(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-13
(45)【発行日】2022-12-21
(54)【発明の名称】イオン生成装置およびイオン注入装置
(51)【国際特許分類】
H01J 27/08 20060101AFI20221214BHJP
H01J 37/08 20060101ALI20221214BHJP
H01J 37/317 20060101ALI20221214BHJP
H05H 1/50 20060101ALI20221214BHJP
G21K 5/04 20060101ALI20221214BHJP
【ＦＩ】
H01J27/08
H01J37/08
H01J37/317 Z
H05H1/50
G21K5/04 A
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2019049842
(22)【出願日】2019-03-18
(65)【公開番号】P2020155216
(43)【公開日】2020-09-24
【審査請求日】2021-11-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000183196
【氏名又は名称】住友重機械イオンテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100116274
【弁理士】
【氏名又は名称】富所 輝観夫
(72)【発明者】
【氏名】越智 秀太
【審査官】大門 清
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－１６７７０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０８１７５３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ２７／０８
Ｈ０１Ｊ ３７／０８
Ｈ０１Ｊ ３７／３１７
Ｈ０５Ｈ １／５０
Ｇ２１Ｋ ５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマ生成空間を区画するアークチャンバと、前記プラズマ生成空間に向けて熱電子を放出するカソードと、を備え、
前記アークチャンバは、前面が開口する箱形の本体部と、前記本体部の前記前面に取り付けられ、イオンを引き出すためのフロントスリットが設けられるスリット部材とを有し、
前記プラズマ生成空間に露出する前記本体部の内面が高融点金属材料で構成され、前記プラズマ生成空間に露出する前記スリット部材の内面がグラファイトで構成され、
前記カソードは、前記プラズマ生成空間に露出するカソードヘッドを有し、前記カソードヘッドは、前記アークチャンバの前記本体部よりも高純度の高融点金属材料で構成されることを特徴とするイオン生成装置。
【請求項2】
前記プラズマ生成空間を挟んで前記カソードと対向するリペラーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン生成装置。
【請求項3】
前記リペラーは、前記プラズマ生成空間に露出するリペラーヘッドを有し、前記リペラーヘッドは、前記アークチャンバの前記本体部よりも高純度の高融点金属材料で構成されることを特徴とする請求項２に記載のイオン生成装置。
【請求項4】
前記フロントスリットは、前記カソードと前記リペラーが対向する軸方向に延在し、
前記スリット部材は、前記スリット部材の前記内面のうち前記カソードと対向する位置に設けられるカソード収容凹部と、前記スリット部材の前記内面のうち前記リペラーと対向する位置に設けられるリペラー収容凹部と、前記スリット部材の前記内面において前記フロントスリットに沿って軸方向に延在して前記カソード収容凹部とリペラー収容凹部の間を接続する中央凹部とを有することを特徴とする請求項２または３に記載のイオン生成装置。
【請求項5】
前記アークチャンバの外側に露出する前記スリット部材の外面の少なくとも一部は、高融点金属材料で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項6】
前記スリット部材の前記外面は、前記フロントスリットの近傍を除いて高融点金属材料で構成されることを特徴とする請求項５に記載のイオン生成装置。
【請求項7】
前記スリット部材は、グラファイトで構成される内側部材と、高融点金属材料で構成される外側部材とを有し、前記内側部材には前記フロントスリットを形成するための内側開口が設けられ、前記外側部材には前記フロントスリットを形成するための外側開口が設けられ、
前記外側開口の開口サイズは、前記内側開口の開口サイズよりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項8】
前記内側部材は、前記アークチャンバの内側から外側に向けて開口サイズが大きくなるように前記内側開口の縁に設けられるテーパー面を有し、前記外側開口の縁は、前記テーパー面を前記アークチャンバの外側に延長させた仮想面よりも前記フロントスリットの中心から離れた位置に設けられることを特徴とする請求項７に記載のイオン生成装置。
【請求項9】
前記内側部材は、前記内側開口の周囲において前記アークチャンバの外側に向けて突出する突出部を有し、前記外側開口の縁は、前記内側部材の前記突出部の外周に沿って設けられることを特徴とする請求項７または８に記載のイオン生成装置。
【請求項10】
前記外側開口の周囲における前記外側部材の外面の前記アークチャンバの内側から外側に向かう厚み方向の位置は、前記アークチャンバの外側に露出する前記内側部材の前記突出部の前面と一致することを特徴とする請求項９に記載のイオン生成装置。
【請求項11】
前記内側部材は、前記本体部の前記前面に設けられる本体側係合部と係合して前記本体部に対する前記フロントスリットの位置を規制するための内側係合部を有することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項12】
前記外側部材は、前記本体部の外側に設けられる係止構造と係合して前記本体部に対して前記スリット部材を固定するための外側係合部を有し、前記係止構造は、前記スリット部材の固定時に前記スリット部材を前記本体部に向けて引く力を加えるよう構成されることを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項13】
前記フロントスリットの正面視において、前記外側部材の外形サイズは、前記本体部の前記前面の外形サイズよりも大きく、前記内側部材の外形サイズは、前記外側部材の外形サイズよりも小さいことを特徴とする請求項７から１２のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項14】
前記高純度の高融点金属材料は、高融点金属元素の含有率が９９．９９重量％以上であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項15】
前記高融点金属材料は、タングステン、モリブデンおよびタンタルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項16】
前記イオン生成装置は、硼素、リンまたは砒素の多価イオンを生成することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
【請求項17】
請求項１から１６のいずれか一項に記載のイオン生成装置と、前記イオン生成装置から引き出されるイオンビームを１ＭｅＶ以上のエネルギーに加速させるビーム加速装置と、
前記ビーム加速装置から出射されるイオンビームがウェハに照射される注入処理室と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イオン生成装置およびそれを含むイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウェハにイオンを注入する工程が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般にイオン注入装置と呼ばれる。このようなイオン注入装置では、傍熱型のカソード構造と、アークチャンバとを備えたイオン生成装置によってイオンが生成される。生成されたイオンは、引出電極を通じてアークチャンバの外に引き出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平８－２２７６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、ウェハ表面のより深い領域にイオン注入するために高エネルギーイオンビームの生成が求められることがある。高エネルギーイオンビームを生成するには、イオン生成装置にて多価イオンを生成し、多価イオンを直流加速機構や高周波加速機構（例えば線形加速機構）を利用して加速することが必要となる。イオン生成装置にて十分な量の多価イオンを生成する場合には、アーク電圧やアーク電流をより大きくする必要があり、アークチャンバの損耗やアークチャンバと引出電極の間の放電がより顕著となりうる。このような条件下では、アークチャンバの損耗による汚染物混入や、放電による装置の損傷等が問題となりうる。
【0005】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、より多くの多価イオンを生成する条件下での汚染物混入および放電による損傷を抑制しうるイオン生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のある態様のイオン生成装置は、プラズマ生成空間を区画するアークチャンバと、プラズマ生成空間に向けて熱電子を放出するカソードと、プラズマ生成空間を挟んでカソードと対向するリペラーと、を備える。アークチャンバは、前面が開口する箱形の本体部と、本体部の前面に取り付けられ、イオンを引き出すためのフロントスリットが設けられるスリット部材とを有する。プラズマ生成空間に露出する本体部の内面が高融点金属材料で構成され、プラズマ生成空間に露出するスリット部材の内面がグラファイトで構成される。
【0007】
本発明の別の態様は、イオン注入装置である。このイオン注入装置は、ある態様のイオン生成装置と、イオン生成装置から引き出されるイオンビームを１ＭｅＶ以上のエネルギーに加速させるビーム加速装置と、ビーム加速装置から出射されるイオンビームがウェハに照射される注入処理室と、を備える。
【0008】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、高純度の多価イオンを安定的に生成可能なイオン生成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。
【図2】実施の形態に係るイオン生成装置の概略構成を示す断面図である。
【図3】スリット部材の外面側の概略構成を示す平面図である。
【図4】スリット部材の内面側の概略構成を示す平面図である。
【図5】アークチャンバの概略構成を示す断面図である。
【図6】アークチャンバの概略構成を示す断面図である。
【図7】アークチャンバの概略構成を示す断面図である。
【図8】スリット部材の固定方法を概略的に示す側面図である。
【図9】スリット部材の固定方法を概略的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【0012】
図１は、実施の形態に係るイオン注入装置１００の概略構成を示す上面図である。イオン注入装置１００は、いわゆる高エネルギーイオン注入装置である。イオン注入装置１００は、イオン生成装置１０で発生させたイオンを引き出して加速することでイオンビームＩＢを生成し、イオンビームＩＢをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハＷ）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。
【0013】
イオン注入装置１００は、イオンを生成して質量分離するビーム生成ユニット１２と、イオンビームＩＢをさらに加速して高エネルギーイオンビームにするビーム加速ユニット１４と、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正を行うビーム偏向ユニット１６と、分析された高エネルギーイオンビームをウェハＷまで輸送するビーム輸送ユニット１８と、輸送された高エネルギーイオンビームを半導体ウェハに注入する基板搬送処理ユニット２０とを備える。
【0014】
ビーム生成ユニット１２は、イオン生成装置１０と、引出電極１１と、質量分析装置２２と、を有する。ビーム生成ユニット１２では、イオン生成装置１０から引出電極１１を通してイオンが引き出されると同時に加速され、引出加速されたイオンビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂを有する。質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種が選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次のビーム加速ユニット１４に導かれる。
【0015】
ビーム加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器を備えている。ビーム加速ユニット１４は、高周波（ＲＦ）電場の作用によりイオンを加速する高周波加速機構である。ビーム加速ユニット１４は、基本的な複数段の高周波共振器を備える第１線形加速器１５ａと、高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器を備える第２線形加速器１５ｂとを備える。ビーム加速ユニット１４により加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。
【0016】
ビーム加速ユニット１４から出射される高エネルギーイオンビームは、ある範囲のエネルギー分布を持っている。このため、ビーム加速ユニット１４の下流で高エネルギーのイオンビームを往復走査および平行化させてウェハに照射するためには、事前に高い精度のエネルギー分析と、軌道補正及びビームの収束／発散の調整を実施しておくことが必要となる。
【0017】
ビーム偏向ユニット１６は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正を行う。ビーム偏向ユニット１６は、少なくとも二つの高精度偏向電磁石と、少なくとも一つのエネルギー幅制限スリットと、少なくとも一つのエネルギー分析スリットと、少なくとも一つの横収束機器とを備える。複数の偏向電磁石は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析と、イオン注入角度の精密な補正とを行うよう構成されている。
【0018】
ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング（イオンビームの軌道補正）を提供する偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルタ電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ウェハＷの方向へ向かう。
【0019】
ビーム輸送ユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６から出たイオンビームＩＢを輸送するビームライン装置であり、収束／発散レンズ群から構成されるビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルタ３８（最終エネルギー分離スリットを含む）とを有する。ビーム輸送ユニット１８の長さは、ビーム生成ユニット１２とビーム加速ユニット１４とを合計した長さに合わせて設計されており、ビーム偏向ユニット１６で結ばれて、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。
【0020】
ビーム輸送ユニット１８の下流側の終端には、基板搬送処理ユニット２０が設けられる。基板搬送処理ユニット２０は、注入処理室４２と、基板搬送部４４とを含む。注入処理室４２には、イオン注入中のウェハＷを保持し、ウェハＷをビーム走査方向と直角方向に動かすプラテン駆動装置４０が設けられる。基板搬送部４４には、イオン注入前のウェハＷを注入処理室４２に搬入し、イオン注入済のウェハＷを注入処理室４２から搬出するための搬送ロボットなどのウェハ搬送機構が設けられる。
【0021】
イオン生成装置１０は、例えば、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）の多価イオンを生成するよう構成される。ビーム加速ユニット１４は、イオン生成装置１０から引き出される多価イオンを加速させ、１ＭｅＶ以上または４ＭｅＶ以上の高エネルギーイオンビームを生成する。多価イオン（例えば２価、３価、４価以上）を加速させることで、１価のイオンを加速させる場合よりも効率的に高エネルギーイオンビームを生成できる。
【0022】
ビーム加速ユニット１４は、図示するような二段式の線形加速装置ではなく、全体が一つの線形加速装置として構成されてもよいし、三段以上の線形加速装置に分かれて実装されてもよい。また、ビーム加速ユニット１４が他の任意の形式の加速装置で構成されてもよく、例えば直流加速機構を備えてもよい。本実施の形態は、特定のイオン加速方式には限定されず、１ＭｅＶ以上または４ＭｅＶ以上の高エネルギーイオンビームを生成可能であれば任意のビーム加速装置を採用することができる。
【0023】
高エネルギーのイオン注入によれば、１ＭｅＶ未満のエネルギーのイオン注入に比べてより高エネルギーで所望の不純物イオンがウェハ表面に打ち込まれるので、ウェハ表面のより深い領域（例えば深さ５μｍ以上）に所望の不純物を注入することができる。高エネルギーイオン注入の用途は、例えば、最新のイメージセンサ等の半導体デバイス製造におけるＰ型領域および／またはＮ型領域の形成である。
【0024】
本実施の形態に係るイオン生成装置１０は、いわゆる傍熱型カソード（ＩＨＣ；Indirecvtly Heated Cathode）を用いる形式であり、アークチャンバ内でアーク放電を発生させて多価イオンを生成する。多価イオンを生成するためには、原子からより多くの電子を剥ぎ取るためにアーク電圧やアーク電流を大きくする必要がある。このようなアーク条件では、アークチャンバ内部の損耗が激しくなり、アークチャンバの内壁を構成する部材の一部もイオン化されてアークチャンバの外部に引き出される可能性が高くなる。その結果、アークチャンバの構成部材が汚染物として混入したイオンビームＩＢがウェハＷに注入され、ウェハＷに形成される半導体素子の特性に影響を及ぼすおそれがある。
【0025】
また、アーク電圧やアーク電流が大きい条件下では、アークチャンバから引き出されるイオンの量が多くなり、アークチャンバと引出電極の間で放電が発生しやすくなる。放電の発生態様によってはアークチャンバが損傷するおそれがあり、放電や損傷が頻発する場合にはアークチャンバの寿命が短くなることから、頻繁に装置をメンテナンスする必要が生じる。そうすると、イオン注入装置１００の稼働率が低下し、半導体デバイスの生産効率が低下してしまう。
【0026】
そこで、本実施の形態では、より多くの多価イオンを生成する場合であっても、イオンビームへの汚染物混入や放電によるアークチャンバの損傷を抑制しうるイオン生成装置を提供する。イオンビームへの汚染物混入を防ぐには、アークチャンバを構成する部材の純度を高めることが重要であり、汚染物抑制の観点では、高純度かつ高融点のグラファイトが適している。その一方で、グラファイトは、アークチャンバ内で生成されるプラズマにより損耗されやすい材料であり、また、プラズマと反応して生成される炭素化合物がイオン生成装置の構成部材の表面に堆積することで汚れを生じさせる。また、グラファイトは、高融点金属材料と比べて放電が発生しやすく、放電が発生したときに損傷しやすい。そこで、本実施の形態では、材料の特性の違いに基づいてグラファイトと高融点金属材料を適切に組み合わせることで、汚染物混入と放電による損傷を抑制しうるイオン生成装置を提供する。
【0027】
図２は、実施の形態に係るイオン生成装置１０の概略構成を示す図である。イオン生成装置１０は、傍熱型のイオン源であり、アークチャンバ５０と、カソード５６と、リペラー５８と、各種電源を備える。
【0028】
イオン生成装置１０の近傍には、アークチャンバ５０のフロントスリット６０を通じてイオンビームＩＢを引き出すための引出電極１１が配置される。引出電極１１は、サプレッション電極６６と、グランド電極６８とを備える。サプレッション電極６６にはサプレッション電源６４ｆが接続され、負のサプレッション電圧が印加される。グランド電極６８は、グランド６４ｇに接続される。
【0029】
アークチャンバ５０は、略直方体の箱形状を有する。アークチャンバ５０は、プラズマが生成されるプラズマ生成空間Ｓを区画する。図面において高濃度のプラズマが形成されるプラズマ形成領域Ｐを破線で模式的に示している。アークチャンバ５０は、前面５２ｇが開口する箱形の本体部５２と、本体部５２の前面５２ｇに取り付けられるスリット部材５４とを有する。スリット部材５４には、イオンビームＩＢを引き出すためのフロントスリット６０が設けられる。フロントスリット６０は、カソード５６からリペラー５８に向かう方向（軸方向ともいう）に延びる細長い形状を有している。アークチャンバ５０には、引出電源６４ｄによってグランド６４ｇに対して正の引出電圧が印加されている。
【0030】
本体部５２は、背面壁５２ｂと、第１側壁５２ｃおよび第２側壁５２ｄを含む四つの側壁とを有する。背面壁５２ｂは、プラズマ生成空間Ｓを挟んでフロントスリット６０と対向する位置に設けられ、軸方向に延在するように配置される。背面壁５２ｂには、ソースガスを導入するためのガス導入口６２が設けられている。第１側壁５２ｃおよび第２側壁５２ｄを含む四つの側壁は、本体部５２の前面５２ｇの矩形状の開口を規定するように設けられる。第１側壁５２ｃおよび第２側壁５２ｄは、軸方向に対向するように配置される。第１側壁５２ｃは、軸方向に延在するカソード挿通口５２ｅを有し、カソード挿通口５２ｅにカソード５６が配置される。第２側壁５２ｄは、軸方向に延在するリペラー挿通口５２ｆを有し、リペラー挿通口５２ｆにリペラー５８が配置される。
【0031】
本体部５２は、プラズマ生成空間Ｓに露出する内面５２ａが高融点金属材料で構成され、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属またはそれらの合金が用いられる。本体部５２は、その全体が高融点金属材料で構成されてもよいし、内面５２ａのみが選択的に高融点金属材料で構成されてもよい。本体部５２は、例えば、高融点（約３４００℃）のタングステンで構成されることができる。本体部５２に用いる高融点金属材料の純度は、他の部材（例えば、後述するカソード５６）より低い標準純度であってもよく、例えば、高融点金属元素の含有率が９９．９９重量％未満である。本体部５２に用いる材料の高融点金属元素の含有率の一例は、９９．８重量％未満、９９．９重量％未満または９９．９５重量％未満である。
【0032】
スリット部材５４は、フロントスリット６０が設けられる板状部材である。スリット部材５４は、本体部５２の前面５２ｇの開口を塞ぐように前面５２ｇに取り付けられる。スリット部材５４は、プラズマ生成空間Ｓに露出する内面５４ａがグラファイトで構成され、アークチャンバ５０の外側に露出する外面５４ｂが高融点金属材料で構成される。スリット部材５４は、グラファイトで構成される内側部材７０と、高融点金属材料で構成される外側部材８０とを有し、内側部材７０と外側部材８０とを重ね合わせた二重構造となっている。外側部材８０は、本体部５２と同様、標準純度の高融点金属材料で構成することができ、例えばタングステンで構成される。
【0033】
内側部材７０は、プラズマ生成空間Ｓに露出する内面５４ａを有する。内側部材７０は、フロントスリット６０を形成するための内側開口７２を有し、内側開口７２の近傍ないし周囲においてアークチャンバ５０の外側に向けて突出する突出部７４を有する。突出部７４の外面７４ｂの厚み方向（アークチャンバ５０の内側から外側に向かう方向）の位置は、スリット部材５４（または外側部材８０）の外面５４ｂの厚み方向の位置と一致している。突出部７４の内側にはスリット凹部７６が形成されており、内側開口７２の近傍において内側開口７２の内面５４ａがプラズマ形成領域Ｐから離間するようにしている。内側部材７０は、アークチャンバ５０の内側から外側に向けて開口サイズが大きくなるように内側開口７２の縁に設けられるテーパー面７２ａを有する。内側開口７２の縁をテーパー状とすることにより、アークチャンバ５０の内側から外側に向けて引き出されるイオンビームＩＢの流れを阻害しにくいフロントスリット６０とすることができる。
【0034】
外側部材８０は、アークチャンバ５０の外側に露出する外面５４ｂを有し、引出電極１１（サプレッション電極６６）と対向するように設けられる。外側部材８０は、内側部材７０の外側を被覆するカバーであり、機械的強度の低いグラファイト製の内側部材７０を支持して強度を高める役割を有する。外側部材８０は、フロントスリット６０を形成するための外側開口８２を有する。外側開口８２の開口サイズは、内側開口７２の開口サイズよりも大きい。外側開口８２の開口サイズは、突出部７４の外周７４ａのサイズよりも大きい。外側開口８２の開口サイズは、突出部７４の外周７４ａのサイズと同程度であってもよく、例えば、突出部７４の外周７４ａに沿って外側開口８２の縁が設けられるように外側開口８２が構成される。
【0035】
外側部材８０は、内側開口７２を通るイオンビームＩＢの引き出しを阻害しないように構成されることが好ましい。具体的には、内側開口７２のテーパー面７２ａをアークチャンバ５０の外側に延長させた仮想面７２ｂよりもフロントスリット６０の中心６０ｃから離れた位置に外側開口８２の縁が位置するように外側部材８０が構成されることが好ましい。その結果、フロントスリット６０の開口形状を内側開口７２のみによって規定することができ、アークチャンバ５０から引き出されるイオンビームＩＢに対して外側部材８０が露出しないようにできる。
【0036】
カソード５６は、プラズマ生成空間Ｓに熱電子を放出する。カソード５６は、カソード挿通口５２ｅに挿通され、アークチャンバ５０と電気的に絶縁された状態で固定される。カソード５６は、フィラメント５６ａと、カソードヘッド５６ｂと、サーマルブレイク５６ｃと、サーマルリフレクタ５６ｄとを有する。
【0037】
カソードヘッド５６ｂは、中実の円柱状部材であり、その先端がプラズマ生成空間Ｓに露出している。サーマルブレイク５６ｃは、カソードヘッド５６ｂを支持する円筒状部材であり、アークチャンバ５０の外部から内部に向けて軸方向に延在する。サーマルブレイク５６ｃは、カソードヘッド５６ｂの高温状態を維持するために熱絶縁性の高い形状を有することが望ましく、肉厚の薄い形状を有する。サーマルリフレクタ５６ｄは、カソードヘッド５６ｂおよびサーマルブレイク５６ｃの外周を包囲するように設けられる円筒状部材である。サーマルリフレクタ５６ｄは、高温状態となるカソードヘッド５６ｂおよびサーマルブレイク５６ｃからの輻射熱を反射し、カソードヘッド５６ｂおよびサーマルブレイク５６ｃの高温が維持されるようにする。フィラメント５６ａは、サーマルブレイク５６ｃの内部においてカソードヘッド５６ｂと対向するように配置される。
【0038】
フィラメント５６ａは、フィラメント電源６４ａで加熱され、先端に熱電子を発生させる。フィラメント５６ａで発生した１次熱電子は、カソード電源６４ｂによるカソード電圧（例えば３００～６００Ｖ）で加速され、カソードヘッド５６ｂに衝突し、その衝突により発生する熱でカソードヘッド５６ｂを加熱する。加熱されたカソードヘッド５６ｂは２次熱電子を発生させ、この２次熱電子が、アーク電源６４ｃによってカソードヘッド５６ｂとアークチャンバ５０との間に印加されたアーク電圧（例えば７０～１５０Ｖ）によって加速される。加速された２次熱電子は、ガス導入口６２から導入されるソースガスを電離させ、多価イオンを含むプラズマを生成するために十分なエネルギーを持ったビーム電子としてプラズマ生成空間Ｓに放出される。プラズマ生成空間Ｓに放出されるビーム電子は、プラズマ生成空間Ｓに軸方向に印加される磁場Ｂに束縛され、磁場Ｂに沿って螺旋状に運動する。プラズマ生成空間Ｓにおいて電子を螺旋状に運動させることにより、電子の運動をプラズマ生成領域Ｐに制限してプラズマ生成効率を高めることができる。
【0039】
カソードヘッド５６ｂは高融点金属材料で構成され、例えばタングステンで構成される。カソードヘッド５６ｂは、標準純度よりも高純度の高融点金属材料で構成されてもよく、高融点金属元素の含有率が９９．９９重量％以上であってもよい。カソードヘッド５６ｂに用いる材料の高融点金属元素の含有率の一例は、９９．９９５重量％以上、９９．９９９５重量％以上または９９．９９９９重量％以上である。カソードヘッド５６ｂは、高濃度のプラズマに曝されて損耗しやすい部材であり、イオンビームＩＢへの汚染物の混入の原因となりやすい部材である。カソードヘッド５６ｂを構成する高融点金属材料の純度を高めることにより、カソードヘッド５６ｂを構成する材料のプラズマ化によるイオンビームＩＢへの汚染物の混入の影響を軽減できる。なお、サーマルブレイク５６ｃおよびサーマルリフレクタ５６ｄの少なくとも一方は、標準純度の高融点金属材料で構成されてもよいし、カソードヘッド５６ｂと同様に高純度の高融点金属材料で構成されてもよい。
【0040】
リペラー５８は、アークチャンバ５０内の電子を跳ね返し、プラズマ生成領域Ｐに電子を滞留させてプラズマ生成効率を高める。リペラー５８は、リペラー挿通口５２ｆに挿通され、アークチャンバ５０と電気的に絶縁された状態で固定される。リペラー５８とアークチャンバ５０との間にはリペラー電源６４ｅによってリペラー電圧（例えば１２０～２００Ｖ）が印加されており、プラズマ生成領域Ｐに向けて電子を跳ね返すように構成される。
【0041】
リペラー５８は、リペラーヘッド５８ａと、リペラー軸５８ｂと、リペラー支持部５８ｃとを有する。リペラーヘッド５８ａは、アークチャンバ５０の内部に設けられ、プラズマ生成空間Ｓを挟んでカソードヘッド５６ｂと軸方向に対向する位置に設けられる。リペラー支持部５８ｃは、アークチャンバ５０の外部に設けられ、図示しない支持構造に固定される。リペラー軸５８ｂは、リペラー挿通口５２ｆに挿通される円筒状部材であり、リペラーヘッド５８ａとリペラー支持部５８ｃを接続する。例えば、リペラー軸５８ｂに雌ねじが形成され、リペラーヘッド５８ａおよびリペラー支持部５８ｃに雄ねじが形成され、リペラーヘッド５８ａ、リペラー軸５８ｂおよびリペラー支持部５８ｃがねじ構造により互いに接続される。
【0042】
リペラーヘッド５８ａは、高融点金属材料で構成され、例えばタングステンで構成される。リペラーヘッド５８ａは、カソードヘッド５６ｂと同様に高純度の高融点金属材料で構成されてよい。リペラーヘッド５８ａは、カソードヘッド５６ｂと同様に高濃度のプラズマに曝されて損耗しやすい部材であるため、リペラーヘッド５８ａを構成する材料の純度を高めることにより、イオンビームＩＢへの汚染物の混入の影響を軽減できる。リペラーヘッド５８ａが高融点金属材料で構成される場合、リペラー軸５８ｂがグラファイトで構成されることが好ましい。これにより、ねじ構造で接続されるリペラーヘッド５８ａとリペラー軸５８ｂの焼き付きを防止できる。なお、リペラーヘッド５８ａは、グラファイトで構成されてもよい。
【0043】
図３は、スリット部材５４の外面５４ｂ側の概略構成を示す平面図であり、フロントスリット６０を引出電極１１から見たときの正面図を示す。図３のＡ－Ａ線断面が図２に相当する。外側部材８０は、軸方向に長い略矩形の外形形状を有する。また、破線で示される内側部材７０も軸方向に長い略矩形の外形形状を有する。フロントスリット６０は、スリット部材５４の中央に設けられ、軸方向に細長い略矩形の内側開口７２により開口形状が規定される。突出部７４の外周７４ａも略矩形であり、外側開口８２の縁も略矩形である。外側部材８０は、フロントスリット６０の近傍ないし周囲の突出部７４を除いて、内側部材７０を完全に被覆するように構成される。したがって、外側部材８０の外形サイズは、破線で示される内側部材７０の外形サイズよりも大きい。外側部材８０の外周には、外側部材８０を固定するための外側係合部８６ａ，８６ｂ，８６ｃ，８６ｄが四箇所に設けられる。外側係合部８６ａ～８６ｄは、外側部材８０の外周の二つの長辺に沿って二つずつ設けられている。
【0044】
図４は、スリット部材５４の内面５４ａ側の概略構成を示す平面図であり、フロントスリット６０をプラズマ生成空間Ｓから見たときの背面図を示す。図４のＡ－Ａ線断面が図２に相当する。内側部材７０の内面５４ａには、カソード収容凹部７８ａ、リペラー収容凹部７８ｂおよび中央凹部７８ｃが設けられる。カソード収容凹部７８ａは、カソード５６と対向する位置に設けられ、リペラー収容凹部７８ｂはリペラー５８と対向する位置に設けられる。中央凹部７８ｃは、フロントスリット６０に沿って軸方向に延在し、カソード収容凹部７８ａとリペラー収容凹部７８ｂの間を接続するように設けられる。カソード収容凹部７８ａおよびリペラー収容凹部７８ｂのそれぞれは、カソード５６およびリペラー５８のそれぞれと対向する内面が平坦面または円筒状の曲面となるよう構成される。中央凹部７８ｃは、プラズマ生成空間Ｓに露出する内面が略円筒状の曲面となるよう構成される。カソード収容凹部７８ａ、リペラー収容凹部７８ｂおよび中央凹部７８ｃを設けることにより、高濃度のプラズマが生成されるプラズマ生成領域Ｐから内側部材７０の内面５４ａまでの距離を大きくすることができ、内側部材７０の内面５４ａの損耗を軽減できる。
【0045】
内側部材７０の内面５４ａにはカソード外周凹部７８ｄが設けられる。カソード外周凹部７８ｄは、内側部材７０の外周においてカソード５６と対向する位置に設けられる。カソード外周凹部７８ｄは、円筒状のカソード５６に対応する円筒状の曲面で構成される。カソード外周凹部７８ｄは、カソード５６から離間してカソード５６とスリット部材５４の間の電気的絶縁を確保する。
【0046】
内側部材７０の内面５４ａには内側係合部７８ｐ，７８ｑが設けられる。内側係合部７８ｐ，７８ｑは、アークチャンバ５０の本体部５２に設けられる本体側係合部と係合して本体部５２に対する内側部材７０の位置を規制する。内側係合部７８ｐ，７８ｑは、内側部材７０の内面５４ａに設けられる凹部であり、本体部５２から突起する本体側係合部が挿入される。第１内側係合部７８ｐは、カソード収容凹部７８ａの近傍に設けられ、第２内側係合部７８ｑは、リペラー収容凹部７８ｂの近傍に設けられている。第１内側係合部７８ｐは、軸方向の大きさと、軸方向に直交する横方向の大きさとがほぼ同じとなるように形成されている。一方、第２内側係合部７８ｑは、軸方向に長い形状となるように形成されており、軸方向の大きさが横方向の大きさよりも大きい。なお、第１内側係合部７８ｐおよび第２内側係合部７８ｑの形状は図示するものに限られず、本体側係合部と係合して位置を規制できる限りにおいて他の形状であってもよい。
【0047】
外側部材８０には、内側部材収容凹部８４、第１外周凹部８８ａおよび第２外周凹部８８ｂが設けられる。内側部材収容凹部８４は、内側部材７０の外形に対応する大きさを有し、内側部材７０を収容する。第１外周凹部８８ａは、外側部材８０の外周においてカソード５６と対向する位置に設けられ、円筒状のカソード５６に対応する円筒状の曲面で構成される。第１外周凹部８８ａは、カソード５６から離間してカソード５６とスリット部材５４の間の電気的絶縁を確保する。第２外周凹部８８ｂは、外側部材８０の外周においてリペラー５８と対向する位置に設けられる。第２外周凹部８８ｂは、第１外周凹部８８ａと同様の形状および大きさとなるよう構成されており、外側部材８０が上下対称形状となるように構成される。したがって、外側部材８０は、上下を反転させて使用することができ、第１外周凹部８８ａとリペラー５８が対向し、第２外周凹部８８ｂとカソード５６が対向するように取り付けることも可能である。なお、第２外周凹部８８ｂが外側部材８０に設けられなくてもよい。第２外周凹部８８ｂと対向しうるリペラー軸５８ｂは、リペラーヘッド５８ａに比べて径方向の大きさが小さい（つまり、細い）ため、第２外周凹部８８ｂを設けなくても、リペラー５８とスリット部材５４の間の電気的絶縁を十分に確保できる。
【0048】
図５は、アークチャンバ５０の概略構成を示す断面図であり、フロントスリット６０の中心６０ｃにおける軸方向に直交する断面を示している。図５は、図４のＣ－Ｃ線断面に相当し、カソード５６からリペラー５８を見たときの断面を示す。図示されるように、リペラー５８は、本体部５２の前面５２ｇから外側にはみ出すように配置されており、リペラー５８の一部がスリット部材５４と軸方向に重なっている。なお、カソード５６も同様に本体部５２の前面５２ｇから外側にはみ出すように配置され、カソード５６の一部がスリット部材５４と軸方向に重なっている。突出部７４は、内側開口７２の周囲においてアークチャンバ５０の外側に向けて突出しており、突出部７４の内側にはスリット凹部７６が設けられる。スリット凹部７６は、カソード５６およびリペラー５８と軸方向に重ならないように、カソード５６およびリペラー５８から軸方向と直交する径方向に離間するように構成される。
【0049】
図６は、アークチャンバ５０の概略構成を示す断面図であり、図４のＤ－Ｄ線断面に相当する。図６は、カソード収容凹部７８ａおよび第１内側係合部７８ｐに対応する位置における軸方向に直交する断面を示している。図示されるように、カソード５６は、本体部５２の前面５２ｇから外側にはみ出すように配置されており、カソード５６の一部がカソード収容凹部７８ａの内側に配置される。また、本体部５２には前面５２ｇから突出する第１本体側係合部５２ｐが設けられている。第１本体側係合部５２ｐは、対応する第１内側係合部７８ｐと係合して内側部材７０の位置を規制する。
【0050】
図７は、アークチャンバ５０の概略構成を示す断面図であり、図４のＥ－Ｅ線断面に相当する。図７は、リペラー収容凹部７８ｂおよび第２内側係合部７８ｑに対応する位置における軸方向に直交する断面を示している。図示されるように、リペラー５８は、本体部５２の前面５２ｇから外側にはみ出すように配置されており、リペラー５８の一部がリペラー収容凹部７８ｂの内側に配置される。また、本体部５２には前面５２ｇから突出する第２本体側係合部５２ｑが設けられている。第２本体側係合部５２ｑは、対応する第２内側係合部７８ｑと係合して内側部材７０の位置を規制する。
【0051】
図８および図９は、スリット部材５４の固定方法を概略的に示す側面図である。図８は、スリット部材５４を本体部５２から外した状態を示し、図９は、スリット部材５４を本体部５２に固定した状態を示す。アークチャンバ５０は、構造体９０に対して固定される。構造体９０は、本体部５２を収容して支持する収容凹部９２と、スリット部材５４を固定するための係止構造９４ａ，９４ｂとを備える。係止構造９４ａ，９４ｂは、外側部材８０に設けられる外側係合部８６ａ，８６ｂと係合し、本体部５２に向かって引く力を外側部材８０に加えることによりスリット部材５４を本体部５２に対して固定する。第１係止構造９４ａは、第１外側係合部８６ａと係合する先端部を有する第１ロッド９６ａと、第１ロッド９６ａを支持する第１軸受部９７ａと、第１ロッド９６ａに引張力を加えるための第１バネ９８ａとを有する。第１ロッド９６ａは、第１軸受部９７ａを支点として長手方向および長手方向と直交する方向に変位可能となるよう構成され、ロッド９６ａの着脱時にアークチャンバ５０から離れる方向およびアークチャンバ５０に近づける方向に角度が可変となるように構成される。
【0052】
第２係止構造９４ｂは、第１係止構造９４ａと同様に構成され、第２ロッド９６ｂ、第２軸受部９７ｂおよび第２バネ９８ｂを有する。第２係止構造９４ｂは、第２外側係合部８６ｂと係合してスリット部材５４を本体部５２に対して固定する。なお、構造体９０には、図示しない第３係止構造および第４係止構造が設けられる。第３係止構造は、図３に示される第３外側係合部８６ｃと係合し、第４係止構造は、図３に示される第４外側係合部８６ｄと係合する。スリット部材５４は、四つの係止構造により本体部５２に向けて引っ張られ、本体部５２に対して固定される。このとき、第１本体側係合部５２ｐと第１内側係合部７８ｐが係合し、第２本体側係合部５２ｑと第２内側係合部７８ｑが係合することにより、本体部５２に対して内側部材７０が正確に位置決めされる。
【0053】
つづいて、イオン生成装置１０が奏する作用効果について説明する。本実施の形態によれば、スリット部材５４の内面５４ａをグラファイトで構成し、フロントスリット６０をグラファイトで構成される内側開口７２により規定することで、イオンビームＩＢへの汚染物混入を最小化できる。スリット部材５４の内面５４ａは、プラズマ生成領域Ｐにおける高濃度プラズマに曝される箇所であり、フロントスリット６０から引き出されるイオンビームＩＢへの汚染物混入の寄与が最も大きい箇所と言える。このような箇所にグラファイトを用いることで、イオンビームＩＢへの汚染物混入を好適に抑制することができ、特に高融点金属材料自体の金属元素や高融点金属材料に微量に含まれる金属元素の混入を効果的に抑制できる。
【0054】
本実施の形態によれば、カソードヘッド５６ｂおよびリペラーヘッド５８ａを高融点金属材料で構成することで、これらの部材をグラファイトで構成する場合と比較してプラズマによる損耗を軽減し、アークチャンバ５０の内部に堆積しうる汚れを軽減できる。また、カソードヘッド５６ｂおよびリペラーヘッド５８ａを構成する高融点金属材料の純度を高めることで、プラズマ生成領域Ｐにて生成されるプラズマへの汚染物混入を好適に抑制できる。また、プラズマによる損耗を受けにくい本体部５２の内面５２ａを標準純度の高融点金属材料で構成することで、高純度化によるコスト増を抑制しつつ、プラズマ生成領域Ｐにて生成されるプラズマへの汚染物混入を好適に抑制できる。
【0055】
本実施の形態によれば、スリット部材５４の外面５４ｂ側に高融点金属材料で構成される外側部材８０のカバーを取り付けることで、スリット部材５４と引出電極１１の間で生じうる放電を抑制でき、また、放電による損傷を抑制できる。特に、内側開口７２の周囲の突出部７４の外面７４ｂの露出面積をできるだけ小さくすることで、グラファイトが引出電極１１に対して露出することによる放電および放電による損傷の抑制効果を高めることができる。また、外側部材８０の外側開口８２の縁を内側開口７２のテーパー面７２ａおよび仮想面７２ｂよりもフロントスリット６０の中心６０ｃから離れた位置に設けることで、フロントスリット６０から引き出されるイオンビームＩＢへの外側部材８０に起因する汚染物混入を抑制できる。
【0056】
本実施の形態によれば、内側部材７０にカソード収容凹部７８ａ、リペラー収容凹部７８ｂおよび中央凹部７８ｃを設けることで、内側部材７０の外周の厚みを大きくして機械的強度を高めつつ、カソード５６およびリペラー５８をスリット部材５４により近接して配置できる。その結果、カソード５６とリペラー５８に挟まれたプラズマ生成領域Ｐからフロントスリット６０までの距離を短くし、プラズマ生成領域Ｐの中央付近でより多く生成される多価イオンの引出効率を高めることができる。これにより、より多くの多価イオンをイオン生成装置１０の下流側に供給できる。また、多価イオンの供給量が同程度の条件であれば、本実施の形態の構成を採用することで、アーク電圧やアーク電流を相対的に小さくすることが可能となり、アークチャンバの損耗やアークチャンバと引出電極の間の放電を抑制できる。
【0057】
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【0058】
１０…イオン生成装置、５０…アークチャンバ、５２…本体部、５４…スリット部材、５６…カソード、５８…リペラー、６０…フロントスリット、７０…内側部材、８０…外側部材、１００…イオン注入装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】