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    公开号:WO1985002489A1
    申请号:PCT/JP1984/000557
    申请日:1984-11-22
    公开日:1985-06-06
    发明作者:Noriyuki Sakudo；Katsumi Tokiguchi；Hidemi Koike；Osami Okada；Norio Saitou；Susumu Ozasa
    申请人:Hitachi, Ltd.；
    IPC主号:H05H7-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 発明の名称 四重極粒子加速器
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] 本発明は、 四重極粒子加速器に関し、 特に種々のイオンを効率 良く任意のエネルギーに加速する四重搔粒子加速器に関する。
    [0005] 背 景 技 術
    [0006] 重槿粒子加速器と しては、 例えば R F Q (Radio Frequency rupole) イオン加速器がある。
    [0007] 、£来の R F Qイオン加速器の'構造を第 1 図に示す。 四重極電極 2 , 4 , 6 , &の向き合った面が凸凹に波打っており、 その様子 を垂直断面と水平断面で示したのが第 2図である。 第 2図 （ a ) は垂直断面を示し、 第 2図 （ b ) は水平断面を示す。 これらの電 槿には髙周波が印加され、 電極 2 と β が （J) のとき鼋搔 4 と 8 は
    [0008] © であ り、 電極 2 と 6 が Θのと き電槿 4 と 8は © になる。 又、 第 2図からわかるよ うに、 電極 2， 6 と電極.4 , 8 は凸凹の 位相が 1 8 0。 ずれてぉリ、 このため、 例えば鼋極 2， 6 が （+) で電極 4， 8 が 0のとき、 第 2図に示すよ う に、 中心軸上に、 軸方向の電界が生ずる。 矢印 1 2， 1 4， 1 6は電界の方向を示 す。 電極にかかる電圧の槿性が逆になつたときには、 第 2図の電 界の方向も逆になる。 今、 第 2 図の左から この四重槿電界の中に 入ってきたイオンが、 丁度、 常に右方八の加速電界を受けるよ う なスピー ド、 および位相で入って く る と、 そのままエネルギーが 単調に増加する。 また、 初め滅速を受けるよ う な位相のと きに入 つたイオンは、 次の加速電界のと き、 後から来た粒子の中にバン
    [0009] ΟΜΡΙ チングされ、 あとは単調に加速される。 このよ う に、 R F Qでは、 どのよう な高周波位相で入ってく るイオンも最終的には有効に加 速でき、 また、 垂直および、 水平方向の高周波電界による強収束 作用が利用できる。 そのため、 非常に高い透過率が得られる。
    [0010] 従来の装置では、 加速管 1 0 は電極 2 ， 4 , 6 ， 8 と共に高周 波の空脯共振器を形成していた。 第 3図に従来の R F Qの断面を 示す。 1 8は高周波電力をこの空胴共振器へ供耠するための高周 波ケーブルである。 中心導体の先端 2 0はループアンテナ状の結 合器になっている。 この共振器の共振周波数はその幾何学的な寸 法で決まってしまうため、 周波数を変えることはできない。 例え -ば、 1 0 0 M H z の H+ 加速器の例では長さ約 1 · 5 m， 直径 0.5 m 位である。 も しこれを使って別のイオン種を加速する場 合には、 イオンのエネルギーは e V =— m v2 (ここで、 e は鼋
    [0011] 2
    [0012] 子の電荷、 Vはイオン加速電圧、 mはイオン質量， Vはイオンの スピード） であるから、 入射スピードを の場合と同じにする にぱ入射エネルギーを質量 mに比例して増大してやる必要があ り、 また出射エネルギーも質量 mに比例して増大する。 つま り、 H + を l M e Vまで加速する R F Qでは A s + は 7 5 M e Vになって しまう。 このような特性はイオン打込機のよう に色々なエネルギーで色 色なイオンを打込むという 目的には向かない。 また、 観点を変えて、 A s + 専用の I M e V加速器を R F Qで 作るためには、 周波数はそのままで、 長さ を 1ノ 7 5 にするか、
    [0013] O PI または長さはそのままで高周波の周波数を 1 7 5 にする しかな い。 前者の場合は、 電極表面の凹凸の周期長が 1 / 7 5 になるた め、 電極加工上の問題がある。 また、 後者の場合は空胴共振器の 共振条件を合わせるために、 加速管の直径を約 7 5倍にする必要 があ り、 いずれも非現実的である。
    [0014] また、 第 1 図の従来方式の構造では長時間運転中にイオンスパ ッタなどで加速管内壁が汚れてきた場合、 空胴共振器の Q値が下 がり、 所定の高周波電圧が発生できなく なる こ とがある。
    [0015] 発 明 の 開 示
    [0016] 本発明の目的は上記問題点を解決すること によ り、 種々のィォ ンを数百 K e Vから数 M e Vまでの任意のエネルギーに加速でき るイオン加速器を提供するものであ り、 これによ り高電圧、 大電 流のイオン打込器が実現できる。
    [0017] 上述のごと く、 従来の方式では周波数が変えられないこ と、 周 波数を下げた場合には加速管が大き く な リすぎるこ と、 および空 胴共振器の Q値を保ちに く い こ とが欠点であったから、 本発明は、 これら を解決するには四重極粒子加速器に外部共振回路を設けた ものである。
    [0018] 図面の簡単な説明
    [0019] 第 1 図は従来の R F Q加速器の搆造を示す図、 第 2図は R F Q 加速器の動作を説明する図、 第 3 図は従来の R F Q加速器の電気 回路的構造おょぴ髙周波の供給方法を示す図、 第 4図は本発明の 実施例を示す図、 第 5図は本発明の電気的等価回路を示す図、 第 6 図は別の実施例を示す図、 第 7図および第 8 図は本発明の加速
    [0020] OMrl 器を用いたイオン打込み装置の構成を示す図、 第 9 図ない し第
    [0021] 1 2図は四重極イオン加速器を用いたイオン打込み装置の構成を 示す図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0022] 本発明の一実施例を第 4図を用いて説明する。
    [0023] 四重極電極 2 2， 2 4 , 2 6， 2 8 は絶縁物 3 0 を介して加速 管 3 2から絶縁されている。 また加速管 3 2の外部にイ ンダクタ
    [0024] ンス Lのコイル 3 4 と容量 の可変コンデンサ 3 6 とから成る 共振回路が設置されている。 この場合の等価回路を第 5図に示す。
    [0025] この等価回路において、 コンデンサ 3 8は四重搔電槿 2 2， 2 6
    [0026] 2 4， 2 間の浮遊容量 C 2 である。 したがって、 この共振回路 の共振周波数は であ リ、 発振器 4 0の出
    [0027] 2 π L ( C X + C 2 ) 力周波数に同調されている。 また発振器 4 0 の出力は增巾器 4 2
    [0028] で增巾されたあと、 カップリ ングコイル 4 4 を通してこの共振回 路に供給される。 これによ り、 イオン種が変わっても、 それに応 じて周波数を変えてやれば、 出力エネルギーを任意に決めること ができる。
    [0029] 更にこの方式の改良と して、 発振器 4 0の周波数設定と、 コィ
    [0030] ル 3 4 と可変コ ンデンサ 3 6および電極間容量 C 2 を有するコ ン
    [0031] デンサ 3 8 から成る共振回路の周波数設定を連動して行われる機 構にする こ とができる。 また、 外部共搌回路から増巾器 4 2 に正帰還をかけることによ リ、 発振回路を構成することができるので、 この場合は発振器
    [0032] OMPI
    [0033] WIPO . 4 0 を省略することができる。
    [0034] また外部回路を複数個設けること によ り、 複数個の周波数の正 弦波を鼋搔に重畳できるので、 その結果と して、 例えば矩形波に 近い波形にする こ ともでき、 加速効率を上げること ができる。
    [0035] 本発明の別の実施例を第 6 図に示す。 第 5 図に示す実施例と同 一部品には同一符号を付す。 直流絶縁用のコ ンデンサ 4 6， 4 8 は， 直流電源 5 0 によリ、 電極 2 2， 2 6 と電極 2 4 , 2 8 の間 に直流電圧を与えるためのものである。 コンデンサ 4 6， 4 8 の 容量は高周波電圧を電極 2 2， 2 4， 2 6 , 2 8 に与えるになん ら支障ないよ う十分大きい値を選んでいる。 これらによ り電極
    [0036] 2 2 , 2' 6 と 2 4， 2 8 の間には直流電圧と高周波電圧を重畳し て印加する ことが.できる。 従って、 軸方向の高周波竃界の他に、 軸と直角方向には四重極マスフィルターと同じ電界が生 じるため . イオンの加速と質量分析を同時に行なう こ とができる。
    [0037] なお、 第 4 図および第 6図の外部共振回路の周波数同調用と し ては可変コンデンサのかわ り に可変イ ンダク タ ンスを使っても同 様の効果が得られることは、 電気回路理論から明らかである。
    [0038] 次に、 本発明による四重極粒子加速器を使用 したイオン打込み 装置の第 1 の例を第 7図に示す。 第 7図において、 駆動電源 5 2 によって駆動されたイオン源 5 4 から放出されたイオンビーム
    [0039] 5 6 は、 駆動電源 5 8 によって駆動される質量分離器 6 0 に導か れ、 この中で所望のイオンが分離される。 分離されたイオンの ビ ームは、 本発明による高周波四重極イオン加速器 6 2 によってさ らに加速される。 こ のイオン加速器 6 2 は、 高周波電源電圧 6 4
    [0040] Ο ΡΙ,-
    [0041] /Λ、一 WIP。 ノ によって駆動される。 加速されたイオンビームは、 イオン打込み 室 6 6 内の試料基板 6 8 に打込まれる。
    [0042] さ らに具体的に説明すると、 イオン加速器 （R F Q) 6 2 に数 1 0〜数 1 0 0 MH z の周波数を持つ高周波電圧を印加すると、 中心軌道部分で軸方向の加速電界が生じ、 イオンは効率良く数 M e Vまで加速される。 - この場合、 R F Q 6 2 は直流的にはァー ス鼋位で動作するため、 その前段にあるイオン源 5 4、 質量分雜 器 6 0 は高電圧に持上げる必要がな く電源の負担が極めて軽く済 む。 さ らに R F Q 6 2では、 印加される最大電圧は数 1 0 k e V で済 から、 放鼋発生等による実用上の加速限界の制限がない。 本実施例によれば、 数 M e Vのイオンビームを効率良く実現でき . 従来必要とされていた大容量高圧雩源は不要となる効果がある。 実際の実験では、 イオン源 5 4 には特公昭 57— 4056号， 特公昭 57 - 11094 号， 特公昭 57— 41059 号に記載され.たマイ ク ロ波ィォ ン源を使い、 4 0 k e V前後に質量分離された B + ， 0* ， Ν+ , P + ， A s + 等のイオンビームを R F Q共振器 6 2 に入射させ、 数 M e Vの m A級ビームをシ リ コ ン基扳に打込んだ。
    [0043] 次に本発明のイオン加速器を使用 したイオン打込み装置の第 2 の例を第 8図に基づいて説明する。 第 7図に示す実施例ではィォ ン源 5 4 から出たビームのう ち試料基板 6 8 に到達するビーム鼋 流の割合は小さ く な 'る傾向があった。
    [0044] 一般にイオンビームを質量分離する場合、 分餺能がビーム幅に よ り変おるから、 高分解能を得るために、 イオン源出口ビーム断 面を縦長にするのが普通である。 従って質量分離後のイオンビー
    [0045] GIviPl ム断面も一般には縦長の断面形状を有する。 一方、 R F Q共搌器 の入口断面のビーム通過可能部分は直径数 cmの円形部分である。
    [0046] このため、 イオンビーム利用効率は高く できなかった。 したがつ て、 ビーム電流の損失を减らすために、 ビーム新面変化を行う必 要があるこ と が実験的に明らかにされた。 第 8 図は本発明に基づ く 別の実施例を説明する図である。 第 8 図ではビーム新面変換に 二段の磁気四重極レンズ （直流動作） 7 0 , 7 2 を使い、 長方形 断面ビームを R F Q 6 2 に導入可能な円形状ビームに変換でき、 打込み電流は倍以上増大した。
    [0047] 以上、 述べた第 7 図および第 8 図に示す実施例によれば、 後段 加速方式の高工ネルギビーム取得に対し、 数 1 0 0 k e V〜数
    [0048] M e Vの m A級ビームを， 軽い電源負担で実験でき、 高工ネルギ イオン打込みを簡易-に実現でき、 実用に供してその効果が著し く 大である。
    [0049] 第 9 図に基づいて第 3 の例を説明する。
    [0050] 第 9 図では R F Q 7 4 から出たビームを、 これも一種の空洞共 振器であるシングルギャップ共振器 7 6 に入れ、. その印加高周波 電圧に応じて発生する減速電界を使い、 打込みエネルギーを可変 と したものである。 これによ り、 同一の R F Q 7 4 を使い、 一種 類のイオン種については、 任意のエネルギーでイオン打込みが可 能となった。 - なお、 減速のため、 シングルギャップの代り に、 第 1 0 図に示 すよ う に従来から使われている、 円筒リ ング電極や平板リ ング鼋 極 7 8 を複数個並べ、 R F Q 7 4側の初段の電極を接地電位と し、
    [0051] £ ACT 、 ノ 試料側にいく につれ正の電圧を電極に印加した減速電極系でも同 様な効果が得られた。
    [0052] 次に本発明を用いた第 4の例を第 1 1 図に示す。 一般にイオン 打込みではシリ コンゥエーハを初めと して各種基板の全面に所定 の量だけ一様にィォン打込みすることが要求される。 第 1 1 図で は、 このため， 試料基板 8 0 を回転する円扳 8 2表面に多数枚取 衬け、 イオンビーム 5 6 に対し半径方向にも円板 8 2 自身を機械 的に移動させ、 基板 8 0への均一打込みを行っている。 この場合 R F Q 7 4 を使っているこ と に起因する特有な問題がある。 即ち R F Qではイオン源 5 4 から出たビーム 5 6 が直流的であっても R F Q 7 4の通過に伴い、 塊り となったパルズ状のビームとな り そのパルス周期は R F Q 7 4 に印加する高周波電圧の周.期に同期 する。 従って、 円板 8 2の回転周波数 と R F Q 7 4印加高周 波の周波数 /2 の比が有理数である と、 その値に応じて、 照射さ れる場所は回転円板 8 2上でとびとびの場所となる。 したがって 本実施例では、 回転周波数 / i については、 とびとびの点群のう ち、 最近接した 2点間の距離がビーム直径よ り小さ く なるよう に し、 円周方向に沿って均一なイオン打込みが行えるよう にした。 第 1 1 図の一実施例で、 8 4は無理数の有限個の珩の数を発生さ せる数値発生器であ り、 エンコーダ 8 6 からの出力と共に、 差動 増幅器 8 8 に入力させる。 差動増幅器 8 8は雨者の値の差に応じ て電気 ffi力を出し、 円板回転モータ 9 0 の回転数を制御し、 雨者 の差がゼロになるよう に工夫されている。
    [0053] 本発明を使用 した第 5 の例を第 1 2図に示す。 第 1 2図では R F Q 7 4 と打込み基板 6 3 の間にビーム を： X Y方向に走査させ る ビーム走査電極系 9 2 を設け、 基板 6 8での均一打込みを行つ た。 この場合、 第 1 2図で示したよ う に X， Υ方向の走査周波数 は R F Q周波数よ り小さ く した。 この場合、 基板 S 8上で ^びと びの照射点群の二点間の距離は X， Υ鼋搔電圧及びその周波数に 依存する。 本実施例では、 最近接する二点間の照射位置がビーム 直径よ り小さ く なるよ う に した。 図では電場を使った実施例を示 したが、 磁場コイルを使った 走査系でも、 同様な均一打込み が実現できた。
    [0054] 以上述べた様に、 第 9 図ない し第 1 2図に示す例ではイオン源 から出たイオンビームを R F Qを通すこ と によ り， 質量分雜とィ オンの加速を同時におこなう こ と ができ、 簡易な高電圧イオン打 込み装置が提供可能である。
    [0055] 本発明によれば、 R F Q加速器の高効率を維持したままで、 ィ オン種、 エネルギーを任意に設定できるため、 高エネルギー大鼋 流イオン打込み機と しての応用が可能となる。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1 . 四重篋鼋槿の向き合った面を波打たせた構遣の粒子加速器に おいて、 高周波共振回路を加速管の外に設置するこ と を特镦と する四重極粒子加速器。
    2 . 請求の範囲第 1項に於いて、 共振回路を複数個設け、 これに よ り複数個の異なった周波数の高周波電界を重畳して電極に印 加するこ と を特黴とする四重搔粒子加速器。
    3 . 請求の範囲第 1項または第 2項に於いて、 共振周波数可変と したこ と を特徴とする四重極粒子加速器。
    4 . 請求の範囲第 1項において、 四重槿鼋極に直流と交流を重畳 して印加できるよう にしたこと を特镦とする四重搔粒子加速器
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1985-06-06| AK| Designated states|Designated state(s): US |
    1985-06-06| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): DE FR GB |
    1985-07-16| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1984904176 Country of ref document: EP |
    1985-12-11| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1984904176 Country of ref document: EP |
    1989-03-29| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1984904176 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP58/222032||1983-11-28||
    JP22203283A|JPH0558240B2|1983-11-28|1983-11-28||
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    JP58/226860||1983-12-02||
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