JP2835951B2 - エネルギー可変型ｒｆｑ加速装置およびイオン打込み装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭｅＶ領域までの
高エネルギーイオン打込み装置などに利用されるエネル
ギー可変型ＲＦＱ加速装置に係り、特に、さまざまなア
プリケーションに対応できるように広範囲のエネルギー
を任意に選択でき長時間の連続運転も可能なＲＦＱ加速
装置およびそれを応用したイオン打込み装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エネルギー可変型ＲＦＱ加速(Ｒadio Ｆ
requency Ｑuadrupole Ａccelerator)装置すなわち高周
波四重極加速装置としては、特開平 4−006800号公報，
特開平5−021199号公報，特開平5−082298号公報，特開
平5−159899号公報に記載されているインダクタンス可
変型(Ｌ可変型)と、特開昭60−115199号公報，特開平 3
−179699公報，特開平 5−307999号公報，特開平 5−32
6193号公報に記載されている容量可変型(Ｃ可変型)とが
ある。Ｌ可変型ＲＦＱ加速装置の代表的な例を、図９
(特開平 5−021199号)，図１０(特開平 5−082298号)，
図１１(特開平特開平 5−159899号)に示す。

【０００３】図９は、従来のＬ可変型ＲＦＱ加速装置の
一例を示す正断面図である。四重極電極２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄに電圧を発生させるため、共通導体２１，２２
がそれぞれ四重極電極２ｂ，２ｃに接続され、共通導体
２１，２２にはそれぞれ平行導体１１，１２が接続され
ている。平行導体１１,１２は、可動短絡板７で一まと
めに接続されている。可動短絡板７は、ソケット１０を
介して平行導体１１,１２により支えられて、ＲＦＱ電
極に近づく方向にまたはＲＦＱ電極から遠ざかる方向に
移動できる。四重極電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの電気
容量と平行導体１１,１２および可動短絡板７で形成さ
れるワンターンコイルのインダクタンスで高周波共振を
成立させ、四重極電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ間に高周
波高電圧を発生させる。四重極電極２ａ，２ｃおよび２
ｂ，２ｄは、電極固定枠３，４にそれぞれ固定されてお
り、それぞれの電極固定枠３，４は、絶縁碍子などの絶
縁ブロック１５を介して、真空容器１の床面に敷設した
ベース１４に固定されている。四重極電極２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄとこれに接続されたワンターンコイルとは、
真空容器内１に設置してある。この場合、真空容器１の
壁は、メインの高周波共振回路の電流パスにはなってい
ない。

【０００４】図１２は、図９に示した従来のエネルギー
可変型ＲＦＱ加速装置の要部のみを簡略表示する正断面
図である。すなわち、図９の回路を簡略化すると、図１
２に示すような回路構成になる。

【０００５】図１３は、図１２のＬ可変型ＲＦＱ加速装
置の変形例(特開平 7−131477号公報)を示す正断面図で
ある。図１３に示すＬ可変型ＲＦＱ加速装置は、図１２
に示したコイルの摺動部に用いているソケット１０の代
わりに、耐久性のあるベローズを採用し、さらに磁場の
戻りを利用し、四重極電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの電
気容量，平行導体１１,１３，可動短絡板７の上半分で
形成されるワンターンコイルと、四重極電極２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄの電気容量，平行導体１２,１３，可動
短絡板７の下半分で形成されるワンターンコイルという
２個のワンターンコイルを配置してあり、電力利用効率
が良い省電力型のＬ可変型ＲＦＱ加速装置となってい
る。

【０００６】図１０は、従来のＬ可変型ＲＦＱ加速装置
の他の例を示す正断面図である。四重極電極のうち対向
電極対２ａ，２ｂおよび２ｃ，２ｄは、電極固定枠３お
よび４でそれぞれ固定され、伸縮ベローズ２３，２４内
に移動可能に設けられた支持軸２５，２６により支持さ
れている。ベース１４と電極固定枠３，４とは、導電性
の伸縮ベローズ２３，２４により短絡されている。支持
軸２５，２６は、大気側に設けられた伸縮駆動機構によ
り駆動され、上下に移動する。図１０の従来例は、電極
固定枠３，４，伸縮ベローズ２３，２４，ベース１４の
うち、隣同士の伸縮ベローズ２３，２４間の部分で形成
されるインダクタンスとＲＦＱ電極間の容量とで高周波
に共振する。ベローズを伸縮させると、インダクタンス
が変わって、共振周波数も変化する。この従来例も、図
１２(図９)の場合と同様、ＲＦＱ電極および可変コイル
で構成された共振器を真空容器の中に収めた構造であ
る。

【０００７】図１１は、従来のＬ可変型ＲＦＱ加速装置
の別の例の正断面図である。この従来例は、４ヴェイン
型ＲＦＱ加速空洞を改良したエネルギー可変型ＲＦＱ加
速装置である。空洞すなわち真空容器１内には、４枚の
電極(４ヴェイン)２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈにより仕切ら
れた４つのチャンバ２７があり、チャンバ２７内のそれ
ぞれには、４ヴェインと長さがほぼ等しい可動短絡板７
が配置されている。駆動装置２８に接続された支持棒９
により可動短絡板７を移動させ、タンク内の共振周波数
を調整し、加速エネルギーを変化させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】共振回路に流れる高周
波電流の最大値Ｉは、静電容量をＣとし、電極間の電圧
をＶとすると、 Ｉ＝２πｆＣＶ で与えられる。したがって、共振回路に流れる高周波電
流の最大値Ｉを低減して省電力型のＲＦＱ加速装置を実
現するには、静電容量Ｃが小さい方が望ましい。

【０００９】Ｃ可変型の場合は、上記特開平 5−326193
号公報に記載のように、容量可変機構が滑らかであると
いう利点はあるが、四重極電極に近接する位置に複数の
金属板を配置してコンデンサを構成しており、この金属
板による並列容量の分だけコンデンサの静電容量Ｃが大
きくなり、高周波電流の最大値Ｉが大きくなるので、電
力効率の改善については問題があった。また、金属板に
よる並列容量の分が大きくなるほど、Ｃ可変型としての
エネルギー可変範囲が狭くなるという問題もあった。

【００１０】これに対して、Ｌ可変型ＲＦＱ加速装置
は、同一のＲＦＱ電極を使用して共振周波数ｆが同一の
場合、Ｃ可変型に比べて少ない電流で同じ加速電圧が得
られるので、省電力型といえる。

【００１１】しかし、従来のＬ可変型ＲＦＱ加速装置に
は、以下のような問題があった。図９，図１２，図１３
の例は、加速エネルギーが固定されていた従来のＲＦＱ
加速装置と比較すると、エネルギー可変にした点では優
れているが、ＲＦＱ加速装置をコンパクト化すること
と、多重共振を避けることについての配慮がなされてい
ない。

【００１２】これらの従来例は、加速器一式をそっくり
真空容器内に収めた構造なので、加速器と真空容器壁と
の間には、絶縁距離以上のスペースを確保する必要があ
り、装置をコンパクトにするには限界があった。また、
確保された絶縁距離以上のスペースが、真空容器内で多
重共振を引き起こす原因となり、高周波損失部分による
過熱が発生し、電力利用効率が悪くなるという問題があ
った。さらに、ＲＦＱ電極の支持に絶縁物を使用してい
るため、大電力投入の際に絶縁物が誘導加熱され、電力
損失が起き、長時間の連続運転が困難であるという問題
もあった。

【００１３】図１０の従来技術も、加速エネルギーが固
定されていた従来のＲＦＱ加速装置と比較すると、エネ
ルギー可変にした点では優れているが、エネルギー可変
範囲の広さについては考慮していない。電極固定枠３，
４，伸縮ベローズ２３，２４，隣同士の伸縮ベローズ２
３，２４間のベース１４でワンターンコイルを形成して
あり、ベローズを伸縮させれば、コイルの断面積を変え
てインダクタンスを変化させることはできるが、コイル
の長さすなわちビーム進行方向に直角な方向の長さを変
えられないために、インダクタンスの可変範囲が制限さ
れ、可変範囲を広くとれなかった。さらに、ベース１４
に載った加速器を真空容器１内に収めた構造であるか
ら、上記従来例と同様に、加速器と真空容器壁との間に
は絶縁距離以上のスペースを確保する必要があり、加速
装置全体が巨大となり、多重共振が生ずる問題があっ
た。

【００１４】上記図１１の従来技術は、加速器と真空容
器壁との間にスペースがなく、多重共振を起こさないと
いう点では優れているが、装置全体としてコンパクトに
する考慮がなされていない。空洞内には４個のコイルが
あるため、真空容器の断面積が大きくなり、低周波数で
動作させる場合には、特に巨大化する。

【００１５】なお、特開平 4−006800号公報は、本発明
の適用対象とはタイプが異なる同軸型(ＳＣ型：split-c
oaxial)ＲＦＱ加速装置のエネルギー可変構造を提案し
ている。この装置においては、ステムおよびその駆動機
構が真空容器外で直交する少なくとも２方向に突出して
配置されており、装置全体をコンパクト化しようという
配慮がほとんど無かった。また、４枚のヴェインの対称
性にも問題があった。

【００１６】本発明の目的は、電力効率が良くエネルギ
ー可変範囲が広くコンパクトで長時間の安定した連続運
転も可能なエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置を提供する
ことである。

【００１７】本発明の他の目的は、低エネルギー領域か
ら高エネルギー領域までを広い範囲をカバーでき、例え
ば半導体工場で使用可能なほどコンパクトで省電力型の
エネルギー可変型ＲＦＱ加速装置を備えたイオン打込み
装置などを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、真空容器と、対向面を波打たせた第１お
よび第２の四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なく
とも２個配置され前記第１の四重極電極を取り付けられ
た第１の電極固定枠と、前記真空容器の一方の側壁に側
面を固定され前記第１の電極固定枠と交互に前記イオン
ビーム軸方向に少なくとも２個配置され前記第２の四重
極電極を取り付けられた第２の電極固定枠と、前記第１
の電極固定枠を真空容器の上壁，下壁に対して固定する
第１の電極固定枠支持部材と、前記第２の電極固定枠の
他の側面を前記真空容器の他方の側壁に対して固定し前
記真空容器内の空間を上下にほぼ二分する第２の電極固
定枠支持部材と、前記第２の電極固定枠支持部材および
前記真空容器の上壁または下壁に高周波的に接触しつつ
左右方向にそれぞれ移動可能な第１および第２の可動短
絡板と、前記上下の空間の少なくとも一方に配置され外
部からのエネルギーを送り込む一次結合コイルとからな
り、前記真空容器の上壁の一部と第１の電極固定枠支持
部材と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠
支持部材と第１の可動短絡板とが、第１の二次結合コイ
ルを形成し、前記真空容器の下壁の一部と第１の電極固
定枠支持部材と第１および第２の電極固定枠と第２の電
極固定枠支持部材と第２の可動短絡板とが、第２の二次
結合コイルを形成するエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
を提案する。

【００１９】本発明は、また、上記目的を達成するため
に、真空容器と、対向面を波打たせた第１および第２の
四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なくとも２個配
置され前記第１の四重極電極を取り付けられた第１の電
極固定枠と、前記第１の電極固定枠と交互に前記イオン
ビーム軸方向に少なくとも２個配置され前記第２の四重
極電極を取り付けられた第２の電極固定枠と、前記第１
の電極固定枠を左右のほぼ中心で真空容器の上壁に対し
て固定する第１の電極固定枠支持部材と、前記第２の電
極固定枠を左右のほぼ中心で真空容器の下壁に対して固
定する第２の電極固定枠支持部材と、前記第１および第
２の電極固定枠支持部材により左右にほぼ二分された前
記真空容器の上壁および下壁に高周波的に接触しつつ左
右方向にそれぞれ移動可能な第１および第２の可動短絡
板と、前記左右の空間の少なくとも一方に配置され外部
からのエネルギーを送り込む一次結合コイルとからな
り、前記真空容器の上壁の一部と第１の電極固定枠支持
部材と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠
支持部材と前記真空容器の下壁の一部と第１の可動短絡
板とが、第１の二次結合コイルを形成し、前記真空容器
の下壁の一部と第２の電極固定枠支持部材と第２および
第１の電極固定枠と第１の電極固定枠支持部材と前記真
空容器の上壁の一部と第２の可動短絡板とが、第２の二
次結合コイルを形成するエネルギー可変型ＲＦＱ加速装
置を提案する。

【００２０】本発明は、さらに、上記目的を達成するた
めに、真空容器と、対向面を波打たせた第１および第２
の四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なくとも２個
配置され前記第１の四重極電極を取り付けられた第１の
電極固定枠と、前記真空容器の上壁から上面を離し前記
第１の電極固定枠と交互に前記イオンビーム軸方向に少
なくとも２個配置され前記第２の四重極電極を取り付け
られた第２の電極固定枠と、前記第１の電極固定枠を真
空容器の左右側壁に対して固定する第１の電極固定枠支
持部材と、前記第２の電極固定枠の下面を前記真空容器
の下壁に対して固定し前記真空容器内の空間を左右にほ
ぼ二分する第２の電極固定枠支持部材と、前記第２の電
極固定枠支持部材および前記真空容器の右壁または左壁
にそれぞれ高周波的に接触しつつ上下方向に移動可能な
第１および第２の可動短絡板と、前記左右の空間の少な
くとも一方に配置され外部からのエネルギーを送り込む
一次結合コイルとからなり、前記真空容器の右壁の一部
と第１の電極固定枠支持部材と第１および第２の電極固
定枠と第２の電極固定枠支持部材と第１の可動短絡板と
が、第１の二次結合コイルを形成し、前記真空容器の左
壁の一部と第１の電極固定枠支持部材と第１および第２
の電極固定枠と第２の電極固定枠支持部材と第２の可動
短絡板とが、第２の二次結合コイルを形成するエネルギ
ー可変型ＲＦＱ加速装置を提案する。

【００２１】本発明は、上記目的を達成するために、真
空容器と、対向面を波打たせた第１および第２の四重極
電極と、イオンビーム軸方向に少なくとも２個配置され
前記第１の四重極電極を取り付けられた第１の電極固定
枠と、前記真空容器の一方の側壁に固定され前記第１の
電極固定枠と交互に前記イオンビーム軸方向に少なくと
も２個配置され前記第２の四重極電極を取り付けられた
第２の電極固定枠と、前記第１の電極固定枠を真空容器
の下壁に対して固定する第１の電極固定枠支持部材と、
前記真空容器の上壁および下壁に高周波的に接触しつつ
左右方向に移動可能な可動短絡板と、前記真空容器内に
配置され外部からのエネルギーを送り込む一次結合コイ
ルとからなり、前記真空容器の上壁の一部と可動短絡板
と真空容器の下壁の一部と第１の電極固定枠支持部材と
第１および第２の電極固定枠とが、二次結合コイルを形
成するエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置を提案する。

【００２２】いずれのエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
も、コイルの可動短絡板のイオンビーム軸方向の長さを
連続的または離散的に変化させる手段を備えることがで
き、可動短絡板は、弾性力，空気圧，水圧，油圧，磁性
力などにより十分な接触圧を確保する高周波接触子を真
空容器壁などの接触対象との間に備えている。

【００２３】いずれのエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
も、四重極電極の代わりに、六極以上の偶数極を持つよ
うにしてもよい。

【００２４】本発明は、上記他の目的を達成するため
に、イオンビームを発生させるイオン源と、前記イオン
源から引き出されたイオンビームを質量分離する質量分
離器と、前記質量分離器からのイオンビームを収束する
収束レンズ系と、前記収束レンズ系からのイオンビーム
を更に加速するエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置と、前
記エネルギー可変型ＲＦＱ加速装置からのイオンビーム
を偏向させる偏向器と、前記偏向器からのイオンビーム
を処理対象の材料に打ち込むイオン打込み室とを備えた
イオン打込み装置において、上記いずれかのエネルギー
可変型ＲＦＱ加速装置を前記収束レンズ系からのイオン
ビームを更に加速するＲＦＱ加速装置として設置したイ
オン打込み装置を提案する。

【００２５】本発明は、また、上記他の目的を達成する
ために、上記いずれかのエネルギー可変型ＲＦＱ加速装
置を前段加速器として設置した円形加速器を提案する。

【００２６】本発明においては、可変インダクタンスの
ワンターンコイルを２個以下とし、しかも、ワンターン
コイルを真空容器壁の少なくとも一部を利用して形成し
たので、イオンビーム加速器と真空容器壁との間のスペ
ースが削減され、ＲＦＱ加速装置の寸法を小さく抑える
ことが可能となる。

【００２７】イオンビーム加速器と真空容器壁との間の
スペースが削減されたので、真空容器内で多重共振が生
ずることがなくり、高周波損失部分による過熱が発生せ
ず、電力利用効率が上がる。また、熱歪に弱いセラミッ
クスなどの絶縁物を共振器内から排除できるため、絶縁
物の誘導加熱による電力損失がなくなり、長時間安定に
連続運転できるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置が得ら
れる。

【００２８】ワンターンコイルを２個以下とすることに
よるイオンビーム加速特性への影響を検討する。ワンタ
ーンコイルを２個以下としたために、メインのＲＦ共振
回路を形成するワンターンコイルのインダクタンスと比
較すると、ＲＦＱ電極を固定する電極固定枠のインダク
タンスは無視できるほどに小さいので、電極固定枠の両
端に発生する電圧分は、ＲＦＱ電極間の電圧に比べて、
充分無視できる。したがって、イオンビーム加速特性に
は全く影響しない。この検討結果は、図１２，図１３な
どに示した従来のＲＦＱ加速装置による実験結果からも
明らかとなっている。

【００２９】コイルの断面に垂直な方向が高周波四重極
電極の長手方向となるようにコイルを配置するととも
に、コイルの断面積を変化させる可動短絡板を付加する
ことにより、コイル長とコイル断面積を広範に変えられ
るので、エネルギー可変範囲が拡がり、１台のＲＦＱ加
速装置で低エネルギー領域から高エネルギー領域までを
カバーできる。

【００３０】したがって、特に、設置スペースの関係か
ら装置寸法の制約が厳しい半導体製造工場の大量生産工
程用として大電流ＭｅＶのイオンビームを発生するイオ
ン打込み装置を実現できるばかりでなく、金属，セラミ
ックスなどの材料表層を短時間で改質する大量生産用イ
オン処理装置を実現できる。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、図１〜図８を参照して、本
発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例と
この加速装置を応用したイオン打込み装置の実施例とを
説明する。

【００３２】《実施例１》図１は、本発明によるエネル
ギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例１の構成を示す正断
面図であり、図２は、図１のＸ−Ｘに沿う側断面図であ
り、図３は、図１のＺ−Ｚに沿う平断面図である。四重
極電極２ａ，２ｃは、電極固定枠３に取り付けられ、四
重極電極２ｂ，２ｄは、電極固定枠４に取り付けられ、
所定の精度で組立てられている。電極固定枠３は、電極
固定枠支持部材５ａ，５ｂにより、真空容器１の上壁，
下壁に固定されている。電極固定枠４自体は、真空容器
１の左側壁に固定されており、電極固定枠４の支持部材
６は、真空容器１の右側壁に固定されている。電極固定
枠３および４は、それぞれのビーム軸方向に、最低２個
は必要である。本実施例では、組立て精度を高めるた
め、それぞれ６個ずつ、合計１２個の電極固定枠３，４
を用いている。電極固定枠３および４は、ビーム軸方向
に交互に配置する。

【００３３】電極固定枠支持部材５ａ，５ｂ，６は、純
抵抗分を下げる目的で、ビーム軸方向に板状になってお
り、また、磁束が通過できるように、両端では、真空容
器１との間に隙間を形成してある。電極固定枠支持部材
６は、真空容器１内を上下２つに大きく分けている。可
動短絡板７ａ，７ｂは、駆動軸９ａ，９ｂにより、図１
で左右方向にそれぞれ移動できる。可動短絡板７ａ，７
ｂの上下接触部は、高周波接触子８により、真空容器１
の壁および電極固定枠支持部材６に確実に接触してい
る。高周波接触子８は、ばね状部品またはエアシリンダ
などにより、十分な接触圧を確保している。高周波接触
子８の接触圧は、ばねによる弾性力や空気圧の他に、水
圧，油圧，磁性力などにより確保してもよい。

【００３４】実施例１では、図１の下側から一次結合コ
イル３１により、下段二次コイルに高周波を結合させて
いる。上側に一次結合コイル３１を配置しても、効果は
同様である。この構造により、磁束３２の戻り磁束３３
を利用し、電圧を効率良く発生できる。各部品は、無酸
素銅で製造し、電極固定枠３，４，電極固定枠支持部材
５ａ，５ｂ，６，可動短絡板７ａ，７ｂは、３０μｍ程
度の銀メッキを施してある。

【００３５】可動短絡板７ａ，７ｂは、図１〜図３には
分割の状況が現れていないが、四重極電極の長手方向に
それぞれ四分割構造となっており、回路の共振周波数を
大きく変えるときは、１枚から４枚の範囲で枚数を増減
すれば、コイルの実質的長さを調整できる。この枚数の
増減と、駆動軸９ａ，９ｂによる可動短絡板７ａ，７ｂ
の移動とを組み合わせれば、広い周波数範囲におよぶ高
周波に共振できることになる。

【００３６】《実施例２》図４は、本発明によるエネル
ギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例２の構成を示す正断
面図であり、図５は、図４のＹ−Ｙに沿う側断面図であ
る。四重極電極２ａ，２ｃは、電極固定枠３に取り付け
られ、四重極電極２ｂ，２ｄは、電極固定枠４に取り付
けられ、所定の精度で組立てられている。電極固定枠３
は、電極固定枠支持部材５により、真空容器１の上壁に
固定されている。電極固定枠４は、電極固定枠支持部材
６により、真空容器１の下壁に固定されている。電極固
定枠３および４は、それぞれビーム軸方向に、最低２個
は必要である。組立て精度を高めるため、それぞれ６
個、合計１２個の電極固定枠３，４を用いている。電極
固定枠３および４は、ビーム軸方向に交互に配置する。

【００３７】電極固定枠支持部材５，６は、純抵抗分を
下げる目的で、ビーム軸方向に板状になっており、ま
た、磁束が通過できるように、両端では、真空容器１と
の間に隙間を形成してある。電極固定枠支持部材５，６
は、それぞれ、電極固定枠３，４からの６本の導電板を
途中で合わせた形の板状であることが望ましい。６本の
導電板を途中で板状に合わせずに、棒状のまま真空容器
１の上壁，下壁に固定してもよい。ただし、このとき
は、共振周波数が変わるので、注意を要する。電極固定
枠支持部材５，６は、真空容器１内を左右に大きく２つ
に分けている。可動短絡板７ｃ，７ｄは、駆動軸９ｃ，
９ｄにより、それぞれ図４の左右方向に移動できる。可
動短絡板７ｃ，７ｄの上下の接触部は、高周波接触子８
により、真空容器１の上壁，下壁に確実に接触してい
る。高周波接触子８は、ばね状部品またはエアシリンダ
などによって、十分な接触圧を確保している。可動短絡
板７ｃ，７ｄは、実施例１の場合と同様に、それぞれビ
ーム軸方向に長さを変更できる。最大長は、電極固定枠
支持部材５，６の最端部程度までである。

【００３８】実施例２では、図４の下側から一次結合コ
イル３１により、左側二次コイルに高周波を結合させて
いる。上側に一次結合コイル３１を配置しても、右側に
一次結合コイル３１を配置しても、効果は同様である。
この構造により、磁束３２の戻り磁束３３を利用して、
電圧を効率良く発生できる。

【００３９】《実施例３》図６は、本発明によるエネル
ギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例３の構成を示す正断
面図である。実施例３は、基本的には、図１の実施例１
を時計方向に９０度回転させたものと同様の構成である
が、電極固定枠４の一端が真空容器１から離れている点
が異なる。電極固定枠支持部材６を重力方向に立てたた
め、電極固定枠４の支持が一方だけで済むようになっ
た。したがって、ＲＦＱ電極上部の高周波回路特性が変
わる。その結果、図１の実施例１では不都合な共振点が
発生することはあり得るが、実施例３ではそのような共
振点が発生するおそれを回避できる。また、上部に真空
容器１のふたを配置できるので、メインテナンス作業上
も有利となる。

【００４０】《実施例４》図７は、本発明によるエネル
ギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例４の構成を示す側断
面図である。実施例４は、ワンターンコイルの個数が１
個の場合であり、本発明の考え方に基づいて、上記図１
２に示した従来の回路構成をコンパクト化した実施例で
ある。実施例４では、磁場の戻り磁束を電圧発生に利用
していないので、電力効率は少し低下するが、同一周波
数の場合、断面積が確実に小さくなり、図１の実施例１
と比較して、装置寸法を 約０.７倍に小さくできる利点
がある。この実施例４は、低エネルギー加速装置への応
用に適した構造である。

【００４１】《実施例５》図８は、本発明の応用装置と
してのイオン打込み装置の系統構成の一例を示す模式図
である。実施例５のイオン打込み装置において、イオン
源１０１から出射したイオンビームは、質量分離器１０
２により偏向される。イオン源１０１は、マイクロ波放
電型，フィラメント型などの正イオン源であり、引出し
電極に２０〜６０ｋＶ程度の電圧を印加してイオンビー
ムを引出す。質量分離器１０２は、扇型電磁石であり、
大電流を通過させるために、磁極間のギャップ長(ビー
ムの通過領域)を６０ｍｍ以上に広くとってある。質量
分離されたイオンビームは、三段型の磁気四重極レンズ
１０３で収束された後、ＲＦＱ加速装置１０４に入射す
る。

【００４２】ＲＦＱ加速装置１０４は、例えば、図１に
示した本発明による実施例１のエネルギー可変型高周波
四重極加速装置である。この場合は、最大出力１００ｋ
Ｗの高周波電源(１０〜３０ＭＨｚ)１０６により、ＲＦ
Ｑ電極間に加速電圧を発生させた。加速ビームは、偏向
器１０８を通過して、打込み室１０５内に設置されたシ
リコン半導体ウエハやチタンなどの金属材料に、イオン
として打込まれる。

【００４３】実施例１から実施例４のいずれのエネルギ
ー可変型ＲＦＱ加速装置も、図８のイオン打込み装置用
のコンパクトなＲＦＱ加速装置として使用できる。本発
明によれば、数百ｋｅＶから数ＭｅＶまでの任意の広い
エネルギー範囲で、ミリアンペアオーダの大電流のイオ
ンを長時間に亘り安定してターゲットに打込めるように
なる。特に、導電性の電極固定枠支持部材を用いて、ワ
ンターンコイルの一部を兼ねさせているので、従来問題
であったＲＦＱ加速装置内の絶縁碍子による電力損失が
なくなり、真空度の劣化もなく、低電力で運転できる効
果がある。したがって、長時間安定な性能を保つ大電流
かつ高エネルギーのイオン打込み装置が得られる。

【００４４】なお、本発明は、シンクロトロンなどの円
形加速器用の前段加速器としても、十分に利用可能であ
る。また、本発明は、ここで説明した四重極電極のＲＦ
Ｑ加速装置の代わりに、六極以上の偶数極を持つ多重極
電極のＲＦＱ加速装置に適用しても、同様の効果をもた
らす。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、四重極電極に加速電圧
を発生させるため、電極固定枠，導電性の電極固定枠支
持部材，真空容器の内壁の一部，可動短絡板で形成され
るワンターンコイルのインダクタンスとＲＦＱ電極自身
の持つ静電容量とにより所定の高周波の共振回路を形成
し、エネルギー可変型ＲＦＱ加速装置とし、可動短絡板
を左右に移動させて共振周波数を変化させ、真空容器の
内壁の一部を回路として使用してワンターンコイルとす
る構成を採用したので、ＲＦＱ加速装置内に従来設置さ
れていた絶縁碍子による電力損失や真空度の劣化がなく
なり、数百ｋｅＶから数ＭｅＶまでの任意の広いエネル
ギー範囲で長時間安定して連続運転できる大電流高エネ
ルギーのイオン打込み装置が得られる。

【００４６】また、エネルギー可変型の高エネルギーイ
オン打込み装置に適用すると、１ミリアンペア以上の桁
の大電流領域で数百ｋｅＶから数ＭｅＶまでの任意の広
いエネルギーのイオンビームを長時間に亘り安定して発
生できるコンパクトでエネルギー可変型の高エネルギー
イオン打込み装置を提供できる。

【００４７】より具体的には、装置寸法上の制約が特に
厳しい半導体製造工場などの大量生産工程において、大
電流でＭｅＶクラスのイオンビームを利用できるように
するばかりではなく、金属，セラミックスなどの材料表
層を短時間で改質可能な大量生産用イオン処理装置を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
の実施例１の構成を示す正断面図である。

【図２】図１のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施
例１のＸ−Ｘに沿う側断面図である。

【図３】図１のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施
例１のＺ−Ｚに沿う平断面図である。

【図４】本発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
の実施例２の構成を示す正断面図である。

【図５】図４のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施
例２のＹ−Ｙに沿う側断面図である。

【図６】本発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
の実施例３の構成を示す正断面図である。

【図７】本発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置
の実施例４の構成を示す正断面図である。

【図８】本発明の応用装置としてのイオン打込み装置の
系統構成の一例を示す模式図である。

【図９】従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の一例
を示す正断面図である。

【図１０】従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の側
断面図である。

【図１１】従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の側
断面図である。

【図１２】図９に示した従来のエネルギー可変型ＲＦＱ
加速装置の要部のみを簡略表示する正断面図である。

【図１３】図１２の従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速
装置の変形例を示す正断面図である。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ａ〜２ｄ 四重極電極(４ロッド) ２ｅ〜２ｈ 四重極電極(４ヴェイン) ３，４ 電極固定枠 ５，６ 電極固定枠３，４の導電性支持部材 ７ａ〜７ｄ 可動短絡板 ８ 高周波接触子 ９ａ〜９ｄ 駆動軸 １０ ソケット １１ 平行導体 １２ 平行導体 １４ ベース １５ 絶縁ブロック ２３ 伸縮べローズ ２４ 伸縮べローズ ２５ 支持軸 ２６ 支持軸 ２７ チャンバ ２８ 駆動装置 ３１ 一次結合コイル ３２ 磁束(手前から紙面に向う方向) ３３ 磁束(紙面から手前に向う方向) １０１ イオン源 １０２ 質量分離器 １０３ 磁気四重極レンズ １０４ ＲＦＱ加速装置 １０５ 打込み室 １０６ 高周波電源 １０８ 偏向器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 登木口 克己 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05H 9/00 - 9/04 H01J 37/04 H01J 37/317

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、対向面を波打たせた第１お
   よび第２の四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なく
   とも２個配置され前記第１の四重極電極を取り付けられ
   た第１の電極固定枠と、前記真空容器の一方の側壁に側
   面を固定され前記第１の電極固定枠と交互に前記イオン
   ビーム軸方向に少なくとも２個配置され前記第２の四重
   極電極を取り付けられた第２の電極固定枠と、前記第１
   の電極固定枠を真空容器の上壁，下壁に対して固定する
   第１の電極固定枠支持部材と、前記第２の電極固定枠の
   他の側面を前記真空容器の他方の側壁に対して固定し前
   記真空容器内の空間を上下にほぼ二分する第２の電極固
   定枠支持部材と、前記第２の電極固定枠支持部材および
   前記真空容器の上壁または下壁に高周波的に接触しつつ
   左右方向にそれぞれ移動可能な第１および第２の可動短
   絡板と、前記上下の空間の少なくとも一方に配置され外
   部からのエネルギーを送り込む一次結合コイルとからな
   り、 前記真空容器の上壁の一部と第１の電極固定枠支持部材
   と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠支持
   部材と第１の可動短絡板とが、第１の二次結合コイルを
   形成し、 前記真空容器の下壁の一部と第１の電極固定枠支持部材
   と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠支持
   部材と第２の可動短絡板とが、第２の二次結合コイルを
   形成するエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置。
2. 【請求項２】 真空容器と、対向面を波打たせた第１お
   よび第２の四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なく
   とも２個配置され前記第１の四重極電極を取り付けられ
   た第１の電極固定枠と、前記第１の電極固定枠と交互に
   前記イオンビーム軸方向に少なくとも２個配置され前記
   第２の四重極電極を取り付けられた第２の電極固定枠
   と、前記第１の電極固定枠を左右のほぼ中心で真空容器
   の上壁に対して固定する第１の電極固定枠支持部材と、
   前記第２の電極固定枠を左右のほぼ中心で真空容器の下
   壁に対して固定する第２の電極固定枠支持部材と、前記
   第１および第２の電極固定枠支持部材により左右にほぼ
   二分された前記真空容器の上壁および下壁に高周波的に
   接触しつつ左右方向にそれぞれ移動可能な第１および第
   ２の可動短絡板と、前記左右の空間の少なくとも一方に
   配置され外部からのエネルギーを送り込む一次結合コイ
   ルとからなり、 前記真空容器の上壁の一部と第１の電極固定枠支持部材
   と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠支持
   部材と前記真空容器の下壁の一部と第１の可動短絡板と
   が、第１の二次結合コイルを形成し、 前記真空容器の下壁の一部と第２の電極固定枠支持部材
   と第２および第１の電極固定枠と第１の電極固定枠支持
   部材と前記真空容器の上壁の一部と第２の可動短絡板と
   が、第２の二次結合コイルを形成するエネルギー可変型
   ＲＦＱ加速装置。
3. 【請求項３】 真空容器と、対向面を波打たせた第１お
   よび第２の四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なく
   とも２個配置され前記第１の四重極電極を取り付けられ
   た第１の電極固定枠と、前記真空容器の上壁から上面を
   離し前記第１の電極固定枠と交互に前記イオンビーム軸
   方向に少なくとも２個配置され前記第２の四重極電極を
   取り付けられた第２の電極固定枠と、前記第１の電極固
   定枠を真空容器の左右側壁に対して固定する第１の電極
   固定枠支持部材と、前記第２の電極固定枠の下面を前記
   真空容器の下壁に対して固定し前記真空容器内の空間を
   左右にほぼ二分する第２の電極固定枠支持部材と、前記
   第２の電極固定枠支持部材および前記真空容器の右壁ま
   たは左壁にそれぞれ高周波的に接触しつつ上下方向に移
   動可能な第１および第２の可動短絡板と、前記左右の空
   間の少なくとも一方に配置され外部からのエネルギーを
   送り込む一次結合コイルとからなり、 前記真空容器の右壁の一部と第１の電極固定枠支持部材
   と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠支持
   部材と第１の可動短絡板とが、第１の二次結合コイルを
   形成し、 前記真空容器の左壁の一部と第１の電極固定枠支持部材
   と第１および第２の電極固定枠と第２の電極固定枠支持
   部材と第２の可動短絡板とが、第２の二次結合コイルを
   形成するエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置。
4. 【請求項４】 真空容器と、対向面を波打たせた第１お
   よび第２の四重極電極と、イオンビーム軸方向に少なく
   とも２個配置され前記第１の四重極電極を取り付けられ
   た第１の電極固定枠と、前記真空容器の一方の側壁に固
   定され前記第１の電極固定枠と交互に前記イオンビーム
   軸方向に少なくとも２個配置され前記第２の四重極電極
   を取り付けられた第２の電極固定枠と、前記第１の電極
   固定枠を真空容器の下壁に対して固定する第１の電極固
   定枠支持部材と、前記真空容器の上壁および下壁に高周
   波的に接触しつつ左右方向に移動可能な可動短絡板と、
   前記真空容器内に配置され外部からのエネルギーを送り
   込む一次結合コイルとからなり、 前記真空容器の上壁の一部と可動短絡板と真空容器の下
   壁の一部と第１の電極固定枠支持部材と第１および第２
   の電極固定枠とが、二次結合コイルを形成するエネルギ
   ー可変型ＲＦＱ加速装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか一項に記載
   のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置において、 前記コイルの可動短絡板のイオンビーム軸方向の長さを
   連続的または離散的に変化させる手段を備えたことを特
   徴とするエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか一項に記載
   のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置において、 前記可動短絡板は、弾性力，空気圧，水圧，油圧，磁性
   力などにより十分な接触圧を確保する高周波接触子を真
   空容器壁などの接触対象との間に備えたことを特徴とす
   るエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか一項に記載
   のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置において、 前記四重極電極の代わりに、六極以上の偶数極を持つこ
   とを特徴とする多重極電極のエネルギー可変型ＲＦＱ加
   速装置。
8. 【請求項８】 イオンビームを発生させるイオン源と、
   前記イオン源から引き出されたイオンビームを質量分離
   する質量分離器と、前記質量分離器からのイオンビーム
   を収束する収束レンズ系と、前記収束レンズ系からのイ
   オンビームを更に加速するＲＦＱ加速装置と、前記エネ
   ルギー可変型ＲＦＱ加速装置からのイオンビームを偏向
   させる偏向器と、前記偏向器からのイオンビームを処理
   対象の材料に打ち込むイオン打込み室とを備えたイオン
   打込み装置において、 請求項１ないし７のいずれか一項に記載のエネルギー可
   変型ＲＦＱ加速装置を前記収束レンズ系からのイオンビ
   ームを更に加速するＲＦＱ加速装置として設置したこと
   を特徴とするイオン打込み装置。
9. 【請求項９】 請求項１ないし６のいずれか一項に記載
   のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置を前段加速器として
   設置したことを特徴とする円形加速器。