JPH05198396A - 高周波四重極加速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空洞構造の小型化を実現し，四重極電極の設置
精度を確保すると共に，Ｑ値の低下を招くことなく任意
の種類の荷電粒子を任意のエネルギーに加速することの
できる高周波四重極加速装置を提供することを目的とす
る。 【構成】筒状の筐体１５の中心軸方向に配した四重極電
極２１〜２４と同軸に直径の異なる複数の金属筒体３１
〜３４を所定間隔を空けて層状に配設し，これを交互に
端板１６，１７及び支持部材１８に接合すると共に電極
２１，２３と電極２２，２４とに接続して筐体１５内に
四重極電極２１〜２４に直結されたインダクタとコンデ
ンサを構成する。この構成により同軸型共振構造の共振
器が構成され筐体の幾何学的寸法に左右されることなく
加速装置全体の小型化が実現される。また金属筒体３１
〜３４が筐体１５に直結され，四重極電極２１〜２４が
金属筒体３１〜３４に直結されるのでＱ値が大きく，且
つ機械的強度に優れ，設置精度を容易に確保することも
でき軸対象の構造であるので設計も容易となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，四重極電極による荷電
粒子加速装置に係り，詳しくは半導体プロセス，医療，
バイオ等における高エネルギー荷電粒子ビームを用いた
イオン注入，物性・組成分析，表面改質等に利用すると
ころの高周波四重極加速装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば，イオン注入，材料分析等を行う
ための高エネルギーのイオンビームを得るために，高周
波電界を利用した加速器として４個のベイン電極（四重
極電極）からなり，該ベイン電極を収容する真空容器自
身が共振空洞を兼ねた高周波四重極型の加速器が用いら
れる。この高周波四重極（ＲＦＱ：Radio Frequency Qu
adrupole）加速器（以下ＲＦＱと呼称する）の従来例を
図６に一部を破断した状態の斜視図として示す。図示す
るように，筐体５の中心軸方向に四重極電極を構成する
電極１，２，３，４が配設され，各電極１，２，３，４
は向き合った面が凹凸状に波打った形状に形成されてお
り，図７（ａ）（ｂ）に示すように，互いに向かい合っ
た電極では凹凸形状が同位相に形成されており，互いに
隣合った電極では凹凸形状が逆位相に形成されている。
このように形成された四重極電極を収容する筐体５の内
部に形成される空洞に，図８に示すように筐体５に設け
た入力カプラ１１から所定周波数の高周波電力を印加す
ると，空洞内にＴＥ₂₁₀ モードの共振周波数が励起され
る。このとき，互いに向かい合った電極には同電位，互
いに隣合った電極には逆電位が発生する。このため，４
つの電極１，２，３，４が向かい合う中心軸付近では四
重極電界が発生する。尚，同図における９は電界，１０
は磁界をそれぞれ示す。

【０００３】上記四重極電界において電極１，２，３，
４の上記凹凸構造が及ぼす影響について図９（ａ）
（ｂ）に基づいて説明する。図９（ａ）は四重極電極の
垂直断面，図９（ｂ）は水平断面に相当する。上記ＴＥ
₂₁₀ モードでは，電極１，３がプラスのとき，電極２，
４はマイナスであり，前者がマイナスのとき，後者はプ
ラスとなる。このような条件に加えて電極１，２，３，
４の凹凸形状が水平，垂直に１８０度ずれて形成されて
いることから，例えば，電極１，３がプラス，電極２，
４がマイナスのとき，中心軸上に軸方向の電界が生じる
ことになる。矢印６，７，８，はその電界の方向を示し
ている。電極１，２，３，４の電圧極性が逆になったと
きは，この電界の方向も逆になる。いま，同図における
左方向から中心軸に沿って四重極電極の中に入射された
イオンが常に左右方向への加速電界を受けるような速度
及び位相をもつと，電極１，２，３，４の凹凸形状の部
分を通過する毎に加速され単調にエネルギーが増加され
る。他方，最初に減速を受けるような位相で入ってきた
イオンも次の加速電界のときに後続のイオンの中に徐々
にバンチングされていき，後は単調に加速されていく。
このようにＲＦＱでは，どのような位相で入ってくるイ
オンも最終的にバンチングされ有効に加速される。ま
た，軸に直交する平面に存在する強い高周波電界によっ
て垂直，水平方向には強い収束力が生じているため，非
常に高い透過率でイオンを加速させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記に示したようなＲ
ＦＱでは，加速管は電極１，２，３，４と共に高周波の
空洞共振器を構成しており，その共振周波数（ＴＥ₂₁₀
モード）は筐体の幾何学的な寸法で決まってしまうた
め，重いイオンを加速する加速器を構成するためには，
巨大な直径を有する筐体にしなければならず工業的に非
現実的なものとなる。そこで，図１０に示すように，コ
ンデンサとインダクタとからなる共振回路を外部に設け
て，任意のイオン種を加速するに必要な周波数の高周波
電力をＲＦＱに供給し，空洞共振器を励振して四重極電
極に高周波電位を発生させることがなされる。しかしな
がら，外部に共振回路を設けた場合，高周波電力を供給
するためのケーブル部分でのロスによりＱ値の低下を招
き，同軸ケーブルでは浮遊容量の発生，空中配線では外
部擾乱を受けやすいなどの問題が発生する。そこで，加
速空洞（筐体）内にインダクタンスあるいはコンデンサ
の成分を得るため，図１１（ａ）（ｂ）あるいは図１２
（ａ）（ｂ）に示すように，四重極電極の支持構造をコ
イル状に形成したり，付加電極を設けたりすることがな
されるが，コイル部分の表面電流パスが長くなり，その
抵抗増加によってやはりＱ値の低下を招くことになる。
また，図１３（ａ）（ｂ）に示すような高周波四重極加
速装置も開発されている。この構成によれば，空洞８０
の表面に誘導される表面電流８６は，端板８１，８２を
経由して四重極電極８５に流れる経路となるが，組立
て，保守の観点から端板８１，８２と空洞８０との間の
電気的接続を完全にすることが難しく，この不完全性か
らＱ値の低下及び接触不良部分での発熱を招きやすい問
題点がある。また，４本の梁８３，８３，８４，８４は
２本づつ両端の端板８１または８２から片持ち支持され
ているため，加速管が長くなるほど梁８３，８４に取り
付けられる四重極電極８５の相互位置を精度よく固定す
ることが困難となる。さらに，表面電流８６は四重極電
極８５及び梁８３，８４上を流れ，中心軸に沿った方向
に電圧勾配が生じるので理想的なＲＦＱ電界が得られな
い問題点もある。

【０００５】また，高周波四重極加速装置においては，
四重極電極を数十μｍ以下の高精度で設置することが必
要であるが，四重極電極には高周波電流が流れるため発
熱して熱変形を生じ，設置精度が損なわれるため冷却を
必要とするものの，四重極電極に対する冷却手段を設け
ることは構造上困難になる問題点もあった。本発明は，
上記のごとき従来の問題点に鑑みてなされたもので，共
振回路の構成と共に，該共振回路と四重極電極との接続
構造を創案することにより，小型の空洞構造を実現し，
四重極電極の設置精度を確保し，Ｑ値の低下を招くこと
なく任意の種類の荷電粒子を任意のエネルギーに加速す
ることのできる高周波四重極加速装置を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，筒状の筐体の両端部を荷電
粒子ビームダクト開口を有する端板で閉じた該筐体内部
の中心軸方向に，相対向する電極を直交方向に配してな
る四重極電極を配設し，該四重極電極にコンデンサ及び
インダクタを具備してなる共振回路から所定の電位を供
給することにより，前記四重極電極間に入射された荷電
粒子を加速する高周波四重極加速装置において，前記四
重極電極と同軸に直径の異なる複数の金属筒体を所定間
隔を空けて層状に配設し，前記四重極電極から数えて奇
数層に配設された前記金属筒体を前記筐体の各端板に直
結し，偶数層に配設された前記金属筒体を前記筐体の中
央部に設けた支持部材に直結して，該支持部材と前記筐
体と前記端板とで前記インダクタを構成し，複数の前記
金属筒体により前記コンデンサを構成すると共に，最内
層に配設された前記金属筒体の中央部と前記四重極電極
の一方向に対面する電極の中央部とを接続し，中心軸か
ら第２位層に配設された前記金属筒体の中央部と前記四
重極電極の他方向に対面する電極の中央部とを接続した
ことを特徴とする高周波四重極加速装置である。

【０００７】

【作用】本発明によれば，四重極電極の各電極のそれぞ
れに直結される複数の金属筒体によりコンデンサを構成
し，筐体と端板及び支持部材とによりインダクタを構成
して，共振回路を筐体内の四重極電極に直結して設けて
いるので，Ｑ値の低下を招くことがなく，金属筒体の長
さ及び数によって静電容量を変化させることができるの
で，共振周波数を任意に選ぶことができ任意の荷電粒子
を加速することができる。また，層状に配設された複数
の金属筒体により同軸型共振構造の共振器を構成してい
るので，筐体の幾何学的寸法に左右されることなく装置
を設計することができ，加速装置全体の小型化が実現さ
れる。さらに，金属筒体が筐体に直結され，四重極電極
が金属筒体に直結されるので，機械的強度に優れ，設置
精度を容易に確保することもでき，軸対象の構造である
ので設計も容易となる。また，荷電粒子を通過加速させ
る四重極電極を覆う最内層の金属筒体は筐体内部で気密
構造的に分離しているので，この最内層の金属筒体を真
空ダクトとして構成し，真空ダクト内のみを高真空に保
ち，筐体内は高周波放電が発生しない程度の真空度にす
ることができるため，真空排気装置を小型化することが
できる。

【０００８】

【実施例】以下，添付図面を参照して，本発明を具体化
した実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，
以下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定するものではない。ここに，各図
は本発明の一実施例に係るイオンを加速するための高周
波四重極加速装置の構成を示し，図１は高周波四重極加
速装置の中心軸方向の断面図，図２は図１に示した高周
波四重極加速装置のＡ−Ａ矢視方向の断面図，図３は支
持部材の実施態様を示し，図２と同じくＡ−Ａ矢視方向
の断面図，図４は図１に示した高周波四重極加速装置の
Ｂ−Ｂ矢視方向の部分断面図で四重極電極と金属筒体と
の接続構造を拡大して示し，図５は実施例高周波四重極
加速装置を中心軸方向に複数個連結した実施態様を示す
中心軸方向断面図である。図１において，円筒状に形成
された筐体１５は，その両端を端板１６，１７によって
閉じられ，端板１６，１７はそれぞれ中心軸位置に開口
部を有し，真空チャンバ２５に接続される真空フランジ
３６及び次段装置への真空チャンバ（図示せず）を接続
する真空フランジ３５が設けられている。この筐体１５
の中心軸方向に電極２１，２２，２３，２４が配設され
ており，この電極にて四重極電極が構成されている。電
極２１〜２４の相対向する面側は，従来のＲＦＱ同様に
波型凹凸形状に形成されている。

【０００９】この電極２１，２２，２３，２４の外周に
それぞれ直径が異なり中心軸から順に第１層から第４層
まで形成される金属筒体３１，３２，３３，３４が中心
軸と同軸に配されている。各金属筒体３１〜３４は，筐
体１５内部の中心軸方向の中央位置に配され，筐体１５
の内部を２分する円盤状の支持部材１８によって区割さ
れる。即ち，第１層の金属筒体３１は図２，図３，図４
に示すように各中央部端で電極２１，２３の中央部に直
結され，絶縁部材１９により支持部材１８と絶縁され
る。金属筒体３１の他端は端板１６及び端板１７に接合
して支持される。第２層の金属筒体３２は支持部材１８
に接合して支持され，支持部材１８の両側に３２ａ，３
２ｂとして形成されると共に，図４に示すように支持部
材１８によって電極２２，２４の中央部と直結される。
第３層の金属筒体３３は端板１６に接合し支持される金
属筒体３３ａと，端板１７に接合し支持される金属筒体
３３ｂとで形成されている。第４層の金属筒体３４は支
持部材１８に接合して支持され，支持部材１８の両側に
金属筒体３４ａ，３４ｂとして形成されている。尚，図
４は第１層の金属筒体３１と電極２１，２３との接続，
及び第２層の金属筒体３２と電極２２，２４との接続，
及び支持部材１８と金属筒体３２，３４と電極２２，２
４との接続の状態を拡大図示するもので，支持部材１８
表面位置の半径方向断面（Ｂ−Ｂ矢視方向）で示してい
る。

【００１０】以上の構成により，電極２１，２３の中央
部と第１層の金属筒体３１ａ，３１ｂの中央部端並びに
第１層の金属筒体３１ａ，３１ｂと第３層の金属筒体３
３ａ，３３ｂと各端板１６，１７とが電気的に接続さ
れ，電極２２，２４の中央部と第２層の金属筒体３２
ａ，３２ｂの中央部並びに第２層の金属筒体３２ａ，３
２ｂと第４層の金属筒体３４ａ，３４ｂと支持部材１８
と筐体１５とが電気的に接続され，支持部材１８の両側
に形成される金属筒体３１ａ〜３４ａ及び金属筒体３１
ｂ〜３４ｂによりそれぞれコンデンサが構成され，端板
１６と筐体１５と支持部材１８及び端板１７と筐体１５
と支持部材１８とにより，それぞれインダクタが構成さ
れる。このように内部にコンデンサとインダクタとが構
成された筐体１５の胴部には，筐体１５内に高周波電源
２７からの高周波電力を印加する入力カプラ２８が設け
られており，端板１７に設けられた真空フランジ３６に
は真空チャンバ２５が取り付けられてイオン源１４に接
続されている。真空チャンバ２５には真空排気装置２６
が接続されており，イオン源１４から入射されるイオン
ビーム３０が通過する真空チャンバ２５並びに筐体１５
内の電極２１〜２４の周囲を囲む第１層の金属筒体３１
ａ，３１ｂにより形成される円筒ダクト内を所定の真空
度に真空排気する。尚，図示しないが，筐体１５内部は
別途設けられる真空排気装置により所定真空度に排気さ
れる。上記のように構成された高周波四重極加速装置２
０に，上記のように構成されたコンデンサとインダクタ
とにより決定される共振周波数の高周波電力が高周波電
源２７から入力カプラ２８を通じて筐体１５内に印加さ
れると，筐体１５内に共振周波数が励起される。筐体１
５内には上記したような構成により同軸型共振構造が形
成されており，加速装置長さを共振周波数の１／２波長
に構成することにより，中央部に最大の電界が発生す
る。この電界により電極２１〜２４の互いに向かい合っ
た電極には同電位，互いに隣合った電極には逆電位が発
生する。このため電極２１〜２４が向かい合う中心軸付
近には四重極電界が発生し，イオン源２０から入射され
たイオンを収束しつつ加速することができる。

【００１１】本実施例による高周波四重極加速装置２０
は，上記のように同軸型共振構造を形成しているので，
加速装置の電気的長さのみが必要であり，共振周波数と
は無関係に空洞（筐体）径が設定でき，且つ，金属筒体
３１ａ，ｂ〜３４ａ，ｂを入れ子構造にして同軸線路を
折り返したような構造にすることにより空洞長を共振周
波数の波長に比べて短くすることができ，その長さは金
属筒体３１ａ，ｂ〜３４ａ，ｂの同軸配置により確保さ
れるので，加速装置全体の小型化が達成される。また，
全体的に複数の筒体を組み合わせた構造で構成されてい
るため機械的強度に優れており，比較的薄肉の金属材料
によって構成することができる。さらに，各電極２１〜
２４は金属筒体３１ａ，ｂ及び３２ａ，ｂに直結固定で
きるので，組立時の設置精度が確保しやすく，発熱に関
しては金属筒体３１ａ，ｂに冷却水管路を配設する等の
冷却手段を設けることにより運転時の発熱による設置精
度の変化を解消することができる。

【００１２】また，従来の装置においては，空洞（筐
体）内全体を高い真空度に保つために大型の真空排気装
置を必要としたが，本実施例による構成によれば，上記
したように最内層に位置する金属筒体３１ａ，ｂを筐体
１５内で真空構造的に分離した気密構造にすることが可
能である。そこで，金属筒体３１ａ，ｂを電極２１〜２
４を収容しイオンビーム３０を通過させるに必要な高真
空度の真空ダクトとして構成し，端板１６，１７に設け
られた真空フランジ３５，３６と共に筐体１５内の別真
空空間として構成する。このように構成することによ
り，金属筒体３１ａ，ｂの内部は真空排気装置２６によ
って高真空に保ち，筐体１５内は別の真空排気装置によ
って高周波放電が生じない程度の真空排気にすることが
できる。従って，少ない容積を排気する真空排気装置２
６及び真空度が低レベルでよい筐体１５内の真空排気装
置は，いずれも比較的小型のものでよく，装置全体の小
型化，コストダウン，ランニングコストの低減の効果が
得られる。上記構成において，筐体１５の中央部は円盤
状の支持部材１８で区割されており，その両側に構成さ
れるコンデンサとインダクタとからなる共振回路間が電
極２１〜２４により電気的に結合されている。この結合
が不十分でイオンビーム負荷に影響がある場合には，図
３に示すように，支持部材１８に結合のための開口部２
９を設け，共振回路間のエネルギーの流れをよくするこ
とができる。この開口部２９の開設個数や形状は，共振
回路間の結合度や共振周波数，加速電圧に影響を及ぼす
ので，個数及び形状は加速装置の状態に応じて調整され
る。また，上記高周波四重極加速装置２０を図５に示す
ように，中心軸（ビーム軸）方向に複数基連結すること
により，イオンビーム３０の加速エネルギーを高めるこ
とができる。この場合，連結位置の端板１６及び１７は
連結される両側の加速装置に共通する隔壁３７として設
けられ，この隔壁３７には図５（ｂ）に示すように開口
部３８を設けて，１か所の入力カプラ３９から印加され
る高周波電力を全ての加速装置に供給する。尚，上記実
施例において３基の加速装置を連結した例を示したが，
連結基数は，必要とするイオンビームの加速エネルギ
ー，高周波電源４０の容量等を勘案して適宜設定され
る。

【００１３】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，四重
極電極の各電極のそれぞれに直結される複数の金属筒体
によりコンデンサを構成し，筐体と端板及び支持部材と
によりインダクタを構成して，共振回路を筐体内の四重
極電極に直結させて設けることができるので，Ｑ値の低
下を招くことがなく，金属筒体の長さ及び数によって静
電容量を変化させることができるので，共振周波数を任
意に選ぶことができ任意の荷電粒子を加速することがで
きる。また，同軸型共振構造の共振器を構成できるの
で，筐体の幾何学的寸法に左右されることなく装置を設
計することができ，加速装置全体の小型化が実現され
る。さらに，金属筒体が筐体に直結され，四重極電極が
金属筒体に直結されるので，機械的強度に優れ，配置精
度を容易に確保することもでき，軸対象の構造であるの
で設計も容易となる。また，荷電粒子を通過加速させる
四重極電極を最内層の金属筒体を真空ダクトとして気密
構造的に筐体内部で分離することが可能となるので，こ
の真空ダクト内を高真空に保つための真空排気装置を小
型化することもできる。さらに，最内層の金属筒体に冷
却手段を設けることができるので，運転中の発熱による
四重極電極の設置精度の変化を防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る高周波四重極加速装置の
構成を示す中心軸方向の断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視位置の断面図。

【図３】実施例に係る支持部材構造の実施態様を示し，
図２と同一位置における断面図。

【図４】各電極と各金属筒体との接続状態を示し，図１
のＢ−Ｂ矢視位置（支持部材位置）の構成を示す部分拡
大による断面図。

【図５】実施例に係る高周波四重極加速装置を複数基直
列に連結した実施態様を示す断面図（ａ）と，その連結
位置に設けた隔壁の構造を示す平面図（ｂ）。

【図６】従来例の高周波四重極加速装置の構成を示す斜
視図。

【図７】四重極電極の構造及び位置関係を断面で示す模
式図。

【図８】四重極電極を備えた従来例加速空洞内でのＴＥ
₂₁₀ モードの共振周波数の励起の様子を示す説明図。

【図９】四重極電極の凹凸形状の作用を説明するもの
で，垂直断面図（ａ）と水平断面図（ｂ）。

【図10】従来例の高周波四重極加速装置における外部共
振回路の接続を示す接続回路図。

【図11】従来例の高周波四重極加速装置における空洞内
共振回路の構成を示す断面図（ａ）と電極付近の斜視図
（ｂ）。

【図12】従来例の高周波四重極加速装置における空洞内
共振回路の構成を示す断面図（ａ）と電極付近の斜視図
（ｂ）。

【図13】従来例の高周波四重極加速装置の構成を示す斜
視図（ａ）と断面図（ｂ）。

【符号の説明】

１５…筐体 １６，１７…端板 １８…支持部材 ２０…高周波四重極加速装置 ２１，２２，２３，２４…電極（四重極電極） ２９…開口部 ３０…イオンビーム（荷電粒子ビーム） ３１ａ，３１ｂ…第１層の金属筒体（最内層の金属筒
体） ３２ａ，３２ｂ…第２層の金属筒体（第２位層の金属筒
体） ３３ａ，３３ｂ…第３層の金属筒体 ３４ａ，３４ｂ…第４層の金属筒体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳村 哲夫 神戸市垂水区桃山台６丁目16−12 (72)発明者 寺田 充夫 藤井寺市林４−５−６

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状の筐体の両端部を荷電粒子ビームダク
   ト開口を有する端板で閉じた該筐体内部の中心軸方向
   に，相対向する電極を直交方向に配してなる四重極電極
   を配設し，該四重極電極にコンデンサ及びインダクタを
   具備してなる共振回路から所定の電位を供給することに
   より，前記四重極電極間に入射された荷電粒子を加速す
   る高周波四重極加速装置において， 前記四重極電極と同軸に直径の異なる複数の金属筒体を
   所定間隔を空けて層状に配設し，前記四重極電極から数
   えて奇数層に配設された前記金属筒体を前記筐体の各端
   板に直結し，偶数層に配設された前記金属筒体を前記筐
   体の中央部に設けた円盤状の支持部材に直結して，該支
   持部材と前記筐体と前記端板とで前記インダクタを構成
   し，複数の前記金属筒体により前記コンデンサを構成す
   ると共に，最内層に配設された前記金属筒体の中央部と
   前記四重極電極の一方向に対面する電極の中央部とを接
   続し，中心軸から第２位層に配設された前記金属筒体の
   中央部と前記四重極電極の他方向に対面する電極の中央
   部とを接続したことを特徴とする高周波四重極加速装
   置。
2. 【請求項２】上記支持部材が任意形状，任意個数の開口
   部を有する円盤である請求項１記載の高周波四重極加速
   装置。
3. 【請求項３】複数の上記加速装置が荷電粒子ビーム方向
   に連結されてなる請求項１記載の高周波四重極加速装
   置。