JP4048837B2 - イオン源の運転方法およびイオン源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマを生成してそれからイオンビームを引き出すイオン源の運転方法およびイオン源装置に関し、特に、当該プラズマを生成するためのプラズマ生成容器のプラズマ生成時の温度を低く抑えたり、低温運転用と高温運転用とに切り換えることができるようにする手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のイオン源の一例を図4に示す。このイオン源2は、ガスまたは蒸気のイオン種が導入されそれを電離させてプラズマ14を生成するプラズマ生成部4を、複数本(通常は4本)の棒状の支持体(この例では支柱)34によって、イオン源フランジ36から支持した構造をしている。
【0003】
イオン源フランジ36は、当該イオン源2を、イオン源チャンバーと呼ばれる真空容器内に取り付けるためのものであり、このイオン源フランジ36の内側(プラズマ生成部4側)は真空雰囲気にされる。またこのイオン源フランジ36は、真空シール用にパッキン38を有していて、それを冷却して保護する等のために通常は水冷構造にされている。
【0004】
プラズマ生成部4は、この例ではバーナス型と呼ばれるものであり、イオン引出し口8を有していて中でプラズマ14を生成するためのプラズマ生成容器6内に、電子放出用のフィラメント10と電子反射用の反射電極12とを相対向させて配置した構造をしている。但し、プラズマ生成部4は、他の方式のもの、例えば棒状のフィラメントを有するフリーマン型等でも良い。このプラズマ生成部4から(より具体的にはそのプラズマ生成容器6から)、電界の作用でイオンビーム16を引き出すことができる。
【0005】
プラズマ生成容器6内には、この例では、ガス導入管18を経由して、イオン種(イオン化物質とも呼ばれる。以下同じ)としての原料ガス20を導入することができる。更にこの例では、ヒータ28によって固体原料26を加熱して蒸気24を発生させる蒸気発生炉(オーブン)22を有しており、この固体原料26から発生させた蒸気24をイオン種として、ノズル23を経由して、プラズマ生成容器6内に導入することもできる。蒸気発生炉22は、支持部30およびオーブンフランジ32を介して、イオン源フランジ36から支持されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記プラズマ生成容器6は、プラズマ14の発生に伴って、例えば数百℃〜1000℃程度の高温になる。これは、フィラメント10からの熱や、フィラメント10とプラズマ生成容器6との間で発生させるアーク放電の熱による。
【0007】
一方、イオン源フランジ36は、前述したようにパッキン38の保護等のために、室温程度の低温になるように冷却される。
【0008】
そこで従来は、プラズマ生成容器6からイオン源フランジ36への熱伝導を小さく抑えてプラズマ生成容器6の高温を維持しつつ、プラズマ生成容器6をイオン源フランジ36から機械的に支持するために、複数本の棒状の支持体(支柱)34を用いている。
【0009】
原料ガス20や蒸気24を構成するイオン種が、例えばインジウム、フッ化インジウム、アンチモン等のように融点の高い物質の場合は、プラズマ生成容器6を高温に保持するのが好ましいので、前記構成で問題はなかった。リン、ヒ素のように中温に保持するのが好ましいイオン種の場合も、前記構成で問題はなかった。
【0010】
しかし、原料ガス20や蒸気24を構成するイオン種が、例えばデカボラン(B10H14)のように融点や昇華点の低い物質の場合は、プラズマ生成時のプラズマ生成容器6が前記のような高温になると、プラズマ14の生成密度ひいてはイオンビーム16の引き出し量の制御が困難になる。これは、プラズマ生成容器6の温度が上記低温用のイオン種の融点や昇華点を遙かに超えてしまい、プラズマ生成の制御が困難になるからである。
【0011】
このような問題は、ガス導入管18から原料ガス20を導入する場合だけでなく、蒸気発生炉22を使用する場合にも起こる。これは、蒸気発生炉22とプラズマ生成容器6とはノズル23を介して接続されていて、蒸気発生炉22のヒータ28に供給する電流を下げる、あるいは切っても、高温のプラズマ生成容器6からの熱伝導によって、蒸気発生炉22の温度が不所望に高くなってしまうからである。プラズマ生成容器6からの放射熱によっても、蒸気発生炉22の温度が不所望に上昇する。
【0012】
イオン種に上記デカボランを用いると、クラスターイオンビームの特徴を生かして、等価的に低エネルギーかつ大電流ビームが得られ、基板のチャージアップが少ないイオンビーム照射(例えばイオン注入)を行うことができる等の利点があるけれども、イオン種にデカボランを用いる場合は、特に、プラズマ生成時のプラズマ生成容器6の温度を低く抑える必要がある。例えば、室温〜100℃程度以下に抑える必要がある。このようなことは、前記のような従来のイオン源2では到底困難である。
【0013】
そこでこの発明は、プラズマ生成時のプラズマ生成容器の温度を低く抑えることができるようにすることを主たる目的としている。
【0014】
また、プラズマ生成時のプラズマ生成容器の温度を、相対的に低温で運転する場合と相対的に高温で運転する場合とに切り換えることができるようにすることを他の目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイオン源の運転方法は、前記支持体内に、前記プラズマ生成容器側の端部と前記イオン源フランジ側の端部との間に位置するように空洞を設けておき、前記イオン種の融点または昇華点に応じて、この支持体の空洞に冷媒を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気する排気モードとに切り換えて運転することを特徴としている。
【0018】
この運転方法によれば、冷却モード時は、前記支持体内の空洞に流される冷媒によってプラズマ生成容器を冷却することができるので、プラズマ生成容器の温度が相対的に低い状態で運転することができる。また、排気モード時は、前記支持体の空洞を真空排気することによって、当該空洞における真空断熱作用を利用して、支持体の断熱効果を高めることができるので、プラズマ生成容器の温度が相対的に高い状態で運転することができる。「相対的に」というのは、前記二つのモード時の温度を互いに比べて、という意味である。
【0019】
このような冷却モードと排気モードとをイオン種の融点または昇華点に応じて切り換えて運転することによって、1台のイオン源を、そのプラズマ生成容器の温度に関して広い温度領域で使用することができるので、使用することのできるイオン種の選択の自由度が非常に高くなる。
【0020】
この発明に係るイオン源装置は、イオン種が導入されそれを電離させてプラズマを生成するためのプラズマ生成容器を支持体によってイオン源フランジから支持した構造をしており、かつ当該支持体内に、前記プラズマ生成容器側の端部と前記イオン源フランジ側の端部との間に位置するように空洞が設けられているイオン源と、このイオン源の支持体の空洞に冷媒を流すための冷媒供給装置と、前記イオン源の支持体の空洞を真空排気するための真空排気装置と、前記イオン源の支持体の空洞を、前記冷媒供給装置と前記真空排気装置とに切り換えて通じさせる切換器とを備えていて、前記イオン源を、前記イオン種の融点または昇華点に応じて、前記支持体の空洞に冷媒を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気する排気モードとに切り換えて運転することができるように構成されていることを特徴としている。
【0021】
このイオン源装置によれば、イオン源を、イオン種の融点または昇華点に応じて、前記支持体の空洞に冷媒供給装置から冷媒を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気装置によって真空排気する排気モードとに切り換えて運転することができるので、1台のイオン源を、そのプラズマ生成容器の温度に関して広い温度領域で使用することができる。従って、使用することのできるイオン種の選択の自由度が非常に高くなる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明に係るイオン源の運転方法を実施することができるイオン源の一例を示す断面図である。図4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。
【0023】
このイオン源2aは、ガス導入管18を備えているけれども、蒸気発生炉を備えていない場合の例である。このイオン源2aでは、前記従来の支持体34に対応する支持体34a内に、即ち前記プラズマ生成部4のプラズマ生成容器6をイオン源フランジ36から支持する支持体34a内に、プラズマ生成容器6の近傍からイオン源フランジ36の近傍にかけて、空洞40を設けている。より具体的には、このイオン源2aでは、支持体34aは、底面41を有する筒状のものであり、その内部が空洞40になっている。支持体34aのイオン源フランジ36外に位置する開口部には蓋42が設けられている。各部材の接合部は、パッキン38によって、真空や冷媒のシールが行われている(図2の例も同様)。
【0024】
この空洞40内には、冷媒給排手段によって、即ちこの例では冷媒導入パイプ44および冷媒導出パイプ46によって、冷媒48が流される。従って、この空洞40は、プラズマ生成容器6の近傍まで冷媒48を流してプラズマ生成容器6を冷却する冷媒流路になっている。冷媒導入パイプ44は、この例のように、空洞40内に、その上部付近まで、即ちプラズマ生成容器6の近くまで、挿入しておくのが好ましい。そのようにすると、導入された冷媒48をプラズマ生成容器6の近傍まで効率良く供給して、プラズマ生成容器6を効率良く冷却することができる。
【0025】
冷媒48は、例えば室温の冷却水であるが、その他の冷媒でも良い。この冷媒48の温度、流量および種類等は、プラズマ生成時のプラズマ生成容器6の温度が所望のものになるように選べば良い。また、イオン源2aの運転時には、イオン源フランジ36、支持体34aおよびプラズマ生成容器6には高電圧(イオンビーム16を引き出すための高電圧)が印加されるので、これらが冷媒48を通して大地電位部と導通することを防止する等のために、冷媒48として水を用いる場合は、電気抵抗の高い純水を用いるのが好ましい。
【0026】
このイオン源2aによれば、支持体34a内に設けた空洞(冷媒流路)40に流される冷媒48によって、プラズマ生成容器6をそのすぐ近傍から冷却することができるので、プラズマ生成時のプラズマ生成容器6の温度を低く抑えることができる。例えば、冷媒48に室温の冷却水を用いることによって、プラズマ生成時のプラズマ生成容器6の温度を、室温〜数十℃程度に、高くても100℃程度以下に保つことができる。
【0027】
従って、ガス導入管18からプラズマ生成容器6内に導入する原料ガス20を構成するイオン種が融点や昇華点の低い物質であっても、例えば原料ガス20が前記デカボランを含むものであっても、プラズマ14の生成密度ひいてはイオンビーム16の引き出し量を目的のものに制御することが可能になる。
【0028】
なお、支持体34aは、横断面が四角(即ち角筒状)のものでも良いし、丸(即ち円筒状)のものでも良い。また、その底面41とプラズマ生成容器6の底面7とは、この例のように互いに別体のものとして両者間で分割できる構造にしても良いし、両底面41、7を互いに一体のものとして一つの面で兼用できる構造にしても良い。後述する図2の例においても同様である。
【0029】
このイオン源2aは、上記のように支持体34aの空洞40に冷媒48を流す冷却モードと、当該空洞40を真空排気する排気モードとに切り換えて運転することもできる。空洞40の真空排気は、例えば、冷媒導入パイプ44および冷媒導出パイプ46を経由して行えば良い。
【0030】
冷却モード時の作用効果は、前述したとおりである。
【0031】
排気モードは、支持体34aの空洞40を真空排気することによって、空洞40における真空断熱作用を利用して、支持体34aの断熱効果を高めることができるので、プラズマ生成容器6の温度が冷却モード時よりも高い状態(例えば数百℃〜1000℃程度)で運転するのに適している。
【0032】
このような冷却モードと排気モードとを切り換えて運転することによって、1台のイオン源2aを、そのプラズマ生成容器6の温度に関して広い温度領域で使用することができるので、使用することのできるイオン種の選択の自由度が非常に高くなる。つまり、1台のイオン源2aで、融点や昇華点の低いイオン種から、融点や昇華点の高いイオン種まで、広範囲に使用することができる。
【0033】
なお、イオン源2aを冷却モードのみで運転するのであれば、支持体34a内であって少なくともプラズマ生成容器6の近傍に空洞40を設けておき、この空洞40に冷媒流通パイプ、冷媒流通溝等の冷媒給排手段によって冷媒48を流すようにしても良い。これでも、プラズマ生成容器6を冷却するという目的を達成することができる。後述する図2のイオン源2aの場合も同様である。
【0034】
図2は、この発明に係るイオン源の運転方法を実施することができるイオン源の他の例を示す断面図である。このイオン源2aは、ガス導入管18の他に蒸気発生炉22を備えている場合の例である。ここでは、図1に示した例との相違点を主体に説明する。
【0035】
このイオン源2aも、プラズマ生成容器6をイオン源フランジ36から支持する支持体34a内に、プラズマ生成容器6の近傍からイオン源フランジ36の近傍にかけて、空洞40を設けている。そしてこの空洞40に、前記と同様の冷媒導入パイプ44および冷媒導出パイプ46を接続している。冷媒導入パイプ44は、前記と同様に空洞40内に挿入している。この支持体34aは、更に、その中心部に柱状の空間50を有しており、この空間50に、前述したような蒸気発生炉22を収納している。即ち、支持体34aは、この例では、中心部に空間50を有し、更にその周りを空洞40が取り囲んでいる、言わば二重筒状の構造をしている。
【0036】
蒸気発生炉22は、前述したように、固体原料26をヒータ28によって加熱して蒸気24を発生させ、それをノズル23を経由してプラズマ生成容器6内に導入するものである。支持部30を介して蒸気発生炉22を支持するオーブンフランジ32は、支持体34aのイオン源フランジ36外に位置するオーブン接続部52に取り付けられている。
【0037】
このイオン源2aも、図1のイオン源2aの場合と同様、支持体34aの空洞40に冷媒48を流すことによって、即ち空洞40を冷媒流路とすることによって、プラズマ生成時のプラズマ生成容器6の温度を低く抑えることができる。その作用効果の詳細は、前述したとおりである。
【0038】
また、蒸気発生炉22を使用するときも、プラズマ生成容器6を上記のように冷却することによって、蒸気発生炉22もノズル23を経由してある程度冷却されるので、この冷却作用とヒータ28による加熱とを併用することができる。それによって、蒸気発生炉22の温度を低い温度領域(例えば数十℃〜100℃程度)においても制御性良く制御することができる。これは、例えば固体原料26にデカボランを使用する場合等に特に有効である。
【0039】
このイオン源2aはまた、図1のイオン源2aの場合と同様、支持体34aの空洞40に冷媒48を流す冷却モードと、当該空洞40を真空排気する排気モードとに切り換えて運転することができる。その作用効果は、前述したとおりである。
【0040】
イオン源2aを、前記のような冷却モードと排気モードとに切り換えて運転するのに適したイオン源装置の一例を図3に示す。
【0041】
このイオン源装置は、図1または図2を参照して説明したようなイオン源2aと、このイオン源2aの支持体34aの空洞40に冷媒48を流すための冷媒供給装置60と、イオン源2aの支持体34aの空洞40を真空排気するための真空排気装置62と、イオン源2aの支持体34aの空洞40を、冷媒供給装置60と真空排気装置62とに択一的に切り換えて通じさせる切換器54とを備えている。
【0042】
冷媒供給装置60は、例えば水供給装置、好ましくは純水供給装置である。
【0043】
切換器54は、この例では、イオン源2aの前記冷媒導入パイプ44を冷媒供給装置60側と真空排気装置62側とに択一的に切り換えて通じさせる2位置切換弁56と、イオン源2aの前記冷媒導出パイプ46を冷媒供給装置60側と真空排気装置62側とに択一的に切り換えて通じさせる2位置切換弁58とから成る。両切換弁56、58は、例えば互いに連動するようにしている。
【0044】
更にこのイオン源装置は、イオン源2aの支持体34aの空洞40やそれにつながる配管等に窒素ガス66を供給して水分を窒素ガスによってパージするための窒素ガス源64および弁68を備えている。但しこれは、この発明に必須のものではない。
【0045】
このイオン源装置の運転方法の一例を以下に示す。
【0046】
(1)イオン源2aを冷却モードで運転するとき
切換器54を、即ち2位置切換弁56および58を冷媒供給装置60側に切り換えて、イオン源2aの支持体34aの空洞40に冷媒供給装置60から冷媒48を流す。
【0047】
(2)イオン源2aを排気モードで運転するとき
先にイオン源2aを冷却モードで運転した場合は、窒素ガスでパージを行うのが好ましい。その場合は、切換器54を冷媒供給装置60側に切り換えたままにしておき、弁68を開いて窒素ガス源64から窒素ガス66を支持体34aの空洞40やそれにつながる配管等に供給して、それらの内部に残存する水分を冷媒供給装置60側に押し戻してパージする。こうすると、余分な水分を排気しなくて済むので、次の真空排気に必要な時間を短縮することができる。
【0048】
その後、切換器54を、即ち2位置切換弁56および58を真空排気装置62側に切り換えて、イオン源2aの支持体34aの空洞40内を真空排気装置62によって真空排気する。
【0049】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【0051】
請求項1記載の運転方法によれば、冷却モード時はプラズマ生成容器の温度が相対的に低い状態で運転することができ、排気モード時はプラズマ生成容器の温度が相対的に高い状態で運転することができ、このような冷却モードと排気モードとをイオン種の融点または昇華点に応じて切り換えて運転することによって、1台のイオン源を、そのプラズマ生成容器の温度に関して広い温度領域で使用することができるので、使用することのできるイオン種の選択の自由度が非常に高くなる。つまり、1台のイオン源で、融点または昇華点の低いイオン種から、融点または昇華点の高いイオン種まで、広範囲に使用することができ、様々なイオン種に対応することができる。
【0052】
請求項2記載のイオン源装置によれば、イオン源を、イオン種の融点または昇華点に応じて、前記支持体の空洞に冷媒供給装置から冷媒を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気装置によって真空排気する排気モードとに切り換えて運転することができるので、1台のイオン源を、そのプラズマ生成容器の温度に関して広い温度領域で使用することができる。従って、使用することのできるイオン種の選択の自由度が非常に高くなる。つまり、1台のイオン源で、融点または昇華点の低いイオン種から、融点または昇華点の高いイオン種まで、広範囲に使用することができ、様々なイオン種に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に係るイオン源の運転方法を実施することができるイオン源の一例を示す断面図である。
【図2】 この発明に係るイオン源の運転方法を実施することができるイオン源の他の例を示す断面図である。
【図3】この発明に係るイオン源装置の一例を示す配管系統図である。
【図4】従来のイオン源の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
2a イオン源
6 プラズマ生成容器
14 プラズマ
16 イオンビーム
18 ガス導入管
20 原料ガス
22 蒸気発生炉
24 蒸気
34a 支持体
36 イオン源フランジ
40 空洞
48 冷媒
54 切換器
60 冷媒供給装置
62 真空排気装置
Claims (2)
- イオン種が導入されそれを電離させてプラズマを生成するためのプラズマ生成容器を支持体によってイオン源フランジから支持した構造のイオン源において、
前記支持体内に、前記プラズマ生成容器側の端部と前記イオン源フランジ側の端部との間に位置するように空洞を設けておき、前記イオン種の融点または昇華点に応じて、この支持体の空洞に冷媒を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気する排気モードとに切り換えて運転することを特徴とするイオン源の運転方法。 - イオン種が導入されそれを電離させてプラズマを生成するためのプラズマ生成容器を支持体によってイオン源フランジから支持した構造をしており、かつ当該支持体内に、前記プラズマ生成容器側の端部と前記イオン源フランジ側の端部との間に位置するように空洞が設けられているイオン源と、
このイオン源の支持体の空洞に冷媒を流すための冷媒供給装置と、
前記イオン源の支持体の空洞を真空排気するための真空排気装置と、
前記イオン源の支持体の空洞を、前記冷媒供給装置と前記真空排気装置とに切り換えて通じさせる切換器とを備えていて、
前記イオン源を、前記イオン種の融点または昇華点に応じて、前記支持体の空洞に冷媒を流す冷却モードと、当該空洞を真空排気する排気モードとに切り換えて運転することができるように構成されていることを特徴とするイオン源装置。
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