(57)【要約】【課題】金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造するために、安定して大量に内包元素を含むプラズマの流れを生成できる高密度イオン源が必要とされている。金属内包炭素クラスター製造装置用の高密度イオン源が実現できれば、これを半導体デバイス製造用イオン打ち込み装置で必要とされる不純物注入イオン源としても活用したい。【解決手段】本発明は、前記課題を解決するために、以下の構成を採用した。すなわち、内包対象元素を真空容器（イオンチャンバー）内で高温の金属電極と接触させて、イオン化する。接触電離できなかった中性元素に高温電極部から発生する熱電子を加速して衝突させ、イオン化率を高める。前述のイオンチャンバーにはイオン引き出し電極部があって、イオンチャンバー内で生成したプラズマから帯電したイオンを引き出して、イオンを必要とする内包化処理部にイオンビームとして提供する。【選択図】図２
2006049102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用の電極を有し、前記電極を筒状としてイオン化対象元素をその筒状電極の片側内部に入射角0度以上90度以下で入射させ、前記筒状電極反対側からプラズマを放出させる構造のプラズマ発生装置
【請求項２】
真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用電極と補助電極を有し、電極を配置する空間に磁場を印加して、補助電極に正の電位を与え、イオン化対象元素を電離用電極の片側から入射させ、接触電離と電子衝撃電離を同時に発生させて、電離用電極の反対側からプラズマを放出する構造のプラズマ発生装置。
【請求項３】
請求項２で、電子を加速して元素に衝突させるための電位を与える補助電極を包み込んで、接触電離用の電極を配置してなるプラズマ発生装置。
【請求項４】
請求項２で、電子を加速して元素に衝突させるための電位を与える補助電極で接触電離用の電極を包み込んで配置してなるプラズマ発生装置。
【請求項５】
イオン化対象元素がアルカリ金属であることを特徴とする請求項１、２、３、４いずれか記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
イオン化対象元素がB、In、As、Pであることを特徴とする請求項１、２、３、４いずれか記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５いずれか記載のプラズマ発生装置を有す金属内包炭素クラスター製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、元素をプラズマ化してイオンを発生するイオン源に関する。特に、金属内包炭素クラスター製造に適用して好適なプラズマイオン源を提供する。半導体デバイスの製造に用いるイオン注入装置のイオン源にも応用できる。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平２−311757
【非特許文献１】R.E.Smalley, The Sciences, March/April,p.22(1991)
【非特許文献２】プラズマ・核融合学会誌 第75巻 第8号 pp.927-933 (1999年8月)「フラーレンプラズマの性質と応用」
【０００３】
例えば非特許文献１に記載されているように、1991年スモーリーらによって炭素クラスターの中空部分に別の元素を有する元素内包炭素クラスターの存在が確認された。
【０００４】
ところが、スモーリーらの合成方法はレーザー照射による方法で、生成した元素内包炭素クラスターを単離して物質特性を同定できるだけの大量の元素内包炭素クラスターを得ることができなかった。
【０００５】
近年、内包炭素クラスターの各種有用性が着目され、より高い収率で内包炭素クラスターを製造できる技術が期待されている。
【０００６】
現在、元素内包炭素クラスター類は、代表的には、強力なレーザー光をグラファイト円板に照射して蒸発させるレーザー蒸発法、混合炭素棒を原料として用いてアーク放電を行うアーク放電法、気相中で炭素クラスターへ元素イオンを衝突させる気相中衝突法、プラズマ法（東北大学方式）などによって生成されることが知られている。
【０００７】
東北大学方式のプラズマ法による元素内包炭素クラスターの生成技術として、非特許文献2のFig.１に示す方式が提案されている。真空容器内において、内包対象元素のプラズマの流れに、炭素クラスターを噴射し、プラズマの流れの下流に配置した堆積基板（堆積プレート）に内包炭素クラスターを堆積させることにより内包炭素クラスターを生成する技術である。
【０００８】
図１を用いて、従来のプラズマ法による元素内包炭素クラスターの生成技術を簡単に説明する。
【０００９】
内包対象元素吐出装置（元素オーブン２）から、約2700℃に加熱された熱板１（例えばタングステン製板）に向けて内包対象物質を吐出すると、接触電離によって内包元素プラズマの流れ５が形成される。内包対象元素（例えばアルカリ金属等）は吐出装置（元素オーブン２）内で、内包対象元素の昇華温度以上に加熱され、吐出される。
【００１０】
このやり方では、熱板１の外側の真空容器８内壁に被着した内包対象元素９は内包対象元素プラズマの流れ５の生成に寄与しないで、無駄に消費される。また、プラズマ化されずに熱板１から反射して真空容器８内壁に被着した内包対象元素１０も内包対象元素プラズマの流れ５の生成に寄与しない。
【００１１】
プラズマの流れ５は基盤７に向かって移動する。炭素クラスターオーブン３から吐出された炭素クラスター分子が加熱円筒４内でプラズマの流れ５（内包対象元素イオン）と混ぜられて、基盤７上に元素内包炭素クラスターを生成する。炭素クラスター分子は必要に応じて大量に加熱円筒４に供給できるので、元素内包化効率（生成される元素内包炭素クラスター分子数/元素オーブンから昇華した内包対象元素数）は加熱円筒４内に導入されるプラズマ量（内包対象元素イオンの数）で律せられている。
【００１２】
このように、プラズマ法による元素内包炭素クラスター製造装置で、元素内包炭素クラスターの収率を大きくするには、プラズマの流れ５（内包対象元素イオンの数）を増やすことが重要である。発明者らのこれまでの実験では、この方法でイオン化効率（内包対象元素イオンの数／元素オーブンから昇華した内包対象元素数）は最大１％程度であった。
【００１３】
プラズマの流れ５が真空容器８の管壁に拡散しないようにプラズマの流れに平行して（図面では水平方向に）磁界が加えられているが、図１では省略している。
【００１４】
東北大学方式のプラズマ法による元素内包炭素クラスターの生成技術は高い収率で元素内包炭素クラスターを得る方法として期待されているが、高効率、高品質で内包炭素クラスターを量産できる具体的な技術はまだ各種検討されている段階である。とくに、この方式を用いて金属内包炭素クラスターを量産可能とするには、内包対象元素のプラズマの流れを安定で大量に生成できることが重要である。
【００１５】
これまで、一般的なイオン源として、熱電子衝撃電離を用いるバーナス（Burnus）型、およびフリーマン（Freeman）型と、高周波電力を用いるマイクロ波型が知られている。半導体製造装置に使われているイオン源としては、所定のガスを上記のアーク放電でプラズマ化してイオンを発生させる装置が多く使われている。
【００１６】
半導体製造装置に使われているイオン源は、主として半導体基板に高精度に不純物を注入する目的で作られているから、必ずしも大量にイオンプラズマの流れを発生する必要性は無い。一方、プラズマ法で金属内包炭素クラスターを量産するには内包対象元素のプラズマの流れを安定に大量に生成できることが重要である。
【００１７】
接触電離プラズマ法によるイオン生成法は、計測用途（ガスクロマトグラフィ）で公知例が有る。例えば、特許文献１で公知であるように、加熱した固体表面に被分析成分を接触させてイオン化する技術が知られている。計測目的では、イオン化率、生成イオン量がごく少量であっても実用上問題なく、従来技術の接触電離プラズマ法は本発明の課題である高密度のイオンプラズマ生成には適していなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造するために、大量に内包元素を含む高純度で高密度の安定なプラズマの流れが必要とされている。ところが、従来技術で述べたように、半導体デバイス製造装置用イオン源、計測目的イオン化装置では高密度のプラズマの流れを得られなかった。金属内包炭素クラスター製造装置用に元素プラズマを高純度で高密度発生できれば、これを半導体デバイス製造用イオン打ち込み装置で必要とされる不純物注入イオン源としても活用できる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
請求項１に記載した、真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用の電極を有し、前記電極を筒状としてイオン化対象元素をその筒状電極の片側内部に入射角0度以上90度以下で入射させ、前記筒状電極反対側からプラズマを放出させる構造を特徴とするプラズマ発生装置。この手段を用いることにより、元素加熱容器から吐出した中性元素は、熱せられ2700℃程度になっている電極部に複数回接触して、電極から熱エネルギーを得て、電子を放出して正イオン化する。
【００２０】
請求項２、３、４に記載した、真空容器と、その真空容器内にイオン化対象元素を噴出させるための加熱容器と接触電離用電極と補助電極を有し、電極を配置する空間に磁場を印加して、補助電極に正の電位を与え、イオン化対象元素を電離用電極の片側から入射させ、接触電離と電子衝撃電離を同時に発生させて、電離用電極の反対側からプラズマを放出する構造を特徴とするプラズマ発生装置。接触電離で正イオン化されなかった中性元素には、電子を加速衝突させて衝突電離を起こし、イオン化効率をさらに向上させる。
【００２１】
請求項１、２、３、４いずれか記載のイオン化対象元素がアルカリ金属であることを特徴とする請求項５に記載したプラズマ発生装置。オーブンを500℃程度に加熱すれば、収容したアルカリ金属を昇華させることができるので、本発明により高密度で高純度のアルカリ金属イオンの流れが得られる。アルカリ金属の昇華は加熱して行うので、不必要な金属種のクロスコンタミ（Cross Contamination：汚染）防止が必要な場合は、金属種毎に専用のオーブンを用いる。また、さらに大量のアルカリ金属を低温で昇華させるためには、昇華温度の低い（蒸気圧の高い）金属アミドなどのアルカリ金属化合物（例えばリチウムの場合はLiNH２）を用いると良い。
【００２２】
請求項１、２、３、４いずれか記載のイオン化対象元素がB、In、As、P、Sbであることを特徴とする請求項６に記載したプラズマ発生装置。請求項１、２、３、４いずれか記載の手段を用いれば、半導体デバイスへの不純物イオン注入に用いられるこれらのイオン種も、３フッ化ホウ素ガス（B）の導入、あるいは金属粒（In、As、P、Sb）をオーブンで昇華させることで、高いイオン化効率で安定して生成できる。固体元素の昇華は、加熱して行われるが、元素の種類により加熱温度が異なり（例えば、Ｐは約280℃、Ｂは約2550℃の各加熱温度が必要）、クロスコンタミを防止する意味でも、同一オーブンを共用して昇華することは出来ない。元素毎に専用のオーブンを用いる。
【００２３】
請求項７に記載したプラズマ発生装置を特徴とする金属内包炭素クラスター製造装置。この手段を用いることにより、金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる接触電離電極構造の工夫により、内包対象元素のイオン化効率を高めることができ、金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造できる（例えば請求項１、２、３、４、５、７）。
【００２５】
請求項６の技術を用いれば、高密度で高純度のイオンプラズマを連続生成できるので、半導体製造装置用の不純物注入イオン源としても用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。アルカリ金属を例にとって説明するが、他の元素、分子であっても動作原理は同じである。
【００２７】
図２は本発明の一実施例であるプラズマイオン源の動作原理を説明する要部断面図で、イオン化対象元素を吐出するための元素吐出容器（元素オーブン１２）、元素を接触させてプラズマ化するため高温の筒状接触電離電極１１（例えば、コイル状もしくはリボン状タングステンフィラメント）、生成したプラズマからイオンを外部に取り出すためのイオン引き出し電極１３が示されている。図が複雑にならないように、これらの電極部を外気と遮断する真空容器を省略している。
【００２８】
元素オーブン１２を昇温して噴出するアルカリ金属元素ガスを、印加電圧10Vで20A程度の電流を流して約2700℃に熱せられた筒状接触電離電極１１の内壁に入射角0度以上90度以下で衝突させる。電極１１から熱エネルギーを受け取ったアルカリ金属元素の最外殻にある電子は電極１１に流入し、残されたアルカリ金属元素は正に帯電してアルカリイオン（M＋）となり、アルカリイオンプラズマの流れ１５が発生する。
【００２９】
アルカリ金属は一回の衝突でわずかしか接触電離できないので、筒状接触電離電極１１の内壁に多数回衝突させてイオン化効率を高める必要がある。発明者らの実験では、ナトリウム（Na）の場合、コイル状タングステンフィラメントの温度を2700℃程度にして、図２でフィラメントコイル長を内径の１０倍程度に設定すれば、アルカリ金属元素はフィラメント表面で多重衝突するので、図１の熱板１に一回だけ衝突させる方式の数倍のイオン化効率を得ている。
【００３０】
こうして得られた高密度のプラズマの流れ１５にはアルカリイオンと自由電子が共存する。このプラズマの流れを図１のプラズマの流れ５として使用すれば、従来の数倍のアルカリイオンを加熱円筒４内に導入できるので、アルカリ金属内包炭素クラスターを高能率、高収率で製造できる。
【００３１】
イオン引き出し電極１３に接触電離電極１１に対して負の電位を印加することにより、電子を接触電離電極１１側に追い返して、金属イオンだけを取り出すことのできるイオン源としても使用でき、半導体製造装置への応用が考えられる。
【００３２】
図２では接触電離だけで高密度のプラズマの流れを得る方法を説明したが、電子を加速して、接触電離できなかった中性アルカリ金属元素に衝突させてイオン化効率を高める技術について以下に説明する。
【００３３】
図３aは図２の接触電離電極１１の中心部に補助電極１６（例えばタングステン細線）を配置して、補助電極１６に平行して（図面で水平方向に）磁場１７を印加する構造を有す。補助電極１６に接触電離電極１１に対して正の電圧（例えば100V）を印加する。接触電離電極１１から飛び出した熱電子は補助電極１６に向かって飛行しようとする。しかし、進行方向に対して直角に印加された磁場１７によってローレンツ力を受け、補助電極１６と接触電離電極１１の間に形成される空間で、補助電極１６の回りを磁界方向を軸にして電子は旋回しながら周回運動を続ける。電子が補助電極１６に直ぐには到達できないように磁場の強さを設定すると、補助電極１６に印加した電位から高い運動エネルギーを得た電子は、接触電離できなかった中性元素と回転運動の途中で何回か衝突して、中性アルカリ金属元素をイオン化する。この様子を、図３ｂに示す。図を見易くするために回転電子の一部を示した。図には示していないが、接触電離電極１１と補助電極１６の間に形成される電子が存在している空間のいたるところでこのような回転電子による衝突電離が発生している。図３の接触電離と衝突電離を併用するやり方を採用して、発明者らはアルカリ金属元素のイオン化効率を図２の方式と比べてさらに高めることができた。
【００３４】
接触電離と衝突電離を併用するプラズマ発生装置の変形例を、図４、図５、図６に示す。
【００３５】
図３の接触電離電極１１であるコイル状もしくはリボン状タングステンフィラメント径を小さくして、補助電極１６（例えば筒状タングステン板）を接触電離電極１１の外側に配置した構造が図４である。元素オーブンから飛び出した中性アルカリ金属元素は接触電離電極１１の内周面、外周面で接触電離するほか、接触電離電極１１外側の補助電極との間に出来る空間で回転電子と衝突して電離する。図を見やすくするために元素オーブン１２とイオン引き出し電極１３は省略してある。また、接触電離電極１１と補助電極１６の間には図３の説明で述べたと同様に100V印加しているが、図では省いている。
【００３６】
図４の接触電離電極１１の径を長さ方向に傾斜を持たせた構造が図５、図６である。図５では中性元素が飛び込む側の接触電離電極１１の径を小さく、プラズマの流れが出てくる側の接触電離電極１１の径を大きくして、それを取り巻く補助電極１６も平行して傾斜を持たせている。図６では図５の筒状補助電極１６の外周径は一定である。図６の構造で注意することがある。補助電極１６と接触電離電極１１の間に出来る空間を最大限に利用して、衝突電離を効率良く実現するために、接触電離電極１１の径の長さ方向の傾斜に対応して磁場１７の強度を変化する必要がある。公知の設計技術により、接触電離電極１１の径の長さ方向の変化に応じて、磁場を発生させる電磁コイルの巻き線密度を変化させることにより磁場強度を変化することができる。
【００３７】
本発明の特定の実施形態を詳細に説明してきたが、当業者であれば、上記実施形態をさらに改良、変更、修正ができることは明らかである。本発明の技術的思想または特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、このような全ての改良、変更、修正は、本発明に包含されるものと考える。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】プラズマ法による従来の金属内包フラーレンの製造装置を示す概念図。
【図２】本発明の実施の形態によるプラズマ発生装置の概念図。
【図３ａ】接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置の概念図
【図３ｂ】中性元素の衝突電離の説明図
【図４】接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置変形例１の概念図
【図５】接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置変形例２の概念図
【図６】接触電離、衝突電離併用型プラズマ発生装置の変形例３の概念図
【符号の説明】
【００３９】
１ 内包対象元素プラズマ発生用熱板
２ 内包対象元素加熱オーブン
３ 炭素クラスター加熱オーブン
４ 加熱円筒  
５ 内包対象元素プラズマの流れ  
６ 炭素クラスター分子  
７ 基板    
８ 真空容器  
９ 熱板から外れて真空容器に付着した内包対象元素
１０ 熱板に衝突してプラズマ化されずに真空容器に付着した内包対象元素  
１１ 接触電離電極
１２ 内包対象元素加熱オーブン
１３ イオン引き出し電極
１４ 内包対象中性元素の流れ
１５ 内包対象元素プラズマの流れ
１６ 補助電極    
１７ 磁場  
１８ 回転電子
１９ 入射角
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
2006049102.tif 000008
【図６】
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