特開 2024-13008 イオンビーム照射装置及びガス排気方法

(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】P2024013008

(43)【公開日】2024-01-31

(54)【発明の名称】イオンビーム照射装置及びガス排気方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/08 20060101AFI20240124BHJP

   H01J 27/08 20060101ALI20240124BHJP

【ＦＩ】

H01J37/08

H01J27/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022114899

(22)【出願日】2022-07-19

(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】岩波 悠太

(72)【発明者】

【氏名】平井 裕也

(72)【発明者】

【氏名】糸井 駿

【テーマコード（参考）】

5C101

【Ｆターム（参考）】

5C101AA25

5C101AA31

5C101BB03

5C101BB05

5C101DD03

5C101DD17

5C101DD20

5C101GG22

(57)【要約】

【課題】イオン源の運転停止後、イオン源のメンテナンスを早期に開始する。
【解決手段】イオンビーム照射装置ＩＭは、内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器２と、プラズマ生成容器２に接続される気化器Ｓと、気化器Ｓにハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給路１３と、気化器Ｓに空気を供給する空気供給路１６と、ハロゲンガスと空気との反応により生成された反応生成物を装置外部に排出する排気路１１とを備える。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器に接続される気化器と、
前記気化器にハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給路と、
前記気化器に空気を供給する空気供給路と、
前記ハロゲンガスと前記空気との反応により生成された反応生成物を装置外部に排出する排気路とを備えたイオンビーム照射装置。

【請求項2】

前記プラズマ生成容器の温度を測定する測定器を備えた請求項１記載のイオンビーム照射装置。

【請求項3】

前記プラズマ生成容器に窒素を供給する窒素供給路を備えた請求項１記載のイオンビーム照射装置。

【請求項4】

前記プラズマ生成容器を冷却する冷却路を備えた請求項１記載のイオンビーム照射装置。

【請求項5】

内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器に接続される気化器と、
前記気化器内にハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給路と、
前記気化器の内部に空気を供給する空気供給路と、
前記ハロゲンガスと前記空気との反応により生成された反応生成物を装置外部に排出する排気路とを備えたイオンビーム照射装置で、
前記イオンビーム照射装置のメンテナンス前に、前記空気供給路から前記空気を供給する空気供給工程と、前記排気路から前記反応生成物を排出する排気工程とを１回以上実施した後、最後に前記空気供給工程を実施して、装置内部を大気圧にするガス排気方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被照射物にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置と当該装置で使用されるガス排気方法に関する。

【背景技術】

【0002】

イオンビーム照射装置で使用されるイオン源のメンテナンスでは、真空雰囲気にある装置内部を大気雰囲気に変えた後、イオン源をイオンビーム照射装置より取り外し、イオン源を構成する消耗品の交換が行われている。

【0003】

イオンビーム照射装置内部を真空雰囲気から大気雰囲気に変える際には、特許文献１に述べられているように、窒素に代表される希ガスで装置内部を満たし、装置内部の圧力を大気圧にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７－３２６３２０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

イオンビームの種類は様々で、イオンビームが金属イオンを含有する場合には、気化器を用いて金属材料を蒸気化し、金属材料の蒸気からプラズマを生成して、当該プラズマから金属イオンを含有するイオンビームの引き出しが行われている。

【0006】

昨今、気化器の研究が進む中で、本願の出願人から新たな気化器が提案されている。この気化器は、気化器の坩堝内にアルミニウムやタングステン等の金属材料を配置し、坩堝内に塩素やフッ素等のハロゲンガスを導入することで、金属材料とハロゲンガスとの化学反応により反応生成物を生成し、この反応生成物を加熱することで反応生成物の蒸気をプラズマ生成容器に供給するものである。

【0007】

上記気化器を具備するイオン源では、メンテナンス前に、イオン源内に残留する有毒なハロゲンガスの濃度を十分に低濃度化することが必要となる。従来技術と同じく、窒素ガスの供給によりイオン源の圧力を大気圧にする場合には、イオン源内部を窒素ガスで充満させることと、イオン源内部を排気することを交互に繰り返し、残留しているハロゲンガスの濃度が十分に低濃度となった後に、窒素ガスを改めて供給することでイオン源内部を大気圧にしている。この手法では、ハロゲンガスの濃度が低濃度になるまでに要する時間が長いことが要因となり、イオン源内部を大気圧にし、メンテナンスを開始するまでに長時間を要することが問題視されている。

【0008】

そこで、イオン源のメンテナンスを早期に開始することのできる、新たなイオンビーム照射装置とガス排気方法を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

イオンビーム照射装置は、
内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器に接続される気化器と、
前記気化器にハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給路と、
前記気化器に空気を供給する空気供給路と、
前記ハロゲンガスと前記空気との反応により生成された反応生成物を装置外部に排出する排気路とを備えている。

【0010】

従来の窒素ガスの供給に代えて空気を供給しているため、供給された空気中の水成分と気化器内に残留するハロゲンガスとが反応し、ハロゲンガスの濃度を早期に低濃度にすることが可能となり、ひいては、イオン源のメンテナンスを早期に開始することが可能となる。

【0011】

部材の酸化を確実に防ぐためには、前記プラズマ生成容器の温度を測定する測定器を備えることが望ましい。

【0012】

より早くイオン源のメンテナンスを開始するには、前記プラズマ生成容器に窒素を供給する窒素供給路を備えることが望ましい。

【0013】

同様に、イオン源のメンテナンスを早く開始するには、前記プラズマ生成容器を冷却する冷却路を備えることが望ましい。

【0014】

具体的なガス排気方法としては、
内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器に接続される気化器と、
前記気化器内にハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給路と、
前記気化器の内部に空気を供給する空気供給路と、
前記ハロゲンガスと前記空気との反応により生成された反応生成物を装置外部に排出する排気路とを備えたイオンビーム照射装置で、
前記イオンビーム照射装置のメンテナンス前に、前記空気供給路から前記空気を供給する空気供給工程と、前記排気路から前記反応生成物を排出する排気工程とを１回以上実施した後、最後に前記空気供給工程を実施して、装置内部を大気圧にする。

【発明の効果】

【0015】

従来の窒素ガスの供給に代えて空気を供給しているため、供給された空気中の水成分と気化器内に残留するハロゲンガスとが反応し、ハロゲンガスの濃度を早期に低濃度にすることが可能となり、ひいては、イオン源のメンテナンスを早期に開始することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】イオン源運転中の状態を示す模式的断面図

【図2】図１のイオンビーム照射装置のＸＹ平面における模式的平面図

【図3】空気供給についての説明図

【図4】排気についての説明図

【図5】窒素供給についての説明図

【図6】ガス排気方法の一例を示すフローチャート

【図7】ガス排気方法の別の例を示すフローチャート

【図8】ガス排気方法の他の例を示すフローチャート

【図9】ガス排気方法の他の例を示すフローチャート

【図10】ガス排気方法の他の例を示すフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、イオンビーム照射装置ＩＭで、イオン源ＩＳの運転中の状態を示す模式的断面図である。イオンビーム照射装置ＩＭは、例えば、イオンビームを被照射物に照射して、被照射物内に不純物を導入する装置やイオンビーム中に含まれるイオンにより被照射物の表面を改質もしくは切削する装置である。より具体的には、イオン注入装置やイオンビームエッチング装置等が該当する。

【0018】

イオン源ＩＳは、主には、内部でプラズマＰが生成されるプラズマ生成容器２と、一端がプラズマ生成容器２に接続される気化器Ｓと、気化器Ｓの他端側から気化器Ｓにハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給路１３と、プラズマ生成容器２のプラズマＰからイオンビームＩＢを引き出すための引出電極Ｅを有している。

【0019】

プラズマ生成容器２の周囲には、内部でプラズマＰを生成するためのカソードやカソードを加熱するためのフィラメント、プラズマ生成容器２の内部でカソードと対向配置されて、カソードから放出された電子をカソード方向へ反射する反射電極、プラズマ生成容器２の内部でカソードと反射電極との対向方向に沿った磁場を生成する電磁石等が配置されているが、これらの部材の図示は省略している。

【0020】

イオン源ＩＳのプラズマ生成容器２と気化器Ｓを含むブロックは、イオン源ヘッド部として、イオン源フランジ１に図示されない構造物を介して、支持されている。また、イオン源フランジ１は、真空容器Ｃに対して、不図示のボルト等の締結具によって固定されている。イオン源フランジ１にはイオン源ヘッド部を冷却するための冷却路Ｒが設けられている。この冷却路Ｒは、冷媒や空気の循環路である。

【0021】

引出電極Ｅは、プラズマ生成容器２への電子の流入を防止するための抑制電極７と、接地電位を固定するための接地電極８からなる。プラズマ生成容器２と抑制電極７との間には、プラズマ生成容器２側を正とした図示されない直流電源が接続されており、部材間の電位差により、プラズマ生成容器２のイオン引出し口６を通じて、プラズマＰから正の電荷を有するイオンビームＩＢの引出しが行われる。

【0022】

引出電極Ｅのイオンビーム引出し方向であるＺ方向には、第１開閉弁２１が設けられている。第１開閉弁２１は、Ｚ方向で第１開閉弁２１の前後にある真空容器Ｃの空間を分離する開閉自在な弁体であり、イオン源ＩＳの運転中は開いている（開状態にある）。

【0023】

プラズマ生成容器２には、気化器Ｓが接続されている。気化器Ｓは、ペレット、粉末、あるいは一塊の金属材料４が配置される坩堝３と、坩堝３の温度を昇温する加熱器５と、加熱器５からの熱の放出を遮蔽するシールド９と、坩堝３の温度を測定する熱電対ＴＣ（温度測定器）とを備えている。また、気化器Ｓは、坩堝３に塩素やフッ素等のハロゲンガスを供給するためのハロゲンガス供給路１３を備えている。

【0024】

ハロゲンガス供給路１３には、第２開閉弁１４を介して、ハロゲンガスボトル１５が取り付けられている。イオン源ＩＳの運転にあたり、第２開閉弁１４は開状態にあり、ハロゲンガスボトル１５から坩堝３にハロゲンガスが供給されると、ハロゲンガスと金属材料４とが化学的に反応する。加熱器５で坩堝３が加熱され、坩堝３の温度が高温になると、ハロゲンガスと金属材料４との反応生成物が気化し、蒸気Ｖとして坩堝３からプラズマ生成容器２へ供給される。その後、蒸気Ｖは、プラズマ生成容器２内でプラズマＰとなり、イオンビームＩＢとして引き出される。

【0025】

イオン源フランジ１には、空気供給路１６が接続されている。空気供給路１６には、第３開閉弁１７を介して、空気供給源１８から空気の供給が行われる。空気供給源１８は、空気が封入されたボトルでもいいが、イオンビーム照射装置ＩＭが配置される工場に備え付けられている空気供給ラインであってもよい。なお、第３開閉弁１７は、イオン源ＩＳの運転中、閉じられている（閉状態にある）。

【0026】

図２は、図１のイオンビーム照射装置ＩＭのＸＹ平面における模式的平面図である。真空容器Ｃに対して、イオン源フランジ１の端部が取り付けられている。イオン源フランジ１には空気供給路１６が接続されていて、イオン源フランジ１を介してハロゲンガス供給路１３が図１の坩堝３に取り付けられている。真空容器Ｃの内部が密閉状態になるように、部材間にはОリング等の不図示の真空シールが設けられている。
なお、気化器Ｓをイオン源フランジ１に取り付けるためのフランジを用意しておき、このフランジに坩堝３を支持させておくとともに、ハロゲンガス供給路１３を接続するようにしてもよい。

【0027】

イオン源ＩＳの運転中、真空容器Ｃ内は一定の真空度を保つために排気されている。この排気は、真空容器Ｃに接続された排気路１１を介して行われる。排気路１１には、第４開閉弁１２が取り付けられており、イオン源ＩＳの運転中は開状態にある。また、排気路１１には、ハロゲンガス濃度を測定するための濃度測定器Ｄが設けられている。
なお、排気路１１は、不図示の真空ポンプか、イオンビーム照射装置ＩＭが配置される工場に備え付けられている排気ラインに接続されている。

【0028】

イオン源ＩＳのメンテナンスを行う前、イオン源ＩＳの運転は停止され、装置内に空気が供給される。図３は、空気供給についての説明図である。
真空容器Ｃへの空気供給にあたり、第１開閉弁２１、第２開閉弁１４及び第４開閉弁１２はいずれも閉状態となり、第３開閉弁１７のみ開状態となる。
供給された空気は、図中の矢印で示される流れで各部に供給され、最終的には気化器Ｓの内部（坩堝３）に供給される。

【0029】

イオン源ＩＳの運転を停止した時、気化器Ｓやプラズマ生成容器２等に供給されているハロゲンガスが、装置内部に残留する。各部に空気を供給すると、残留ガスと空気中の水成分が反応し、反応生成物（気体）が生成される。

【0030】

空気供給から所定時間経過後、もしくは真空容器Ｃの圧力が所定圧力になった後、真空容器Ｃ内の気体が装置外部に排気される。この時の様子が、図４に描かれている。なお、装置外部とは、イオンビーム照射装置ＩＭの外部であり、より具体的には、真空容器Ｃの外部を指す。

【0031】

図４での各開閉弁の状態は、第１開閉弁２１、第２開閉弁１４及び第３開閉弁１７が閉状態であり、第４開閉弁１２が開状態である。この状態で、排気路１１を通じて真空容器Ｃ内の気体が排気される。真空容器Ｃ内に描かれる矢印は、排気される気体の流れである。この際、排気路１１を通して排気される気体中のハロゲンガス濃度が、濃度測定器Ｄで測定される。

【0032】

従来技術のように、窒素ガスの供給によりイオン源ＩＳの圧力を大気圧にする場合には、ハロゲンガス濃度を低濃度にするまでに長時間要していたが、窒素の代わりに空気を供給することで、供給された空気中の水成分とハロゲンガスの残留ガスとが反応し、早期に装置内のハロゲンガス濃度を低濃度にすることができる。

【0033】

最終的には、ハロゲンガス濃度が所定濃度以下となった段階で、真空容器Ｃの内部を大気圧とするべく、再び図３で説明した空気の供給を行う。これより、従来技術の構成に比べて、ハロゲンガスの濃度を早期に低濃度にすることが可能となり、ひいては、イオン源ＩＳのメンテナンスを早期に開始することが可能となる。

【0034】

ハロゲンガスの残留ガス量が多く、１回の空気供給ではハロゲンガス濃度を十分に低減できない場合には、イオン源ＩＳを取り外すために真空容器Ｃ内を大気圧にする工程の前に、図３で説明した空気供給を実施する工程（空気供給工程）と図４で説明した反応生成物を排気する工程（排気工程）とを、複数回繰り返してもよい。

【0035】

空気供給にあたっては、空気に含まれる酸素がイオン源ＩＳを構成する部材を酸化することが懸念される。イオン源ＩＳの運転中、プラズマ生成容器２は、イオン源ＩＳを構成する他の部材に比べて比較的高温になる。プラズマ生成容器２の周囲に取り付けられているカソードや反射電極等の金属部材（タングステンやモリブデン等の高融点金属）は、高温下では酸素との反応が促進される。これらの部材が酸化されると、イオン源ＩＳの運転に支障を来すことから、イオン源ＩＳの運転停止後、所定時間経過した後に空気の供給を開始することが望ましい。ここで言う所定時間は、これまでの経験則で導き出した時間であり、プラズマ生成容器２の温度が所定温度以下になるまでに要する時間である。

【0036】

所定時間の経過を待つことに代えて、プラズマ生成容器２の温度を実測し、実測値に応じて、空気供給を開始してもよい。
プラズマ生成容器２の温度測定については、プラズマ生成容器２に熱電対を取り付けて直接的にプラズマ生成容器２の温度測定を行うようにしてもよい。また、温度測定は、熱電対に代えて、放射温度計やサーモグラフィーを用いてもよい。
さらには、プラズマ生成容器２に接続されている気化器Ｓの温度を熱電対ＴＣで測定し、気化器Ｓとプラズマ生成容器２との温度の相関性を考慮して、間接的にプラズマ生成容器２の温度を導き出してもよい。

【0037】

プラズマ生成容器２の温度は、自然冷却により低下させる構成でも構わないが、時間短縮の点では、冷媒を用いて冷却することが望ましい。例えば、図１乃至図４に描かれる実施形態のごとく、イオン源フランジ１に冷却路Ｒを形成しておき、ここに冷媒や空気を循環されておけば、イオン源フランジ１に支持されているプラズマ生成容器２を冷却することが可能となる。

【0038】

また、プラズマ生成容器２の冷却については、図５に示す構成を採用してもよい。図５の実施形態では、真空容器Ｃの内部に窒素ガスが供給される点が他の実施形態と相違している。
窒素供給路２３の一端は、イオン源フランジ１に接続されていて、窒素供給路２３の他端は、第５開閉弁２２を介して窒素供給ボトル２４に接続されている。この実施形態では、真空容器Ｃ内への空気供給に先だって、窒素供給路２３から窒素を導入することで、プラズマ生成容器２の冷却を実施している。
窒素の供給によりプラズマ生成容器２を冷却する工程（窒素供給工程）を空気供給工程の開始前に実施することで、空気供給までの待機時間をさらに短縮することが可能となる。

【0039】

窒素供給後、空気供給が開始される前には、排気路１１を通じて、装置内部の窒素を装置外部に排気しておく。この窒素の供給と排気は、プラズマ生成容器２の温度を下げるうえで、複数回実施されてもよい。

【0040】

図５の実施形態では、窒素供給路２３と空気供給路１６とが個別にイオン源フランジ１に接続されていたが、イオン源フランジ１に接続される各供給路を部分的に共通化してもよい。その場合、各供給路は、共通の供給路から途中で分岐する。

【0041】

イオン源ＩＳのメンテナンス作業にあたり、気化器Ｓの温度が高く、気化器Ｓを取り外すまでに時間を要する場合には、空気供給路１６からの空気や窒素供給路２３からの窒素を気化器Ｓに、吹き付けるようにしてもよい。
また、図示される空気供給路１６や窒素供給路２３とは別に、気化器Ｓを冷却するための気体供給路を設けてもよい。

【0042】

図６乃至図１０を用いて、上述したハロゲンガスの残留ガスを排気する方法について詳述する。

【0043】

図６は、ガス排気方法の一実施形態についてのフローチャートである。処理Ｓ１で、イオン源ＩＳの運転を停止する。この時、引出電極Ｅへの電圧印加、プラズマ生成容器２への電圧印加、気化器Ｓの加熱器５への通電、気化器Ｓへのハロゲンガス供給が、停止される。一方、イオン源フランジ１の冷却路Ｒでの冷媒や空気の循環は継続して行われている。
また、イオン源ＩＳの運転停止に伴い、第１開閉弁２１、第２開閉弁１４及び第４開閉弁１２は、閉状態となる。

【0044】

その後、処理Ｓ２で、イオン源ＩＳの運転停止からの経過時間をカウントし、所定時間（例えば、数十分）が経過するまで次の処理を待機する。時間の経過により、プラズマ生成容器２の温度が所定温度以下に低下すると、処理Ｓ３で、第３開閉弁１７を開状態にし、空気の供給を実施する。

【0045】

処理Ｓ３で空気の供給が行われ、所定時間が経過した後、もしくは装置内部が所定圧力となった後、処理Ｓ４で装置内部の排気が行われる。
この排気により、空気中の水分と装置内に残留しているハロゲンガスとの反応生成物である気体が装置外部に排出される。

【0046】

装置の容積によっては、１回の排気で装置内に残留するハロゲンガスの濃度を所定濃度以下にすることが難しい場合には、処理Ｓ３での空気供給と処理Ｓ４での排気とが繰り返し実施されてもよい。
処理Ｓ５では、予め繰り返しの回数を設定しておき、処理Ｓ３での空気供給と処理Ｓ４での排気が所定回数行われたかどうかが判断される。

【0047】

処理Ｓ５で、処理Ｓ３での空気供給と処理Ｓ４での排気が所定回数行われたと判断された後、最後に、処理Ｓ６で装置内部を大気圧にするための空気供給が実施される。
このようなガス排気方法を用いることで、残留するハロゲンガス濃度を早期に下げることができ、ひいてはイオン源ＩＳのメンテナンス作業を早期に開始することが可能となる。

【0048】

図６の実施形態では、処理Ｓ５で処理Ｓ３での空気供給と処理Ｓ４での排気の実施回数を判断していたが、排気路１１を通じて排気されるハロゲンガス濃度を実測し、これが基準濃度であるかどうかを判別して、処理Ｓ３での空気供給と処理Ｓ４での排気の実施回数を決定してもよい。図７の実施形態では、図６の処理Ｓ５に代えて、ハロゲンガス濃度と基準濃度との比較処理である処理Ｓ７を追加している。

【0049】

図６の実施形態は、イオン源停止後、処理Ｓ２でプラズマ生成容器２の温度が低下するまで所定時間待機する構成であったが、図８の実施形態のように、プラズマ生成容器２の温度を実測し、これを基準値と比較する処理Ｓ８に置き換えてもよい。

【0050】

また、プラズマ生成容器２の温度を効果的に低下させるために、処理Ｓ１でのイオン源ＩＳの運転停止後、希ガスを供給する構成を採用してもよい。具体的には、図９のように、処理Ｓ１でイオン源ＩＳの運転停止後、空気供給が行われる処理Ｓ３の前に、窒素ガスやアルゴンガス等の希ガスを供給する処理Ｓ９、希ガス供給後に装置内部の希ガスを排気する処理Ｓ１０、およびこれらを予め設定された所定回数実施したかを判断する処理Ｓ１１をそれぞれ実施する。

【0051】

さらに、図１０の実施形態のように、希ガスの供給と排気を所定回数実施する処理Ｓ１１に代えて、処理Ｓ９での希ガスの供給と処理Ｓ１０での装置内部の排気の後、プラズマ生成容器２の温度を直接あるいは間接的に測定し、測定温度と基準温度とを比較する処理Ｓ１２を実施してもよい。

【0052】

また、図８乃至図１０の実施形態での空気供給以降の処理は、図６の実施形態と同じ処理が実施されているが、この部分の処理を図７の実施形態と同じ処理を実施するようにしてもよい。

【0053】

図１乃至５の実施形態では、排気路１１として、イオン源ＩＳの運転中に装置内部を排気するものとして説明したが、空気とハロゲンガスとの反応生成物を排気するための排気路１１は必ずしもそうした機能を有するものである必要はなく、別の排気路を設けておき、この排気路を用いて、イオン源ＩＳの運転中に装置内部を排気するようにしてもよい。

【0054】

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】

【0055】

２ プラズマ生成容器
３ 坩堝
１１ 排気路
１３ ハロゲンガス供給路
１６ 空気供給路
Ｒ 冷却路
Ｓ 気化器
Ｃ 真空容器
ＴＣ 測定器
ＩＢ イオンビーム
ＩＳ イオン源
ＩＭ イオンビーム照射装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】