JP4986317B2 - イオン注入装置およびイオン注入方法 - Google Patents

Description

【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７−５７８９７、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ＩＩＴ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１５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、３８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４５、４６がコイルとして形成され接地される。電極３７、３８と、タンクチャンバ４７の各コイルと、電極３７、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４２、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、４２、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３Ａ、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、６２、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６６、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４８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、８４、８５、８６を有する。ウェブ８３、８４、８５、８６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６０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６１、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の内部間に空洞９７を残す。冷却流体を接合部９８，９９を介して空洞９７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１０２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３８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３８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３７、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、４１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 dimension)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１３５、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、１３６は中空銅パイプから形成される。コイル１３５、１３６の重量は基本的に接続点１４０、１４１からの長さ１３８、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１３５、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３７、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１５３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４５，４６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１６１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１０Ａ、１０Ｂの詳細に示してある。該コイルは取付板１７２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１７４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１８６、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、５３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６０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、１９１、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８８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８７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、１９９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１９６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２５２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、２６０とをそれぞれ有する三間隙空洞である。第１空洞 ２５０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、２５８は、コイル２６８、２６９に接続され、第２空洞２５１の高周波電極２５９、２６０は、コイル２７０、２７１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２７８、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２８４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２９１、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２９６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２９１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２８４、２８７のフィードバック制御も制御信号を回線２９７、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２９０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、２５１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６ｍｍ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３１４、３１５の作用を説明する。第１磁気的４重極３１４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、２００ｋeＶ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３１３（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＝１５．５）、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１１／１５．５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１６Ａ、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３６０／０°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９０°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１６Ａ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１６Ａ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３００ｋeＶ±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２７０°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、１００ｋeＶ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、２０Ａ、２０Ｂはそれぞれ１８０keＶ（９０ｋeＶ静電加速電圧）の注入エネルギー、７０ｋＶ、４５ｋＶ、２０ｋＶ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、２０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９０°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３６０／０°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１８０°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１１０°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＜２Ｖ．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３Ｂ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

Claims (6)

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、前記複数の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電極のアパーチャの第２寸法より小さく、
   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み、
   該質量分析マグネットは、前記ビーム内の注入すべき所望イオンを、前記第１直交方向の、第１電極の位置、あるいは該第１電極に対してイオン源から離れた下流のビーム沿いの位置の略焦点に導くよう設けられた、イオン注入装置。
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。
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。
4. 少なくとも連続した一組のビーム方向上流及び下流側の前記電極は、各々前記下流側の電極の第２アパーチャの寸法未満の前記上流側の電極の第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寸法が少なくとも増大する、請求項１記載のイオン注入装置。
5. 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１記載のイオン注入装置。
6. 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５記載のイオン注入装置。

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