JPS6119036A

JPS6119036A - 荷電粒子加速器

Info

Publication number: JPS6119036A
Application number: JP13930684A
Authority: JP
Inventors: Motoyuki Hashimoto; 素行橋本; Eiichi Nishimura; 栄一西村; Kazumichi Suzuki; 鈴木　一道
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-05
Filing date: 1984-07-05
Publication date: 1986-01-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、高エネルギー荷電粒子を得るための荷電粒子
加速器に係り、特に半導体、磁性材料。

誘電材料、金属などに高エネルギー荷電粒子を打込みあ
るいは注入するためのイオン注入装置に関する。

〔発明の背景〕

イオン注入装置は半導体製品を製造する際や、金鴇表面
層の加工、改善の際利用される。その時に注入される荷
電粒子（以下、イオンという）は１種類だけではなく、
一般に２種類以上のイオンが注入される。このようなイ
オン注入装置においては、２種類以上の高エネルギーイ
オンを発生する必要があるが、従来装置にあっては異種
のイオンの切換えが速やかにできない不具合がある。真
空状態におかれたイオン源内に唯一種類だけのガスを供
給したうえで、そのガスのイオンを発生させていたから
である。すなわち、新たなイオンを得るためには、その
度にイオン源内を真空引きにより一旦真空にして、目的
とする新たなガスをボンベから供給しなければならなか
った。したがって、新たなイオンを得るまでに３０〜６
０分といった多くの時間を要していたのが実情である。

この種の装置は、実験室レベルではどうにか使用できる
ものの、例えば半導体製造ライン等においては、イオン
切換えの時間がかがしすぎ、全く実用にはならなかった
。

なお、イオン源は一般に電子発生用フイラメン）、’を
子扉速用陽極、磁場発生部、イオン引き出し電極などか
らなる。磁場発生部はイオンとの衝突回数を多くすべく
電子の移動を螺旋状にし、その移動距離を大きくするた
めのものである。イオン源内に導入されたガスは電子と
の衝突によってイオン化され、プラズマ状態となり、引
き出し電極によって外部に引き出される。このようなイ
オン注入装置に関して述べである文献の例として、イオ
ン注入技術１９７５年工業調査会発行難波進編著第２章
がある。

゛〔発明の目的〕本発明の目的は、２種類以上のイオンが、時分割９周期
的に速やかに、しかも望ましくはそれらイオン各々のエ
ネルギーが可変状態で得られる荷電粒子加速器を供給す
ることである。

〔発明の概要〕

本発明は、イオン発生手段内には目的とするイオンに応
じたガスを２種以上充填し、それらのガスを同時にイオ
ン化したうえでイオンを外部に引き出して、引き出され
たイオンのうち一定エネルギーのもののみを選択した後
、これら選択されたイオンを種類別に、時分割、サイク
リックに選択したうえで所定のエネルギーに加速するよ
うにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図によ沙説明す
る。

まず、本発明による荷電粒子加速器の原理的な構成につ
いて説明する。第１図はその構成を示したものである。

これによると、ボンベ２には目的とするイオンに応じて
２種類以上の例えばＨ鵞。

・Ｈｅ、Ａｔなどが混合された状態で充填されており、
これらのガスはバルブを介して真空状態に保たれたイオ
ン源１に導入できるように力っている。

ガスの混合は、各々のガスボンベを用意し、イオン源内
で直接行わせてもよい。一方、イオン化される物質がガ
ス状ではな（Ｎｉ、ｐｅなどの固体である場合には、オ
ープン３でガス化したものをボンベ４からのキャリアガ
ス（Ｈ！　＊　Ｈｅｇ　Ａ　ｒなど）とともにイオン源
１内に導入する。その結果、イオン源１の中では２種類
以上の核種が同時にイオン化されるが、との際発生する
イオンはほとんど１価の正イオンのみでおる。一般にイ
オン源１内では負イオンの発生も可能であるが、その発
生量は少なく、通常負イオンは注入イオンとして用いら
れない。

イオン源１内で発生した２種類以上のイオンは引き出し
電圧Ｖ、を印加した引き出し電極５によねイオン源１の
外部に引き出された後、平行平板電極６により偏向され
る。ここで平行平板電極６間の間隔をｄｌそこに印加さ
れる電圧を■、長さをｔとすると、平行平板電極６内で
以下の式が成立する。

ここで、ｍはイオンの質量、ｑはイオンの電荷である。

ｘ　＝　ｙ　＝　ＯでのＸ方向、ｙ方向の初速度をそれ
ぞれｖｇ、０とすると、ｘ、ｙは次式で表わされる。

すなわち、イオンは平行平板電極６内（０≦Ｘ≦ｔ）に
おいて放物線運動する。平行平板電極６を通過したイオ
ンは、なる速度で直線運動する。従って、平行乎板電株６の中
心からＬだけ離れた位置、すなわち、Ｘ＝ｔ／２＋Ｌの
位置でのｙ方向の変位量ｄ８は次のようになる。

また、ｍ憂ｏ”／２＝ｑＶ、なる関係が成立すΣから変
位ｆｔｄｓは以下のように表わすことができる。

すなわち％　ｘ＝＝ｚ／２＋Ｌ、ｙ−ｄ＠の位置にスリ
ット８を図のように設けると、イオンの質量とは無関係
に一定のエネルギーｑｖｏをもったイオン７のみがスリ
ット８を通過できることになる。

ここで、ｖｏ＞＞Ｖと仮定すれば、スリット８を通過す
るイオンの速度はｖ（１と近似できる。

スリット８により選択されたエネルギーＥｏ＝＝１　／
　２　ｍＶＱ”　＝＝　Ｑ　Ｖ　、をもつイオンは、エ
ネルギー調整器９によって加速または減速される。その
エネルギーをＥとすると、イオンの速さＶは次式％式％さて、エネルギー調整器９を通過したイオンｄ次に分析
マグネット１０の内部に入り、一様々磁場の中で円運動
する。このとき、ローレンツ力と遠心力が平衡するので
、軌道半径をｒ１分分析マグネット磁密度をＢとすると
、次の関係が成立する。

ｔｍ　−＝ｖＱＢ　　　　　　　　　・・・・・・（７）
式（６）および（７）から、軌道半径ｒは以下のように
求められる。

ここでイオンはほとんど正の１価イオンのみであって、
その電荷ｑが低子のそれに等しく、シかも分析マグネッ
ト１０の磁束密度Ｂが一定であるとすれば、ｍとＥによ
って軌道半径ｒが決定されることになる。このことは、
イオン質量ｍに応じてエネルギー調整器９出口のエネル
ギー、すなわち分析マグネット１０の入射エネルギーＥ
を変化させると、スリット１３を設けて目的とするイオ
ンのみを選択的に取り出し可能であることを意味する。

おるＥの値では、イオン１１は所定の軌道半径となって
スリット１３を通過して取り出されるが、他の質量をも
つイオン１２の軌道半径はこれより大きかったり、小さ
かったりしてスリット１３を通過できない。

スリット１３により選択的に取り出されたイオンは、加
速器１４で所定エネルギーまで加速された後、ターゲッ
ト１５に照射される。

従って、例えば２種類のイオンを交互に加速するには、
エネルギー調整器９出口でのエネルギーＥを２通りに制
御すればよいことＫなる。エネルユギー調整器電圧制御
装置１７はそのためのもので、第２図に示すように発振
器１６の出力Ａに基づいて、エネルギー調整器９に対す
る電圧Ｂを２通りに制御する。電圧ＢがＣであれば質量
が犬のイオンが、また電圧Ｂがｄであれば質量が小のイ
オンがスリット１３により交互に選択され、ターゲット
１５に照射注入される。

この場合、注入イオンの切換えは、エネルギー調整器９
に対する電圧Ｂ１遡って発振器１６の出力Ａにより行わ
れるが、切換えに要する時間は電圧Ｂを切換える時間で
あるから秒のオーダであり、注入イオンを高速に切換え
可能である。また、発振器１６のデユーティ比を可変に
すると、イオン注入量も可変制御できる。

ところで、本発明の望ましい態様では、加速器１４での
加速電圧はイオンに応じて可変制御される。加速電圧制
御装置１８は１発振器１６の出力Ａに基づき加速管１４
の加速電圧Ｃを制御するようになっている。第２図に示
すように、加速電圧ｅ。

ｆに応じてイオンが加速される結果、ターゲット１５へ
のイオンの打ち込み深さはイオン毎に制御可能となる。

まだ、３種類以上のイオンを発生させる場合には、発振
器１６は３種類以上の出力レベルを持ったものとして構
成される。

第３図は、４り発明による他の実施例を示すものである
。第１図と異々るのは、分析マグネット１０に入射され
るイオンのエネルギーを調整する手段として、スリット
８の後にエネルギー調整器９を設けるかわりに、引き出
し電圧Ｖ、を可変にしてイオンエネルギーを調整可能と
した点である。

このとき、式（５）により定められる位置にあるスリッ
ト８をイオンが通過するには、次の関係式を満すように
平行平板電極６の電圧Ｖを引き出し電極電圧Ｖ、と同期
させて変化させる必要がある。

Ｖ／Ｖ、＝一定　　　　　　　・・・・・・（９）引き
出し電極および平行平板電極電圧制御系１９はこのだめ
のもので、発振器１６の出力に基づいて引き出し電極５
の電圧および平行平板電極６の電圧を式（９）の関係を
満すように制御する。

本実施例によると、スリット１３を通過するイオンの質
量ｍと引き出し電圧■、との関係は以下の式で与えられ
る。

力お、本実施例においても、第１図実施例と同様に、発
振器１６の出力に基づいて加速管１４の加速電圧を制御
し、ターゲット１５へのイオンの打ち込み深さをイオン
毎に制御可能であることはもちろんであり、また発振器
１６のデユーティ比を変えてイオン注入量を可変制御で
きる。

〔発明の効果〕

本発明では、イオン発生手段から２種類以上のイオンを
同時に引き出した後、これらのイオンを種類別に時分割
、サイクリックに選択したうえで所定のエネルギーに加
速するので、イオン発生手段内において予め２種類以上
のイオンが得られており、しかも速やかにイオンを種類
別に選択しうるだめ、２種類以上のイオンが時分割的に
、しかも交互あるいはサイクリックに速やかに得られる
。

まだ、望ましい態様においては、イオンは最終段でその
種類別に応じた加速電圧で加速されるから、イオンの打
ち込み深さをイオン毎に制御可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による荷電粒子加速器の原理的な構成を
示す図、第２図は発振器の出力によって分析マグネット
入射エネルギー調整器と加速管を制御する例の説明図、
第３図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。１・・・イオン源、２・・・ボンベ、３・・・オーブン
、４・・・キャリアガスボンベ、５・・・引き出・し電
極、６・・・平行平板電極、８・・・スリット、９・・
・エネルギー調整器、１０・・・分析マグネット、１３
・・・スリット、１４・・・加速管、１５・・・ターゲ
ット、１６・・・発振器、１７・・・エネルギー調整電
圧制御装置、１８・・・加速管電圧制御装置、１９・・
・引き出し電極および平行平板電極電圧制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】１、混合ガスを組成する２種類以上のガスを同時にイオ
ン化するイオン発生手段と、イオン発生手段からのイオ
ンのうち所定のエネルギーをもつたもののみを選択する
イオン選択手段と、イオン選択手段によつて選択された
イオンのエネルギーを時分割、サイクリツクに変化させ
るエネルギー変更手段と、この変更手段によりエネルギ
ーが変化したイオンのうちから電荷と質量の比に応じイ
オンを種別毎に選択するイオン種別選択手段と、イオン
種別選択手段によつて選択されたイオンを加速するイオ
ン加速手段と、上記イオンエネルギー変更手段を制御す
るイオンエネルギー変更制御手段とからなることを特徴
とする荷電粒子加速器。２、特許請求の範囲第１項において、イオンエネルギー
変更制御手段には、イオンエネルギー変更制御に同期し
てイオン加速手段でのイオン加速電圧を可変に制御する
手段が含まれることを特徴とする荷電粒子加速器。