特許 7276671 水素供給装置およびこれを備えたイオンビーム照射装置

(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】2023-05-10

(45)【発行日】2023-05-18

(54)【発明の名称】水素供給装置およびこれを備えたイオンビーム照射装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/02 20060101AFI20230511BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20230511BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20230511BHJP

【ＦＩ】

H01J27/02

H01J37/08

H01J37/317 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021114967

(22)【出願日】2021-07-12

(65)【公開番号】P2023011234

(43)【公開日】2023-01-24

【審査請求日】2022-03-22

(73)【特許権者】

【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

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１７２８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２４８０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０９６２２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２３６０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３３０８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１０５３５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ３７／００－３７／３６

Ｆ１７Ｃ１１／００

Ｈ０１Ｌ２１／２６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電位に配置される水素供給装置であって、
内部に水素吸蔵合金を有するボトルと、
前記ボトルを冷却することにより、前記ボトルの温度上昇を防止し、前記水素吸蔵合金から放出される水素ガスの供給圧力を調整する温度上昇防止部材を備えた水素供給装置。

【請求項2】

前記温度上昇防止部材は前記ボトルに冷気を供給する請求項１記載の水素供給装置。

【請求項3】

前記ボトルの周囲に断熱部材が配置されている請求項２記載の水素供給装置。

【請求項4】

前記ボトルから供給される水素ガスの圧力や前記ボトルの温度に応じて、前記温度上昇防止部材で前記ボトルの温度を制御する制御装置を備えた請求項２又は３記載の水素供給装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素供給装置と、
前記水素供給装置から水素ガスが供給されるイオン源を有している、イオンビーム照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

水素ガスを供給する装置と当該装置が搭載されたイオンビーム照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＢＦ_３やＰＦ_３といったハロゲン成分を含有するドーパントガスをイオン注入装置で使用する場合、ドーパントガスが導入されるイオン源の構成部品とハロゲン成分とが反応して、ハロゲン化合物が生成される。
このハロゲン化合物は、温度が比較的低温の場所に堆積して、部材の絶縁化や放電等の不具合を引き起こす。

【0003】

上述した不具合への対応としてドーパントガスと一緒に水素ガスをイオン源に導入することが行われている。こうすることで、ドーパントガスがプラズマ化された際に生じるハロゲン成分のイオンとイオン源に導入された水素ガスとが結合し、気体として装置外部に排出される。これより、不具合の原因であるハロゲン化合物の堆積が低減される。

【0004】

水素ガスの供給方法については、様々な構成が採用されている。例えば、特許文献１では、ガスボックスに配置された水素発生装置からイオン源に水素ガスの供給が行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２０２１－５１１６２３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

水素発生装置は、水の電気分解によって水素を発生する装置であるため、装置構成が複雑で、比較的大型の装置になる。
また、ガスボックスが配置される場所は高電圧（数百ＫＶ）が印加される場所であり、この場所に電気的に水素を発生させる装置を配置すると、漏電や漏水による大事故の危険性がある。
さらに、水素発生装置は、水素の発生時、微量ではあるが水素以外の成分（例えば、大気中の成分や水分）が発生する。

【0007】

そこで、本発明では、簡素な構成で安定した水素供給が実現可能な水素供給装置と当該装置を備えたイオンビーム照射装置を提供することを期初の課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

水素供給装置は、
高電位に配置される水素供給装置であって、
内部に水素吸蔵合金を有するボトルを備えている。

【0009】

ボトルの開閉により水素供給が可能となるため、装置構成が単純になる。
また、水素発生装置のように水素の発生に電気や水を必要としないため、高電位の場所に配置しても漏電や漏水による事故の危険性がない。さらに、水素吸蔵合金であれば、純度の高い水素ガスを継続して供給することが可能である。これより、簡素な構成で安定した水素供給が実現できる。

【0010】

水素供給をより安定に行うには、
前記ボトルの温度上昇を防止する温度上昇防止部材をさらに備えていることが望ましい。

【0011】

水素吸蔵合金を用いた水素供給量は温度依存性があるため、ボトルの温度上昇を防止する温度上昇防止部材を備えていれば、安定した水素供給を実施することが可能となる。

【0012】

前記温度上昇防止部材は前記ボトルに冷気を供給するものであることが望ましい。

【0013】

ボトルに冷気を供給する空冷式の部材であれば、ボトル周りの構成を簡素にすることができる。

【0014】

ボトルの温度上昇をより効果的に防止するには、
前記ボトルの周囲に断熱部材が配置されていることが望ましい。

【0015】

ボトルからの水素供給量をより正確に制御するには、
前記ボトルから供給される水素ガスの圧力や前記ボトルの温度に応じて、前記温度上昇防止部材で前記ボトルの温度を制御することが望ましい。

【0016】

イオンビーム照射装置の構成は、
上述した水素供給装置と、
前記水素供給装置から水素ガスが供給されるイオン源を有している、ことが望ましい。

【発明の効果】

【0017】

ボトルの開閉により水素供給が可能となるため、装置構成が単純になる。
また、水素発生装置のように水素の発生に電気や水を必要としないため、高電位の場所に配置しても漏電や漏水による事故の危険性がない。さらに、水素吸蔵合金であれば、純度の高い水素ガスを継続して供給することが可能である。これより、簡素な構成で安定した水素供給が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】イオン注入装置の構成例を示す模式的平面図

【図2】高電圧部の要部を示す模式的平面図

【図3】供給される水素ガスの圧力と温度との関係を表すグラフ

【図4】図２で別の水素供給装置を用いた模式的平面図

【図5】図４の水素供給装置の変形例についての説明図

【図6】図２でさらに別の水素供給装置を用いた模式的平面図

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１は、イオン注入装置ＩＭの構成例を示す模式的平面図である。イオン注入装置ＩＭは、大別してイオン源部、ビームライン部、エンドステーション部の３つの部位に分かれている。

【0020】

イオン源部は、イオンビームＩＢを生成する部位で、内部にプラズマが生成されるプラズマ生成容器１１とプラズマ生成容器１１からイオンビームＩＢの引出しを行う引出電極１２を含むイオン源１を備えている。プラズマ生成容器１１には、プラズマの元になるガスを供給するための１または複数のボトルが接続されている。図１の構成例では、第１のボトル７と第２のボトル８の２つのボトルがプラズマ生成容器１１に接続されている。

【0021】

第１のボトル７は水素ガスをプラズマ生成容器１１に供給するためのもので、内部に水素吸蔵合金（マグネシウム、チタン、バナジウム、ランタン等の水素を吸蔵、放出することのできる合金）を有している。この第１のボトル７が、後述する本発明の水素供給装置Ｈを構成している。
第２のボトル８は、例えば、ウエハに注入するイオン種を含んだドーパントガスやプラズマ生成容器１１内に設けられたスパッタターゲットからのイオン生成に用いられるガス（ＢＦ_３やＰＦ_３等のガス）を、プラズマ生成容器１１に供給するボトルである。

【0022】

上述したイオン源部は、後述するビームライン部やエンドステーション部に比べて、数百ＫＶ電位の高い高電位部ＨＶに配置されている。本例では、イオン源部は高電位部ＨＶと同等と考えてもよい。

【0023】

イオン源１から引き出されたイオンビームＩＢは、ビームライン部に輸送される。ここでは、分析電磁石２と分析スリット３を通してウエハに注入されるイオンの選別が行われている。ビームライン部を通過したイオンビームＩＢはエンドステーション部に輸送される。

【0024】

エンドステーション部では、処理室４内のウエハ５に対してイオン注入処理が実施される。処理室４にはホルダ６に保持されたウエハ５（例えば、シリコンウエハ等の半導体ウエハ）が不図示の駆動機構によって図の矢印方向へ、処理室４に導入されたイオンビームＩＢを横切るようにして、1又は複数回往復搬送されている。このウエハ５の往復搬送によって、ウエハ全面にイオンビームＩＢが照射されて、イオンビームＩＢによるウエハ５へのイオン注入処理が実現される。
なお、図１において、イオン源１から引き出されたイオンビームＩＢの紙面奥手前方向の寸法は、同方向におけるウエハ５の寸法よりも大きいものとする。

【0025】

図２は、高電位部ＨＶの要部拡大図である。この図をもとに、高電位部ＨＶの構成について説明する。
筐体２４には、数百ＫＶの高い電圧が印加されていて、装置外壁を成す筐体２６から絶縁碍子２１で支持されている。
ガスボックスＧとイオン源１は、筐体２４の中に配置され、絶縁碍子２１で個別に支持されている。ガスボックスＧ（第１のボトル７）とイオン源１は導電性の配管で接続されていて、各部の電位は筐体２４の電位と数十ＫＶ異なっている。
イオン源１から引き出されたイオンビーム（不図示）は、エンドステーション部まで続く真空容器２５を通して輸送される。

【0026】

ガスボックスＧは、その内部に第１のボトル７や不図示の第２のボトル８を有している。ガスボックスＧには、例えば工場内の排気ダクトＤが取り付けられていて、ガスボックスＧ内でガス漏れが生じた場合、当該排気ダクトＤを通じて装置外部にガスの排出が行われる。

【0027】

第１のボトル７は水素吸蔵合金を有している。第１のボトル７のバルブ（不図示）を開けることで導電性の配管２３を通じてプラズマ生成容器１１への水素供給が行われる。図２の構成例では、内部に水素吸蔵合金を有する第１のボトル７が水素供給装置Ｈに相当する。

【0028】

ボトルの開閉により水素供給が可能となるため、装置構成が単純になる。また、水素吸蔵合金を用いた水素供給では、従来の水素発生装置のように水素の発生に電気や水を必要としないため、高電位の場所に配置しても漏電や漏水による事故の危険性がない。
さらに、水の電気分解を利用した水素発生装置であれば、水素供給時に微量の大気成分や水分が発生する。水素吸蔵合金を用いた水素供給装置では、吸蔵時に水素以外のガスを吸い込んだ場合、ボトルの開封後に水素以外の成分が放出されるが、当該ガスが放出された後に引き続いて水素ガスが放出される。つまり、不所望なガスと水素ガスとを分離した状態で供給することができるので、純度の高い水素ガスを継続して供給することが可能となる。
結果として、簡素な構成で安定した水素供給が実現できる。

【0029】

イオン源１の運転に伴って、イオン源１の温度は上昇する。イオン源１の温度上昇に伴い、その周囲に配置されるガスボックスＧの温度も上昇する。水素吸蔵合金から放出される水素ガスの圧力は、図３にみられるように温度依存性を有している。図中、破線は０℃、一点鎖線は２０℃、二点鎖線は５０℃の温度に対応している。図のように、温度が大きく異なると水素吸蔵合金から放出される水素ガスの圧力も大きく変動する。

【0030】

プラズマ生成容器１１への水素供給量を安定させるには、上述した温度上昇に伴う圧力変動を抑制することが望まれる。
また、水素ガスの供給圧力が高ければ、装置の仕向け地によっては法規制の対象になることから、規制範囲内の所定圧力を維持するように温度上昇を抑制することが要求されることもある。

【0031】

そこで、上述した温度上昇や圧力上昇を抑制するために、図４記載の構成を用いることが考えられる。図４は、図２の構成に比べて、水素供給装置Ｈが温度上昇防止部材２２を備えている点が相違している。

【0032】

具体例として、図４の構成例では、エアジェットクーラを温度上昇防止部材２２として用いている。エアジェットクーラは、内部に圧縮空気を送り込むことで一端から温風を放出し、他端から冷風を放出する筒状の部材として知られている。動力に電気が不要で水冷のように水を利用しないことから、高電位部ＨＶでの漏電や漏水による事故のリスクがない点で優れている。
エアジェットクーラを温度上昇防止部材２２として利用し、第１のボトル７を冷却することにより、第１のボトル７の温度上昇を抑え、水素ガスの供給量を安定させることができる。
なお、ここで述べた温度上昇防止部材２２とは、外部の熱源による第１のボトル７の温度上昇を防止する部材である。なお、エアジェットクーラへの圧縮空気の供給は、排気ダクトＤ内に樹脂製のチューブを設け、このチューブを通じて行うようにしてもよい。

【0033】

図５には、図４の水素供給装置Ｈについての変形例が挙げられている。図４で説明したエアジェットクーラで第１のボトル７を冷却する構成に加えて、あるいはその代わりに図５に示す構成を採用してもよい。

【0034】

図５（Ａ）では、断熱部材３１を第１のボトル７の周囲に設けている。このような断熱部材３１があれば、イオン源１側から第１のボトル７への熱伝達を防止することができる。
ただし、断熱部材３１で第１のボトル７の周囲を完全に防ぐことが難しいことや後述する第１のボトル７の温度制御を行うのであれば、エアジェットクーラと断熱部材３１とを併用してもよい。この場合、断熱部材３１は、エアジェットクーラで冷却された第１のボトル７の温度を低温に保つ役割を果たしている。

【0035】

例えば、図５（Ｂ）に図示されているように、断熱部材３１で第１のボトル７の周囲を覆っておき、断熱部材３１で覆われていない第１のボトル７の上方から温度上昇防止部材２２（エアジェットクーラ）で冷気を供給してもよい。一方、断熱部材３１の一部に穴をあけておき、この穴から温度上昇防止部材２２（エアジェットクーラ）で冷気を供給するようにしてもよい。

【0036】

図５（Ｃ）では、水冷ジャケット３２を第１のボトル７の周囲に設けている。また、図５（Ｄ）では、第１のボトル７を間接的に冷却するために、第１のボトル７から水素ガスを供給するための配管２３に冷媒が流れているチューブ３４を巻き付けている。
図５（Ｂ）や図５（Ｃ）のように、第１のボトル７の昇温を直接的あるいは間接的に冷却するようにしてもよい。

【0037】

図４、図５で述べた温度上昇防止部材２２による第１のボトル７を冷却する構成では、第１のボトル７を過度に冷却してしまうことが懸念される。この懸念から、図６に示す構成を採用してもよい。
図６では、温度上昇防止部材２２の出力を制御している。具体的には、第１のボトル７から配管２３に供給される水素ガスの圧力を圧力計Ｐで測定し、測定結果に基づいて制御装置Ｃで温度上昇防止部材２２の出力を制御している。このようなフィードバック制御を行うことにより、ボトルの過冷却を防ぎ、水素供給量をより正確に制御することが可能となる。

【0038】

図３で述べたように、水素吸蔵合金を用いた水素供給装置Ｈの場合、供給される水素ガスの圧力（流量）は、水素吸蔵合金を備えたボトルの温度に応じて変動する。図６では配管２３を通過する水素ガスの圧力を測定していたが、水素吸蔵合金を備えたボトルの温度を測定し、これが所定温度になるように温度上昇防止部材２２の出力を制御してもよい。
なお、温度上昇防止部材２２の出力制御は、出力を連続的に変更する制御であってもいいが、出力の入り切りを適宜切り替える制御であってもよい。

【0039】

図１では、イオン注入装置ＩＭの高電位部ＨＶに本発明の水素供給装置Ｈが搭載される例について述べたが、イオン注入装置ＩＭ以外の他の装置に、本発明の水素供給装置Ｈを搭載してもよい。例えば、イオンビームを用いてウエハを処理する装置であって、本発明の水素供給装置Ｈから水素ガスが供給されるイオン源を備えている装置であればよい。イオン注入装置を含め、上述したイオンビームによりウエハを処理する装置をイオンビーム照射装置と呼ぶ。
イオンビーム照射装置において、ビームライン部の構成はウエハの処理内容に応じて適宜変更されてもよく、ビームライン部そのものを有していない構成であってもよい。

【0040】

また、特許文献１と同様に、ハロゲン含有のドーパントガスの混合ガスとして本発明の水素供給装置Ｈから供給される水素ガスを利用してもよいが、水素ガスの用途はこのような混合ガスに限定されるものではない。
例えば、本発明の水素供給装置Ｈから供給される水素ガスから水素イオンを生成し、水素イオンビームとして引出す場合には、他のガスは不要となる。

【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 イオン源
７ 第１のボトル
８ 第２のボトル
２２ 温度上昇防止部材
３１ 断熱部材
Ｈ 水供給装置
ＨＶ 高電位部
ＩＭ イオン注入装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】