JP3096172B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオン注入装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】図３乃至図５は従来例の
イオン注入装置を示すものであるが、これら図において
グランドシールドボックス１内には高電圧ターミナル２
がグランドレベルより所定の高さに配設されており、こ
れは４本の絶縁支柱８によりグランドレベル上に支持さ
れている。高電圧ターミナル２の一側面とシールドボッ
クス１の対向する内壁面との間には公知の構造を有する
加速管３が取りつけられており、又これに並んで高電圧
ターミナル２の同側面と、これと対向するシールドボッ
クス１の内壁面との間に、公知の構造を有する電力供給
装置３０のブッシング４が取りつけられており、このシ
ールドボックス１側には絶縁トランスのタンク５が取り
つけられている。図４において、高電圧ターミナル２の
下方には高電圧を供給する装置として４００ＫＶ級高電
圧電源９（倍電圧回路ユニット）が設けられている。高
電圧ターミナル２内にはイオン源６、質量分離磁石７な
どが設けられており、又加速管３のシールドボックス側
の外方にはＸ−Ｙ走査ユニット１２が取りつけられてお
り、これは真空ポンプ排気ユニット１１により、排気さ
れる。又Ｘ−Ｙ走査ユニット１２には注入チャンバー１
３が接続されており、これには公知のようにイオンを注
入すべき試料等が配設されている。

【０００３】図５は上述の高電圧電源９の倍電圧ユニッ
トの詳細を示すが、ガラスエポキシ製の絶縁板１５にコ
ンデンサ１８が等間隔で取りつけられており、又これに
は図示せずとも（後述の実施例で詳細を説明する）、ダ
イオードが接続されている。又この絶縁板１５には等間
隔で金属製でなる環状体１６（以下金属フープとよぶ）
が取りつけられている。又絶縁板１５はシールドボック
ス１の底壁部に固定された筐体１７に直立して固定され
ている。

【０００４】従来例のイオン注入装置は以上のように構
成されるのであるが、図示せずともイオン源６にガスタ
ンクから材料ガスが導入され、プラズマ発生用電源から
イオン源６に電力が供給されると、この内部にプラズマ
が発生する。この時、高電圧ターミナル２内で使用され
る全電力は電力供給装置３０から、そのブッシング４を
介して高電圧ターミナル２内の各装置に供給される。

【０００５】イオン源６で生成されたプラズマからイオ
ンが、このイオン源６にプラスの電圧が印加されること
により、この印加電圧とイオンの価数の積のエネルギー
が与えられ、イオン源６より引き出される。このイオン
源６より引き出されたイオンは質量分離磁石７の磁場に
より選別され、所望のイオンのみが加速管３に入射する
ように質量分離磁石７のコイルに流れる電流が調整され
ている。

【０００６】一方高電圧電源９のスタックによって昇圧
された４００ＫＶの高電圧は、このスタック部の先端の
端子からケーブルで高電圧ターミナル２に印加される。

【０００７】加速管３に入射したイオンは４００ＫＶの
電圧とイオンの価数の積のエネルギーをもってグランド
電位まで加速される。グランド電位、すなわちシールド
ボックス１側の加速管３の電極まで到達したイオンはＸ
−Ｙ走査ユニット１２内のＸ−Ｙ偏向プレートに印加さ
れた電圧の電場により偏向されるのであるが、この印加
電圧を周期的に変化させることにより、注入チャンバ１
３内に図示せずともセットされた試料上にイオンが均一
に注入されることになる。

【０００８】一方、高電圧電源９は筐体１７の中にセッ
トされている電磁コイルに外部から高周波電圧が発振器
により供給され、図５においてコンデンサ１８と図５に
は示されていないがダイオードとで組み合わされて形成
される倍電圧回路により昇圧される。このスタック構造
で発生する電圧Ｖｏｕｔは、その電磁コイルに入力され
る高周波の電圧Ｖｉｎと倍電圧回路の段数＝Ｎが与えら
れればＶｏｕｔ＝２×Ｎ×Ｖｉｎで表される。又金属フ
ープ１６は、絶縁板１５に取りつけられた回路素子、す
なわちコンデンサ１８や、図示しないダイオードとその
素子間を接続している金属線などによって形成される外
部への電場を和らげる働きとスタックの周囲の電場を分
割し、この周囲の空間の電位を位置付けるように取りつ
けられている。他方、電力供給装置３０の絶縁トランス
にはグランド電位の商用周波数の電力が一次側に入力さ
れる。すなわち、絶縁トランス用タンク５内のトランス
により二次側に絶縁された商用周波数の電力が発生し、
ブッシング４を介して高電圧ターミナル２内に電力を供
給して上述のような作用を続行することができる。

【０００９】従来例のイオン注入装置は以上のように構
成され、かつ作用を行うのであるが、この４００ＫＶ級
のイオン注入装置で用いられる高電圧電源９の電流の容
量は、最低数ミリアンペア以上は必要であり、又この従
来例の高電圧電源９のスタック部の倍電圧回路は気中に
露出しているので、４００ＫＶ以上の電圧を安定に発生
させる場合には、このスタック部として構成される倍電
圧回路の高さ、図においてｈは耐電圧や回路素子（コン
デンサ１８やダイオードなど）の絶縁板１５への配列構
成や、これら回路素子の容量から決定される大きさなど
の要因を考慮すると、ある高さ以上にしなければならな
い。つまり、従来型の気中に倍電圧回路を露出させてい
る高電圧電源９においては安定に４００ＫＶの電圧を発
生させるためには、絶縁板１５の高さは高電圧技術の経
験則から最低約１．２ｍ以上は必要であると考えられ
る。このことから、この下方の筐体１７の高さも含める
と、高電圧電源装置９の全体の高さは１．４〜１．５ｍ
は必要になる。

【００１０】又絶縁板１５に取りつけられている金属フ
ープ１６は、従来の高電圧電源９では、倍電圧回路の数
段毎に取りつけられているが、望ましくは各段毎に取り
つけられれば、金属フープ１６内の電場もそれだけ和ら
げられるのであるが、現実にはコンデンサ１８などの回
路素子の大きさと、絶縁板１５への素子の配置の制約か
ら各段毎に取りつけることは困難である。

【００１１】これは回路素子の各段の間隔（図５におい
てｔ）を小さくしても金属フープ１６間の距離（図５に
おいてＬ）が小さくなりすぎ、金属フープ１６間の耐電
圧が維持できなくなるからである。又倍電圧回路の段数
も絶縁板１５の高さｈが決まってしまうと、回路素子の
一段当たりの耐電圧と回路素子の絶縁板１５への配置の
制約により、任意の段数で製作することは不可能とな
る。

【００１２】そこで、上述した条件のもとで倍電圧回路
が空気中に導出している４００ＫＶ高電圧電源９のスタ
ック部を高電圧ターミナル２の底面とシールドボックス
１の床との間に設置する場合を考える。

【００１３】絶縁支柱８の４００ＫＶの絶縁距離は、約
１ｍでよいが、上述したように高電圧電源９のスタック
に律則されて、絶縁支柱８の高さも１．４ｍ〜１．５ｍ
以上でなければならず、このことは結果としてシールド
ボックス１の高さを大きくしてしまう。そこで、高電圧
電源９のスタックを横にして加速管３が取りつけられて
いる高電圧ターミナル２の側面とシールドボックス１の
内壁面との間に取りつけることが考えられる。通常の気
中にさらされている加速管３の４００ＫＶを安定に維持
するための絶縁距離は、約０．９〜１ｍが必要である。

【００１４】図６はこのような配置構成の一例を示すも
のであるが、高電圧電源９のスタックを高電圧ターミナ
ル２の側面とシールドボックス１の側面に取りつけたと
きの装置の構成であるが、高電圧電源９のスタックをシ
ールドボックス１の側面に取りつける場合に必要なシー
ルドボックス１と高電圧ターミナル２との距離は、筐体
１７はシールドボックス１の外側にでるように設置する
ため、この場合は絶縁板１５の高さ分だけでよいので、
約１．２ｍとなる。つまり高電圧電源９のスタックを側
面に取りつける場合でも加速管３の長さより高電圧電源
９のスタック部の絶縁板１５の長さに律則されることに
なり、加速管３、ブッシング４及び高電圧電源９のスタ
ックを取りつけているシールドボックス１の内壁面と高
電圧ターミナル２の一側面との間隔は高電圧電源９を取
りつけない場合よりも長くなり、全体としてシールドボ
ックス１の側面の寸法が大きくなってしまう。更に、高
電圧ターミナル２とシールドボックス１との間には、多
数の絶縁物を設置している部分（加速管３、絶縁トラン
スのブッシング４等が同じ面に取りつけられている場
合）は絶縁物の縁面で４００ＫＶの耐電圧を保持しなく
てはならないため、シールドボックス１と高電圧ターミ
ナル２との距離は空間で隔てられている部分より放電の
確率を低下させるために絶縁距離を長く取らなければな
らない。

【００１５】このことから、高電圧電源９のスタックを
加速管３と絶縁トランス５とを設置している高電圧ター
ミナル２の同じ側面に設置する場合はシールドボックス
１と高電圧ターミナル２との絶縁距離を１．２ｍにする
ので、シールドボックス１の横の長さが大きくなるが、
このことを容認して設置したとしても、上述したように
高電圧電源９のスタックに取りつけられている金属フー
プ１６は任意の数にすることができないため、加速管３
に取りつけられている金属フープ３ａのピッチと、高電
圧電源９のスタックの金属フープ１６のピッチが合わな
いと、隣設する空間で電位差が生じ、電場の歪みが起こ
り、放電を誘発する確率が増大する。

【００１６】このことから従来の４００ＫＶ級のイオン
注入装置では、加速管３と電力供給装置３０と高電圧電
源９とを高電圧ターミナル２の同じ側面に配置すること
は、結局シールドボックス１が大きくなったり、放電の
危険性の問題が存在するため、困難であった。

【００１７】すなわち、通常の気中に倍電圧回路が露出
している高電圧電源９のスタックにおいて、４００ＫＶ
の電圧を安定に発生させるためには、高電圧電源９のス
タックを高電圧ターミナル２の下に充分な絶縁距離を確
保して設置しなければならず、このことからシールドボ
ックス１が高くなるという欠点があった。

【００１８】

【発明が解決しようとする問題点】本発明は上述の問題
に鑑みてなされ、シールドボックスの大きさ、従ってイ
オン注入装置全体の大きさを小型にすることができるイ
オン注入装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【問題点を解決するための手段】以上の目的は、少なく
ともイオン源及び質量分離磁石を内蔵させたケーシング
を地上より所定の高さに配設させ、高電圧電源装置によ
り前記ケーシングに所定の高電圧を印加し、電力供給装
置により前記イオン源や質量分離磁石などに電力を供給
するようにし、前記ケーシングを電磁気的に遮蔽するシ
ールドボックスを設けたイオン注入装置において、前記
ケーシングの一側面と、該一側面と対向する前記シール
ドボックスの内壁面との間に、加速管と、前記高電圧電
源装置の前記所定の高電圧を前記ケーシングに印加する
ための導電部材を被覆し、絶縁材でなるブッシングとを
接続し、前記高電圧電源装置の高電圧発生部を絶縁流体
を充満させた容器内に位置させ、該容器を前記シールド
ボックス外壁面に固定し、前記加速管に同心的に等間隔
で取りつけられた複数の金属製環状体と前記ブッシング
に同心的に等間隔で取りつけられた複数の金属製環状体
とを相互に対向させ、かつ同数としたことを特徴とする
イオン注入装置によって達成される。

【００２０】

【作用】加速管に同心的に取りつけられた複数の金属製
環状体（金属製フープ）とブッシングに同心的に等間隔
で取りつけられた複数の金属製環状体（金属製フープ）
とを相互に対向させているので、かつまたこれらは同数
としているため、１対１で確実に電位面を均等にするこ
とができ、ケーシングに４００ＫＶ以上の高電圧が印加
されてもこれと対向するシールドボックス、すなわちグ
ランド電位との間で放電を生ずることが防止される。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例によるイオン注入装置
について図面を参照して説明する。

【００２２】図１において、シールドボックス４１内に
は高電圧ターミナル４２が従来と同様に配設され、これ
はイオン源４６や質量分離磁石４７を内蔵させている。
本実施例によれば高電圧ターミナル４２の一側面と、こ
れと対向するシールドボックス４１の内壁面との間には
イオン加速管４３、高電圧電源装置４９の後に詳述する
絶縁ブッシング６０及び電力供給装置７０のブッシング
４４が取りつけられている。

【００２３】シールドボックス４１の外壁面には上述の
加速管４３、高電圧電源装置４９のブッシング６０及び
電力供給装置用ブッシング４４のグランド電位側端部に
各々Ｘ−Ｙ走査ユニット５２、後に詳述する高電圧電源
装置４９の電圧発生部６１及び絶縁トランス用タンク４
５が固定されている。

【００２４】本発明によれば、加速管４３と同心的に等
間隔でこれに取りつけた金属フープ６３と同数（本実施
例では５個）の金属フープ５６が等間隔で高電圧電源装
置４９のブッシング６０に同心的に取りつけられてお
り、これらは対向しており、又、電力供給装置７０のブ
ッシング４４にも同心的に同数の金属フープ６５が固定
されており、これら金属フープ６３間、５６間及び６５
間に抵抗６２、６４、６６が接続されている。

【００２５】次に図２を参照して本発明に係わる高電圧
電源装置４９の詳細について説明する。シールドボック
ス４１の側壁には、高電圧電源装置４９の電圧発生部を
内蔵させた金属でなるタンク６１が固定されており、こ
れは絶縁油７２を充満させていて、従来と同様な倍電圧
回路７４を浸漬させている。図においてダイオードＤ
は、図５では図示されていなかったが、コンデンサＣは
図５のコンデンサ１８に対応するものである。又倍電圧
回路７４の高周波入力端子７３には、図示しない発振器
からの高周波電圧Ｖｉｎが加えられ、この段数に応じて
昇圧されて、倍電圧回路７４の下端部からＨ、すなわち
４００ＫＶの高電圧が導出され、これが保護抵抗７１を
介して高電圧ターミナル２に印加される。保護抵抗３１
はタンク６１内では径が小なる絶縁ブッシング６０ａに
より被覆されており、又タンク６１から、外方、すなわ
ちシールドボックス４１と高電圧ターミナル４２との間
では、より径が大である絶縁ブッシング６０により被覆
されている。

【００２６】更に、ブッシング６０にはこれと同心的に
金属フープ５６が加速管４３に同心的に取りつけた金属
フープ６３と同数、すなわち５個取りつけられており、
これら金属フープ５６間に抵抗６４が接続されている。

【００２７】本発明の実施例によるイオン注入装置は以
上のように構成されるのであるが、次にこの作用につい
て説明する。

【００２８】イオン源４６や質量分離磁石４７の動作及
びイオンビームを加速管４３で加速し、５３の注入チャ
ンバーでの試料への照射については従来の装置と同様な
ので、ここでは省略する。

【００２９】ここで、図２により高電圧電源４９の電圧
発生方法について説明する。図示しない高周波発信器よ
り、ある電圧の高周波Ｖｉｎが端子７３に入力される
と、倍電圧回路７４によりこの回路の段数Ｎ（本実施例
では４段）により、この高電圧発生部にＶｏｕｔ＝２×
Ｎ×Ｖｉｎの電圧が発生する。この電圧は保護抵抗７１
を介して高電圧ターミナル４２に印加される。図１に示
すように高電圧電源４９や電力供給装置７０及び加速管
４３が取りつけられたシールドボックス１の内壁と高電
圧ターミナル２との間の空間は、高電圧電源４９のブッ
シング６０に取りつけられた金属フープ５６と加速管４
３の金属フープ６３とが同じピッチで、かつ対向して取
りつけられているため（電力供給装置７０のブッシング
４４の金属フープ６５についても同様）、この周囲の電
場は高電圧ターミナル４２の電位からシールドボックス
４１のグランド電位まで均等に分割される。例えば、仮
に高電圧ターミナル４２に４００ＫＶの電圧が印加され
ているとすると、図１においてａ点の等電位面は４００
ＫＶの電位であり、ｂ点の等電位面は３００ＫＶの電
位、ｃ点の等電位面は２００ＫＶの電位、かつｄ点の等
電位面は１００ＫＶの電位を示しており、１００ＫＶ毎
に均等に分割され、空間の電位が決定されている。

【００３０】以上のようにして４００ＫＶという高電圧
が高電圧ターミナル４２に加えられ、これと対向するシ
ールドボックス４１の内壁との間の距離は限定されてい
るが、放電が生ずることを未然に防止することができ、
よってイオン注入装置を構成する各部の放電による損傷
を未然に防止することができる。

【００３１】以上、本発明の実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００３２】例えば以上の実施例では高電圧電源装置４
９の高電圧発生部のタンク６１内には油を充填させて絶
縁させるようにしたが、これに代えてＳＦ6 などの絶縁
ガスを充満させるようにしてもよい。

【００３３】又以上の実施例では加速管４３と同心的に
取りつけられる金属フープ６３の数が５個であり、これ
に対応してこれに並設される高電圧電源装置４９のブッ
シング６０と同心的に取りつけられる金属フープ５６の
数も５個であり、かつまた絶縁トランスブッシング４４
と同心的に取りつけられる金属フープ６５の数も５個で
あったが、これに限定されることなく、加速管４３と同
心的に取りつけられる金属フープ６３の数がこれより
大、例えば１０個であれば、これと並設される高電圧電
源装置４９及び絶縁トランスのブッシング４４と同心的
に取りつけられる金属フープ６５の数も１０個としてこ
れらを相対向して取りつけるようにすればよい。

【００３４】又、以上の実施例では高電圧ターミナル４
２の側面とシールドボックス４１の内側壁との間には加
速管４３と並設して高電圧電源装置４９のブッシング６
０及び電力供給装置７０のブッシング４４をとりつけた
が、このブッシング４４は高電圧ターミナル４２の下方
に配設しても本発明の効果は失われるものではない。

【００３５】

【発明の効果】以上、本発明のイオン注入装置によれ
ば、シールドボックスの大きさを従来より大巾に小と
し、かつ高電圧ターミナルとシールドボックスとの間で
放電を生ずることを未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるイオン注入装置の断面平
面図である。

【図２】同要部の拡大断面図である。

【図３】従来例のイオン注入装置の概略断面平面図であ
る。

【図４】同概略側断面図である。

【図５】同従来例における高電圧発生装置の要部を示す
拡大側断面図である。

【図６】他従来例のイオン注入装置の断面平面図であ
る。

【符号の説明】

４９ 高電圧電源装置 ５６ 金属フープ ６０ ブッシング ６３ 金属フープ ７１ 保護抵抗 ７４ 倍電圧回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 5/02 H05H 5/03

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともイオン源及び質量分離磁石を
   内蔵させたケーシングを地上より所定の高さに配設さ
   せ、高電圧電源装置により前記ケーシングに所定の高電
   圧を印加し、電力供給装置により前記イオン源や質量分
   離磁石などに電力を供給するようにし、前記ケーシング
   を電磁気的に遮蔽するシールドボックスを設けたイオン
   注入装置において、前記ケーシングの一側面と、該一側
   面と対向する前記シールドボックスの内壁面との間に、
   加速管と、前記高電圧電源装置の前記所定の高電圧を前
   記ケーシングに印加するための導電部材を被覆し、絶縁
   材でなるブッシングとを接続し、前記高電圧電源装置の
   高電圧発生部を絶縁流体を充満させた容器内に位置さ
   せ、該容器を前記シールドボックス外壁面に固定し、前
   記加速管に同心的に等間隔で取りつけられた複数の金属
   製環状体と前記ブッシングに同心的に等間隔で取りつけ
   られた複数の金属製環状体とを相互に対向させ、かつ同
   数としたことを特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】 前記高電圧電源装置はコックロフト・ウ
   ォルトン型であり、そのスタックを前記絶縁流体を充満
   させる容器内に位置させている請求項１に記載のイオン
   注入装置。