JPH01235130A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、イオン注入装置に代表される。イオンやイ
オンアシストを利用する装置におけるイオン源装置であ
って、詳しくは、イオン種形成のための原料ガスが導入
されてこれをプラズマ化するとともにこのプラズマ中か
らイオン種を外部へ引ぎ出すための引出し口が形成され
たイオン化室と、このイオン化室から前記イオン種引出
し方向と反対の方向に延びる支持部材とを備えてなるイ
オン源ヘッド；前記イオン種引出し方向と軸線方向を同
じくし前記イオン源ヘッドを間隔をおいて取り囲むｉ筒
状の側壁と該側壁の前記イオン化室反引出し口側端面に
気密に着脱可能にして前記イオン化室を前記支持部材を
介して担持する底面とからなり、前記イオン化室の引出
し口と対向配置され該イオン化室からイオン種を静電的
に引き出す電極系を収容する。真空排気手段を備えた真
空容器と接合されるイオン源真空ハウジング；とを備え
たイオン源装置に関する。

〔従来の技術〕

第４図４ここの塊イオン源装置の従来の構成例を示す、
原料ガス供給管３を介して導入された原料ガスをプラズ
マ化するイオン化室１１は、このプラズマ中からイオン
種を引き出すための引出し口１１ａを形成されるととも
に、この引出し口側を除いてシールドカバー１２により
包囲されている。このシールドカバー１２はイオン化室
ｌ】と一体化されてイオン化室１１の引出し口側を除く
外周面を形成するとともにこのシールドカバー１２から
イオン化室１１の反引出し口側方向へ延びる金属製支持
棒１３を介して底面５に固定され、従ってこの底面５が
取り付けられる金属製の側壁６とは等電位にあるが、イ
オン化室１】と、このイオン化案内のプラズマ中からイ
オン種を静電的に引き出す電極系２との間には高電圧が
印加されており、シールドカバー１２はこの高電圧のも
とにイオン代案表面に形成される電界を緩和する静電シ
ールドの役目を果たすとともに、プラズマ化時に数百度
の高温となるイオン化室１】から周辺部材に与えられる
熱をＪ　Ｎｔする熱シールドの役目も果たしている。な
お、図中の符号８は側壁６に接合される。無機絶縁材か
らなる真空容器を示し、符号７は冷媒が通る冷却管であ
って側壁６の外周面に多重に巻かれ、イオン化室ｌ】か
ら側壁６に与えられた熱を吸収して側壁６の温度上昇を
抑える。また符号４は原料ガスの流量を１節する原料ガ
ス制御器である。

第５図に従来のイオン源装置の別の例を示す。

この例では、ｔａ系２を収容する真空容器１８が金属で
作られて接地電位にあり、このためこの真空容器１８と
はぼ同電位にある電極系２との間に高電圧が印加される
イオン化室１１．このイオン化室１１と一体化されたシ
ールドカバー１２およびこのシールドカバー１２を底面
５上に支持する金ｊｓ製の支持筒１４からなるイオン源
ヘッド１０は底面５とともに金属製の真空容器１８に対
し、絶縁側壁１６を介して取り付けられている。この絶
縁側１１１６は、数百度の高温となるイオン化室１１に
よって加熱されることのないよう、軸方向に短く形成さ
れ、この短くなった分の長さを金属製の真空容器１８が
補い、かつこの補った長さの範囲が冷却管７により冷却
されている。従つて、このイオン源装置においては、イ
オン源ヘッドｌＯを取り囲む筒状の側壁は、絶縁＠壁１
６と、この絶縁側壁１６の長さを補う金属製の真空容器
部分１８ａとからなる側壁ごとなる。な詔、底面５の外
側の面に接して巻かれた冷却管１７は底面５と同電位に
あるから、この冷却管１７を通る冷媒の供給源装置も当
然のことながら接地電位から絶縁されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように構成された従来のイオン源装置における間
組点は次の通りである。すなわら、かかるイオン源装置
を備えたイオン利用装置を、メンテナンス等のため、内
部を大気開放して点検しよ・）とする際には、運転中に
イオン化室が数百度の高温となっているため、内部部材
の酸化やちり化。

不用ガスの吸着などを避けるため、また、点検員が点検
作業可能となるまで冷却をする必要がある。

しかし、真空空間では気体の密度が極めて小さいため、
気体分子による熱伝導は非常に小さくなる。

また、輻射による伝熱量は温度の４乗に比例するから、
温度がわずかに低下すると伝熱効果が急に小さくなりイ
オン化室の温度降下がなかなか進まなくなる。すなわち
真空空間を介する伝熱では、大きな伝熱面釉を持ち、か
つ互いに非常に近接しているもの同志の間でなければ、
大きな熱流を期待することは困雛である。また金属部、
材を介する熱伝達の場合にも、第４図、第５図にみられ
るように、イオン化室１】からシールドカバー１２を介
して底面５へ熱を伝達する役目を果たす支持棒１３ある
いは支持筒１４の熱流通過断面積は、イ・オン化室１】
もしくはシールドカバー１２を機械的に安全に支持する
番こ足る断面積しか有していないから、かかる金属部材
を介した伝熱によるイオン化室１】の冷却効果もさほど
大きくなり得ない。このため、装置の運転中止後、真空
容器の大気開放可能となるまでに、装置により相異はあ
るが、加分ないし２時間を要し、折角高い稼動率すなわ
ち長い連続運転可能時間と、単位時間当りの大きい処理
能力を持ちながらメンテナンスのための待ち時間のため
ｌこ実質的な稼動率が低下し、これにより、その大きい
処理能力に見合りて未処理前も増すという欠点があった
。

本発明は、前記従来のイオン源装置の有する欠点に鑑み
、従来のイオン源装置を基本的に変更することなく、装
置の運転中止後急速にイオン源装啜を冷却することがで
き、かつイオン源装置の種類もしくは用途に合わせて冷
却速度を調整することのできる構成のイオン源装置の実
現をその解決すべき課也とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれ１．ゼ、イ
オン種形成のための原料ガスが導入されてこれをプラズ
マ化するとともにこのプラズマ中からイオン種を外部へ
引き出すための引出し口が形成されたイオン化室と、こ
のイオン化室から前記イオン種引出し方向と反対の方向
に延びる支持部材とを備えてなるイオン源ヘッド；前記
イオンロ引出し方向と軸線方向を同じくし前記イオン源
ヘッドを間隔をおいて取り囲む筒状の側壁と該側壁の前
記イオン化室反引出し口側端面に気密に着脱可能にして
紬記イオン化室を前記支持部材を介して担持する底面と
からなり、前記イオン化室の引出し口と対向配置され該
イオン化室からイオン種を静電的に引き出す電極系を収
容する。真空排気手段を備えた真空容器と接合されるイ
オン源真空ハウジング：とを備えたイオン源装置の構成
を、前記イオン源真空ハウジングの底面または側壁に、
前記原料ガスのプラズマ化時に温度上昇したイオン化室
を含むイオン源ヘッドをプラズマ化中止後に冷却するた
めの冷却ガスが導入される冷却ガス導入口を設けるとと
もにこの冷却ガス導入口から導入され前記イオン化室を
包囲しつつ前記真空容器内へ流入する冷却ガスの流れが
、前記イオン源真空ハウジング側壁内周面と該側壁内周
面に対向するイオン化室外周面との間の空間で前記真空
排気手段による排気作用に抗して少なくとも所定の静圧
を示すように絞られている構成とするものとする。

〔作用〕

イオン源装置をこのように構成すれば、イオン源真空ハ
ウジングの底面または側壁の導入口からハウジング内へ
導入された冷却ガスの圧力が側壁内周面と該側壁内周面
に対向するイオン化室外周面との間の空間で少なくとも
所定圧方丈で高まり、この圧力に応じた気体分子がこの
空間内に存在するから、この気体分子により、イオン化
室を含むイオン源ヘッドの熱が効果的にｇａ壁側へ伝達
さねこの伝達された熱は側壁外周面に巻かれた冷却管を
流れる冷媒により速やかに持ち去られかつ、この伝熱に
与かった。熱運動の高まった気体分子は、真空排気装置
による排気作用により前記側壁内周面とイオン化室外周
面との間の空隙を通って下流側へ吸い出されるから、前
記空間には常により冷たい冷却ガスが補給され、イオン
源ヘッドは短時間のうちに温度が低下する。

〔実施例〕

８Ｊ１図に本発明に基づいて構成されるイオン源装置の
第１の５ｉｌｉ！施例を示す。図において第４図および
第５図と同一部材には同一符号を付し説明を省略する。

図にみられるように、イオン化室１１の外周面を構成す
るシールドカバー１２を間隔をおいて包囲する筒状の側
壁あはその軸線方向にシールドカバー１２をほばカバー
する長さの範囲で内周面ｆＪ＋へ肉厚が増されており、
これにより、側壁内周面とイオン化室外周面との間の空
隙が挾められ、イオン源真空ハウジング加の底面５に設
けられた冷却ガス導入口δを挿通ずる冷却ガス供給管乙
を介しＣイオン源真空ハウジング加内へ導入されたたと
えばＡｒなどの不活性ガスからなる冷却ガスが前記空隙
を通過して真空容器１９内へ噴出する際の空隙中の流れ
の抵抗が増し、この空隙中で冷却ガスの圧力が上昇する
。一方、この圧力上昇きとも（こ真空容器１９内へ噴出
されるガス号も増加して行くから、冷却ガス供給管久を
介して供給されるガスＬ１と見合ったある圧力で空隙中
の圧力上昇が止まり、以後、空隙中の圧力は一定値を維
持する。

従って空隙中にはこの一定圧力に応じた気体分子が存在
し、この分子がイオン化室外周面から側壁内周面へ熱を
伝達する。そして、この熱伝達ｌこ与かった。熱運動の
高まった気体分子は空隙中を下流側へ流れて真空容５１
９内へ噴出し、代わりに空隙の上流側からより冷たい冷
却ガスが間断なく補給される。なお、シールドカバー１
２と底面５との間の空間も冷却ガスで満たされているか
ら、この空間内のガス分子もイオン源ヘッド１からの熱
伝達ζど寄与し、前記空隙中のガス分子によるイオン化
室１］からの熱伝達効果とあわせ、イオン源へ。

ドｌの温度が短時間に低下する。なお、冷却ガス供給管
おの流出端に配されたノズルηは、冷却ガスがイオン源
真空ハウジング加内で一様に広がり、冷却ガスの熱伝達
効率を向上させる役目を果たす。

また、本実施例では、側壁内周面とシールドカバー外周
面との間の空隙を、シールドカバー１２と対向する軸方
向長さの範囲のみ側壁あの肉厚を内周面 両側へ増すことにより挾めており、側壁２６の残りの部
分の内径はもとの大寸法のままとしているが、これは装
置のメンテナンス時のイオン源装置の着脱作業を従来通
りに容易ならしめるためである。

なお、図中、符号９はイオン源真空ノ・ウジング加内へ
供給される冷却ガスの流量を調節する冷却ガス制御器で
あり、この制御器により冷却ガスの流量を調節すること
により、イオン源ヘッド１の所定温度までの冷却時間を
調整することが可能となる。

第２図に本発明の第２の実施例を示す。図中、第１図、
第４図および第５図と同一部材ζこは同一符号を付し説
明を省略する。

本実施例が第１図の実施例と異なる点は、イオン源真空
ハウジングかの側壁Ｓのイオン化室引出し口側端部位置
に、写真機などで使用されている絞り機構２１ａを付加
した点である。すなわち、イオン源真空ハウジング側壁
進部に取り付けた絞り機構２ｉａでシールドカバー１２
を周囲から絞り込む構成とし、イオン源ヘッド１の着脱
作業性を低下させることなく冷却ガスの流出に対する絞
りをイオン化室１】の軸線方向引出し口位置に設定して
、第１の実施例において生ずる。シールドカバー１２の
外周面軸方向に沿う圧力勾配をなくすることにより、シ
ールドカバー１２と側壁かとの間の空隙に存在する冷却
ガスの量を増し、冷却ガスの流量を一定に保ちながら冷
却時間を短縮しようとするものである。また、ここには
図示しないが、この絞り機構２１ａは例えば真空内回転
導入機などの機構を介して大気側から操作可能に構成す
ることにより絞り量を可変とし、イオン源ヘッド１の冷
却時間を可調整としている。また、この絞り機構２１　
ａはイオン源装置の運転中は開放されてイオン源真空ハ
ウジング側壁端部の７ランジ内に格納され、イオン化室
引出し口前面側すなわち電極系２４Ａの。

イオン種引出しのための電界形成を妨げない。

第３図に本発明の第３の実施例を示す。この実施例は、
冷却ガスの流れに対する絞り面積を高精度に実現するた
めのイオン源装置の構成例を示す。

イオン化ｆｆｌ　１１　、シールドカバー１２．全４辺
の支持棒１３からなるイオン源ヘッド１を間隔をおいて
包凹する。第１図および第２図に示されるような筒状の
側壁はこれを軸線方向に２分割してベローズを介装する
ことにより伸縮可能に形成されている。

すなわち、第１図および第２図における側壁あの左端部
を構成するフランジ２６ａを側壁の筒部から切り離し、
この切り離されたフランジ面に種数のスタッド２８ｄを
周方向に間隔をおいて植設するとともにフランジ２６ａ
が切り離された筒部２６ｆの左端面に前記スタッド２８
ｄが挿通する容赦の孔を備えたフランジ２ｅｂを固着し
、７ランジ２６ａ、２６ｂの対向面にベローズ２８Ｃの
両端面をそれぞれ気密に固着する。図中、２８ｅはこの
伸縮可能に構成された側壁の軸方向長さを調節するとと
もに調節後の長さを一定に維持するための固定す、トで
ある。

一方、側壁の右端部を構成するフランジ２６Ｃには中央
部に絞り位置が形成されるとともに絞り面積を零となし
つる絞り機構２１ｂが取り付けられている。第２図の場
合と異なり、絞り位置が中央部に形成されるため、極小
の絞り面積まで精度よく制御することが可能である。

図は、イオン源装置の運転停止後、イオン源ヘッド１冷
却のため、伸縮可能な側壁を軸方向に伸ばしてイオン源
ヘッド１先端を電極系２から引き離し７、この引き離さ
れた空間に絞り機構２１ｂの羽根を挿入して空間を２分
するとともに中央部の絞りを介して連通している状態を
示す。イオン源装置をこのようｌこ構成することにより
、イオン源ヘッド１の冷却時間を幅広くかつ精度高く調
整することが可能になる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、イオン種形成の
ための原料ガスが導入されてこれをプラズマ化するとと
もにこのプラズマ中からイオン種を外部へ引き出すため
の引出し口が形成されたイオン化室と、このイオン化室
から前記イオン種引出し方向と反対の方向に延びる支持
部材とを＜１えてなるイオン源へラド；前記イオン種引
出し方向と軸線方向を同じくし前記イオン源ヘッドを間
隔をおいて取り囲む筒状の側壁と該側壁の前記、イオン
代案反引出し口側端面に気密Ｉこ着脱可能にして前記イ
オン化室を前記支持部材を介して担持する底面とからな
り、前記イオン化室の分引出し口と対向配置され該イオ
ン化室からイオン種を静電的に引き出す電極系を収容す
る。真空排気手段を備えた真空容器と接合されるイオン
源真空ハウジンク；とを備えたイオン源装置の構成を、
前２ｅイオン源真空ハウジングの底面または側壁ｌこ、
前記原料ガスのプラズマ化時に温度上昇したイオン化室
を含むイオン源ヘッドをプラズマ化中止後に冷却するた
めの冷却ガスが導入される冷却ガス導入口を設けるとと
もにこの冷却ガス導入口から導入され前記イオン化室を
包囲しつつ前記真空容器内へ流入する冷却ガスの流れが
、前記イオン源真空ハウジング側壁内周面と該側壁内周
面に対向する・ｆオン化室外周面との間の空間で前記真
空排気手段による排気作用に抗して少なくとも所定の静
圧を示すように絞られている構成としたので、イオン源
装置を運転停止して内部を点検する際にイオン源装置の
運転停止後の内部部材すなわちイオン源ヘッド中特に運
転中高温となるイオン化室の冷却が、このイオン化室の
外周面を構成するシールドカバーを介した熱幅射に加え
て、このシールドカバーと側壁との間の空隙中に存在す
る。所定値以上の静圧を有する冷却ガス分子の熱伝達作
用によって行われるため、冷却速度が著しく促進され、
イオン源ヘッドが大気開放可能となるまでの晴間が大幅
に短縮されるから、かかるイオン源装置を備えたイオン
利用装置の稼動率すなわち装置の笑効生産性を著しく向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図はそれぞわ本発明に基づい
て構成されるイオン源装置の第１．第２および第３の実
施例を示す縦断面図、第４図および第５図はそれぞれ従
来のイオン源装置の異なる構成例を示す縦断面図である
。 １．１０・・・イオン源ヘッド、２・・・電極系、′へ
・・原料ガス供給管、５・・・底面、６．２６，２７．
２８・・・則は、８　、１８　、１９・・・真空容器、
１１・・・イオン化室、１］ａ・・引出し口、１２・・
・シールドカバー、１３・・・支持棒、１４・・支持筒
、１６・・・絶縁側壁、１８ａ・・・真空容器部分、２
０　、３０　、４０・・・イオン源真空ハウジング、２
１ａ、２１ｂ・・・絞り機構、乙・・・冷却ガス供給管
、６・・・冷却ガス導第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）イオン種形成のための原料ガスが導入されてこれを
   プラズマ化するとともにこのプラズマ中からイオン種を
   外部へ引き出すための引出し口が形成されたイオン化室
   と、このイオン化室から前記イオン種引出し方向と反対
   の方向に延びる支持部材とを備えてなるイオン源ヘッド
   ；前記イオン種引出し方向と軸線方向を同じくし前記イ
   オン源ヘッドを間隔をおいて取り囲む筒状の側壁と該側
   壁の前記イオン化室反引出し口側端面に気密に着脱可能
   にして前記イオン化室を前記支持部材を介して担持する
   底面とからなり、前記イオン化室の引出し口と対向配置
   され該イオン化室からイオン種を静電的に引き出す電極
   系を収容する、真空排気手段を備えた真空容器と接合さ
   れるイオン源真空ハウジング；とを備えたイオン源装置
   において、前記イオン源真空ハウジングの底面または側
   壁に、前記原料ガスのプラズマ化時に温度上昇したイオ
   ン化室を含むイオン源ヘッドをプラズマ化中止後に冷却
   するための冷却ガスが導入される冷却ガス導入口を設け
   るとともにこの冷却ガス導入口から導入され前記イオン
   化室を包囲しつつ前記真空容器内へ流入する冷却ガスの
   流れが、前記イオン源真空ハウジング側壁内周面と該側
   壁内周面に対向するイオン化室外周面との間の空間で前
   記真空排気手段による排気作用に抗して少なくとも所定
   の静圧を示すように絞られていることを特徴とするイオ
   ン源装置。