JP3633359B2

JP3633359B2 - 高周波四重極加速装置

Info

Publication number: JP3633359B2
Application number: JP11178999A
Authority: JP
Inventors: 健介雨宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: JP2000306698A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波四重極加速装置に係り、特に、ＭｅＶ領域の高エネルギーイオン注入装置などに利用される高周波四重極加速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギーを可変にできる高周波四重極加速装置（ＶａｒｉａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＱｕａｄｒｕｐｏｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）すなわちエネルギー可変型のＲＦＱ加速装置には、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５−３２６１９３号公報等に記載されている容量可変型（Ｃ可変型）ＲＦＱ加速器と、特開平４−６８００号公報，特開平５−２１１９９号公報，特開平５−８２２９８号公報，特開平５−１５９８９９号公報，特開平１０−４１１００号公報等に記載されているインダクタンス可変型（Ｌ可変型）ＲＦＱ加速器とがある。
【０００３】
通常は電気容量に比例して高周波電流も大きくなるため、共振のＣはＲＦＱ電極間の容量だけにして、インダクタンスを可変にして共振周波数を変化させるのが一般的である。Ｌ可変型ＲＦＱ加速装置の代表的な例を、図４，図５（特開平１０−４１１００号公報の例）に示す。
【０００４】
図４，図５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。初めに図４を用いて動作を説明する。四重極電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに高周波高電圧を発生させるため、該四重極電極の形成する電気容量：Ｃと、電極固定枠３，導電性支持部材５ａ，真空容器１の上面内壁の中央部，高周波接触子８，可動短絡板７ａ，高周波接触子８，導電性支持部材６，電極固定枠４で形成するコイルＬ１、及び電極固定枠３，導電性支持部材５ｂ，真空容器１の下面内壁の中央部，高周波接触子８，可動短絡板７ｂ，高周波接触子８，導電性支持部材６，電極固定枠４で形成するコイルＬ２で空洞共振器を形成して、四重極電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに高周波高電圧を発生させる。
【０００５】
一方、図５のＬ可変型ＲＦＱ加速装置は、基本的な高周波高電圧発生原理は図４の場合と同じで構造も類似しているが、電極固定枠４を真空容器１の内壁から離している点と、可動短絡板の可動方向を縦方向にしている点が異なる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの図４，図５に見られる構造は、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に関しては有効で、充分な効果がある。
【０００７】
しかし、電極固定枠３の固定を頑丈にするために該電極固定枠３を導電性支持部材５ａ，５ｂで支持しており、これにより該導電性支持部材５ａ，５ｂに対して、主共振空間（磁束３２，３３のある空間）と反対側に余分な空間が発生してしまうという問題点がある。
【０００８】
これにより、真空容器１の容積が無駄に大型化する他、上記余分な空間で不必要な高周波共振が発生して四重極電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに発生する正規の高周波高電圧に影響を与えると言う問題が起きる。
【０００９】
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のＲＦＱ加速装置を提供することであり、特に最小寸法で効率的な高周波キャビティを提供すると共に、無駄な高周波共振モードが発生しないエネルギー可変型のＲＦＱ加速装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、エネルギーは固定であるが、最小寸法で効率的な高周波キャビティを提供すると共に、無駄な高周波共振モードが発生しないＲＦＱ加速装置を提供することにある。
【００１１】
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注入装置を提供することにある。
【００１２】
【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、一対の２本の四重極電極が取り付けられた横長の電極固定枠（第１の電極固定枠）は、真空容器の一方の壁面（上壁）に一方の端部を固定した電極固定枠支持部材の他方の端部に取り付けられ、一方の壁面に対向する、真空容器の他方の壁面（例えば、下壁）から離して配置され、縦長の電極固定枠（第２の電極固定枠）の側面を真空容器の他方の内壁（例えば下壁）に固定してこれにもう一対の２本の四重極電極を取り付ける。その他の可動短絡板、一次結合コイル等は従来と同様に設置する。これにより、電極固定枠を頑丈に固定する目的だけで設置していた導電性支持部材を排除して無駄な高周波共振モードが発生しないエネルギー可変型のＲＦＱ加速装置が実現できる。
【００１３】
本発明のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置は、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，電極固定枠支持部材などの接触対象との間に備えている。
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するために、前記エネルギー可変型のＲＦＱ加速装置の可動短絡板を取り外した構造のＲＦＱ加速装置を提供するものである。
【００１５】
いずれの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。
【００１６】
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、該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、該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、該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、該ＲＦＱ加速装置からのイオンビームを偏向させる偏向器と、該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注入室とを備えたイオン注入装置において、本発明の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。
【００１７】
本発明においては、電極固定枠を固定する導電性支持部材を排除して余分な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。
【００１８】
電極固定枠を固定していた導電性支持部材を排除して余分な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なり、高周波損失部分による過熱が発生せず、電力利用効率の高いコンパクトなＲＦＱ加速装置が提供できる。
【００１９】
更に、可動短絡板を取り外すことでエネルギーの可変性はなくなるが、本構造で高周波加速空洞を形成すればエネルギーは固定であるが、最小寸法で効率的な高周波キャビティを提供できると共に、無駄な高周波共振モードが発生しない
ＲＦＱ加速装置を提供できる。
【００２０】
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注入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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図３、及び図６を参照して本発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例を、また、図７を参照してこの加速装置を応用したイオン注入装置の実施例とを説明する。
【００２２】
《実施例１》
図２は、本発明によるエネルギー可変型のＲＦＱ加速装置の実施例１の構成を示す正断面図であり、図３は、図２のＸ−Ｘに沿う側断面図であり、図１は、図２のＺ−Ｚに沿う平断面図である。
【００２３】
四重極電極２ａ，２ｃは、電極固定枠３に取り付けられ、一方、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（５０μｍ以下の組立て精度）で組立てられている。電極固定枠４は、真空容器１の下壁に固定されている。電極固定枠３の支持部材６は、真空容器１の上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。但し、組立て精度が保たれる場合には交互でなくても良い。
【００２４】
電極固定枠支持部材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内を左右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２で上下方向にそれぞれ移動できる。可動短絡板７ａ，７ｂの左右接触部は、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。
【００２５】
実施例１では、図２の左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。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、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６，可動短絡板７ａ，７ｂは、厚さ３０μｍ程度の銀メッキを施してある。
【００２６】
《実施例２》
図６は、本発明によるＲＦＱ加速装置の実施例２の構成を示す正断面図である。基本的な構成は、上記実施例１の構成に同じであるが、エネルギーを可変にするために設置した可動短絡板を取り外した構造になっている。これによりエネルギーの可変性はなくなるが、最小寸法で効率的な高周波キャビティを提供できると共に、無駄な高周波共振モードが発生しないＲＦＱ加速装置を提供できる。図２で可動短絡板に流れていた電流は真空容器１の上面に流れることになり、かえって高周波接触子８による電気抵抗増加分がなくなる。これにより、キャビティ性能は図２の場合より少し上昇する。
【００２７】
《実施例３》
図７は、本発明の応用装置としてのイオン注入装置の系統構成の一例を示す模式図である。実施例３のイオン注入装置において、イオン源１０１から出射したイオンビームは、質量分離器１０２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、或いは負イオン源であり、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。
【００２８】
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の高周波四重極加速装置である。この場合は、最大出力１００ｋＷの高周波電源（１０〜３０ＭＨｚ）１０６により、ＲＦＱ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、注入室１０５内に設置されたシリコン半導体ウエハや鋼やチタンなどの金属材料に、イオンとして打ち込まれる。
【００２９】
実施例１から実施例２のいずれのＲＦＱ加速装置も、図７のイオン注入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、ミリアンペアオーダの大電流のイオンをコンパクトな打ち込み装置で長時間に亘り安定してターゲットに打ち込めるようになる。特に、電極固定枠を固定する目的だけで設置していた導電性支持部材を排除したため、無駄な高周波共振モードが発生しない高効率なＲＦＱ加速装置が実現できる。
【００３０】
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ＲＦＱ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。
【００３１】
また、実施例１ないし３において使用したＲＦＱ加速器は縦型であり、導電性の電極固定枠支持部材６を縦に配置する構造であるが、この真空容器を９０度横にして導電性の電極固定枠支持部材６が横になった構造でも同様の効果がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、四重極電極に加速電圧を発生させるために電極固定枠，一枚の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てエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置を構成しているので、余分な電極固定枠支持部材を排除でき、必要な高周波共振モードのみで運転できる高効率な省電力型キャビティ構造が実現できる。また、ＲＦＱ加速装置を最小のコンパクトな寸法にできるようになる。
【００３３】
また、必要な高周波共振モードのみで運転できるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置をエネルギー可変型の高エネルギーイオン注入装置に適用すると、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省電力型のエネルギー可変型高エネルギーイオン注入装置を提供できる。
【００３４】
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を示し、図２のＺ−Ｚに沿う側断面図である。
【図２】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３】本発明によるエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の実施例１を示し、図２のＸ−Ｘに沿う平断面図である。
【図４】従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の正断面図である。
【図５】従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の正断面図である。
【図６】本発明によるＲＦＱ加速装置の実施例２の構成を示す正断面図である。
【図７】本発明の応用装置としてのイオン注入装置の系統構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１…真空容器、２ａ〜２ｄ…四重極電極、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、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…注入室、１０６…高周波電源、１０８…偏向器。

Claims

真空容器と、前記真空容器内に配置されて前記真空容器の一方の内壁に固定され、前記真空容器内の空間をほぼ二つの半空間に分ける電極固定枠支持部材と、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個配置されて前記第１の四重極電極の２本が取り付けられ、前記一方の内壁に固定される一方の端部とは反対側に位置する、前記固定枠支持部材の他方の端部に取り付けられた第１の電極固定枠であって、前記一方の内壁と向かい合う、前記真空容器の他方の内壁から離れて配置された前記第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個配置されて前記第２の四重極電極の２本が取り付けられ、前記他方の内壁に側面を固定された第２の電極固定枠と、前記電極固定枠支持部材および前記真空容器の側壁に接触しつつ上下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、二つの前記半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を備え、
前記第１の電極固定枠，前記電極固定枠支持部材，前記第１の可動短絡板，前記第１の可動短絡板の配置されている一方の前記半空間に面する前記真空容器の内壁の一部、および前記第２の電極固定枠が第１の二次結合コイルを形成し
更に、前記第１の電極固定枠，前記電極固定枠支持部材，前記第２の可動短絡板，前記第２の可動短絡板の配置されている他方の前記半空間に面する前記真空容器の内壁の一部、および前記第２の電極固定枠が第２の二次結合コイルを形成することを特徴とする高周波四重極加速装置。
真空容器と、前記真空容器内に配置されて前記真空容器の一方の内壁に固定され、前記真空容器内の空間をほぼ二つの半空間に分ける電極固定枠支持部材と、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個配置されて前記第１の四重極電極の２本が取り付けられ、前記一方の内壁に固定される一方の端部とは反対側に位置する、前記固定枠支持部材の他方の端部に取り付けられた第１の電極固定枠であって、前記一方の内壁と向かい合う、前記真空容器の他方の内壁から離れて配置された前記第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個配置されて前記第２の四重極電極の２本が取り付けられ、前記他方の内壁に側面を固定された第２の電極固定枠と、二つの前記半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を備え、
前記第１の電極固定枠，前記電極固定枠支持部材，一方の前記半空間に面する前記真空容器の内壁の一部、および前記第２の電極固定枠が第１の二次結合コイルを形成し
更に、前記第１の電極固定枠，前記電極固定枠支持部材，他方の前記半空間に面する前記真空容器の内壁の一部、および前記第２の電極固定枠が第２の二次結合コイルを形成することを特徴とする高周波四重極加速装置。
請求項１ないし２のいずれか１項に記載の高周波四重極加速装置において、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高周波四重極加速装置。
請求項１ないし３に記載の高周波四重極加速装置において、前記可動短絡板は、高周波接触子を接触対象との間に備えたことを特徴とする高周波四重極加速装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波四重極加速装置において、前記四重極電極の代わりに、六極以上の偶数極を持つ多重極電極を用いたことを特徴とする高周波四重極加速装置。
イオンビームを発生させるイオン源と、該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、該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、該収束レンズ系からのイオンビームを更に加速する高周波四重極加速装置と、該高周波四重極加速装置からのイオンビームを偏向させる偏向器と、該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注入室とを備えたイオン注入装置において、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高周波四重極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高周波四重極加速装置として設置したことを特徴とするイオン注入装置。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高周波四重極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。