(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが導入されるプラズマ生成容器内に、電流導入端子を用いて、熱電子放出用のフィラメントを支持しているイオン源において、前記フィラメントの一部分であって、少なくとも前記原料ガスを構成する元素が液相で存在する温度になる部分の周りを、フィラメントとの間に隙間をあけて囲む鞘を備えていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
ホウ素を含む原料ガスが導入されるプラズマ生成容器内に、電流導入端子を用いて、熱電子放出用のタングステン系材料から成るフィラメントを支持しているイオン源において、前記フィラメントの一部分であって、少なくとも前記原料ガスを構成するホウ素が液相で存在する温度になる部分の周りを、フィラメントとの間に隙間をあけて囲む鞘を備えていることを特徴とするイオン源。
【発明の詳細な説明】
【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、イオンドーピング装置等に用いられるものであって、原料ガスが導入されるプラズマ生成容器内に熱電子放出用のフィラメントを有するイオン源に関し、より具体的には、原料ガスを構成する元素によるフィラメントの劣化を抑制してフィラメントの寿命を延ばす手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン源の従来例を電源と共に図３に示す。このイオン源は、原料ガス４が導入されるプラズマ生成容器２内に、二つの電流導入端子８を用いて、熱電子放出用のＵ字状をしたフィラメント１２を、その脚部１２ｂで支持した構造をしている。各電流導入端子８とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１０によって絶縁されている。プラズマ生成容器２の開口部付近には、プラズマ生成容器２内のプラズマ６から電界の作用でイオンビーム１６を引き出す引出し電極系１４が設けられている。
【０００３】
フィラメント１２は、通常は高融点金属から成る。例えば、タングステンまたはタングステン合金等のタングステン系材料から成る。
【０００４】
原料ガス４は、イオンビーム１６として引き出したい元素を含むガスである。例えば、ホウ素またはその化合物（即ちホウ化物。例えばＢ２Ｈ６  、ＢＦ３  等）のようなホウ素を含むガスである。なお、この明細書で「ガス」は、蒸気を含む広い意味で使用している。
【０００５】
このイオン源の動作例を説明すると、真空に排気されるプラズマ生成容器２内に原料ガス４を導入しながら、フィラメント電源１８によってフィラメント１２に電流を流してフィラメント１２を高温に加熱すると共に、フィラメント１２の一端側とプラズマ生成容器２との間にアーク電源２０からアーク放電電圧を印加すると、フィラメント１２から放出された熱電子がプラズマ生成容器２に向けて加速される間に原料ガス４と衝突してそれを電離させて、プラズマ生成容器２内に原料ガス４のプラズマ６が生成される。そしてこのプラズマ６から、引出し電極系１４によって、イオンビーム１６が引き出される。原料ガス４が上記例の場合は、ホウ素を含むイオンビーム１６が引き出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記イオン源においては、その運転に伴って（より具体的にはプラズマ６の生成に伴って）、（ａ）各電流導入端子８のプラズマ６との接触部分、および（ｂ）フィラメント１２の電流導入端子８による支持部近傍に、図３に示す例のように、原料ガス４を構成する元素５（例えばホウ素）が堆積する。この堆積した元素５は、その大部分は固相であるが、フィラメント側先端部分は液相である。
【０００７】
これを上記元素５としてホウ素を例に詳述すると、フィラメント１２の熱はそれを支える電流導入端子８を通して逃げるため、フィラメント１２から電流導入端子８にかけては、フィラメント１２の先端付近１２ａで一番高く（例えば３０００℃以上）、そこから両電流導入端子８に向けて温度が低下する温度勾配が存在する。そして、フィラメント１２の電流導入端子８による支持部近傍には、原料ガス４を構成するホウ素（５）が液相で存在する温度になる部分１３が存在する。この部分１３は、換言すれば、ホウ素の融点（２０８０℃）近傍の温度になる部分である。この部分１３よりもフィラメント先端側は、その温度がホウ素の融点よりも高く、特に先端付近１２ａでは遙かに高いので、ホウ素は堆積することができない。当該部分１３よりも電流導入端子８側は、その温度がホウ素の融点よりも低いのでホウ素は固相で堆積する。
【０００８】
上記部分１３ではホウ素は液相であり、この液相のホウ素がフィラメント１２の組織内に浸透（換言すれば侵入）して、フィラメント１２を劣化させる。それによって、フィラメント１２の寿命が短くなる。なお、上記部分１３よりも電流導入端子８側の部分ではホウ素は固相で堆積するため、フィラメント１２への浸透の原因になることはない。液相のホウ素の付着が問題なのである。
【０００９】
上記のような原料ガス４を構成する元素５がフィラメント１２に液相で付着してフィラメント１２の組織内に浸透してフィラメント１２を劣化させる問題は、上記元素５としてホウ素、フィラメント１２の材料としてタングステン系材料の組み合わせの場合が特に大きいけれども、それ以外の組み合わせの場合にも存在する。
【００１０】
そこでこの発明は、原料ガスを構成する元素がフィラメントの組織内に浸透してフィラメントを劣化させることを抑制して、フィラメントの寿命を延ばすことを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明のイオン源は、前記フィラメントの一部分であって、少なくとも前記原料ガスを構成する元素が液相で存在する温度になる部分の周りを、フィラメントとの間に隙間をあけて囲む鞘を備えていることを特徴としている。
【００１２】
原料ガスは、例えばホウ素を含むガスであり、その場合は上記原料ガスを構成する元素はホウ素である。フィラメントは、例えばタングステン系材料から成る。
【００１３】
上記構成によれば、少なくとも原料ガスを構成する元素（例えばホウ素）が液相で存在する温度になる部分の周りは鞘で囲まれているので、この鞘が障害となって、プラズマ生成容器内で生成されたプラズマ中の上記元素は、上記液相温度になる部分には到達しにくくなり、そこに付着しにくくなる。その結果、フィラメントに液相で付着する上記元素を減少させることができるので、当該元素がフィラメントの組織内に浸透してフィラメントを劣化させることを抑制して、フィラメントの寿命を延ばすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン源の一例を電源と共に示す概略断面図である。図３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。
【００１５】
ここでは、主として、原料ガス４は前述したようなホウ素を含むガスであり、フィラメント１２は前述したようなタングステン系材料から成る場合を例に説明する。
【００１６】
このイオン源では、前記フィラメント１２の両脚部１２ｂをそれぞれ支持する各電流導入端子８の先端から、当該先端近傍にあって原料ガス４を構成する元素（ホウ素）５が液相で存在する温度（換言すればホウ素の融点近傍の温度）になる前記部分１３（図中に丸で囲んだ部分）およびそれよりも少し先の部分にかけてのフィラメント１２を、当該フィラメント１２との間に隙間をあけてそれぞれ囲む二つの鞘２２を備えている。この例で、各鞘２２を、上記部分１３の周りを囲むだけでなく、上記のような長い構造にしている理由は後述する。
【００１７】
各鞘２２がフィラメント１２との間に隙間をあけて囲むのは、仮に各鞘２２がフィラメント１２に接触していると、当該鞘２２を通してフィラメント１２の熱が逃げるので、単に各電流導入端子８を延長したのと大差がなくなり、上記部分１３が各鞘２２の先端よりも更に先の方へ移動して当該部分１３を鞘２２で囲むことが困難になるからである。
【００１８】
各鞘２２は、筒状のもの、より具体例としては円筒状のものである。即ち、各鞘２２は、換言すれば、筒、より具体例としては円筒である。各鞘２２の材質は、フィラメント１２による加熱に耐えるものにする。例えば、各鞘２２は、加熱時のフィラメント１２の最高温度よりも融点の高い高融点金属で形成するのが好ましい。そのようなものの一例としてタンタルが挙げられる。あるいは、セラミックス等の絶縁物で形成しても良い。各鞘２２は、導電物製か絶縁物製かは問わない。
【００１９】
このイオン源によれば、少なくとも原料ガス４を構成するホウ素（５）が液相で存在する温度になる部分１３の周りは鞘２２で囲まれているので、この鞘２２が障害となって、プラズマ生成容器２内で生成されたプラズマ６中のホウ素は、上記液相温度になる部分１３には到達しにくくなり、そこに付着しにくくなる。その結果、フィラメント１２に液相で付着するホウ素を減少させることができる。
【００２０】
これを詳述すると、プラズマ６中のホウ素（５）は、例えば図１に示す例のように、各電流導入端子８のプラズマ６との接触部分および各鞘２２の外面には、温度が低いこともあって、固相で堆積する。しかし、各鞘２２の中には、フィラメント１２との間の隙間を通る経路しかないので、プラズマ６中のホウ素は入り込みにくく、各鞘２２の奥にある上記部分１３にはホウ素は殆ど到達しない。この理由から、各鞘２２は、上記部分１３の周りだけでなく、この実施例のように、上記部分１３よりもある程度先の部分まで囲む長さのものにしておくのが好ましい。また、各鞘２２の内壁とフィラメント１２との間の隙間は、あまり大きくしない方が好ましい。例えば、１〜２ｍｍ程度にするのが好ましい。
【００２１】
また、各電流導入端子８の先端と各鞘２２との間は離れていても良いけれども、そうすると両者８、２２間の空間を通して上記部分１３にホウ素が到達しやすくなるので、この実施例のように、両者８、２２を接続して両者８、２２間に空間が生じないようにしておくのが好ましい。しかもそのようにすると、各電流導入端子８によって各鞘２２を支持することができるので、各鞘２２の支持も容易になる。
【００２２】
このイオン源によれば、上記のような作用によって、フィラメント１２に液相で付着するホウ素を減少させることができるので、当該ホウ素がフィラメント１２の組織内に浸透してフィラメント１２を劣化させることを抑制して、フィラメント１２の寿命を延ばすことができる。その結果、イオン源の保守サイクルを延ばすと共に、イオン源の性能の安定性が向上する。ひいては、当該イオン源を用いたイオン注入装置やイオンドーピング装置等の運転コストの低減および性能安定性の向上が可能になる。
【００２３】
図２に、図１中の鞘２２付近のより具体例を拡大して示す。この例では、電流導入端子８の先端部には、フィラメント１２の脚部１２ｂをつかんで保持するチャック部９が形成されており、その外周部は雄ねじになっている。９ａはスリット（割り）である。このチャック部９に螺合させてフィラメント１２を固定するナット部２４と、円筒状の前記鞘２２とを一体で形成している。
【００２４】
電流導入端子８（チャック部９を含む）の材質はモリブデン、鞘２２およびナット部２４の材質はタンタル、フィラメント１２の材質はタングステンである。チャック部９とナット部２４とを異種金属にして、焼き付きを防止している。使用する原料ガス４は、例えばＢ２Ｈ６  、ＢＦ３  等のホウ化物を含むガスである。
【００２５】
この例の場合、ホウ素が液相で存在する温度になる部分１３の中心とチャック部９の先端との間の距離Ｌ１  は、約２ｍｍである。但し、この距離Ｌ１  は、フィラメント１２の加熱温度や支持構造等によって、２ｍｍから上下することもある。鞘２２の長さは、約１５ｍｍである。正確には、チャック部９の先端と鞘２２の先端との間の距離Ｌ２  が約１５ｍｍである。但しこの距離Ｌ２  は、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度にしても良い。フィラメント１２の直径Ｄ１  は１ｍｍである。鞘２２の内径Ｄ２  は４ｍｍであるが、３ｍｍ程度にしても良い。
【００２６】
上記のような鞘２２を有していないのが従来のイオン源であり、その場合のフィラメント１２が折れる（あるいは切れる）までの寿命は約３０〜５０時間であった。これに対して、図２に示すような鞘２２を設けたこの発明に係るイオン源では、フィラメント１２の寿命は約３００時間であり、従来の５〜１０倍というように、フィラメント１２の寿命が著しく延びた。
【００２７】
なお、原料ガス４の種類およびフィラメント１２の材質等は、上記例以外のものでも良い。また、フィラメント１２の形状も、上記例以外のものでも良い。例えば、直線状のフィラメント１２の両端部を電流導入端子８でそれぞれ支持した構造等でも良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記のような鞘を備えているので、原料ガスを構成する元素がフィラメントの組織内に浸透してフィラメントを劣化させることを抑制して、フィラメントの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン源の一例を電源と共に示す概略断面図である。
【図２】図１中の鞘付近のより具体例を拡大して示す断面図である。
【図３】従来のイオン源の一例を電源と共に示す概略断面図である。
【符号の説明】
２  プラズマ生成容器
４  原料ガス
５  原料ガスを構成する元素
８  電流導入端子
１２  フィラメント
１３  液相で存在する温度になる部分
２２  鞘（さや）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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