特開 2023-172015 気化器及びこれを備えたイオン源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023172015

(43)【公開日】2023-12-06

(54)【発明の名称】気化器及びこれを備えたイオン源

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/20 20060101AFI20231129BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20231129BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20231129BHJP

【ＦＩ】

H01J27/20

H01J37/08

H01J37/317 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022083557

(22)【出願日】2022-05-23

(71)【出願人】

【識別番号】302054866

【氏名又は名称】日新イオン機器株式会社

(72)【発明者】

【氏名】平井 裕也

(72)【発明者】

【氏名】趙 維江

(72)【発明者】

【氏名】糸井 駿

(72)【発明者】

【氏名】岩波 悠太

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 穂香

【テーマコード（参考）】

5C101

【Ｆターム（参考）】

5C101AA25

5C101BB03

5C101DD03

5C101DD18

5C101DD20

5C101DD25

(57)【要約】

【課題】従来に比べて、イオン種切り替え時の待ち時間の短縮可能な気化器を提供する。
【解決手段】気化器１は、アルミニウムを含有する固体材料１６と、フッ素含有ガスが導入されるガス導入口２ｂと、アルミニウムを含有する蒸気を放出する蒸気放出口２ａを有する坩堝２と、坩堝２を加熱する加熱器５を備えている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウムを含有する固体材料が内部に配置され、フッ素含有ガスが導入されるガス導入口とアルミニウム含有の蒸気を放出する蒸気放出口とを有する坩堝と、
前記坩堝を加熱する加熱器を備えた気化器。

【請求項2】

前記固体材料が純アルミニウムである請求項１記載の気化器。

【請求項3】

請求項１または２に記載の気化器を具備するイオン源で、
内部でプラズマを生成するプラズマ生成室を備え、
前記プラズマ生成室には、アルミニウム含有の蒸気を放出する前記蒸気放出口が接続されている、イオン源。

【請求項4】

前記プラズマ生成室の内部で生成されたプラズマからイオンビームを引き出すための複数枚の電極を有し、
前記複数枚の電極のうち、最も前記プラズマ生成室側に配置される電極が、電極加熱用の加熱器を備えている、請求項３記載のイオン源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

気化器と当該気化器を備えたイオン源に関する。

【背景技術】

【0002】

炭化ケイ素（ＳｉＣ）デバイスは、電気自動車、鉄道、発電所等の高電圧、高温用途での利用が期待されている。イオン注入プロセスを使用する点では、ＳｉＣデバイスの製造プロセスは従来のシリコンデバイスの製造プロセスと類似している。

【0003】

ＳｉＣデバイスのイオン注入プロセスでは、ＰＮ接合の製作にあたり、窒素イオンやリンイオンをＮ型ドーパントとして注入し、アルミニウムイオンやホウ素イオンをＰ型ドーパントとして注入している。

【0004】

窒素イオンやリンイオン、ホウ素イオンの生成時には、ガスを原料としてプラズマの生成が行われている。一方、アルミニウムイオンの生成時には、原料となる最適なガスがないことから、アルミニウム含有の固体材料（粉体や粉末状のものを含む）を原料にして、プラズマの生成が行われている。

【0005】

例えば、特許文献１には、気化器（蒸気発生炉）内のフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）の粉体（固体材料）を加熱することで、プラズマ生成室にアルミニウム含有の蒸気を供給して、プラズマを生成する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４－３５９９８５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

アルミニウムイオンの注入後、イオン源の運転を停止して、他のイオン種での注入を行うべく、使用するガス種を切り替える場合、プラズマ生成室へのアルミニウム含有蒸気の供給を停止することになる。しかしながら、一旦高温化された気化器の温度を瞬時に下げることは難しく、気化器の温度が十分に下がるまでの間は、プラズマ生成室へアルミニウム含有蒸気が供給され続ける。

【0008】

このことから、特許文献１の構成では、イオン種切り替え時に、長い待ち時間が発生していた。そこで、本発明では、イオン種切り替え時の待ち時間の短縮可能な気化器を提供することを主たる課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

気化器は、
アルミニウムを含有する固体材料が内部に配置され、フッ素含有ガスが導入されるガス導入口とアルミニウム含有の蒸気を放出する蒸気放出口とを有する坩堝と、
前記坩堝を加熱する加熱器を備えた気化器。

【0010】

上記構成では、坩堝内でフッ素とアルミニウムが反応し、固体材料の表面に反応生成物が生成される。生成された反応生成物を高温に加熱し、反応生成物を蒸発させることで、坩堝からアルミニウム含有蒸気が放出される。
イオン種切り替えにあたっては、フッ素含有ガスの供給を停止すれば、坩堝内での反応生成物の生成が停止できる。これより、気化器の温度低下を待たずとも、イオン種を早期に切り替えることが可能となる。

【0011】

アルミニウムの含有割合を増加するという点では、
前記固体材料が純アルミニウムであることが望ましい。

【0012】

上記気化器を具備するイオン源は、
内部でプラズマを生成するプラズマ生成室を備え、
前記プラズマ生成室には、アルミニウム含有の蒸気を放出する前記蒸気放出口が接続されていることが望ましい。

【0013】

イオン源の長期安定稼働を実現するためには、
前記イオン源は、前記プラズマ生成室の内部で生成されたプラズマからイオンビームを引き出すための複数枚の電極を有し、
前記複数枚の電極のうち、最もプラズマ生成室側に配置される電極が、電極加熱用の加熱器を備えている、ことが望ましい。

【0014】

プラズマ生成室で、アルミニウム含有蒸気がプラズマ化されると、蒸気に含まれているフッ素由来の絶縁物がイオン化される。イオン化されたフッ素由来の絶縁物の一部は、プラズマ生成室よりも電位の低い引出電極側へ引き寄せられて、引出電極上に堆積する。
引出電極上の堆積物の増加に伴って、イオン源運転時の異常放電やイオンビームの引き出し不良等の不具合が発生する。
プラズマからイオンビームを引き出すための複数枚の電極のうち、最もプラズマ生成室側の電極が、電極加熱用の加熱器を備えていれば、電極を高温化して、電極上の堆積物を蒸発させることで、絶縁物の堆積量を低減することができる。

【発明の効果】

【0015】

フッ素含有ガスの供給を停止することにより、アルミニウム含有蒸気の元となる反応生成物が生成されなくなるため、アルミニウム含有蒸気の坩堝からの放出をすみやかに停止することが可能となる。これにより、従来の構成に比べて、イオン種切り替え時の待ち時間を各段に短縮することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】イオン源の模式的断面図

【図2】第１ノズルの拡大図

【図3】図１のＡ－Ａ線断面図

【図4】図１をＺＸ平面から視たときの模式的平面図

【図5】第１ノズル先端部分が変更されたイオン源の模式的断面図

【図6】抑制電極Ｅ１の模式的平面図

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１には、イオン源ＩＳの模式的断面図が描かれている。図のイオン源ＩＳは、傍熱型イオン源である。
フィラメント９は陰極８を加熱し、陰極８はプラズマ生成室７の内部に後述する蒸気を電離するための電子を放出する。
反射電極１０は、陰極８に対向して配置されている。プラズマ生成室７の外部には、陰極８と反射電極１０の対向方向に沿った磁場を生成する不図示の電磁石が設けられている。陰極８から放出された電子は、陰極８と反射電極１０の対向方向に沿った磁場に捕捉されて、負電圧が印加されている反射電極１０に向けて進行し、反射電極１０の近傍で陰極８側に反射される。

【0018】

プラズマ生成室７は、外形が直方体の部材で、一面に開口１１が形成されている。プラズマ生成室７の内部では、後述する蒸気を元にプラズマＰが生成されており、開口１１を介して、プラズマＰよりイオンビームＩＢの引出しが行われる。
イオンビームＩＢの引出しは、プラズマ生成室７とプラズマ生成室７の開口１１に隣接配置されている引出電極Ｅとの電位差により行われる。イオンビームＩＢが正の電荷を有する場合、プラズマ生成室７の電位は、引出電極Ｅの電位よりも高い電位に設定されている。

【0019】

引出電極Ｅは、複数枚の電極から構成されている。この実施形態において、プラズマ生成室７側から順に、抑制電極Ｅ１と接地電極Ｅ２から構成されている。抑制電極Ｅ１は、プラズマ生成室７への下流側（図示Ｚ方向側）からの電子の流入を抑制する電極である。接地電極Ｅ２は、接地電位を固定するための電極である。
抑制電極Ｅ１と接地電極Ｅ２は、例えば、ＸＹ平面視で、外形が円盤状の部材で、中央にイオンビームＩＢが通過するための開口が形成されている。
イオン源ＩＳの構成に応じて、これら電極の形状や枚数は適宜変更してもよい。

【0020】

プラズマ生成室７の一面を介して、気化器１からプラズマ生成室７へアルミニウム含有蒸気が供給される。供給されたアルミニウム含有蒸気は、プラズマ生成室７でプラズマ化されて、アルミニウムイオンを含有するイオンビームＩＢとして引き出される。

【0021】

気化器１は、坩堝２と坩堝２を加熱する加熱器５とを備えている。
加熱器５は、コイルヒーターが想定されているが、板状のヒーターやセラミックヒーター等、種々の構成を採用してもよい。

【0022】

坩堝２は、一方向に長い円筒状の部材である。坩堝２の内部には、アルミニウム含有の固体材料１６が配置されている。この固体材料１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または純アルミニウム（純度９９％以上のアルミニウム）等のアルミニウムを含有する固体材料である。アルミニウム含有蒸気中のアルミニウム含有量を増やすという点では、純Ａｌを使用することが望ましい。
固体材料１６は、粉体や粉末、または、これらの塊であり、粒径、形状等は様々なものが使用される。

【0023】

坩堝２は、長手方向の一端にプラズマ生成室７にアルミニウム含有蒸気を供給する蒸気放出口２ａを有し、長手方向の他端に坩堝２内にフッ素含有ガスを導入するガス導入口２ｂを有している。フッ素含有ガスは、例えば、Ｆ_２とＡｒやＨｅ等の希ガスとの混合ガスやＸｅＦ_２、ＢＦ_３、ＰＦ_３またはＰＦ_５等の単体ガスが挙げられる。
フッ素含有ガスが封入される第１ガス供給源３３から、バルブ３４の開閉に応じて、坩堝２へのフッ素含有ガスの供給、停止が切り換えられる。

【0024】

第１ノズル３は、坩堝２の蒸気放出口２ａを延長する部材である。第２ノズル４は、坩堝２のガス導入口２ｂを延長する部材である。各ノズルは、概略円筒状の部材であり、篏合やねじ込み等により、坩堝２の端部に着脱可能に取り付けられている。
なお、ノズルの構成は、図示される構成に限らず、坩堝２と一体化されていてもよい。

【0025】

坩堝２内では、アルミニウム含有の固体材料１６とフッ素含有ガスとが反応して、反応生成物としてフッ化アルミニウム(ＡｌＦ_３)が生成される。この反応生成物は、大気圧下であれば７５０℃程度に加熱器５で加熱されることで蒸気化し、アルミニウム含有蒸気として、坩堝２からプラズマ生成室７へ放出される。なお、坩堝２の使用状況によっては、内部が真空下にあるため、蒸気化される温度は、７５０℃よりも低い温度となる。
また、加熱器５の周囲には遮熱板６が配置されており、加熱器５からの放熱を遮断する。

【0026】

図１の実施形態において、プラズマ生成室７には、アルミニウム含有の蒸気を放出する坩堝２の蒸気放出口２ａが接続されている。ここで言う接続とは、物理的な接続の他、流体的な接続も含まれている。つまり、蒸気放出口２ａからプラズマ生成室７へのアルミニウム含有蒸気が供給可能な構成であれば、どのような接続構造であってもよい。
具体的には、第１ノズル３の端部３ａが、プラズマ生成室７の内部に突出することで、坩堝２の蒸気放出口２ａとプラズマ生成室７との接続が行われている。ここで、第１ノズル３の端部３ａには、アルミニウム含有蒸気を多方向に拡散供給するために、直交する４方向に蒸気排出用の孔が設けられている。

【0027】

図２は、第１ノズル３の拡大図である。図において、破線はアルミニウム含有蒸気の流路３１であり、この流路３１に続いて、蒸気排出用の孔Ｂが、紙面の左右方向、表裏方向に形成されている。
この実施形態では、４つの蒸気排出用の孔Ｂについて説明しているが、蒸気排出用の孔Ｂの数や配置は、適宜変更されてもよい。また、図の紙面上方向に向けてアルミニウム含有蒸気を放出できるように、アルミニウム含有蒸気の流路３１と蒸気排出用の孔Ｂを形成してもよい。

【0028】

再び図１に戻り、気化器１とプラズマ生成室７との間を気密に保つための構成について説明する。
気化器１は、フランジ１４を介して、イオン源フランジ１２にボルト等により取り付けられる。
イオン源フランジ１２は、図１には不図示の支持部によって間接的にプラズマ生成室７やプラズマ生成室７周辺の他の構成要素、例えば、フィラメント９や陰極８を支持している。

【0029】

第２ノズル４は、大径部４ａを有している。フランジ１４と大径部４ａとの間に配置されたコイルバネ１３により、大径部４ａがＺ方向へ付勢される。これにより、第１ノズル３の端部３ａがプラズマ生成室７の壁面へ弾性的に付勢され、部材間の気密性が確保される。
また、第１ノズル３とプラズマ生成室７との間の気密性を確保するために、１つ以上のガスケットを設けてもよい。また、コイルバネ１３による過剰な圧力がかかることを避けるために、第１ノズル３の端部３ａにダンパやスプリングクリップを取り付けてもよい。

【0030】

図３は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。図１及び図３から理解できるように、図３と反対方向の図、すなわち、蒸気放出口２ａの方を見据えた図は、図３でガス導入口２ｂが蒸気放出口２ａに置き換えられたものとなる。
アルミニウム含有の固体材料１６の上縁は、ガス導入口２ｂと蒸気放出口２ａの下縁と一致している。このことから、ガス導入口２ｂから導入されるフッ素含有ガスが固体材料１６の表面に効率よく供給されて、フッ素とアルミニウムとの反応が促進される。

【0031】

図３に示すアルミニウム含有の固体材料１６の形状は、半円形断面を有するものであったが、この構成は一例に過ぎず、坩堝２の断面形状に応じてアルミニウム含有の固体材料１６の断面形状を適宜変更してもよい。

【0032】

アルミニウムイオン以外のイオン種もＰＮ接合を作製するために使用される。他のガス種(ＰＨ_３、ＰＦ_３、ＢＦ_３及びＮ_２等)をプラズマ生成室７へ供給する際に、気化器１内のフッ素含有ガスの流路を他のガス種の供給路として兼用してもよい。
ただし、坩堝２内のアルミニウム含有の固体材料１６と他のガス種とが反応し、アルミニウム含有の固体材料１６が消耗することや注入対象でないイオン種の混入が生じる恐れから、フッ素含有ガスの流路と他のガス種の流路とを分離することが望ましい。

【0033】

図４は、図１のイオン源ＩＳを別平面から視たときの図である。プラズマ生成室７は、フッ素含有ガス以外のガスが導入されるガス導入口２１を有している。
このガス導入口２１には、Ｌ字状のガス配管１７の一端が接続されている。イオン源フランジ１２の外側では、Ｌ字状のガス配管１７の他端が他のガス種を供給するための第２ガス供給源３２とバルブ３６に接続されている。

【0034】

上記実施形態では、プラズマ生成室７へのガス供給に関し、第２ガス供給源３２からのガス供給と気化器１からのアルミニウム含有蒸気の供給とを別々に行うことが想定されている。
しかしながら、第２ガス供給源３２から供給されるガスの種類によっては、両者を同時に行うようにしてもよい。例えば、第２ガス供給源３２から水素を供給することで、プラズマ生成室７で生成されるプラズマ中のフッ素成分と水素とを反応させて、不要なフッ素成分の除去を行ってもよい。

【0035】

これまでの実施形態では、イオン源ＩＳの構成として、傍熱型イオン源を例に挙げて説明したが、バーナス型、フリーマン型もしくは高周波型のイオン源といった他のイオン源を採用してもよい。

【0036】

図１、図２では、第１ノズル３の端部３ａがプラズマ生成室７の内部に突出していたが、プラズマ生成室７の壁面に第１ノズル３の端部３ａが留まるものであってもよい。具体的には、第１ノズル３の端部３ａは、図５に描かれるように、第１ノズル３の端部３ａの先端と、プラズマ生成室７の内壁面とが面一になっている。この構成において、第１ノズル３の端部３ａに形成される孔Ｂの数は、Ｚ方向に１つである。

【0037】

図１、図５では、第１ノズル３と第２ノズル４の本数は、各々１本であった。しかしながら、坩堝２のフッ素含有ガスのガス導入口２ｂを構成するノズルの数や坩堝２の蒸気放出口２ａを構成するノズルの数は１つに限定されるものではなく、各々のノズルの数を複数本にしてもよい。また、一方のノズルのみを複数本にしてもよい。

【0038】

プラズマ生成室７で、アルミニウム含有蒸気がプラズマ化されると、蒸気に含まれているフッ素由来の絶縁物がイオン化される。イオン化されたフッ素由来の絶縁物の一部は、プラズマ生成室７よりも電位の低い引出電極Ｅ側へ引き寄せられて、引出電極Ｅ上に堆積する。
この種の絶縁物の堆積は、図１、図５に描かれる引出電極Ｅのうち、プラズマ生成室７に近い抑制電極Ｅ１で発生する。特に、抑制電極Ｅ１のプラズマ生成室７と対向する側で、絶縁物の堆積が顕著に発生する。

【0039】

抑制電極Ｅ１上の堆積物が増加すると、イオン源運転時の異常放電やイオンビームＩＢの引き出し不良等の不具合が発生する。
この対策として、図６に示すように、抑制電極Ｅ１に、電極加熱用の加熱器Ｈを設けている。電極加熱用の加熱器Ｈは、抑制電極Ｅ１の裏面（プラズマ生成室７と対向している面の裏側）に配置されている。
イオンビームＩＢへの影響を考慮すると、抑制電極Ｅ１の内部に加熱器Ｈを埋設する等して、抑制電極Ｅ１の開口３５を通過するイオンビームＩＢから見えない場所に加熱器Ｈを配置してもよい。

【0040】

イオン源ＩＳの運転中、電極加熱用の加熱器Ｈを使用して抑制電極Ｅ１の温度を高温化する。アルミニウム含有蒸気に含まれるフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）が、抑制電極Ｅ１上に堆積する場合、抑制電極Ｅ１の温度をフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）の蒸発温度以上にすることで、抑制電極Ｅ１から堆積物を蒸発させることができる。蒸発した堆積物については、真空排気用のポンプを介して装置外に排出する。

【0041】

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0042】

１ ：気化器
１Ａ ：イオン源
２ ：坩堝
２ａ ：蒸気放出口
２ｂ ：ガス導入口
５ ：加熱器
７ ：プラズマ生成室
１６ ：固体材料
Ｅ１ ：抑制電極
ＩＳ ：イオン源
Ｈ ：電極加熱用の加熱器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】