JP4158603B2 - イオンビーム発生方法およびイオン源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばイオン注入装置等に用いられるものであって、アルミニウムイオンビームを発生させるイオンビーム発生方法およびイオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体原料を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生炉を備えるイオン源は、従来から種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−８２２３０号公報（段落番号０００４−０００７、図１、図２）
【０００４】
上記特許文献１に記載されているのと同様の構造をした従来のイオン源の一例を、図６を参照して説明する。
【０００５】
このイオン源は、導入された蒸気３４を用いてプラズマ２０を生成するプラズマ生成部２と、固体原料３２を加熱して蒸気３４を発生させる蒸気発生炉２４と、蒸気発生炉２４で発生した蒸気３４をプラズマ生成部２内に導入する蒸気導入管３６とを備えている。
【０００６】
プラズマ生成部２は、この例ではバーナス型のものであり、アノードを兼ねるプラズマ生成容器４と、このプラズマ生成容器４内に相対向するように設けられたフィラメント１４および反射電極１６とを備えている。プラズマ生成容器４の壁面には、蒸気導入口６およびガス導入口８が設けられている。プラズマ生成容器４の前面部材１０には、スリット状のイオン引出し口１２が設けられている。プラズマ生成部２内には、外部から磁界１８が印加される。
【０００７】
プラズマ生成容器４内に蒸気３４を適当な流量で導入すると共に、必要に応じてガス導入口８から補助ガスを導入しながら、フィラメント１４を通電加熱すると共にフィラメント１４とプラズマ生成容器４との間にアーク放電電圧を印加して両者間でアーク放電を生じさせることによって、蒸気３４を電離させてプラズマ２０を生成することができる。そしてこのプラズマ２０から、イオン引出し口１２を通してイオンビーム２２を引き出すことができる。なお、イオン引出し口１２の前方には、通常、引出し電極系が設けられているが、ここではその図示を省略している。
【０００８】
蒸気発生炉２４は、この例では、固体原料３２を収納する原料室２６および収納された固体原料３２を加熱して蒸気３４を発生させるヒータ３０を有している。
【０００９】
蒸気導入管３６は、この例では、蒸気発生炉２４の開口部（より具体的には原料室２６の開口部。以下同じ）２８に、固定ねじ４２によって、着脱可能に取り付けられている。着脱可能にしているのは、固体原料３２を開口部２８から原料室２６内に入れるためである。蒸気導入管３６は、この例では、開口部２８を塞ぐ蓋部３８および当該蓋部３８につながるノズル部４０を有している。ノズル部４０はプラズマ生成容器４の蒸気導入口６に挿入されている。この蒸気導入管３６内を通して蒸気３４がプラズマ生成部２内に導入される。
【００１０】
ところで、前記のようなイオン源を用いて、アルミニウムイオン（例えば27Ａl+ 、27Ａl2+ ）を含むイオンビーム（これをこの明細書ではアルミニウムイオンビームと呼ぶ）をイオンビーム２２として発生させるには、プラズマ生成部２において安定したプラズマ２０を発生させる必要があり、そのためには、蒸気発生炉２４からアルミニウムの蒸気３４を安定して供給する必要がある。
【００１１】
そのために、従来は、蒸気発生炉２４において使用しやすい温度範囲（例えば１３０℃〜１７０℃程度）で容易に蒸気を得ることが可能な三塩化アルミニウム（ＡlＣl3）が固体原料３２として通常用いられている。しかし、三塩化アルミニウムは潮解性が強く、それを用いると、イオン源やそれに通じる真空容器等の内部が塩化物によって汚染されるという課題が存在することが既に知られている。
【００１２】
純粋アルミニウムを固体原料３２として用いることも考えられるが、純粋アルミニウムは、必要な蒸気圧を得るのに９００℃〜１０００℃程度の高温に加熱する必要があり、蒸気発生炉２４（特にそのヒータ３０）の寿命が短くなる等の課題がある。また、純粋アルミニウムは前記温度に加熱すると溶融した状態となり、溶融したアルミニウムは、いわゆる濡れ性が良く広がりやすいので、色々な隙間に、例えば蒸気発生炉２４の開口部２８と蒸気導入管３６や固定ねじ４２との間の隙間４４に入り込み、シールするのが難しいという課題もある。例えば、アルミニウムが隙間４４等に入り込むと、蒸気発生炉２４の運転を停止して温度が下がると、アルミニウムでロウ付けしたようになり、蒸気導入管３６を取り外すことができなくなる。
【００１３】
上記のような課題を解決するために、固体原料３２として三フッ化アルミニウム（ＡlＦ3 ）を用いることを試みた。その結果、三フッ化アルミニウムは、７５０℃〜９００℃程度の比較的高温に加熱する必要はあるが、純粋アルミニウムの場合ほど高温に加熱する必要はなく、原料が溶融しなくても必要な蒸気を発生させることが可能であることが分かった。また、三塩化アルミニウムの場合のような潮解性の問題がないことも分かった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いると、図６に示したような従来のイオン源では、蒸気発生炉２４の運転時に、蒸気化したアルミニウムは濡れ性が良いので、それが蒸気発生炉２４の開口部２８と蒸気導入管３６や固定ねじ４２との間の隙間４４に入り込み、当該アルミニウムが蒸気発生炉２４の運転停止時に冷え固まるために、蒸気導入管３６や固定ねじ４２が開口部２８に固着してしまい、蒸気導入管３６を取り外して開口部２８を開放することができなくなるという課題のあることが分かった。開放できなければ、固体原料３２を補充して蒸気発生炉２４を繰り返して使用することはできない。開放するためには、例えば、バーナー等で開口部２８付近を高温に加熱しなければならず、非常に手間がかかると共に、部品を傷めてしまう。
【００１５】
そこでこの発明は、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することを主たる目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイオンビーム発生方法は、前記蒸気発生炉の開口部と前記蒸気導入管の蓋部との間に両者間をシールするカーボン製リングを設けておき、かつ前記固体原料として三フッ化アルミニウムを用いて、アルミニウムイオンビームを発生させることを特徴としている（請求項１に対応）。
【００１７】
前記方法によれば、蒸気化したアルミニウムが蒸気発生炉の開口部と蒸気導入管の蓋部との間に入り込むことを、カーボン製リングによって阻止することができる。しかもカーボン製リングは、金属製リングと違って、当該リング自身が、冷えたアルミニウムによって炉壁や蒸気導入管に固着することもない。従って、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することができる。
【００１８】
この発明に係るイオン源は、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いてアルミニウムイオンビームを発生させるイオン源において、前記蒸気発生炉の開口部と前記蒸気導入管の蓋部との間に両者間をシールするカーボン製リングを設けていることを特徴としている（請求項２に対応）。
【００１９】
このイオン源によれば、カーボン製リングの前記のような作用によって、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオンビーム発生方法を実施するイオン源の一例を示す断面図である。図２は、図１中の前面部材の正面図である。図６に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２１】
この例では、前記蒸気発生炉２４の開口部２８（より具体的にはその壁面）と前記蒸気導入管３６の蓋部３８との間に、両者間をシールするカーボン製リング４６を設けている。
【００２２】
カーボン製リング４６の断面形状は、特定の形状に限定されないが、当該カーボン製リング４６を挟む部分の形状に応じたものにするのが好ましい。例えば、図１は四角形の例であるが、円形等でも良い。
【００２３】
なお、この例では、原料室２６の材質はステンレス鋼、蒸気導入管３６の材質はモリブデン等の高融点金属、固定ねじ４２の材質はカーボンであるが、これに限られるものではない。
【００２４】
前記蒸気発生炉２４に入れる固体原料３２としては、三フッ化アルミニウムを用いる。三フッ化アルミニウムは、前述したように、潮解性の問題がない点で三塩化アルミニウムよりも優れており、加熱温度が比較的低い点で純粋アルミニウムよりも優れている。
【００２５】
この三フッ化アルミニウムには、粒子径が５μｍ〜１０００μｍの範囲内の粉体（より具体的には微粉体とも呼ばれる）を用いるのが好ましい。このような粒子径の粉体を用いると、三フッ化アルミニウムの融点（約１２９１℃）よりもかなり低い加熱温度で、アルミニウム蒸気を得ることができるからである。また、このような粒子径の三フッ化アルミニウムは、入手および取り扱いが容易だからである。
【００２６】
固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いることによって、蒸気３４としてアルミニウム蒸気を発生させ、それを用いてプラズマ生成部２内でアルミニウムイオンを含むプラズマ２０を発生させ、このプラズマ２０からイオン引出し口１２を通してアルミニウムイオンを含むイオンビーム（アルミニウムイオンビーム）２２を発生させることができる。
【００２７】
その場合、蒸気化したアルミニウム（即ちアルミニウム蒸気３４）が、蒸気発生炉２４（より具体的にはその原料室２６）の開口部２８の壁面と蒸気導入管３６の蓋部３８との間に入り込むのを、カーボン製リング４６によってシールして阻止することができる。しかも、カーボン製リング４６は、金属製リングと違って、当該リング自身が、冷えたアルミニウムによって蒸気発生炉２４の壁面や蒸気導入管３６に固着することもない。従って、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉２４の運転を停止させた時に蒸気導入管３６が蒸気発生炉２４の開口部２８に固着するのを防止することができる。
【００２８】
その結果、蒸気導入管３６を取り外して開口部２８を開放して、固体原料３２を補充して蒸気発生炉２４を繰り返して使用することが可能になる。しかもこの蒸気導入管３６の取り外しは、固着していないので簡単に行うことができ、その作業は簡単である。即ち、メンテナンス性も良い。
【００２９】
より具体的な実施例を示すと、図１に示すイオン源において、固体原料３２として粒子径が１００〜３００μｍ程度の粉体の三フッ化アルミニウムを使用し、これを蒸気発生炉２４内で７６０℃程度まで加熱してアルミニウム蒸気３４を発生させ、それをプラズマ生成部２内に導入した。また、プラズマ２０の安定化のために、ガス導入口８から補助ガスとしてＡr ガスを０．８ｃｃｍ程度導入しながら、プラズマ生成部２においてプラズマ２０を発生させた。
【００３０】
このような条件で、アルミニウムイオン（27Ａl+ ）を１００ｋｅＶのエネルギーで引き出す試験を行ったところ、アーク電流値が３．０ｍＡで３０μＡのアルミニウムイオンビームを安定して発生させることができた。アーク電流値を４．０ｍＡまで増大させると９０μＡのアルミニウムイオンビームを発生させることができた。
【００３１】
また、イオン源の運転停止後に、即ち蒸気発生炉２４の運転停止後に、蒸気導入管３６と蒸気発生炉２４の開口部２８との間の固着の有無を調べたところ、固着はなく、固定ねじ４２および蒸気導入管３６を簡単に取り外すことができた。
【００３２】
なお、蒸気導入管３６をカーボン製にすることを検討してみたが、蒸気導入管３６は細いノズル部４０を有していて機械的強度の点で金属製のものに比べて劣るので、この案は好ましくない。
【００３３】
また、原料室２６をカーボン製にすることも検討してみたが、カーボン製にすると熱伝導の点で金属製のものに比べて劣り、前記と同程度のアルミニウムイオンビームを得るには、蒸気発生炉２４の温度を８００℃を優に超える温度に上げなければならないので、この案も好ましくない。
【００３４】
ところで、固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いる場合に、前記イオン源から大量のアルミニウムイオンビームを安定して発生させるためには、好ましい運転条件のあることが分かった。これを以下に詳述する。
【００３５】
前記イオン源からアルミニウムイオンビームを安定して発生させるためには、プラズマ生成部２（より具体的にはそのプラズマ生成容器４）内においてプラズマ２０を安定して発生させる必要があり、そのためにはプラズマ生成部２内において所定のガス圧（蒸気圧）が必要である。このガス圧を、蒸気発生炉２４からのアルミニウム蒸気３４だけで実現しようとすると、アルミニウム蒸気３４の発生量を増やすために蒸気発生炉２４の温度をかなり高く（例えば９００℃程度に）上げなければならず、そのようにすると高温運転によって蒸気発生炉２４の（特にそのヒータ３０の）寿命が短くなる。これに対して、補助ガスを適当に使用すると、当該補助ガスによってガス圧不足を補うことができるので、アルミニウム蒸気の量は少なくて済み、蒸気発生炉２４の温度を下げることができる。従って、補助ガスを使用するのが好ましい。しかし、補助ガスをあまり多く使用すると、プラズマ２０内のアルミニウムイオンの割合が減るので、イオンビーム２２に含まれるアルミニウムイオンの量が減ってしまう。即ち、アルミニウムイオンビームの発生量が減ってしまう。なお、補助ガスには、Ａr 、Ｎe 、Ｘe 、Ｎ2 等の不活性ガスを用いるのが好ましい。当該補助ガスがアルミニウム蒸気と化合するのを防止することができるからである。
【００３６】
また、イオン引出し口１２の面積の大小によっても、プラズマ生成部２内におけるガス圧が変動するので、プラズマ２０を安定して発生させアルミニウムイオンビームを安定して引き出すことに影響する。
【００３７】
そこで、プラズマ生成部２に導入する補助ガスの流量Ｑ、イオン引出し口１２の面積Ｓおよび蒸気発生炉２４の温度Ｔによって、前記イオン源から引き出されるアルミニウムイオンビーム量がどのように変化するのかを調べた結果を図３〜図５に示す。このとき、補助ガスにはＡr ガスを用いた。
【００３８】
図３は、補助ガスの流量Ｑに対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す。このとき、蒸気発生炉２４の温度Ｔは７６０℃、イオン引出し口１２の面積Ｓは１９ｍｍ2 （より具体的には、１２．７ｍｍ×１．５ｍｍ。以下同じ）とした。
【００３９】
この図３から分かるように、アルミニウムイオンビーム量を多く取るには、補助ガスの流量Ｑは、０．１３ｃｃｍ〜０．３ｃｃｍの範囲内が好ましく、０．２ｃｃｍ前後が特に好ましい。流量Ｑが０．１３ｃｃｍ未満になると、プラズマ生成部２内でのガス圧が大きく不足するので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。流量Ｑが０．３ｃｃｍを超えると、イオンビーム２２に含まれるアルミニウムイオンの割合が大きく減少するので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。
【００４０】
図４は、イオン引出し口１２の面積Ｓに対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す。このとき、蒸気発生炉２４の温度Ｔは７６０℃、補助ガスの流量Ｑは０．２ｃｃｍとした。
【００４１】
この図４から分かるように、アルミニウムイオンビーム量を多く取るには、イオン引出し口１２の面積Ｓは、１５ｍｍ2 〜３０ｍｍ2 の範囲内が好ましく、１９〜２０ｍｍ2 前後が特に好ましい。面積Ｓが１５ｍｍ2 未満になると、イオンビーム２２の出口が狭くなってイオンビーム２２自体が引き出しにくくなるので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。面積Ｓが３０ｍｍ2 を超えると、イオン引出し口１２からのガスの流出量が大きく増えてプラズマ生成部２内のガス圧が大きく不足するので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。
【００４２】
図５は、蒸気発生炉２４の温度Ｔに対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す。このとき、イオン引出し口１２の面積Ｓは１９ｍｍ2 、補助ガスの流量Ｑは０．２ｃｃｍとした。
【００４３】
この図５から分かるように、蒸気発生炉２４の温度Ｔをあまり高くすることなく、アルミニウムイオンビーム量を多く取るには、蒸気発生炉２４の温度Ｔは、７２０℃〜７６０℃の範囲内が好ましい。
【００４４】
前記図４について補足説明すると、イオン引出し口１２の面積Ｓが１９〜２０ｍｍ2 というのは、図６に示した従来のイオン源のイオン引出し口１２の面積の約１／５であり、このように面積Ｓを小さくすることによって、補助ガスの流量を０．２ｃｃｍに下げて、プラズマ生成部２内のアルミニウム蒸気に対する補助ガスの比率を下げても、安定したプラズマ２０を発生させることが可能になる。その結果、従来の約１０倍の３００μＡという大量のアルミニウムイオンビームを安定して発生させることが可能になる。
【００４５】
これは、プラズマ生成部２の構造を、従来からホウ素、リン、ヒ素等のイオンビーム発生に用いられているものから大きく変えることなく、単にそのイオン引出し口１２の面積Ｓを小さくするだけで、より具体的には、前面部材１０を面積Ｓの小さいイオン引出し口１２を有するものに変えるだけで、大量のアルミニウムイオンビームを安定して発生させることが可能になることを意味しており、非常に合理的であり経済的である。なぜなら、前面部材１０以外は、アルミニウム以外のイオンビーム発生用のものと共用することができるからである。
【００４６】
なお、プラズマ生成部２のタイプは、上記例のバーナス型に限られるものではなく、それ以外のタイプ、例えばフリーマン型、カウフマン型、ＰＩＧ型、バケット型（多極磁界型）、ＥＣＲ型等でも良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、即ち潮解性の問題がなくしかも加熱温度が比較的低くて済むという利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオンビーム発生方法を実施するイオン源の一例を示す断面図である。
【図２】図１中の前面部材の正面図である。
【図３】補助ガスの流量に対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す図である。
【図４】イオン引出し口の面積に対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す図である。
【図５】蒸気発生炉の温度に対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す図である。
【図６】従来のイオン源の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
２ プラズマ生成部
１２ イオン引出し口
２０ プラズマ
２２ イオンビーム（アルミニウムイオンビーム）
２４ 蒸気発生炉
３２ 固体原料（三フッ化アルミニウム）
３４ 蒸気
３６ 蒸気導入管
３８ 蓋部
４０ ノズル部
４６ カーボン製リング
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばイオン注入装置等に用いられるものであって、アルミニウムイオンビームを発生させるイオンビーム発生方法およびイオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体原料を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生炉を備えるイオン源は、従来から種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−８２２３０号公報（段落番号０００４−０００７、図１、図２）
【０００４】
上記特許文献１に記載されているのと同様の構造をした従来のイオン源の一例を、図６を参照して説明する。
【０００５】
このイオン源は、導入された蒸気３４を用いてプラズマ２０を生成するプラズマ生成部２と、固体原料３２を加熱して蒸気３４を発生させる蒸気発生炉２４と、蒸気発生炉２４で発生した蒸気３４をプラズマ生成部２内に導入する蒸気導入管３６とを備えている。
【０００６】
プラズマ生成部２は、この例ではバーナス型のものであり、アノードを兼ねるプラズマ生成容器４と、このプラズマ生成容器４内に相対向するように設けられたフィラメント１４および反射電極１６とを備えている。プラズマ生成容器４の壁面には、蒸気導入口６およびガス導入口８が設けられている。プラズマ生成容器４の前面部材１０には、スリット状のイオン引出し口１２が設けられている。プラズマ生成部２内には、外部から磁界１８が印加される。
【０００７】
プラズマ生成容器４内に蒸気３４を適当な流量で導入すると共に、必要に応じてガス導入口８から補助ガスを導入しながら、フィラメント１４を通電加熱すると共にフィラメント１４とプラズマ生成容器４との間にアーク放電電圧を印加して両者間でアーク放電を生じさせることによって、蒸気３４を電離させてプラズマ２０を生成することができる。そしてこのプラズマ２０から、イオン引出し口１２を通してイオンビーム２２を引き出すことができる。なお、イオン引出し口１２の前方には、通常、引出し電極系が設けられているが、ここではその図示を省略している。
【０００８】
蒸気発生炉２４は、この例では、固体原料３２を収納する原料室２６および収納された固体原料３２を加熱して蒸気３４を発生させるヒータ３０を有している。
【０００９】
蒸気導入管３６は、この例では、蒸気発生炉２４の開口部（より具体的には原料室２６の開口部。以下同じ）２８に、固定ねじ４２によって、着脱可能に取り付けられている。着脱可能にしているのは、固体原料３２を開口部２８から原料室２６内に入れるためである。蒸気導入管３６は、この例では、開口部２８を塞ぐ蓋部３８および当該蓋部３８につながるノズル部４０を有している。ノズル部４０はプラズマ生成容器４の蒸気導入口６に挿入されている。この蒸気導入管３６内を通して蒸気３４がプラズマ生成部２内に導入される。
【００１０】
ところで、前記のようなイオン源を用いて、アルミニウムイオン（例えば27Ａl+ 、27Ａl2+ ）を含むイオンビーム（これをこの明細書ではアルミニウムイオンビームと呼ぶ）をイオンビーム２２として発生させるには、プラズマ生成部２において安定したプラズマ２０を発生させる必要があり、そのためには、蒸気発生炉２４からアルミニウムの蒸気３４を安定して供給する必要がある。
【００１１】
そのために、従来は、蒸気発生炉２４において使用しやすい温度範囲（例えば１３０℃〜１７０℃程度）で容易に蒸気を得ることが可能な三塩化アルミニウム（ＡlＣl3）が固体原料３２として通常用いられている。しかし、三塩化アルミニウムは潮解性が強く、それを用いると、イオン源やそれに通じる真空容器等の内部が塩化物によって汚染されるという課題が存在することが既に知られている。
【００１２】
純粋アルミニウムを固体原料３２として用いることも考えられるが、純粋アルミニウムは、必要な蒸気圧を得るのに９００℃〜１０００℃程度の高温に加熱する必要があり、蒸気発生炉２４（特にそのヒータ３０）の寿命が短くなる等の課題がある。また、純粋アルミニウムは前記温度に加熱すると溶融した状態となり、溶融したアルミニウムは、いわゆる濡れ性が良く広がりやすいので、色々な隙間に、例えば蒸気発生炉２４の開口部２８と蒸気導入管３６や固定ねじ４２との間の隙間４４に入り込み、シールするのが難しいという課題もある。例えば、アルミニウムが隙間４４等に入り込むと、蒸気発生炉２４の運転を停止して温度が下がると、アルミニウムでロウ付けしたようになり、蒸気導入管３６を取り外すことができなくなる。
【００１３】
上記のような課題を解決するために、固体原料３２として三フッ化アルミニウム（ＡlＦ3 ）を用いることを試みた。その結果、三フッ化アルミニウムは、７５０℃〜９００℃程度の比較的高温に加熱する必要はあるが、純粋アルミニウムの場合ほど高温に加熱する必要はなく、原料が溶融しなくても必要な蒸気を発生させることが可能であることが分かった。また、三塩化アルミニウムの場合のような潮解性の問題がないことも分かった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いると、図６に示したような従来のイオン源では、蒸気発生炉２４の運転時に、蒸気化したアルミニウムは濡れ性が良いので、それが蒸気発生炉２４の開口部２８と蒸気導入管３６や固定ねじ４２との間の隙間４４に入り込み、当該アルミニウムが蒸気発生炉２４の運転停止時に冷え固まるために、蒸気導入管３６や固定ねじ４２が開口部２８に固着してしまい、蒸気導入管３６を取り外して開口部２８を開放することができなくなるという課題のあることが分かった。開放できなければ、固体原料３２を補充して蒸気発生炉２４を繰り返して使用することはできない。開放するためには、例えば、バーナー等で開口部２８付近を高温に加熱しなければならず、非常に手間がかかると共に、部品を傷めてしまう。
【００１５】
そこでこの発明は、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することを主たる目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイオンビーム発生方法は、前記蒸気発生炉の開口部と前記蒸気導入管の蓋部との間に両者間をシールするカーボン製リングを設けておき、かつ前記固体原料として三フッ化アルミニウムを用いて、アルミニウムイオンビームを発生させることを特徴としている（請求項１に対応）。
【００１７】
前記方法によれば、蒸気化したアルミニウムが蒸気発生炉の開口部と蒸気導入管の蓋部との間に入り込むことを、カーボン製リングによって阻止することができる。しかもカーボン製リングは、金属製リングと違って、当該リング自身が、冷えたアルミニウムによって炉壁や蒸気導入管に固着することもない。従って、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することができる。
【００１８】
この発明に係るイオン源は、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いてアルミニウムイオンビームを発生させるイオン源において、前記蒸気発生炉の開口部と前記蒸気導入管の蓋部との間に両者間をシールするカーボン製リングを設けていることを特徴としている（請求項２に対応）。
【００１９】
このイオン源によれば、カーボン製リングの前記のような作用によって、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオンビーム発生方法を実施するイオン源の一例を示す断面図である。図２は、図１中の前面部材の正面図である。図６に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２１】
この例では、前記蒸気発生炉２４の開口部２８（より具体的にはその壁面）と前記蒸気導入管３６の蓋部３８との間に、両者間をシールするカーボン製リング４６を設けている。
【００２２】
カーボン製リング４６の断面形状は、特定の形状に限定されないが、当該カーボン製リング４６を挟む部分の形状に応じたものにするのが好ましい。例えば、図１は四角形の例であるが、円形等でも良い。
【００２３】
なお、この例では、原料室２６の材質はステンレス鋼、蒸気導入管３６の材質はモリブデン等の高融点金属、固定ねじ４２の材質はカーボンであるが、これに限られるものではない。
【００２４】
前記蒸気発生炉２４に入れる固体原料３２としては、三フッ化アルミニウムを用いる。三フッ化アルミニウムは、前述したように、潮解性の問題がない点で三塩化アルミニウムよりも優れており、加熱温度が比較的低い点で純粋アルミニウムよりも優れている。
【００２５】
この三フッ化アルミニウムには、粒子径が５μｍ〜１０００μｍの範囲内の粉体（より具体的には微粉体とも呼ばれる）を用いるのが好ましい。このような粒子径の粉体を用いると、三フッ化アルミニウムの融点（約１２９１℃）よりもかなり低い加熱温度で、アルミニウム蒸気を得ることができるからである。また、このような粒子径の三フッ化アルミニウムは、入手および取り扱いが容易だからである。
【００２６】
固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いることによって、蒸気３４としてアルミニウム蒸気を発生させ、それを用いてプラズマ生成部２内でアルミニウムイオンを含むプラズマ２０を発生させ、このプラズマ２０からイオン引出し口１２を通してアルミニウムイオンを含むイオンビーム（アルミニウムイオンビーム）２２を発生させることができる。
【００２７】
その場合、蒸気化したアルミニウム（即ちアルミニウム蒸気３４）が、蒸気発生炉２４（より具体的にはその原料室２６）の開口部２８の壁面と蒸気導入管３６の蓋部３８との間に入り込むのを、カーボン製リング４６によってシールして阻止することができる。しかも、カーボン製リング４６は、金属製リングと違って、当該リング自身が、冷えたアルミニウムによって蒸気発生炉２４の壁面や蒸気導入管３６に固着することもない。従って、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、蒸気発生炉２４の運転を停止させた時に蒸気導入管３６が蒸気発生炉２４の開口部２８に固着するのを防止することができる。
【００２８】
その結果、蒸気導入管３６を取り外して開口部２８を開放して、固体原料３２を補充して蒸気発生炉２４を繰り返して使用することが可能になる。しかもこの蒸気導入管３６の取り外しは、固着していないので簡単に行うことができ、その作業は簡単である。即ち、メンテナンス性も良い。
【００２９】
より具体的な実施例を示すと、図１に示すイオン源において、固体原料３２として粒子径が１００〜３００μｍ程度の粉体の三フッ化アルミニウムを使用し、これを蒸気発生炉２４内で７６０℃程度まで加熱してアルミニウム蒸気３４を発生させ、それをプラズマ生成部２内に導入した。また、プラズマ２０の安定化のために、ガス導入口８から補助ガスとしてＡr ガスを０．８ｃｃｍ程度導入しながら、プラズマ生成部２においてプラズマ２０を発生させた。
【００３０】
このような条件で、アルミニウムイオン（27Ａl+ ）を１００ｋｅＶのエネルギーで引き出す試験を行ったところ、アーク電流値が３．０ｍＡで３０μＡのアルミニウムイオンビームを安定して発生させることができた。アーク電流値を４．０ｍＡまで増大させると９０μＡのアルミニウムイオンビームを発生させることができた。
【００３１】
また、イオン源の運転停止後に、即ち蒸気発生炉２４の運転停止後に、蒸気導入管３６と蒸気発生炉２４の開口部２８との間の固着の有無を調べたところ、固着はなく、固定ねじ４２および蒸気導入管３６を簡単に取り外すことができた。
【００３２】
なお、蒸気導入管３６をカーボン製にすることを検討してみたが、蒸気導入管３６は細いノズル部４０を有していて機械的強度の点で金属製のものに比べて劣るので、この案は好ましくない。
【００３３】
また、原料室２６をカーボン製にすることも検討してみたが、カーボン製にすると熱伝導の点で金属製のものに比べて劣り、前記と同程度のアルミニウムイオンビームを得るには、蒸気発生炉２４の温度を８００℃を優に超える温度に上げなければならないので、この案も好ましくない。
【００３４】
ところで、固体原料３２として三フッ化アルミニウムを用いる場合に、前記イオン源から大量のアルミニウムイオンビームを安定して発生させるためには、好ましい運転条件のあることが分かった。これを以下に詳述する。
【００３５】
前記イオン源からアルミニウムイオンビームを安定して発生させるためには、プラズマ生成部２（より具体的にはそのプラズマ生成容器４）内においてプラズマ２０を安定して発生させる必要があり、そのためにはプラズマ生成部２内において所定のガス圧（蒸気圧）が必要である。このガス圧を、蒸気発生炉２４からのアルミニウム蒸気３４だけで実現しようとすると、アルミニウム蒸気３４の発生量を増やすために蒸気発生炉２４の温度をかなり高く（例えば９００℃程度に）上げなければならず、そのようにすると高温運転によって蒸気発生炉２４の（特にそのヒータ３０の）寿命が短くなる。これに対して、補助ガスを適当に使用すると、当該補助ガスによってガス圧不足を補うことができるので、アルミニウム蒸気の量は少なくて済み、蒸気発生炉２４の温度を下げることができる。従って、補助ガスを使用するのが好ましい。しかし、補助ガスをあまり多く使用すると、プラズマ２０内のアルミニウムイオンの割合が減るので、イオンビーム２２に含まれるアルミニウムイオンの量が減ってしまう。即ち、アルミニウムイオンビームの発生量が減ってしまう。なお、補助ガスには、Ａr 、Ｎe 、Ｘe 、Ｎ2 等の不活性ガスを用いるのが好ましい。当該補助ガスがアルミニウム蒸気と化合するのを防止することができるからである。
【００３６】
また、イオン引出し口１２の面積の大小によっても、プラズマ生成部２内におけるガス圧が変動するので、プラズマ２０を安定して発生させアルミニウムイオンビームを安定して引き出すことに影響する。
【００３７】
そこで、プラズマ生成部２に導入する補助ガスの流量Ｑ、イオン引出し口１２の面積Ｓおよび蒸気発生炉２４の温度Ｔによって、前記イオン源から引き出されるアルミニウムイオンビーム量がどのように変化するのかを調べた結果を図３〜図５に示す。このとき、補助ガスにはＡr ガスを用いた。
【００３８】
図３は、補助ガスの流量Ｑに対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す。このとき、蒸気発生炉２４の温度Ｔは７６０℃、イオン引出し口１２の面積Ｓは１９ｍｍ2 （より具体的には、１２．７ｍｍ×１．５ｍｍ。以下同じ）とした。
【００３９】
この図３から分かるように、アルミニウムイオンビーム量を多く取るには、補助ガスの流量Ｑは、０．１３ｃｃｍ〜０．３ｃｃｍの範囲内が好ましく、０．２ｃｃｍ前後が特に好ましい。流量Ｑが０．１３ｃｃｍ未満になると、プラズマ生成部２内でのガス圧が大きく不足するので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。流量Ｑが０．３ｃｃｍを超えると、イオンビーム２２に含まれるアルミニウムイオンの割合が大きく減少するので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。
【００４０】
図４は、イオン引出し口１２の面積Ｓに対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す。このとき、蒸気発生炉２４の温度Ｔは７６０℃、補助ガスの流量Ｑは０．２ｃｃｍとした。
【００４１】
この図４から分かるように、アルミニウムイオンビーム量を多く取るには、イオン引出し口１２の面積Ｓは、１５ｍｍ2 〜３０ｍｍ2 の範囲内が好ましく、１９〜２０ｍｍ2 前後が特に好ましい。面積Ｓが１５ｍｍ2 未満になると、イオンビーム２２の出口が狭くなってイオンビーム２２自体が引き出しにくくなるので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。面積Ｓが３０ｍｍ2 を超えると、イオン引出し口１２からのガスの流出量が大きく増えてプラズマ生成部２内のガス圧が大きく不足するので、アルミニウムイオンビーム量も大きく減少する。
【００４２】
図５は、蒸気発生炉２４の温度Ｔに対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す。このとき、イオン引出し口１２の面積Ｓは１９ｍｍ2 、補助ガスの流量Ｑは０．２ｃｃｍとした。
【００４３】
この図５から分かるように、蒸気発生炉２４の温度Ｔをあまり高くすることなく、アルミニウムイオンビーム量を多く取るには、蒸気発生炉２４の温度Ｔは、７２０℃〜７６０℃の範囲内が好ましい。
【００４４】
前記図４について補足説明すると、イオン引出し口１２の面積Ｓが１９〜２０ｍｍ2 というのは、図６に示した従来のイオン源のイオン引出し口１２の面積の約１／５であり、このように面積Ｓを小さくすることによって、補助ガスの流量を０．２ｃｃｍに下げて、プラズマ生成部２内のアルミニウム蒸気に対する補助ガスの比率を下げても、安定したプラズマ２０を発生させることが可能になる。その結果、従来の約１０倍の３００μＡという大量のアルミニウムイオンビームを安定して発生させることが可能になる。
【００４５】
これは、プラズマ生成部２の構造を、従来からホウ素、リン、ヒ素等のイオンビーム発生に用いられているものから大きく変えることなく、単にそのイオン引出し口１２の面積Ｓを小さくするだけで、より具体的には、前面部材１０を面積Ｓの小さいイオン引出し口１２を有するものに変えるだけで、大量のアルミニウムイオンビームを安定して発生させることが可能になることを意味しており、非常に合理的であり経済的である。なぜなら、前面部材１０以外は、アルミニウム以外のイオンビーム発生用のものと共用することができるからである。
【００４６】
なお、プラズマ生成部２のタイプは、上記例のバーナス型に限られるものではなく、それ以外のタイプ、例えばフリーマン型、カウフマン型、ＰＩＧ型、バケット型（多極磁界型）、ＥＣＲ型等でも良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、アルミニウムイオンビームを発生させる場合に、固体原料として三フッ化アルミニウムを用いることの利点を生かしつつ、即ち潮解性の問題がなくしかも加熱温度が比較的低くて済むという利点を生かしつつ、蒸気発生炉の運転停止時に蒸気導入管が蒸気発生炉の開口部に固着するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオンビーム発生方法を実施するイオン源の一例を示す断面図である。
【図２】図１中の前面部材の正面図である。
【図３】補助ガスの流量に対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す図である。
【図４】イオン引出し口の面積に対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す図である。
【図５】蒸気発生炉の温度に対するアルミニウムイオンビーム量の変化の一例を示す図である。
【図６】従来のイオン源の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
２ プラズマ生成部
１２ イオン引出し口
２０ プラズマ
２２ イオンビーム（アルミニウムイオンビーム）
２４ 蒸気発生炉
３２ 固体原料（三フッ化アルミニウム）
３４ 蒸気
３６ 蒸気導入管
３８ 蓋部
４０ ノズル部
４６ カーボン製リング
Claims (2)
- 導入された蒸気を用いてプラズマを生成するプラズマ生成部と、固体原料を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生炉と、この蒸気発生炉の開口部に着脱可能に取り付けられていて当該開口部を塞ぐ蓋部および当該蓋部につながるノズル部を有していて当該蒸気発生炉で発生した蒸気を前記プラズマ生成部内に導入する蒸気導入管とを備えるイオン源において、前記蒸気発生炉の開口部と前記蒸気導入管の蓋部との間に両者間をシールするカーボン製リングを設けておき、かつ前記固体原料として三フッ化アルミニウムを用いて、アルミニウムイオンビームを発生させることを特徴とするイオンビーム発生方法。
- 導入された蒸気を用いてプラズマを生成するプラズマ生成部と、固体原料を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生炉と、この蒸気発生炉の開口部に着脱可能に取り付けられていて当該開口部を塞ぐ蓋部および当該蓋部につながるノズル部を有していて当該蒸気発生炉で発生した蒸気を前記プラズマ生成部内に導入する蒸気導入管とを備えていて、前記固体原料として三フッ化アルミニウムを用いてアルミニウムイオンビームを発生させるイオン源において、前記蒸気発生炉の開口部と前記蒸気導入管の蓋部との間に両者間をシールするカーボン製リングを設けていることを特徴とするイオン源。
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