JP2000228299A

JP2000228299A - イオン注入装置のリニア加速器用の共振器及びその小型コイル

Info

Publication number: JP2000228299A
Application number: JP11357529A
Authority: JP
Inventors: William Frank Divergilio; フランクディバージリオウイリアム; Kourosh Saadatmand; サダトマンドコーロシュ; Stephen Michael Quinn; マイケルクインステファン
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2000-08-15
Also published as: KR20000067835A; KR100466701B1; US6208095B1; EP1014763A3; SG101927A1; EP1014763A2; TW441226B

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン注入装置のリニア加速器用の共振器及び
その小型コイルを提供すること。【解決手段】所定の周波数で共振する共振器(70)のため
の小型コイル(90)で、複数のほぼ円形状のコイルセグメ
ントを有し、各コイルセグメントが多角形の断面を有
し、隣接するコイルセグメントの平坦な面が互いに対面
する。多角形断面が長さｘと幅ｙの寸法を有する長方形
で、ｘの長さ寸法が隣接するコイルセグメントの平坦な
面を定める。コイルセグメントは、２チャンネル構造
で、コイル冷却媒体を導く２チャンネル構造であり、コ
イルの第１端部(94)で入口(100) と出口(102) が分離す
る入口通路と出口通路を有し、前記入口通路と出口通路
がコイルの第２端部(96)で連通するように接続されてい
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、一般的に高エネル
ギーイオン注入装置に関し、特に、このような注入装置
のリニア加速器に用いる小型ヘリカル共振コイルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は、集積回路の大規模製
造において、半導体に不純物を混入させるために、産業
界に望ましい技術として発展してきた。高エネルギーイ
オン注入装置は、基板内に深く注入するために用いられ
る。このような深い注入は、例えば、レトログレード・
ウエル(retrograde wells)を形成するために必要とされ
る。

【０００３】イートン社のＧＳＤ／ＨＥ，ＧＳＤ／ＶＨ
Ｅイオン注入機は、このような高エネルギーイオン注入
装置の一例である。これらの注入装置は、イオンビーム
を５ＭｅＶ（１００万電子ボルト）までエネルギーレベ
ルを高めることができる。本発明の譲受人であるイート
ンコーポレーションに譲渡された米国特許第４，６６
７，１１１号には、このような高エネルギーイオン注入
装置が記載され、本明細書において以下で十分に説明す
るための参考文献として、ここに包含される。

【０００４】図１には、一般的な高エネルギーイオン注
入装置１０のブロック図が示されている。このイオン注
入装置は、３つの部分またサブシステム、すなわち、
(a) 所望の電流とエネルギーのイオンビーム１７を出力
するために高電圧源１６によって電力が供給されるイオ
ン源１４を含むターミナル１２と、(b) イオンビームに
よって注入されるウエハＷを支持する回転ディスク２０
を含む端部ステーション１８と、(c) ターミナル１２と
端部ステーション１８の間に位置し、質量分析磁石２４
と無線周波（ＲＦ）リニア加速器２６（linac)を含むビ
ームラインアセンブリ２２とを備えている。最終のエネ
ルギー磁石（図１では省略）は、リニア加速器２６と回
転ディスクの間に配置することができる。

【０００５】ＲＦリニア加速器２６は、一連の共振モジ
ュール３０ａ〜３０ｎを含み、各モジュールは、前段の
モジュールから得られたエネルギーを有してイオンをさ
らに加速するための機能を有する。図２は、共振モジュ
ール３０の公知例を示し、円形断面を有し、共振器空洞
ハウジング（即ちタンク回路）内に内蔵される大きな誘
導コイルＬを含む。ＲＦ信号は、コンデンサＣｃを介し
てインダクタＬの高電位側端子に容量結合されている。

【０００６】加速電極３２は、インダクタＬの高電位側
に直接接続される。各加速電極３２は、２つの接地電極
３４，３６間に取り付けられ、それぞれギャップ３８，
４０によって分離されている。

【０００７】図３は、図２の共振器構造の単純な集中定
数型の等価回路を示す。コンデンサＣは、アースに対す
る高電位電極の容量、アースに対するコイルと電極支柱
の浮遊容量、およびコイルの内部容量を含んでいる。

【０００８】ＣとＬの値は、回路が共振状態を達成する
ように選択され、大きい振幅の正弦波電圧が加速電極３
２に与えられる。この加速電極３２と設置電極３４，３
６は、公知のプッシュプル方式で通過するイオンブーム
を加速し、パケット内に束ねられる(bunched into pack
ets)。ＲＦ正弦波電極電圧の負の半サイクルの間、正に
荷電されたイオンパッケットがギャップ３８を横切って
第１接地電極３４から加速される（加速電極３２によっ
て引っ張られる）。正弦波サイクルの変移点では、電極
３２はニュートラル状態であり、イオンパケットは、電
極３２（またドリフトチューブともいう。）を通過して
低速度でドリフトする。

【０００９】ＲＦ正弦波電極電圧の正の半サイクルの
間、正に荷電されたイオンパケットは、ギャップ４０を
横切って第２接地電極３６に向かって更に加速される
（加速電極３２によって押し出される）。このプッシュ
プル加速機構は次に続く共振モジュールで繰り返され、
共振モジュールは高電圧の無線周波数で振動する加速電
極を有する。これにより、エネルギーを加えることによ
ってイオンビームパケットを加速する。

【００１０】モジュールにおける連続する加速電極のＲ
Ｆ位相は、独立に調整され、イオンの各パケットが、Ｒ
Ｆサイクルにおける所定の時間で適当なギャップ位置に
到達して最大加速を達成することになる。

【００１１】図３において、分析には、３つの回路素子
の値Ｒ、Ｌ、Ｃをパラメータω（共振周波数）、Ｑ（qu
ality factor) 及びＺ（インピーダンス特性）によって
置き換えることが有効である。ここで、ω＝（ＬＣ）
^-1/2、Ｑ＝Ｒ／（ωＬ）、Ｚ＝ωＬ＝１／（ωＣ）＝
（Ｌ／Ｃ）^1/2 である。

【００１２】ωは、角周波数であり、２π×周波数（Ｈ
ｚ）に等しい。

【００１３】一定の電極電圧を得るのに必要な電圧を最
小にするために、ＱとインピーダンスＺの積を最大にし
なければならない。図４に示すような従来の共振器は、
高いＱを有する共振器のための公知の設計原理を用いて
設計される。このような設計は、コイル用の円形断面導
体を用いる。本発明によって考慮されるように長方形断
面のコンデンサを用いると、コイル軸線４７に平行な寸
法を短くし、高いＱを維持すると共に、より高いインピ
ーダンスのコイルを実現できる。

【００１４】コイルの軸線に平行な寸法がより短い導体
では、より小さい巻線ピッチを可能し、即ち、コイルの
全長を短くでき、アース（共振器ハウジング３１）に対
する容量を少なくすることができる。こうして、コイル
の容量に対するインダクタンスの比を増加させることが
できる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このような事情に鑑み
て、本発明は、イオン注入装置のリニア加速器用の共振
器及びその小型コイルを提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明
の小型コイルは、所定の周波数で共振できるリニア加速
器の共振器のために設けられている。このコイルは、複
数のほぼ円形状のコイルセグメントを有し、各コイルセ
グメントが多角形の断面を有し、隣接するコイルセグメ
ントの平坦な面が互いに対面している。多角形断面が長
さｘと幅ｙの寸法を有する長方形で、前記ｘの長さ寸法
が隣接するコイルセグメントの平坦な面を定める。コイ
ルセグメントは、２チャンネル構造で、コイル冷却媒体
をコイルに導く２チャンネル構造であり、コイルの第１
端部で入口と出口が分離する入口通路と出口通路を有
し、前記入口通路と出口通路がコイルの第２端部で連通
するように接続されている。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図５において、高エネルギーイオン注入
装置６０の断面概略図が示されている。このイオン注入
装置６０は、３つの部分、即ち、サブシステムとして、
イオンビーム発生用のイオン源６４、質量分析磁石６６
を含むターミナル６２と、複数の共振モジュール（共振
器）７０および最終エネルギー磁石（ＦＥＭ）７２を含
む無線周波数（ＲＦ）リニア加速器(linac) ６８と、イ
オンビームによって注入されるウエハを支持する回転デ
ィスクを一般的に含む端部ステーション７４とからなっ
ている。

【００１８】質量分析磁石６６は、適切な荷電質量比(c
harage to mass rate)を有するイオン源６４によって発
生したイオンのみがＲＦリニア加速器６８を通過するよ
うに機能する。質量分析磁石６６は、イオン源６４にお
いて、適切な荷電質量比のイオンを発生することに加え
て、所望よりも大きなあるいは小さな荷電質量比のイオ
ンを発生させるために必要である。不適当な荷電質量比
のイオンがウエハ内に注入されることは好ましくない。

【００１９】質量分析磁石６６を通過したイオンビーム
は、ＲＦリニア加速器６８に入り、そこで、通過するイ
オンビームに付加的なエネルギーを与える。ＲＦリニア
加速器は、粒子を加速する磁界を生じ、時間に対して磁
界を周期的に変化させ、その位相を調整して異なる速度
を有する粒子と同様に異なる原子量の粒子を収容する。
ＲＦリニア加速器６８は、一連の共振器モジュール７０
ａ〜７０ｎを有し、各モジュールは、前のモジュールか
ら得られるエネルギーを越えるエネルギーでイオンを加
速するように機能する。

【００２０】図６は、図５に示すＲＦリニア加速器６８
の拡大断面図である。図６に示すように、このＲＦリニ
ア加速器６８は、４つの共振モジュール７０ａ〜７０ｄ
を含み、そのうちの２つのモジュール７０ｂ，７０ｃだ
けが全体的に示されている。イオンビームがＲＦリニア
加速器６８を介して加速され、矢印７２の方向に移動す
る。４つの共振モジュール７０ａ〜７０ｄの上流側に
は、イオンをパケットとして束ねる集束用共振器７４，
７６が設けられている。

【００２１】図７及び図８は、図６のＲＦリニア加速器
６８で示した４つの共振モジュール７０の１つがより詳
細に示されている。各共振モジュール７０は、電気的に
アースされた共振器のアルミニウム製シールドまたはハ
ウジング９２内に内蔵されるインダクタンスＬの誘導コ
イル（小型コイル）９０を含んでいる。この誘導コイル
は、非円形（即ち多角形）断面（図１０参照）を有して
いる。ハウジング９２は、上部プレート９２Ａ、下部プ
レート９２Ｂ、及びこれらのプレート間に伸びて包囲体
を完成するダクト（図示略）を含んでいる。コイル９０
は、小型で、一般的に円筒状であり、電気的にアースさ
れた第１端部９４と第２端部９６を有する。第１端部９
４は、下部ハウジングプレート９２Ｂに終端し、第２端
部９６は、ハウジング９２の外方に伸び円筒状で、高電
圧電極またはドリフトチューブ９７に終端する。ドリフ
トチューブ９７の軸線９８は、円筒状コイルの軸線９９
と平行である。

【００２２】図１０について以下で説明するように、誘
導コイル９２は、銅で作られており、コイル内部に冷却
水を循環させるための２つのチャネル手段が内部に設け
られている。冷却水は、コイル入口１００から供給さ
れ、出口１０２から排出される。コイルを冷却する水に
よって、電流の流れによって生じる熱を消散する。

【００２３】本発明の共振モジュール７０は、改良され
た調整・整合機構を提供する。このチューニング機構
は、銅で作られ電気的にアースされた弓状プレート１０
４と、銅製コイル９０の対応する部分１０６と、これら
の間の空間で誘電体として作用する空気からなる調整コ
ンデンサＣｓの形式で与えられる。弓状プレート１０４
を設けたチューニング機構は、コイルの軸線に沿ってコ
イルを伸縮することなく共振器のチューニングを与え
る。

【００２４】弓状プレート１０４は、コイル９０の方に
移動するので、共振器（図２参照）の全体の浮遊容量Ｃ
ｓを減少させ、これにより、共振器７０の共振周波数を
増加させる。逆に、弓状プレート１０４をコイル９０か
ら引き離すと、共振器の浮遊容量Ｃｓが増加するので、
共振器７０の共振周波数を減少させることができる。こ
のように、共振器７０の共振の状態を維持するために、
Ｌ×Ｃｓの積は、Ｃｓにおけるドリフトと操作中のＬに
おける変化を調整するようにＣｓを変えることによって
一定値に保たれる。

【００２５】リニア駆動機構１０８により、弓状プレー
ト１０４をコイルに対して接近離間させる二方向の動き
が与えられる。調整サーボモータ（図示略）は、リニア
駆動機構１０８を作動させるように機能する。この調整
サーボモータは、チューニング制御ループ（図示略）の
一部分であり、従来技術においてサーボモータを機能さ
せてコイルを伸縮すると同様に、共振器の位相制御回路
からの誤差信号を入力して共振器の共振周波数における
ドリフトを正す。チューニング制御ループは、弓状プレ
ート１０４の位置に対してフィードバックを与えるため
の位置エンコーダを含んでいる。

【００２６】共振器７０の整合機構は、銅製の弓状プレ
ート１１０と銅製コイル９０の対応する部分１１２と、
これらの間の空間で誘電体として作用する空気からなる
整合コンデンサＣｃの形で設けられている。それゆえ、
ＲＦ信号は、コネクタ１１４、摺動可能なＲＦ結合ロッ
ド１１６、及びコンデンサＣｃを介してコイルに容量結
合されている。コンデンサＣｃは、ＲＦ源のインピーダ
ンス（一般的に５０Ω）と回路のインピーダンスＲL
（一般的に１ＭΩ）を整合させるための変圧器として機
能し、回路からＲＦ源に戻る入力信号の反射を最小にす
る。

【００２７】弓状プレート１１０は、コンデンサＣｃの
容量を減少または増加させるためにコイルに対して接近
離間させることができる。図７及び図８に示す位置で、
ＲＦ信号をコイル９０に容量結合させることにより、コ
ンデンサＣｃとコイルの高電位端９６との間にアークが
生じる危険が大いに減少する。

【００２８】図９は、図８のコイルのみを示し、図１０
Ａは図９の１０−１０線に沿って見たコイルの断面図を
示している。共振器７０は、１３．５６ＭＨｚまたは２
７．１２ＭＨｚの周波数で共振するように設計されてい
る。共振時、８０．０００ボルト（８０ＫＶ）の電圧が
共振器によって加速電極９７に発生する。このように高
い電圧の発生には、コイルを通過する高電流が必要とさ
れるので、共振器の作動中、熱が発生する。このため、
本発明では、共振コイルを冷却するために冷却水手段が
設けられている。

【００２９】図１０Ｂに示すように、コイル９０は、コ
イル入口１００に直接接続された入口通路１１８と、コ
イル出口１０２に直接接続された出口通路１２０とを有
する２チャンネル構造を有する。コイル９０の高電圧端
９６では、入口通路と出口通路１１８，１２０が一緒に
なって接合点（図示略）で連通し、その結果、水等の冷
却媒体が連続して流れるパターンが形成される。このよ
うに、コイル入口１００を介して入口通路１１８に導か
れる水は、接合点を通り、出口通路１２０とコイル出口
１０２を介してコイルから排出される。

【００３０】図１０Ｂに示すように、コイルの断面は、
長さｘと幅ｙの寸法を有する長方形である。好ましい実
施例では、ｘ＝０．５ｃｍ，ｙ＝２．４ｃｍで、コイル
セグメント９０ａ〜９０ｎを分離する距離は、ｚ＝０．
５ｃｍである。断面のｘの寸法は、互いに対面するコイ
ル９０の個々に隣接するコイルセグメント９０ａ〜９０
ｎの平坦な面１２２を定める。このように、コイルによ
って運ばれる電流は、図２に示すように円形断面のコイ
ルの接線方向部分に集中する代わりに、このような平坦
な面１２２全体に分布することになる。

【００３１】このように、コイルセグメント９０ａ〜９
０ｎの断面は、正方形等の平坦な面１２２を有するどの
ような多角形であっても良い。しかし、長さｘが幅ｙよ
りも大きい長方形断面を作ることによって、コイルは、
より圧縮することができ、これにより、共振器のＱを減
少させることなく複素インピーダンスＺ（ω）を増加さ
せることができる。

【００３２】こうして、本発明の小型のコイル構造は、
高いＱを有する高効率の共振器で従来のものよりより電
力損失が小さい共振器を達成することができる。円形断
面を有するコイルと比較すると、本発明のコイルは、よ
り小さな巻線ピッチ（即ち、より多くのコイルセグメン
ト）とすることが可能であり、それゆえ、単位長さのコ
イルに対してより高いコンダクタンスを有する。このよ
うに、より短いコイル設計は、アースに対する容量を少
なくする。共振器において、容量を少なく、かつ高いコ
ンダクタンスを生じるようにすれば、高いインピーダン
スを有することになる。このように高いインピーダンス
を有する設計は、より高い周波数、例えば、ω＝２７．
１２ＭＨｚで作動するＨＥイオン注入機は、１３．５６
ＭＨｚのイオン注入機よりも電力損失が大きくかつ効率
が小さいので、特に重要である。

【００３３】以上、イオン注入機のリニア加速器のため
の改良された小型共振器の好ましい実施形態を記載して
きた。しかし、上述の記載は、一例として説明されたも
のであり、本発明は、個々に記載した特定の実施形態に
限定されるものではなく、種々の再構成、変更及び修正
が、本発明の範囲から逸脱しないで作ることができるこ
とは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の共振コイルアセンブリを含むリニア加速
器を有するイオン注入装置の概略ブロック図である。

【図２】図１に示すイオン注入装置で用いられる従来の
共振コイルアセンブリの概略図である。

【図３】図２の共振コイルアセンブリの等価回路を示す
回路図である。

【図４】図２の共振コイルアセンブリの断面図である。

【図５】本発明の原理に従って構成された共振コイルア
センブリを含むリニア加速器を有するイオン注入装置の
概略ブロック図である。

【図６】図５のイオン注入装置のリニア加速器の拡大断
面図である。

【図７】図６のリニア加速器に示す４つの共振モジュー
ルの１つを示す斜視図である。

【図８】８−８線に沿って見た図７に示す共振モジュー
ルの断面図である。

【図９】図８の共振モジュールのコイルだけを示す図で
ある。

【図１０】１０Ａは１０−１０線に沿って見た図９のコ
イルを示す断面図であり、１０Ｂは、１０Ａのコイルの
断面の一部を拡大した図である。

【符号の説明】

６０イオン注入装置６２ターミナル６４イオン源６６質量分析磁石６８ＲＦリニア加速器７０共振モジュール７０ａ〜７０ｎコイルセグメント９０誘導コイル９２ハウジング９４第１端部９６第２端部９８，９９軸線１００入口１０２出口１０４，１１０弓状プレート１１８入口通路１２０出口通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 7/02 Ｈ０５Ｈ 7/02 9/00 9/00 Ｂ (71)出願人 390033020 ＥａｔｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者コーロシュサダトマンドアメリカ合衆国マサチューセッツ 01860 メリーマックウイローデイルドライブ６ (72)発明者ステファンマイケルクインアメリカ合衆国マサチューセッツ 01930 グロウセスターフェルナルドストリート 34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の周波数で共振する共振器(70)のため
の小型コイル(90)であって、複数のほぼ円形状のコイルセグメント(90a〜90n)を有
し、各コイルセグメントが多角形の断面を有し、隣接す
るコイルセグメントの平坦な面が互いに対面することを
特徴とする小型コイル。
【請求項２】前記多角形断面が長さｘと幅ｙの寸法を有
する長方形で、前記ｘの長さ寸法が隣接するコイルセグ
メント(90a〜90n)の平坦な面を定めることを特徴とする
請求項１記載の小型コイル。
【請求項３】前記所定の周波数は、少なくとも２７メガ
ヘルツ（ＭＨｚ）であることを特徴とする請求項２記載
の小型コイル。
【請求項４】前記コイルセグメント(90a〜90n)は、コイ
ル冷却媒体を導く２チャンネル構造であり、コイルの第
１端部(94)で入口(100) と出口(102) に分離する入口通
路(118) と出口通路(120) を有し、前記入口通路と出口
通路がコイルの第２端部(96)で連通するように接続され
ていること特徴とする請求項２記載の小型コイル。
【請求項５】前記コイルは、銅で作られていることを特
徴とする請求項２記載の小型コイル。
【請求項６】リニア加速器(68)において所定の周波数で
共振するための共振器(70)であって、(a) 長手軸線(99)
を有し、低電圧の第１端部(94)と高電圧の第２端部(96)
を備える固定位置の誘導コイル(90)と、(b) この誘導コ
イルに接続される無線周波数(RF)入力と、(c) 前記誘導
コイルと並列に接続されたコンデンサ（Ｃｃ）と、(d)
長手軸線(98)を有し、前記コイル(90)の高電圧の端部(9
6)に配置される円筒状のドリフトチューブ(97)とを含
み、このチューブの長手軸線(98)と前記コイル(90)の長手軸
線(99)が互いにほぼ平行になっていることを特徴とする
共振器。
【請求項７】低電圧の端部(94)は、電気的にアースされ
ていることを特徴とする請求項６記載の共振器。
【請求項８】前記ＲＦ入力は、第２コンデンサ（Ｃｃ）
を介して誘導コイル(90)に容量結合されていることを特
徴とする請求項６記載の共振器。
【請求項９】前記所定の周波数は、少なくとも２７メガ
ヘルツ（ＭＨｚ）であることを特徴とする請求項６記載
の共振器。
【請求項１０】前記コイルは、銅で作られていることを
特徴とする請求項６記載の共振器。