JP4491795B2 - 物品交換機構および物品交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換機構および物品交換方法に関する。

例えば液晶ディスプレイや半導体装置の製造において、液晶ガラス基板や半導体基板にリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）などの不純物を注入ために、イオン注入装置が用いられる。イオン注入装置には、プラズマを発生させイオンビームを引き出すためのイオン源が設けられている。イオン源におけるプラズマ生成方法としては、フィラメント加熱によって熱電子を放出してアーク放電を発生させ、アーク放電によって材料ガスをプラズマ化する方法がある。

イオン源では、イオン注入装置の運転時間の累積に伴って、アーク放電を行なうためのフィラメントが劣化・断線するため、フィラメントを交換する必要がある。従来、装置の運転停止時間を短縮化し、稼働率を向上させるために、装置の真空容器を大気開放せずにフィラメントを交換する方法が種々提案されている。このようなフィラメント交換方法を開示するものとして、例えば下記特許文献１及び２がある。

図７は、特許文献１に開示されたイオン源の構成図である。このイオン源は、以下のように構成されている。
フランジ付電流導入端子６１とプラズマ生成容器６２の開口部６３との間に、電流導入端子６４及びフィラメント６５が通る開口部を有する真空弁６６を設け、その側部には真空弁の真空側と大気側とを連通させるバイパス経路と、それを開閉する補助弁とを設け、真空弁６６の大気側に、フランジ付電流導入端子６１の頭部を覆うように補助真空容器６７を着脱可能に取り付ける。補助真空容器６７は、フランジ付電流導入端子６１及びフィラメント６５を内部に収納可能である。フランジ付電流導入端子６１に結合してそれをフィラメント６５と共に抜き差しする操作軸６８を補助真空容器６７に取り付け、補助真空容器６７の内外を仕切るベント弁６９を設ける。

上記のイオン源において、フィラメント６５の交換作業は以下の手順で行なう。
まず真空弁６６に対するフランジ付電流導入端子６１の固定を解除し、次に補助真空容器６７を真空弁６６の大気側にフランジ付電流導入端子６１の頭部を覆うように取り付け、次に補助弁を開いてバイパス経路を経由して補助真空容器６７内をプラズマ生成容器６２側から真空排気し、次に操作軸６８をフランジ付電流導入端子６１に結合させてフランジ付電流導入端子６１をフィラメント６５と共に補助真空容器６７内に引き抜き、次に真空弁６６および補助弁を閉じ、次にベント弁６９を開いて補助真空容器６７内にベント気体を導入して補助真空容器６７内をほぼ大気圧に戻し、次に補助真空容器６７をフランジ付電流導入端子６１およびフィラメント６５と共に真空弁６６から取り外し、次にフランジ付電流導入端子６１に対するフィラメント６５の交換を行い、次に補助真空容器６７をフランジ付電流導入端子６１およびフィラメント６５と共に真空弁６６に取り付け、次にベント弁６９を閉じた状態で補助弁または真空弁６６を開いて補助真空容器６７内をプラズマ生成容器６２側から真空排気し、次に真空弁６６を開いた状態で操作軸６８によってフランジ付電流導入端子６１の電流導入端子６４およびフィラメント６５を真空弁６６の開口部を通してプラズマ生成容器６２内に挿入すると共にフランジ付電流導入端子６１のフランジを真空弁６６に当接させて真空弁６６の大気側を封止し、次に補助弁を閉じた状態でベント弁６９を開いて補助真空容器６７内にベント気体を導入して補助真空容器６７内をほぼ大気圧に戻し、次に操作軸６８とフランジ付電流導入端子６１との結合を解除し、次に補助真空容器６７を操作軸６８と共に真空弁６６から取り外し、次にフランジ付電流導入端子６１を真空弁６６に固定する。

図８は、特許文献２に開示されたイオン源の構成図である。このイオン源５０は、プラズマ発生室５２に隣接して設けられた真空ボックス５１と、この真空ボックス５１とプラズマ発生室５２とを気密状態で区画開閉するゲートバルブ５３と、真空ボックス５１内に設けられフィラメント５４を先端部にて支持すると共に基端部にて真空ボックス５１に回転可能に支持されていて開いた状態のゲートバルブ５３をフィラメント５４が通過して真空ボックス５１内とプラズマ発生室５２間とで移動するように動作する支持アーム５５と、真空ボックス５１を開放するための蓋部材５６と、フィラメント交換後に真空ボックス５１内を真空状態とするための大気吸引手段５７とを備えている。

上記のイオン源５０において、フィラメントの交換作業は、以下の手順で行なう。
真空ボックス５１内で支持アーム５５を９０°回転させてその支持アーム５５の先端部に支持されたフィラメント５４を、ゲートバルブ５３を通過させ真空ボックス５１内に移動させる。次にゲートバルブ５３を閉塞し、真空ボックス５１内を大気開放する。次に真空ボックス５１の蓋部材５６を開けてフィラメント５４を交換する。次に蓋部材５６を閉めて、大気吸引手段５７で真空ボックス５１内を真空状態にした後、ゲートバルブ５３を開けて、支持アーム５５をプラズマ発生室５２の方向に９０°回転させて、フィラメント５４をプラズマ発生室５２内に移動させる。

特開平１１−２５０８４６号公報 特開２００２−３４３２６５号公報

上述した従来のフィラメントの交換方法には、以下の問題がある。
（１）大気開放を行なう場合の交換方法に比べて、作業時間の短縮化が図れるものの、依然として作業時間が長く装置稼働率の低下を招いているため、さらなる作業時間の短縮化が望まれている。
（２）真空引きと大気開放の実施などで作業が複雑であり、作業手順に注意が必要となっている。上述した特許文献２の交換方法では、真空引きと大気開放をそれぞれ２回ずつ行なう必要があるが、真空引き、大気開放の繰り返しが多いと、それにともないバルブ操作回数も多くなり作業手順を間違えた場合は、装置側の真空リークなどの大きな問題を引き起こす可能性がある。
（３）交換機構の全部又は一部を装置に常設しておくと、コスト増大、交換機構の劣化などの問題がある。特に真空バルブ（図７の真空弁６６、図８のゲートバルブ５３）を設置しておくと、材料ガスやプラズマに曝されることでバルブのフランジ面やシール部材（Ｏリングなど）の劣化が進み、真空閉止できなくなる場合がある。
（４）図８に示したイオン源のように、真空ボックス５１を常設すると、その内壁面が材料ガスやプラズマに曝されて汚染されるため、真空ボックス５１をメンテナンスする必要が生じることもある。
（５）上記（２）〜（４）は、コスト増大、及びメンテナンス時間の増加による装置稼働率低下につながる。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、交換作業時間のさらなる短縮化を通じて装置稼働率を向上させることができ、作業手順が簡単で間違いの発生を少なくすることができる物品交換機構および物品交換方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の物品交換機構および物品交換方法は、以下の手段を採用する。
（１）本発明は、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換機構であって、前記物品が通る大きさの開口部を有する真空容器と、前記物品を支持し且つ前記開口部を気密に開閉可能な２つの交換ユニットと、該真空容器の外壁の第１及び第２の取付位置に着脱可能であり、それぞれ、前記交換ユニットと解除可能に連結して、前記交換ユニットを前記真空容器の内外間を前記物品が前記開口部を通って移動するように支持する２つのユニット支持機構と、前記開口部を覆うとともに、２つの交換ユニットを内部に収容する状態で前記真空容器に気密に取り付け可能であり且つ取り外し可能な交換用容器と、該交換用容器を気密状態で貫通し前記第１及び第２の取付位置に取り付けられた２つのユニット支持機構の各々と解除可能に連結して該２つのユニット支持機構を動作させる複数の操作部材と、前記交換用容器の内部を真空状態にする真空機構と、前記交換用容器の内部を真空状態から所定圧力まで戻す復圧機構と、を備え、前記真空容器は、イオン注入装置、中性化装置またはスパッタ装置におけるイオン源であり、前記物品は、前記真空容器がイオン注入装置におけるイオン源である場合、フィラメントであり、前記真空容器が中性化装置におけるイオン源である場合、カソードであり、前記真空容器がスパッタ装置におけるイオン源である場合、試料であることを特徴とする。

上記構成によれば、一方の取付位置に取り付けられた交換ユニットに旧物品が支持されて真空容器内に設置されている状態から、第１と第２の取付位置にユニット支持機構を取り付け、一方のユニット支持機構と旧交換ユニットとを連結し、他方のユニット支持機構に新交換ユニットを連結し、次に真空容器に交換用容器を気密に取り付け、次に交換用容器内を真空状態とし、次に操作部材を操作して旧物品が真空容器内から交換用容器内に移動するように旧交換ユニットを動作させ、次に別の操作部材を操作して新物品が交換用容器内から真空容器内に移動するように新交換ユニットを動作させ、次に交換用容器内を真空状態から所定圧力まで戻し、次に交換用容器を真空容器から取り外し、次に旧交換ユニットとユニット支持機構との連結を解除し、新交換ユニットとユニット支持機構との連結を解除し、各ユニット支持機構を真空容器から取り外すことにより、真空容器を大気開放することなく、物品を交換することができる。
また、交換作業に際し、真空バルブの操作が無く、しかも交換用容器の真空引きと大気開放はそれぞれ一回ずつ行なえばよいので、操作手順の間違いの発生を少なくすることができるとともに、さらなる作業時間の短縮化を図ることができる。また、この交換機構には、真空容器の内外を気密に仕切る真空バルブが無いので、真空バルブの構成部品の劣化による真空閉止機能の低下等の問題が生じることがない。また、交換用容器は、交換作業のときにのみ取り付けられるものであり、装置の稼働中は真空容器内の作動ガス等に曝されないので、交換用容器をメンテナンスする必要が無い。

（２）また、上記の物品交換機構において、前記各ユニット支持機構は、前記操作部材と連結可能な操作軸と、前記真空容器の外壁に着脱可能であり前記操作軸を回転可能に支持する取付部品と、前記操作軸と前記交換ユニットとを接続する接続部品とを有し、前記各操作部材は、前記各操作軸のうち連結相手となるものの回転軸心と同心で回転可能である。

上記構成によれば、真空容器の外壁に取付部品を取り付け、操作軸を取付部品に回転可能に支持させ、接続部品により操作軸と交換ユニットを接続することにより、真空容器に着脱可能で且つ交換ユニットを動作させるユニット支持機構を容易に構成することができる。また、操作部材を回転操作して交換ユニットを回転させることができるので、真空容器の内外間での物品の移動を簡単に行なうことができる。

（３）また、本発明は、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換機構であって、前記物品が通る大きさの開口部を有する真空容器と、該真空容器の外壁の異なる２箇所に設置され、それぞれ前記開口部を気密に開閉可能であり、前記物品を支持して、該物品を前記開口部を通して前記真空容器の内外間で移動させるように動作する一対の物品支持移動機構と、前記開口部を覆うとともに、前記一対の物品支持移動機構を内部に収容する状態で前記真空容器に気密に取り付け可能であり且つ取り外し可能な交換用容器と、該交換用容器を気密状態で貫通し前記一対の物品支持移動機構の各々と連結して該一対の物品支持移動機構を動作させる複数の操作部材と、前記交換用容器の内部を真空状態にする真空機構と、前記交換用容器の内部を真空状態から所定圧力まで戻す復圧機構と、を備え、前記真空容器は、イオン注入装置、中性化装置またはスパッタ装置におけるイオン源であり、前記物品は、前記真空容器がイオン注入装置におけるイオン源である場合、フィラメントであり、前記真空容器が中性化装置におけるイオン源である場合、カソードであり、前記真空容器がスパッタ装置におけるイオン源である場合、試料であることを特徴とする。

上記構成によれば、一方の物品支持移動機構に旧物品が支持されて真空容器内に設置されている状態から、新物品を他方の物品支持移動機構に取り付け、次に真空容器に交換用容器を気密に取り付け、次に交換用容器内を真空状態とし、次に操作部材を操作して旧物品が真空容器内から交換用容器内に移動するように一方の物品支持移動機構を動作させ、次に別の操作部材を操作して新物品が交換用容器内から真空容器内に移動するように他方の物品支持移動機構を動作させ、次に交換用容器内を真空状態から所定圧力まで戻し、次に交換用容器を真空容器から取り外し、次に旧物品を一方の物品支持移動機構から取り外すことにより、真空容器を大気開放することなく、物品を交換することができる。
また、上記（１）の構成と同様に、操作手順の間違いの発生を少なくすることができ、真空バルブの構成部品の劣化による真空閉止機能の低下等の問題が生じることがなく、交換用容器をメンテナンスする必要が無い。

（４）また、上記の物品交換機構において、前記各物品支持移動機構は前記真空容器の外壁に回転可能に連結されており、前記各操作部材は、前記各物品支持移動機構のうち連結相手となるものの回転軸心と同心で回転可能である。

上記構成によれば、操作部材を回転操作して物品支持移動機構を回転させることができるので、真空容器の内外間での物品の移動を簡単に行なうことができる。

（５）また、上記の物品交換機構において、前記交換用容器に、該交換用容器の内部を観察するための透明材料からなる観察窓が設けられている。

上記構成によれば、観察窓を通して交換ユニットの動きや位置を確認しながら交換ユニットを動作させることができるので、真空容器の外壁面に対する交換ユニットの位置決めを容易に行なうことができる。

このように本発明をイオン注入装置におけるイオン源のフィラメント交換機構に適用することにより、フィラメントの交換作業時間の短縮化を通じてイオン注入装置の稼働率を向上させることができる。

（６）また、本発明は、上記（１）の物品交換機構を用いて、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換方法であって、前記交換ユニットに旧物品が支持されて前記真空容器内に設置されている状態から、（ａ）新物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器の一方の取付位置に取り付ける工程、（ｂ）新物品を支持する交換ユニットと対応する前記ユニット支持機構とを連結する工程、（ｃ）旧物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器の他方の取付位置に取り付ける工程、及び（ｄ）旧物品を支持する交換ユニットと対応するユニット支持機構とを連結する工程、を任意の順序で行い、次に前記開口部を覆うとともに２つの前記交換ユニットを収容するように前記真空容器に前記交換用容器を気密に取り付け、次に前記交換用容器内を真空状態とし、次に前記交換用容器に気密に貫通させた操作部材を操作して、旧物品を支持している前記交換ユニットを、旧物品が前記真空容器内から前記交換用容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器に気密に貫通させた別の操作部材を操作して、新物品を支持している前記交換ユニットを、新物品が前記交換用容器内から前記真空容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器内を真空状態から所定圧力まで戻し、次に前記交換用容器を前記真空容器から取り外し、次に、（ｅ）新物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器から取り外す工程、（ｆ）新物品を支持する交換ユニットと対応する前記ユニット支持機構との連結を解除する工程、（ｇ）旧物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器から取り外す工程、及び（ｈ）旧物品を支持する前記交換ユニットと対応するユニット支持機構との連結を解除する工程、を任意の順序で行う、ことを特徴とする。

（７）また、本発明は、上記（３）の物品交換機構を用いて、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換方法であって、一方の前記物品支持移動機構に旧物品が支持されて前記真空容器内に設置されている状態から、新物品を他方の前記物品支持移動機構に取り付け、次に前記開口部を覆うとともに前記一対の物品支持移動機構を収容するように前記真空容器に交換用容器を気密に取り付け、次に前記交換用容器内を真空状態とし、次に前記交換用容器に気密に貫通させた操作部材を操作して、前記一方の物品支持移動機構を、旧物品が前記真空容器内から前記交換用容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器に気密に貫通させた別の操作部材を操作して、前記他方の物品支持移動機構を、新物品が前記交換用容器内から前記真空容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器内を真空状態から所定圧力まで戻し、次に前記交換用容器を前記真空容器から取り外し、次に旧物品を前記一方の物品支持移動機構から取り外す、ことを特徴とする。

本発明によれば、交換作業時間のさらなる短縮化を通じて装置稼働率を向上させることができ、作業手順が簡単で間違いの発生を少なくすることができるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の物品交換機構を適用することができるイオン注入装置４０の一例を示す概略図である。このイオン注入装置４０の基本構成を説明する。
処理室容器４５の内部に基板等の被処理物４７が収容される処理室４４が形成されている。処理室容器４５にイオン源４１が接続されている。イオン源４１はプラズマ生成容器４を有し、プラズマ生成容器４の内部に形成されたプラズマ発生室２でプラズマ４３を発生させる。処理室４４及びプラズマ発生室２は、処理室容器４５に接続された真空排気装置４６によって一括して真空に排気される。

イオン源４１は、この例では、図示しない永久磁石によってプラズマ生成容器４の内部にプラズマ４３を閉じ込めるためのカスプ磁場を形成するバケット型イオン源であり、プラズマ発生室２に熱電子放出用の１以上のフィラメント３が配置されている。プラズマ生成容器４には、所望のイオン種を含む材料ガスが導入される。材料ガスは、例えば、燐イオンを得るためにはＰＨ_３、硼素イオンを得るためにはＢ_２Ｈ_６が用いられる。

プラズマ発生室２に材料ガスを導入し、フィラメント３を加熱すると共にフィラメント３とプラズマ生成容器４との間に直流のアーク放電電圧を印加すると、フィラメント３とプラズマ生成容器４との間にアーク放電が生じ、それによって材料ガスが電離されてプラズマ４３が生成される。このプラズマ４３から、１枚以上の電極を有する引出し電極系４２によってイオンビーム４８が引き出される。このイオンビーム４８は、この例では上記被処理物４７に照射されてイオン注入等の処理が行われる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態にかかる物品交換機構１について説明する。
図２（Ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる物品交換機構１の構成を示す断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図である。ただし、図２（Ｂ）では、図２（Ａ）における左側の交換ユニット１２と接続部品８は図示を省略している。
本実施形態は、上述したイオン注入装置４０におけるイオン源４１に対する適用例であり、後述するように、フィラメント３を交換するので、フィラメント３が交換対象となる「物品」に該当する。

物品交換機構１は、真空容器４と、交換ユニット１２と、ユニット支持機構１３と、交換用容器１０と、操作部材１８と、真空機構２３と、復圧機構２６とを備えている。
真空容器４は、本実施形態では上述したプラズマ生成容器４であり、内部にプラズマ発生室２が形成されている。この真空容器４は、フィラメント３及びフィラメント３を支持する支持部品６が通る大きさの開口部５を有する。真空容器４の外壁面には、開口部５を囲むように外方に突出する台座部４ａが設けられている。開口部５の大きさは、交換ユニット１２が動作する際に、フィラメント３及びその支持部品６が、開口部５の内周壁や真空容器４の内外壁面と干渉しないように設定される。

交換ユニット１２は、使用済みで交換が必要なフィラメント３ａ（以下、「旧フィラメント」という）を支持するものと、新しいフィラメント３ｂ（以下「新フィラメント」という）を支持するものの少なくとも２つが必要であり、且つその各々は、開口部５を気密に開閉可能な構造を有している。本実施形態において、各交換ユニット１２は、開口部５を閉止するフランジ７と、フランジ７の表面側（開口部５を閉止する側と反対側）に設けられた電流導入端子１５と、フランジ７の裏面側（開口部５を閉止する側）に設けられフィラメント３を支持する支持部品６と、フィラメント３とから構成されている。

フランジ７は、開口部５を閉止できる大きさを有し、その裏面の周縁沿いには図示しないシール部材が設けられている。上記構成により、フランジ７が開口部５を閉じるように真空容器４の台座部４ａに当接して密着することにより、開口部５を気密に封止することができる。
なお、台座部４ａに対するフランジ７の位置決めを容易にするために、フランジ７と台座部４ａの互いに対向する各部位の一方に、他方に向って突出する突起部を設け、他方に突起部が挿入される凹部を設けてもよい。

ユニット支持機構１３は、真空容器４の外壁の異なる２箇所の取付位置のいずれにも着脱可能に構成されている。以下、２箇所の取付位置のうち一方（図で右側）を「第１取付位置」とよび、他方を「第２取付位置」とよぶ。また、第１取付位置と第２取付位置に取り付けられたユニット支持機構１３は、それぞれ、交換ユニット１２と解除可能に連結して、交換ユニット１２を真空容器４の内外間をフィラメント３が開口部５を通って移動するように支持する。

本実施形態におけるユニット支持機構１３の具体的な構成を説明する。各ユニット支持機構１３は、それぞれ、操作部材１８と連結可能な操作軸１４と、真空容器４の外壁に固定可能であり操作軸１４を回転可能に支持する取付部品９と、操作軸１４と交換ユニット１２とを接続する接続部品８とからなる。

操作軸１４は、操作部材１８と連結して操作部材１８から回転力を受けて回転するものである。本実施形態では、各操作軸１４の回転軸心は、互いに平行でありかつ開口部５を間に挟む位置に設定されている。
上記構成により、各交換ユニット１２を互いに干渉しない配置にしやすいとともに、交換用容器１０の交換ユニット１２の回転軸心方向の寸法を小さくすることができるので、交換用容器１０の大きさをコンパクトにすることができ、これにより真空引きや大気開放の時間を短縮化でき、交換作業の短縮化に寄与できる。

取付部品９は、真空容器４の外壁にボルト等の固定部品により固定して取り付けることができ、また、固定部品による固定を解除することにより真空容器４の外壁から取り外すことができる。本実施形態において、第１取付位置及び第２取付位置の各々において、２つの取付部品９が軸方向に間隔をおいて取り付けられるようになっている。操作軸１４は、２つ取付部品９の軸方向外側から挿入され、取付部品９に回転可能に支持される。なお、取付部品９の、操作軸１４を支持する部分には軸受が設けられている。

装置の運転中は、ボルト３７（図４Ａ参照）によりフランジ７を台座部４ａに固定するが、交換作業中は図２に示すようにボルト３７を取り外している。フランジ７により開口部５を閉止し、真空容器４内を真空引きすると、真空容器４の内外間の差圧によりフランジ７が台座部４ａに押しつけられるため、ボルト３７により固定する前でも真空閉止が可能であるが、ボルト止めするまでの仮止め用として、図２（Ｂ）に示すような補助拘束部品１９を設けてもよい。この補助拘束部品１９は、フランジ７を台座部４ａに押し付けたまま拘束する位置と、フランジ７から離れて拘束を解除する位置との間を移動するように回転可能に設けられている。補助拘束部品１９は、交換用容器１０を気密に貫通する図示しない操作棒により回転させることができる。

接続部品８は、一端が操作軸１４に連結され、他端が交換ユニット１２のフランジ７に連結されることにより、操作軸１４と交換ユニット１２とを接続する。操作軸１４と接続部品８はボルト等の固定部品により解除可能に連結される。また、フランジ７と接続部品８はボルト等の固定部品により解除可能に連結される。

交換用容器１０は、開口部５を覆うとともに、第１取付位置と第２取付位置に取り付けられた２つの交換ユニット１２を内部に収容する状態で真空容器４に気密に取り付け可能であり且つ取り外し可能に構成されている。具体的には、交換用容器１０は、取付側が開口した箱状に形成されており、真空容器４に取り付けた状態で、交換ユニット１２の一方が開口部５を封止し、他方が一方と干渉しないように開口部５から退避するときに、いずれの交換ユニット１２にも干渉しない大きさを有している。

交換用容器１０は、固定手段３０によって真空容器４に固定し、取り付けることができる。固定手段３０は、例えば、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、交換用容器１０の開口側端部にフランジ部１１を設け、このフランジ部１１を真空容器４にボルト３１で固定する構造とすることができる。

また、固定手段３０は、図３に示すようなフック機構であってもよい。この固定手段３０は、真空容器４の外壁に突出して形成された容器用台座４ｂの側面に設けられたフック３３と、交換用容器１０の外壁面に回転可能に設けられたレバー３５と、レバー３５に回転可能に連結されフック３３に引っ掛かるリンク３４とから構成される。交換用容器１０の開口側端部を真空容器４に設けた容器用台座４ｂの位置に当てて静止させ、レバー３５を交換用容器１０の側面に対して立てた状態でリンク３４をフック３３に引っ掛け、その状態からレバー３５を交換用容器１０の側面に向けて倒すことにより、交換用容器１０を真空容器４に固定し、取り付けることができる。交換用容器１０を取り外すときは、上記と逆の手順で固定手段３０を操作することにより、固定手段３０による拘束を解除することができる。

また、図２（Ａ）に示すように、交換用容器１０には、交換用容器１０の内部を観察するための透明材料からなる観察窓１０ａが設けられている。この観察窓１０ａは、透明度が高く且つ高真空圧に耐え得る強度をもつ材料からなるのがよく、例えばアクリル板が好適である。
上記構成により、観察窓１０ａを通して交換ユニット１２の動きや位置を確認しながら交換ユニット１２を動作させることができるので、真空容器４の台座部４ａに対する交換ユニット１２（フランジ７）の位置決めを容易に行なうことができる。

交換用容器１０には、ガスの供給及び排出を行なうためのガスポート１７が設けられている。ガスポート１７にはバルブ２２が接続されている。またガスポート１７には、交換用容器１０の内部を真空状態にする真空機構２３と、交換用容器１０の内部を真空状態から所定圧力まで戻す復圧機構２６が、それぞれ択一的に接続できるようになっている。ただし、ガスポート１７及びバルブ２２は、真空機構２３の接続用と復圧機構２６の接続用とで別々に設けてもよい。

真空機構２３は、ガスポート１７に接続される大気吸引管２４と、大気吸引管２４に接続されたブロア等の吸引装置２５とで構成されている。復圧機構２６は、復圧用気体であるベントガス（清浄空気や窒素ガスなど）の供給源となるガスボンベ２９と、ガスポート１７に接続されるものであってガスボンベ２９のベントガスを交換用容器１０内に導入するためのベントガス導入管２７とからなる。

図２（Ｂ）に示すように、操作部材１８は複数設けられており、その各々は、交換用容器１０を気密状態で貫通し、かつ軸方向に移動することができる。
本実施形態の操作部材１８は、少なくとも交換用容器１０を貫通する部分の断面輪郭形状が円形である棒状部材である。交換用容器１０の、操作部材１８を挿通させる挿通穴の内周面には図示しないシール部材が設けられており、この内周面と操作部材１８の間を真空閉止している。シール部材としては、例えば、ダブルＯリングが好適である。

また、交換用容器１０の、操作部材１８を挿通させるための挿通穴は、交換用容器１０が真空容器４に取り付けられた状態のときに、操作軸１４と操作部材１８とが回転軸心を同心にして軸方向から連結できる位置に、設けられている。したがって、各操作部材１８は、連結相手となる操作軸１４と同心で回転することができる。また、手動での回転操作を容易にするために、操作部材１８はＬ字形に曲がった形状を有している。
本実施形態において、操作部材１８は、操作軸１４の軸方向両側から連結できるようになっている。このため、フィラメント３交換作業の際には、第１取付位置と第２取付位置の交換ユニット１２を動作させるために、各操作軸１４に対してそれぞれ２つずつの計４つの操作部材１８が交換用容器１０を貫通する。

操作部材１８と回転軸は、操作部材１８の回転力が回転軸に伝達するように連結可能に構成されている。このような連結構成としては、ネジ構造による連結が例示される。また、他の連結構成としては、操作部材１８の先端と操作軸１４の端面のいずれか一方に、多角形、星型、十字形、楕円などの非円形の断面形状を有する突起部を設け、他方に、突起部の形状に対応する非円形の凹部を設け、両者を連結することにより操作部材１８の回転力を操作軸１４に伝達する構造が例示される。本実施形態では、操作部材１８の先端に非円形断面形状の突起部を設けている。
上記構成により、操作部材１８を回転操作して交換ユニット１２を回転させることができるので、真空容器４の内外間でのフィラメント３の移動を簡単に行なうことができる。

次に、上記のように構成された第１実施形態の物品交換機構１を用いた物品交換方法を説明する。本実施形態では旧フィラメント３ａが取り付けられた交換ユニット１２（以下、「旧交換ユニット」という）を新たな交換ユニット１２（以下、「新交換ユニット」という）に交換する手順を、図４Ａ〜図４Ｅに基づいて説明する。

（１）まず、装置の運転を停止した後に、配線や配管を取り外し、図４Ａに示す状態とする。また、旧交換ユニット１２のフランジ７を真空容器４の台座部４ａに対して固定していたボルト３７を取り外す。なお、ボルト３７を取り外しても、真空容器４の内外間の差圧によりフランジ７が台座部に押し付けられているため、フランジ７と台座部４ａとの密着による真空封止は維持される。

（２）次に、図４Ｂに示すように、第１取付位置と第２取付位置の各々に、ボルト等の固定部品により、ユニット支持機構１３を取り付ける。また、旧フィラメント３ａを支持している旧交換ユニット１２と、これに対応する第１取付位置に取り付けられたユニット支持機構１３とを、ボルト等の固定部品により連結する。また、新フィラメント３ｂを支持している新交換ユニット１２と、これに対応する第２取付位置に取り付けられたユニット支持機構１３とを、ボルト等の固定部品により連結する。
なお、各交換ユニット１２と、これに対応するユニット支持機構１３との連結を先に行い、その後にユニット支持機構１３を真空容器４に固定するようにしてもよい。

（３）次に、図４Ｃに示すように、開口部５を覆うとともに２つの交換ユニット１２を収容するように、真空容器４に交換用容器１０を気密に取り付ける。交換用容器１０の真空容器４に対する固定は、上述した固定手段３０による。
次に、交換用容器１０の挿通穴から操作部材１８を挿入し、操作部材１８と各ユニット支持機構１３とを連結する。
次に、真空機構２３の大気吸引管２４を、交換用容器１０のガスポート１７に接続し、交換用容器１０内を真空引きする。

（４）次に、図４Ｄに示すように、第１取付位置のユニット支持機構１３と連結された操作部材１８を回転させて、旧フィラメント３ａが真空容器４内から交換用容器１０内に移動するように旧交換ユニット１２を動作させる。
次に、第２取付位置のユニット支持機構１３と連結された操作部材１８を回転させて、新フィラメント３ｂが交換用容器１０内から真空容器４内に移動するように新交換ユニット１２を動作させる。
次に、復圧機構２６のベントガス導入管２７を、交換用容器１０のガスポート１７に接続し、交換用容器１０内にパージガスを導入して、交換用容器１０内を所定圧力（ほぼ大気圧）まで戻す。

（５）次に、各操作部材１８と各ユニット支持機構１３との連結を解除する。次に、図４Ｅに示すように、交換用容器１０を真空容器４から取り外す。次に、各交換ユニット１２と各ユニット支持機構１３との連結を解除するとともに、各ユニット支持機構１３を真空容器４から取り外す。次に、新交換ユニット１２のフランジ７をボルト３７により台座部４ａに対して固定し、図４Ｅの状態にする。
なお、各交換ユニット１２と各ユニット支持機構１３との連結の解除、及び真空容器４からの各ユニット支持機構１３の取外しを行なう順序は任意である。

このように本実施形態によれば、真空容器４を大気開放することなく、フィラメント３を交換することができる。
また、交換作業に際し、真空バルブの操作が無く、しかも交換用容器１０の真空引きと大気開放はそれぞれ一回ずつ行なえばよいので、操作手順の間違いの発生を少なくすることができるとともに、さらなる作業時間の短縮化を図ることができる。また、この物品交換機構１には、真空容器４の内外を気密に仕切る真空バルブが無いので、真空バルブの構成部品の劣化による真空閉止機能の低下等の問題が生じることがない。また、交換用容器１０は、交換作業のときにのみ取り付けられるものであり、装置の稼働中は真空容器４内の作動ガス等に曝されないので、交換用容器１０をメンテナンスする必要が無い。

なお、フィラメント３の交換の際に、新しい交換ユニット１２が準備されておらず、新しいフィラメント３ｂのみがある場合には、図５に示すように、旧交換ユニット１２の代わりに開口部５を気密に閉止できるブランクフランジ２０を用いて、以下の手順でフィラメント３を交換することもできる。

まず、上記の手順（１）と同様の作業を行う。次に、上記手順（２）において旧交換ユニット１２の代わりにブランクフランジ２０をユニット支持機構１３に取り付ける。
次に交換用容器１０を真空容器４に取り付け、次に真空機構２３により交換用容器１０内を真空引きし、次に操作部材１８を操作して交換ユニット１２を回転動作させて旧フィラメント３ａを交換用容器１０内に抜き出し、次に操作部材１８を操作してブランクフランジ２０を回転動作させてブランクフランジ２０で開口部５を閉止する。

次に復圧機構２６により交換用容器１０内を所定圧力（ほぼ大気圧）まで戻し、次に交換用容器１０を真空容器４から取り外し、次に旧交換ユニット１２から旧フィラメント３ａを取り外して新フィラメント３を取り付ける。
次に交換用容器１０を真空容器４に取り付け、次に真空機構２３により交換用容器１０を真空引きし、次に操作部材１８を操作してブランクフランジ２０を回転動作させて開口部５を開け、次に操作部材１８を操作して交換ユニット１２を回転動作させて新フィラメント３ｂを真空容器４内に移動させる。

次に復圧機構２６により交換用容器１０内を所定圧力まで戻し、次に交換用容器１０を真空容器４から取り外す。
次にブランクフランジ２０及び交換ユニット１２と各ユニット支持機構１３との連結を解除するとともに、各ユニット支持機構１３を真空容器４から取り外す。

［第２実施形態］
次に、図６を参照し、本発明の第２実施形態にかかる物品交換機構１について説明する。本実施形態も第１実施形態と同様に、上述したイオン注入装置におけるイオン源に対する適用例である。
本実施形態が第１実施形態と異なるのは、真空容器４に一対の物品支持移動機構２１を常設しておき、物品支持移動機構２１に支持される物品（本実施形態ではフィラメント３）のみを交換するように構成した点である。

一対の物品支持移動機構２１は、真空容器４の外壁の異なる２箇所に設置されており、それぞれ開口部５を気密に開閉可能であり、フィラメント３を支持して、フィラメント３を開口部５を通して真空容器４の内外間で移動させるように動作する。
本実施形態において、物品支持移動機構２１は、第１実施形態のユニット支持機構１３と、交換ユニット１２のフィラメント３を除く部分（フランジ７、電流導入端子１５および支持部品６）とから構成されている。なお、物品支持移動機構２１は、開口部５を気密に開閉可能であり、フィラメント３を支持して、フィラメント３を開口部５を通して真空容器４の内外間で移動させるように動作するものであれば、上記構成に限定されない。他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。

上記のように構成された本実施形態の物品交換機構１を用いた物品交換方法は、以下の手順で行なう。
（１）一方（図で右側）の物品支持移動機構２１に旧フィラメント３ａが支持されて真空容器４内に設置されている状態から、新フィラメント３ｂを他方（図で左側）の物品支持移動機構２１に取り付ける。
（２）次に開口部５を覆うとともに一対の物品支持移動機構２１を収容するように真空容器４に交換用容器１０を気密に取り付ける。
（３）次に、交換用容器１０に真空機構２３を接続し、真空機構２３により交換用容器１０内を真空引きする。
（４）次に、交換用容器１０の各挿通穴に４本の操作部材１８を挿入して、各操作部材１８と各物品支持移動機構２１（より具体的には操作軸１４）とを連結する。
（５）次に、操作部材１８を回転操作して、旧フィラメント３ａを支持している物品支持移動機構２１を、旧フィラメント３ａが真空容器４内から交換用容器１０内に移動するように回転動作させる。
（６）次に、別の操作部材１８を操作して、新フィラメント３ｂを支持している物品支持移動機構２１を、新フィラメント３ｂが交換用容器１０内から真空容器４内に移動するように動作させる。
（７）次に、交換用容器１０に復圧機構２６を接続し、復圧機構２６により交換用容器１０内を真空状態から所定圧力（ほぼ大気圧）まで戻す。
（８）次に、交換用容器１０を真空容器４から取り外す。
（９）最後に、旧フィラメント３ａを物品支持移動機構２１から取り外す。

本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、操作手順の間違いの発生を少なくすることができ、真空バルブの構成部品の劣化による真空閉止機能の低下等の問題が生じることがなく、交換用容器１０をメンテナンスする必要が無いという優れた効果が得られる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
例えば、本発明は、イオン注入装置のプラズマ発生用フィラメントの交換に限らず、中性化装置やスパッタ装置のカソードや試料の交換にも適用することができる。また、プラズマやビームの種類も限定されない。

本発明の物品交換機構を適用することができるイオン注入装置の一例を示す概略図である。 本発明の第１実施形態にかかる物品交換機構の構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる図であって、交換用容器を真空容器に対して固定するための固定手段の別の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態の物品交換機構を用いた物品交換方法を説明する図である。 本発明の第１実施形態の物品交換機構を用いた物品交換方法を説明する図である。 本発明の第１実施形態の物品交換機構を用いた物品交換方法を説明する図である。 本発明の第１実施形態の物品交換機構を用いた物品交換方法を説明する図である。 本発明の第１実施形態の物品交換機構を用いた物品交換方法を説明する図である。 本発明の第１実施形態の物品交換機構を用いた別の物品交換方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態にかかる物品交換機構の構成を示す断面図である。 特許文献１に開示されたイオン源の構成図である。 特許文献２に開示されたイオン源の構成図である。

符号の説明

１ 物品交換機構
２ プラズマ発生室
３ フィラメント
３ａ 旧フィラメント
３ｂ 新フィラメント
４ 真空容器（プラズマ生成容器）
４ａ 台座部
４ｂ 容器用台座
５ 開口部
６ 支持部品
７ フランジ
８ 接続部品
９ 取付部品
１０ 交換用容器
１０ａ 観察窓
１１ フランジ部
１２ 交換ユニット
１３ ユニット支持機構
１４ 操作軸
１５ 電流導入端子
１７ ガスポート
１８ 操作部材
１９ 補助拘束部品
２０ ブランクフランジ
２１ 物品支持移動機構
２２ バルブ
２３ 真空機構
２４ 大気吸引管
２５ 吸引装置
２６ 復圧機構
２７ ベントガス導入管
２９ ガスボンベ
３０ 固定手段
３１，３７ ボルト
３３ フック
３４ リンク
３５ レバー

Claims (7)

1. 真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換機構であって、
   前記物品が通る大きさの開口部を有する真空容器と、
   前記物品を支持し且つ前記開口部を気密に開閉可能な２つの交換ユニットと、
   該真空容器の外壁の第１及び第２の取付位置に着脱可能であり、それぞれ、前記交換ユニットと解除可能に連結して、前記交換ユニットを前記真空容器の内外間を前記物品が前記開口部を通って移動するように支持する２つのユニット支持機構と、
   前記開口部を覆うとともに、２つの交換ユニットを内部に収容する状態で前記真空容器に気密に取り付け可能であり且つ取り外し可能な交換用容器と、
   該交換用容器を気密状態で貫通し前記第１及び第２の取付位置に取り付けられた２つのユニット支持機構の各々と解除可能に連結して該２つのユニット支持機構を動作させる複数の操作部材と、
   前記交換用容器の内部を真空状態にする真空機構と、
   前記交換用容器の内部を真空状態から所定圧力まで戻す復圧機構と、を備え、
   前記真空容器は、イオン注入装置、中性化装置またはスパッタ装置におけるイオン源であり、
   前記物品は、前記真空容器がイオン注入装置におけるイオン源である場合、フィラメントであり、前記真空容器が中性化装置におけるイオン源である場合、カソードであり、前記真空容器がスパッタ装置におけるイオン源である場合、試料であることを特徴とする物品交換機構。
2. 前記各ユニット支持機構は、前記操作部材と連結可能な操作軸と、前記真空容器の外壁に着脱可能であり前記操作軸を回転可能に支持する取付部品と、前記操作軸と前記交換ユニットとを接続する接続部品とを有し、
   前記各操作部材は、前記各操作軸のうち連結相手となるものの回転軸心と同心で回転可能である請求項１記載の物品交換機構。
3. 真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換機構であって、
   前記物品が通る大きさの開口部を有する真空容器と、
   該真空容器の外壁の異なる２箇所に設置され、それぞれ前記開口部を気密に開閉可能であり、前記物品を支持して、該物品を前記開口部を通して前記真空容器の内外間で移動させるように動作する一対の物品支持移動機構と、
   前記開口部を覆うとともに、前記一対の物品支持移動機構を内部に収容する状態で前記真空容器に気密に取り付け可能であり且つ取り外し可能な交換用容器と、
   該交換用容器を気密状態で貫通し前記一対の物品支持移動機構の各々と連結して該一対の物品支持移動機構を動作させる複数の操作部材と、
   前記交換用容器の内部を真空状態にする真空機構と、
   前記交換用容器の内部を真空状態から所定圧力まで戻す復圧機構と、を備え、
   前記真空容器は、イオン注入装置、中性化装置またはスパッタ装置におけるイオン源であり、
   前記物品は、前記真空容器がイオン注入装置におけるイオン源である場合、フィラメントであり、前記真空容器が中性化装置におけるイオン源である場合、カソードであり、前記真空容器がスパッタ装置におけるイオン源である場合、試料であることを特徴とする物品交換機構。
4. 前記各物品支持移動機構は前記真空容器の外壁に回転可能に連結されており、前記各操作部材は、前記各物品支持移動機構のうち連結相手となるものの回転軸心と同心で回転可能である請求項３記載の物品交換機構。
5. 前記交換用容器に、該交換用容器の内部を観察するための透明材料からなる観察窓が設けられている請求項１又は３記載の物品交換機構。
6. 請求項１記載の物品交換機構を用いて、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換方法であって、
   前記交換ユニットに旧物品が支持されて前記真空容器内に設置されている状態から、
   （ａ）新物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器の一方の取付位置に取り付ける工程、
   （ｂ）新物品を支持する交換ユニットと対応する前記ユニット支持機構とを連結する工程、
   （ｃ）旧物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器の他方の取付位置に取り付ける工程、及び
   （ｄ）旧物品を支持する交換ユニットと対応するユニット支持機構とを連結する工程、
   を任意の順序で行い、
   次に前記開口部を覆うとともに２つの前記交換ユニットを収容するように前記真空容器に前記交換用容器を気密に取り付け、次に前記交換用容器内を真空状態とし、次に前記交換用容器に気密に貫通させた操作部材を操作して、旧物品を支持している前記交換ユニットを、旧物品が前記真空容器内から前記交換用容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器に気密に貫通させた別の操作部材を操作して、新物品を支持している前記交換ユニットを、新物品が前記交換用容器内から前記真空容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器内を真空状態から所定圧力まで戻し、次に前記交換用容器を前記真空容器から取り外し、
   次に、
   （ｅ）新物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器から取り外す工程、
   （ｆ）新物品を支持する交換ユニットと対応する前記ユニット支持機構との連結を解除する工程、
   （ｇ）旧物品を支持する交換ユニットに対応する前記ユニット支持機構を前記真空容器から取り外す工程、及び
   （ｈ）旧物品を支持する前記交換ユニットと対応するユニット支持機構との連結を解除する工程、
   を任意の順序で行う、ことを特徴とする物品交換方法。
7. 請求項３記載の物品交換機構を用いて、真空容器内に設置される物品を交換するための物品交換方法であって、
   一方の前記物品支持移動機構に旧物品が支持されて前記真空容器内に設置されている状態から、新物品を他方の前記物品支持移動機構に取り付け、次に前記開口部を覆うとともに前記一対の物品支持移動機構を収容するように前記真空容器に交換用容器を気密に取り付け、次に前記交換用容器内を真空状態とし、次に前記交換用容器に気密に貫通させた操作部材を操作して、前記一方の物品支持移動機構を、旧物品が前記真空容器内から前記交換用容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器に気密に貫通させた別の操作部材を操作して、前記他方の物品支持移動機構を、新物品が前記交換用容器内から前記真空容器内に移動するように動作させ、次に前記交換用容器内を真空状態から所定圧力まで戻し、次に前記交換用容器を前記真空容器から取り外し、次に旧物品を前記一方の物品支持移動機構から取り外し、ことを特徴とする物品交換方法。

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