(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源と、一端に先鋭化部を有するイオン発生電極と、引抜電極と、を有し、
高電圧が印加されると、
前記先鋭化部からイオンを放出させるイオン発生器において、
前記イオン源は、一価である、銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンのいずれかであり、
前記イオン発生電極は、ガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されるとイオンが伝導されることを特徴とするイオン発生器。
【請求項２】
イオン源と、一端に先鋭化部を有するイオン発生電極と、引抜電極と、を有し、
高電圧が印加されると、
前記先鋭化部からイオンを放出させるイオン発生器において、
前記イオン源は、一価である、水素イオンであり、
前記イオン発生電極は、構成および比率が５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・１０Ｎａ２Ｏ・１０Ｋ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％の材料を溶融して作成されたイオン伝導ガラスであることを特徴とするイオン発生器。
【請求項３】
前記イオン源がリチウムイオンであるときの前記イオン発生電極は、構成および比率が５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｌｉ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％の材料を、前記イオン源がナトリウムイオンであるときの前記イオン発生電極は、構成および比率が５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｎａ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％の材料を、前記イオン源がカリウムイオンであるときの前記イオン発生電極は、構成および比率が５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｋ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％の材料を、前記イオン源がルビジウムイオンであるときの前記イオン発生電極は、構成および比率が５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｒｂ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％の材料を、前記イオン源がセシウムイオンであるときの前記イオン発生電極は、構成および比率が５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｃｓ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％の材料を、それぞれ溶融して作成されたイオン伝導ガラスであることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生器。
【請求項４】
前記先鋭化部は、曲率はＲ１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載するイオン発生器。
【請求項５】
イオン源を封入したチャンバの壁に、イオン発生電極を、一方の先鋭化部をチャンバ外に、他方のイオン伝導体を前記チャンバ内に設置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載するイオン発生器。
【請求項６】
前記チャンバ内の前記イオン発生電極は、イオン源を分解する触媒で覆われていることを特徴とする請求項５に記載するイオン発生器。
【請求項７】
前記イオン源は、前記イオン発生電極に含まれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載するイオン発生器。
【請求項８】
前記先鋭化部、前記引抜電極、および被注入体は、真空引きされた注入チャンバに収納されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載するイオン発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源と高電圧が印加されたイオン発生電極と引抜電極を備え、被注入体にイオンを注入するイオン発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料中にイオン注入を行うと物性が著しく変化するため、近年では半導体関連産業などでイオンを電気的に加速するイオン加速器を利用したイオン注入処理が不可欠となっており、より局所域に任意量のイオンを注入する技術が求められている。
【０００３】
加速器などを用いたイオン注入装置は半導体産業等で使用されているが、大型かつ高額装置であり非汎用的である。また予めイオン発生器などで発生させたイオンを電気的に加速して利用するが、イオン発生器では一般に様々な質量のイオンやラジカルも同時に発生するため、目的とするイオンの生成効率が悪く、質量分離器を通して様々な種類の発生イオン種から目的とするイオンだけを選別するなど、イオン注入に複雑な処理工程が必要となる。
【０００４】
一方、市販のイオン銃は小型で取り扱いも容易であるが、被照射スポット径が１〜２０ｍｍ程度と大きい、また電極の消耗などの理由によって最大で１０００時間程度と寿命が短く、高価であるなどの欠点もある。これらのイオン銃はイオンの発生方法などによってコールドカソード型、エレクトロンボンバード型などがある。コールドカソード型イオン銃は、１００ガウス程度の磁場と電界を利用してガスをイオン化してプラズマ状態にし、発生したイオンを利用する。多価イオンが発生しやすく、またラジカルイオンも５０％程度発生することから、イオン加速器と同様に注入目的のイオンの生成効率が低い。
エレクトロンボンバード型イオン銃は加速エネルギが８０〜１００ eVと低エネルギのために1価のイオンが生成しやすく、またエネルギ分布も狭いために分析用途に用いられる。しかしフィラメントを利用するためにコールドカソード型よりもさらに寿命は短くなる。これら一般的なイオン銃では水素イオンＨ＋の生成効率は特に低い。
【０００５】
以上に対して、比較的長寿命且つ被照射スポット径が１ｍｍ以下と小さいイオン放出装置として、電界電離型と呼ばれるイオン銃がある（特許文献１）。図１５に従来例のイオン発生器として電界電離型イオン銃の構造を示す。
イオン発生電極１１０と引抜電極１２０は、直流高電圧１２４で高電圧が印加される。イオンはイオン発生電極１１０の先鋭化された端部から引抜電極１２０に向かって放出され、引抜電極１２０の孔１２１を抜けて被注入体１２２に注入される。イオン発生電極１１０、引抜電極１２０、および被注入体１２２は、チャンバ１３２内に設置され、注入チャンバ１３２内は、真空ポンプ１４４で真空にされる。真空にした後、イオン源をガスボンベ１４０から注入チャンバ１３２内へ入れる。イオン発生電極１１０は、冷却器１２７によりイオン発生電極１１０を約−２５０℃の極低温に冷却される。イオン発生電極１１０に、効率良くイオン源であるガスを吸着させるためである。
例えば、イオン源のガスを水素ガスとする。水素ガスはイオン発生電極１１０に吸着し、直流の高電圧印加によって水素ガスが水素イオンＨ＋（以下、Ｈ＋記す）と電子に解離する。イオン発生電極１１０には一般に仕事関数の大きいタングステンなどが利用される。イオン発生電極１１０の先端１１４は電界集中させるために１００ナノメートル以下程度に先鋭化されている。このＨ＋が引抜電極によってチャンバ内に飛び出して、被注入体１２２に注入される。イオン化領域が金属線先端の極めて狭い範囲に限られ、イオンビームのエネルギ幅が小さいので、被照射スポット径が最も小さいイオン銃である。
【０００６】
図１６に、従来例のイオン発生器によるイオン注入の作用手順を示す。S９０１にて、注入チャンバ１３２内に被注入体１２２をセットして、注入チャンバ１３２の扉を閉める。S９０３にて、イオン発生電極１１０に接触している冷却器１２７に液体ヘリウムをいれてイオン発生電極１１０の先端１１４を極低温に冷却する。液体ヘリウムは貴重な資源である。Ｓ９０５にて、真空ポンプ１４４で注入チャンバ１３２内を真空にしてバルブ（図示せず）を閉める。Ｓ９０７にて、ガスボンベ１４０のバルブ１４２を開けてイオン源Ｇのガスを注入チャンバ１３２内にいれてバルブ１４２を閉める。Ｓ９０９にて、イオン発生電極１１０の先端１１４にイオン源のガスを吸着させる。Ｓ９１１にて、直流高圧電原１２４にてイオン発生電極１１０と引抜電極１２０に高電圧を印加して、イオン化したガスを被注入体１２２に注入する。Ｓ９１３にて、注入チャンバ１３２から被注入体１２２を取り出す。以上の７ステップを要する。
【０００７】
ここで、イオン発生部であるイオン発生電極１１０の先端１１４にイオン源のガス分子を効率良く吸着させるため、イオン発生電極１１０の先端１１４を−２５０℃程度の極低温まで冷却する必要がある。冷却に用いる液体ヘリウムは貴重な資源であり高価である。さらにイオン発生電極１１０の先端１１４の狭い面積にのみイオン源のガス分子が吸着させ、吸着させたガス分子をイオン化して放出されるため、放出イオン電流値が数ピコアンペア程度と小さい。またチャンバ内のイオン源ガスが無くなるとイオン放出できないことから、連続的なイオン放出が不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−０７６３０２
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】物部秀二ほか, 「近接場光学用プローブの作製法」. 精密工学会誌, ６６巻、６６７ページ、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のイオン発生器は、極低温に冷却したイオン発生電極１１０の先端１１４の狭い面積にのみイオン源のガス分子が吸着し、吸着させたガス分子をイオン化して放出されるため、極低温とするため貴重な資源で高価な液体ヘリウムが必要になる。本発明は、この課題を解決し、液体ヘリウムを不要としたイオン発生器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために以下の発明がある。
発明１は、イオン源と、一端に先鋭化部を有するイオン発生電極と、引抜電極とを有し、高電圧が印加されると、先鋭化部からイオンを放出させるイオン発生器において、イオン発生電極は、ガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されるとイオンが伝導されることを特徴とするイオン発生器である。
発明２は、先鋭化部の曲率はＲ１μｍ以下であることを特徴とする発明１に記載するイオン発生器である。
発明３は、イオン源を封入したチャンバの壁に、イオン発生電極を、一方の先鋭化部をチャンバ外に、他方のイオン伝導体をチャンバ内に設置されていることを特徴とする発明１または２に記載するイオン発生器である。
発明４は、チャンバ内のイオン発生電極は、イオン源を分解する触媒で覆われていることを特徴とする発明３に記載するイオン発生器である。
発明５は、イオン源は、イオン発生電極に含まれていることを特徴とする発明１または２に記載するイオン発生器である。
発明６は、イオン源は、一価である 、水素イオン、または銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンのいずれかであることを特徴とする発明１乃至５のいずれか１つに記載するイオン発生器である。  
発明７は、先鋭化部、引抜電極、および被注入体は、真空引きされた注入チャンバに収納されていることを特徴とする発明１乃至６のいずれか１つに記載するイオン発生器である。
【発明の効果】
【００１２】
発明１は、ガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されると内部をイオンが伝導するイオン発生電極を用い、イオンはイオン発生電極のイオン伝導体内を引抜電極により吸引され移動し、先鋭化部から放出される。イオン発生電極のイオン伝導性は、温度に伴い上昇するため、ガラス転移温度以上、融解温度未満の温度範囲で加温するのが良い。放出されたイオンは、引抜電極の孔を通り抜け、被注入体に注入される。伝導するイオンの種類に応じたイオンが発生する。従来行われていたイオン発生電極の極低温の冷却が不要なので、貴重な資源で高価な液体ヘリウムが不要となる。
また、従来の液体ヘリウムで冷却するイオン発生電極を用いるイオン発生器は、放出イオン電流値が数ピコアンペア程度と小さい。本発明によれば、加熱されたイオン発生電極により、放出イオン電流値を大きくすることができる。
発明２は、イオン発生電極の先鋭化部の先端を１μｍ以下に先鋭化することによって先端に電界が集中する効果があり、より低い数キロボルト／ｃｍの電界でイオンが発生する。
発明３は、イオン発生電極のイオン伝導体はチャンバ内に設置され、チャンバ内にはイオン源のガス分子が充填されている。よって、イオン伝導体の表面でガス分子を分解してイオンを発生させることで、連続的にイオンを放出することができる。チャンバにガス導入用のバルブおよびイオン源のガス分子が充填されたガスボンベを接続する。ガスボンベよりイオン源のガス分子が供給されることで、連続的なイオン放出が可能となる。ガスボンベ内には、イオン源として液体を封入しても良い。
発明４は、チャンバ内に設置されたイオン伝導体の表面に触媒を有する。特に、水素ガスを触媒で分解してイオンを発生させることで、連続的にイオンを放出することができる。
発明５は、イオン源がイオン発生電極に含まれているイオン発生器である。本発明によれば、イオン源のガス分子をいれるチャンバ、ガスボンベ等を廃止することができる。よって、イオン発生器を大幅に小型軽量化することができ、人間の手のひらサイズにもできる。手に持ってイオン注入の作業が可能になるので、作業性が大幅に向上する。
発明６は、イオン源は、一価である 、水素イオン、または銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンのいずれかであることを特徴とする。発明１乃至４のいずれか１つに記載するイオン発生器である。１価イオンは活性で生体活動に深く関わることから、アモルファスシリコンの水素化による物性制御や治療、抗菌処理などができる。
発明７は、イオン発生電極の先鋭化部、引抜電極、および被注入体は、真空引きされて注入チャンバに収納されている。この構造によって、放出されたイオンは、大気などの窒素分子、酸素分子などに妨げられることなく被注入体に注入される。
また、発明１から７のイオン発生器によれば、放出イオン電流値は、従来の数ピコアンペア程度と比べ、数１０ピコアンペア以上と、約５倍大きくすることができる。更に、被注入体にイオンを注入する手順を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態のイオン発生器の構成を示す。
【図２】第１実施形態および第２実施形態のイオン発生器によるイオン注入の作業手順を示す。
【図３】第２実施形態によるイオン伝導体１２の先鋭化部１４を示す。
【図４】第３実施形態のイオン発生器１の構成を示す。
【図５】第３実施形態のイオン発生器１によるイオン注入の作業手順を示す。
【図６】第４実施形態のイオン発生器１の構成を示す。
【図７】第５実施形態のイオン発生器１の構成を示す。
【図８】第５実施形態のイオン発生器１によるイオン発生の測定結果を示す。
【図９】第７実施形態のイオン発生器１の構成を示す。
【図１０】第７実施形態のイオン発生器１によるイオン注入の作業手順を示す。
【図１１】第７施形態による印加電圧に対するイオン(プロトン)電流密度（イオン発生量）を示す。プロトン伝導性を示すイオン伝導性ガラス（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・１０Ｎａ２Ｏ・１０Ｋ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）を使用した。
【図１２】第第７施形態によるイオン発生電極１０の温度の影響を示す。（ａ）は、イオン発生開始の電界強度。（ｂ）は、電界強度３０００Ｖ／ｃｍにおけるイオン電流密度。
【図１３】絶対温度の逆数に対するイオン電流の対数値を示す。
【図１４】実施形態のイオン発生器の効果を示す。
【図１５】従来例のイオン発生器の構成を示す。
【図１６】従来例のイオン発生器によるイオン注入の作業手順を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１５】
（第１施形態）    
第１施形態は、イオン源３４と、一端に先鋭化部１４を有するイオン発生電極１０と、引抜電極２０と、を有し、直流高圧電源２４により高電圧が印加されると、先鋭化部１４からイオンを放出させるイオン発生器において、イオン発生電極１０は、イオン発生電極１０を構成する材料のガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されるとイオン源３４のガス分子がイオン化されて伝導されることを特徴とするイオン発生器１である。
【００１６】
図１に本発明の第１実施形態のイオン発生器１の構成を示す。イオン発生器１は、イオン発生電極1０、イオン源３４、引抜電極２０、直流高圧電源２４を有し、イオン発生電極１０は、イオン伝導体１２と先鋭化部１４を有する。イオン発生電極１０は、ヒータ２６が取り付けられ、電源２８により加熱される。
イオン発生電極１０は、イオン発生電極１０を構成する材料のガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されるが、その温度制御は、イオン発生電極１０に取り付けられたセンサー（図示せず）により温度を計測し、コントローラ（図示ぜす）により、融解温度未満にてヒータ２６への電源２８の通電をOFFして冷却し、ガラス転移温度以上にてヒータ２６へ電源２８の通電をONして加熱しして制御する。また、電源２８の通電をPWM制御等して一定温度で制御しても良い。
また、ヒータ２６とセンサーは、イオン発生電極１０に埋め込んで一体化して構成しても良い。
イオン発生電極10と引抜電極２０の間に、直流高圧電源２４により直流の高電圧を印加されると、イオン源３４よりガス分子がイオン化されて、イオン伝導体１２を通り、先鋭化部１４よりイオンが引抜電極２０に向かって放出される。放出されたイオンは、引抜電極２０の孔２１を通過して、被注入体２２に注入される。
【００１７】
イオン伝導体１２は、円柱形状が好ましく、外径Φ１〜５ｍｍ、長さ２０〜１００ｍｍである。
【００１８】
ここで、イオン発生電極１０がカチオン（陽イオン）伝導体の場合には、イオン発生電極１０をプラス、引抜電極２０をマイナスとして電圧印加するとカチオンが放出される。
一方、イオン発生電極１０がアニオン（陰イオン）伝導体の場合には、イオン発生電極１０をマイナス、引抜電極２０をプラスとして電圧印加するとアニオンが放出される。
ここで、イオン源３４のガス分子を水素とすると、イオン発生電極１０では、式（１）の触媒反応で、イオン（プロトンＨ＋）を発生する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ-                                                          （１）
【００１９】
尚、イオン発生電極１０は、イオンを伝導する材料であれば良く、例えばイオン伝導性ガラス、または銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンが含まれるものを使用する。
図１の構成において直流高圧電源２４によって高電圧を印加することで、イオン源３４のガス分子を水素とした場合、式(1)で発生したＨ＋が、イオン発生電極１０である多孔質ガラスを伝導して先鋭化部１４から放出され、引抜電極２０の孔２１を通り抜け、被注入体２２に注入される。
【００２０】
また、イオン発生電極１０として、水分を吸着した多孔質ガラスを用いることもできる。多孔質ガラスは吸着水を含み、この吸着水の中をイオンが伝導するため、０℃以上の室温で先端からイオンを放出させることができる。多孔質ガラスとして、例えばゾルーゲル法によって作製したプロトンを伝導するケイ酸塩ガラス（たとえばｘＰ２Ｏ５・（１００-ｘ）ＳｉＯ２  ：ｘはモルパーセント単位で０から７０まで）やケイ酸塩ガラスと有機物との複合体などを用いることができる。
室温が０℃以下の場合、水分を吸着した多孔質ガラスをヒータ等で暖め水分を液状態とすると良い。
【００２１】
図２に、第１実施形態のイオン発生器１によるイオン注入の作業手順を示す。Ｓ１０１にて、被注入体２２をセットする。Ｓ１０３にて、イオン発生電極１０を電源２８をオンにしヒータ２６で加熱する。Ｓ１０５にて、直流高圧電源２４により高電圧を印加して、イオン源３４のガス分子をイオン化して被注入体２２に注入する。Ｓ１０７にて、被注入体２２を取り出す。以上の４ステップとなる。図１６の従来例の７ステップに比べて３ステップ削減できる。
【００２２】
第１実施形態は、ガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されると内部をイオンが伝導するイオン発生電極１０を用い、イオンはイオン発生電極１０のイオン伝導体１２内を引抜電極２０により吸引され移動し、先鋭化部１４から放出される。イオン発生電極１０のイオン伝導性は、温度に伴い上昇するため、ガラス転移温度以上、融解温度未満の温度範囲で加温するのが良い。放出されたイオンは、引抜電極２０の孔２１を通り抜け、被注入体２２に注入される。伝導するイオンの種類に応じたイオンが発生する。従来行われていたイオン発生電極の極低温の冷却が不要なので、貴重な資源で高価な液体ヘリウムが不要となる。
また、従来の液体ヘリウムで冷却するイオン発生電極を用いるイオン発生器は、放出イオン電流値が数ピコアンペア程度と小さい。第１実施形態によれば、後述のように加熱されたイオン発生電極により、放出イオン電流値を大きくすることができる。
【００２３】
（第２実施形態）  
第２実施形態は、第１実施形態において先鋭化部の曲率はＲ１μｍ以下であることを特徴とする発明１に記載するイオン発生器である。
【００２４】
図３に、イオン発生電極１０の先鋭化部１４を示す。イオン発生電極１０先鋭化は、メニスカスエッチングを用いて行った（非特許文献１）。フッ酸(ＨＦ)とシクロヘキサンの入った容器にイオン伝導体１２を所定時間浸漬し、ＨＦとシクロヘキサン溶液およびイオン伝導体界面のメニスカスを利用してガラスを溶解させ、先鋭化部１４の先端を得た。
メニスカスエッチングによって先鋭化されたイオン伝導体１２の先鋭化部１４の形状はＨＦ濃度や浸漬時間によっておよそ３°〜２０°まで大きく変化した。また、元素（ＥＤＳ）分析よりエッチング処理前後でイオン伝導体１２の先鋭化部１４の組成に変化の無いことを確認した。また、イオン発生電極１０の先鋭化部１４の曲率半径Ｒを、１μｍ（ミクロン）以下までエッチングした。
すなわち、イオン発生電極１０の先鋭化部１４の曲率半径をＲ、直流高圧電源の電圧をＶとすると、電界強度はＶ／Ｒに比例するため、イオン伝導体１２の先鋭化部１４の曲率半径Ｒは小さい程良い。先鋭化した先端の電界（Ｆ）は式（２）の関係がある。
Ｆ  ＝  Ｖ  ／  （ｋ×Ｒ）                                    （２）
ここでＶは電圧、ｋは形状因子と呼ばれる定数で５程度の値である。Ｒ＝１ｍｍの場合と比較して、Ｒ＝１μｍでは同じ電圧でも電界強度は１０００倍高くなる。
【００２５】
第２実施形態は、イオン発生電極１０の先鋭化部１４の先端を１μｍ以下に先鋭化することによって先端に電界が集中する効果があり、より低い数キロボルト／ｃｍの電界でイオンが発生するイオン発生器１である。
【００２６】
（第３実施形態）
第３実施形態は、イオン源３４を封入したチャンバ３０の壁に、イオン発生電極１０を、一方の先鋭化部１４をチャンバ３０外に、他方のイオン伝導体１２をチャンバ内に設置されていることを特徴とする第１実施形態または第２実施形態に記載するイオン発生器１である。
【００２７】
図４に、第３実施形態のイオン発生器１の構成を示す。イオン発生器１は、イオン源３４を封入したチャンバ３０と、直流高圧電源２４により高電圧が印加されたイオン発生電極１０と引抜電極２０を有する。イオン発生電極１０が、構成する材料のガラス転移温度以上、融解温度未満に加熱されると、イオン源３４のガス分子は、イオン発生電極１０のイオン伝導体１２を伝導し、イオン化して先鋭化部１４から放出される。放出されたイオンは、被注入体２２に注入される。
【００２８】
イオン発生電極１０は、円柱形状が好ましく、外径Φ１〜５ｍｍ、長さ２０〜１００ｍｍである。イオン発生電極１０は、チャンバ３０の壁に、先鋭化部１４をチャンバ３０外に、約３０ｍｍ突出して設置される。イオン伝導体１２は、チャンバ３０内に設置される。イオン伝導体１２は、イオン源３４のガス分子と接触している。
イオン源チャンバ３０内のイオン発生電極１０と引抜電極２０との間に直流高圧電源２４によって数ｋＶの高電圧を印加する。イオン伝導体１２の先鋭化部１４は、電界集中の効果があり、より低い電圧、例えば約１ kＶの電圧を加えた印加電界でイオンが放出される。
【００２９】
また、イオン源チャンバ３０にガス導入用のバルブ４２およびイオン源３４のガス分子が封入されているガスボンベ４０を接続する。この際、予めイオン源チャンバ３０内を真空ポンプ（図示せず）真空引きして、内部の窒素ガス、酸素ガス等を排気しておく。これは以下の実施形態でも同様である。
ガスボンベ４０よりイオン源３４のガス分子を連続して供給されることで、連続的なイオン放出が可能となる。ガスボンベ内には、イオン源として液体を封入しても良い。
【００３０】
図５に、第３実施形態のイオン発生器１によるイオン注入の作業手順を示す。Ｓ３０１にて、被注入体２２をセットする。Ｓ３０３にて、ガスボンベ４０からイオン源Ｇのガス分子をイオン源チャンバ３０へ入れる。Ｓ３０５にて、ヒータ２６にてイオン伝導体１２をガラス転移温度Ｔｇ（℃）以上、融解温度（℃）未満に加熱する。Ｓ３０７にて、直流高圧電源２４により高電圧を印加して、イオン源Ｇのガス分子をイオン化して被注入体２２に注入する。Ｓ３０７にて、被注入体２２を取り出す。以上の５ステップとなる。図１６の従来例の７ステップに比べて２ステップ削減できる。
【００３１】
第３実施形態は、イオン発生電極１０のイオン伝導体１２はチャンバ３０内に設置され、チャンバ３０内にはイオン源３４のガス分子が充填されている。よって、イオン伝導体１２の表面でガス分子を分解してイオンを発生させることで、連続的にイオンを放出することができる。チャンバ３０にガス導入用のバルブ４２およびイオン源３４のガス分子が充填されたガスボンベ４０を接続する。ガスボンベ４０よりイオン源３４のガス分子が供給されることで、連続的なイオン放出が可能となる。ガスボンベ４０内には、イオン源３４として液体を封入しても良い。
【００３２】
（第４実施形態）
第４実施形態は、チャンバ３０内のイオン発生電極１０は、イオン源３４を分解する触媒１６で覆われていることを特徴とする第３実施形態に記載するイオン発生器１である。
【００３３】
図６に、第４実施形態のイオン発生器１の構成を示す。イオン発生電極１０のイオン伝導体１２は、外側にイオン源３４のガス分子をイオンに分解する触媒１６を有する。
触媒１６は、イオン伝導体１２の大きさ（ここでは長さ）に拘束されず、必要なイオン放出量（放出イオン電流）とする面積を確保できる。触媒１６で発生したイオンは、イオン伝導体１２を伝導して、先鋭化部１４から放出される。放出されたイオンがチャンバ３０の外部に設置された引抜電極２０の孔２１を通過して被注入体２２に注入される。
【００３４】
ここで、イオン伝導体１２がカチオン（陽イオン）伝導体の場合には、イオン発生電極１０（触媒１６）をプラス、引抜電極２０をマイナスとして電圧印加するとカチオンが放出される。
一方、イオン伝導体１２がアニオン（陰イオン）伝導体の場合には、イオン発生電極１０（触媒１６）をマイナス、引抜電極２０をプラスとして電圧印加するとアニオンが放出される。
【００３５】
触媒１６は、式（１）の反応を促す触媒であればなんでも良い。例えば、パラジウム、白金、ニッケルもしくはそれらの合金などである。
触媒１６を用いることで、ガス分子を分解してイオンを発生させることができ、図１５の従来例で用いられた、イオン発生電極１１０の先端部１１４を、極低温の−２５０℃に冷却する冷却器１２７（冷媒としてヘリウムを使用）を不要とすることができる。液体ヘリウムは貴重な資源であり高価であるのでコストダウンの効果が大きい。
【００３６】
第４実施形態は、チャンバ３０内に設置されたイオン伝導体１２の表面に触媒１６を有する。特に、水素ガスを触媒１６で分解してイオンを発生させることで、連続的にイオンを放出することができる。
【００３７】
（第５実施形態）
第５実施形態は、イオン源３４は、イオン発生電極１０に含まれていることを特徴とする第１実施形態または第２実施形態に記載するイオン発生器１である。
【００３８】
図７に本発明の第５実施形態のイオン発生器１の構成を示す。イオン発生器１は、内部にイオン源３４を有するイオン発生電極1０、引抜電極２０、直流高圧電源２４を有し、イオン発生電極１０は、イオン伝導体１２と先鋭化部１４を有する。イオン発生電極１０には、ヒータ２６が取り付けられ、電源２８により加熱される。
イオン発生電極10と引抜電極２０の間に、直流高圧電源２４により直流の高電圧を印加されると、イオン源３４よりガス分子がイオン化されて、イオン伝導体１２を通り、先鋭化部１４よりイオンが引抜電極２０に向かって放出される。放出されたイオンは、引抜電極２０の孔２１を通過して、被注入体２２に注入される。
【００３９】
図８に、第５実施形態のイオン発生器１によるイオン発生の測定結果を示す。イオン源３４に銀製の円柱(銀ロッド)、イオン伝導体１２に銀イオン伝導体を接続して、イオン発生電極１０と引抜電極２０の間に４ｋVを印加した際のイオン電流の時間変化を示す。
図８より、４０時間を超えて安定に銀イオンが放出されていることが分かる。
よって、イオン源３４として例えば銀製の円柱、イオン伝導体１２に銀イオン伝導体を接続すると、Ag＋イオンが先鋭化部１４の先端から放出され、また銀イオンは銀円柱よりイオン伝導体１２に供給されることで連続的にAg＋イオンが放出される。この実施形態では触媒１６は無くてもよい。
イオン源３４は、Li＋イオンの場合にはリチウム金属、Na＋イオンの場合にはナトリウム金属にそれぞれ変更する。
【００４０】
第５実施形態は、イオン源３４がイオン発生電極１０に含まれているイオン発生器１である。第５実施形態によれば、イオン源３４のガス分子をいれるチャンバ３０、ガスボンベ４０等を廃止することができる。よって、イオン発生器１を大幅に小型軽量化することができ、人間の手のひらサイズにもできる。手に持ってイオン注入の作業が可能になるので、作業性が大幅に向上する。
【００４１】
（第６実施形態）
第６実施形態は、イオン源３４は、一価である、水素イオン、または銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンのいずれかであることを特徴とする第１実施形態乃至第５実施形態のいずれか１つに記載するイオン発生器１である。  
【００４２】
イオン発生器１で放出されるイオンには、カチオンとアニオンがある。本発明においては多価イオンも可能性あるが、１価のカチオンあるいはアニオンが好ましい。カチオンの種類には水素イオンＨ＋、銀イオンＡｇ＋、リチウムイオンＬｉ＋、ナトリウムイオンＮａ＋、カリウムイオンＫ＋、ルビジウムイオンＲｂ＋、セシウムイオンＣｓ＋などの１価イオンがある。また、アニオンの種類にはフッ化物イオンＦ−など１価イオンがある。
１価イオンは活性で生体活動に深く関わることから、アモルファスシリコンの水素化による物性制御や治療、抗菌処理などができる。
イオン伝導性ガラスの材料は、例えば放出されるイオンに対して以下のような材料がある。
【００４３】
「カチオンの１価イオン」の場合：
水素イオンＨ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・１０Ｎａ２Ｏ・１０Ｋ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝３５０℃、融解温度＝６００℃である。水素イオンＨ＋は、水酸基としてイオン伝導性ガラス中に含まれる。
銀イオンＡｇ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ａｇ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝４１０℃、融解温度＝６００℃である。銀イオンＡｇ＋は、イオンとして非架橋酸素（Ｓｉ-Ｏ−）と結合して含まれる。
リチウムイオンＬｉ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｌｉ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝３５０℃、融解温度＝６００℃である。リチウムイオンＬｉ＋は、イオンとして非架橋酸素（Ｓｉ-Ｏ−）と結合して含まれる。
ナトリウムイオンＮａ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｎａ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝３５０℃、融解温度＝６００℃である。ナトリウムイオンＮａ＋は、イオンとして非架橋酸素（Ｓｉ-Ｏ−）と結合して含まれる。
カリウムイオンＫ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｋ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝３５０℃、融解温度＝６００℃ある。カリウムイオンＫ＋は、イオンとして非架橋酸素（Ｓｉ-Ｏ−）と結合して含まれる。
ルビジウムイオンＲｂ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｒｂ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝３５０℃、融解温度＝６００℃である。ルビジウムイオンＲｂ＋は、イオンとして非架橋酸素（Ｓｉ-Ｏ−）と結合して含まれる。
セシウムイオンＣｓ＋のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・２０Ｃｓ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝３５０℃、融解温度＝６００℃ある。セシウムイオンＣｓ＋は、イオンとして非架橋酸素（Ｓｉ-Ｏ−）と結合して含まれる。
【００４４】
「アニオンの１価イオン」の場合
フッ化物イオンＦ−のイオン伝導性ガラスは、構成および比率が（ＺｒＦ４）０．５（ＢａＦ２）０．３５（ＣｓＦ）０．１５の材料を溶融して作成する。ガラス転移温度Ｔｇ＝４３０℃、融解温度＝６００℃である。フッ化物イオンＦ−はカチオンと結合して含まれる。
尚、これらのイオン伝導性ガラスは、ガラス転移温度Ｔｇ（℃）以下であってもイオンの電導性はある。
【００４５】
放出イオンが水素イオンＨ＋の場合にはプロトンを伝導するイオン伝導性ガラスを用いてイオン源チャンバ３０に水素ガスを導入すると、連続的に水素イオンＨ＋放出が可能である。
同様にフッ化物イオンＦ-の場合にはフッ化物イオンＦ-を伝導するイオン伝導性ガラスを用いてイオン源チャンバ３０にフッ素ガスを導入することで、連続的にＦ-放出が可能である。
【００４６】
水素イオンＨ＋以外のカチオンの１価イオン（銀イオンＡｇ＋、リチウムイオンＬｉ＋、ナトリウムイオンＮａ＋、カリウムイオンＫ＋、ルビジウムイオンＲｂ＋、セシウムイオンＣｓ＋）については、イオン源となるガスが無い。よってそれぞれのイオン種に応じた金属（銀イオンでは銀、リチウムイオンではリチウム、以下同様）をイオン源３４として使用する。
【００４７】
ここで、イオン伝導体１２は、イオンを伝導する材料であれば良く、水分を吸着した多孔質ガラスまたはイオン伝導性ガラスでも良い。
水分を吸着した多孔質ガラスイオン伝導体は、放出対象のイオンを、水分中を伝導するので特に組成を限定しない。即ち、水分中に、水素イオンＨ＋または銀イオンＡｇ＋またはリチウムイオンＬｉ＋またはナトリウムイオンＮａ＋またはカリウムイオンＫ＋またはルビジウムイオンＲｂ＋またはセシウムイオンＣｓ＋またはフッ化物イオンＦ−を入れておれば良い。多孔質ガラスイオン伝導体は、常温で使用できる。
またはイオン発生器１のイオン伝導体１２は、水分を吸着した多孔質ガラスまたはイオン伝導性ガラスにおいて、水素イオン、または銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンのいずれかを含んでいるものを用いても良い。
【００４８】
第６実施形態は、イオン源３４は、一価である 、水素イオン、または銀イオン、またはリチウムイオン、またはナトリウムイオン、またはカリウムイオン、またはルビジウムイオン，またはセシウムイオン、またはフッ化物イオンのいずれかであることを特徴とする。発明１乃至５のいずれか１つに記載するイオン発生器１である。１価イオンは活性で生体活動にも深く関わることから、アモルファスシリコンの水素化による物性制御のほか、治療、抗菌処理などができる。
【００４９】
（第７実施形態）
第７実施形態は、先鋭化部１４、引抜電極２０、および被注入体２２は、真空引きされた注入チャンバ３２に収納されていることを特徴とする第１実施形態乃至第６実施形態のいずれか１つに記載するイオン発生器１である。
【００５０】
図９に、第７実施形態のイオン発生器１の構成を示す。イオン発生器１は、イオン源３４のガス分子を封入したチャンバ３０と、直流高圧電源２４により高電圧が印加されたイオン発生電極１０と引抜電極２０を有し、被注入体２２にイオンを注入する。
引抜電極２０および被注入体２２は注入チャンバ３２内に設置される。イオン源チャンバ３０と注入チャンバ３２は、中間壁を介して接触して設置される。中間壁には、触媒１６およびイオン伝導体１２はイオン源チャンバ３０側に設置され、イオン伝導体１２と先生化部１４は注入チャンバ３２側に突出して設置される。
触媒１６は、水素イオン以外のイオンを使用する場合は無くても良い。
【００５１】
引抜電極２０および被注入体２２を注入チャンバ３２内に設置し、真空ポンプ４４によって注入チャンバ内を減圧する。この構造によって、大気などに妨げられることなく先鋭化部１４から放出されるイオンが被注入体２２に注入されるようになる。
第４実施形態と比べ、放出されたイオンが、大気中の窒素分子、酸素分子などに妨げられることなく被注入体に注入される。
また、従来例における放射されたイオンが、その行路中に残留ガスと衝突して消滅する問題を解決することができる。よって、イオン伝導体１２、引抜電極２０および被注入体を注入チャンバ３２に納めることにより、高いイオン電流密度が得られる。
【００５２】
また、イオン源チャンバ３０にガス導入用のバルブ４２およびイオン源Ｇのガス分子が封入されているガスボンベ４０を接続する。ガスボンベ４０よりイオン源Ｇのガス分子を連続して供給されることで、連続的なイオン放出が可能となる。ガスボンベ内には、イオン源として液体を封入しても良い。
【００５３】
図９に、第５実施形態のイオン発生器１によるイオン注入の作業手順を示す。Ｓ４０１にて、被注入体２２をセットして扉を閉める。Ｓ４０３にて、真空ポンプ４４にて注入チャンバ３２内を真空引きする。Ｓ４０５にて、ガスボンベ４０からイオン源Ｇのガス分子をイオン源チャンバ３０へ入れる。Ｓ４０７にて、ヒータ２６にてイオン伝導体１２をガラス転移温度Ｔｇ（℃）以上、融解温度（℃）未満に加熱する。Ｓ４０９にて、直流高圧電源２４により高電圧を印加して、オン源Ｇのガス分子をイオン化して被注入体２２に注入する。Ｓ４１１にて、被注入体２２を取り出す。以上の６ステップとなる。図１６の従来例に比べて１スッテプ削減できる。
【００５４】
第７実施形態は、イオン発生電極１０の先鋭化部１４、引抜電極２０、および被注入体２１は、真空引きされて注入チャンバ３２に収納されている。この構造によって、放出されたイオンは、大気などの窒素分子、酸素分子などに妨げられることなく被注入体２１に注入される。
また、第１実施形態発明から第７実施形態のイオン発生器１によれば、後述するように放出イオン電流値は、従来の数ピコアンペア程度と比べ、数１０ピコアンペア以上と、約５倍大きくすることができる。更に、被注入体にイオンを注入する手順を簡素化することができる。
【００５５】
（測定結果）
図１１に図９の構成によって実施したイオン電流密度の測定結果を示す。イオン発生電極１０は、プロトン伝導性を示すイオン伝導性ガラス（５５Ｐ２Ｏ５・１５ＳｉＯ２・１０Ｎａ２Ｏ・１０Ｋ２Ｏ・１０Ａｌ２Ｏ３：モル％）を使用した。イオン発生電極１０の先鋭化部１４は、第２実施形態のエッチングで作成した。触媒１６は、パラジウム管を用いて、内側にイオン伝導体１２の先鋭化していない端部を挿入して固定した。先鋭化部１４を５５０℃に加熱して引抜電極２０と触媒１６の間に高電圧を印加した。イオン源３４のガス分子として水素ガスを用いた。
放出された水素イオンのイオン電流をピコアンメーターで測定し、機器制御・データ集録にはナショナルインスツルメンツ社のＬａｂＶＩＥＷを用いた。被注入体２２を置く注入チャンバ３２は０．００１Pa以下に減圧した。イオン源チャンバ３０には水素ガスを導入した。イオン発生電極１０の先端化部１４と引抜電極２０との間の距離を１ｃｍとし、直流高圧電源２４より印加した電圧を１ｃｍで除して電界強度を算出した。縦軸に引抜電極２０の孔２１の直径（３ ｍｍ)で規格化したイオン電流密度、また横軸に印加電界強度をプロットした（図１１）。
図１１から電界強度１０００ Ｖ／ｃｍ程度から直線的にイオン電流密度が増加していることがわかる。
よって、本実施形態の放出イオン電流値は、従来の数ピコアンペア程度と比べ、数１０ピコアンペア以上と、約５倍大きくすることができる。
【００５６】
図１２に、第７実施形態によるイオン発生電極１０の先鋭化部１４の温度の影響を示す。図１２（ａ）は、イオン発生開始の電界強度であり、また図１２（ｂ）は、電界強度３０００  V/cmにおけるイオン電流密度を表す。またＴｇは使用したイオン伝導体のガラス転移温度である。温度の上昇に伴い、より低い電界強度でイオンが放出され、またイオン電流密度が増大することがわかる。使用したイオン伝導体の融解温度未満まで温度上昇は可能である。
【００５７】
図１３に、温度とイオン電流より計算した活性化エネルギを示す。
横軸は絶対温度の逆数（１/Ｔ）、縦軸は計測したイオン電流の対数値（ｉ）である。
これらにはアレニウス式である式（３）の関係がある。
i  =  k × exp(- ΔE / RT)、                           （３）
ここでkは定数、ΔEは活性化エネルギ、 Rは気体定数、Tは絶対温度を表す。
両辺対数をとると式（４）となる。
ln i = ln k - ΔE/RT                                  （４）
ここで、ΔE/Rが図９の傾き(-1.985)に相当する。
Ｒ＝８.３１ J/mol・Kおよび自然対数(ｌｎ)から常用対数（ｌｏｇ）の変換値(２.３)を用いると式４となり、活性化エネルギはおよそ４０ ｋＪ／ｍｏｌとなる。
ΔE = -1.985 ×8.31×2.3                               （５）
実験によってややバラツキがあり、４０〜６０ｋＪ／ｍｏｌの値が得られている。
よって、イオン発生電極１０の先鋭化部１４の温度が高い程、イオンの発生が多い。
【００５８】
図１４に、イオン発生器１により、シリコンウエハに対して、水素イオン（プロトン）注入した前後の水滴の接触角を示す。接触角は、イオン注入前８２．４°からイオン注入後１０１．４°へと１９°上昇し、シリコンウエハの表面が撥水化した。Ｓｉ−Ｈはシリコンに比べて撥水性を示すことから、シリコンウエハの表面に水素イオンＨ＋が注入されたことを検証した。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
水素イオンＨ＋は電子殻をもたない非常に活性なイオンであり、Ｈ＋注入による表面形状や極性、また電気・光学特性の変化などが期待される。たとえば太陽電池や液晶パネルなどに利用されるアモルファスシリコンは水素化されており、水素量によって電気特性が変化する。局所的に任意の量のＨ＋を簡便に注入することで、アモルファスシリコンの物性制御への利用が考えられる。またポリアニリンは絶縁体であるがＨ＋を注入することで半導体に転移する。化学薬品を用いずに導電性を付与することができ、局所的にＨ＋をポリアニリンに注入することで多様な電子回路設計の可能性が広がる。そのほかガラスにＨ＋を注入した場合は架橋酸素の結合が切れることで水酸基（ＯＨ基）が生成し、親水性を付与することが可能となる。
Ｎａ＋やＫ＋や生命活動に深く関係しており、Ｎａ＋は体内の水分量の調整、またＫ＋は筋肉や神経の働きに関係する。これらのイオンを局所的に注入可能となれば、新たな治療法の開発などが期待される。
Ｃｓ＋イオンを注入すると、被注入体表面の仕事関数を下げる効果があり、被注入体から負イオンが出やすくなる。この原理は二次イオン質量分析法などで利用され、ｐｐｍ〜ｐｐｂ程度の不純物まで検出可能となる。
Ａｇ＋は抗菌性を付与することが可能であり、歯科治療などの応用が考えられる。また注入したＡｇ＋を還元すればＡｇナノ粒子が生成する。Ａｇナノ粒子は表面増強ラマン散乱など光学活性に効果がある。これまでＡｇナノ粒子を作製する手法は様々開発されているが、Ａｇナノ粒子を周期的に配列する汎用技術は無い。Ａｇ＋イオン銃によってＡｇナノ粒子配列が期待される。
一方、フッ素は表面エネルギを下げる効果がり、フッ化物イオンを注入することで表面の撥水化が期待される。また骨や歯の主成分であるハイドロキシアパタイトとフッ化物イオンが反応するとフルオロアパタイトが生成する。フルオロアパタイトはハイドロキシアパタイトに比べて酸に溶けにくく、フッ化物イオン注入による歯科治療の用途が広がる。
【符号の説明】
【００６０】
イオン発生器                    １
イオン発生電極                １０    
イオン伝導体                  １２
先鋭化部                      １４
触媒                          １６
引抜電極                      ２０
孔                            ２１
被注入体                      ２２
直流高圧電原                  ２４
ヒータ                        ２６
電源                          ２８
チャンバ（イオン源）          ３０
注入チャンバ                  ３２
イオン源                      ３４
ガスボンベ                    ４０
バルブ                        ４２
真空ポンプ                    ４４
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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