JPWO2018043709A1 - 加速器、加速器の運転方法および加速器を用いた半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

加速器（１）は、荷電粒子ビーム（Ｂ）が通過可能な高周波空洞（２）と、基本周波数の電磁波を高周波空洞（２）に入力する高周波源（３）と、レーザ光（Ｌ）を出力するレーザ出力部（１０）と、レーザ光（Ｌ）が照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット部（１１）と、荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビーム（Ｂ）を引き出すビーム引出部（１２）と、基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定のタイミングで荷電粒子ビーム（Ｂ）を高周波空洞（２）に向けて出力する制御を行う出力制御部（１５）とを備える。

Description

本発明の実施形態は、高周波空洞を備える加速器に関する。

従来の加速器は、入射される荷電粒子ビームの速度を変更可能な高周波空洞を備える。このような加速器では、高周波源を用いて高周波空洞の内部に所定の周波数の基本波を生じさせるとともに、この基本波の周波数の整数分の１の周期で、荷電粒子ビームを高周波空洞の内部に繰り返し入射させるようにしている。

特開２００８−２４３３７５号公報

高周波空洞では、荷電粒子ビームの速度変更に用いる基本波の周波数よりも、周波数が高い高次モード（ＨＯＭ）が生じる場合がある。この高次モードは、荷電粒子ビームが発生させる電磁波が高周波空洞の内部で共振を起こすために生じる。この高次モードが荷電粒子ビームの入射周期と一致してしまうと、高周波空洞の内部にノイズとなる電磁波が溜まってしまい、高周波空洞が発熱してしまうという課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、高周波空洞の発熱を抑えることができる加速器技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る加速器は、荷電粒子ビームが通過可能な高周波空洞と、基本周波数の電磁波を前記高周波空洞に入力する高周波源と、レーザ光を出力するレーザ出力部と、前記レーザ光が照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット部と、前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出部と、前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る加速器の運転方法は、基本周波数の電磁波を高周波源から高周波空洞に入力する高周波入力ステップと、レーザ出力部からレーザ光を出力するレーザ出力ステップと、前記レーザ光がターゲット部に照射されることで荷電粒子を発生させる粒子発生ステップと、前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出ステップと、前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御ステップと、前記荷電粒子ビームが前記高周波空洞を通過する通過ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態により、高周波空洞の発熱を抑えることができる加速器技術が提供される。

第１実施形態の加速器を示す図。 トリガ信号およびレーザ光のタイミングを示すタイミングチャート。 加速器の運転方法を示すフローチャート。 第２実施形態の加速器を示す図。 トリガ信号およびレーザ光のタイミングを示すタイミングチャート。 加速器の運転方法を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第１実施形態について図１から図３を用いて説明する。図１の符号１は、荷電粒子ビームＢを加速するための加速器である。なお、この加速器１は、荷電粒子ビームＢを一直線上で加速する線形加速器を例示している。

また、加速器１は、荷電粒子ビームＢが通過可能な高周波空洞２と、基本周波数の電磁波である高周波（ＲＦ：Radio Frequency）を高周波空洞２に入力する高周波源３と、荷電粒子ビームＢを発生させるビーム発生装置４と、高周波源３とビーム発生装置４とを制御する主制御部５とを備える。なお、図１では、理解を助けるために、簡略化した構成を示しているが、これらの装置以外の装置が、加速器１に含まれても良い。

また、高周波空洞２は、球体が扁平に潰れた形状を成す複数の空洞室６を備える。これらの空洞室６が荷電粒子ビームＢの進行方向に沿って並んで配置されている。さらに、空洞室６の中央部が貫通され、荷電粒子ビームＢが通過可能な経路が直線状に形成される。なお、高周波空洞２の内部に入射される高周波は、空洞室６の内部形状に応じて反射を繰り返す。そして、高周波空洞２の内部に基本波（定在波）が生じるようになっている。

さらに、高周波空洞２の端部には、ＲＦ入力部７を介して高周波源３が接続されている。また、高周波源３は、基本周波数の電磁波Ｋ（高周波Ｋ）を高周波空洞２に入力する。なお、高周波源３は、高周波空洞２に入力する高周波Ｋの制御を行う高周波制御部８を備える。この高周波制御部８は、基本周波数の設定を行う周波数設定部９を備える。この周波数設定部９は、後述するように、所定期間内にレーザ光Ｌのパルスが選抜される割合に応じて基本周波数を高める設定を行う。

また、高周波空洞２は、高周波源３から高周波Ｋを入力されることで、その内部に基本波（定在波）を生じさせる。なお、高周波空洞２の内部に生じる基本波の周波数は、高周波源３から入力される高周波Ｋの周波数により制御される。

また、ビーム発生装置４は、基本波の周波数の整数分の１の周期で、荷電粒子ビームＢを高周波空洞２の内部に繰り返し入射させるようにしている。なお、高周波空洞２の定在波に対する荷電粒子ビームＢの入射のタイミング、または荷電粒子ビームＢの入射タイミングに対する高周波Ｋの位相を適宜変更することにより、入射される荷電粒子ビームＢの速度を加速したり減速したりすることができる。

また、高周波空洞２は、基本波を発生させると発熱するため、熱伝導率が大きく電気抵抗が小さい金属材料が適している。この高周波空洞２は、ニオブ材などの超電導材料で構成される。なお、ニオブ材には、ニオブ単体とニオブと他の金属（銅など）との合金が含まれる。そして、高周波空洞２は、冷却装置（図示略）により極低温（約２Ｋ）に冷却される。このように、冷却された高周波空洞２は、電気抵抗が限りなくゼロになる超伝導状態に転移される。高周波空洞２を超電導状態にすることで、高効率で荷電粒子ビームＢの速度の変更を行えるようにしている。

また、ビーム発生装置４は、レーザ光Ｌを出力するレーザ出力部１０と、レーザ光Ｌが照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット１１と、ターゲット１１で発生した荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームＢを引き出すための引き出し電極１２と、ターゲット１１と引き出し電極１２とに接続される直流電源１３と、レーザ出力部１０とターゲット１１との間に設けられてレーザ光Ｌを遮断可能な光変調部１４と、レーザ出力部１０と光変調部１４とを制御する出力制御部１５とを備える。なお、第１実施形態では、引き出し電極１２が、ビーム引出部となっている。

また、レーザ出力部１０から出力されたレーザ光Ｌは、ターゲット１１に照射される。そして、ターゲット１１にて荷電粒子が発生する。そして、発生した荷電粒子は、引き出し電極１２により一方向に加速され、荷電粒子ビームＢとなって高周波空洞２に入射される。

なお、主制御部５は、高周波制御部８および出力制御部１５に接続され、高周波源３およびビーム発生装置４を制御している。なお、主制御部５や出力制御部１５や高周波制御部８は、プロセッサやメモリなどのハードウエア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウエアによる情報処理がハードウエア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。

また、ビーム発生装置４から高周波空洞２に入射される荷電粒子ビームＢは、パルス列のビーム（パルス波）となっている。さらに、出力制御部１５は、レーザ光Ｌがターゲット１１に照射されるタイミングを制御することで、荷電粒子ビームＢの出力のタイミングを制御している。本実施形態では、高周波空洞２の内部で生じている基本波の基本周波数の周期に対応するタイミングで荷電粒子ビームＢが出力される。

ここで、高周波空洞２の内部に生じる高次モード（ＨＯＭ：Higher Order Mode）について詳述する。例えば、高周波空洞２の内部に存在する高周波（基本波）の周波数成分は、高周波源３から入力される高周波Ｋの周波数のみであることが理想的である。しかし、荷電粒子ビームＢの加減速は、高周波空洞２に貯められた高周波のエネルギーが、高周波空洞２と荷電粒子ビームＢとの間で授受されることで実現される。そのため、荷電粒子ビームＢの加減速の際に、高周波空洞２の内部の高周波が擾乱を受ける。そして、高周波源３から入力される高周波Ｋとは、異なる周波数成分が高周波空洞２の内部に生まれる場合がある。

例えば、荷電粒子ビームＢのパルス列の電流の時間変化は、周期的δ関数とみなせる。これはフーリエ変換を行うと、基本周波数の整数倍の周波数成分を有する。これが高周波空洞２に貯められた高周波が受ける擾乱の周波数成分となる。

理想的な高周波空洞２であれば、その内部で共振し得る高周波の周波数は、基本波とその整数倍の周波数のみである。一方、現実の高周波空洞２の内部形状は、３次元的な形状を有するために、基本周波数以外にも様々な共振周波数を有する。これらの基本モード以外に高周波空洞２の内部に生じる電磁場の周波数成分が、高次モードと呼ばれる。

前述したとおり、高周波空洞２に入射するビームは、基本周波数の整数分の１の周波数を有する。そして、荷電粒子ビームＢの加速または減速は、高周波空洞２とのエネルギーの授受である。この授受されるエネルギーは、荷電粒子ビームＢに起因する周波数を持つため、高周波空洞２の高次モードが、荷電粒子ビームＢが持つ周波数成分のいずれかと一致してしまう場合がある。この場合に、高周波空洞２の内部にノイズとなる電磁波が溜まってしまい、高周波空洞２が発熱してしまうことがある。この発熱が、高周波空洞２の変形や、超伝導状態の破れ（クエンチ）の要因となるおそれがある。また、ノイズとなる電磁波により、次に加速される荷電粒子ビームＢが擾乱を受け、正常に加速されない、或いは荷電粒子ビームＢの形状が崩れるなどの悪影響を受ける場合がある。

そこで、本実施形態では、高周波空洞２に入射される荷電粒子ビームＢのパルス列を一定ではない間隔で選抜する（無作為に間引く）ことで、荷電粒子ビームＢが持つ周波数成分を分散または減衰させるようにする。このようにすれば、高次モードの発生が抑えられ、高周波空洞２の発熱を抑えることができる。

なお、ビーム発生装置４は、基本周波数の周期に対応する一定間隔のタイミングのうちの選抜された特定のタイミングで荷電粒子ビームＢを高周波空洞２に向けて出力する。第１実施形態では、光変調部１４を用いてレーザ光Ｌのパルス列を選抜することで、荷電粒子ビームＢのパルス列を選抜している。つまり、レーザ光Ｌの選抜と荷電粒子ビームＢの選抜とが同義である。

ここで、ビーム発生装置４が出力する荷電粒子ビームＢの出力態様について詳述する。ビーム発生装置４の出力制御部１５は、所定期間内にレーザ光Ｌのパルスが選抜される割合を設定する割合設定部１６と、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期（同調タイミング）で同調信号Ｕを出力する同調部１７と、レーザ出力部１０がレーザ光Ｌを出力する契機となるトリガ信号Ｇを出力する信号出力部１８と、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期で乱数Ｒを出力する乱数出力部１９と、光変調部１４を制御する選抜信号Ｓを出力する選抜部２０とを備える。

また、第１実施形態の光変調部１４は、光スイッチで構成される。なお、光スイッチとは、光の通過（ＯＮ）または遮断（ＯＦＦ）を切り換えることができるデバイスである。第１実施形態では、光スイッチとしてＥОモジュレータが用いられる。なお、ＥＯモジュレータは、電気制御で光の偏向制御を行い、電気光学結晶と偏光子を組み合わせて光の強弱を変化させるデバイスである。また、他の実施形態としてＭＥＭＳ式の光スイッチや、機械式の光スイッチなどを用いても良い。

第１実施形態では、光変調部１４が、ターゲット１１に向かって進行するレーザ光Ｌの通過（ＯＮ）または遮断（ＯＦＦ）を切り換えるようにしている。なお、レーザ出力部１０とターゲット１１との間の光路は、光ファイバなどにより構成されても良い。このように、ターゲット１１に対するレーザ光Ｌの照射タイミングが制御されることで、荷電粒子ビームＢの出力タイミングが制御される。

なお、信号出力部１８は、同調部１７から出力される同調信号Ｕ（同調タイミング）に応じてトリガ信号Ｇの出力を制御する。さらに、選抜部２０は、同調部１７から出力される同調信号Ｕおよび乱数出力部１９から出力される乱数Ｒに応じて選抜信号Ｓの出力を制御する。

また、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期とは、基本周波数と同一周期であっても良いし、基本周波数の整数分の１の周期であっても良い。なお、以下の説明では、理解を助けるために、同調部１７から出力される同調信号Ｕの出力タイミングが、基本周波数の周期と同一であるものとして説明する。

図２に示すように、高周波源３から高周波空洞２に入力される高周波Ｋの基本周波数の周期をＴ１〜Ｔ２０とする。これらの周期Ｔ１〜Ｔ２０に一致したタイミングで、荷電粒子ビームＢが高周波空洞２に入射されると、荷電粒子ビームＢの加減速を行うことができる。ここで、出力制御部１５の同調部１７は、基本周波数の周期Ｔ１〜Ｔ２０に一致したタイミングで同調信号Ｕを出力する。また、信号出力部１８は、同調信号Ｕに応じてトリガ信号Ｇを出力する。そして、レーザ出力部１０が出力した時点のレーザ光Ｌのパルス列は、基本周波数の周期Ｔ１〜Ｔ２０に一致する。

なお、同調信号Ｕは、選抜部２０にも入力される。この選抜部２０には、乱数出力部１９から出力された乱数Ｒが入力される。また、乱数Ｒは、２進数のランダム（不規則）な値となっている。乱数出力部１９では、乱数生成器により所定の乱数列を生成する。また、乱数出力部１９は、「０」または「１」の数値をランダムに出力する。なお、１０進数または１６進数のランダムな値を出力し、この出力された値を「０」または「１」に変換して乱数列を出力しても良い。また、乱数出力部１９から出力される乱数Ｒは、同調信号Ｕ（基本周波数の周期Ｔ１〜Ｔ２０）に対応して出力される。

また、選抜部２０は、同調信号Ｕおよび乱数Ｒに応じて選抜信号Ｓの出力を制御する。光変調部１４は、選抜信号Ｓに基づいてレーザ光Ｌの通過（ＯＮ）および遮断（ＯＦＦ）の制御を行う。例えば、同調信号Ｕが入力されたときに、この同調信号Ｕに対応する乱数Ｒが「０」の場合は、選抜部２０が光変調部１４を用いてレーザ光Ｌの遮断を行う。一方、同調信号Ｕに対応する乱数Ｒが「１」の場合は、選抜部２０が光変調部１４を用いたレーザ光Ｌの遮断を行わないで、レーザ光Ｌを通過させる。

なお、光変調部１４により遮断されたレーザ光Ｌは、ターゲット１１に照射されない。一方、光変調部１４により遮断されなかったレーザ光Ｌは、ターゲット１１に照射されて荷電粒子ビームＢが発生し、この荷電粒子ビームＢが高周波空洞２に入射される。

すなわち、レーザ光Ｌの照射タイミングであって、荷電粒子ビームＢの出力タイミングが乱数出力部１９の乱数Ｒによって制御される。なお、乱数Ｒに応じてレーザ光Ｌの照射タイミングが決定されるので、高周波空洞２に入射される荷電粒子ビームＢのパルス列を一定ではない間隔で選抜することができる。このようにすれば、一定ではない間隔で荷電粒子ビームＢが出力されるので、高周波空洞２の内部の高次モードの発生を防ぐことができる。

前述の通り、１のレーザ光Ｌの照射タイミングと次のレーザ光Ｌの照射タイミングとの間隔が一定ではなく、乱数Ｒに応じて適宜変更される。つまり、本実施形態では、１の荷電粒子ビームＢが出力されるタイミングと次の荷電粒子ビームＢが出力されるタイミングの間隔が変更可能となっている。このようにすれば、繰り返される荷電粒子ビームＢが出力されるタイミングが変移されるので、高周波空洞２の内部の共振現象を防ぐことができる。

なお、割合設定部１６は、所定期間内にレーザ光Ｌの照射タイミングが選抜される割合を予め設定する。この割合設定部１６が設定した選抜割合に応じて乱数出力部１９が乱数Ｒの出現態様を設定する。例えば、レーザ光Ｌの照射タイミングの５０％を選抜する場合には、乱数出力部１９が出力する乱数Ｒにおいて「０」の出現確率を５０％に設定すれば良い。なお、所定期間内にレーザ光Ｌの照射タイミングが選抜される割合は、適宜変更しても良い。

ここで、荷電粒子ビームＢを選抜して出力すると、荷電粒子ビームＢの平均電流（平均エネルギー）が減少してしまう。そのため、目的の平均電流とするためには、予め選抜する割合を加味した分だけ、基本周波数を高めておく必要がある。例えば、特定の繰り返し周波数で高周波空洞２に入射する荷電粒子ビームＢのパルス列の電流成分は、この周波数の整数倍に集中した周波数成分を有する。ウィーナーヒンチンの定理より、この荷電粒子ビームＢによって受ける変調のスペクトルは、以下の数式１で表される。

ここで、Ｃ（ｔ）は、ビーム電流を信号列としたときの自己相関関数の期待値である。また、（基本周波数ｆ１）＝（１／間隔δｔ）のパルス列であるときに、各パルスが確率Ｐで選抜された場合に、信号列Ｐ（ｔ）は、以下の数式２で表される。

ここで、ｂｎは、確率Ｐで１となり、（１−Ｐ）で０となるため、自己相関の期待値は、以下の数式３で表される。

この期待値を数式１に代入すると以下の数式４となる。

ここで、ω＝２πｎ／Δｔとなる。すなわち、ｆ＝ｎｆ１＝ｎ／Δｔのときだけ値を持つ（ゼロではなくなる）。また、基本周波数ｆ１は、荷電粒子ビームＢを選抜した分だけ電流値を補う必要がある。そのため、基本周波数ｆ１は、本発明を適用しない場合の周波数ｆ０よりも大きくなる（ｆ１はｆ０よりも周波数が高くなる）。すなわち、確率５０％で荷電粒子ビームＢを選抜する場合は、ｆ１＝２×ｆ０となる。そのため、高周波空洞２の内部で発生する高次モードは、本発明を適用しない場合のｆ＝ｆ０×ｎ／Δｔの半分、つまり、ｆ＝ｆ０×ｎ／２Δｔとなる。よって、ビーム電流、ビームパルスの素性を変えずに全体として発熱を抑えることが可能となり、高周波空洞２における高次モードによる発熱を抑えることができる。

なお、基本周波数ｆ１を高めることで、本発明を適用しない場合の周波数ｆ０よりも周波数成分が少なくなる。例えば、ｆ１の周波数を１．３ＧＨｚとし、ｆ０の周波数がｆ１の半分の周波数の６５０ＭＨｚであると仮定する。この場合に、ｆ０の周波数成分は、６５０ＭＨｚ，１．３ＧＨｚ，１．９５ＧＨｚ，２．６ＧＨｚ，３．２５ＧＨｚ，３．９ＧＨｚ…となる。一方、ｆ１の周波数成分は、１．３ＧＨｚ，２．６ＧＨｚ，３．９ＧＨｚ…となる。このように、ｆ１は、ｆ０よりも周波数成分が少なくなる。そのため、基本周波数ｆ１を高めることで、高周波空洞２の内部で共振現象が生じる可能性（確率）を低減することができる。

図１に示すように、出力制御部１５は、主制御部５から入力される制御情報Ｃに応じて、割合設定部１６でレーザ光Ｌの照射タイミングの選抜割合Ｗを設定する。また、割合設定部１６は、設定した選抜割合Ｗを高周波制御部８の周波数設定部９に出力する。なお、この選抜割合は、乱数出力部１９にも出力される。さらに、周波数設定部９は、選抜割合Ｗに応じて基本周波数を設定する。なお、高周波制御部８は、設定された基本周波数に基づいて制御信号Ｎを高周波源３に出力して制御を行う。

そして、周波数設定部９は、設定した基本周波数の周波数情報Ｆを割合設定部１６に出力する。また、割合設定部１６は、周波数情報Ｆを同調部１７および乱数出力部１９に出力する。そして、同調部１７および乱数出力部１９は、周波数情報Ｆに基づいて同調信号Ｕおよび乱数Ｒを出力する。

なお、出力制御部１５は、乱数出力部１９から出力される乱数Ｒに基づいてレーザ光Ｌの照射タイミングを選抜することで、これらのタイミングを無作為に選抜することができる。また、周波数設定部９が、所定期間内にレーザ光Ｌの照射タイミングが選抜される割合に応じて基本周波数を高める設定を行うことで、高周波空洞２から出力される荷電粒子ビームＢの平均エネルギーが減少されることを防ぐことができる。

第１実施形態では、一定間隔の周期で出力されるレーザ光Ｌを光変調部１４により適宜遮断することで、特定のレーザ光Ｌのパルスを選抜することができる。さらに、光変調部１４を用いることで、簡易的な構成で荷電粒子ビームＢが出力されるタイミングを選抜することができる。

なお、ビーム発生装置４は、電子線をビーム状に出力する電子銃であっても良い。例えば、ターゲット１１をフォトカソード部とし、引き出し電極１２をアノード部とする。そして、レーザ出力部１０から出力されるレーザ光Ｌが、ターゲット１１（カソード部）に照射されることで生じる光電効果によって、荷電粒子としての光電子が発生する。この光電子の発生タイミングを、前述のように、適宜選抜することで、高周波空洞２の発熱を抑えることができる電子銃とすることができる。

なお、ビーム発生装置４は、陽イオンをビーム状に出力するイオン源であっても良い。例えば、ターゲット１１をイオンターゲット部とし、引き出し電極１２をカソード部とする。そして、レーザ出力部１０から出力されるレーザ光Ｌが、ターゲット１１（イオンターゲット部）に照射されることで生じるアブレーションプラズマによって、荷電粒子としての陽イオンが発生する。この陽イオンの発生タイミングを、前述のように、適宜選抜することで、高周波空洞２の発熱を抑えることができるイオン源とすることができる。

次に、第１実施形態の加速器１の運転方法について図３を用いて説明する。なお、フローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップＳ１１」と記載する箇所を「Ｓ１１」と略記する。

まず、高周波制御部８の周波数設定部９は、出力制御部１５の割合設定部１６から入力された選抜割合Ｗに基づいて、基本周波数を設定する（Ｓ１１）。次に、高周波制御部８は、高周波源３を制御し、基本周波数の高周波Ｋ（電磁波Ｋ）を高周波空洞２に入力する（Ｓ１２：高周波入力ステップ）。

次に、出力制御部１５の同調部１７および乱数出力部１９は、周波数設定部９が設定した基本周波数に基づいて高周波空洞２にレーザ光Ｌを入射させるための同調タイミング（基本周波数の周期）を取得する（Ｓ１３）。次に、同調部１７は、同調タイミングに一致するタイミングで同調信号Ｕを信号出力部１８に出力する。そして、同調信号Ｕを入力された信号出力部１８は、同調タイミングでトリガ信号Ｇをレーザ出力部１０に出力する（Ｓ１４）。

次に、トリガ信号Ｇを入力されたレーザ出力部１０は、同調タイミングでレーザ光Ｌを出力する（Ｓ１５：レーザ出力ステップ）。次に、選抜部２０は、同調タイミングに対応した乱数Ｒを乱数出力部１９から取得する（Ｓ１６）。次に、選抜部２０は、取得した乱数Ｒに基づいて光変調部１４を制御し、基本周波数の周期に対応する同調タイミングのうちの特定のタイミングのレーザ光Ｌのパルスを選抜する（Ｓ１７：出力制御ステップ）。

次に、特定のタイミングでレーザ光Ｌがターゲット１１に照射されることで荷電粒子が発生する（Ｓ１８：粒子発生ステップ）。次に、引き出し電極１２は、荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームＢを引き出し、ビーム発生装置４から荷電粒子ビームＢが出力される（Ｓ１９：ビーム引出ステップ）。次に、荷電粒子ビームＢが高周波空洞２を通過する（Ｓ２０：通過ステップ）。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の加速器１Ａについて図４から図６を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

第２実施形態の加速器１Ａでは、前述の第１実施形態の引き出し電極１２の替わりに、出力用高周波空洞２１が設けられる。なお、第２実施形態では、出力用高周波空洞２１が、ビーム引出部となっている。また、第１実施形態では、光変調部１４がレーザ光Ｌのパルスの選抜を行っているが、第２実施形態では、トリガ信号Ｇの出力の有無によってレーザ光Ｌのパルスの選抜を行う。

図４に示すように、出力用高周波空洞２１は、ターゲット１１に近接した位置に設けられる。また、出力用高周波空洞２１の端部には、ＲＦ入力部２２を介して高周波源２３が接続されている。そして、出力用高周波空洞２１は、ターゲット１１で発生した荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームＢを引き出す。この出力用高周波空洞２１で引き出された荷電粒子ビームＢは、主たる高周波空洞２に入射される。

なお、出力用高周波空洞２１は、出力用高周波制御部２４から出力される制御信号Ｎにより制御される。また、出力制御部１５Ａの割合設定部１６は、周波数情報Ｆを同調部１７および乱数出力部１９に出力するとともに、出力用高周波制御部２４の周波数設定部２５にも周波数情報Ｆを出力する。この周波数設定部２５は、周波数情報Ｆに基づいて基本周波数を設定する。そして、出力用高周波制御部２４は、設定された基本周波数に基づいて高周波源２３から高周波空洞２に高周波Ｋを入力する。

第２実施形態の出力制御部１５Ａの選抜部２０は、選抜信号Ｓを信号出力部１８に入力する。また、信号出力部１８は、選抜部２０から出力される選抜信号Ｓに応じた特定のタイミングでトリガ信号Ｇを出力する。つまり、この選抜部２０は、トリガ信号Ｇの出力タイミングを一定ではない間隔で選抜する。そして、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期である同調タイミングのうちの特定のタイミングで、レーザ光Ｌがレーザ出力部１０から出力される。

図５に示すように、高周波源３から高周波空洞２に入力される高周波Ｋの基本周波数の周期をＴ１〜Ｔ２０とする。ここで、出力制御部１５Ａの同調部１７は、基本周波数の周期Ｔ１〜Ｔ２０に一致したタイミングで同調信号Ｕを信号出力部１８および選抜部２０に出力する。また、乱数出力部１９から出力される乱数Ｒは、同調信号Ｕ（基本周波数の周期Ｔ１〜Ｔ２０）に対応して出力される。そして、この乱数Ｒが選抜部２０に入力される。

さらに、選抜部２０は、同調信号Ｕおよび乱数Ｒに応じて選抜信号Ｓを信号出力部１８に出力する。例えば、選抜部２０は、同調信号Ｕが入力されたときに、この同調信号Ｕに対応する乱数Ｒが「０」の場合は、トリガ信号Ｇを出力しない旨の選抜信号Ｓを信号出力部１８に出力する。一方、同調信号Ｕに対応する乱数Ｒが「１」の場合は、トリガ信号Ｇを出力する旨の選抜信号Ｓを信号出力部１８に出力する。なお、信号出力部１８は、同調部１７から入力される同調信号Ｕと選抜部２０から入力される選抜信号Ｓとに応じて、トリガ信号Ｇを出力の有無を制御する。

なお、レーザ出力部１０は、信号出力部１８から出力されるトリガ信号Ｇに応じてレーザ光Ｌを出力する。そして、レーザ出力部１０から出力されたレーザ光Ｌは、ターゲット１１に照射されて荷電粒子ビームＢが発生し、この荷電粒子ビームＢが高周波空洞２に入射される。

すなわち、レーザ光Ｌの出力タイミングであって、荷電粒子ビームＢの出力タイミングが乱数出力部１９の乱数Ｒによって制御される。なお、乱数Ｒに応じてレーザ光Ｌの出力タイミングが決定されるので、高周波空洞２に入射される荷電粒子ビームＢのパルス列を一定ではない間隔で選抜することができる。このようにすれば、一定ではない間隔で荷電粒子ビームＢが出力されるので、高周波空洞２の内部の高次モードの発生を防ぐことができる。

このように第２実施形態では、乱数出力部１９から出力される乱数Ｒに基づいて、信号出力部１８のトリガ信号Ｇの出力の有無が制御されため、光変調部１４などの部品を用いなくても済むようになるので、簡易的な構成で荷電粒子ビームＢが出力されるタイミングを選抜することができる。

なお、第２実施形態のビーム発生装置４Ａは、ターゲット１１をフォトカソード部とした電子銃であっても良いし、ターゲット１１をイオンターゲット部としたイオン源であっても良い。

次に、第２実施形態の加速器１Ａの運転方法について図６を用いて説明する。まず、高周波制御部８の周波数設定部９は、出力制御部１５Ａの割合設定部１６から入力された選抜割合Ｗに基づいて、基本周波数を設定する（Ｓ２１）。次に、高周波制御部８は、高周波源３を制御し、基本周波数の高周波Ｋ（電磁波Ｋ）を高周波空洞２に入力する（Ｓ２２：高周波入力ステップ）。

次に、出力制御部１５Ａの同調部１７および乱数出力部１９は、周波数設定部９が設定した基本周波数に基づいて高周波空洞２にレーザ光Ｌを入射させるための同調タイミング（基本周波数の周期）を取得する（Ｓ２３）。次に、選抜部２０は、同調タイミングに対応した乱数Ｒを乱数出力部１９から取得する（Ｓ２４）。そして、選抜部２０は、同調信号Ｕおよび乱数Ｒに応じて選抜信号Ｓを信号出力部１８に出力する。

次に、信号出力部１８は、選抜部２０から入力された選抜信号Ｓに基づいて、基本周波数の周期に対応する同調タイミングのうちの特定のタイミングのトリガ信号Ｇのパルスを選抜する（Ｓ２５：出力制御ステップ）。次に、信号出力部１８は、特定のタイミングでトリガ信号Ｇをレーザ出力部１０に出力する（Ｓ２６）。次に、トリガ信号Ｇを入力されたレーザ出力部１０は、特定のタイミングでレーザ光Ｌを出力する（Ｓ２７：レーザ出力ステップ）。

次に、特定のタイミングでレーザ光Ｌがターゲット１１に照射されることで荷電粒子が発生する（Ｓ２８：粒子発生ステップ）。次に、出力用高周波空洞２１は、荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームＢを引き出し、ビーム発生装置４Ａから荷電粒子ビームＢが出力される（Ｓ２９：ビーム引出ステップ）。次に、荷電粒子ビームＢが高周波空洞２を通過する（Ｓ３０：通過ステップ）。

本実施形態に係る加速器を第１実施形態から第２実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。例えば、第１実施形態の引き出し電極１２を第２実施形態のビーム発生装置４Ａに適用しても良いし、第２実施形態の出力用高周波空洞２１を第１実施形態のビーム発生装置４に適用しても良い。

なお、本実施形態では、本発明が適用される加速器として線形加速器を例示しているが、本発明をサイクロトロンやシンクロトロンなどの円形加速器に適用しても良い。なお、荷電粒子は、磁場中を通るとローレンツ力を受けて軌道が曲げられる。これを利用して荷電粒子に円形の起動を描かせながら加速する加速器が円形加速器である。

本実施形態の加速器１（１Ａ）を半導体の製造装置（半導体製造用イオン注入装置）に用いることができる。例えば、本実施形態の加速器を用いた半導体の製造方法は、前述のＳ２０またはＳ３０の通過ステップの後に、荷電粒子ビームＢを所定の基板（半導体）に照射する照射ステップを含む。高周波空洞２を通過した荷電粒子ビームＢ（イオン）が基板に照射されることで、このイオンが基板に注入される。例えば、ホウ素、リンまたはヒ素などの元素をイオン化し、このイオンを加速器で加速して、シリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイドまたはガラス板表面のポリシリコン薄膜などの基板に注入する。このようにすれば、半導体の電気的特性を変化させることができる。さらに、加速器を用いてイオンを照射することで、基板の深い位置までイオンを注入することができる。

本実施形態の加速器１（１Ａ）を半導体の製造装置（半導体製造用リソグラフィ）に用いることができる。例えば、本実施形態の加速器を用いた半導体の製造方法は、前述のＳ２０またはＳ３０の通過ステップの後に、荷電粒子ビームＢ（電子）を所定のアンジュレータ（Ｎ極Ｓ極が交互に並んだ磁石列）に入射させることで、放射光発生または自由電子レーザ発振を行う光発生ステップと、発生した光によって半導体回路のリソグラフィを行うリソグラフィステップとを含む。本実施形態によって、より大電流のビームを加速することができるようになることから、高周波空洞２を通過した大電流の荷電粒子ビームＢ（電子）から高出力の光を発生させることができる。それによりリソグラフィを行うことで、スループットの高い回路製造が可能になる。また、アンジュレータによる光発生は、波長を自由に選ぶことが可能である。そのため、より短波長の光、例えば、１３.５ｎｍの極端紫外光を用いて行うＥＵＶ（Extreme ultraviolet lithography）リソグラフィを行うことなどができ、より微細な回路線幅を持つ半導体回路の製造が可能になる。

以上説明した実施形態によれば、基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定のタイミングで荷電粒子ビームを高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御部を持つことにより、高周波空洞の発熱を抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１（１Ａ）…加速器、２…高周波空洞、３…高周波源、４（４Ａ）…ビーム発生装置、５…主制御部、６…空洞室、７…ＲＦ入力部、８…高周波制御部、９…周波数設定部、１０…レーザ出力部、１１…ターゲット部、１２…引き出し電極、１３…直流電源、１４…光変調部、１５（１５Ａ）…出力制御部、１６…割合設定部、１７…同調部、１８…信号出力部、１９…乱数出力部、２０…選抜部、２１…出力用高周波空洞、２２…ＲＦ入力部、２３…高周波源、２４…出力用高周波制御部、２５…周波数設定部。

Claims (14)

1. 荷電粒子ビームが通過可能な高周波空洞と、
   基本周波数の電磁波を前記高周波空洞に入力する高周波源と、
   レーザ光を出力するレーザ出力部と、
   前記レーザ光が照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット部と、
   前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出部と、
   前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御部と、
   を備えることを特徴とする加速器。
2. 前記出力制御部は、前記基本周波数の周期に同調する一定間隔の前記タイミングを一定ではない間隔で選抜する請求項１に記載の加速器。
3. 前記出力制御部は、１の前記荷電粒子ビームが出力される前記タイミングと次の前記荷電粒子ビームが出力される前記タイミングの間隔を変更する請求項１に記載の加速器。
4. 前記基本周波数の周期に対応する乱数を出力する乱数出力部を備え、
   前記出力制御部は、前記乱数出力部から出力される前記乱数に基づいて前記タイミングを選抜する請求項１に記載の加速器。
5. 所定期間内に前記タイミングが選抜される割合に応じて前記基本周波数を高める周波数設定部を備える請求項１に記載の加速器。
6. 前記レーザ出力部が前記レーザ光を出力する契機となるトリガ信号を出力する信号出力部と、
   前記トリガ信号の出力タイミングを前記基本周波数の一定間隔の周期に同調させる同調部と、
   前記レーザ出力部から出力される前記レーザ光を一定ではない間隔で選抜する選抜部と、
   を備える請求項１に記載の加速器。
7. 前記レーザ出力部と前記ターゲット部との間に設けられて前記レーザ光を遮断可能な光変調部を備える請求項６に記載の加速器。
8. 前記レーザ出力部が前記レーザ光を出力する契機となるトリガ信号を出力する信号出力部と、
   前記トリガ信号の出力タイミングを前記基本周波数の一定間隔の周期に同調させる同調部と、
   前記トリガ信号の出力タイミングを一定ではない間隔で選抜する選抜部と、
   を備える請求項１に記載の加速器。
9. 前記ビーム引出部は、前記荷電粒子を一方向に加速する電場を形成する電極である請求項１に記載の加速器。
10. 前記ビーム引出部は、前記荷電粒子を一方向に加速する電場を形成する出力用高周波空洞である請求項１に記載の加速器。
11. 前記ターゲット部がカソード部であり、このカソード部に前記レーザ光が照射されることで生じる光電効果によって、前記荷電粒子としての電子が発生する請求項１に記載の加速器。
12. 前記ターゲット部がイオンターゲット部であり、このイオンターゲット部に前記レーザ光が照射されることで生じるアブレーションプラズマによって、前記荷電粒子としてのイオンが発生する請求項１に記載の加速器。
13. 基本周波数の電磁波を高周波源から高周波空洞に入力する高周波入力ステップと、
    レーザ出力部からレーザ光を出力するレーザ出力ステップと、
    前記レーザ光がターゲット部に照射されることで荷電粒子を発生させる粒子発生ステップと、
    前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出ステップと、
    前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御ステップと、
    前記荷電粒子ビームが前記高周波空洞を通過する通過ステップと、
    を含むことを特徴とする加速器の運転方法。
14. 基本周波数の電磁波を高周波源から高周波空洞に入力する高周波入力ステップと、
    レーザ出力部からレーザ光を出力するレーザ出力ステップと、
    前記レーザ光がターゲット部に照射されることで荷電粒子を発生させる粒子発生ステップと、
    前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出ステップと、
    前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御ステップと、
    前記荷電粒子ビームが前記高周波空洞を通過する通過ステップと、
    前記高周波空洞を通過した前記荷電粒子ビームをアンジュレータに入射させて光を発生させる光発生ステップと、
    発生した前記光を用いて電子回路のリソグラフィを行うリソグラフィステップと、
    を含むことを特徴とする加速器を用いた半導体の製造方法。

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