許容する開口と、を備える装置が考えられる。ここで、開口は、装置の動作時にその閉塞を防止するように構成される。
[0086] 特定の実施形態では、開口は、反応領域からの中間種及び未反応気体反応剤の排出に適合するように、単一の開口により又はその代わりに複数の開口により、種々に構成されてもよい。開口は、たとえば、中間種と未反応気体反応剤とをさらに反応させて最終生成物を生成するさらなる反応器への、中間種及び未反応気体反応剤の特定の排出を可能にする、管腔又は通路又は他の構造構成体により、構成されてもよい。
[0087] そのような装置は、反応領域内を所定の温度及び圧力の条件に設定維持すべく、たとえば、反応領域の圧力を所定の範囲内に及び／又は反応領域の温度を１０００℃〜２２００℃の範囲内に設定維持すべく、構築配置されたプロセス制御系を含み得る。反応領域内の圧力は、任意の好適なレベルに維持されることが可能である。種々の実施形態では、反応領域内の圧力は、１０−６〜１，０００ｔｏｒｒの範囲内、より好ましくは０．１０ｔｏｒｒ〜１０ｔｏｒｒの範囲内であり得る。反応領域内には、上流部分からその下流部分に圧力勾配が存在する。反応領域が円筒形態の反応器ハウジングの内部空間内に存在する特定例では、円筒の出口の圧力は、種々の実施形態では、１０−２〜１０−３ｔｏｒｒの範囲内であり得る。
[0088] 気体反応剤の流量は、中間生成物の適切な生成レベルを提供するように選択可能である。気体反応剤が三フッ化ホウ素である一実施形態では、流量は、５００ｓｃｃｍ〜１２００ｓｃｃｍの範囲内、さらにはより効率的な冷却を行ってより高い範囲内にすることが可能であり、流動方向は、反応固体との接触を最適化すべく変更されることが可能である。大きなサイズの反応器にスケールアップする場合、それに対応してより大きい流量のＢＦ３を利用することが可能である。
[0089] 装置はさらに、反応領域を加熱するための熱源を含み得る。たとえば、熱源は、伝導加熱、誘導加熱、対流加熱、抵抗加熱、及び輻射加熱のうちの少なくとも１つを含む加熱方式により反応領域内を所定の温度に維持するように構成されることが可能である。そのような観点から、熱源は、反応領域内を反応領域内での材料の堆積及び／又は凝縮を防止するのに有効な温度に維持するように、たとえば、反応領域内を１０００℃〜２２００℃の範囲内の温度に維持するように、構成されることが可能である。
[0090] 特定の実施形態では、反応領域からの中間体及び未反応気体反応剤の排出に利用される開口は、そのような開口での凝縮可能又は固化可能な材料の蓄積を防止するために、所定の温度に加熱されてもよい。
[0091] 中間体の生成に使用される装置は、反応領域を含む又は反応領域内に含まれる反応チャンバを含み得る。そのような反応チャンバは、その表面に沿って形成された複数の開口部を含み得る。以上で考察したように、複数の開口は、所定の方向に沿って変化可能なサイズ、たとえば、所定の方向に沿って増加するサイズ又は所定の方向に沿って減少するサイズを有してよい。反応チャンバは、グラファイトを含む材料で形成されることが可能である。特定の実施形態の装置は、気体反応剤を反応チャンバに流動させるガス流動通路を含み得る。
[0092] この装置では、以上に挙げた開口は、気体反応剤の導入方向と同軸状であり得るか、又は他の選択肢として、非同軸状であり得る。
[0093] 装置の特定の実施形態では、気体反応剤はＢＦ３を含み、固体材料はホウ素金属を含む。ＢＦ３は、１０Ｂ又は１１Ｂが同位体濃縮されたＢＦ３を含み得る。独立して、ホウ素金属又は他の反応ホウ素含有材料は、１０Ｂ又は１１Ｂが同位体濃縮されたものであり得る。
[0094] この装置では、固体材料は、離散粒子の形態をとり得る。そのような離散粒子は、サイズ及び形状が調整されていない離散粒子により行われる接触の程度と対比して、気体反応剤との接触を促進すべく、サイズ及び形状を調整することが可能である。離散粒子は、球形状、円柱形状、不規則形状、立方体形状、円錐形状、円盤形状、顆粒形状、及びそれらの組合せよりなる群から選択される形状を有する粒子を含み得る。
[0095] この装置では、固体反応剤は、顆粒形態又は粉末形態をとり得る。
[0096] 以上で説明した装置の実施形態のいずれにおいても、装置はさらに、中間種と気体反応剤の未反応部分との反応を行って反応生成物を生成するための低減温度領域を含み得る。そのような装置は、低減温度領域内を所定の温度及び圧力の条件に設定すべく、たとえば、極低温領域の温度及び真空圧領域の圧力に設定すべく、配置されたプロセス制御系を含み得る。
[0097] この装置では、低減温度領域は液体窒素により冷却されることが可能である。
[0098] 低減温度領域を冷却するために装置に冷却器をさらに組み込んで、低減温度領域の表面で又は表面上で中間種と気体反応剤の未反応部分との反応が行われるように、装置を配置することが可能である。装置は、追加として又は他の選択肢として、気体反応剤及び中間種が凝縮を起こすように配置されることが可能である。
[0099] 装置はさらに、追加の気体反応剤を低減温度領域内に流動させて、そこでの反応を所望の反応生成物に向かって推進するための通路を含み得る。
[0100] 低減温度領域の表面で又は表面上で中間種と気体反応剤の未反応部分との反応が行われる装置では、装置はさらに、低減温度領域を冷却するための表面上の又は表面に関連付けられた拡張表面構造を含み得る。
[0101] 装置はまた、低減温度領域が、中間種と気体反応剤の未反応部分との反応で生成された混合物から反応生成物を回収するための回収装置を含むように、配置構成されることが可能である。そのような回収装置は、一実施形態では、極低温蒸留装置を含む。別の実施形態では、低減温度領域は、コールドトラップを含み、回収装置は、少なくとも１つの追加のコールドトラップを含む。反応領域の少なくとも１つの成分が低減温度領域から熱的に単離されるように、装置を配置することが可能である。
[0102] ホウ素含有組成物又はホウ素含有残渣、たとえば、ＢＦ３及びＢ２Ｆ４の少なくとも一方を含有するホウ素含有組成物を内部に含むように、装置を構成することが可能である。
[0103] 反応領域及び低減温度領域が、それぞれ、互いにガス流動連通状態で連結された反応チャンバにより画定されるように、装置を配置構成してもよい。
[0104] 気体反応剤と固体材料とのマルチパス接触を行うべく反応領域を配置して、装置を構築することが可能である。
[0105] 装置の動作を中断することなく所定の反応領域内の固体材料の補充を可能にするように構成された２以上の反応領域を含むように、装置を配置構成することが可能である。そのような装置では、離間した関係で、たとえば、等間隔に離間した関係で、２以上の反応領域を配置することが可能である。２以上の反応領域は、低減温度領域の内部キャビティと流体流動連通状態で配置構成されることが可能であり、低減温度領域の外表面から半径方向外向きに延在することが可能である。
[0106] 本開示ではまた、中間生成物と反応ガスとの反応生成物として最終生成物を生成する方法が考えられる。ここで、中間生成物は、反応ガスと反応固体との気体反応生成物であり、そのような方法は、第１の反応ゾーンで反応ガスと反応固体との反応を行うことと、第２の反応ゾーンで反応ガスと中間生成物との反応を行うことと、を含み、第１の反応ゾーンでの反応ガスと反応固体との反応は、可逆的であり、未反応の反応ガス及び中間生成物は、制御速度で又は制御下で第２の反応ゾーンに流動させられる。
[0107] そのような方法では、第１の反応ゾーンは１０００℃〜２２００℃の範囲内の温度で動作可能であり、第２の反応ゾーンは極低温で動作可能である。
[0108] 反応ガス及び中間生成物を第１の反応ゾーンの長さに沿って離間した間隔の第２の反応ゾーンに流動させる形で、この方法を行ってもよい。
[0109] この方法の特定の実施形態では、反応ガスは三フッ化ホウ素を含み、反応固体はホウ素を含み、中間生成物は一フッ化ホウ素を含み、最終生成物は四フッ化二ホウ素を含む。
[0110] 特定の実施形態では、反応ガス及び反応固体の少なくとも一方が、１０Ｂ及び１１Ｂの少なくとも一方が天然存在度よりも同位体濃縮されたホウ素含有材料を含む形で、この方法を行ってもよい。ホウ素含有材料は、たとえば、１０Ｂが天然存在度よりも同位体濃縮されたものであっても、１１Ｂが天然存在度よりも同位体濃縮されたものであってもよい。
[0111] 第１及び第２の反応ゾーンの少なくとも一方を定期的に洗浄することを含む形で、本開示に係る方法を実施してもよい。そのような洗浄は、たとえば、洗浄剤として二フッ化キセノンの使用を含み得る。
[0112] 第２の反応ゾーンでの反応ガスと中間生成物との反応により生成される反応混合物からの最終生成物の回収を含むように、この方法を行ってもよい。Ｂ２Ｆ４のそのような回収及び精製は、最終生成物の極低温蒸留又はトラップツートラップ回収を含み得る。
[0113] 図４及び図５は、粗Ｂ２Ｆ４含有反応生成物混合物の純度を増加させるべく使用することができる本開示の一実施形態に係る例示的なトラップツートラップ回収装置を示している。粗反応生成物混合物は、たとえば、２５重量％のＢ２Ｆ４と７５重量％のＢＦ３とを含有し得る。図４に示される装置は、そのような粗反応生成物混合物を処理して、Ｂ２Ｆ４の純度を２５％の初期純度から９０％の純度に増加させるべく、利用されてもよく、その後、９０％の純度のＢ２Ｆ４／ＢＦ３混合物を図５に示される装置によりさらに処理して、Ｂ２Ｆ４の純度を９０％の初期値から９９．９％の純度に増加させることが可能である。
[0114] 図４の装置では、流量制御バルブＡＶ−１２を含有する入口ラインを介して、粗反応生成物Ｂ２Ｆ４／ＢＦ３混合物（「反応器から」）をトラップ１の槽３０内に流入させる。トラップ１は、ＢＦ３よりもＢ２Ｆ４を優先的に凝縮させるのに好適な温度に保持される。次に、Ｂ２Ｆ４の優先的捕獲を持続するために、トラップ１内への最適なガス混合物流動を提供し得る圧力で反応器を動作させる。トラップ１の槽３０から、ガス混合物は、バルブＡＶ−１３を含有する排出ラインに流入して、槽バイパスバルブＡＶ−９、ＡＶ−１０、及びＡＶ−１１を含有する、かつ、それぞれバルブＡＶ−２２及びＡＶ−２５を含有するベント／リサイクルラインに連結された、マニホールドラインに入る。
[0115] トラップ１を通過したＢ２Ｆ４を捕獲するために、トラップ１からマニホールドライン中へのガス混合物は、流量制御バルブＡＶ−１４を含有する入口ラインに流入して、トラップ２の槽３２内に入り、トラップ２の槽３２から、ガス混合物は、バルブＡＶ−１５を含有する排出ラインに流入して、マニホールドラインに入り、次いで、流量制御バルブＡＶ−１６を含有する入口ラインに流入して、トラップ３の槽３４内に入る。トラップ２及びトラップ３は、Ｂ２Ｆ４を優先的にさらに凝縮させるのに好適な温度に保持される。次いで、実質的にＢＦ３からなるＢ２Ｆ４枯渇ガスは、槽３４から、バルブＡＶ−１７を含有する排出ラインに流入して、マニホールドラインに入り、そこから、ＢＦ３捕集槽４４に流動する（バルブＡＶ−１９及びＭＶ−３は、そのような目的で開放され、かつバルブＡＶ−９、ＡＶ−１０、ＡＶ−１１、ＡＶ−１８、ＡＶ−２２、及びＡＶ−２５は、トラップ１〜３を通じた粗反応器流出物ガス混合物の流動時、閉鎖される）。
[0116] ＢＦ３捕集槽は、トラップ１〜３を通じた粗反応器流出物ガス混合物のそのような直列流動時、ＢＦ３の凝縮に好適な温度に維持される。トラップ１〜３を通じた粗反応器流出物ガス混合物の直列流動時、Ｂ２Ｆ４及びＢｘＦｙは、３つのトラップ内に固体として捕獲され、ＢＦ３は、ＢＦ３捕集槽内に捕獲されるまで流動する。このプロセスは、粗反応器流出物のすべてが反応器から移動するまで継続される。
[0117] 図４の系への粗反応器流出物移動が終了した後、さらなる流動に対して反応器を閉鎖し、ＢＦ３捕集槽のバルブヘッド集合体のバルブを閉鎖する。１つ又は複数のＢ２Ｆ４捕集槽（槽３６、３８、４０、及び４２を含む槽アレイとして図４に示される）は、−１９５℃の温度に冷却維持される。
[0118] 次いで、固体Ｂ２Ｆ４が気化してＢ２Ｆ４捕集槽内に流入し、トラップ内部のＢｘＦｙ化合物の大部分が残存するように、槽３０、３２、及び３４を含む３つのトラップを徐々に加温する。槽アレイ中のＢ２Ｆ４捕集槽は、トラップ系から抽出されたＢ２Ｆ４で逐次的に又は同時に充填することができる。トラップ内に凝縮されたＢ２Ｆ４の純度は、トラップ温度、反応器圧力、及びライン設計、たとえば、チューブ直径、トラップアスペクト比などを変化させることにより、最適化可能であるが、９０％超の純度が慣例的に達成される。
[0119] 続いて、ＢｘＦｙ化合物を含有するトラップをさらに加温してそのような化合物を回収することができ、次いで、再循環させるか、さらに処理するか、又は他の処分もしくは使用に付すことができる。
[0120] 他の選択肢として、追加のトラップ系を反応器から蒸発するガス混合物とインラインで設置して、ＢｘＦｙの優先的な捕獲に最適な温度に冷却することが可能である。
[0121] 続いて、純度９０％＋のＢ２Ｆ４は、図５に示される装置で処理することにより、より高純度に精製される。純度９０％＋のＢ２Ｆ４が充填された後、Ｂ２Ｆ４捕集槽は、図４の系の捕集マニホールドから取り出され、ＢＦ３の飽和蒸気圧とＢ２Ｆ４の飽和蒸気圧と比がＢＦ３の効果的な選択除去に最適である温度に冷却維持される。
[0122] 図５は、冷浴チャンバ５２内の例示的なＢ２Ｆ４捕集槽５４を示している。冷浴チャンバ５２は、寒剤を充填可能であるか、さもなければＢ２Ｆ４濃度を低減させてＢＦ３の優先的な取出しを可能にする適切なレベルにＢ２Ｆ４捕集槽の温度を維持すべく冷却可能である。次いで、槽５４のバルブヘッド集合体５５のバルブを開放し、ＢＦ３濃縮ガス混合物を排出ライン５６に通してかつ貫流制御バルブ６０に通して、トラップチャンバ７０、７２、及び７４の一連の槽内に流入させる。トラップチャンバは、冷却剤を含有するか、さもなければＢＦ３と共に捕集槽から取り出されたＢ２Ｆ４の優先的な再捕獲に好適なレベルに内部の槽の温度を維持すべく冷却される。ここで、トラップチャンバ７０は、槽６４及び６６を含有し、トラップチャンバ７２は、槽７６及び７８を含有し、トラップチャンバ７４は、槽８０及び８２を含有する。それぞれの槽は、マニホールドブロック８６によりマニホールド配置で相互接続され、トラップチャンバ内のそれぞれの槽は、流路接続される。
[0123] ９０％＋のＢ２Ｆ４含有ガス混合物中の少量のＢＦ３は、それぞれのトラップ及びマニホールドブロック８６流路を介してライン８８（流量制御バルブ９０及び９２を含有する）に流入させられ、最終的には、そのような目的で槽９６のバルブヘッド９４のバルブを開放して、冷浴チャンバ９８内のＢＦ３捕獲槽９６に送ることにより、捕獲される。冷浴チャンバは、冷却剤を含有するか、さもなければＢＦ３捕獲槽９６の温度がＢＦ３凝縮に最適なレベルに維持されるように冷却される。
[0124] 次に、系を分離し、それぞれの槽を閉鎖し、その後、Ｂ２Ｆ４捕集槽を室温に加温する。
[0125] その後、Ｂ２Ｆ４の所望の純度が達成されるまで、以上のサイクルを繰り返した。そのような目的で回収されたＢ２Ｆ４の純度は、ＦＴ−ＩＲ分析器などの任意の好適な分析技術又は分析機器により分析可能である。図５のプロセス系により、９０％＋のＢ２Ｆ４ガス純度を９９％＋に増加させることが可能である。
[0126] 別の実施形態では、たとえば、ビームラインイオン注入装置又はプラズマ浸積イオン注入系で使用すべく、最終生成物を前駆体として利用してイオン注入種を発生させることが可能である。プラズマ浸積イオン注入は、ＰＬＡＤ又はＰｉｉｉと呼ばれることもある。そのようなイオン注入種は、基材に注入されることが可能である。プラズマ注入系では、特定の同位体を選択するために質量分析計は使用されず、プラズマ中で発生されたすべての同位体が注入される。
[0127] プラズマ注入系では、ホウ素が同位体濃縮された前駆体又は他の前駆体種を用いた同位体種の制御分布による利点を得ることが可能である。前駆体材料に由来する同位体の分布を制御することにより、繰返し精度の向上及びプロセス制御の改良を実現することができる。プラズマ注入プロセスではまた、三フッ化ホウ素と対比して四フッ化二ホウ素の分離能の向上による利点を得ることができる。したがって、同位体濃縮された四フッ化二ホウ素は、それが使用される種々の実施形態で有意な動作上の利点を提供し得る。
[0128] 本開示の他の態様は、二段階反応スキーム、すなわち、
ＢＦ３＋Ｂ→ＢＦ（高温） （１）
ＢＦ＋ＢＦ３→Ｂ２Ｆ４＋ＢｘＦｙ（低温） （２）
によりＢ２Ｆ４を生成する場合、Ｂ２Ｆ４生成での重質フッ化ホウ素の即時分解を防止する方法に関する。この場合、反応（１）は、一フッ化ホウ素（ＢＦ）の生成に向かって反応をシフトさせるように、及び、反応（２）に十分なＢＦ３を提供するように、ＢＦ３を化学量論的に大過剰で用いて、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）を単体ホウ素固体床に通して流動させることにより、高温で行われ、反応（２）は、Ｂ２Ｆ４のほかに、一般式ＢｘＦｙで示される重質フッ化ホウ素を副生成物として生成するように、低温たとえば極低温で行われる。ＢｘＦｙ副生成物は、たとえば、Ｂ３Ｆ５及びＢ８Ｆ１２さらにはｘ＞８かつｙが含まれる組成物に対する任意の適切な化学量論値を有する化合物を含み得る。
[0129] Ｂ３Ｆ５は−５０℃超で不安定であり、かつ温度＞−２０℃でＢ３Ｆ５の分解は激しくなり得ることが知られている。Ｂ８Ｆ１２もまた分解するが、その分解はそれほど高エネルギー的でない。他のＢｘＦｙ組成物は、緩徐な分解を受けて、Ｂ２Ｆ４やＢＦ３などのより軽質のフッ化ホウ素及びより重質の高分子量ＢｘＦｙ組成物になり、最終的には、ホウ素金属になる。
[0130] 本開示に係るＢ２Ｆ４生成は、反応（１）及び（２）を同一の反応器の異なる部分で同時に行って、バッチプロセスモードで実施可能である。バッチプロセスの終了時、反応生成物及び未反応ＢＦ３は、反応器から取り出され、Ｂ２Ｆ４を分離すべくさらに処理される。Ｂ２Ｆ４とＢＦ３とを含有する反応生成物ストリームを、さまざまな温度で冷却された一連の槽に通して、ＢＦ３からＢ２Ｆ４を捕獲分離することを含むトラップツートラップ方法により、生成物抽出時、ＢＦ３の部分分離を行うことが可能である。直列連結槽の集合体の設計に依存して、同一の捕獲槽内でＢ２Ｆ４として又は異なる槽内で、ＢｘＦｙを蓄積することが可能である。さらなる処理は、捕獲槽を加温してＢ２Ｆ４の蒸発を可能にし、続いて、さらなる処理のために一時的槽内にそれを再捕獲することを含む。
[0131] 新たに捕獲された大量のＢｘＦｙを有する槽の加温時、図６に示されるように、特定の温度に達すると、圧力及び温度の同時偏倚が起こり得る。そのような偏倚の気体及び固体の生成物の分析から、ＢＦ３が主な気体生成物であり、単体ホウ素を含む黒色粉末が固体生成物であることが示唆される。
[0132] 付随する圧力及び温度の急上昇により、圧力感受性の装置が損傷し得るので、及び／又は、さらにはガス放出を引き起し得るので、ＢｘＦｙのそのような同時分解には問題がある。さらに、形成された単体ホウ素は、プロセス系を通って輸送され、ラインの閉塞及び粒子感受性のプロセス系要素の損傷を引き起し得る。またさらに、ＢｘＦｙの高エネルギー分解により、意図された生成物Ｂ２Ｆ４の分解及び損失を引き起し得る。
[0133] 本開示では、ＢｘＦｙを含有する槽の加温速度を制御することにより、ＢｘＦｙの同時分解の発生及び速度を阻止又は少なくとも有意に低減する方法が考えられる。一実施形態では、ＢｘＦｙを含有する槽の温度を０〜２℃に上昇させ、次いで、氷を含有する水浴中に槽を浸漬する。そのような制御加温の結果は、図７に示される。そのような図に示されるように、無制御加温時に観測される温度の急上昇は回避され、圧力上昇は実質的に低減される。同一の系の他の試験では、圧力上昇は観測されなかった。そのような制御加温プロセスの槽は、有利には、水浴中に一晩維持されて、＋１０℃〜＋２０℃の温度への非常に緩徐な加温が施され、その後、槽は、Ｂ２Ｆ４分離の他のサイクルに使用される。
[0134] したがって、制御加温の結果、槽内のＢｘＦｙの全物質の分解を開始させることなく、より不安定な重質フッ化ホウ素のかなり緩徐な分解が起こる。制御加温が行われるプロセス系で使用される装置の検査及び試験から、粒子の生成の有意な減少が制御加温により達成されることが確認された。制御加温時の低レベルの粒子生成により、それに対応して、プロセス系の閉塞の可能性が低減される。特定的には、固体生成に起因するバルブ損傷を４０〜６０％から７〜１５％のレベルに、ある場合にはゼロに低減することが可能である。
[0135] したがって、本開示では、中間生成物と反応ガスとの反応生成物として最終生成物を生成する方法が考えられる。この場合、中間生成物は、反応ガスと反応固体との気体反応生成物である。そのような方法は、第１の反応ゾーンで反応ガスと反応固体との反応を行うことと、第２の反応ゾーンで反応ガスと中間生成物との反応を行うことと、を含む。この場合、第１の反応ゾーンでの反応ガスと反応固体との反応は、可逆的である。この方法はさらに、第２の反応ゾーンでの反応ガスと中間生成物との反応により生成された反応混合物から最終生成物を回収することを含む。たとえば、最終生成物の極低温蒸留及び／又はトラップツートラップ回収を含む。そのような方法では、第２の反応ゾーンでの反応ガスと中間生成物との反応により、式ＢｘＦｙ〔式中、ｘ＞２かつｙはｘと合致する任意の化学量論値を有する〕で示されるフッ化ホウ素が生成される。この方法は、たとえば、０℃〜２℃の範囲内の温度に加温してから、１０℃〜２０℃の範囲内の温度に緩徐な加温を行うことにより、同時分解を引き起こすことなく式ＢｘＦｙで示されるフッ化ホウ素の回収又は除去を行うことを含む。
[0136] そのようなことに関連して用いられる場合、「１０℃〜２０℃の範囲内の温度への緩徐な加温」という用語は、０℃〜２℃の範囲内の初期温度から１０℃〜２０℃の範囲内の温度への温度上昇が、少なくとも６時間にわたる実質的に漸進的な温度上昇により行われることを意味する。
[0137] それに対応して、本開示では、周囲温度への平衡化時、式ＢｘＦｙ〔式中、ｘ＞２かつｙはｘと合致する任意の化学量論値を有する〕で示される極低温フッ化ホウ素の同時分解を抑制する方法が考えられる。前記方法は、極低温フッ化ホウ素を０℃〜２℃の範囲内の温度に加温し、その後、１０℃〜２０℃の範囲内の温度に緩徐な加温を行うことを含む。
[0138] 種々の態様、実現形態、及び実施形態に関して、装置及び方法を説明してきたが、そのような態様、実現形態、及び実施形態がいずれも、本開示の任意の他の態様、実現形態、及び実施形態との任意の組合せで存在可能であることは、わかるであろう。したがって、本開示は、個別に又は特定的に記載された適合する特徴のすべての順列及び組合せを、そのような特徴の対応する集合内に包含するとみなされるものとする。さらに、本開示に係る装置及び方法の特定の実現形態では、そのさらなる実施形態として、本明細書に特定的に開示された個々の特徴のいずれか１以上が、本明細書に開示された任意の他の特徴又は特徴の組合せから選択的に排除されてもよいことは、わかるであろう。
[0139] 以上のように、特定の態様、特徴、及び例示的実施形態に関して、本開示を本明細書に記載してきたが、本明細書に開示された装置及び方法が、そのように限定されるものではなく、本開示の分野の当業者であれば、本明細書の説明に基づいて自明なことであろうが、多数の他の変形形態、変更形態、及び代替実施形態に拡張され、それらを包囲することは、わかるであろう。したがって、以下で特許請求される本発明は、広義に解釈され、その趣旨及び範囲内にそのような変更形態、修正形態、及び他の選択肢の実施形態をすべて包含すると解釈されるものとする。

Claims (61)

  1. 中間種の生成に有効な温度及び圧力の条件下で固体材料に気体反応剤を接触させる反応領域と、
    前記気体反応剤の未反応部分及び前記中間種が前記反応領域から出ることを許容する開口であって、任意選択的に、装置の動作時に当該開口の閉塞を防止するように構成された開口と、を備える装置。
  2. 前記反応領域内で選択された温度及び圧力の条件を達成するように配置構成されたプロセス制御系を備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記プロセス制御系は、前記反応領域内の圧力を１０−６〜１，０００ｔｏｒｒの範囲内に及び／又は前記反応領域内の温度を１０００℃〜２２００℃の範囲内に設定して維持するように構成配置されている、請求項２に記載の装置。
  4. 前記反応領域を加熱する熱源と、前記気体反応剤に接触する前記固体材料の量を保持するように構成された反応チャンバと、をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  5. 前記熱源が、伝導加熱、誘導加熱、対流加熱、抵抗加熱、及び輻射加熱の少なくとも１つを含む加熱方式により前記反応領域内を既定の温度に維持するように構成されている、請求項４に記載の装置。
  6. 前記熱源は、前記反応領域内の材料の堆積及び／又は凝縮の防止に有効な前記反応領域内の温度空間プロファイル及び時間プロファイルを維持するように構成されている、請求項５に記載の装置。
  7. 前記反応領域内で維持された温度が１０００℃〜２２００℃の範囲内である、請求項６に記載の装置。
  8. 凝縮可能又は固化可能な材料の積み上げを防止するために前記開口が既定の温度に加熱される、請求項１に記載の装置。
  9. 反応チャンバを備える、請求項１に記載の装置。
  10. 前記反応チャンバの表面に沿って形成された複数の開口を備える、請求項９に記載の装置。
  11. 前記複数の開口が、既定の方向に沿って変化可能なサイズを有する、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記開口のサイズが前記既定の方向に沿って増加する、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記開口のサイズが前記既定の方向に沿って減少する、請求項１１に記載の装置。
  14. 前記開口が前記気体反応剤の導入方向と同軸状である、請求項１に記載の装置。
  15. 前記開口が前記気体反応剤の導入方向と同軸状でない、請求項１に記載の装置。
  16. 前記気体反応剤がＢＦ３を含み、前記固体材料がホウ素金属を含む、請求項１に記載の装置。
  17. 前記ＢＦ３が、１０Ｂ又は１１Ｂが同位体濃縮されたＢＦ３を含む、請求項１６に記載の装置。
  18. 前記ホウ素金属が、１０Ｂ又は１１Ｂが同位体濃縮されたホウ素金属を含む、請求項１６に記載の装置。
  19. 前記反応チャンバが、グラファイトを含む材料から形成されている、請求項９に記載の装置。
  20. 前記気体反応剤を前記反応チャンバに流動させるためのガス流動通路を備える、請求項９に記載の装置。
  21. 前記固体材料が離散粒子の形態をとる、請求項１に記載の装置。
  22. 前記離散粒子が、サイズ及び形状が調整されていない離散粒子により行われる接触の程度と対比して前記気体反応剤との接触を促進すべくサイズ及び形状が調整されている、請求項２１に記載の装置。
  23. 前記離散粒子が、球形状、円柱形状、不規則形状、立方体形状、円錐形状、円盤形状、顆粒形状、及びそれらの組合せよりなる群から選択される形状を有する粒子を含む、請求項２１に記載の装置。
  24. 前記固体反応剤が顆粒又は粉末の形態をとる、請求項１に記載の装置。
  25. 前記中間種と前記気体反応剤の未反応部分との反応を行って反応生成物を生成するための低減温度領域をさらに含む、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
  26. 前記装置が、前記低減温度領域内で選択された温度及び圧力の条件を達成するように配置構成されたプロセス制御系を含む、請求項２５に記載の装置。
  27. 前記選択された温度及び圧力の条件が極低温領域の温度及び真空圧領域の圧力を含む、請求項２６に記載の装置。
  28. 前記中間種と前記気体反応剤の未反応部分との反応が前記低減温度領域の表面で又は表面上で行われる、請求項２５に記載の装置。
  29. 前記気体反応剤及び前記中間種が縮合反応を起こすように配置構成されている、請求項２５に記載の装置。
  30. 前記低減温度領域が液体窒素により冷却される、請求項２５に記載の装置。
  31. 追加の気体反応剤を前記低減温度領域内に流動させて、所望の反応生成物に向かって反応させるための通路をさらに含む、請求項２５に記載の装置。
  32. 前記中間種と前記気体反応剤の未反応部分との反応が、前記低減温度領域の表面で又は表面上で行われ、前記低減温度領域を冷却するための表面上の又は表面に関連付けられた拡張表面構造をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
  33. 前記中間種と前記気体反応剤の未反応部分との反応が前記低減温度領域の表面で又は表面上で行われ、前記低減温度領域を冷却する冷却器をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
  34. 前記低減温度領域が、前記中間種と前記気体反応剤の未反応部分との反応で生成された反応混合物から前記反応生成物を回収するための回収装置を備える、請求項２５に記載の装置。
  35. 前記回収装置が極低温蒸留装置を備える、請求項３４に記載の装置。
  36. 前記低減温度領域がコールドトラップを備え、前記回収装置が少なくとも１つの追加のコールドトラップを備える、請求項３４に記載の装置。
  37. 前記反応領域の少なくとも１つの要素が前記低減温度領域から熱的に分離される、請求項２５に記載の装置。
  38. 内部にホウ素含有組成物又はホウ素含有残渣を含む、請求項１に記載の装置。
  39. 前記ホウ素含有組成物がＢＦ３及びＢ２Ｆ４の少なくとも一方を含有する、請求項３８に記載の装置。
  40. 前記装置の動作を中断することなく、選択された反応領域内の前記固体材料の補充を可能にするように構成された２以上の反応領域を備える、請求項１に記載の装置。
  41. 前記２以上の反応領域が、離間した関係で配置されるか、又は、前記２以上の反応領域が、等間隔に離間した関係で配置される、請求項４０に記載の装置。
  42. 前記２以上の反応領域が、前記低減温度領域の内部キャビティと流体流動連通状態で配設され、前記低減温度領域の外表面から半径方向外向きに延在する、請求項４０に記載の装置。
  43. 前記反応領域が、前記気体反応剤と前記固体材料とのマルチパス接触を行うように配置構成されている、請求項１に記載の装置。
  44. 前記反応領域及び前記低減温度領域が、それぞれ、互いにガス流動連通状態で連結された反応チャンバにより画定される、請求項２５に記載の装置。
  45. 中間生成物と反応ガスとの反応生成物として最終生成物を生成する方法であって、前記中間生成物が、前記反応ガスと反応固体との気体反応生成物であり、前記方法が、第１の反応ゾーンで前記反応ガスと前記反応固体との反応を行うことと、第２の反応ゾーンで前記反応ガスと前記中間生成物との反応を行うことと、を含み、前記第１の反応ゾーンでの前記反応ガスと前記反応固体との反応が可逆的である、方法。
  46. 前記第１の反応ゾーンが１０００℃〜２２００℃の範囲内の温度で動作させられ、前記第２の反応ゾーンが極低温で動作させられる、請求項４５に記載の方法。
  47. 反応ガス及び中間生成物が、前記第１の反応ゾーンの長さに沿って離間した間隔の第２の反応ゾーンに流動させられる、請求項４５に記載の方法。
  48. 前記反応ガスが三フッ化ホウ素を含み、前記反応固体がホウ素を含み、前記中間生成物がフッ化ホウ素を含み、前記最終生成物が四フッ化二ホウ素を含む、請求項４５に記載の方法。
  49. 前記反応ガス及び前記反応固体の少なくとも一方が、１０Ｂ及び１１Ｂの一方が天然存在度よりも同位体濃縮されたホウ素含有材料を含む、請求項４５に記載の方法。
  50. 前記ホウ素含有材料が、１０Ｂが天然存在度よりも同位体濃縮されている、請求項４９に記載の方法。
  51. 前記ホウ素含有材料が、１１Ｂが天然存在度よりも同位体濃縮されている、請求項４９に記載の方法。
  52. 前記最終生成物が、イオン注入種を生成するための前駆体として利用される、請求項４５に記載の方法。
  53. 前記イオン注入種が基材中に注入される、請求項５２に記載の方法。
  54. 前記第１及び第２の反応ゾーンの少なくとも一方を定期的に洗浄することをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
  55. 前記定期的洗浄が、洗浄剤としての二フッ化キセノンの使用を含む、請求項５４に記載の方法。
  56. 前記第２の反応ゾーンでの前記反応ガスと前記中間生成物との反応により生成された反応混合物から前記最終生成物を回収することをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
  57. 前記回収が極低温蒸留を含む、請求項５６に記載の方法。
  58. 前記回収が前記最終生成物のトラップツートラップ回収を含む、請求項５６に記載の方法。
  59. 前記第２の反応ゾーンでの前記反応ガスと前記中間生成物との反応により、式ＢｘＦｙ示されるフッ化ホウ素が生成され、式中、ｘ＞２かつｙはｘと合致する任意の化学量論値を有し、前記方法が、同時分解を引き起こすことなく、式ＢｘＦｙで示されるフッ化ホウ素の回収又は除去を行うことを含む、請求項５６に記載の方法。
  60. 同時分解を引き起こすことなく、式ＢｘＦｙで示されるフッ化ホウ素の回収又は除去を行うことが、ＢｘＦｙの迅速分解の防止に有効な温度進行で制御加温することを含む、請求項５９に記載の方法。
  61. 前記プロファイルが、０℃〜２℃の範囲内の温度に加温することと、続いて、１０℃〜２０℃の範囲内の温度に緩徐な加温を行うことと、を含む、請求項６０に記載の方法。
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