(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
0004048837.tif 000002
【図２】
0004048837.tif 000003
【図３】
0004048837.tif 000004
【図４】
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