JPH09237700A

JPH09237700A - 高周波加減速器、および、その使用方法

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Publication number: JPH09237700A
Application number: JP8043572A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujisawa; 博藤澤
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1997-09-09
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JP3168903B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構成が簡単で、入射エネルギに対するアクセ
プタンスが広い高周波加減速器を提供する。【解決手段】高周波加減速器２７は、内部に空洞２が
形成された略円筒上のタンク１を備えている。当該空洞
２内のイオンビームの通路には、第１および第２の電極
３・４が配される。これにより、イオンビームの入射側
および出射側のタンク１内壁と各電極３・４との間に
は、３つのギャップ２ａ・２ｂ・２ｃが形成される。ま
た、各電極３・４は、それぞれ、第１コイル５あるいは
第２コイル６によって、タンク１の底面１ｂへ接続され
ている。電力入力部８は、第２コイル６近傍に配された
電力用プレート９を介して高周波を印加し、両電極３・
４は、同位相あるいは逆位相で励振する。高周波加減速
器２７が２つの共振モードを持つので、同期エネルギＥ
ｓが２つ設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、イオン注
入装置などに供され、イオン粒子など、荷電粒子を加減
速する高周波加減速器、および、その使用方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体を用いた集積回路は、電子
機器をはじめ、様々な分野で広く使われている。これら
の集積回路を製造する半導体プロセスにおいて、デバイ
スの特性を決定する不純物を任意の量および深さに制御
性良く注入できることから、イオン注入装置は、重要な
装置になっている。

【０００３】上記イオン注入装置は、拡散したい不純ガ
スをイオン化した後、所定の加速電圧で引き出し、磁界
を用いた質量分析法により選択的に取り出してイオンビ
ームとする。さらに、加減速器にて、加速あるいは減速
してイオン照射対象物に所望の速度で照射する。これに
より、イオン照射対象物へイオンを制御性良く打ち込む
ことができる。

【０００４】この加減速器としては、例えば、電極に直
流電位を印加して形成した静電界によって、イオンを加
減速する静電加減速器が挙げられる。ところが、上記静
電加減速器では、イオンビームへ与えるエネルギを高く
するために、電極の電位を高くする必要があり、直流加
速用電位の使用が困難になるという問題がある。例え
ば、半導体材料に深くイオン注入する際には、２００万
電子ボルトにもおよぶエネルギを必要とする。したがっ
て、静電加減速器のみを用いて、加速する場合、１００
ＫＶを越える直流電圧を印加する必要がある。この結
果、加減速器の大きさ、ビーム電流量、取り扱い、操作
性能などの点で問題が生じる虞れがある。

【０００５】このような場合には、高周波を電極へ印加
する高周波加減速器が使われることが多い。図９に示す
ように、上記高周波加減速器５０は、例えば、金属など
の導電体を略円筒状に形成したタンク５１と、タンク５
１内部の空洞５２において、イオンビームの進路上に配
された電極５３とを備えている。これにより、イオンビ
ームの入射側の内壁と電極５３との間には、第１ギャッ
プ５２ａが形成され、電極５３と出射側の内壁との間に
は、第２ギャップ５２ｂが形成される。また、上記電極
５３は、コイル５５を介して、タンク５１の底面５１ｂ
に接続されている。したがって、上記コイル５５のイン
ダクタンスと、第１ギャップ５２ａ間および第２ギャッ
プ５２ｂ間の静電容量によって共振回路５０ａが形成さ
れる。該共振回路５０ａには、タンク５１の外部に設け
られた電力入力部５８から、空洞５２内の電力用プレー
ト５９を介して、電力が供給される。当該電力入力部５
８が供給するＲＦ波の周波数は、上記共振回路５０ａの
共振周波数になるように設定される。また、コイル５５
を伸長したときの長さＬは、ＲＦ波の波長をλとする
と、下式（１）に示すように、Ｌ≒λ／４・・・（１）に設定される。

【０００６】正の電荷を持つイオン粒子が第１ギャップ
５２ａにあるとき、該イオン粒子は、電極５３の電位が
タンク５１の入射側の内壁に比べて低い場合に進行方向
へ加速される。また、第２ギャップ５２ｂにあるとき
は、電極５３の電位がタンク５１の出射側の内壁に比べ
て高いときに加速される。したがって、イオン粒子が第
１ギャップ５２ａにあるときに、電極５３の電位を低く
し、該イオン粒子が進行して、第２ギャップ５２ｂへ移
った場合に、電極５３の電位が高くなるように、電極５
３を励振させることによって、イオン粒子を加速でき
る。

【０００７】したがって、イオンビームの進行方向に沿
って、第１ギャップ５２ａの中心と第２ギャップ５２ｂ
の中心との距離をｄｇとすると、以下に示すように、ｄｇ＝（１／２）・β・λ ・・・（２）となる。なお、上式（２）において、βは、イオン粒子
の速度をｖ、光の速度をｃとしたとき、β＝ｖ／ｃで表
される。また、λは、ＲＦ波の波長を示している。

【０００８】また、あるイオンの同期エネルギＥは、以
下のように、Ｅ＝（１／２）・ｍ・β²ｃ² ・・・（３）で表される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の高周波加減速器５０では、共振モードが１つである
ため、共振周波数、すなわち、波長λが限定される。し
たがって、イオンの同期エネルギＥが単一になり、入射
エネルギに対する高周波加減速器５０のアクセプタンス
が制限されるという問題を生じている。

【００１０】そこで、従来では、互いに異なる入射エネ
ルギのイオンビームを加速する場合には、高周波加減速
器５０自体を交換したり、ギャップ間距離ｄｇを機械的
に変えるなどの操作を行っている。高周波加減速器５０
自体を交換する場合には、イオンビームの入射エネルギ
に合わせて、複数の高周波加減速器５０…を用意する必
要がある。一方、ギャップ間距離ｄｇを機械的に調整す
る場合、高周波加減速器５０の構造が複雑になり、高周
波加減速器５０が大型になる虞れがある。さらに、調整
時の操作が煩雑になる。

【００１１】本発明は、上記の問題点を鑑みてなされた
ものであり、その目的は、構成が簡単で、入射エネルギ
に対するアクセプタンスが広い高周波加減速器を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る高
周波加減速器は、上記課題を解決するために、内部に空
洞が形成された導電体の容器を含む共振回路と、該共振
回路へ電力を供給する駆動手段とを有する高周波加減速
器において、以下の手段を講じたことを特徴としてい
る。

【００１３】すなわち、上記共振回路は、上記空洞内に
配され、上記駆動手段からの電力により励振する複数の
駆動用電極を備えており、上記空洞内の荷電粒子の通路
上には、上記駆動用電極によって、３つ以上のギャップ
が形成されている。

【００１４】上記構成では、上記駆動用電極は、駆動手
段からの電力によって、隣接する駆動用電極と同位相あ
るいは逆位相で励振できる。これにより、上記共振回路
には、複数の共振モードが設けられる。

【００１５】ある共振モードにて、駆動手段が共振回路
を励起しているとき、互いに逆位相で励振している駆動
用電極間のギャップには、イオンなどの荷電粒子を加速
あるいは減速するための電場が形成され、該ギャップに
ある荷電粒子が加減速される。また、各駆動用電極は、
励振しているので、上記ギャップ間に形成される電場
は、周期的に変化しており、その向きは、半周期毎に反
転する。なお、互いに同位相にて励振している駆動用電
極間のギャップには、加減速用の電場は形成されない。
したがって、該ギャップ間の荷電粒子は、当初の速度の
まま通過する。

【００１６】加減速用の電場が形成されているギャップ
へ、荷電粒子が進入した場合、該荷電粒子は、加減速さ
れながら当該ギャップを通過する。荷電粒子の入射エネ
ルギが高周波加減速器の同期エネルギと同一であれば、
荷電粒子がギャップ間を通過するタイミングと駆動用電
極の駆動周期とが同期している。したがって、各ギャッ
プ間を通過する際、該ギャップに形成されている電場の
向きは、常に一定となる。これにより、高周波加減速器
は、同期エネルギと同一の入射エネルギを持つ荷電粒子
を高効率で加減速できる。

【００１７】なお、荷電粒子の入射エネルギと、高周波
加減速器の同期エネルギとが一致していない場合は、各
ギャップを通過する際に形成されている電場の向きが統
一されないので、高周波加減速器は、該荷電粒子を効率
良く加減速できない。

【００１８】また、各駆動用電極が励振しており、各ギ
ャップに形成されている電場の強さや向きが変化してい
る。したがって、荷電粒子が高周波加減速器へ入射する
タイミングに応じて、荷電粒子へ加わる力が変化する。
例えば、ギャップに形成される電場が時間と共に強くな
っている期間では、該ギャップへ先に入射した荷電粒子
よりも、後で入射した荷電粒子の方がより強く加減速さ
れる。この結果、荷電粒子が高周波加減速器へ入射する
タイミングに応じて、荷電粒子の出射速度が変化する。
したがって、高周波加減速器へ入射した荷電粒子流は、
所定の空間（ドリフト空間）を通過した時点で集群（バ
ンチング）される。

【００１９】上記高周波加減速器は、荷電粒子の進路上
に、複数の駆動用電極を配して、３つ以上のギャップを
形成しており、その構成を機械的に変位させることな
く、複数の共振モードにて運転できる。したがって、高
周波加減速器の同期エネルギは、共振モードに対応して
複数設けられる。この結果、複数の互いに異なる入射エ
ネルギを持つ荷電粒子であっても、加減速あるいはバン
チングでき、入射エネルギに対する高周波加減速器のア
クセプタンスを従来に比べて広げることができる。

【００２０】また、従来の高周波加減速器に比べて、容
器の数に対するギャップの数の割合を高くすることがで
きる。したがって、同じ数のギャップを設ける場合、容
器や当該容器を駆動する駆動手段、あるいは、該容器を
支持する支持部材などの数を削減でき、構成を簡略にで
きる。

【００２１】加えて、ギャップの数が同じであれば、駆
動用電極間に設けられる容器の壁の数を削減できる。し
たがって、高周波加減速器へ入力する電力に対する加減
速電圧の比を従来に比べて高くでき、高周波加減速器の
効率をさらに向上できる。

【００２２】また、請求項２の発明に係る高周波加減速
器は、請求項１記載の発明の構成において、上記駆動手
段は、上記共振回路の各共振モードの基本周波数にて、
当該共振回路を駆動することを特徴としている。

【００２３】それゆえ、共振回路は、イオンの加減速に
有利な低い共振周波数にて、共振することができる。こ
の結果、高周波加減速器において、イオンの加減速に有
利な同期エネルギを従来より多く設けることができる。

【００２４】一方、請求項３の発明に係る高周波加減速
装置の使用方法は、請求項１記載の高周波加減速器を複
数直列に配し、初段は、荷電粒子をバンチングさせるバ
ンチング部として動作させ、次段以降は、荷電粒子を加
減速する加減速部として動作させることを特徴としてい
る。

【００２５】上記構成では、同じ構成の高周波加減速器
を用いて、荷電粒子をバンチングした後、加減速でき
る。それゆえ、バンチング部と加減速部とが同じ構成で
あり、同じ部材を使用できる。この結果、別の構成のバ
ンチング手段を設ける場合に比べて、バンチング部も含
めた装置の製造および管理が容易になる。

【００２６】また、高周波加減速器の同期エネルギを調
整する場合、すなわち、加減速部の共振モードを変更す
る場合でも、加減速部と同様の操作をすることにより、
バンチング部の共振周波数を加減速部の共振周波数へ一
致させることができる。この結果、同期エネルギ調整時
における高周波加減速装置の操作性が向上する。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態について図１
ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。本
実施形態に係る高周波加減速器は、例えば、半導体製造
装置や、表面改質用照射装置など、高エネルギイオン注
入装置に供され、イオンをバンチングして加減速するた
めに用いられている。

【００２８】図２に示すように、上記イオン注入装置２
１は、イオン源物質をイオン化するイオン源２２と、該
イオン源２２から引き出された所定のエネルギを持つイ
オンを質量分析する分析電磁石２３と、該分析電磁石２
３にて形成されたイオンビームを加速する静電加速器２
４と、加速後のイオンビームを集束する集束系２５と、
集束したイオンビームを集群（バンチング）させるバン
チャー（バンチング部）２６とを備えている。さらに、
互いに直列に接続され、バンチングされたイオンビーム
をさらに加速する高周波加減速器（加減速部）２７と、
入射されるイオンビームにて、シリコンウェハなど、収
納したイオン照射対象物を加工するエンドステーション
２８とが設けられている。また、イオン注入装置２１の
運転中、イオンビームの通路は、図示しない真空ポンプ
などによって高真空に保たれる。なお、本実施形態で
は、バンチャー２６および高周波加減速器２７は、同じ
構成のものを用いており、双方が特許請求の範囲に記載
の高周波加減速器に対応している。

【００２９】上記イオン源２２は、例えば、高周波放電
型や電子衝突型などのイオン源であり、例えば、ＢＦ₃
やＰＨ₃などのイオン種ガス、あるいは、ＰやＡｓなど
の固体のイオン源物質をオーブンにて気化して、イオン
源２２内に導入する。その後、内部のイオン種ガスをプ
ラズマ化して、イオン引出電極系により所定のエネルギ
で引き出し、Ｂ⁺やＰ⁺などのイオンとして分析電磁石
２３へ与えることができる。

【００３０】また、分析電磁石２３は、例えば、６０°
型や９０°型の扇形磁石が用いられており、質量分析す
ることによって、所望のイオンからなるイオンビームを
形成できる。

【００３１】さらに、分析電磁石２３の後段に配された
静電加速器２４は、例えば、コックロフト型の静電加速
器であり、イオンビームの上流になる分析電磁石２３側
と、下流になる集束系２５側との電位差により発生する
静電界により、入射されるイオンビームを加速する。し
たがって、イオン注入装置２１の運転中、分析電磁石２
３およびイオン源２２は、集束系２５など、他の回路に
比べて、極めて高電位に保たれる。また、使用者や他の
回路を保護するために、分析電磁石２３およびイオン源
２２は、他の回路と電気的に絶縁された高電圧キャビネ
ット２９内に収納されている。

【００３２】本実施形態に係るイオン注入装置２１は、
静電加速器２４の後段に高周波加減速器２７を設けてい
る。したがって、エンドステーション２８にて必要とす
るイオンビームのエネルギに比べて、静電加速器２４が
出射するイオンビームのエネルギは、低く設定されてい
る。この結果、高電圧キャビネット２９の電位、すなわ
ち、静電加速器２４の加速電圧は、静電加速器２４単体
で加速する場合に比べて、低く設定されている。

【００３３】また、上記静電加速器２４の後段に、集束
系２５を介して配されたバンチャー２６は、イオン粒子
の入射時間に応じ、各イオン粒子へ加える加速度を調整
して、イオン粒子をバンチングさせる。具体的には、所
定の周期毎に、ある時点を基準にして、早く入射したイ
オン粒子より、遅く入射したイオン粒子を大きく加速す
る。この結果、バンチャー２６の出射側から所定の空間
（ドリフト空間）をおいて、イオン粒子をバンチングで
きる。なお、本実施形態に係るバンチャー２６は、後述
する高周波加減速器２７と同じ構成のものが用いられて
いる。したがって、バンチャー２６の構成の説明は省略
する。

【００３４】上記バンチャー２６の後段の高周波加減速
器２７は、バンチャー２６から出射したイオン粒子が、
高周波加減速器２７の入射孔１ｃ（後述）にて、バンチ
ングする位置に配されている。また、バンチャー２６の
駆動周波数と高周波加減速器２７の駆動周波数とは、同
一に設定される。さらに、両者の位相差は、バンチング
したイオン粒子群が、高周波加減速器２７の入射孔１ｃ
に進入したときに、加速用の電場が形成されるように設
定される。

【００３５】この高周波加減速器２７は、図３に示すよ
うに、略円筒状のタンク（容器）１を備えている。な
お、説明の便宜上、タンク１の軸方向と平行な壁面を側
面１ａ、この側面１ａに直交する壁面の一方を底面１ｂ
と称する。また、タンク１の軸とは直交するように、イ
オンビームの進路が設定されており、タンク１の側面１
ａには、イオンビームの進路に沿って、内部の空洞２に
連通し、断面が円形の入射孔１ｃおよび出射孔１ｄが設
けられている。タンク１において、両孔１ｃ・１ｄ近傍
の内壁は、他の部分の内壁より突設しており、イオンビ
ームの進路を軸とする円筒状に形成されている。各凸部
の先端を、それぞれ入射側内壁１ｅおよび出射側内壁１
ｆと称する。

【００３６】また、タンク１内の空洞２のイオンビーム
の通路上には、特許請求の範囲に記載の駆動用電極に対
応し、高周波で励起する第１電極３および第２電極４が
配されている。したがって、図１に示すように、上記入
射側内壁１ｅと第１電極３との間の第１ギャップ２ａ、
両電極３・４間の第２ギャップ２ｂ、および第２電極４
と入射側内壁１ｆとの間の第３ギャップ２ｃがそれぞれ
形成される。この結果、各ギャップ２ａ・２ｂ・２ｃ間
の静電容量や、後述する第１コイル５および第２コイル
６のインダクタンスによって、共振回路２７ａが形成さ
れている。これにより、２つの電極３・４が高周波で励
振するので、共振回路２７ａは、構成要素を機械的に変
位させることなく、両電極３・４が同位相で励振する”
０”モードと、逆位相で励振する”π”モードとの２つ
の互いに異なる共振モードで共振できる。

【００３７】以下では、イオンビームの進路に沿って計
ったとき、第１ギャップ２ａの中心と第２ギャップ２ｂ
の中心との距離をｄｇ１、第２ギャップ２ｂの中心と第
３ギャップ２ｃの中心との距離をｄｇ２、また、第１ギ
ャップ２ａの中心と第３ギャップ２ｃの中心との距離を
ｄｇ０で表す。各ギャップ間距離ｄｇ０・ｄｇ１・ｄｇ
２は、入射粒子のエネルギ、放電限界、共振周波数など
の組み合わせで決定され、”π”モードにおける波長を
λπ、同期βｓをβｓπとし、”０”モードにおける波
長をλ０、同期βｓをβｓ０としたとき、各ギャップ間
距離ｄｇ０・ｄｇ１・ｄｇ２は、下式（４）、（５）に
示すように、ｄｇ０＝（１／２）・βｓ０・λ０・・・（４）ｄｇ１＝ｄｇ２＝（１／２）・βｓπ・λπ ・・・（５）に設定される。なお、両電極３・４は、各ギャップ間距
離ｄｇ０・ｄｇ１・ｄｇ２が、所望の値となるように配
置される。

【００３８】また、ドリフトチューブと称される各電極
３・４は、略円板状に形成されており、その中心には、
イオンビームの通路となる断面が円形の貫通孔３ａ・４
ａがそれぞれ形成されている。また、上記両電極３・４
は、タンク１の底面１ｂから突設された第１コイル５あ
るいは第２コイル６に、それぞれ接続されている。各コ
イル５・６の導体内には、水などの冷却液を流通するた
めの孔が形成されており、高周波加減速器２７の運転時
には、大電流が流れて特に高温になりがちな各コイル５
・６の底面１ｂ近傍も冷却できる。

【００３９】さらに、上記各コイル５・６は、タンク１
の側面１ａから突設する支持体７・７によって、それぞ
れ電極側を支持されている。各支持体７は、例えば、Ｂ
Ｎやセラミックなど、電気抵抗が高く、誘電損が低い材
質にて、薄板状に形成されている。また、支持体７の先
端部には、例えば、図４に示すように、第１あるいは第
２コイル５・６の外径と略同じ内径の孔７ａが形成され
ており、図１に示す各コイル５・６は、この孔７ａに貫
装される。これにより、両コイル５・６の振動を抑制で
き、各電極３・４を所定の位置に保持できる。この結
果、各ギャップ間距離ｄｇ０・ｄｇ１・ｄｇ２を、所望
の値に保つことができる。

【００４０】ここで、本実施形態に係る高周波加減速器
２７の寸法について簡単に説明する。すなわち、タンク
１は、内径が１４ｃｍ、軸方向の内寸が４５ｃｍに設定
されている。また、両電極３・４の外径は、２．５ｃｍ
に設定されている。また、各電極３・４が所定の位置に
配されている場合、タンク１の入射側内壁１ｅおよび第
１電極３間の距離と、各電極３・４間の距離と、第２電
極４および出射側内壁１ｆ間の距離とは、それぞれ１ｃ
ｍに設定されている。したがって、ギャップ間距離ｄｇ
０は、２ｃｍ、両ギャップ間距離ｄｇ１・ｄｇ２は、１
ｃｍにそれぞれ保たれている。また、両コイル５・６
は、外径１ｍｍ、長さ３ｍの銅線を、外径が３ｃｍにな
るように巻いて用いている。

【００４１】また、上記寸法のコールドモデルの場
合、”π”モードの共振周波数は、２５ＭＨｚ、”０”
モードの共振周波数は、３１ＭＨｚとなる。したがっ
て、各モードの波長λπ・λ０は、以下に示すように、
それぞれ、 λπ＝１．２×１０³〔ｃｍ〕・・・（６） λ０＝９．７×１０²〔ｃｍ〕・・・（７）となる。

【００４２】また、上述の式（４）および（５）か
ら、”π”モードにおけるギャップ間距離ｄｇ１に対す
る、”０”モードにおけるギャップ間距離ｄｇ０の比率
ｄｇ０／ｄｇ１は、２となる。この比率と、上記の式
（２）とから、各モード間の同期βｓの比は、下式
（８）に示すように、 βｓ０／βｓπ＝２・λπ／λ０・・・（８）となり、さらに、上記（６）および（７）の値を代入し
て、 βｓ０／βｓπ＝２．４７・・・（９）となる。

【００４３】同様にして、上述の式（３）から、各モー
ドにおける同期Ｅｓの比は、Ｅｓ０／Ｅｓπ＝（βｓ０／βｓπ）² ・・・（１０）Ｅｓ０／Ｅｓπ＝６．１・・・（１１）となる。したがって、例えば、Ｅｓπ＝５０ＫｅＶの場
合、Ｅｓ０≒３００ＫｅＶとなる。

【００４４】一方、タンク１の外部には、上記共振回路
２７ａを励振させるための電力を供給する電力入力部
（駆動手段）８が設けられている。該電力入力部８は、
タンク１の側面１ａに設けられた電力用フィールドスル
ー１ｇを介して、タンク１内部の電力用プレート９へ高
周波電力を供給できる。本実施形態に係る高周波加減速
器２７は、イオン加速に適した周波数帯域で２つの共振
周波数を持っている。したがって、電力入力部８は、例
えば、３１ＭＨｚと２５ＭＨｚとなど、上記各共振周波
数のＲＦ波を選択して出力できる。これにより、それぞ
れの共振周波数にて、共振回路２７ａを励起できる。

【００４５】上記電力用プレート９は、第２コイル６の
電極側端部に相対し、かつ、数センチ間隔を空けて配置
されている。この電力用プレート９は、図示しない制御
モータなどにより移動して、第２コイル６との距離を調
整できる。電力用プレート９の移動に伴って、第２コイ
ル６と電力用プレート９との間の結合キャパシタンスが
変化する。これにより、共振回路２７ａの入力インピー
ダンスは、例えば、５０Ωなど、所望の値に保持され、
共振回路２７ａと電力入力部８とのインピーダンス整合
を維持できる。

【００４６】また、高周波加減速器２７は、共振回路２
７ａの共振周波数を微調整するために、タンク１の外部
に設けられた周波数チューナ１０と、タンク１内の空洞
２に設けられたチューナプレート１１とを備えている。
このチューナプレート１１は、第２コイル６の底面１ｂ
側端部に相対して設けられている。周波数チューナ１０
は、チューナ用フィールドスルー１ｈを介して、チュー
ナプレート１１を第２コイル６と側面１ａとの間で変位
させる。これにより、大地電位に対する浮遊キャパシタ
ンスを調整して、共振回路２７ａの共振周波数を微調整
できる。この結果、共振周波数を精密に調整したり、例
えば、第１コイル５や第２コイル６が加熱して寸法が変
化した場合などに、当該共振周波数を維持したりでき
る。

【００４７】さらに、図２に示すエンドステーション２
８内には、例えば、シリコンウェハなどのイオン照射対
象物が、高周波加減速器２７が出射するイオンビームの
進路上に配されている。これにより、イオン照射対象物
へイオンを照射して、不純物を注入したり、表面を改質
したりできる。

【００４８】上記構成において、”π”モード時におけ
るバンチャー２６各部の動作について、図５および図６
に基づき説明すると以下の通りである。

【００４９】バンチャー２６を”π”モードにて運転し
ているとき、図１に示す電力入力部８は、例えば、２５
ＭＨｚなど、”π”モードの共振周波数にて、バンチャ
ー２６の共振回路２６ａを駆動している。この状態で
は、電力用プレート９は、図示しない制御モータによっ
て、第２コイル６との距離が調整されている。これによ
り、電力入力部８と共振回路２６ａとのインピーダンス
整合は、維持されている。また、周波数チューナ１０
は、チューナプレート１１の位置を制御して、共振回路
２６ａの共振周波数を所定の値に維持している。

【００５０】この結果、図５に示すように、第１電極３
および第２電極４は、互いに異なる位相にて励振してい
る。したがって、例えば、第１電極３の電位が−、第２
電極４の電位が＋にあるときのバンチャー２６内部の電
界は、図中、実線にて示すように、第１ギャップ２ａお
よび第３ギャップ２ｃでは、イオンビームの進行方向と
同方向（順方向）になり、第２ギャップ２ｂでは、イオ
ンビームの進行方向と逆方向（以下では、単に逆方向と
称する）になる。一方、第１電極３の電位が＋、第２電
極４の電位が−にあるときの電界は、図中、破線にて示
すように、第１ギャップ２ａおよび第３ギャップ２ｃで
逆方向になり、第２ギャップ２ｂで順方向になる。

【００５１】また、第１ギャップ２ａのイオンビームの
進路上の点Ａにおいて、イオンビームの進行方向への電
界強度Ｅの時間変化は、図６に示すように、上記共振周
波数の正弦波となっている。したがって、時間の変化に
伴って上昇している時点をｔ０とすると、時間ｔ０にお
ける電界強度Ｅ０は、時間ｔ０の直前ｔ１における電界
強度Ｅ１よりも強くなり、時間ｔ０の直後ｔ２における
電界強度Ｅ２よりも、弱くなる。この結果、時間ｔ０に
点Ａにあるイオン粒子を基準にすると、時間ｔ２に点Ａ
にあるイオン粒子、すなわち、遅くきたイオン粒子は、
速くきたイオン粒子に比べてより大きく加速される。し
たがって、バンチャー２６から出射したイオン粒子は、
ある一定の空間を隔てた場所、すなわち、高周波加減速
器２７の入口にてバンチングする。バンチャー２６は、
所定の共振周波数にて駆動しているので、高周波加減速
器２７へ入射するイオンビームには、この共振周波数に
同期して、疎の部分と密の部分とが交互に現れる。

【００５２】上記高周波加減速器２７では、バンチャー
２６と同様に、例えば、２５ＭＨｚなど、”π”モード
における共振周波数にて、電力入力部８が共振回路２７
ａを駆動している。また、前段のバンチャー２６と高周
波加減速器２７との間の位相差は、バンチングされたイ
オン粒子が第１ギャップ２ａを通過する間、印加される
電界が順方向になるように設定されている。

【００５３】したがって、バンチングしたイオン粒子群
が入射孔１ｃを介して、第１ギャップ２ａへ入射し、第
１電極３へ到達するまでの間、第１ギャップ２ａの電界
は、順方向になる（図５に示す実線の状態）。この結
果、イオン粒子群は、さらに加速されて、第１電極３へ
到達する。また、イオン粒子が第１ギャップ１ａを飛行
している時間と、第１電極３の極性が反転する時間とが
略一致するように、すなわち、イオン粒子の入射エネル
ギと同期エネルギＥｓπとが一致するように、共振回路
２７ａの共振周波数が決められている。この結果、上記
のイオン粒子群が、図１に示す貫通孔３ａを通過して、
第２ギャップ２ｂへ入り、第２電極４へ到達するまでの
間は、第１ギャップ１ａの電界が逆方向になり、第２ギ
ャップ２ｂの電界が順方向となる（図５に示す破線の状
態）。したがって、該イオン粒子群は、さらに加速され
て、第２電極４へ到達する。同様にして、該イオン粒子
群は、第３ギャップ２ｃにある場合も加速される。この
結果、高周波加減速器２７は、各ギャップ２ａ・２ｂ・
２ｃの３ギャップにて入射したイオン粒子群を加速し、
出射孔１ｄから出射できる。

【００５４】次に、”０”モードにおける高周波加減速
器２７の動作について、図７に基づいて説明する。な
お、”０”モードにおけるバンチャー２６の動作は、電
界の分布が高周波加減速器２７と同様であり、各ギャッ
プ間における荷電粒子の動作は、”π”モード時の動作
と略同じであるため、説明を省略する。

【００５５】上述の”π”モードと同様に、図１に示す
電力入力部８は、３１ＭＨｚなど、”０”モードにおけ
る共振周波数にて共振回路２７ａを駆動している。この
モードでは、上記”π”モードとは異なり、両電極３・
４は、同位相で励振している。したがって、両電極３・
４が共に−の電位にあるときは、図７中、実線で示すよ
うに、第１ギャップ２ａには、順方向の電界が形成さ
れ、第３ギャップ２ｃには、逆方向の電界が形成されて
いる。また、両電極３・４が共に＋の電位にあるとき
は、図中、破線で示すように、第１ギャップ２ａおよび
第３ギャップ２ｃには、それぞれ、逆方向、順方向の電
界が形成されている。いずれの場合でも、両電極３・４
の電位が同じであるため、第２ギャップ２ｂには、加速
電場が形成されない。

【００５６】第１ギャップ２ａへ順方向の電界が形成さ
れているときに、高周波加減速器２７の同期エネルギＥ
ｓ０と同じ入射エネルギを持つイオン粒子群が入射する
と、該イオン粒子群は、加速されながら、第１電極３へ
到達し、そのままの速度を保ったまま、第２電極４へ到
達する。さらに、該イオン粒子群が、第３ギャップ２ｃ
へ入った時点では、両電極３・４の電位が反転して、第
３ギャップ２ｃに順方向の電界が形成されている。した
がって、このイオン粒子群は、さらに加速されて、出射
孔１ｄより出射される。この結果、高周波加減速器２７
は、第１ギャップ２ａおよび第３ギャップ２ｃの２つの
ギャップにおいて、入射したイオン粒子を加速し、出射
孔１ｄより出射できる。

【００５７】なお、上記では、各モードにおいて加速す
る場合についてのみ説明したが、高周波加減速器２７へ
イオン粒子群が入射する際、第１ギャップ２ａに逆方向
の電界が形成されるように、バンチャー２６と高周波加
減速器２７との位相差を調整することによって、イオン
粒子群を減速できる。また、加減速するイオン粒子の電
荷が負である場合にも、同様にして、イオン粒子群を加
減速できる。

【００５８】また、いずれのモードで運転している場合
であっても、高周波加減速器２７の同期エネルギＥｓと
イオン粒子群の入射エネルギとが異なる場合、各ギャッ
プ２ａ・２ｂ・２ｃ間をイオン粒子群が飛行する時間
と、両電極３・４の反転する時間とが異なる。したがっ
て、イオン粒子群がギャップを飛行中に、当該ギャップ
に形成されている電界が反転したり、あるいは、イオン
粒子群が順方向の電界が形成されたギャップを通り過ぎ
て、逆方向の電界が形成された他のギャップへ突入した
りして、イオン粒子群を正常に加速できない。

【００５９】以上のように、本実施形態に係る高周波加
減速器２７は、導電率の高いタンク１内の空洞２に、イ
オンビームの進路上に沿って、第１コイル５を介してタ
ンク１へ接続される第１電極３と、第２コイル６を介し
てタンク１へ接続される第２電極４とを配し、タンク１
の内壁と両電極３・４との間に、３つのギャップ２ａ、
２ｂ、２ｃを形成すると共に、両電極３・４を高周波に
て励振させる電力入力部８を備えた構成である。

【００６０】それゆえ、上記タンク１、両電極３・４、
および両コイル５・６などから構成された共振回路２７
ａは、両電極３・４が逆位相で励振する”π”モード
と、同位相で励振する”０”モードとの２つの共振モー
ドにて共振できる。

【００６１】例えば、電力入力部８が共振回路２７ａ
を”π”モードにて運転している場合、各ギャップ２ａ
・２ｂ・２ｃには、隣接するギャップとは異なる向きの
電場が形成される。したがって、高周波加減速器２７
は、その同期エネルギＥｓπと同じ入射エネルギを持つ
イオンビームを３つのギャップにて効率良く加速あるい
は減速できる。また、共振回路２７ａが”０”モードに
て運転されている場合、両端のギャップ２ａ・２ｃに
は、互いに異なる向きの電場が形成されると共に、中間
の第２ギャップ２ｂには、加減速用の電場が形成されな
い。したがって、高周波加減速器２７は、その同期エネ
ルギＥｓ０と同じ入射エネルギを持つイオンビームを両
端の２つのギャップにて効率よく加減速できる。

【００６２】一方、いずれのモードであっても、形成さ
れている電場の強さや向きは周期的に変化する。したが
って、高周波加減速器２７と同じ構造のバンチャー２６
は、イオン粒子の入射タイミングによって、該イオン粒
子へ加える力を変化させて出射時の速度を変化させるこ
とができる。この結果、バンチャー２６は、入射したイ
オンビームを、ドリフト空間をおいて、バンチャー２６
の駆動周波数でバンチングさせることができる。

【００６３】また、いずれのモードであっても、高周波
加減速器２７は、運転中の同期エネルギＥｓとは異なる
入射エネルギを持つイオンビームが入射された場合、該
イオンビームを効率良く加減速あるいはバンチングでき
ない。したがって、イオンビームの入射エネルギに応じ
て、高周波加減速器２７の同期エネルギＥｓ、すなわ
ち、共振回路２７ａの共振周波数を設定する必要があ
る。

【００６４】従来の高周波加減速器であれば、共振回路
の共振モードが１つしか設けられていないため、設定可
能な共振周波数が限定されている。したがって、イオン
ビームの加減速に適した範囲で、同期エネルギＥｓを柔
軟に変更するために、互いに異なる同期エネルギＥｓを
持つ高周波加減速器を複数用意して、イオンビームに合
わせて交換したり、高周波加減速器を構成する部材の位
置を機械的に変位させて、共振回路の共振周波数を調整
したりしている。

【００６５】ところが、本実施形態に係る高周波加減速
器２７では、共振回路２７ａの共振モードを変更するこ
とによって、当該高周波加減速器２７の構成部材を機械
的に変更することなく、共振周波数を主調整できる。高
周波加減速器２７に、同期エネルギＥｓを２点設けるこ
とができるので、従来に比べて同期エネルギＥｓを柔軟
に変更できる。

【００６６】この結果、互いに異なる速度のイオン粒子
群であっても、加減速あるいはバンチング効果を得るこ
とができる。また、図２に示す静電加速器２４から出射
されるビームエネルギは、電荷数に比例しており、例え
ば、６価のイオン粒子は、１価のイオン粒子の６倍のエ
ネルギを持っている。このような場合でも、同一構造の
高周波加減速器２７を用いて、加減速あるいはバンチン
グ作用を得ることができる。したがって、従来に比べ
て、入射エネルギに対するアクセプタンスの広い高周波
加減速器２７を実現できる。

【００６７】また、本実施形態に係る高周波加減速器２
７では、共振周波数を主調整する際に機械的な調整を必
要としない。したがって、高周波加減速器２７の構成を
簡単にすると共に、主調整時の手間が大幅に削減でき
る。

【００６８】さらに、上記高周波加減速器２７は、従来
の２ギャップ方式の高周波加減速器に比べて、タンク１
の数に対するギャップの数の割合を増やすことができ
る。したがって、同じ数のギャップを設ける場合、タン
ク１や電力入力部８、あるいは、該タンク１を支持する
図示しない支持部材などの数を削減でき、イオン注入装
置２１の構成を簡略にできる。

【００６９】加えて、上記２ギャップ方式に比べて、ギ
ャップの個数に対する壁の数を減らすことができる。例
えば、本実施形態に係る高周波加減速器２７のように３
つのギャップを設けようとすると、従来では、２つの高
周波加減速器が必要となり、入射側から数えて、２つめ
のギャップと３つめのギャップとの間にタンクの壁が介
在することになる。ところが、本実施形態では、この壁
が不要となり、各ギャップ間距離を短くできる。この結
果、加速電圧に対する入力電力の比を大きくすることが
でき、高周波加減速器２７の効率を向上できる。

【００７０】また、上記電力入力部８は、共振回路２７
ａに設けられた各共振モードの基本周波数にて、当該共
振回路２７ａを駆動することが望まれる。これにより、
共振回路２７ａは、イオンの加減速に有利な低い共振周
波数にて共振できる。したがって、高周波加減速器２７
には、イオンの加減速に有利な同期エネルギＥｓを従来
より多く設けることができる。この結果、イオンビーム
の加減速やバンチングに特に適した高周波加減速器２７
を提供できる。

【００７１】なお、本実施形態では、バンチャー２６と
して、高周波加減速器２７と同じ構成のものを使用して
いるが、これに限るものではない。例えば、後述するＲ
ＦＱなど、他の構成のバンチング装置を用いてもよい。

【００７２】ただし、本実施形態のように、バンチャー
２６と高周波加減速器２７との構成を同一にすることに
よって、別の構成のバンチング装置を設ける場合に比べ
て、製造および管理が容易になる。例えば、両者が同じ
構成なので、同じ部材を使用することができ、不具合な
どに備えて用意する部材を流用できる。

【００７３】さらに、入射するイオンビームのエネルギ
に応じて、高周波加減速器２７の同期エネルギＥｓを調
整する場合、すなわち、共振周波数を変更する場合で
も、バンチャー２６は、高周波加減速器２７と同様に、
共振モードを変更して共振周波数を調整できる。この結
果、両者の周波数を容易に同一に設定でき、同期エネル
ギＥｓ調整時の操作性が向上する。

【００７４】また、本実施形態では、バンチャー２６お
よび高周波加減速器２７を静電加速器２４の後段に配
し、エネルギブースターとして用いている。これによ
り、静電加速器２４が出射するイオンビームのエネルギ
より高いエネルギをエンドステーション２８へ供給でき
る。ところで、静電加速器２４単体で、イオンビームを
加速する場合、高いエネルギを得るためには、高い加速
電圧を必要とするので、高電圧キャビネット２９内の電
位を高く保つ必要がある。これに伴い、高電圧キャビネ
ット２９や、これに電力を供給する高電圧電源（図示せ
ず）などが大型化する。ところが、静電加速器２４のエ
ネルギブースターとして、高周波加減速器２７などを用
いることによって、安定で収差の少ない静電加速器２４
を用いながら、高エネルギでイオンを注入でき、かつ、
コンパクトなイオン注入装置２１を実現できる。また、
高エネルギイオン注入装置において、上記静電加速器２
４の加速電圧を低く抑えることができるので、装置コス
トを削減でき、ビーム電流量、取り扱い、操作性能など
を向上させることができる。

【００７５】なお、本実施形態では、両ギャップ間距離
ｄｇ１・ｄｇ２を同じに設定しているが、これに限るも
のではない。イオン粒子は、各ギャップ２ａ・２ｂ・２
ｃにて加減速されるので、厳密には、両ギャップ間距離
ｄｇ１・ｄｇ２を同じに設定すると、前段のギャップの
通過に要する時間と後段のギャップの通過に要する時間
とが異なっている。本実施形態では、イオンビームの加
減速に支障を生じないため、設計や製造時の手間の点か
ら、両ギャップ間距離ｄｇ１・ｄｇ２を同じに設定して
いる。ところが、前段のギャップの所要時間と後段のギ
ャップの所要時間とが大きく異なり、イオンビームの加
減速に支障が生じる場合には、各ギャップ間距離ｄｇ１
・ｄｇ２をそれぞれ別に設定して、両ギャップの所要時
間の相違を抑えることによって、イオンビームを何ら支
障無く加減速できる。

【００７６】また、本実施形態に係る高周波加減速器２
７は、２つの電極３・４を備え、空洞２内に、３つのギ
ャップ２ａ・２ｂ・２ｃを形成しているが、電極の数
は、これに限るものではない。複数の電極が設けられ、
３つ以上のギャップが形成されていれば、本実施形態と
同様の効果が得られる。

【００７７】例えば、電極の数を３つに設定し、４つの
ギャップを設けてもよい。この場合、高周波加減速器
は、３つの電極全てが同位相で励振するｆ２モードと、
両端の電極が同位相、かつ、中間の電極が逆位相で励振
するｆ０モード、イオンビームの進路方向から見て、最
初の２つの電極が同位相、最後の電極が逆位相にて励振
するｆ１モードの３つのモードを備え、同期エネルギＥ
ｓを３点設けることができる。この結果、２つの電極を
設ける場合に比べて、高周波加減速器の入射エネルギに
対するアクセプタンスは、さらに向上し、加速電圧対入
力電力の比をさらに大きくできる。

【００７８】次に、上記高周波加減速器２７を他の構成
のイオン注入装置に適用した場合について、図８に基づ
いて説明する。なお、図２に示す部材と同一の機能を有
する部材には、同一の符号を付記して、その説明を省略
する。

【００７９】本実施形態に係るイオン注入装置２１ａ
は、図２に示すイオン注入装置２１の静電加速器２４を
排し、バンチャー２６に代えて、入射したイオンビーム
のバンチング、集束および加速ができるＲＦＱ３０を備
えている。

【００８０】上記ＲＦＱ３０は、イオンビームの進路を
取り囲むように配された４つの伝送線を備えている。対
角線上に対抗する２対のＱ電極が電極間のキャパシタン
スと電極を支えるポストのインダクタンスで結合された
共振器となり、これらが”π”モードにて共振すること
によって、大電流の直流ビームを効率良く、かつ、コン
パクトに、バンチング、集束、加速できる。

【００８１】上記構成では、図２に示す高周波加減速器
２７と同様に、ＲＦＱ３０より出射したイオン粒子がバ
ンチングする位置に高周波加減速器２７を配し、ＲＦＱ
３０と高周波加減速器２７との位相差を調整することに
よって、高周波加減速器２７は、ＲＦＱ３０からのイオ
ンビームを加速できる。

【００８２】本実施形態に係るイオン注入装置２１ａで
は、図２に示すイオン注入装置２１とは異なり、静電加
速器２４に代えて、ＲＦＱ３０を用いている。したがっ
て、イオン源２２および分析電磁石２３を、例えば、高
周波加減速器２７など他の部材に比べて、特に高電位に
保つことなく、イオンビームをバンチングして加速でき
る。この結果、静電加速器２４へ加速電位を供給する図
示しない高電圧電源が不要になる。また、上記イオン注
入装置２１のように、イオン源２２および分析電磁石２
３を高電圧キャビネット２９に収納する必要がなくなる
ので、イオン注入装置２１ａの構成をより簡略化でき
る。さらに、本実施形態では、イオン源２２および分析
電磁石２３が高電位にならないため、イオン源２２およ
び分析電磁石２３の取り扱いも容易になる。この結果、
高エネルギでイオンを注入できるコンパクトなイオン注
入装置２１ａを実現できる。

【００８３】なお、上記各実施形態では、例えば、高周
波加減速器２７を２つ直列に設けて、イオンビームを順
次加速しているが、高周波加減速器２７の数は、これに
限るものではない。単体で使用してもよいし、３つ以上
直列に設けてもよい。高周波加減速器２７の数は、エン
ドステーション２８にて必要とするイオンビームのエネ
ルギに応じて任意に設定できる。

【００８４】また、高周波加減速器２７は、上記各実施
形態に示す構成のイオン注入装置２１（２１ａ）に限ら
ず、他の構成のイオン注入装置にも適用できる。また、
上記各実施形態では、高周波加減速器２７をイオンの加
減速あるいはバンチングに用いているが、これに限るも
のではない。例えば、電子など、他の荷電粒子の加減速
あるいはバンチングに用いることができる。ただし、イ
オンの場合、電荷や質量が豊富であるため、種々の入射
エネルギを持つ。この結果、上記各実施形態に示すよう
に、入射エネルギに対するアクセプタンスの広い高周波
加減速器２７は、イオンの処理に特に適している。

【００８５】

【発明の効果】請求項１の発明に係る高周波加減速器
は、以上のように、共振回路は、導電体の容器内部に形
成された空洞に配され、駆動手段からの電力により励振
する複数の駆動用電極を備えており、上記空洞内の荷電
粒子の通路上には、上記駆動用電極によって、３つ以上
のギャップが形成されている構成である。

【００８６】それゆえ、高周波加減速器の構成を機械的
に変位させることなく、高周波加減速器の同期エネルギ
は、各共振モードに対応して複数設けられる。この結
果、従来に比べて、入射エネルギに対する高周波加減速
器のアクセプタンスを広げることができるという効果を
奏する。

【００８７】また、ギャップの数が同じであれば、駆動
用電極間に設けられる容器の壁の数を削減できる。した
がって、高周波加減速器へ入力される電力に対する加減
速電圧の比を従来に比べて高くでき、高周波加減速器の
効率をさらに向上できるという効果を併せて奏する。

【００８８】請求項２の発明に係る高周波加減速器は、
以上のように、請求項１記載の発明の構成において、上
記駆動手段は、上記共振回路の各共振モードの基本周波
数にて、当該共振回路を駆動する構成である。

【００８９】それゆえ、高周波加減速器において、イオ
ンの加減速に有利な同期エネルギを従来より多く設ける
ことができる。この結果、イオンビームの加減速あるい
はバンチングに特に適した高周波加減速器を実現できる
という効果を奏する。

【００９０】請求項３の発明に係る高周波加減速装置の
使用方法は、以上のように、請求項１記載の高周波加減
速器を複数直列に配し、初段は、荷電粒子をバンチング
させるバンチング部として動作させ、次段以降は、荷電
粒子を加減速する加減速部として動作させる構成であ
る。

【００９１】上記構成では、バンチング部と加減速部と
を同じ構成の高周波加減速器によって実現できるので、
別の構成のバンチング部を設ける場合に比べて、バンチ
ング部を含めた装置の製造や管理が容易になるという効
果を奏する。また、両者の構成が同じなので、同期エネ
ルギ調整時における高周波加減速装置の操作性を向上で
きるという効果を併せて奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、高周波
加減速器の要部を示す構成図である。

【図２】上記高周波加減速器を具備するイオン注入装置
を示す構成図である。

【図３】上記高周波加減速器の容器付近を示す斜視図で
ある。

【図４】上記高周波加減速器に設けられたコイルの支持
部材を示す平面図である。

【図５】上記高周波加減速器において、”π”モード時
における電極間の電界を示す説明図である。

【図６】上記高周波加減速器において、容器内のある点
における電界強度の時間変化を示すグラフである。

【図７】上記高周波加減速器において、”０”モード時
における電極間の電界を示す説明図である。

【図８】他の実施形態を示すものであり、上記高周波加
減速器を具備するイオン注入装置を示す構成図である。

【図９】従来例を示すものであり、高周波加減速器の要
部を示す構成図である。

【符号の説明】

１タンク（容器）２空洞２ａ第１ギャップ２ｂ第２ギャップ２ｃ第３ギャップ３第１電極（駆動用電極）４第２電極（駆動用電極）８電力入力部（駆動手段）２６バンチャー（高周波加減速器；バンチング部）２７高周波加減速器（高周波加減速器；加減速部）２７ａ共振回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に空洞が形成された導電体の容器を含
む共振回路と、該共振回路へ電力を供給する駆動手段と
を有する高周波加減速器において、上記共振回路は、上記空洞内に配され、上記駆動手段か
らの電力により励振する複数の駆動用電極を備えてお
り、上記空洞内の荷電粒子の通路上には、上記駆動用電極に
よって、３つ以上のギャップが形成されていることを特
徴とする高周波加減速器。
【請求項２】上記駆動手段は、上記共振回路の各共振モ
ードの基本周波数にて、当該共振回路を駆動することを
特徴とする請求項１記載の高周波加減速器。
【請求項３】請求項１記載の高周波加減速器を複数直列
に配し、初段は、荷電粒子をバンチングさせるバンチング部とし
て動作させ、次段以降は、荷電粒子を加減速する加減速部として動作
させることを特徴とする請求項１記載の高周波加減速器
の使用方法。