JP3485104B2 - イオン源用オーブン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、イオン注入装置
などのイオンビーム照射装置に供されるイオン源の固体
試料加熱用オーブンに関し、より具体的にはオーブンか
らアークチャンバへ蒸気試料を導入するノズルの目詰ま
り防止に関する。 【０００２】 【従来の技術】昨今、イオン照射による表面改質、シリ
コンウエハやガラス基板などの不純物注入が盛んに行わ
れている。これらのイオンはガス、または固体試料を電
離することによって得られる。リン、アンチモン、アル
ミニウム等の金属は常温で固体であり、これらの固体か
らイオンを得るには、固体試料を加熱により蒸気化した
後、気化した状態でアークチャンバーへ導入する必要が
ある。 【０００３】通常このような固体試料から蒸気を発生さ
せるには、中空の試料室を持ち、その周りに固体試料を
加熱して気化するためのヒータを設けたイオン源用オー
ブンが用いられる。 【０００４】従来のイオン源用オーブンの一例を図２に
示す。イオン源用オーブン１は、オーブン本体２、ノズ
ル１０、ノズル固定部材２０、およびヒータ３０から成
っている。 【０００５】前記オーブン本体２は、ステンレス等の金
属からできており、開口部を有する有底の中空構造であ
る。中空構造の底部側には試料室３が、中央部にはテー
パ部４が、上部にはねじ溝５が形成されている。試料室
３とアークチャンバ４０とは、ステンレス等の金属から
なるノズル１０で接続されている。ノズル１０の一端に
は鍔部１１が形成され、この鍔部１１は、外周の一部に
前記ねじ溝５に螺合するねじ山２１を設けたノズル固定
部材２０により試料室３を蓋するような形でテーパ部４
に固定されている。ノズル１０の他端は、アークチャン
バ４０の図示しないガス導入口に嵌挿されている。固体
試料３１は、リン、アンチモン等のイオン種である。熱
電対等の測温装置３２は試料室３の底部近傍に設けられ
ている。シースヒータ等のヒータ３０はオーブン本体２
の周囲に設けられ、図示されていないケーブルを介して
電源に接続されている。さらに、オーブン本体２の底部
には窪み部６が設けられ、固体試料３１の交換時等には
イオン源用オーブン１を急冷する必要があり、その時に
窪み部６に図示しない空冷機構から強制的に空気を送り
冷却している。 【０００６】ヒータ３０を加熱することにより、オーブ
ン本体２、試料室３が加熱され、試料室３内に充填され
ている固体試料３１が蒸発する。試料室３で発生した蒸
気は、ノズル１０のノズル案内部１２中を通り、アーク
チャンバ４０へ導入される。測温装置３２の信号は、図
示されていない制御装置へ送られ、これを基にヒータ３
０へ供給する電流を制御し、試料室３の温度を制御して
いる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】前記のようなイオン源
用オーブン１においては、オーブン本体２の切削加工の
都合上、テーパ部４が形成されている。ノズル１０の鍔
部１１はオーブン本体２のテーパ部４に固定されている
が、これは単に鍔部１１の外周とテーパ部４が線接触
（厳密には、数カ所での点接触）しているに過ぎないた
め、両者間の熱抵抗は大きく、オーブン本体２の熱は鍔
部１１へ充分に伝達されない。 【０００８】また、通常アークチャンバ４０は試料室３
より高温（例えば６００℃）であり、アークチャンバ４
０からノズル１０へ熱は伝達されるが、その大半は、ノ
ズル１０に接触しているノズル固定部材２０を経由して
オーブン本体２側へ逃げてしまう。このため、特にノズ
ル１０の鍔部１１近傍はオーブン本体２からも熱が伝達
されにくく、さらにアークチャンバ４０からも熱が伝達
されにくいので、イオン源用オーブン１の中で最も低温
となる。 【０００９】その結果、鍔部１１は試料室３より低温と
なるので、試料室３で発生した固体試料３１の蒸気はア
ークチャンバ４０へ至る途中で低温の鍔部１１で冷やさ
れ、そこで蒸気が再結晶し、さらにその再結晶が成長
（再結晶の上にさらに後から来た蒸気が再結晶する）す
ることにより、ついにはノズル１０を詰まらせてしまと
いう問題がある。 【００１０】ノズル１０が詰まる毎にイオン源の運転を
停止してイオン源用オーブン１を交換する必要があるの
で、イオン注入装置のスループットが低下することとな
る。また、ノズル１０が詰まったイオン源用オーブン１
を解体清掃しなければならずその手間は実用上大きな問
題となっていた。 【００１１】特にイオン種として、アンチモンを用いる
場合に、この問題が顕著に現れる。アンチモンの融点は
約６３０℃であり、融点以上に試料室３の温度を上げる
と、試料室３内でアンチモンは完全に解けて溶液状態と
なる。この様な溶液状態でイオン源を使用すると試料室
３、ノズル１０、アークチャンバ４０に液状化したアン
チモンが粘液状に付着し、その後の洗浄が問題となるの
で、アンチモンをイオン種とする場合、試料室３の温度
は融点以下に設定しなければならない。 【００１２】アークチャンバ４０，ノズル１０，オーブ
ン本体２（試料室３）の温度変化の概念図を図３に示
す。線Ｘは、ノズル１０の温度変化を示す。ノズル１０
の温度は、アークチャンバ４０に嵌挿されている部分の
温度（Ａ）が最も高く、アークチャンバ４０から離れる
に従い温度は低下し、鍔部１１の温度（Ｂ）が最も低く
なる。これは、前記したようにノズル１０の鍔部１１
は、他から熱伝達されにくいためである。ここで、試料
室３の温度を（Ｂ）の温度より低い温度（Ｃ）、すなわ
ち線Ｙに設定しても十分な蒸気量が採取できるのであれ
ば、試料室３で発生した蒸気はアークチャンバ４０に至
るまで試料室３の温度（Ｃ）より低温部に触れることは
ないので、再結晶することはない。しかし、固体試料３
１がアンチモンの場合には、試料室３の温度を（Ｂ）よ
り低くすると十分な蒸気量を採取できなくなるので、試
料室３の温度を（Ｂ）より高い温度（Ｄ）に設定せざる
得ない。この場合、温度（Ｄ）、すなわち線Ｚの蒸気は
それより低温（Ｂ）のノズル１０の鍔部１１と接触し、
蒸気温度が下がり、アンチモンが鍔部１１で再結晶する
ことになる。そして、ノズルが目詰まりを起こすことと
なる。同様の現象はアルミニウム（融点６６０℃）を固
体試料３１に用いた場合にも見られる。 【００１３】そこでこの発明は、固体試料３１としてア
ンチモンあるいはアルミニウムを用いた場合に、試料室
で一度蒸気化したアンチモンあるいはアルミニウムがノ
ズル１０に再結晶して目詰まりを起こすことなく、長時
間安定してイオンビームを引き出すことができるイオン
源用オーブン１を提供することを主たる目的とする。 【００１４】 【課題を解決するための手段】この発明に係るイオン源
用オーブンは、開口部を有する有底中空構造のオーブン
本体と、前記オーブン本体内の固体試料を蒸発させるた
めのヒータと、前記オーブン本体で発生した蒸気をアー
クチャンバへ導入するためのノズルからなるイオン源用
オーブンにおいて、前記固体試料を充填するためのルツ
ボを前記オーブン本体の中空内に設け、前記ノズルの一
端は前記ルツボの上部と螺合し、前記ルツボ底部の全面
を前記オーブン本体の中空底部へ圧接するノズル固定部
材を有し、かつ前記ノズル固定部材内面と前記ノズルの
間に隙間を有することを特徴としている。 【００１５】上記構成によれば、ルツボとノズルを螺合
しているのでルツボからノズルへの熱抵抗を小さくでき
る。ノズルの一部、特に温度が低くなりやすいノズル鍔
部の温度を蒸気温度とほぼ同じにすることができるた
め、ノズル鍔部での蒸気の再結晶化、すなわちノズルの
目詰まりを防ぐことができる。 【００１６】 【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオン源
用オーブンの一例を示す概念図である。図２の従来例と
同一または相当する部分には同一の符号を付し、以下に
おいて当該従来例との相違点を主に説明する。 【００１７】 このイオン源用オーブン１は、オーブン
本体２が有底中空構造となっておりこの中空内にルツボ
５０が挿脱自在に設けられている。ルツボ５０内が試料
室３となっており、その中に固体試料３１が充填されて
いる。ルツボ５０の上部内面にはねじ溝５１が設けられ
ている。ノズル１０の一端である鍔部１１の外面には、
ねじ山１３が設けられており、ルツボ５０のねじ溝５１
と螺合している。ノズル１０の他端は、従来と同様にア
ークチャンバ４０の図示しないガス導入口に嵌挿されて
いる。 【００１８】また、このイオン源用オーブン１は、ルツ
ボ５０の底であるルツボ底部５２をオーブン本体２の中
空底部へ圧接するためのノズル固定部材２０を有する。
ノズル固定部材２０はオーブン本体２のねじ溝５と螺合
されており、ノズル固定部材２０の先端がノズル１０の
鍔部１１を押している。さらに、ノズル固定部材２０の
内面２２とノズル１０との間には隙間が設けられてい
る。 【００１９】この発明では、ノズル１０の鍔部１１に形
成したねじ山１３とルツボ５０のねじ溝５１は螺合され
ており、しかも、ノズル固定部材先端部によりルツボ底
部５２側に圧接されているので、両者の接触は従来の点
接触から面接触となり接触面積は増大し、両者間の熱抵
抗は従来に比べ十分小さくすることができる。その結
果、ルツボ５０の熱をスムーズにノズル１０の鍔部１１
に伝達することが可能となり、従来より鍔部１１の温度
が高くなり、鍔部１１への再結晶化、すなわちイオン源
用オーブン１のノズル１０の目詰まりを防止することが
できる。 【００２０】前記したように、ルツボ５０はオーブン本
体２の中空に挿脱自在であり、挿脱をスムーズに行うた
め、ルツボ５０の外側面とオーブン本体２の内側面の間
には若干の隙間が設けられている。実際にルツボ５０を
オーブン本体２の中空へ挿入すると、ルツボ５０の外側
面とオーブン本体２の内側面の一部は直接接触するが、
その面積は全体のごく一部にすぎないので、この間の熱
の伝達は伝導ではなく主に放射による（以下「横からの
伝達」という）。これに対しルツボ底部５２の全面とオ
ーブン本体２の中空底部は直接接触しているので、この
間の熱伝導はおもに伝導による（以下「底からの伝導」と
いう）。伝導は放射に比べ熱を伝えやすいので、オーブ
ン本体２からルツボ５０への熱伝導は、主に底からの伝
達による。 【００２１】従って、オーブン本体２の熱を効率よくル
ツボ５０に伝達するために、ルツボ底部５２をオーブン
本体２の中空底部に圧接する圧接手段を有する必要があ
る。 【００２２】圧接手段は、ノズル固定部材２０の外周の
一部にねじ山２１を形成し、これをオーブン本体２に形
成されたねじ溝５と螺合することにより、ノズル固定部
材先端がノズル１０を押し下げ、結果としてルツボ底部
５２はオーブン本体２の中空底部へ圧接することができ
る。その結果、オーブン本体２からルツボ５０への熱抵
抗が下がり、オーブン本体２からルツボ５０への熱伝達
をスムーズに行うことができ、以下のような利点があ
る。（１）イオン源用オーブン１の温度を急速に上昇す
ることができる。その結果、新たな固体試料３１を充填
した後、イオン源用オーブン１の温度を急速に上昇する
ことができるので、イオン注入装置のスループットを向
上することができる。（２）イオン源用オーブン１の温
度を急速に降下することができるので、イオン注入装置
のスループットを向上させることができる。（３）ルツ
ボ５０の温度制御性を良くすることができる。るつぼ５
０内の温度を直接測温することは難しいので、実際には
オーブン本体２の底部に測温装置３２を設けて測温して
いるが、測温装置３２とルツボ５０内の温度差を小さく
することができる。また所定の圧力で圧接しているの
で、測温装置３２の温度とルツボ５０内の温度差は常に
一定の範囲内に納めることができる。 【００２３】また、従来はオーブン本体２の中空に直接
固体試料３１を充填していたので、充填する固体試料３
１の種類を変える場合には、その都度中空部の清掃作業
が必要であり、その間イオン源用オーブン１を使用する
ことができなかったが、この発明ではイオン源用オーブ
ン１から挿脱自在なルツボ５０に固体燃料６を充填する
ので、充填する固体試料３１の種類を変える場合でも、
別途ルツボ５０を用意しておけばルツボ５０を交換する
だけで直ちにイオン源用オーブン１を使用することがで
きる。 【００２４】さらに、ノズル１０とルツボ５０の材料と
してはカーボンでを用いれば以下のような効果を奏す
る。 【００２５】イオン源用オーブン１の使用は、室温下で
ルツボ５０に固体試料３１を充填し、ノズル１０と螺合
した後、これをオーブン本体２に装填する。オーブン本
体２は固体試料３１を蒸発するため、数百度に加熱す
る。その後、室温下に冷却して螺合を解き、新たな固体
試料３１を充填する。しかし、ノズル１０をルツボ５０
がステンレス等の通常の金属でできていると螺合部で焼
き付きが起こり再使用することができないが、カーボン
では焼き付きは起こらないので、何度でも使用すること
ができる。また、カーボン以外の材料でもノズル１０、
ルツボ５０の使用温度において、化学的に安定で、熱伝
達の優れ、加工が比較的容易で、焼き付きが起こらない
材料（例えば、セラミックス、高耐熱性金属）であれば
カーボンに代えて用いることができる。 【００２６】また、本発明においては、ノズル固定部材
２０の内面である固定部材内面２２とノズル１０の蒸気
案内部１２の外周面が直接接触しないように、すなわ
ち、固定部材内面２２と蒸気案内部１２の外周面との間
に隙間２３を有する構造となっている。 【００２７】この隙間を設けたことにより、アークチャ
ンバ４０からノズル１０へ伝達された熱は、ノズル固定
部材２０を介してオーブン本体２側へ伝達せず、ノズル
１０の鍔部１１へ伝達されやすくなる。その結果、従来
より鍔部１１の温度が高くなり、鍔部１１への再結晶
化、すなわちイオン源用オーブン１のノズル１０のノズ
ル１０の目詰まりを防止することができる。 【００２８】 【００２９】また、実際にはアークチャンバ４０に横方
向からイオン源用オーブンを取り付けることになる。従
って、立てた状態で固体試料３１を充填したイオン源用
オーブン１をアークチャンバ４０へ取り付ける際には横
向きにするため、固体試料３１がノズル１０からこぼれ
出る可能性がある。これを防ぐためも鍔部１１迷路構造
を施すこともできる。 【００３０】また、この例では、ヒータ３０にシースヒ
ータを用いたが、この発明はこれに限られることなく、
ランプヒータ、レーザ式のヒータ等を用いても適用でき
るのは勿論である。 【００３１】 【実施例】バーナス型イオン源（アークチャンバ４０）
で、固体試料３１として蒸気量を取るため１００〜３０
０μｍ程度の粒径を有する紛体アンチモンを用いた。図
１に示したこの発明のイオン源用オーブン１（ノズル１
０とルツボ５０の螺合部のねじ長４ｍｍ、２山半。固定
部材内面２２と蒸気案内部１２の隙間２３は２ｍｍ。）
を用いてオーブン温度（測温装置３２）を５２０℃に設
定し、ビーム電流５００μＡでアンチモンビームを引き
出した。４８時間連続運転を行ったが、その間ビーム電
流の低下現象は見られず、また、４８時間経過後にイオ
ン源用オーブン１を解体調査したが、ノズル１０のどこ
にもアンチモンの再結晶は見られないことを確認した。 【００３２】これに対し、同様の条件で図２に示した従
来のイオン源用オーブン１を用いてアンチモンビームを
引き出したところ、ビーム電流は３０分で激減し、その
後しばらくするとビーム電流は計測できなくなった。解
体調査したところ、ノズル１０の鍔部１１近傍に再結晶
したアンチモンが付着し、蒸気案内部１２を完全に塞い
でいた。 【００３３】 【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、次のような効果を生じる。 【００３４】この発明によれば、固体試料を充填するた
めのルツボを前記オーブン本体の中空内に設け、ノズル
とルツボを螺合しているのでルツボからノズルへの熱抵
抗を小さくでき、ノズルとルツボをほぼ同じ温度にする
ことができる。またノズル固定部材内面とノズルの間に
隙間を設けているので、アークチャンバからノズルへ伝
達された熱は、ノズル固定部材を介してオーブン本体２
側へ直接伝達せず、ノズルの鍔部の方へ伝わりやすくな
る。従ってノズルの一部、特に温度が低くなりやすいノ
ズル鍔部の温度を蒸気温度とほぼ同じにすることができ
るため、蒸気の再結晶化、すなわりノズルの目詰まりを
防ぐことができる。 【００３５】また、ルツボ底部の全面をオーブン本体の
中空底部へ圧接するノズル固定部材を有しているので、
ルツボの底部とオーブン本体の中空底部の熱抵抗を小さ
くできる。従って、オーブンを急速加熱、急速冷却する
ことができ、また、ルツボの温度制御性を向上すること
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用オーブンの一例を示
す一部断面概念図である。 【図２】従来のイオン源用オーブンの一例を示す一部断
面概念図である。 【図３】アークチャンバ，ノズル，オーブン本体（試料
室）の温度変化の概念図である。 【符号の説明】 １ イオン源用オーブン ２ オーブン本体 １０ ノズル ２０ ノズル固定部材 ３０ ヒータ ３１ 固体試料 ４０ アークチャンバ ５０ ルツボ

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 開口部を有する有底中空構造のオーブン
   本体と、前記オーブン本体内の固体試料を蒸発させるた
   めのヒータと、前記オーブン本体で発生した蒸気をアー
   クチャンバへ導入するためのノズルからなるイオン源用
   オーブンにおいて、前記固体試料を充填するためのルツ
   ボを前記オーブン本体の中空内に設け、前記ノズルの一
   端は前記ルツボの上部と螺合し、前記ルツボ底部の全面
   を前記オーブン本体の中空底部へ圧接するノズル固定部
   材を有し、かつ前記ノズル固定部材内面と前記ノズルの
   間に隙間を有することを特徴とするイオン源用オーブ
   ン。