JP2001043825A

JP2001043825A - イオン注入装置およびイオン注入方法

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Publication number: JP2001043825A
Application number: JP2000158584A
Authority: JP
Inventors: Hilton F Glavish; エフ．グラヴィッシュヒルトン; John Stuart Gordon; スチュアートゴードンジョン
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-02-16
Anticipated expiration: 2020-05-29
Also published as: EP1056113A2; EP1056113A3; US6423976B1; JP4986317B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高エネルギービームを発生するとともに、低
エネルギーで良好なビーム電流で作動し得る少なくとも
１つの高周波加速器ステージを用いるイオン注入装置を
提供する。【解決手段】イオン注入装置は、２つの三間隙高周波
加速器ステージを用いて質量選択後注入エネルギーをブ
ーストする。加速器ステージの電極はスリット状のアパ
ーチャを有し、加速器がドリフトモードの時に高ビーム
電流を収容する。加速器のパラメータを特に選択するこ
とにより、加速器ステージの入口範囲が印加高周波電圧
の略位相角に渡っていても、加速器は各々エネルギー拡
散が比較的小さい加速イオンを発生する。結果としての
加速器は柔軟であり、良好なビーム力学で広範な出力エ
ネルギー変化を可能とする。第１三間隙ステージからイ
オン束が生じ、イオン速度を調節することによって正確
な飛行時間を有し加速用第２ステージに到達する一方、
二ステージの電界の高周波位相は一定値に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン注入装置およ
びイオン注入方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は長年にわたって半導体
ウェーハ処理に使用されてきた。一般に所要種のイオン
ビームが生成され、ウェーハその他の半導体基板に送出
されて、イオンはウェーハの表面下に注入されることに
なる。通常注入技術を用いてウェーハ中に所要ドーパン
トのイオンを注入することによって、導電状態の変化し
た半導体ウェーハ内領域が生成される。このために用い
られる代表的なイオン種はホウ素、燐、ヒ素、アンチモ
ンである。しかし例えば酸素等他のイオン種も他の目的
で用いられる。

【０００３】注入イオンがウェーハ表面に浸透する深さ
はイオンビーム中のイオンのエネルギーに大きく左右さ
れる。半導体産業は例えば部品サイズの小さい微細構造
には極めて浅い注入を求める一方、例えば埋設層には比
較的深い注入を求めている。また半導体処理産業の全般
的要請として、処理時間の可能な限りの短縮があるが、
これは半導体ウェーハに単位面積、単位時間毎に注入す
るイオン量の可能な限りの増大を意味する。これが意味
するのは、イオン注入が、単位時間毎にウェーハ表面に
到達するビーム中の所要イオン数の基準である、高ビー
ム電流で実施されることである。

【０００４】（一重荷電イオンの場合）約２００ｋeＶ
までのビームエネルギーは静電加速装置を用いて極めて
容易に得ることができるが、該装置においてイオン源は
注入されるウェーハに対して一定電圧に保たれ、該一定
電圧は注入時ビーム中のイオンのエネルギーを規定す
る。

【０００５】すでに周知のように高周波線形加速器は高
ビームエネルギーの達成に有用である。

【０００６】線形加速器構造は所定注入エネルギーで加
速器に注入される所定質量／電荷比の荷電粒子を加速す
る。高周波線形加速器の固有の特質は、加速器を通過す
る粒子あるいは粒子束が必ず連続加速間隙に印加される
電圧の正弦波形の正確な領域で該間隙に到達するという
ことである。基本的に各粒子（あるいは粒子束）は加速
空洞を横断するので、所定時間に間隙の電界によって決
まる所定エネルギー量（速度増）を受取る。加速器が特
定の質量／電荷比および注入エネルギーの粒子にセット
アップされている場合、第１間隙によって加速された粒
子は次の加速間隙に、まさに該間隙の電界が更なる加速
を行うのに最適であるように到達する。エネルギーは同
一だが第１間隙を横断する質量対電荷比が高い粒子は低
速で第１間隙から移動し、従って次の間隙に印加される
高周波波形で晩期に該間隙に到達する傾向がある。同様
に、第１間隙を横断する軽量粒子は第２間隙に早期に到
達する。この過剰な加速間隙の累積効果によって、加速
器がセットアップされている質量対電荷比と異なる質量
対電荷比の粒子は、以後の加速間隙に粒子が適切に加速
されない時間に到達する。

【０００７】線形加速器技術において周知のように、イ
オン種の異なる高エネルギービームを発生させるため、
加速器のセットアップは選択イオンの質量対電荷比を整
合させる変更を必要とする。注入に有用なイオンの中で
一重荷電ホウ素（Ｂ⁺）は約１１の質量／電荷比を有し、
一重荷電燐（Ｐ⁺）は約３１の質量／電荷比を有する。
一重荷電ヒ素は約７５の質量対電荷比を、一重荷電アン
チモンは約１２２の質量対電荷比を有する。

【０００８】イオン注入における高周波線形加速器の使
用は少なくとも１９７６年以来提案されており、「単一
ステージ加速器のアップグレード」（ベッジ他、４６１
〜４６８ページ）、小型加速器の科学的工業的応用に関
する第４回会議議事録（１９７９年１０月２７〜２９
日、ノーステキサス州立大学）、および「ハイデルベル
クＭＰタンデム加速器における重量イオンの加速後」
（１９７６年５月ハイデルベルク、マックス・プランク
研究所核物理学Ｊ．Ｐ．ヴュルム編集）がある。米国特
許第４６６７１１１号は２ｍeＶ以上の極限ビームエネ
ルギーを供給する高周波線形加速器を組み込んだイオン
注入装置を開示している。高周波線形加速器は一連のい
わゆる二間隙加速空洞から形成される。加速器をセット
アップするには、加速器の連続空洞内に高周波電界の周
波数を同一に保った状態で、ある二間隙空洞の波形の位
相を先の二間隙空洞に対し調節し、その波形の正確な点
を到来する選択種イオンに与えるようにする。結果とし
ての二間隙手段は達成性能に対し極めて長大となる傾向
がある。上記公報は連続した１０以上の二間隙空洞の使
用を意図しているとともに比較的低いビーム電流に制限
される。低ビーム電流は高エネルギーでは申し分ない
が、装置を比較的低いエネルギーで作動する時は処理速
度向上のため高ビーム電流が望ましい。

【０００９】特開平９−２３７７００は１つ以上の三間
隙高周波加速器空洞を形成した高周波加速器を用いるイ
オン注入装置を開示している。これに関連して線形加
速器技術では、例えば上記米国特許で用いられている二
間隙加速器空洞は一定の、通常接地電位の入口、出口電
極と、高周波が印加される単一中間電極とを有し、これ
によって高周波電極の対向する側に一対の加速間隙を形
成する。周知のように三間隙空洞は一定の、通常接地電
位の入口、出口電極と、３つの間隙を画成する一対の中
間電極とを有する。中間電極は逆極性の高周波によって
励起される。従って励起高周波電圧の振幅がＶである場
合、空洞の最初と最後の間隙の最大加速電位はＶであ
り、２つの中間電極間の最大加速電位は２Ｖである。

【００１０】上記特開平９−２３７７００によれば、三
間隙高周波加速器空洞への注入エネルギーは比較的高い
と思われる。上記公報は通常の分析マグネットの下流で
はなく三間隙空洞の上流に何らかの形のビーム加速器を
意図しており、該加速器はイオン源から放出されたイオ
ンから注入に必要な特定種のイオンを分離する。米国特
許第５８０１４８８号は上記特開平９−２３７７００と
同一譲受人に譲渡されているが、三間隙線形加速器ステ
ージの上流に具備された高周波磁気的４重極加速器を開
示している。

【００１１】同一装置の特徴を開示する特開平７−５７
８９７、特開平７−５７８９８や論文「高エネルギーイ
オン注入装置用高周波・三間隙高周波加速器を用いるビ
ーム線の開発」（藤沢他、１９９８年６月２４日京都Ｉ
ＩＴにて発表）もあげることができる。

【００１２】全般的に上記日本国引例の開示する注入手
段は極めて大型で製造コストが高いと思われる。さら
に、比較的低いエネルギーで作動する時、ビーム電流は
極めて小さい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高エ
ネルギービームを発生するとともに低エネルギーで良好
なビーム電流で作動し得る少なくとも１つの高周波加速
器ステージを用いるイオン注入装置を提供することであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】従って一態様によれば、
本発明はイオン注入装置において、第１エネルギーにあ
る注入イオンのビームを発生するイオンビーム発生器
と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加
速するよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、
を備え、前記アセンブリは前記ビームのイオンのエネル
ギーを変化させる一連の間隙を画成する複数の電極を備
え、前記電極はイオンが通過する複数のアパーチャを有
し、加速器アセンブリの間隙を画成する電極のアパーチ
ャはそれぞれビーム方向と交差する第１直交方向の第１
寸法とビーム方向と交差する第２直交方向の第２寸法と
を有し、第１間隙を画成する少なくとも第１電極のアパ
ーチャの第１寸法は前記第１電極アパーチャの第２寸法
より小さい、イオン注入装置を提供する。この第１電極
のアパーチャはスリット状であってよい。このような電
極アパーチャ形状では、小さい第１寸法はアパーチャへ
の電界浸透を制限するのに効果的である。これは電極ア
パーチャの電位を確保するのに重要であり、ビームの中
心軸位置においても電極の電位とほとんど同一である。
さもないと過剰な電界浸透によって、低い高周波電圧を
必要とする電極をビーム方向に長くしなければならなく
なる場合がある。また、電界浸透の減少は加速器の間隙
のいわゆる「走行時間係数」を大きくすることによって
効率を向上し得る。一方大きい第２寸法は、第２寸法よ
りはるかに小さい前記第２直交方向幅を有するビーム中
の電極アパーチャを通過するイオンに関し、前記第２直
交方向の電界の合焦作用を低減し得る。

【００１５】ビーム方向でアセンブリの第１電極から離
隔した第２電極も、第１寸法が第２寸法より小さいアパ
ーチャを有してよい。アセンブリの少なくとも第１空洞
の全電極がこのように形成されるのが好ましい。

【００１６】この構成は特にビーム合焦用の磁気的４重
極と組み合わせると、加速ビームイオンを励起する時ば
かりでなくドリフトモードで作動する時も、加速器アセ
ンブリを貫通すビーム電流を高めることができる。こう
した状況において「ドリフトモード」は、高周波電圧が
高周波加速器アセンブリの電極のいずれにも印加されな
い状態でイオン注入装置を作動することを示し、イオン
は「第１エネルギー」あるいは注入エネルギーで、ある
いは減速装置が具備されている場合それより低いエネル
ギーでも高周波加速器に注入される。

【００１７】線形加速器アセンブリの全長を最小限とす
るために、該アセンブリは少なくとも１つの三間隙線形
加速器ステージから形成されるのが好ましい。３つの間
隙空洞から形成される線形加速器は、２つの間隙空洞か
ら形成される同等加速器によって得られると同じエネル
ギー増分を行うため全体的に短縮可能である。

【００１８】また本発明は、イオン注入装置において、
所定の質量／電荷比を有すると共に注入エネルギーＥで
ある注入イオンビームを発生するイオンビーム発生器
と、前記イオンビームが前記注入エネルギーで送出され
る対象とされ、励起時に前記ビームのイオンを第２エネ
ルギーに加速するよう設けられ、一定電位に保持された
入口電極と一定電位に保持された出口電極とを備える三
間隙線形加速器ステージと、前記入口、出口電極電極間
に直列配置された第１、第２高周波電極と、逆極性で所
定周波数ｆの高周波電圧を前記第１、第２電極にそれぞ
れ印加する高周波発生器とを備え、前記入口電極および
第１高周波電極は第１加速間隙を画成し、前記第１、第
２高周波電極は第１間隙の中心点から第１の所定間隔ｄ
_１の中心点を有する第２加速間隙を画成し、前記第２高
周波電極および出口電極は第２間隙の中心点から第２の
所定間隔ｄ_２の中心点を有する第３加速間隙を画成する
とともに、前記間隙のいずれかで絶縁破壊が生ずる高周
波エネルギーの最大振幅以下の振幅において、前記ビー
ムの注入イオンが第１間隙の高周波電界が最大減速電界
から最大加速電界に上昇する時第１間隙を横断し、次い
で第２間隙の電界が最大加速電界時に第２間隙を横断
し、第３間隙の電界が最大加速電界から最大減速電界に
下降する時第３間隙を横断するよう注入エネルギーＥと
周波数ｆと間隙間隔ｄ_１、ｄ_２とが選択されるよう構成
されたイオン注入装置を提供する。

【００１９】線形加速器作動の標準的な方法によれば、
加速器の長手方向に通過するイオン束が、最大加速を発
生する各加速間隙の高周波電界のピーク時あるいは直前
に該間隙に到達するよう、加速器を駆動・構成する必要
がある。ピーク直前に到達させることによって、時間的
に相違して到達する束中のイオンによってなされる電界
強度の変化は束中の晩期に到達するイオンの加速を大き
くし、束中の早期に到達するイオンの加速を小さくする
傾向がある。従ってイオンが加速器を通過する時、束に
なる傾向が維持される。

【００２０】しかしすでに周知のように、三間隙加速器
ステージの作動には際立った利点があり、第１間隙の最
大加速電界点以前の第１間隙に到達するイオンは最大加
速電界で第２間隙に到達し、最大加速電界点以後の第３
間隙を横断することになる。このように加速器ステージ
をセットアップすることで加速器に注入されるビームか
らのイオンの受入れが最大となる。第１間隙を横断する
イオンに生じたエネルギー拡散は、イオンが第３間隙を
横断する時再びなくなる傾向がある。この結果、加速器
ステージは、該加速ステージを離れるイオンのエネルギ
ーの所望パーセンテージ拡散を得るために、大きな高周
波位相角拡散にわたって第１間隙を横断するイオンを受
入れることができる。第１間隙で生じるエネルギー拡散
が第３間隙に到達する時間によってイオンの位相拡散を
低減させるのに効果的である場合、第３間隙はエネルギ
ー拡散をそれほど効果的になくさなくともよい。しかし
このようなイオンはまた第２間隙を横断する時位相拡散
が小さいので、第２間隙で生ずるエネルギー拡散は低減
される。全体的な効果は加速器ステージを離れるイオン
の全体的パーセンテージエネルギー拡散の低減とほぼ同
等である。

【００２１】また重要なのは、このような装置は加速ス
テージを様々な高周波電圧振幅で使用可能とすることで
ある。高周波振幅を最大値から減少させることは、加速
ステージを通過するビームイオンに付与されるエネルギ
ー増分を減少させる効果がある。重要なのは、加速器ス
テージを上記のように作動するよう構成することによっ
て、加速器ステージを通過し目標エネルギーに加速され
る注入イオンの比率が、広範囲の印加高周波電圧にわた
って維持されることである。これは加速器ステージを、
注入イオンビームにエネルギー増分範囲を与える一方、
加速されたビーム中のビーム電流を良好に維持するよう
作動可能とする。

【００２２】これはイオン注入にとって特に重要であっ
て、ここではイオンを適切に規定されたエネルギーでタ
ーゲット基板に送出するのが極めて重要なのである。高
周波線形加速器ステージによって加速されたイオンの過
度のエネルギー拡散は、所要目標エネルギーを有するビ
ーム中のイオンが少なくなる結果となり、これによって
ターゲット基板での所要エネルギーの有効ビーム電流が
減少する。

【００２３】また本発明は、ターゲット基板へのイオン
注入方法において、第１エネルギーのイオンのビームを
発生するステップと、ビーム方向に沿ってタンデムの少
なくとも第１、第２のブースタステージを有する高周波
加速器アセンブリを用いてビーム中のイオンのエネルギ
ーを第２エネルギーに変化させるステップとを備え、各
ブースタステージは入口、出口電極と、一連の間隙を画
成し前記ビームのイオンのエネルギーを変化させる少な
くとも１つの中間高周波電極とを備え、第１ブースタス
テージの出口電極および第２ブースタステージの入口電
極は両者間に、ビームイオンが高周波電界を受けないブ
ースタステージ間のドリフト距離を画成し、前記ドリフ
ト距離での第１ブースタステージから第２ブースタステ
ージまでのイオン束の速度、従って飛行時間が調節され
る一方、各ステージの電界位相を一定値にそれぞれ固定
するよう構成されたターゲット基板へのイオン注入方法
を提供する。これは線形加速器の第２ステージでイオン
束の到着時間を制御する極めて簡単かつ便利な方法を提
供する。このため高周波加速を用いて、質量対電荷比の
範囲以上のイオン種を高エネルギーイオン注入に有用な
エネルギーまで加速するが、両ブースタステージの位相
を別々に変化させるという複雑化には拠っていない。

【００２４】これを達成する一方法は、第１ブースタス
テージの高周波電界の振幅を調節することであり、これ
によって第１ブースタを出る束のエネルギー、すなわち
速度を調節する。

【００２５】特に線形加速器のセットアップはドリフト
距離でのイオン速度を変化させることによって第１質量
／電荷比のイオンビームの加速から第２質量／電荷比の
イオンビームの加速へ変化させる一方、第１、第２ブー
スタステージの高周波電界の位相をそれぞれ一定値に固
定状態としてよい。このように、加速器のセットアップ
は容易に変更して質量電荷比の異なるイオンを加速する
ことができる。

【００２６】ドリフト距離は入口、出口電極間の第１ブ
ースタステージの長さ以上であるのが好ましい。その場
合第１ブースタステージを出たイオン束の比較的少ない
速度（エネルギー）変化は、第２ブースタステージでの
イオン束の到着時間に実質的な効果を与え得る。

【００２７】別の態様によれば、本発明はイオン注入装
置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビーム
を発生するイオンビーム発生器と、励起時に前記ビーム
のイオンを第２エネルギーに加速するよう設けられた高
周波線形加速器アセンブリであって、前記アセンブリ
は、ビーム方向に沿ってタンデムの少なくとも第１、第
２の共振空洞を有し、前記空洞は入口、出口電極と、一
連の間隙を画成し前記ビームのイオンのエネルギーを変
化させる複数の電極と、第１周波数の高周波エネルギー
の第１電源を前記第１空洞に供給する高周波電源とを備
え、前記第１空洞は第１周波数で共振しこれにより第１
空洞内の電極間隙間に対応第１高周波加速電界を生成
し、前記第１電界は位相および振幅を有し、前記高周波
電源は前記第１周波数と同一あるいはその高調波である
第２周波数の高周波エネルギーの第２電源を前記第２空
洞に供給し、前記第２空洞は第２周波数で共振しこれに
より第２空洞内の電極間隙間に対応第２高周波加速電界
を生成し、前記第２電界は位相および振幅を有する、励
起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速する
よう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、第１空
洞内の第１電界の振幅を調節することによって、第１空
洞から第２空洞までのイオン束の飛行時間を調節する一
方、前記第１、第２電界の位相を一定値に固定状態とす
るコントローラとを備える、イオン注入装置を提供す
る。

【００２８】次に本発明の好ましい実施例を説明する。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の各態様は、バッチウェー
ハを同時処理する注入装置と単一ウェーハを一つずつ処
理する単一ウェーハ注入装置の両方を含む、異なる多く
の種類のイオン注入装置において使用可能である。図１
は高周波線形加速器アセンブリ１０を組み込んだ単一ウ
ェーハ注入装置を示している。図１の簡略化した装置に
おいて、注入装置は所定エネルギーＥのイオンビームを
分析マグネット１２に送出するイオン源１１を備える。
所要速度×質量／電荷（ｍ／e）比のイオンのみが分析
マグネット１２の出口の質量選択スリット１３を通過
し、なおエネルギーＥのビーム１４として高周波加速器
アセンブリ１０に入る。高周波加速器アセンブリ１０を
出たビームは次にビームスキャン装置１５に入るが、該
装置はイオンビームをビーム方向と交差する方向１６に
往復スキャンするよう設けられている。スキャン装置１
５は静電的なものでも電磁的なものでもよい。電磁スキ
ャン装置は特に高速流ビームの応用において好ましい。
好適な電磁スキャン装置は米国特許第５３９３９８４号
に開示されている。スキャンされたビームは次にプロセ
スチャンバ１７に入るが、該チャンバ内には半導体基板
１８がホルダ１９に保持されている。ホルダ１９は全体
として２０で示される機械的スキャン機構に装着される
が、該機構は、図１において紙面に垂直な方向とスキャ
ンビーム面の幅方向にウェーハを往復運動させるよう作
動可能である。ビームスキャンとウェーハホルダ１９の
機械的スキャンの組合せによって、ビームは注入処理中
にウェーハのあらゆる部分をスキャンし得る。処理済み
ウェーハはホルダ１９から取り外されてプロセスチャン
バ１７から移動され、処理用の新しいウェーハがプロセ
スチャンバ１７に導入され、ロードロック２１を介し且
つ簡略化のため本図に図示しないロボット操作機構を用
いて１回に１つずつホルダ１９に装着される。

【００３０】単一ウェーハ注入装置の詳細は米国特許第
５００３１８３号および同第５２２９６１５号から、ま
た国際特許出願第ＷＯ９９／１３４８８号からのプロセ
スチャンバの好ましい形態から決定し得る。注入装置の
イオン源、質量選択マグネット、スキャン・処理機構の
具体的詳細は本発明の態様にさほど重要ではなく、本発
明の態様は、もっぱら上記従来例で開示されたような注
入装置でイオンエネルギーを増大するのに使用可能な高
周波加速器アセンブリの装置に関係する。

【００３１】本発明はバッチ注入装置にも適用可能であ
るが、該注入装置は通常もっぱら機械的スキャンに拠っ
てバッチ半導体ウェーハを同時処理する。ウェーハは通
常回転ホイールの周辺部の周りに装着され、該ホイール
は回転してイオンビーム線を横切ってウェーハを１つず
つ移動する。その間ホイールの回転軸は左右に往復運動
して直交方向のスキャンを完了する。

【００３２】初めに参照した米国特許第４６６７１１１
号はこのようなバッチ型注入装置について記載してい
る。また標準的なバッチ型注入装置の詳細については米
国特許第５３８９７９３号を参照するとよい。

【００３３】もう一度図１を参照すると、高周波加速器
アセンブリ１０は三間隙加速器ステージとして示されて
おり、逆極性の高周波電圧が電源２２から２つの中心電
極にそれぞれ印加される。加速器アセンブリの構造・構
成の詳細は以下の説明から明らかになる。

【００３４】またバンチャー２３は、通常、加速器アセ
ンブリ１０の前方に組み込まれ、注入エネルギーのイオ
ン束を加速器に向けて形成・送出して、加速器アセンブ
リによって加速可能な束になっていないビームからのイ
オンの比率を増大させる。このようなバンチャーは公知
であり、ビームイオン中に制御されたエネルギー拡散を
生じ、イオンは加速器アセンブリに入ると物理的に束ね
られることになる。公知のバンチャーは、束ねられたイ
オンの平均エネルギーの全体的増加を招くことなく、束
になっていないビームイオンの最大比率を束にするため
に捕捉するよう構成されている。図１においてバンチャ
ー２３は高周波電源２４から通電される中心電極を有す
る二間隙装置として示されている。バンチャーの目的お
よび作用は「線形加速器の理論」（Ａ．Ｄ．ヴラゾフ
著、第２．５章、１９６８年イングリッシュトランスレ
ーション刊）に記載されている。

【００３５】また高周波加速器アセンブリ１０に続い
て、通常ビーム方向に沿って、全体として図１において
２５で示されるエネルギーフィルタが設けられる。イオ
ン注入装置において高周波加速器の次にエネルギーフィ
ルタを用いることは周知である。例えば「高周波加速を
用いた高エネルギーイオン注入装置の製作」（グラヴィ
シュ他著、物理学研究における核計測と方法、Ｂ２１
(１９８７年)２６４−２６９）参照。エネルギーフィル
タは半導体基板に注入される、加速器からのイオンのエ
ネルギー範囲を制限するのに用いられる。

【００３６】エネルギーフィルタは静電屈折器あるいは
分析マグネット等の公知の形態をとってもよい。

【００３７】図２は、図１のイオン注入装置に高周波加
速器アセンブリ１０として組み込み可能な高周波加速器
アセンブリの好ましい実施例を示す。図２において、分
析マグネットからのイオンビームは矢印３０の方向の左
側から入り、略軸３１の線に沿って加速器を通過する。

【００３８】加速器はタンデムの２つの三間隙高周波ブ
ースタ空洞から形成され、全体として３２、３３で示し
てある。図２は全体として加速器アセンブリの正面図で
あるが、アセンブリの真空チャンバの外壁の一部は破断
されていて、空洞３２、３３によって示される両加速ス
テージの電極の位置が分かる。

【００３９】従って、空洞（あるいはステージ）３２は
入口電極３５と出口電極３６とを有する。入口、出口電
極３５、３６は各々アセンブリの真空チャンバの壁部に
取付けられ、従って同一の一定電位、通常は接地電位に
保たれる。電極３５、３６間には第１、第２高周波電極
３７、３８がある。電極３７、３８は真空チャンバの壁部
から電気的に絶縁されて取付けられ、両者間の４つの電
極３５〜３８がビーム方向３０に沿って３つの連続間隙
を画成するのが見られる。以下で明らかになるように電
極３５〜３８は各々軸３１上にビームが通過し得るアパ
ーチャを画成する。後述するようにビームは電極間の間
隙を移動するので、ビーム中のイオンは電極３７、３８
に印加される高周波電圧によって発生される間隙中の高
周波電界によって加速される。

【００４０】第２加速器ステージ３３は入口、出口電極
４０、４１と中間高周波電極４２、４３とを有する類似
構成を有し、両者間にビーム方向３０に沿って３つの加
速間隙を画成する。加速器ステージ３２の電極３７、３
８は各々導体４５、４６に接続され、該導体はそれぞれ
イオンビームを取り囲むチャンバから共振タンクチャン
バ４７に至る。タンクチャンバ４７の内部では導体４
５、４６がコイルとして形成され接地される。電極３
７、３８と、タンクチャンバ４７の各コイルと、電極３
７、３８を取り囲む真空チャンバの接地金属部品と、同
じく接地されるタンクチャンバ４７自体との結合物は共
振タンク回路を形成し、加速器の所望作動周波数、一般
的には１０〜５０ＭＨｚの範囲で共振するよう構成され
ている。本実施例において作動周波数は約２０ＭＨｚで
ある。

【００４１】本実施例においては、共振タンクチャンバ
４７の内部は電極３７、３８を収容する真空チャンバの
内部に開口しているので、タンクチャンバ４７の内部も
真空である。

【００４２】第２加速器ステージ３３の電極４２、４３
も同じく導体によって同様の共振タンクチャンバ４８内
のコイルに接続される。タンクチャンバ４８、電極４
２、４３によって形成されたタンク回路も同じく第１共
振空洞３２と同様の共振周波数を有して設けられる。

【００４３】運転中、高周波電源が関連タンクチャンバ
４７、４８を有する空洞３２、３３によって形成される
共振回路に供給されるので、高周波電極３７、３８、４
２、４３は逆極性、共振周波数で通電される。以下で詳
述するように、軸３１に沿ったイオンビームからのイオ
ン束は両共振空洞内の電極間の空隙を移動する際加速さ
れ、エネルギーを増加して加速器アセンブリから出てく
る。

【００４４】図２も、５０、５１、５２、５３でビーム
軸３１に沿った磁気的４重極の位置を示す。磁気的４重
極は公知のようにイオンビームの膨張を制御し、ビーム
を所要焦点あるいはウェストに戻すのに用いられる。磁
気的４重極５１〜５３はビームが高周波加速器を通過す
る時ビームの膨張を制御するのに用いられる。

【００４５】図２の高周波加速器アセンブリは、図３
Ａ、３Ｂの６０で示された一体金属ブロックを用いて構
成される。図３Ａは図２の上部に対応する上から見た一
体ブロック６０を示し、図３Ｂは図２の正面図に対応す
る側面からの対応図である。ブロック６０は基本的に軸
３１に対応する長手方向に沿って５つの区間６１、６
２、６３、６４、６５に分割される。区間６２、６４は
基本的に、図３ＢのＣ−Ｃ線およびＦ−Ｆ線に沿った断
面図である図３Ｅ、３Ｆに示すように、正方形の横断面
を有する。それぞれの場合、区間６２、６４の前面６
６、６７は組立てられた構造において開口し、これらの
面は図２において６８、６９で部分的に見られる検査ハ
ッチによって閉止される。区間６２の下部面はアセンブ
リの関連共振タンクチャンバ４７から区間６２の内部に
伸長する導体４５、４６を収容する開口部７０を有す
る。区間６２の上面は区間６２に組立てられる高周波電
極の絶縁取付構造を収容する小開口部７１を有する。区
間６２の背面はアセンブリ内部を排気する吸出ポートに
接続可能な別の開口部７２を有する。

【００４６】区間６４は、上面が関連タンクチャンバ４
８に連通する開口部７３を有するとともに、電極絶縁体
が下面のアパーチャ７４内に取付けられる以外、基本的
に同一構成である。

【００４７】ブロック６０の区間６１、６３、６５は、
図３ＢのＤ−Ｄ線に沿った断面である図３Ｇに示すよう
な横断面形を有する。該形状は、図３Ｇの矢印Ｅの方向
から見たブロック６０の区間６５の図である図３Ｈにも
示してある。

【００４８】図３Ｇにおいて、表面８０は区間６５に近
接する正方形断面区間６４の端壁を備える。従って、区
間６２、６４は各々軸３１に垂直な面で閉止され、区間
６２、６４と隣接区間６１、６３、６５間の中央円形ア
パーチャのみを残すことになる。これらの円形アパーチ
ャは図３Ｅ、３Ｆでは８１、図３Ｇでは８２で示してあ
る。

【００４９】各区間６１、６３、６５において、ブロッ
ク６０は隣接する正方形断面区間６２、６４の角部の中
間の軸３１に平行な径方向面に伸長するウェブ８３、８
４、８５、８６を有する。ウェブ８３、８４、８５、８
６の内側縁端部は、各対の隣接ウェブが各対の隣接ウェ
ブ間でアパーチャ８８を囲繞する封止面８７を形成する
よう形作られる。これらのアパーチャ８８はブロック６
０に装着された磁気的４重極５０、５１、５２、５３の
磁極を収納するのに用いられる。ブロック６０に対する
これら磁気的４重極の構成は以下で詳述する。

【００５０】区間６１は区間６５と略同一であり、ブロ
ック周りの４箇所にアパーチャ８０に対応する単一アパ
ーチャを具備する。しかし区間６３は基本的に区間６
１、６５の長さの２倍であり、隣接ウェブ間のブロック
周りの４箇所にそれぞれ、軸３１に沿って離隔したアパ
ーチャ８８に対応する一対のアパーチャを具備する。

【００５１】図４Ａ〜４Ｄは第１高周波加速器空洞３２
の高周波電極３７、３８の構成を示す。電極３７、３８
は各々取付ブロック９２から伸長する絶縁柱９０、９１
にそれぞれ装着される。図４ＡのＡ−Ａ線に沿った横断
面図である図４Ｂから分かるように、絶縁柱９１は止め
ねじ９３によって取付ブロック９２に整列・固定される
が、該止めねじは精密ボールをボールと同一直径の円筒
状孔部内を摺動させ、絶縁柱９１の小円錐形凹部に押圧
する。電極３８は同様の止めねじ９４および関連精密ボ
ールによって絶縁柱９１の他端部に整列・固定される。
絶縁柱９１は通常アルミナから作られる。絶縁柱９１の
外側端部９５は小鐘状ハウジング９６内で封止され、絶
縁柱の端部９５と鐘状ハウジング９６の内部間に空洞９
７を残す。冷却流体を接合部９８，９９を介して空洞９
７に送出可能である。これは絶縁柱９１の内側端部９５
にヒートシンクを具備し、電極３８を十分冷却するよう
になっている。

【００５２】電極自体は取付柱９１の端部を収容するヨ
ーク１００を備える。アパーチャ１０１はヨーク１００
を貫通して形成される。図４Ｃ、４Ｄに示すアパーチャ
・プレート１０２が把持板１０３によって固定されヨー
ク１００の各面を覆っている。アパーチャ・プレート１
０２はアパーチャ・オープニング１０４を有し、該アパ
ーチャ・オープニングはアパーチャ・プレートが電極３
８の対向する面の所定位置にある時電極のヨーク１００
のアパーチャ１０１と整列し、電極のアパーチャ・オー
プニングを画成するのに有効である。把持板１０３は固
定ねじ１０５によってヨーク１００に固定される。

【００５３】アパーチャ・プレート１０２はグラファイ
トあるいはアルミから形成されてよく、電極のアパーチ
ャを通過するイオンビームによって過度の侵食あるいは
腐食が生じた際、交換可能であるよう構成されている。

【００５４】ヨーク１００は絶縁柱９１を収容するヨー
クの端部に対向する端部内に形成された短孔部１０６を
含む。この孔部はタンクチャンバ４７に伸長して電極３
８に通電する導体４６（図２）を収容するために具備さ
れる。孔部１０６の内部は圧縮可能な円筒状要素を収容
する形状をなし、これによって孔部１０６収容時、電極
のヨーク１００と導体４６間で所要高周波での良好なオ
ーム接触が可能となる。

【００５５】図４Ａから分かるように、電極３７は上記
電極３８と同一の基本構成を有する。しかし電極３７の
長さはビーム方向で電極３８より短い。周知のように、
電極の長さは粒子速度が増加するにつれて線形加速器に
沿って増加し、経路長を増大して粒子速度増加に適応す
る傾向がある。

【００５６】図４の各電極はブロック６０のアパーチャ
７１（図３Ｆ）を貫通して取付けられ、関連タンクチャ
ンバ４７からの導体４５，４６を電極の孔部１０６に収
容した状態で図２に示した位置を占める。

【００５７】タンクチャンバ４７内のコイルの形状およ
び取付に係る以下の説明から明らかになるように、導体
４５、４６はそれ自体、図２中１１０で示したタンクチ
ャンバ４７の底端部の個所からのみ取付けられる。導体
４５、４６は電極３７、３８の孔部１０６に摺動嵌合す
るよう設けられ、導体４５、４６の熱膨張が孔部１０６
の摺動接続で適応可能であって、もっぱら加速器アセン
ブリのブロック６０に固定された取付ブロック９２から
の絶縁柱９０，９１によって所定位置に保持されている
電極３７，３８の位置に応力を加えたり、いずれにせよ
変更したりしないようになっている。

【００５８】オーム高周波接触を良好にするために孔部
１０６に装着された導電スリーブは圧縮可能なルーバ円
筒形条片であり、「マルチラム(Multi-Lam)」という商
品名で知られている。

【００５９】図５Ａ、５Ｂは第２共振空洞３３の電極ア
センブリを示す。該アセンブリは図４Ａ、４Ｂと比較す
ると反対側から図示してあるので、ビームは電極４２、
４３を図５Ａ中右から左に通過するよう示されている。
また図５Ａの電極アセンブリも図２の装置に対して逆に
（上下反対に）示してある。

【００６０】その他の点では、図５Ａ、５Ｂの電極アセ
ンブリは、図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄに示した電極３
７、３８と略同一構成である。電極４２、４３の支持柱
１１１と１１２間の間隔は電極、特に下流の高周波電極
４３の付加的な長さに対応するため若干大きくなってい
る。

【００６１】図５Ａの電極アセンブリは、図３Ｅのアパ
ーチャ７４を介してブロック６０内に取付けられ、関連
タンクチャンバ４８のコイルからの導体は図４Ａ、４Ｂ
の電極アセンブリと同様に電極４２、４３の孔部１１３
に収容される。

【００６２】第１加速器ステージ３２の入口電極３５は
図６Ａ、６Ｂ、６Ｃに示してある。電極はねじ１１６に
よって固定された取付フランジ１１５によってブロック
６０を径方向に伸長するブロックの壁部に取付けられ
る。電極３５のアパーチャはライナ１１７によって画成
されるが、該ライナはねじ１１９によってフランジに固
定される把持板１１８を取外すことによって交換可能で
ある。ライナ１１７はグラファイトあるいはアルミから
作られてもよく、電極を貫通するアパーチャ１２０を画
成する。

【００６３】第１ステージ３２の出口アパーチャ３６お
よび第２ステージ３３の入口、出口アパーチャ４０、４
１は同様に構成される。

【００６４】図４、５、６にそれぞれ明示するように、
加速器アセンブリの２つのステージ３２，３３に用いら
れる電極のアパーチャは円形ではない。特に第１ステー
ジ３２の入口電極のアパーチャの大寸法(major dimensi
on)は、電極を通るビーム経路と交差する小寸法(minor
dimension)の４倍以上である。高周波電極のアパーチャ
の大寸法はアパーチャの小寸法の約３倍である。

【００６５】いずれの場合も、全電極のアパーチャの大
寸法は図２の図面において紙面に垂直に整列される。こ
のように電極は以下でさらに述べるように、分析マグネ
ット１２からの所要質量のイオンビームに最適に対応可
能である。一方、アパーチャの小寸法を抑えてできる限
り小さくすることによって、それぞれの電極によって取
り囲まれる領域への電界浸透が低減される。この結果、
加速器アセンブリの全長が最小限に保たれ、加速器の走
行時間係数を最大とすることができる。さらに、高周波
加速器の運転中も、高周波加速器の非励起時での注入装
置の低エネルギー・ドリフトモード運転中も、電極のア
パーチャの全開口面積は比較的大きく維持され、実質的
ビーム電流に適応する。

【００６６】図７Ａはタンクチャンバ４７の横断面図で
あり、図７Ｂは一方側からの図７Ａのタンクチャンバの
対応横断面図である。

【００６７】タンクチャンバ４７は中央円筒状部１３０
と対向する２つの半球状閉止部１３１、１３２とを備え
る。半球状閉止部１３１、１３２は真空シール１３３、
１３４によって円筒状部１３０の両端部に封止される。
これらの真空シールは円筒状部１３０の両端部の周方向
に伸長し、半球状閉止部１３１、１３２がタンク４７の
内部の検査・点検に際し取外し可能となっている。

【００６８】タンク４７の内部では導体４５、４６がそ
れぞれコイル１３５、１３６を形成し、該コイルは基本
的にタンクチャンバ４７の円筒状部１３０の軸と一致す
る軸１３７と同軸となるよう整列される。コイル１３
５、１３６の対向する端部は、１３８、１３９でそれぞ
れの取付点１４０、１４１まで下方に伸長する。

【００６９】導体４５、４６およびコイル１３５、１３
６は中空銅パイプから形成される。コイル１３５、１３
６の重量は基本的に接続点１４０、１４１からの長さ１
３８、１３９によって支持される。導体４５、４６の上
端部はタンクチャンバ４７の円筒状部１３０のアパーチ
ャに、また加速器アセンブリのブロック６０の対応アパ
ーチャ７０に伸長する。前述のように、導体４５、４６
の端部は電極３７、３８の孔部１０６に収容され、これ
らの電極と摺動嵌合を形成する。従ってコイル１３５、
１３６の製造許容誤差の変動は、これらの電極の取付台
に応力を加えたり電極の位置的精度に影響したりするこ
となく、関連電極３７、３８との接続部において吸収可
能である。さらに、１３５、１３６の熱膨張は、コイル
を変形させることなく電極との摺動接続部において吸収
可能である。

【００７０】第２加速器ステージ３３のタンクチャンバ
４８は、図７Ａ、７Ｂに示したタンクチャンバ４７と略
同様に構成される。

【００７１】前述のように、タンクチャンバのコイル１
３５、１３６は各々取付点１４０で接地され、他端部が
それぞれの電極３７、３８に接続される。電極、コイル
と、真空チャンバ及びタンクチャンバの関連導電面間の
キャパシタンスと、コイルのインダクタンスとの組合せ
が、共振タンク回路を提供する。共振タンク回路は加速
器アセンブリの所要高周波の共振周波数を有するととも
に、高振幅高周波電圧が最小のオーム電力損失で電極３
７、３８に発生可能であるような極めて高い品質因子を
有するよう構成される。コイル１３５、１３６は同一方
向に巻回されるとともに誘導結合されているので、両電
極３７、３８の高周波電圧は逆極性でタンク回路の最低
共振周波数である。

【００７２】高周波エネルギーは結合ループ１５０（図
７Ｂ）によってタンク回路に結合される。この結合ルー
プは図８Ａ、８Ｂに詳細に示してある。該結合ループは
一端が１５２で接地され、他端が真空フィードスルー１
５３に接続された単一ループの導体１５１を備える。真
空フィードスルー１５３によって、真空チャンバの外部
からループ１５０の端部までの電気的接続が可能とな
る。

【００７３】ループは全体としてディスク１５４に取付
けられ、一方該ディスクは取付板１５５内に回動するよ
う取付けられる（図８Ｂ参照）。角度範囲にわたってデ
ィスク１５４の回転位置を調節することによって、タン
クチャンバ４７およびコイル１３５、１３６に対するル
ープ１５１の角位置の調節を行うことができる。ループ
１５１の角位置を調節して、タンク回路の高周波エネル
ギーの結合およびインピーダンス整合を十分なものとし
てもよい。

【００７４】角度表示装置１３６が取付板１５５の外面
に具備されるので、ループ１５１の角位置を今後の参考
として記録可能である。

【００７５】一般に電極３７、３８に所要高周波電位を
供給するためコイル１３５、１３６に生成される高周波
電流のレベルは、コイル１３５、１３６および導体４
５，４６の残部の実質的加熱を十分引き起こし得る。従
って導体は水冷される。

【００７６】図９は、コイル１３６の固定端１３９を装
着して示した支持点１４０の一部を示す。導体４６は前
述のように中空銅パイプから作られる。噴射管１６０
は、導体４６を支持点１４０から導体４６の閉止端１６
１の間近まで伸長させる。噴射管１６０は、外側パイプ
１６３内に内側パイプ１６２を有する二重壁管から形成
される。内側、外側パイプ１６２、１６３間の空間は両
端で封止され、その後コネクタ１６４に接続された真空
源によって排気される。

【００７７】コネクタ１６５で内管１６２に導入された
冷却水は、噴射管１６３を通って、導体の閉止端１６１
に近接した内管１６２の末端部１６６から導体４６の内
部に流入する。次に冷却水は噴射管の外部の導体に沿っ
て流下し、コネクタ１６７を経て導体から排出される。

【００７８】噴射管１６０を二重壁管として形成し、噴
射管の外部１６３を排気することによって、内部供給管
１６２は、導体４６に流下する戻りの熱吸収した水から
実質的に熱絶縁される。この結果、導体４６の遠端の供
給管の末端部１６６に達する冷却水は戻り水によって実
質的に加熱されない。

【００７９】この構成は導体４６をその全長にわたっ
て、特に導体４６に接続された電極に隣接する末端部
で、良好な冷却を保証するものである。電極自体は比較
的高温になる場合があるので、導体４６用冷却装置は、
電極に接続された導体の端部が過大温度に加熱されない
よう確保する。

【００８０】同様の噴射管装置がコイル１３５に具備さ
れる。

【００８１】もう一度図７Ｂを参照すると、ピックアッ
プループ１７０がタンクチャンバ４７の壁部に装着・
具備され、タンクチャンバ４７の電界がモニタされ(後
述の)高周波駆動回路のフィードバック制御に使用でき
るようになっている。このピックアップコイルは図１
０Ａ、１０Ｂの詳細に示してある。該コイルは取付板１
７２上の単一ループの導体１７１を備える。取付板はタ
ンクチャンバ４７の壁部のアパーチャ内に封止され、ル
ープ導体１７１がタンクチャンバに伸長するようになっ
ている。

【００８２】ループ１７１の一端は抵抗１７３を介して
チャンバ壁に接続され、他端は高周波フィードスルー１
７４に接続されて、ループは高周波ケーブルに接続して
フィードバック信号を後述の制御装置に供給可能となっ
ている。

【００８３】もう一度図７Ｂを参照すると、同調コンデ
ンサ１８０もタンクチャンバ４７の壁部に取付けられ
る。図１１Ａ、１１Ｂは詳細にこの同調コンデンサを示
す。コンデンサは、回転軸１８２の端部に横に装着され
たキャパシタンス板１８１を備える。回転軸１８２は取
付フランジ１８３に回動するよう取付けられ、これによ
ってコンデンサはタンクチャンバ４７の壁部のアパーチ
ャに伸長して取付け可能である。ステッパモータ１８４
は取付フランジ１８３の外部に取付けられ、歯車装置１
８６、１８７を介して回転軸１８２の外端部１８５を駆
動するよう結合される。軸１８２は回転真空シールを貫
通し、タンクチャンバ４７への大気侵入なしにステッパ
モータ１８４によって回転可能である。

【００８４】ステッパモータ１８４による軸１８２の回
転はコンデンサ板１８１の近傍をタンクチャンバ４７内
のコイル１３５、１３６に合わせ、これによって共振タ
ンク回路の共振周波数を調節する。実際には、同調コン
デンサ１８０は後述の制御装置によってサーボ制御さ
れ、タンク回路の共振周波数を結合ループ１５０を介し
てタンク回路を励起する高周波信号の周波数に維持す
る。タンク回路の共振周波数を正確に所要周波数に保持
して効率を最大にすることが重要である。

【００８５】図２の磁気的４重極５０、５１、５２、５
３の一つを、ビーム軸に沿った４重極の断面図である図
１２に詳細に示してある。図１２を一体取付ブロック６
０の一部の図３Ｇに示した断面図と比較すると、取付ブ
ロックのウェブ８３、８４、８５、８６は図１２に明示
されている。磁気的４重極は４つの磁極１９０、１９
１、１９２、１９３から形成されるが、これらの磁極は
アパーチャ８２によって画成された一体ブロック６０の
開口領域に貫通して設けられる（図３Ｅ、３Ｆ）。各
磁極１９０〜１９２は、一体ブロック６０のウェブ８３
〜８６間の取付面８７によって画成されたアパーチャ８
８の一つにそれぞれ取付けられる。

【００８６】図１２に明示したように、各磁極はそれぞ
れの支持面８７に封止されるとともにボルト１９５によ
って所定位置に固定されたフランジ１９４を有する。従
って、磁極１９０〜１９３はフランジ１９４と封止面８
７間に真空シールを形成するアパーチャ１８８を効果的
に閉止する。この結果、磁極１９０〜１９３は加速器ア
センブリの真空チャンバ内に効果的に配置され、極面は
ビーム軸に必要なだけ近接配置されて磁界強度を最大と
するとともに漂遊磁界を最小とすることができる。

【００８７】磁気コア１９６は各磁極１９０〜１９３の
外面に固定され、各コア１９６はそれぞれの巻線１９７
によって巻回される。これらの巻線は水冷管状導電要素
である場合がある。

【００８８】次に各対の磁極は分流ヨーク１９８、１９
９によって互いに接続される。この実施例においては、
一方の分流ヨーク１９８が磁極１９０、１９３のコア１
９６を接続し、他方の分流ヨーク１９９が磁極１９１、
１９２のコアを接続する。図１２に示すように加速器ア
センブリを形成する一体ブロックの対向する側面にのみ
分流ヨーク１９８、１９９を具備することによって、分
流ヨークは２００で輪郭を示した隣接加速空洞のタンク
チャンバに干渉することがない。これによってよりコン
パクトな構成が可能となる。

【００８９】重要な点は、上記磁気的４重極構造によっ
て磁極自体を加速器アセンブリの真空チャンバ内に効果
的に配置することができる一方、各磁極の磁界巻線は引
き続き大気中の真空チャンバの外側にあることである。
これは発生磁界の効率を最大化し、巻線冷却を容易にす
るとともに保守時の接近し易さを向上するのに極めて望
ましい。極片自体は一体ブロック６０によって形成され
た真空チャンバのアパーチャの閉止材として有効に用い
られる。

【００９０】ここで図１３を参照すると、これは高周波
加速器アセンブリの概略図である。図示したアセンブリ
はそれぞれタンデムに設けられ、注入イオンのビーム２
５２のエネルギーを変化させる第１、第２高周波加速器
空洞あるいはステージ２５０、２５１を備える。ビーム
２５２はエネルギーＥ（ｋeＶ）で第１高周波加速器空
洞２５０に注入される。

【００９１】各空洞２５０、２５１は、接地された入
口、出口電極２５３、２５４および２５５、２５６と一
対の中間高周波電極２５７、２５８および２５９、２６
０とをそれぞれ有する三間隙空洞である。第１空洞２
５０の電極は入口電極２５３と第１高周波電極２５７間
に第１間隙２６１を、２つの高周波電極２５７、２５８
間に第２間隙２６２を、第２高周波電極２５８と出口電
極２５４間に第３間隙２６３を画成する。空洞２５１は
同様の間隙２６４、２６５、２６６を有する。

【００９２】第１空洞２５０の高周波電極２５７、２５
８は、コイル２６８、２６９に接続され、第２空洞２５
１の高周波電極２５９、２６０は、コイル２７０、２７
１に接続される。電極およびコイルを組み込んだ各空洞
２５０、２５１は、高周波加速器の所望作動周波数であ
る所定値ｆあるいはその前後の共振周波数を有するよう
構成された共振タンクを具備する。空洞２５０、２５１
の共振は調節可能同調コンデンサ２７２、２７３によっ
て所望作動周波数ｆに整合するよう微整調可能である。
高周波エネルギーは結合ループ２７４、２７５を介して
それぞれの空洞２５０、２５１に結合される。それぞれ
の空洞内のピックアップループ２７６、２７７は回線２
７８、２７９に出力して、空洞の高周波電圧の振幅およ
び位相を表すフィードバック信号を供給する。

【００９３】一対の磁気的４重極レンズ２８０、２８１
は、空洞２５０、２５１間に順に配置される。

【００９４】高周波増幅器２８２は、高周波発生器２８
４からの回線２８３の高周波駆動信号を増幅し、増幅さ
れた高周波信号を供給して第１高周波空洞２５０内の結
合ループ２７４を励起する。同様に、第２高周波増幅器
２８５は、第２高周波発生器２８７からの回線２８６の
高周波駆動信号を増幅し、増幅された高周波信号を第２
高周波空洞２５１の結合ループ２７５に供給する。

【００９５】高周波発生器２８４、２８７は各々フィー
ドバック制御装置を含む。フィードバック制御装置は、
回線２７８あるいは２７９のフィードバック信号を振幅
要求信号および位相が固定される一定基準位相値と比較
するのに有効である。高周波発生器・フィードバック制
御装置２８４の振幅要求値・一定位相値信号は、回線２
９１、２９３にそれぞれ供給され、高周波発生器・フィ
ードバック制御２８７の振幅要求・一定位相値信号は、
回線２９２、２９４にそれぞれ供給される。

【００９６】各空洞の高周波電界の位相がドリフトしな
いことは、全高周波線形加速器の重要な特徴である。位
相ドリフトは、規定・プリセットされた加速を受けてい
ない加速器を通過する荷電粒子の束をもたらす場合があ
る。

【００９７】本発明の実施例の一特徴は、高周波発生器
２８４、２８７におけるフィードバック制御によって空
洞内で実測された高周波電界の位相が、一定基準位相値
に近く維持されることである。

【００９８】このため、回線２９３、２９４の一定位相
値信号は一定位相プリセットユニット２９５から出力さ
れるが、該ユニットは自動的あるいはオペレータの介入
によっては調節不可能な一定信号を発生する。好ましい
実施例においては、それぞれのステージの一定位相値信
号間の相違は０あるいは１８０°である。

【００９９】高周波発生器２８４、２８７は各々通常周
波数合成装置であり、発生器２８４、２８７および一定
位相プリセットユニット２９５は、マスタクロック２９
６からのクロックパルスによってすべて同期される。

【０１００】共振タンク回路２５０、２５１が具備さ
れ、所要高周波電位が空洞内の高周波電極に最小のオー
ム損失で印加されるようになっている。従って、タンク
回路の共振が正確に高周波駆動の一定周波数であること
が極めて重要である。タンク回路共振が駆動周波数ｆか
ら偏移すると、高周波駆動の振幅を空洞の電極に印加さ
れる高周波電圧と同じだけ増加しなければならない。ま
たフィードバック制御がない状態で空洞共振が周波数ｆ
からドリフトすると、電極の高周波電圧の位相が変化す
る。小さい空洞共振の偏移の場合、それぞれの高周波発
生器のフィードバック制御によって回線２８３の高周波
駆動の振幅および位相を変化させて補償を行い、回線２
９１の要求値で回線２７８のフィードバック信号によっ
て表された振幅、および回線２９３の一定値信号によっ
て要求されたフィードバック信号定数の位相を維持する
ことができる。同様に高周波発生器・フィードバック制
御装置２８７は空洞２５１の正確な振幅および一定位相
を維持するよう作動する。

【０１０１】しかし、やはり空洞共振を駆動周波数ｆに
とどめるようにするのが望ましい。このため、発生器２
８４、２８７のフィードバック制御も制御信号を回線２
９７、２９８にそれぞれ与えることによって空洞の可変
キャパシタンス２７２、２７３を調節する。実際には、
発生器２８４のフィードバック制御は空洞２５０の可変
コンデンサ２７２を調節して、回線２７８のフィードバ
ック位相と回線２９３の一定位相信号間の増幅エラー信
号をできる限り小さくできる。

【０１０２】上で述べるとともに図１１Ａ、１１Ｂに示
したように、可変コンデンサ２７２は機械的装置である
ので、可変コンデンサ２７２の応答時間は比較的遅い。
従って高周波駆動信号の電子的フィードバック制御が必
要とされ、空洞の機械的振動によって起こる場合のある
フィードバック信号の急速な変化に対応して、空洞内の
正確な振幅および一定位相を維持する。一方キャパシタ
ンス２７２は調節されて、例えば熱膨張による遅い空洞
共振の変化を補償する。

【０１０３】注入処理は全体としてマイクロプロセッサ
を用いた注入コントローラ２９０によって制御される。
注入コントローラは注入装置の多くの作動パラメータを
制御可能であるが、本発明を例示するため、コントロー
ラ２９０は、高周波発生器・フィードバック制御ユニッ
ト２８４、２８７の回線２９１、２９１の振幅要求信号
のみを発生するよう示してある。注入コントローラ２９
０は、特に質量／電荷比（ｍ／e）の異なるイオンを注
入する注入装置をセットアップするオペレータ要件を含
む、様々なオペレータ入力制御に応じて、要求振幅値を
変化させることができる。この制御は図１３に入力回線
２９９によって示してある。

【０１０４】図１３において、第１空洞２５０の出口電
極２５４と第２空洞２５１の入口電極２５５間には矢印
３００で示した飛行経路距離がある。前述のように複合
空洞線形加速器の構成において公知の要件によれば、第
１空洞によって加速されるイオン束は第２空洞の第１間
隙に到達するが、その時第１間隙の高周波電圧が適切な
値にあってイオン束に所要加速を与えるようにしてい
る。また上述のように、別様の線形加速器のセットアッ
プが質量対電荷比の異なるイオン使用時には必要である
が、同一エネルギーであれ第１空洞から放出されるイオ
ンの速度は質量対電荷比によって別様に決定されるから
である。この結果、距離３００に沿った飛行時間はイオ
ンの質量対電荷比によって決定される。

【０１０５】本発明の一実施例においては、異なるイオ
ンの質量対電荷比の相違によるこの飛行時間変動は、両
空洞２５０、２５１間の距離および両空洞２５０、２５
１の高周波電圧の位相を両方とも一定に保つとともに、
第１空洞から第２空洞へのイオンの速度を変化させるこ
とにより、所望イオンの質量対電荷比用の加速器をセッ
トアップすることによって補償される。図示した例で
は、回線２９１の振幅要求信号を変化させることによっ
て達成され、従って第１空洞２５０内の高周波電界振幅
が調節されることになる。例えば質量対電荷比の低いイ
オンでは、空洞２５０内の高周波電界振幅の若干の減少
は空洞を離れるイオン束の速度を若干減少させる場合が
あり、これによって距離３００の飛行時間を増加し、そ
の結果これらのイオン束が空洞２５１の間隙の高周波電
圧波形の適正領域に到達することになる。距離３００の
実質的長さのため、第１空洞からのイオンの速度（ある
いはエネルギー）の小変動のみでこれらのイオンの第２
空洞までの適正飛行時間を十分保証し得るものである。

【０１０６】実際、距離３００は、第１空洞２５０の入
口、出口電極間の全長以上とするのが望ましいことが分
かっている。好ましい実施例においては、長さ３００は
第１空洞の長さの約３倍である。このような装置によれ
ば、良好な飛行時間の調節範囲は第１ブースタの高周波
電圧の振幅を最大印加電圧のせいぜい約１５％までに調
節することによって、一重、二重荷電ホウ素および一
重、二重、三重荷電の燐を含むイオン種に好適に与えら
れることが分かった。これが意味するように、質量／電
荷比の異なるイオン用の２つの空洞をセットアップする
プロセスは、第１空洞によって付与されるエネルギー増
分の約１５％までの犠牲を伴うにすぎない。

【０１０７】重要なのは、例示した加速器装置の２つの
ブースタ空洞に供給される高周波は２つの制御入力のみ
を用いて十分制御され、２つの空洞の所要高周波振幅を
セットアップして質量／電荷比の異なるイオン用加速器
アセンブリを調整するとともに所望の最終イオンエネル
ギーを供給することができることである。これはブース
タのセットアップを著しく単純化し、ｍ／e値の異なる
イオンを所要出力エネルギーで送出可能である。

【０１０８】もう一度図１３を参照すると、第１空洞の
入口電極から第２空洞の出口電極までの高周波加速器ア
センブリの全長はＬである。加速器アセンブリを貫通す
るイオンビームの軸を含む少なくとも１つの平面に、ア
センブリの空洞を形成する電極は、距離Ｄ以上の最大横
方向寸法を有するアパーチャを有する。この最大横方向
寸法は、図４、５、６に関連して上で述べたように、ス
リット状電極アパーチャの主要寸法である。

【０１０９】Ｌ／Ｄを約２５未満にすることによって、
良好な組合せの性能パラメータが得られる。上述のよ
うに両加速器空洞間の実質的ドリフト距離３００を維持
する必要があるにもかかわらず、加速器の全長Ｌはそれ
でもなおかなり短く、構造内に設置する際の加速手段の
設置面積を減少させる。一方、加速器を貫通するアパー
チャの横方向寸法Ｄは少なくとも一軸平面においては比
較的大きく、加速器の受容性を向上させてエネルギーＦ
かそれ以下での注入時に、特に加速器アセンブリ非作動
のドリフトモード中、大きいビーム電流が可能となる。
好ましい構成は約１８のＬ／Ｄ値を有する。

【０１１０】要するに、注入装置は、第１エネルギーに
ある注入イオンのビームを発生するイオンビーム発生器
と、励起時に、前記ビームのイオンを第２エネルギーに
加速するよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと
を備えることが可能であり、前記アセンブリは、前記ビ
ームのイオンのエネルギーを変化させる一連の間隙を画
成する複数の電極を備え、前記電極はイオンが通過する
アパーチャを有し、前記アセンブリの全電極は長さＬ内
に収容され、電極のアパーチャはビームに交差するＤ以
上の最大寸法をそれぞれ有し、Ｌ／Ｄは２５未満である
よう構成される。これが特に有効であるのは、加速器ア
センブリがビーム方向に沿ってタンデムの第１、第２高
周波ブースタステージを備える時であるが、前記ブース
タステージは各々入口、出口電極と、前記ビームのイオ
ンエネルギーを変化させる一連の間隙を画成する少なく
とも１つの中間高周波電極と、前記第１、第２ブースタ
ステージ間に配置された隣接する一対の磁気的４重極と
を備える。

【０１１１】加速器アセンブリにおいて用いられるスリ
ット状電極は図１４、１５から想像可能であるが、これ
らの図は加速器の各要素を通過するイオンビームの輪郭
を示している。図１４、１５の上部はビーム軸と交差す
るＸ方向のビーム輪郭を示し、図の下部はビーム軸と交
差する直交Ｙ方向のビーム輪郭を示す。Ｙ方向は電極の
スリットアパーチャの長手寸法の方向である。従って、
図１４、１５において、第１加速器空洞の電極３１０お
よび第２加速器空洞の電極３１１は、Ｘ方向のビームの
軸３１２に比較的近接して（図面の上部）、Ｙ方向の軸
から比較的離隔して（図面の底部）示してある。各図に
おいて、ビーム方向は左から右である。

【０１１２】図１４、１５作成に用いられたシミュレー
ションにおいて、加速器に注入されるビームはＸ、Ｙ両
方向に同一寸法である。第１磁気的４重極はビームをＸ
方向に合焦させ、ビームをＹ方向に脱焦させる傾向があ
る。その後、ビームはＸ方向にはビーム軸から略６ｍ
ｍに制限される一方、Ｙ方向には軸３１２から１５ｍｍ
以上伸長する。

【０１１３】加速器の両空洞間の２つの磁気的４重極３
１４、３１５の作用を説明する。第１磁気的４重極３１
４はビームをＸ方向の焦点に戻し、第２磁気的４重極
３１５はビームをＹ方向に再合焦させる。

【０１１４】図１４に示したシミュレーションは、２０
０ｋeＶの二重荷電燐の注入ビーム、約８５０ｋeＶの加
速後の最終ビームエネルギーを想定している。加速器ア
センブリによって放出されたビームは、第１空洞に印加
される高周波励起電圧の位相の±５０°以上で第１加速
空洞に到達するイオンを有すると想定される。注入位相
の異なるイオンに対する加速器アセンブリの作用は、図
面中で別の輪郭線によって示してある。

【０１１５】図1５は、ドリフトモード、すなわち加速
器アセンブリの電極に非通電時に加速器アセンブリを通
過するビームの輪郭を示しており、ビームの加速は生じ
ない。この注入ビームは再びＰ⁺⁺で２００ｋeＶであ
る。ビーム輪郭がＸ方向よりもＸ方向にさらに伸長して
いるのが再確認できる。スリット状電極を具備するこ
とによって、加速モード時に電極空洞に電界が過度に浸
透せずに加速、ドリフトの両モードにおいて高比率のビ
ームを加速器アセンブリに貫通収容することができる。

【０１１６】重要なのは、図１４、１５におけるＸ方
向、すなわち電極のスリットアパーチャの狭寸法部は、
図１に示したように、高周波加速器アセンブリの上流に
ある分析マグネット１２の分散面と整列していなければ
ならないということである。マグネット１２は所望ｍ／
eのイオンをＸ方向の略焦点に導くよう機能する。通常
質量選択スリットはこの焦点に位置し、所要イオンのみ
が注入用のビーム中に存続可能となる。本例において
は、質量分析マグネットの焦点は高周波加速器の第１三
間隙ブースタステージ内にある。

【０１１７】またマグネット１２は、ビームを第１ブー
スタステージの入口電極の前方の第１磁気的４重極３１
３（図１４、１５）の近傍のＹ方向のウェストに導くの
に有効である。次にこの磁気的４重極３１３は励起さ
れ、Ｙ方向のビーム中の有効ウェストを第１ブースタス
テージの直後の第２磁気的４重極３１４のビームに沿っ
た位置に移動する。この作用を生ずるよう第１磁気的４
重極３１３が励磁され、Ｘ方向に合焦、Ｙ方向に脱焦を
行う。イオン源１１から分析マグネット１２に入るイオ
ンビームは、通常マグネットの分散面に狭い横方向寸法
を有するリボン状である。従って、マグネット１２を離
れる所要m／eのイオンビームは、イオン種およびイオン
源のセットアップあるいは「調整」によって決定される
寸法に係るＸ方向では比較的ぴったり合った焦点に導か
れるが、Ｙ方向では広いウェストに導かれる。

【０１１８】もう一度図１４を参照すると、第１磁気的
４重極３１３のＹ脱焦、Ｘ合焦作用は、第１ブースタス
テージの第１、第２電極に近接したビームのＸ焦点位置
に比較的小さい移動（図１４において左方）を生ずる。
このように、ビームはＸ方向に圧縮されて電極のスリッ
トアパーチャの狭寸法部を通過する。ビームイオンが第
１ブースタステージを通過する時、Ｘ方向のビーム縁端
に近いイオンは電極の開孔縁端部に近い電界の曲率によ
って合焦作用を受ける。高周波電界の位相に対して時間
的に相違してブースタを通過するイオンは量の相違によ
って合焦／脱焦されるが、これは図１４においてＸ方向
のビーム輪郭を数本の線に分離することで示してある。
この第１ブースタステージの穏当な作用は第２ブースタ
ステージにおいては強烈となり、以後加速器を貫通する
ビームを制御する難度が増す。

【０１１９】一方Ｙ方向においては、ビームはＹ方向の
電界が比較的平面的である電極アパーチャの縁端部から
十分離隔した第１ブースタステージを通過するので、電
界合焦は最小限である。結果としてＹ方向のビーム制御
の向上が見られる。

【０１２０】上述のように、第１磁気的４重極はビーム
中のＹウェストを第２磁気的４重極３１４の位置に移動
する。この第２磁気的４重極はビームを次の第３磁気的
４重極３１５でＸ方向の焦点に戻すのに必要である。ビ
ームは第２磁気的４重極３１４にＹウェストを有するの
でＹ脱焦作用が減少し、従ってビームは過度のＸ脱焦な
しに第３磁気的４重極３１５によってＹウェストに戻さ
れる。従って、第４磁気的４重極は第２ブースタステー
ジの出口電極の後に具備され多少のＸ再合焦を行うこと
が可能であるが、一般にエネルギーフィルタ２５のイオ
ン光学特性と整合することが必要である。

【０１２１】上記から分かるように、第１ブースタステ
ージの電極のアパーチャは（分析マグネットを通過する
イオンの速度変化がないと仮定した場合）注入装置の質
量選択スリットとして機能する。ビーム中のm／eの異な
るイオンは電極に衝突することなくブースタに侵入・通
過することがないからである。バッフル板を第１ブース
タステージの入口電極のすぐ前方に配置し、ビームから
の非選択イオンの大部分を吸収して入口電極の損傷ある
いは過熱を防止するようにしてよい。

【０１２２】また、加速器電極はＹ方向寸法が比較的大
きいので、磁気的４重極は１つだけ加速器の第１ブース
タステージの上流に必要である。

【０１２３】好ましい実施例においては、図２〜１２に
示した高周波加速器アセンブリは以下の寸法を有する。第１空洞の入口電極から第２空洞の出口電極までの加速器アセンブリの全長（Ｌ）：５８７ｍｍ第１空洞の入口電極のアパーチャ横方向寸法：４６×１０ｍｍ第１空洞の第１高周波電極のアパーチャ横方向寸法：３４×１０ｍｍ第１空洞の第２高周波電極のアパーチャ横方向寸法：３４×１２ｍｍ第１空洞の出口電極と第２空洞の入口、出口両電極のアパーチャ横方向寸法：４６×１２ｍｍ第２空洞の第１、第２高周波電極のアパーチャ横方向寸法：３４×１２ｍｍアセンブリの全電極アパーチャの最小スリット長（Ｄ）：３４ｍｍ第１空洞の入口電極と第１高周波電極間の間隙：１４ｍｍ第１空洞の第１高周波電極のビーム軸に沿った長さ：１６ｍｍ第１空洞の第１、第２電極間の間隙：３２ｍｍ第１空洞の第２高周波電極のビーム軸に沿った長さ：２６ｍｍ第１空洞の第２高周波電極と出口電極間の間隙：１６ｍｍ第１空洞の出口電極と第２空洞の入口電極間のドリフト距離：３４９ｍｍ第２空洞の入口電極と第１高周波電極間の間隙：１６ｍｍ第２空洞の第１高周波電極のビーム軸に沿った長さ：３０ｍｍ第２空洞の第１、第２高周波電極間の間隙：３２ｍｍ第２空洞の第２高周波電極のビーム軸に沿った長さ：４０ｍｍ第２空洞の第２高周波電極と出口電極間の間隙：１６ｍｍ

【０１２４】加速空洞の高周波励起電圧の所定周波数は
２０ＭＨｚに近い数値に設定される。アセンブリの各高
周波電極に印加される場合のある高周波電圧の最大振幅
は約７５ｋＶである。最大注入エネルギーＥは注入イオ
ンの荷電状態毎に約１００ｋＶである。

【０１２５】加速器アセンブリは、主としてＢ⁺⁺（ｍ／
e＝５．５）、Ｂ⁺（ｍ／e＝１１）、Ｐ⁺⁺（ｍ／e＝１
５．５）、Ｐ⁺⁺⁺（ｍ／e＝１０．３）イオンの処理・加
速用である。加速器アセンブリの構造パラメータはイオ
ンの場合ほぼ最適であるようになっている。しかし高周
波イオン注入の応用例では、少なくとも第１ブースタス
テージからの有効エネルギーゲインが約４０までのｍ／
e範囲のイオンについて得ることができる。

【０１２６】イオン注入装置で利用可能な最大静電予備
加速電圧、すなわち高周波加速器アセンブリの第１空洞
のイオン源と入口電極間の電圧が約１００ｋＶである場
合、Ｐ⁺⁺イオンの最大注入エネルギーは２００ｋeＶで
ある。しかし最適性能を得るには、少なくとも高周波加
速器の第１空洞あるいはステージから、質量／電荷比の
異なるイオンをアセンブリに約同一速度で注入すること
が重要である。同一速度では粒子のエネルギーはその質
量に比例するので、これが意味するように、Ｂ ⁺の注入
エネルギーはＰ⁺⁺の注入エネルギーの半分の約１１／１
５．５であるはずである。Ｐ⁺⁺の最大注入エネルギーは
最大利用可能静電予備加速電圧によって設定されるの
で、これが意味するように、予備加速電圧はＰ⁺⁺走行に
比較してＢ ⁺走行時約１１／１５．５だけ低減されるは
ずである。

【０１２７】図１６Ａ、１６Ｂは、印加高周波電圧のエ
ネルギーおよび位相が第１加速器ステージを通過するＢ
⁺粒子に対して変化する仕方を示すグラフである。図１
６Ａ、１６Ｂにおいて、Ｘ軸は第１加速器ステージの電
極を貫通してＢ⁺イオンがＺ方向、すなわちビーム方向
に沿って移動する距離を示す。電極の位置は図面中点線
で略示してある。

【０１２８】図１６ＡのＹ軸は加速器を通過する時のイ
オンエネルギーを示す。図１６ＢのＹ軸はイオンがＺ方
向に移動する時イオンが受ける高周波電圧の位相を示
す。図１６Ａ、１６Ｂ中の何本かの線は、高周波信号印
加中、時間的に相違して加速器ステージの第１間隙に入
るイオンのエネルギー変化を示す。

【０１２９】全体として図面に用いられているきまりに
よれば、１８０°位相は入口電極と第１高周波電極間の
第１間隙の前方加速高周波電圧のピーク時間を示す。従
って、２つの高周波電極間の第２間隙での最大加速は３
６０／０°位相で生じ、第３間隙での最大加速は１８０
°位相でもう一度生ずる。図１６Ａ、１６Ｂ中イオンは
左から右に移動している。

【０１３０】まず図１６Ｂを検討すると、これは位相角
が約９０°から約１５０°までの高周波波形の各点で加
速器ステージの第１間隙に入るイオンを示す。位相角９
０°で間隙に入る図１６Ｂに示した第１イオンは位相角
約１３５°で、図１６Ｂ中最も下の線で示した間隙の中
心を横断する。位相角約１６０°で間隙に入る最遅発の
イオンはちょうど１８０°の位相角で間隙の中心を横断
する。前述のように、加速器ステージの第１間隙におけ
る最大加速は１８０°の位相角で生ずる。従って、位相
角１８０°前後で間隙の中心を横断するイオンは間隙横
断時に最大のエネルギー増加を受けるはずである。小位
相角で間隙の中心を横断するイオンはエネルギー増加が
少ないはずである。このエネルギー増加の変化は図１６
Ａに見ることができる。第１間隙に入り１８０°前後の
位相で間隙の中心を横断する最遅発のイオンは、図１６
Ａ中上方の線で示した最大のエネルギー増分を受ける。
位相的に早期に間隙に到達するイオンは、図１６Ａの下
方の線で示したように受けるエネルギーが少ない。第１
間隙のエネルギー増分は図１６Ａ中４００で示してあ
る。

【０１３１】図面に示した第１間隙を移動したイオンは
次に位相角３４５°〜約３０°で第２間隙の中心点を横
断する。３６０／０°は中心間隙を横断するイオンに最
大加速を付与する。中心間隙を横断するイオンのエネル
ギー増分は図１６Ａに４０１で示してある。

【０１３２】その後イオンは第３間隙を移動し位相角約
１７０°〜２００°で第３間隙の中心を横断する。第３
間隙での最大加速位相は１８０°である。第３間隙によ
って与えられるエネルギー増分は図１６Ａに４０２で示
してある。

【０１３３】図１６Ｂに示したイオンは、大部分１８０
°以下の位相角範囲で第１間隙の中心線を横断する。こ
れは電界が間隙で最大減速から最大加速に上昇した時の
間隙横断に相当する。この結果、低位相角で間隙に入る
早発イオンは、高位相角で到達する遅発イオンより間隙
での加速が小さくなる。これは図１６Ａに見られよう
に、幾分とも第１間隙から発したイオンのエネルギー分
散を引き起こす。イオンは３６０／０°の両側にどちら
かと言えば均一に分布した位相で中心間隙を横断する。
これは小さい付加的エネルギー分散を引き起こすにすぎ
ない。その後イオンは大部分１８０°より幾分大きい
位相で、すなわち電界が最大加速から最大減速に降下し
た時、第３間隙の中心線を横断する。第１中間間隙で生
じたエネルギー分散は図１６Ｂ中互いに接近してゆく複
数線で示したイオンの位相拡散を若干低減したとは言え
るものの、（最低位相角で）最初に第１間隙イオンに入
るイオンは第３間隙を横断する時もなお最初である。こ
の結果、第１間隙でエネルギー増分が最小である早発イ
オンは第３間隙でエネルギー増分が最大となり、第１間
隙でエネルギー増分が最大である遅発イオンは第３間隙
でエネルギー増分が最小となる。従って、このように加
速器アセンブリを構成・セットアップすることによっ
て、第３間隙は第１間隙で生じたエネルギー分散を少な
くとも部分的に相殺することになる。位相拡散の減少が
ない場合、第１、第３間隙のエネルギー分散作用は互い
に大きく相殺され、全体的なエネルギー分散は中心間隙
によって引き起されることになる。

【０１３４】イオン注入装置においては最終ビームのパ
ーセンテージエネルギー分散は重要である。従って、最
終的に注入されるイオンは一定パーセンテージの目標エ
ネルギー、例えば±５%以内にあるエネルギーを有する
べきである。図１６Ａ、１６Ｂの例においては加速器ス
テージを離れたイオンの最終エネルギーは約３００ｋe
Ｖ±１５ｋeＶである。これは約６０°の位相範囲を有
する加速器ステージに注入されるイオンから達成され
る。従って、適正なエネルギー分散性能が、未束注入ビ
ーム中のイオンのほぼ１７%を捕捉する入力位相範囲に
わたって得られることが分かる。この性能レベルは、
イオンが電界の（上記のような）上昇時に第１間隙を横
断するとともに電界降下時に第３間隙を横断するよう構
成された三間隙高周波空洞によって得ることができる。

【０１３５】イオンが単一間隙（最大加速角の−３０°
から＋３０°までの位相角で間隙の中心を横断してい
る）によって生ずるエネルギー分散は理論的には±６．
７%である。従って１６Ａ、１６Ｂに示した加速器ステ
ージのセットアップの性能は、広い位相角にわたって入
力されたイオンのエネルギー分散を制限する点から見て
実質的に優れている。また重要なのは、加速器ステージ
のセットアップによって、最小のエネルギー拡散で加速
ステージを離れたイオン束がばらばらになることなく次
の加速ステージに送出され、さらなる加速が可能である
ことである。この優位性は従来のバンチャーを加速器の
前に置いて用いても維持され、入力位相範囲により多く
のビームイオンを含むようになる。

【０１３６】図１６Ａ、１６Ｂの例においては、加速器
は７０ｋＶの最大に近い印加高周波電圧、Ｂ⁺イオンの
場合６４ｋeＶの注入エネルギー、上述したような第１
空洞の加速器ステージの寸法で作動される。印加高周波
電圧の周波数は約２０ＭＨｚである。注入エネルギーを
増大させることによって高周波電圧の周波数を高くする
一方、上記のように加速器ステージの間隙を横断するイ
オンの位相を引き続き維持することができる。同様に加
速器ステージの間隙間の距離を増大させることは、同一
周波数の高周波電圧の注入エネルギーの増大を要するこ
とになる。

【０１３７】図１７Ａ、１７Ｂは、高周波電圧がかなり
低い値、２５ｋＶに設定されている時、第１加速ステー
ジを貫通するイオンのエネルギー増分と位相を示す。Ｂ
⁺イオンの注入エネルギーはそれでもなお６４ｋＶであ
る。６０°の位相拡散を有するイオンは加速器ステージ
の第１間隙に入り、１８０°以下の位相角で第１間隙の
中心を横断する。イオンは３６０／０°前後の位相角で
中心間隙を横断し、１８０°以上の位相角で第３間隙を
横断する。この結果第１間隙で生ずるエネルギー拡散は
第２間隙によって低減される。しかし高周波電圧低下の
ため、イオンの位相拡散は加速器ステージを通過する際
低減される。それでもイオンは、第１間隙で生ずるエネ
ルギー分散と逆方向に最大エネルギー分散を付与する２
７０°前後の位相で第３間隙の中心を横断する。また、
イオンは最大加速位相３６０／０°より若干前の中心間
隙を横断するが、これも第１間隙のエネルギー分散を相
殺する傾向がある。その結果加速器ステージからのビー
ムのエネルギー分散は図１７Ａに示すように、１００ｋ
eＶ以上の出力エネルギーで約±５ｋeＶであって、なお
±５％未満である。

【０１３８】図１８Ａ、１８Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、２０
Ａ、２０Ｂはそれぞれ１８０keＶ（９０ｋeＶ静電加速
電圧）の注入エネルギー、７０ｋＶ、４５ｋＶ、２０ｋ
Ｖの高周波電圧を有するＰ⁺⁺イオン加速に係る類似のエ
ネルギー増分・位相図を示す。Ｂ⁺の場合より若干高い
静電予備加速電圧（９０ｋeＶ）が用いられ、Ｐ⁺⁺イオ
ンの注入速度は６４ｋeＶのＢ⁺の場合と同等である。Ｐ
⁺⁺イオン、７０ｋＶの高周波電圧用の加速器ステージの
性能は図１６Ａ、１６Ｂに示したＢ⁺イオンの場合と同
様である。Ｐ⁺⁺イオン、４５ｋＶの高周波電圧の場合、
イオンは２７０°より若干小さい位相で第３間隙の中心
点を横断するので、第３間隙は図１９Ａに示したように
さらに少量のエネルギー増分を行うことになる。Ｐ⁺⁺
イオン、２０ｋＶの高周波電圧の場合、イオンは２７０
°以上の位相で第３間隙を横断するので、第３間隙は図
２０Ａに示したように減速を生ずる。図１８、１９、２
０において、加速ステージを離れたイオンのエネルギー
拡散は受入れイオンが６０°の位相範囲であっても±５
％未満であることが分かる。

【０１３９】図２１Ａ、２１Ｂに戻ると、これらの図は
同一寸法を有する加速器ステージを貫通するＢ⁺⁺イオン
のエネルギー増分・位相を示す。この場合、Ｂ⁺⁺イオ
ンの注入エネルギーは６４ｋeＶ（３２ｋＶの静電予備
加速電圧）であり、高周波電圧は７０ｋＶに設定され
る。図面は、第１間隙に入り１８０°以下の位相角で第
１間隙の中心を横断するイオンを示し、遅発イオンは早
発イオンより加速されている。つまり、早発イオンは９
０°より若干小さい位相角で間隙の中心点を横断し、図
２１Ａのエネルギー増分線図中に下部の線で示したよう
に間隙での減速を意味する。

【０１４０】ホウ素イオンは二重荷電のため、高周波電
圧によって生ずる加速は一重荷電ホウ素イオンの２倍で
あり、第１間隙によって引起されるエネルギー分散は図
２１Ａにも見られるように実質的に大きい。イオンの注
入エネルギーが低いとすれば、このエネルギー分散によ
る位相拡散はかなり大きく、実際、位相拡散は反転し、
早期に第１間隙を横断するイオンは、比較的晩期に第２
間隙の中心を横断することになる。それでもイオンは３
６０／０°前後で中間間隙の中心を横断し、この間隙か
ら最大のエネルギーブーストを受け、その後大部分は１
８０°以下の位相角で第３間隙の中心線を横断する。従
って、イオンは電界が最大減速から最大加速に上昇する
時第３間隙を横断する。しかし第１間隙で生ずる位相拡
散の反転のため、早期に第１間隙を横断したイオンは比
較的晩期に第３間隙を横断し、付加的なエネルギーを受
取る。従ってＢ⁺⁺イオンの場合、１８０°以前に第３間
隙を横断することは、第１間隙で生ずるエネルギー分散
をなくすのに有効である。

【０１４１】図２１Ａから分かるように、加速器ステー
ジからのイオンのエネルギー分散は再び約±５％とな
る。加速器ステージに注入されるイオンの位相拡散は１
１０°以上である。これはＢ⁺⁺イオンの未束注入ビーム
量の点から見て際立った効率であるが、これらのイオン
はアセンブリによってわずか±５%のエネルギー分散で
目標エネルギーに加速可能なのである。本発明において
これが達成されるのは、最大高周波電圧振幅Ｖに比較し
て注入エネルギーＥが比較的低いからである。実際、重
要要因は注入イオンの荷電状態毎の注入エネルギー（Ｅ
／e）である。このような比較的低い注入エネルギーで
は、印加高周波電圧はイオンの位相拡散を反転させるの
に有効であって、第１間隙の遅発イオンは第３間隙では
早発イオンになる。従って、第３間隙の高周波電圧が最
大加速に上昇した時イオンが第３間隙を横断するように
することによって、第１間隙のエネルギー分散をほとん
ど完全になくすことができる。

【０１４２】より一般的にはＥが２Ｖ．e以下の場合改
善がなされる。従って、イオンが中心間隙を横断する
際、イオン位相拡散の幾分かの低減が生じ、中心間隙で
生ずるエネルギー分散量が減少する。要するに、イオ
ン注入装置は、注入エネルギーＥである注入イオンビー
ムを発生するイオンビーム発生器と、前記イオンビーム
が前記注入エネルギーで送出される対象とされ、励起時
前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速するよう設
けられ、一定電位に保持された入口電極と一定電位に保
持された出口電極とを備える三間隙線形加速器ステージ
と、前記入口、出口電極間に直列配置された第１、第２
高周波電極と、逆極性で接地に対し最大振幅Ｖの高周波
電圧を前記第１、第２電極にそれぞれ印加する高周波発
生器と、を備え、前記イオンビーム発生器は、Ｅ＜２
Ｖ．e（eは前記イオンの荷電状態である）となるよう
に、前記注入エネルギーＥを制御するよう設けられる。
ＥはＶ．e未満、さらには１／２Ｖ．e未満であってもよ
い。

【０１４３】上記の高周波加速器ステージの構成は、イ
オンに幾分かの加速を与えるためにも使用可能である。
加速器ステージを通過するイオンのエネルギー増分と位
相は図２２Ａ、２２Ｂに示してある。イオンは最大可能
エネルギー、ここでは９０ｋeＶで加速器に注入される
必要がある。それでも、イオンの質量／電荷比が高いの
で（ｍ／e＝３１）、加速器に入るイオンの速度は同一
静電予備加速電圧からのの半分である。この結果、イオ
ンは約９０°の位相で第２間隙の中心を横断し、イオン
は中心間隙から最小の総加速だが第１間隙で生ずるエネ
ルギー分散を打ち消す最大量のエネルギー分散を受け
る。結果としてのエネルギー分散によって、第１間隙で
早発、遅発であったイオンは比較的低エネルギーで第２
間隙を離れ、範囲の中間で第１間隙に入るイオンは高エ
ネルギーで第２間隙を離れるようになる。従って第３間
隙は、第３間隙に晩期に到達するイオンに対して早発イ
オンのエネルギーを低減させるのに有効であり、第３間
隙を離れるイオンのエネルギー拡散をさらに低減すると
いう総合的効果がある。図２２Ａから分かるように、結
果としてのエネルギー拡散は、再び、約１１０°の注入
イオンの位相拡散から約±５％である。イオンの場合、
加速器で得られるエネルギー増分は約６０ｋeＶであ
る。

【０１４４】従って、付与されるエネルギー増分が理論
的最大値（４Ｖ．e）よりはるかに小さいという点で
は、高周波加速器ステージが比較的非効率的に作動して
いるとは言えるが、三間隙加速器ステージが決してイオ
ンに対し最適化されていないにもかかわらず、有効なエ
ネルギー増分が得られることが分かる。

【０１４５】要約すると、イオンに対し最適化され（か
つイオンに対しほぼ最適化される）よう、三間隙加速器
ステージを周到に構成することによって、比較的高比率
の注入イオンが小パ−センテ−ジの目標エネルギー内で
加速可能である装置が提供される。また重要なのは、加
速器ステージの出力エネルギーは、印加高周波振幅を調
節することで容易に変えられる一方、所望出力エネルギ
ーかそれに近い注入イオンの送出比率の点から見た効率
を維持し得ることである。この柔軟度のレベルはイオン
注入装置において極めて望ましく、上で詳述した個々の
特徴から生ずるものである。

【０１４６】装置の柔軟度は図２３に示してある。これ
は、上記２つの三間隙加速空洞を有する高周波加速器ア
センブリによって送出されるビームイオンに係る、Ｘ軸
方向のエネルギー対Ｙ軸方向のビーム電流の任意単位の
グラフである。グラフgはドリフトモードの高周波加速
器による７０ｋeＶの注入エネルギーの送出ビームを示
す。グラフa〜eは第２ブースタステージが非作動で、第
１ブースタステージに印加される高周波電圧振幅の増分
設定が５つある送出ビームを示す。ビーム電流およびビ
ームのエネルギー拡散は共に出力エネルギー増大に対し
て著しく一定である。これらは極めて望ましい特徴であ
り、第１ブースタステージは、良好なビーム電流で十分
制御されたイオン束を中間エネルギーの範囲で第２ブー
スタステージに送出可能となる。グラフfはそれぞれ高
周波振幅で励起された第１、第２ブースタステージによ
る高エネルギーの送出ビームを示す。

【０１４７】図１３に関連して上で述べたように、２つ
の三間隙加速器ステージを備える加速器アセンブリは、
両加速器ステージ間の一定ドリフト長を用いることによ
って、また第１加速器ステージに印加される高周波電圧
の振幅を調節することによって、質量／電荷比の異なる
イオンを使った運転をセットアップ可能である一方、両
加速器ステージの位相はそれぞれ一定値に固定される。
３００ｋeＶのエネルギーで両加速器ステージ間のドリ
フト距離３００（図１３）に沿って移動するイオンの場
合、第１ステージの出口電極から第２ステージの入口電
極までの飛行時間は約２１２ナノ秒である。一方、印加
高周波電圧（略２０ＭＨｚ）の周期は約５０ナノ秒であ
る。これが示すのは、第２加速器空洞の第１間隙に到達
するイオンは、正確な到着時間から決して２５ナノ秒を
越えることがないということである。これが意味するよ
うに、最終的構成によっては、イオンの場合、ドリフト
長３００のイオンの飛行時間を最大２５ナノ秒まで増大
しなければならない場合があり、これは４７８ｍｍのド
リフト長の場合、３００ｋeＶから約２４１ｋeＶへの第
１加速器ステージからの出力エネルギー減（３０％）を
意味する。

【０１４８】より重要であるが、第２加速器空洞の高周
波電圧の位相が第１空洞の電圧とまったく同一の一定位
相値に固定された状態では、イオンの飛行時間は１２ナ
ノ秒だけ低減され第２空洞には正確に到達するはずであ
り、第１加速器ステージを離れるイオンの約１２%のエ
ネルギー増分を意味する。４００ｋeＶのイオンの場
合、ドリフト長３００に沿った飛行時間は１８４ナノ秒
であり、正確に到達するために約１６%のイオンのエネ
ルギー低減が必要であることを意味する。６００ｋeＶ
の第１加速器ステージを離れるの飛行時間は２５２ナノ
秒であり、これらのイオンが（、については高周波電圧
４サイクルではなく５サイクル後に）正確に到達するた
めのエネルギー増大はちょうど２％であることをを意味
する。２００ｋeＶで第１加速器ステージを離れるの場
合、ドリフト長３００の飛行時間は４３６ナノ秒であ
り、（高周波電圧９サイクル後に）正確に到達するため
にちょうど１４%のエネルギー低減が必要であることを
意味する。

【０１４９】実際には、イオン注入装置の構成上、ドリ
フト長３００、高周波電圧の周波数ｆ等の様々な加速器
アセンブリのパラメータを選択し、選択イオン種に最適
性能を準備するとともに、異なるイオン種を処理するの
に必要な速度調節をできる限り少なくするようにしても
よい。

【０１５０】前述のように、上記高周波加速器アセンブ
リは、通常第１三間隙加速ステージあるいは空洞の上流
に位置するバンチャー構造を内蔵している。バンチャー
は束になっていないビームイオンの３０%まで（あるい
はそれ以上）を捕捉し、捕捉イオン中に制御されたエネ
ルギー拡散を生じさせ、該捕捉イオンが第１加速ステー
ジ侵入時に物理的に束になるよう構成される。捕捉ビー
ムイオンの比率をできる限り大きくするため、バンチャ
ーは束イオンに対し全体的なエネルギー増分を行わな
い。好適なバンチャーは位相が一定基準位相に固定され
ている二間隙構造である。第１加速器ステージにm／e
の異なる束を正確に到達させるのは、質量選択マグネッ
トからのビームイオンの注入エネルギーの微調節によっ
て行われ、これによってバンチャーから第１加速ステー
ジに束状で到達するイオンの速度および飛行時間が制御
される。高周波振幅は所要エネルギー拡散を与えるよう
設定され、イオンは制御された注入エネルギーで第１加
速器ステージ到着時に束にされることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具現可能なイオン注入装置の概略平面
図である。

【図２】図１のイオン注入装置において使用可能な高周
波線形加速器アセンブリの正面図である。

【図３】Ａは、図２の加速器アセンブリの中心部を形成
する一体ブロックの平面図である。Ｂは、図２の加速器
アセンブリの中心部を形成する一体ブロックの側面図で
ある。Ｃは、図３Ａのブロックの端面図である。Ｄは、
図３Ｂのブロックの端面図である。Ｅは、図３Ａ及び３
ＢのブロックのＣ−Ｃ線に沿った横断面図である。Ｆ
は、図３Ａ及び３ＢのブロックのＦ−Ｆ線に沿った横断
面図である。Ｇは、図３Ａ及び３ＢのブロックのＤ−Ｄ
線に沿った横断面図である。Ｈは、図３Ｇに示した矢印
Ｅの方向からの図３Ａ及び３Ｂのブロックの端部の図で
ある。

【図４】Ａは、図２の高周波加速器アセンブリの第１ス
テージの高周波電極の一側面からの図である。Ｂは、一
電極の図４ＡのＡ−Ａ線に沿った横断面図である。Ｃ
は、図４Ａの電極の内の１つのアパーチャを形成するア
パーチャ・プレートの内の１つを示す。Ｄは、図４Ｃの
アパーチャ・プレートのＢ−Ｂ線に沿った横断面図であ
る。

【図５】Ａは、図２の高周波加速器アセンブリの第２ス
テージの高周波電極の側面図である。Ｂは、図５ＡのＧ
−Ｇ線に沿った電極の内の一電極の横断面図である。

【図６】Ａは、図２の加速器アセンブリの第１ステージ
の入口電極の正面図である。Ｂは、図２の加速器アセン
ブリの第１ステージの入口電極の側面図である。Ｃは、
図６Ａの入口電極のＨ−Ｈ線に沿った横断面図である。

【図７】Ａは、図２の加速器アセンブリの一つのステー
ジに対する二つのコイルアセンブリ・共振チャンバの側
面図である。Ｂは、図２の加速器アセンブリの一つのス
テージに対する二つのコイルアセンブリ・共振チャンバ
の端面図である。

【図８】Ａは、高周波エネルギーを図７の共振チャンバ
に結合するカップラアセンブリの外観図である。Ｂは、
高周波エネルギーを図７の共振チャンバに結合するカッ
プラアセンブリの断面図である。

【図９】図７の二つのコイルアセンブリの水冷に用いら
れる噴射管アセンブリの概略図である。

【図１０】Ａは、図７の共振チャンバにおいて用いられ
るピックアップループアセンブリの内部図である。Ｂ
は、図７の共振チャンバにおいて用いられるピックアッ
プループアセンブリの横断面図である。

【図１１】Ａは、図７の共振チャンバの共振周波数の調
整に用いられる調節可能調整コンデンサの側面図であ
る。Ｂは、図７の共振チャンバの共振周波数の調整に用
いられる調節可能調整コンデンサの横断面図である。

【図１２】図２の加速器アセンブリにおいてイオンビー
ムの合焦に用いられる磁気的４重極のビーム方向に沿っ
た横断面図である。

【図１３】本発明の様々な特徴を具現・例示する高周波
加速器アセンブリの概略図である。

【図１４】加速器の励起時、図２に示した高周波加速器
アセンブリを通過するイオンビームの異なる時間での輪
郭のグラフである。

【図１５】図１４と同様であるが、ドリフトモードの加
速器によるイオンビーム輪郭のグラフである。

【図１６】Ａは、印加高周波電界が最大振幅である時、
印加電界波形の時間的に相違する範囲にわたって三間隙
高周波加速器ステージの第１間隙に入るＢ⁺イオンに関
する、加速ステージの長手方向の位置に対するイオンの
エネルギーのグラフである。Ｂは、高周波電界波形位相
対印加高周波電界が最大振幅である時、三間隙高周波加
速器ステージによって加速されるＢ⁺イオンの加速ステ
ージの長手方向位置のグラフである。

【図１７】Ａは、図１６Ａに対応するが、印加高周波電
圧の振幅が低い値であり、イオンに付与するエネルギー
ブーストが小さい時のグラフである。Ｂは、図１６Ｂに
対応するが、印加高周波電圧の振幅が低い値であり、イ
オンに付与するエネルギーブーストが小さい時のグラフ
である。

【図１８】Ａは、図１５Ａに対応するが、一印加高周波
電圧振幅のＰ⁺⁺イオンに関するグラフである。Ｂは、図
１５Ｂに対応するが、一印加高周波電圧振幅のＰ⁺⁺イオ
ンに関するグラフである。

【図１９】Ａも、図１５Ａに対応するが、別の印加高周
波電圧振幅のＰ⁺⁺イオンに関するグラフである。Ｂも、
図１５Ｂに対応するが、別の印加高周波電圧振幅のＰ⁺⁺
イオンに関するグラフである。

【図２０】Ａも、図１５Ａに対応するが、他の印加高周
波電圧振幅のＰ⁺⁺イオンに関するグラフである。Ｂも、
図１５Ｂに対応するが、他の印加高周波電圧振幅のＰ⁺⁺
イオンに関するグラフである。

【図２１】Ａも、図１５Ａに対応するが、Ｂ⁺⁺イオンに
関するグラフである。Ｂも、図１５Ｂに対応するが、Ｂ
⁺⁺イオンに関するグラフである。

【図２２】Ａも、図１５Ａに対応するが、Ｐ⁺イオンに
関するグラフである。Ｂも、図１５Ｂに対応するが、Ｐ
⁺イオンに関するグラフである。

【図２３】異なる高周波振幅での図１３に示した二つの
ステージ三間隙ブースタに関する出力エネルギーに対す
るビーム電流のグラフである。

【符号の説明】１０・・・高周波線形加速器アセンブリ１１・・・イオン源１２・・・分析マグネット１３・・・質量選択スリット１４・・・ビーム１５・・・ビームスキャン装置１７・・・プロセスチャンバ１８・・・半導体基板１９・・・ウェーハホルダ２０・・・機械的スキャン機構２１・・・ロードロック２２、２４・・・高周波電源２３・・・バンチャー２５・・・エネルギーフィルタ３２、３３・・・第１、第２加速器ステージ（三間隙高周
波ブースタ空洞）３５、３６・・・入口、出口電極３７、３８・・・第１、第２高周波電極４７、４８・・・共振タンクチャンバ５０、５１、５２、５３・・・磁気的４重極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヒルトンエフ．グラヴィッシュアメリカ合衆国，ネヴァダ州，インクラインヴィレッジ，タイナーウェイ 803，ピー．オー．ボックス 4348 (72)発明者ジョンスチュアートゴードンアメリカ合衆国，カリフォルニア州，クパティノ，パークウッドドライヴ 10180 ナンバー８

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、を備
え、前記アセンブリは前記ビームのイオンエネルギーを変化
させる一連の間隙を画成する複数の電極を備え、前記電極はイオンが通過する複数のアパーチャを有し、
加速器アセンブリの間隙を画成する電極のアパーチャ
は、それぞれビーム方向と交差する第１直交方向の第１
寸法とビーム方向と交差する第２直交方向の第２寸法と
を有し、第１間隙を画成する少なくとも第１電極のアパ
ーチャの第１寸法は、前記第１電極アパーチャの第２寸
法より小さい、イオン注入装置。
【請求項２】加速器アセンブリの第１間隙を画成する
第２電極のアパーチャの第１寸法は、前記第２電極アパ
ーチャの第２寸法より小さい、請求項１記載のイオン注
入装置。
【請求項３】加速器アセンブリの少なくとも第１、第
２の間隙を画成する各電極のアパーチャの第１寸法は、
各電極のアパーチャの第２寸法より小さい、請求項１記
載のイオン注入装置。
【請求項４】少なくとも連続した一組の前記電極は、
各々前記第２アパーチャの寸法未満の前記第１アパーチ
ャの寸法を有し、ビーム方向に前記連続した一組の電極
に沿って第１寸法にそれぞれ少なくとも１つの増分があ
る、請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項５】前記イオンビーム発生器は、前記第１直
交方向に整列された分散面を有する質量分析マグネット
を含む、請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項６】前記質量分析マグネットは、前記ビーム
に注入する所望イオンを前記第１直交方向の、第１電極
に対して（イオン源に向かって）上流側ではないビーム
沿いの位置の略焦点に導くよう設けられた、請求項５記
載のイオン注入装置。
【請求項７】前記加速器アセンブリは、ビーム方向に
沿ってタンデムの少なくとも第１、第２の高周波ブース
タステージを備え、各ブースタステージは、入口、出口
電極と前記間隙を画成する電極を共に構成する少なくと
も１つの中間周波数電極とを備え、第１ブースタステー
ジの入口電極は前記第１電極であり、イオン注入装置
は、前記第１ブースタステージの上流の第１磁気的４重
極と、第１磁気的４重極を励磁してビームイオンを前記
第１直交方向に合焦させかつ前記イオンを前記第２直交
方向に脱焦させるよう接続された第１電源と、前記第１
ブースタステージの下流の第２磁気的４重極と、第２磁
気的４重極を励磁してビームイオンを前記第１直交方向
に合焦させ、前記イオンを前記第２直交方向に脱焦させ
るよう接続された第２電源と、をさらに含む、請求項６
記載のイオン注入装置。
【請求項８】前記第２磁気的４重極と第２ブースタス
テージ間の第３磁気的４重極と、第３磁気的４重極を励
磁してビームイオンを前記第２直交方向に合焦させ且つ
前記イオンを前記第１直交方向に脱焦させるよう接続さ
れた第３電源とを含む、請求項７記載のイオン注入装
置。
【請求項９】イオン注入装置であって、所定の質量／電荷比を有すると共に注入エネルギーＥで
ある注入イオンビームを発生するイオンビーム発生器
と、前記イオンビームが前記注入エネルギーで送出される対
象とされ、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギ
ーに加速するよう設けられ、一定電位に保持された入口
電極と一定電位に保持された出口電極とを備える三間隙
線形加速器ステージと、前記入口、出口電極電極間に直列配置された第１、第２
高周波電極と、逆極性で所定周波数ｆの高周波電圧を前記第１、第２電
極にそれぞれ印加する高周波発生器とを備え、前記入口電極および第１高周波電極は第１加速間隙を画
成し、前記第１、第２高周波電極は、第１間隙の中心点
から第１の所定間隔ｄ_１の中心点を有する第２加速間隙
を画成し、前記第２高周波電極および出口電極は、第２
間隙の中心点から第２の所定間隔ｄ_２の中心点を有する
第３加速間隙を画成するとともに、前記間隙のいずれか
で絶縁破壊が生ずる高周波エネルギーの最大振幅以下の
振幅において、前記ビームの注入イオンが、第１間隙の
高周波電界が最大減速電界から最大加速電界に上昇する
時に第１間隙を横断し、次いで第２間隙の電界が最大加
速電界時に第２間隙を横断し、第３間隙の電界が最大加
速電界から最大減速電界に下降する時に第３間隙を横断
するよう、注入エネルギーＥと周波数ｆと間隙間隔
ｄ_１、ｄ_２とが選択される、イオン注入装置。
【請求項１０】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、を備
え、前記アセンブリは、ハウジングと、ハウジング内に取付けられた複数の電極であって、前記
電極は、前記ビームのイオンのエネルギーを変化させる
一連の間隙を画成するとともにイオンが通過する複数の
アパーチャを有する、ハウジング内に取付けられた複数
の電極と、前記電極の少なくとも１つに電気的に接続され、前記少
なくとも１つの電極を高周波電位に励起する少なくとも
１つの誘導コイルと、前記コイルのまわりの導電筐体と、を備え、前記コイル
と、少なくとも１つの電極と、ハウジングと、導電筐体
とは共に所定の共振周波数を有する高周波タンク回路を
構成し、前記コイルは、少なくとも第１、第２の接続ア
ームを有する自立剛性導電体を備え、前記線形加速器ア
センブリは、前記導電筐体への電気的接続のために前記
第１アームを収納するよう設けられ筐体内の所望位置で
コイルを支持する前記筐体のコイル取付具と、前記ハウ
ジング内の前記少なくとも１つの電極を配置する絶縁取
付台とを含み、前記第２接続アームは、前記筐体からハ
ウジングに伸長し前記少なくとも１つの電極と高周波接
続をなし、前記少なくとも１つの電極は、前記第２接続
アームとの摺動取付接続を与える接続取付具を有し、こ
れにより前記コイルの熱膨張・収縮は前記取付具の第２
アームの摺動によって吸収される、イオン注入装置。
【請求項１１】前記絶縁取付台および接続取付具は、
ビーム方向と交差する方向で前記少なくとも１つの電極
の対向する側にある、請求項１０記載のイオン注入装
置。
【請求項１２】前記絶縁取付台は、前記ハウジングか
ら伸長する取付ロッドを備え、前記取付ロッドおよび前
記コイルの第２接続アームは、前記少なくとも１つの電
極の対向する側で略同軸である、請求項１１のイオン注
入装置。
【請求項１３】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、を備
え、前記アセンブリは、ハウジングと、ハウジング内に取付けられた複数の電極であって、前記
電極は、前記ビームのイオンのエネルギーを変化させる
一連の間隙を画成するとともにイオンが通過する複数の
アパーチャを有する、ハウジング内に取付けられた複数
の電極と、前記電極の少なくとも１つに電気的に接続され、前記少
なくとも１つの電極を高周波電位に励起する少なくとも
１つの誘導コイルと、前記コイルのまわりの導電筐体と、を備え、前記コイルと、少なくとも１つの電極と、ハウジング
と、導電筐体とは共に所定の共振周波数を有する高周波
タンク回路を構成し、前記コイルは、開放端と閉止端を
有する管状導電体から成り、前記線形加速器アセンブリ
は、前記開放端を収納し前記導電筐体の外側から開放端
に接近可能とする前記筐体のコイル取付具と、前記管状
導電体中を前記開放端から前記閉止端の近傍位置まで伸
長する二重壁冷却管とを含み、前記冷却管は、前記近傍
位置で前記管状導電体の内部に開口する内側パイプ部
と、前記近傍位置で閉止する外側パイプ部とを備え、前
記内側パイプ部および外側パイプ部は両者間に前記冷却
管の長手方向の空間と、前記外側パイプ部に接続され内
側、外側パイプ部間の空間を排気する真空源と、前記内
側パイプ部および前記管状導電体の開放端の一方に接続
され冷却流体流を管状導電体に沿って供給する冷却流体
源とを具備する、イオン注入装置。
【請求項１４】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、を備
え、前記アセンブリは、前記ビームのイオンのエネルギーを変化させる一連の間
隙を画成するとともに、イオンが通過する複数のアパー
チャを有する、複数の電極と、ビームに沿って前記電極の少なくとも１つに近接配置さ
れた少なくとも１つの磁気的４重極と、を備え、前記アセンブリは、該アセンブリ用真空ハウジングを具
備する一体ブロックをさらに含み、前記一体ブロック
は、前記ビームを通過させる貫通チャネルと、前記電極
を装着して前記貫通チャネルの長手方向に前記複数の間
隙を画成する複数の電極装着ポイントと、前記磁気的４
重極を装着する少なくとも１つの磁気的４重極装着ポイ
ントとを有する、イオン注入装置。
【請求項１５】前記ブロックの磁気的４重極装着ポイ
ントは、前記貫通チャネルと同軸の前記ブロックの略管
状部と、前記管状部の周囲に均一に離隔した４つのアパ
ーチャと、前記各アパーチャの周囲に具備された封止フ
ランジと、を備え、前記磁気的４重極は、前記各封止フ
ランジに取付けられアパーチャを通って前記管状部に伸
長する磁極を有し、前記封止フランジは磁極とブロック
間の真空シールを具備する、請求項１４記載のイオン注
入装置。
【請求項１６】前記磁気的４重極は、各磁極用の磁極
巻線を有し、前記磁極巻線は、前記封止フランジの外側
に配置されて、真空ハウジングの排気時に大気中にあ
る、請求項１５記載のイオン注入装置。
【請求項１７】ターゲット基板へのイオン注入方法で
あって、第１エネルギーのイオンのビームを発生するステップ
と、ビーム方向に沿ってタンデムの少なくとも第１、第２の
ブースタステージを有する高周波加速器アセンブリを用
いて、ビーム中のイオンのエネルギーを第２エネルギー
に変化させるステップと、を備え、各ブースタステージは、入口、出口電極と、一連の間隙
を画成し、前記ビームのイオンのエネルギーを変化させ
る少なくとも１つの中間高周波電極とを備え、第１ブースタステージの出口電極および第２ブースタス
テージの入口電極は、両者間に、ビームイオンが高周波
電界を受けないブースタステージ間のドリフト距離を画
成し、前記ドリフト距離での第１ブースタステージから
のイオン束の速度が調節されて、第２ブースタステージ
までのイオン束の飛行時間を調節する、ターゲット基板
へのイオン注入方法。
【請求項１８】前記速度は、第１ブースタステージの
高周波電界の振幅を調節することによって、調節され
る、請求項１７記載のイオン注入方法。
【請求項１９】前記線形加速器アセンブリでは、第１
質量／電荷比のビームイオンを加速するセットアップか
ら第２質量／電荷比のビームイオンを加速するセットア
ップへの変更は第２質量／電荷比のイオンのドリフト距
離での速度を調節することによって行われる一方、前記
第１、第２ブースタステージの高周波電界の位相を一定
値に固定状態とする、請求項１７記載のイオン注入方
法。
【請求項２０】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第
２エネルギーに加速するよう設けられた高周波線形加速
器アセンブリであって、前記アセンブリは、ビーム方向
に沿ってタンデムの少なくとも第１、第２の高周波ブー
スタステージを有し、各ブースタステージは入口、出口
電極と、一連の間隙を画成し前記ビームのイオンのエネ
ルギーを変化させる少なくとも１つの中間高周波電極と
を備え、第１ブースタステージの出口電極および第２ブ
ースタステージの入口電極は、両者間に、ビームイオン
が高周波電界を受けないブースタステージ間のドリフト
距離を画成する、励起時に前記ビームのイオンを第２エ
ネルギーに加速するよう設けられた高周波線形加速器ア
センブリと、前記ドリフト距離での第１ブースタステージからのイオ
ン束の速度を調節して、第２ブースタステージまでのイ
オン束の飛行時間を調節するよう設けられたコントロー
ラと、を備える、イオン注入装置。
【請求項２１】前記ドリフト距離は、入口電極と出口
電極間の第１ブースタステージの長さより大きい、請求
項２０記載のイオン注入装置。
【請求項２２】前記ドリフト距離は、前記長さの約２
倍である、請求項２１記載のイオン注入装置。
【請求項２３】前記コントローラは、第１ブースタス
テージの高周波電界の振幅を調節することによって、前
記イオン束の速度を調節するよう設けられた、請求項２
０記載のイオン注入装置。
【請求項２４】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリであっ
て、前記アセンブリは、ビーム方向に沿ってタンデムの
少なくとも第１、第２の共振空洞を有し、前記空洞は入
口、出口電極と、一連の間隙を画成し前記ビームのイオ
ンのエネルギーを変化させる複数の電極と、第１周波数
の高周波エネルギーの第１電源を前記第１空洞に供給す
る高周波電源とを備え、前記第１空洞は、第１周波数で
共振しこれにより第１空洞内の電極間隙間に対応第１高
周波加速電界を生成し、前記第１電界は位相および振幅
を有し、前記高周波電源は前記第１周波数と同一か或い
は調波である第２周波数の高周波エネルギーの第２電源
を前記第２空洞に供給し、前記第２空洞は第２周波数で
共振しこれにより第２空洞内の電極間隙間に対応第２高
周波加速電界を生成し、前記第２電界は位相および振幅
を有する、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギ
ーに加速するよう設けられた高周波線形加速器アセンブ
リと、第１空洞内の第１電界の振幅を調節することによって、
第１空洞から第２空洞までのイオン束の飛行時間を調節
する一方、前記第１、第２電界の位相を一定値に固定状
態とするコントローラとを備える、イオン注入装置。
【請求項２５】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリと、を備
え、前記アセンブリは、ビーム方向に沿ってタンデムの第
１、第２の高周波ブースタステージを有し、各ブースタ
ステージは入口、出口電極と、一連の間隙を画成し前記
ビームのイオンのエネルギーを変化させる少なくとも１
つの中間高周波電極と、前記第１、第２ブースタステー
ジ間に配置された隣接する一対の磁気的４重極とを備
え、前記電極はイオンが通過する複数のアパーチャを有
し、前記第１、第２の高周波ブースタステージの全電極
は長さＬであり、電極のアパーチャはＤ以上のビームと
交差する最大寸法をそれぞれ有し、Ｌ／Ｄは２５未満で
ある、イオン注入装置。
【請求項２６】選択された質量／電荷比（ｍ／e）の
イオンを注入エネルギーＥから第２エネルギーに加速す
る三間隙高周波加速器ステージの作動方法において、励
起可能な加速器ステージに絶縁破壊を生ぜずに最大振幅
Ａの高周波電圧を供給することと、周波数ｆの高周波電
圧を印加して加速器ステージに対応高周波電圧加速電界
を生成することと、注入エネルギーＥと周波数ｆと加速
器ステージの第１、第２間隙間および第３、第４間隙の
中心間の間隔ｄ_１、ｄ_２とを選択することを備え、高周
波電圧振幅がＡ以下の状態で、第１間隙の高周波電界が
最大減速電界から最大加速電界に上昇する時第１間隙を
横断し、次に第２間隙の最大加速電界の間第２間隙を横
断し、第３間隙の電界が最大減速電界から最大加速電界
に降下した時第３間隙を横断する、三間隙高周波加速器
ステージの作動方法。
【請求項２７】前記高周波電圧の振幅はＡ未満の値に
調節されて第２エネルギーを減少させる、請求項２６記
載の方法。
【請求項２８】選択された質量／電荷比（ｍ／e）お
よび基板注入の所望エネルギーを有するイオンビーム発
生装置であって、該装置は、第１エネルギーのイオンビームを供給するイオン源と、前記第１エネルギーのイオンビームを入力し、特に前記
イオンのモーメントに応じてビーム方向と交差する消散
面で前記イオンビームを消散させる分析マグネットと、前記ビームからの選択モーメントを有するイオンが第１
エネルギーで前記第１空洞に注入されるよう、前記消散
面に隣接配置された入口電極を有する第１三間隙線形加
速器空洞と、前記第１空洞からイオンを入力する第２三間隙線形加速
器空洞と、前記第１、第２空洞を通過するイオンの拡散を制御す
る前記空洞間の一対の磁気的４重極と、を備える、イオ
ンビーム発生装置。
【請求項２９】前記第１、第２空洞にそれぞれ高周波
電力を通電する第１、第２の制御可能な電源と、少なくとも前記第１高周波電源が前記第１空洞に通電す
るよう制御されて、選択イオンのエネルギーを前記第１
エネルギー以上の第２エネルギーに増加する第１制御モ
ードと、前記第１、第２高周波電源の両方が第１、第２
空洞に前記高周波電力を供給しないよう制御されて、選
択イオンが前記第１エネルギーで前記空洞を通過する第
２制御モードとを有する、イオンエネルギーコントロー
ラと、を含む、請求項２８記載のイオンビーム発生装
置。
【請求項３０】それぞれ制御可能な励磁電流が前記磁
気的４重極に供給され、前記コントローラは、前記各第
１、第２モードで作動して前記給電を制御し、前記選択
イオンの電流をそれぞれのモードの第２空洞から増大さ
せる、請求項２９記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３１】イオン注入装置であって、第１エネルギーにある注入イオンのビームを発生するイ
オンビーム発生器と、励起時に前記ビームのイオンを第２エネルギーに加速す
るよう設けられた高周波線形加速器アセンブリとを備
え、前記アセンブリは、ハウジングと、ハウジング内に取付けられた複数の電極であって、前記
電極は、前記ビームのイオンのエネルギーを変化させる
一連の間隙を画成するとともにイオンが通過する複数の
アパーチャを有する、ハウジング内に取付けられた複数
の電極と、前記電極の少なくとも１つに電気的に接続され、前記少
なくとも１つの電極を高周波電位に励起する少なくとも
１つの誘導コイルと、前記コイルのまわりの導電筐体と、を備え、前記コイルと、少なくとも１つの電極と、ハウジング
と、導電筐体とは共に所定の共振周波数を有する高周波
タンク回路と、前記筐体内に取付けられた結合ループ
と、前記結合ループに高周波電力を供給可能にして前記
電力を共振タンク回路に結合するフィードスルーとを構
成し、前記結合ループは前記筐体内での回転調節用に取
付けられて、タンク回路への高周波電力の結合効率を変
化させるよう構成された、イオン注入装置。
【請求項３２】前記筐体は、壁部と、軸を有するとと
もに前記軸を中心として回転調節用に壁部に配置される
円形取付板とを有し、前記結合ループは一体回転調節用
に前記取付板に装着され、前記フィードスルーは前記ル
ープから取付板に伸長する、請求項３１記載のイオン注
入装置。
【請求項３３】前記壁部は筐体に対して外側に伸長す
る円形封止面を有し、前記円形取付板は封止面を封止す
る、請求項３２記載のイオン注入装置。
【請求項３４】前記円形取付板および筐体壁部の隣接
面の一方の上に調節スケールを、他方の上にマーカを有
し、前記スケールおよびマーカは前記筐体の外部から見
えて結合ループの所望角度位置を示す、請求項３２記載
のイオン注入装置。