Development of multi-charged ion microbeam system for high-mix low-volume production of power semiconductors

• Project/Area Number: 20K04219
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Niihama National College of Technology (2021-2022); National Institute of Technology, Toyama College (2020)
• Principal Investigator: 浅地 豊久 新居浜工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70574565)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 翼 大島商船高等専門学校, 電子機械工学科, 准教授 (10390501) ; 太田 孝雄 奈良工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (80353267)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: ECRイオン源 / イオンビーム / マグネシウム / 電子サイクロトロン共鳴 / マイクロ波 / ウィーンフィルタ / マイクロビーム

Outline of Research at the Start

近年需要が急増しているパワー半導体の多品種少量生産に用いるアルミニウム多価イオンのマイクロビーム装置を開発する．多価イオンを利用することでイオン注入装置の革新的な小型化，低価格化が実現でき，多品種少量半導体の生産効率が飛躍的に向上する．多価イオン源には大幅に小型化した電子サイクロトロン共鳴イオン源を新たに開発する．イオンビーム分離器は，直交電磁場を用いるウィーンフィルタと静電偏向を組み合わせることによって高分解能を実現する．さらにキャピラリーの集束効果を用いて多価イオンの高密度マイクロビーム化を図る．これらにより，日本の自動車産業の競争力強化に貢献する．

Outline of Annual Research Achievements

2022年度の計画としては、１．アルミニウム多価イオン生成、２．マイクロビーム生成、３．ガラスキャピラリーの最適化を行う予定であった。しかしながら、機械棟の改修工事のため新居浜高専での実験はほぼ進捗なしであった。そのため、１．大島商船高専での実験結果、２．シミュレーションによる装置の改善検討および３．イオン源改造について報告する。
１．大島商船高専では昨年開発した管状炉を用いた蒸発源を使用して、マグネシウムイオンビームの生成実験を行った。計画ではアルミニウムであるが、本蒸発源では1000℃を超える蒸発は厳しいことが分かったため、マグネシウムで最適化を進めた。バイアスディスクに約50Vの電圧を印加することによって、2価イオンが3倍となり、1.4μAまで増加した。また、プラズマ生成ガスをArおよびHeで検討した結果、Heの方が2倍以上の多価イオン生成が可能となり、4価のマグネシウムイオンを約1.6μA確認することができた。800℃程度までであれば本蒸発源が有効であることが分かった。
２．新居浜高専のイオン源について、イオンビーム引き出し電極間隔を変えたときのビーム軌道計算の再検討を行った。引出電圧3kVの場合は間隔14mmが最大ビーム電流となり、確認実験ではそれに近い17mmで最大値となった。また、ウィーンフィルタの磁場のシミュレーションを行い、磁石の形状を凹型にすることで均一性が向上することが分かった。
３．マイクロ波アンテナを軸方向から入れるとアンテナ温度が上昇し、長時間の実験ができなかった。アンテナを径方向から入れることで昇温を抑えることができ、連続運転が可能となった。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

2022年度は改修工事のため新居浜高専での実験を進めることができなかった。2年目（2021年）までに計画していたイオン源の高周波化、蒸発源の開発は終了しており、ウィーンフィルタの分解能向上については遅れているが、2022年に磁場を均一化するシミュレーションおよび導入するビーム電流量を増やすための引出電極のシミュレーションを行った。今後改良・実験する予定である。開発した蒸発源については、アルミニウムの温度での稼働は難しいことがわかり、ガスで導入する方法に切り替える予定である。マイクロビームを生成するためのガラスキャピラリーについては試作が終わっている。
全体的には改修工事のため１年間遅れているが、延長した2023年度で終了できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

新居浜高専のイオン源を復帰させ、ウィーンフィルタの電磁場改造による分解能向上実験を行う。その後、予定通りガラスキャピラリーを用いたマイクロビーム生成に進む。ワイヤープローブを直線導入で動かしビームサイズの測定を行う。
アルミニウムイオンビームの生成については、大島商船高専で先行実験を行う予定である。現状の蒸発源ではアルミニウムの供給は難しいことが分かった。それに代わってガス供給による方法を検討する。

Research Products

• [Journal Article] Verification for Aluminum Multi-Charged Ions Generation Using ECR Ion Source (2021)
  • Author(s): Seitatsu Onosaka, Syotaro Oue, Taku Shinohara, Tsubasa Nakamura, Daichi Ishii, Syo Itimiya, Shiori Kobayashi, Hiroya Uyama, Suzuka Fujita, Ayumu Inagaki, Toyohisa Asaji, Kazumasa Takahashi, Toru Sasaki, Takashi Kikuchi
  • Journal Title: Transactions on GIGAKU Volume: 8
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 小型ECRイオンビーム装置用ウィーンフィルタの開発 (2023)
  • Author(s): 坂本 和輝, 渡辺 唯斗, 松友 真哉, 浅地 豊久, 中村 翼
  • Organizer: 日本機械学会 中国四国学生会 第53回学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] 小型 ECR イオン源の引出電極改良によるイオンビーム電流量の向上 (2023)
  • Author(s): 石原 慎太郎, 浅地 豊久, 中村 翼
  • Organizer: 日本機械学会 中国四国学生会 第53回学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] ウィーンフィルタにおける荷電粒子の軌道シミュ レーションと可視化 (2022)
  • Author(s): 渡辺 唯斗, 松友 真哉, 浅地 豊久
  • Organizer: 電気・電子・情報関係学会四国支部連合大会
• [Presentation] ECRイオン源による外付けの蒸発源を用いた金属イオン生成の検証 (2022)
  • Author(s): 小野坂 成龍、中村 翼、浅地 豊久
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Generation of Multi-charged Magnesium Ions Using an External Evaporation Source (2022)
  • Author(s): Seitatsu Onosaka, Kazuki Sakamoto, Tsubasa Nakamura, Toyohisa Asaji
  • Organizer: The 7th International Conference on “Science of Technology Innovation”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デスクトップ型2.45GHz ECRイオンビーム装置の開発 (2022)
  • Author(s): 川村時代、井上雄太、浅地豊久、中村翼
  • Organizer: 日本機械学会中国四国学生会 第52回学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] CHANGE IN TOTAL ION BEAM CURRENT OF ECR ION SOURCE BY EACH PARAMETERS (2020)
  • Author(s): Taku SHINOHARA, Syotaro OUE, Seitatsu ONOSAKA, Tsubasa NAKAMURA, Daichi ISHII, Tsukasa ITIMIYA, Shiori KOBAYASHI, Hiroya UYAMA, Ayumu INAGAKI, Toyohisa ASAJI, Kazumasa TAKAHASHI, Toru SASAKI, Takashi KIKUCHI
  • Organizer: The 5th International Conference on “Science of Technology Innovation”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PRODUCTION OF MULTI-CHARGED ALUMINUM IONS DUE TO THE DIFFERENCE IN BUFFER GAS USING AN SUPPTER SOURCE IN ECR ION SOURCE (2020)
  • Author(s): Seitatsu ONOSAKA, Syotaro OUE, Taku SHINOHARA, Tsubasa Nakamura, Daichi Ishii, Syo Itimiya, Shiori Kobayashi, Hiroya Uyama, Ayumu Inagaki, Toyohiro Asaji, Kazumasa Takahashi, Toru Sasaki, Takashi Kikuchi
  • Organizer: The 5th International Conference on “Science of Technology Innovation”
  • Int'l Joint Research