JP7557397B2 - イオン注入装置および静電四重極レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入装置および静電四重極レンズ装置に関する。

半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウェハにイオンを注入する工程（イオン注入工程ともいう）が標準的に実施されている。イオン注入工程で使用される装置は、イオン注入装置と呼ばれる。ウェハの表面近傍に注入されるイオンの所望の注入深さに応じて、イオンの注入エネルギーが決定される。比較的深い領域への注入には高エネルギー（例えば、１ＭｅＶ以上）のイオンビームが使用される。

高エネルギーのイオンビームを出力可能なイオン注入装置では、多段式の高周波線形加速装置（ＬＩＮＡＣ）を用いてイオンビームが加速される。高周波線形加速装置は、例えば、イオンビームを加速させるための複数段の高周波加速部と、イオンビームを収束させるための複数段の静電四重極レンズ電極とを含む。

米国特許第５５０４３４１号明細書

最近では、さらに深い領域への注入のために、超高エネルギー（例えば、４ＭｅＶ以上）のイオンビームが求められている。超高エネルギーのイオンビームを生成するためには、高周波加速部に印加する加速電圧をより大きくし、レンズ電極に印加する収束／発散電圧もより大きくする必要がある。レンズ電極に印加される電圧が大きくなると、電極間で放電が発生しやすくなる。特に、レンズ電極などの電極体にイオンビームが衝突することによって電極体がスパッタされ、スパッタされた物質が電極体や電極体を支持する絶縁部材に付着して汚れると、放電がより発生しやすくなる。また、超高エネルギーのイオンビームを生成するために多価イオンを使用することがあるが、ビームラインの真空度が低下すると、多価イオンは、ビームラインに残留するガスと相互作用して価数を下げやすい傾向にある。

本発明のある態様の例示的な目的は、静電四重極レンズ装置に含まれる電極体や電極体を支持する絶縁部材への汚れの付着を抑制し、ビームラインの真空度を向上させる技術を提供することにある。

本発明のある態様のイオン注入装置は、イオンビームを加速するための高エネルギー多段線形加速ユニットを備えるイオン注入装置であって、高エネルギー多段線形加速ユニットは、イオンビームが進行するビームラインに沿って設けられる複数段の高周波加速部と、ビームラインに沿って設けられる複数段の静電四重極レンズ装置と、を備える。各段の静電四重極レンズ装置は、ビームラインを挟んで、ビームラインが延びる軸方向と直交する径方向に対向し、軸方向および径方向の双方と直交する周方向に間隔をあけて配置される複数のレンズ電極と、複数のレンズ電極のビームライン上流側を被覆し、軸方向に開口するビーム入射口を有する上流側カバー電極と、複数のレンズ電極のビームライン下流側を被覆し、軸方向に開口するビーム出射口を有する下流側カバー電極と、を含む。複数段のうち少なくとも一段の静電四重極レンズ装置に含まれる上流側カバー電極および下流側カバー電極の少なくとも一方は、径方向に開口する少なくとも一つのガス排出口を有する。

本発明の別の態様は、静電四重極レンズ装置である。この装置は、ビームラインを挟んで、ビームラインが延びる軸方向と直交する径方向に対向し、軸方向および径方向の双方と直交する周方向に間隔をあけて配置される複数のレンズ電極と、複数のレンズ電極のビームライン上流側を被覆し、軸方向に開口するビーム入射口を有する上流側カバー電極と、複数のレンズ電極のビームライン下流側を被覆し、軸方向に開口するビーム出射口を有する下流側カバー電極と、を備える。上流側カバー電極および下流側カバー電極の少なくとも一方は、径方向に開口する少なくとも一つのガス排出口を有する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、静電四重極レンズ装置に含まれる電極体や電極体を支持する絶縁部材への汚れの付着を抑制し、ビームラインの真空度を向上できる。

実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。 図２（ａ）～（ｃ）は、線形加速装置の概略構成を示す断面図である。 図３（ａ），（ｂ）は、静電四重極レンズ装置の概略構成を示す正面図である。 高周波加速部の概略構成を示す断面図である。 実施の形態に係る線形加速装置の構成を詳細に示す断面図である。 実施の形態に係る真空槽の配置を示す断面図である。 上流側から見たレンズユニットの一例を示す外観斜視図である。 下流側から見た図７のレンズユニットを示す外観斜視図である。 図７のレンズユニットの内部構成を詳細に示すビームラインに沿った断面図である。 図７のレンズユニットの内部構成を詳細に示すビームラインに直交する断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

実施の形態を詳述する前に概要を説明する。本実施の形態は、高エネルギー用のイオン注入装置に関する。イオン注入装置は、イオン源で生成したイオンビームを高周波線形加速装置により加速させ、加速して得られた高エネルギーのイオンビームをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハ）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。

本実施の形態における「高エネルギー」とは、１ＭｅＶ以上、４ＭｅＶ以上または１０ＭｅＶ以上のビームエネルギーを有するイオンビームのことをいう。高エネルギーのイオン注入によれば、比較的高いエネルギーで所望の不純物イオンがウェハ表面に打ち込まれるので、ウェハ表面のより深い領域（例えば深さ５μｍ以上）に所望の不純物を注入することができる。高エネルギーイオン注入の用途は、例えば、最新のイメージセンサ等の半導体デバイス製造におけるＰ型領域および／またはＮ型領域を形成することである。

高周波線形加速装置は、イオンビームを加速させるための複数段の高周波加速部と、イオンビームを収束させるための複数段の静電四重極レンズ装置とを備える。静電四重極レンズ装置は、ビームラインを挟んで対向する複数のレンズ電極と、複数のレンズ電極のビームライン上流側を被覆する上流側カバー電極と、複数のレンズ電極のビームライン下流側を被覆する下流側カバー電極とを含む。上流側カバー電極および下流側カバー電極のそれぞれは、イオンビームが通過するビーム通過口を有し、グランド電極として機能する。

より高エネルギーのイオンビームを生成するためには、高周波加速部に印加する加速電圧をより大きくし、レンズ電極に印加する収束／発散電圧をより大きくする必要がある。レンズ電極に印加される電圧が大きくなると、レンズ電極とカバー電極の間で放電が発生しやすくなる。レンズ電極やカバー電極の電極体は、ビームラインに近接して配置されるため、イオンビームの衝突によってスパッタされる。スパッタされた物質が電極体や電極体を支持する絶縁部材に付着して電極体や電極体を支持する絶縁部材が汚れると、電極体間での放電がより発生しやすくなる。また、各静電四重極レンズ装置の上流側カバー電極と下流側カバー電極の間の空間は、スパッタされた物質が滞留しやすく、電極体や電極体を支持する絶縁部材が汚れやすい環境となる。

本実施の形態では、静電四重極レンズ装置のカバー電極にガス排出口を設けることにより、スパッタされた物質がガス排出口を通じてカバー電極の外側に排出されやすくする。また、ガス排出口を設けることにより、各静電四重極レンズ装置の上流側カバー電極と下流側カバー電極の間の空間の真空度、つまり、高周波線形加速装置のビームラインの真空度が高まるようにする。より高エネルギーのイオンビームを生成するために多価イオンを使用することがあるが、多価イオンは、ビームラインに残留するガスと相互作用すると価数が下がるという特性を持つ。特にイオンの価数が大きいほど、残留ガスと相互作用しやすい傾向にある。本実施の形態によれば、カバー電極にガス排出口を設けることにより、ビームライン中の残留ガスを減らすことができ、多価イオンの減少によるビーム電流の低下を抑制できる。

図１は、実施の形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す上面図である。イオン注入装置１００は、ビーム生成ユニット１２と、ビーム加速ユニット１４と、ビーム偏向ユニット１６と、ビーム輸送ユニット１８と、基板搬送処理ユニット２０とを備える。

ビーム生成ユニット１２は、イオン源１０と、質量分析装置１１とを有する。ビーム生成ユニット１２では、イオン源１０からイオンビームが引き出され、引き出されたイオンビームが質量分析装置１１により質量分析される。質量分析装置１１は、質量分析磁石１１ａと、質量分析スリット１１ｂとを有する。質量分析スリット１１ｂは、質量分析磁石１１ａの下流側に配置される。質量分析装置１１による質量分析の結果、注入に必要なイオン種だけが選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次のビーム加速ユニット１４に導かれる。

ビーム加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、ビーム測定部２３とを有し、ビームラインＢＬのうち直線状に延びる部分を構成する。複数の線形加速装置２２ａ～２２ｃのそれぞれは、一段以上の高周波加速部を備え、高周波（ＲＦ）電場をイオンビームに作用させて加速させる。ビーム測定部２３は、ビーム加速ユニット１４の最下流に設けられ、複数の線形加速装置２２ａ～２２ｃにより加速された高エネルギーイオンビームの少なくとも一つのビーム特性を測定する。ビーム測定部２３は、イオンビームのビーム特性として、ビームエネルギー、ビーム電流量、ビームプロファイルなどを測定する。本明細書において、ビーム加速ユニット１４を「高エネルギー多段線形加速ユニット」ともいう。

本実施の形態では、三つの線形加速装置２２ａ～２２ｃが設けられる。第１線形加速装置２２ａは、ビーム加速ユニット１４の上段に設けられ、複数段（例えば５段～１５段）の高周波加速部を備える。第１線形加速装置２２ａは、ビーム生成ユニット１２から出力される連続ビーム（ＤＣビーム）を特定の加速位相に合わせる「バンチング（bunching）」を行い、例えば、１ＭｅＶ程度のエネルギーまでイオンビームを加速させる。第２線形加速装置２２ｂは、ビーム加速ユニット１４の中段に設けられ、複数段（例えば５段～１５段）の高周波加速部を備える。第２線形加速装置２２ｂは、第１線形加速装置２２ａから出力されるイオンビームを例えば２～３ＭｅＶ程度のエネルギーまで加速させる。第３線形加速装置２２ｃは、ビーム加速ユニット１４の下段に設けられ、複数段（例えば５段～１５段）の高周波加速部を備える。第３線形加速装置２２ｃは、第２線形加速装置２２ｂから出力されるイオンビームを例えば４ＭｅＶ以上の高エネルギーまで加速させる。

ビーム加速ユニット１４から出力される高エネルギーイオンビームは、ある範囲のエネルギー分布を持っている。このため、ビーム加速ユニット１４の下流で高エネルギーのイオンビームを往復走査および平行化させてウェハに照射するためには、事前に高い精度のエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正及びビーム収束発散の調整を実施しておくことが必要となる。

ビーム偏向ユニット１６は、ビーム加速ユニット１４から出力される高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正を行う。ビーム偏向ユニット１６は、ビームラインＢＬのうち円弧状に延びる部分を構成する。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ビーム輸送ユニット１８に向かう。

ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２７と、第１ファラデーカップ２８と、ステアリング（軌道補正）を提供する偏向電磁石３０と、第２ファラデーカップ３１とを有する。エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルタ電磁石（ＥＦＭ）とも呼ばれる。また、エネルギー分析電磁石２４、横収束四重極レンズ２６、エネルギー分析スリット２７および第１ファラデーカップ２８で構成される装置群は、総称して「エネルギー分析装置」とも呼ばれる。

エネルギー分析スリット２７は、エネルギー分析の分解能を調整するためにスリット幅が可変となるよう構成されてもよい。エネルギー分析スリット２７は、例えば、スリット幅方向に移動可能な二枚の遮蔽体により構成され、二枚の遮蔽体の間隔を変化させることによりスリット幅が調整可能となるように構成されてもよい。エネルギー分析スリット２７は、スリット幅の異なる複数のスリットのいずれか一つを選択することによりスリット幅が可変となるよう構成されてもよい。

第１ファラデーカップ２８は、エネルギー分析スリット２７の直後に配置され、エネルギー分析用のビーム電流測定に用いられる。第２ファラデーカップ３１は、偏向電磁石３０の直後に配置され、軌道補正されてビーム輸送ユニット１８に入るイオンビームのビーム電流測定用に設けられる。第１ファラデーカップ２８および第２ファラデーカップ３１のそれぞれは、ファラデーカップ駆動部（不図示）の動作によりビームラインＢＬに出し入れ可能となるよう構成される。

ビーム輸送ユニット１８は、ビームラインＢＬのうちもう一つの直線状に延びる部分を構成し、装置中央のメンテナンス領域ＭＡを挟んでビーム加速ユニット１４と並行する。ビーム輸送ユニット１８の長さは、ビーム加速ユニット１４の長さと同程度となるように設計される。その結果、ビーム加速ユニット１４、ビーム偏向ユニット１６およびビーム輸送ユニット１８で構成されるビームラインＢＬは、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。

ビーム輸送ユニット１８は、ビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビームダンプ３５と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルタ３８と、左右ファラデーカップ３９Ｌ，３９Ｒとを有する。

ビーム整形器３２は、四重極レンズ装置（Ｑレンズ）などの収束／発散レンズを備えており、ビーム偏向ユニット１６を通過したイオンビームを所望の断面形状に整形するよう構成されている。ビーム整形器３２は、例えば、電場式の三段四重極レンズ（トリプレットＱレンズともいう）で構成され、三つの静電四重極レンズ装置を有する。ビーム整形器３２は、三つのレンズ装置を用いることにより、イオンビームの収束または発散を水平方向（ｘ方向）および鉛直方向（ｙ方向）のそれぞれについて独立に調整しうる。ビーム整形器３２は、磁場式のレンズ装置を含んでもよく、電場と磁場の双方を利用してビームを整形するレンズ装置を含んでもよい。

ビーム走査器３４は、ビームの往復走査を提供するよう構成され、整形されたイオンビームをｘ方向に走査するビーム偏向装置である。ビーム走査器３４は、ビーム走査方向（ｘ方向）に対向する走査電極対を有する。走査電極対は可変電圧電源（不図示）に接続されており、走査電極対の間に印加される電圧を周期的に変化させることにより、電極間に生じる電場を変化させてイオンビームをさまざまな角度に偏向させる。その結果、イオンビームが矢印Ｘで示される走査範囲にわたって走査される。図１において、走査範囲でのイオンビームの複数の軌跡を細実線で示している。なお、ビーム走査器３４は、他のビーム走査装置で置き換えられてもよく、ビーム走査装置は磁場を利用する磁石装置として構成されてもよい。

ビーム走査器３４は、矢印Ｘで示される走査範囲を超えてビームを偏向させることにより、ビームラインＢＬから離れた位置に設けられるビームダンプ３５にイオンビームを入射させる。ビーム走査器３４は、ビームダンプ３５に向けてビームラインＢＬからイオンビームを一時的に待避させることにより、下流の基板搬送処理ユニット２０にイオンビームが到達しないようにイオンビームを遮断する。

ビーム平行化器３６は、走査されたイオンビームの進行方向を設計上のビームラインＢＬの軌道と平行にするよう構成される。ビーム平行化器３６は、中央部にイオンビームの通過スリットが設けられた円弧形状の複数の平行化レンズ電極を有する。平行化レンズ電極は、高圧電源（不図示）に接続されており、電圧印加により生じる電場をイオンビームに作用させて、イオンビームの進行方向を平行に揃える。なお、ビーム平行化器３６は他のビーム平行化装置で置き換えられてもよく、ビーム平行化装置は磁場を利用する磁石装置として構成されてもよい。

最終エネルギーフィルタ３８は、イオンビームのエネルギーを分析し必要なエネルギーのイオンを下方（－ｙ方向）に偏向して基板搬送処理ユニット２０に導くよう構成されている。最終エネルギーフィルタ３８は、角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ）と呼ばれることがあり、電場偏向用のＡＥＦ電極対を有する。ＡＥＦ電極対は、高圧電源（不図示）に接続される。上側のＡＥＦ電極に正電圧、下側のＡＥＦ電極に負電圧を印加させることにより、イオンビームを下方に偏向させる。なお、最終エネルギーフィルタ３８は、磁場偏向用の磁石装置で構成されてもよく、電場偏向用のＡＥＦ電極対と磁場偏向用の磁石装置の組み合わせで構成されてもよい。

左右ファラデーカップ３９Ｌ，３９Ｒは、最終エネルギーフィルタ３８の下流側に設けられ、矢印Ｘで示される走査範囲の左端および右端のビームが入射しうる位置に配置される。左右ファラデーカップ３９Ｌ，３９Ｒは、ウェハＷに向かうビームを遮らない位置に設けられ、ウェハＷへのイオン注入時にビーム電流を測定する。

ビーム輸送ユニット１８の下流側、つまり、ビームラインＢＬの最下流には基板搬送処理ユニット２０が設けられる。基板搬送処理ユニット２０は、注入処理室４０と、ビームモニタ４１と、ビームプロファイラ４２と、プロファイラ駆動装置４３と、基板搬送装置４４と、ロードポート４６とを有する。注入処理室４０には、イオン注入時にウェハＷを保持し、ウェハＷをビーム走査方向（ｘ方向）と直交する方向（ｙ方向）に動かすプラテン駆動装置（不図示）が設けられる。

ビームモニタ４１は、注入処理室４０の内部のビームラインＢＬの最下流に設けられる。ビームモニタ４１は、ビームラインＢＬ上にウェハＷが存在しない場合にイオンビームが入射しうる位置に設けられており、イオン注入工程の事前または工程間においてビーム特性を測定するよう構成される。ビームモニタ４１は、ビーム特性として、ビーム電流量、ビーム平行度などを測定する。ビームモニタ４１は、例えば、注入処理室４０と基板搬送装置４４との間を接続する搬送口（不図示）の近くに位置し、搬送口よりも鉛直下方の位置に設けられる。

ビームプロファイラ４２は、ウェハＷの表面の位置におけるビーム電流を測定するよう構成される。ビームプロファイラ４２は、プロファイラ駆動装置４３の動作によりｘ方向に可動となるよう構成され、イオン注入時にウェハＷが位置する注入位置から待避され、ウェハＷが注入位置にないときに注入位置に挿入される。ビームプロファイラ４２は、ｘ方向に移動しながらビーム電流を測定することにより、ｘ方向のビーム走査範囲の全体にわたってビーム電流を測定できる。ビームプロファイラ４２は、ビーム走査方向（ｘ方向）の複数の位置におけるビーム電流を同時に計測可能となるように、ｘ方向にアレイ状に並んだ複数のファラデーカップを有してもよい。

ビームプロファイラ４２は、ビーム電流量を測定するための単一のファラデーカップを備えてもよいし、ビームの角度情報を測定するための角度計測器を備えてもよい。角度計測器は、例えば、スリットと、スリットからビーム進行方向（ｚ方向）に離れて設けられる複数の電流検出部とを備える。角度計測器は、例えば、スリットを通過したビームをスリット幅方向に並べられる複数の電流検出部で計測することにより、スリット幅方向のビームの角度成分を測定できる。ビームプロファイラ４２は、ｘ方向の角度情報を測定可能な第１角度測定器と、ｙ方向の角度情報を測定可能な第２角度測定器とを備えてもよい。

基板搬送装置４４は、ウェハ容器４５が載置されるロードポート４６と、注入処理室４０との間でウェハＷを搬送するよう構成される。ロードポート４６は、複数のウェハ容器４５が同時に載置可能となるよう構成されており、例えば、ｘ方向に並べられる４台の載置台を有する。ロードポート４６の鉛直上方にはウェハ容器搬送口（不図示）が設けられており、ウェハ容器４５が鉛直方向に通過可能となるよう構成される。ウェハ容器４５は、例えば、イオン注入装置１００が設置される半導体製造工場内の天井等に設置される搬送ロボットによりウェハ容器搬送口を通じてロードポート４６に自動的に搬入され、ロードポート４６から自動的に搬出される。

イオン注入装置１００は、さらに中央制御装置５０を備える。中央制御装置５０は、イオン注入装置１００の動作全般を制御する。中央制御装置５０は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現され、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現される。中央制御装置５０により提供される各種機能は、ハードウェアおよびソフトウェアの連携によって実現されうる。

中央制御装置５０の近傍には、イオン注入装置１００の動作パラメータを設定するための表示装置や入力装置を有する操作盤４９が設けられる。操作盤４９および中央制御装置５０の位置は特に限られないが、例えば、ビーム生成ユニット１２と基板搬送処理ユニット２０の間のメンテナンス領域ＭＡの出入口４８に隣接して操作盤４９および中央制御装置５０を配置できる。イオン注入装置１００を管理する作業員による作業頻度の高いイオン源１０、ロードポート４６、操作盤４９および中央制御装置５０の場所を隣接させることで、作業効率を高めることができる。

つづいて、ビーム加速ユニット１４の構成の詳細を説明する。図２（ａ）～（ｃ）は、線形加速装置２２ａ～２２ｃの構成を示す断面図である。図２（ａ）は、第１線形加速装置２２ａの構成を示し、図２（ｂ）は、第２線形加速装置２２ｂの構成を示し、図２（ｃ）は、第３線形加速装置２２ｃの構成を示す。線形加速装置２２ａ～２２ｃは、ビームラインＢＬに沿って配置される複数段の高周波加速部１０１～１１５と、ビームラインＢＬに沿って配置される複数段の静電四重極レンズ装置１２１～１３９とを含む。各段の高周波加速部１０１～１１５の上流側および下流側のそれぞれには、少なくとも一段の静電四重極レンズ装置が配置される。

高周波加速部は、イオンビームＩＢが通過する高周波電極に高周波電圧Ｖ_ＲＦを印加することで、イオンビームＩＢを構成するイオン粒子を加速または減速させる。各段の高周波加速部は、高周波電圧Ｖ_ＲＦの電圧振幅Ｖ_０、周波数ｆおよび位相φを個別に調整可能となるよう構成される。本明細書において、高周波電圧Ｖ_ＲＦの電圧振幅Ｖ_０、周波数ｆおよび位相φを総称して「高周波パラメータ」ということがある。

静電四重極レンズ装置は、イオンビームＩＢに静電場を作用させてイオンビームＩＢを収束または発散させるためのレンズ電極と、レンズ電極の上流側および下流側に設けられるグランド電極とを含む。静電四重極レンズ装置は、レンズ電極に印加する電圧の正負を切り替えることで、ｘ方向にビームを収束させる横収束（縦発散）レンズ、または、ｙ方向にビームを収束させる縦収束（横発散）レンズとして機能する。

図２（ａ）～（ｃ）では、ｙ方向に対向するレンズ電極を図示しており、ｘ方向に対向するレンズ電極を省略している。ｙ方向に対向するレンズ電極に負の電圧を印加すると、横収束（縦発散）レンズとして機能する。逆に、ｙ方向に対向するレンズ電極に正の電圧を印加すると、縦収束（横発散）レンズとして機能する。レンズ電極の構成は、図３（ａ），（ｂ）を参照しながら別途後述する。

第１線形加速装置２２ａは、５段の高周波加速部１０１，１０２，１０３，１０４，１０５と、７段の静電四重極レンズ装置１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６，１２７とを備える。第１線形加速装置２２ａの入口には、第１段および第２段の静電四重極レンズ装置１２１，１２２が連続して配置される。第１段および第２段を除いた第３段から第７段までの静電四重極レンズ装置１２３～１２７のそれぞれは、第１段から第５段までの高周波加速部１０１～１０５の各段の下流側に配置される。

第１線形加速装置２２ａに設けられる７段の静電四重極レンズ装置１２１～１２７は、横収束レンズと縦収束レンズがビームラインＢＬに沿って交互となるように配置される。例えば、第１段、第３段、第５段および第７段の静電四重極レンズ装置１２１，１２３，１２５，１２７は、縦収束レンズであり、第２段、第４段および第６段の静電四重極レンズ装置１２２，１２４，１２６は、横収束レンズである。

第２線形加速装置２２ｂは、５段の高周波加速部１０６，１０７，１０８，１０９，１１０と、６段の静電四重極レンズ装置１２８，１２９，１３０，１３１，１３２，１３３とを備える。第２線形加速装置２２ｂの入口に設けられる第８段の静電四重極レンズ装置１２８を除いた第９段から第１３段までの静電四重極レンズ装置１２９～１３３のそれぞれは、第６段から第１０段までの高周波加速部１０６～１１０の各段の下流側に配置される。第２線形加速装置２２ｂに設けられる６段の静電四重極レンズ装置１２８～１３３は、横収束レンズと縦収束レンズがビームラインＢＬに沿って交互となるように配置される。例えば、第８段、第１０段および第１２段の静電四重極レンズ装置１２８，１３０、１３２は、横収束レンズであり、第９段、第１１段および第１３段の静電四重極レンズ装置１２９，１３１，１３３は、縦収束レンズである。

第３線形加速装置２２ｃは、５段の高周波加速部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５と、６段の静電四重極レンズ装置１３４，１３５，１３６，１３７，１３８，１３９とを備える。第３線形加速装置２２ｃの入口に設けられる第１４段の静電四重極レンズ装置１３４を除いた第１５段から第１９段までの静電四重極レンズ装置１３５～１３９のそれぞれは、第１１段から第１５段までの高周波加速部１１１～１１５の各段の下流側に配置される。第３線形加速装置２２ｃに設けられる６段の静電四重極レンズ装置１３４～１３９は、横収束レンズと縦収束レンズがビームラインＢＬに沿って交互となるように配置される。例えば、第１４段、第１６段および第１８段の静電四重極レンズ装置１３４，１３６、１３８は、横収束レンズであり、第１５段、第１７段および第１９段の静電四重極レンズ装置１３５，１３７，１３９は、縦収束レンズである。

なお、線形加速装置２２ａ～２２ｃに含まれる高周波加速部および静電四重極レンズ装置の段数は図示するものに限られず、図示する例とは異なる段数で構成されてもよい。また、静電四重極レンズ装置の配置は、図示する例と異なってもよい。例えば、少なくとも一段の静電四重極レンズ装置は、横収束レンズと縦収束レンズのペアを一つ有してもよいし、横収束レンズと縦収束レンズのペアを複数有してもよい。

図３（ａ），（ｂ）は、ビームラインの上流側から見た静電四重極レンズ装置５２ａ，５２ｂの概略構成を示す正面図である。図３（ａ）の静電四重極レンズ装置５２ａは、イオンビームＩＢを横方向（ｘ方向）に収束させる横収束レンズであり、図３（ｂ）の静電四重極レンズ装置５２ｂは、イオンビームＩＢを縦方向（ｙ方向）に収束させる縦収束レンズである。

図３（ａ）の静電四重極レンズ装置５２ａは、縦方向（ｙ方向）に対向する一組の上下レンズ電極５４ａと、横方向（ｘ方向）に対向する一組の左右レンズ電極５６ａとを有する。上下レンズ電極５４ａには負電位－Ｑａが印加され、左右レンズ電極５６ａには正電位＋Ｑａが印加される。静電四重極レンズ装置５２ａは、正の電荷を有するイオン粒子で構成されるイオンビームＩＢに対し、負電位の上下レンズ電極５４ａとの間で引力を生じさせ、正電位の左右レンズ電極５６ａとの間で斥力を生じさせる。これにより、静電四重極レンズ装置５２ａは、イオンビームＢをｘ方向に収束させ、ｙ方向に発散させるようにビーム形状を整える。

図３（ｂ）の静電四重極レンズ装置５２ｂは、図３（ａ）と同様、縦方向（ｙ方向）に対向する一組の上下レンズ電極５４ｂと、横方向（ｘ方向）に対向する一組の左右レンズ電極５６ｂとを有する。図３（ｂ）では、図３（ａ）とは印加される電位の正負が逆であり、上下レンズ電極５４ｂに正電位＋Ｑｂが印加され、左右レンズ電極５６ｂに負電位－Ｑｂが印加される。その結果、静電四重極レンズ装置５２ｂは、イオンビームＢをｙ方向に収束させ、ｘ方向に発散させるようにビーム形状を整える。

図４は、高周波加速部７０の概略構成を示す断面図であり、線形加速装置２２ａ～２２ｃのそれぞれに含まれる一段分の高周波加速部の構成を示す。高周波加速部７０は、高周波電極７２と、高周波共振器７４と、ステム７６と、高周波電源７８とを含む。高周波電極７２は、中空の円筒形状の電極体であり、電極体の内部をイオンビームＩＢが通過する。高周波電極７２は、ステム７６を介して高周波共振器７４に接続されている。高周波電源７８は、高周波共振器７４に高周波電圧Ｖ_ＲＦを供給する。中央制御装置５０は、高周波共振器７４と高周波電源７８を制御することにより、高周波電極７２に印加される高周波電圧Ｖ_ＲＦの電圧振幅Ｖ_０、周波数ｆおよび位相φを調整する。

高周波加速部７０の上流側および下流側には、静電四重極レンズ装置５２ａ，５２ｂが設けられる。上流側の静電四重極レンズ装置５２ａは、第１グランド電極６０ａと、第２グランド電極６２ａと、上下レンズ電極５４ａと、左右レンズ電極５６ａと、レンズ電源５８ａ（図３参照）とを有する。上下レンズ電極５４ａおよび左右レンズ電極５６ａは、第１グランド電極６０ａと第２グランド電極６２ａの間に設けられる。下流側の静電四重極レンズ装置５２ｂは、第１グランド電極６０ｂと、第２グランド電極６２ｂと、上下レンズ電極５４ｂと、左右レンズ電極５６ｂと、レンズ電源５８ｂ（図３参照）とを有する。上下レンズ電極５４ｂおよび左右レンズ電極５６ｂは、第１グランド電極６０ｂと第２グランド電極６２ｂの間に設けられる。

図４の例では、上流側の静電四重極レンズ装置５２ａが横収束（縦発散）レンズであり、下流側の静電四重極レンズ装置５２ｂが縦収束（横発散）レンズである。なお、高周波加速部７０がいずれの段であるかに応じて、上流側の静電四重極レンズ装置５２ａが縦収束（横発散）であり、下流側の静電四重極レンズ装置５２ｂが横収束（縦発散）レンズであってもよい。横収束と縦収束は、レンズ電源５８ａ，５８ｂにより印加される電圧の正負を反転させることで変更が可能である。

図４の高周波加速部７０は、高周波電極７２と上流側の第２グランド電極６２ａの間の上流側ギャップ６４と、高周波電極７２と下流側の第１グランド電極６０ｂの間の下流側ギャップ６６とにおける電位差を利用して、イオンビームＩＢを構成するイオン粒子６８を加速または減速する。例えば、上流側ギャップ６４をイオン粒子６８が通過するときに高周波電極７２に負の電圧が印加され、かつ、下流側ギャップ６６をイオン粒子６８が通過するときに高周波電極７２に正の電圧が印加されるように高周波電圧Ｖ_ＲＦの位相φを調整することで、高周波加速部７０を通過するイオン粒子６８を加速できる。なお、高周波電極７２の内部は実質的に等電位であるため、高周波電極７２の内部を通過するときにイオン粒子６８は実質的に加減速されない。

図５は、線形加速装置の構成を詳細に示す断面図である。図５は、図２（ａ）に示す第１線形加速装置２２ａのビームライン上流側の構成を示し、第１段から第５段の静電四重極レンズ装置１２１～１２５と、第１段から第３段の高周波加速部１０１～１０３とを示す。

第１線形加速装置２２ａは、真空槽１４０を備える。真空槽１４０は、ビームラインＢＬに沿ってｚ方向に延在する。真空槽１４０は、ビームラインＢＬに直交する断面が矩形状であり、ｚ方向に延在する四つの区画壁を有する。真空槽１４０は、四つの区画壁として、上部壁１４０ａ、左側壁１４０ｂ、右側壁１４０ｃ（後述する図６参照）および下部壁１４０ｄを有する。

図６は、真空槽１４０の配置を示す断面図であり、ｚ軸に直交する断面を示す。図５は、図６のＡ－Ａ断面に相当する。図６に示されるように、真空槽１４０は、ｚ軸まわりに４５度回転させた向きで配置されている。上部壁１４０ａは、ビームラインＢＬから見て鉛直上側（＋ｙ方向）に配置されるのではなく、左上側（＋ｖ方向）に配置される。＋ｖ方向は、＋ｘ方向および＋ｙ方向の単位ベクトルを合成したベクトルの向きに相当する。左側壁１４０ｂは、ビームラインＢＬから見て左下側（＋ｕ方向）に配置される。＋ｕ方向は、＋ｘ方向および－ｙ方向の単位ベクトルを合成したベクトルの向きに相当する。右側壁１４０ｃは、ビームラインＢＬから見て右上側（－ｕ方向）に配置される。下部壁１４０ｄは、ビームラインＢＬから見て右下側（－ｖ方向）に配置される。

図６は、高周波加速部１０１～１０３のそれぞれが備える高周波共振器７４ａ～７４ｃの配置をさらに示す。第１段の高周波加速部１０１が備える第１高周波共振器７４ａは、上部壁１４０ａの外側に設けられており、ビームラインＢＬから見て＋ｖ方向の位置に配置される。第１高周波共振器７４ａは、ビームラインＢＬから見て＋ｖ方向に延びる第１ステム７６ａを介して第１高周波電極７２ａと接続される。

第２段の高周波加速部１０２が備える第２高周波共振器７４ｂは、左側壁１４０ｂの外側に設けられており、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向の位置に配置される。第２高周波共振器７４ｂは、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向に延びる第２ステム７６ｂを介して第２高周波電極７２ｂ（図５参照）と接続される。

第３段の高周波加速部１０３が備える第３高周波共振器７４ｃは、右側壁１４０ｃの外側に設けられており、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向の位置に配置される。第３高周波共振器７４ｃは、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向に延びる第３ステム７６ｃを介して第３高周波電極７２ｃ（図５参照）と接続される。

なお、下部壁１４０ｄの外側には高周波共振器が設けられていない。下部壁１４０ｄには、真空槽１４０の内部を真空引きするための真空排気装置１４８が設けられる。真空排気装置１４８は、ビームラインＢＬから見て－ｖ方向の位置に配置される。

図６に示されるように、真空槽１４０を水平から４５度回転させて配置することで、高周波共振器７４ａ～７４ｃが占めるｘ方向およびｙ方向の範囲を小さくでき、第１線形加速装置２２ａの装置全体のサイズを小型化できる。

本明細書において、ビームラインＢＬが延びる方向を軸方向ということがある。また、軸方向と直交する方向を径方向ということがあり、軸方向および径方向の双方と直交する方向を周方向ということがある。ｘ軸、ｙ軸、ｕ軸およびｖ軸のそれぞれは、周方向の角度が互いに異なる径方向に延びる軸である。

図５に戻り、高周波加速部１０１～１０３の構成を説明する。第１段の高周波加速部１０１は、第１高周波電極７２ａと、第１高周波共振器７４ａと、第１ステム７６ａと、第１絶縁体７７ａとを含む。第１ステム７６ａは、上部壁１４０ａに設けられる取付孔１４６に挿通される。第１絶縁体７７ａは、真空槽１４０の外側であって、高周波共振器７４ａの内部に設けられる。第１絶縁体７７ａは、上部壁１４０ａに取り付けられ、第１ステム７６ａを支持する。第１絶縁体７７ａは、コーン状に構成され、取付孔１４６を塞ぐように設けられる。第１絶縁体７７ａは、グランド電位である真空槽１４０と、高周波電圧Ｖ_ＲＦが印加される第１ステム７６ａとの間を電気的に絶縁する。第１絶縁体７７ａは、ビームラインＢＬから見て＋ｖ方向の位置に設けられる。

第２段の高周波加速部１０２は、第２高周波電極７２ｂと、第２高周波共振器７４ｂと、第２ステム７６ｂと、第２絶縁体（不図示）とを含む。第２段の高周波加速部１０２は、第１段の高周波加速部１０１と同様に構成されるが、図６に示したように取付状態が異なる。具体的には、第２ステム７６ｂは、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向の位置に配置される。第２絶縁体は、左側壁１４０ｂに取り付けられ、第２ステム７６ｂを支持する。第２絶縁体は、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向の位置に配置される。

第３段の高周波加速部１０３は、第３高周波電極７２ｃと、第３高周波共振器７４ｃと、第３ステム７６ｃと、第３絶縁体（不図示）とを含む。第３段の高周波加速部１０３は、第１段の高周波加速部１０１と同様に構成されるが、図６に示したように取付状態が異なる。具体的には、第３ステム７６ｃは、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向の位置に配置される。第３絶縁体は、右側壁１４０ｃに取り付けられ、第３ステム７６ｃを支持する。第３絶縁体は、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向の位置に配置される。

真空槽１４０の内部には、複数の静電四重極レンズ装置１２１～１２５が設けられる。複数の静電四重極レンズ装置１２１～１２５のそれぞれは、レンズユニット８０として構成される。レンズユニット８０は、図３（ａ），（ｂ）および図４に示される静電四重極レンズ装置５２ａ（または５２ｂ）をユニット化したものであり、上下レンズ電極５４ａ（または５４ｂ）と、左右レンズ電極５６ａ（または５６ｂ）と、第１グランド電極６０ａ（または６０ｂ）と、第２グランド電極６２ａ（または６２ｂ）とが一体化されている。本明細書において、レンズユニット８０を静電四重極レンズ装置ともいう。

レンズユニット８０は、複数のレンズ電極８２と、上流側カバー電極８４ａと、下流側カバー電極８４ｂと、ベースプレート８６と、取付部８８とを備える。

複数のレンズ電極８２は、図３（ａ），（ｂ）に示される上下レンズ電極５４ａ（または５４ｂ）および左右レンズ電極５６ａ（または５６ｂ）に相当する。複数のレンズ電極８２は、ビームラインＢＬを挟んで径方向に対向し、周方向に間隔をあけて配置される。具体的には、一組の上下レンズ電極がｙ方向に対向し、一組の左右レンズ電極がｘ方向に対向する。また、二つの上下レンズ電極および二つの左右レンズ電極が周方向に交互に配置される。複数のレンズ電極８２には、正または負の収束／発散電圧が印加される。

上流側カバー電極８４ａは、複数のレンズ電極８２のビームライン上流側を被覆する。上流側カバー電極８４ａは、曲面のみで構成される、または、曲面および平面で構成されるボウル状に形成されており、中央にイオンビームＩＢが通過するビーム入射口が設けられる。上流側カバー電極８４ａは、複数のレンズ電極８２から軸方向または径方向に離れて配置される。上流側カバー電極８４ａは、グランド電極であり、図４の第１グランド電極６０ａ（または６０ｂ）に相当する。

下流側カバー電極８４ｂは、複数のレンズ電極８２のビームライン下流側を被覆する。下流側カバー電極８４ｂは、上流側カバー電極８４ａと同様に、曲面のみでから構成される、または、曲面および平面で構成されるボウル状に形成されており、中央にイオンビームＩＢが通過するビーム出射口が設けられる。下流側カバー電極８４ｂは、複数のレンズ電極８２から軸方向または径方向に離れて配置される。下流側カバー電極８４ｂは、グランド電極であり、図４の第２グランド電極６２ａ（または６２ｂ）に相当する。

ベースプレート８６は、複数のレンズ電極８２、上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂを支持する。ベースプレート８６は、軸方向に厚みを有する板状部材である。複数のレンズ電極８２は、ベースプレート８６の中央を貫通する中央開口に収容される。上流側カバー電極８４ａは、ベースプレート８６の上流側に取り付けられる。下流側カバー電極８４ｂは、ベースプレート８６の下流側に取り付けられる。

取付部８８は、真空槽１４０に固定される部分である。取付部８８は、ベースプレート８６の下部に設けられ、ベースプレート８６から軸方向に延在する。真空槽１４０の内面には軸方向に延在する取付バー１４２が設けられている。取付部８８は、ねじやボルトなどの締結部材１４４を用いて、取付バー１４２に固定される。

図７は、上流側から見たレンズユニット８０の一例を示す外観斜視図である。図７のレンズユニット８０は、例えば、第１段の高周波加速部１０１の上流側に隣接する第２段の静電四重極レンズ装置１２２である。上流側カバー電極８４ａは、イオンビームＩＢが通過するビーム入射口９２ａと、複数のガス排出口（上流側ガス排出口ともいう）９４ａ、９５ａ、９６ａとを有する。ビーム入射口９２ａは、上流側カバー電極８４ａの中央に設けられ、軸方向に開口する。複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａは、上流側カバー電極８４ａの外周部に設けられ、径方向に開口する。複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａのそれぞれは、レンズユニット８０の内部から外部へのガス排出のために設けられる。

複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａのそれぞれは、周方向に異なる位置に設けられ、例えば、周方向に９０度ずつ異なる位置に設けられる。例えば、第１ガス排出口９４ａは、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向の位置に設けられ、第２ガス排出口９５ａは、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向の位置に設けられ、第３ガス排出口９６ａは、ビームラインＢＬから－ｖ方向の位置に設けられる。図示する例では、ビームラインＢＬから見て＋ｖ方向の位置にガス排出口が設けられていないが、ビームラインＢＬから見て＋ｖ方向の位置に第４ガス排出口が設けられてもよい。

複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａのそれぞれは、周方向に延びるスリットとして形成される。複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａのそれぞれは、例えば、１０度～６０度程度の角度範囲にわたって連続的に延びるスリットとして形成される。なお、複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａのそれぞれは、周方向に連続して形成されなくてもよく、周方向に断続的に形成されてもよい。複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａのそれぞれは、例えば、メッシュとして形成されてもよいし、微小開口アレイとして形成されてもよい。

取付部８８は、ベースプレート８６の左右方向（ｕ方向）の両端に設けられ、ベースプレート８６の左右方向の中央付近には設けられていない。取付部８８は、上流側に設けられる切り欠き８８ａを有するように形成される。上流側の切り欠き８８ａは、ビームラインＢＬと真空排気装置１４８の間に設けられる。上流側の切り欠き８８ａは、例えば、複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａから真空排気装置１４８に向けて流れるガスを通過させる。上流側の切り欠き８８ａは、連続的に形成されるのではなく、メッシュまたは微小開口アレイとして形成されてもよい。

図８は、下流側から見た図７のレンズユニット８０を示す外観斜視図である。図示する例では、レンズユニット８０の上流側と下流側の構成が同等である。下流側カバー電極８４ｂは、イオンビームＩＢが通過するビーム出射口９２ｂと、複数のガス排出口（下流側ガス排出口ともいう）９４ｂ、９５ｂ、９６ｂとを有する。ビーム出射口９２ｂは、下流側カバー電極８４ｂの中央に設けられ、軸方向に開口する。複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂは、下流側カバー電極８４ｂの外周部に設けられ、径方向に開口する。複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂは、例えば、上流側カバー電極８４ａに設けられる複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａと同様に構成される。複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂのそれぞれは、レンズユニット８０の内部から外部へのガス排出のために設けられる。

取付部８８は、上流側と同様、下流側に設けられる切り欠き８８ｂを有する。下流側の切り欠き８８ｂは、ビームラインＢＬと真空排気装置１４８の間に設けられる。下流側の切り欠き８８ｂは、例えば、複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂから真空排気装置１４８に向けて流れるガスを通過させる。下流側の切り欠き８８ｂは、連続的に形成されるのではなく、メッシュまたは微小開口アレイとして形成されてもよい。

図９は、図７のレンズユニット８０の内部構成を詳細に示すビームラインＢＬに沿った断面図であり、図５に示すレンズユニット８０を拡大したものである。図９のレンズユニット８０は、例えば、第１段の高周波加速部１０１の上流側に隣接する第２段の静電四重極レンズ装置１２２である。レンズユニット８０は、複数のレンズ電極８２のそれぞれを支持する複数の絶縁部材９０を備える。複数の絶縁部材９０は、例えば、円柱状の碍子である。複数の絶縁部材９０のそれぞれは、対応するレンズ電極８２からベースプレート８６に向けて径方向外側に延びる。複数の絶縁部材９０のそれぞれは、ベースプレート８６の中央開口８６ａの内周面８６ｂに取り付けられている。ベースプレート８６の下部には、ｖ方向に延びる配線口８６ｃが設けられる。配線口８６ｃには、複数のレンズ電極８２に高電圧を印加するための配線（不図示）が挿通される。

上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂに設けられる複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂは、複数のレンズ電極８２よりもビームラインＢＬから径方向に離れた位置に設けられる。つまり、複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂは、ビームラインＢＬから見て複数のレンズ電極８２の裏側に設けられる。複数のレンズ電極８２の裏側に複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂを設けることで、イオンビームＩＢに作用する収束／発散電場の空間分布が実質的に変化しないようにできる。つまり、ガス排出口を設けることによるレンズユニット８０の収束／発散性能の変化を防止できる。

複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂの軸方向の位置は、複数のレンズ電極８２の軸方向の端部８２ａ，８２ｂの位置と、複数の絶縁部材９０の軸方向の位置の間の範囲Ｃ１，Ｃ２にある。複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａは、複数のレンズ電極８２の上流側端部８２ａと複数の絶縁部材９０の間の範囲Ｃ１に設けられる。つまり、複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａは、複数のレンズ電極８２の上流側端部８２ａよりも上流側の位置を避けて設けられる。これにより、ガス排出口を設けることによる上流側カバー電極８４ａのグランド電極としての性能の変化を防止できる。また、複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂは、複数のレンズ電極８２の下流側端部８２ｂと複数の絶縁部材９０の間の範囲Ｃ２に設けられる。つまり、複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂは、複数のレンズ電極８２の下流側端部８２ｂよりも下流側の位置を避けて設けられる。これにより、ガス排出口を設けることによる下流側カバー電極８４ｂのグランド電極としての機能の変化を防止できる。また、複数の絶縁部材９０の軸方向の位置を避けて複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂを設けることにより、複数の絶縁部材９０に向かうガスの流れを抑制し、複数の絶縁部材９０へのスパッタ粒子の付着を抑制できる。

図１０は、図７のレンズユニット８０の内部構成を詳細に示すビームラインＢＬに直交する断面図である。図１０は、上流側カバー電極８４ａを取り外した状態のレンズユニット８０をビームライン上流側から見ている。図１０のレンズユニット８０は、例えば、第１段の高周波加速部１０１の上流側に隣接する第２段の静電四重極レンズ装置１２２である。

図１０は、複数のレンズ電極８２および複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂの周方向の配置関係を示す。図示されるように、複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂのそれぞれは、複数のレンズ電極８２から周方向にずれて配置されている。複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂのそれぞれは、例えば、複数のレンズ電極８２から４５度ずれて配置されている。例えば、第１ステム７６ａが延びる方向（＋ｖ方向）を０度とした場合、複数のレンズ電極８２は、４５度、１３５度、２２５度、３１５度の位置に配置される。複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂは、２７０度、９０度、１８０度の位置に配置される。なお、複数の上流側ガス排出口９４ａ～９６ａ（図１０に不図示）も同様に、２７０度、９０度、１８０度の位置に、複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂと対応するように配置される。

レンズユニット８０では、レンズ電極８２やカバー電極８４ａ，８４ｂの電極体にイオンビームＩＢが衝突することにより、電極体がスパッタされ、スパッタされた電極体を構成する物質がスパッタ粒子となって飛散する。生成されたスパッタ粒子は、電極体や絶縁部材９０の表面に汚れとして付着しうる。スパッタ粒子は、導電性物質であるため、電極体の表面に付着して微細な凹凸を形成することで、電極間で放電が発生しやすくなる。例えば、高電圧が印加されるレンズ電極８２と、グランド電位であるカバー電極８４ａ，８４ｂとの間で放電が発生しうる。また、絶縁部材９０の表面にスパッタ粒子が付着すると、絶縁部材９０の絶縁性能が低下し、高電圧が印加されるレンズ電極８２と、グランド電位であるベースプレート８６との間で電気的な絶縁が確保できなくなるおそれがある。

本実施の形態によれば、レンズユニット８０に複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂが設けられるため、複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂを通ってレンズユニット８０の内部から外部に向かうガスの流れを生成できる。例えば、図１０に示されるように、複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂを通って、真空槽１４０の下部（－ｖ方向）に設けられる真空排気装置１４８に向かうガスの流れＦを生成できる。レンズユニット８０の内部で生成されるスパッタ粒子の少なくとも一部は、レンズユニット８０の内部から外部に向かうガスの流れＦによって、レンズユニット８０の外部に排出される。その結果、レンズユニット８０の内部に設けられる電極体や絶縁部材９０へのスパッタ粒子の付着を抑制することができ、電極体間の放電の発生や絶縁部材９０の絶縁性能の低下を抑制できる。

図１０に示すレンズユニット８０では、隣接する第１ステム７６ａが存在する０度の位置にガス排出口が設けられていない。第１ステム７６ａは、第１絶縁体７７ａによって支持されており、第１絶縁体７７ａにスパッタ粒子が付着すると、第１絶縁体７７ａの絶縁性能が低下してしまう。隣接する第１ステム７６ａが存在する０度の位置にガス排出口を設けないようにすることで、第１絶縁体７７ａに向かうスパッタ粒子の飛散を抑制でき、第１絶縁体７７ａの絶縁性能の低下を抑制できる。

第１絶縁体７７ａに向かうスパッタ粒子の飛散を抑制するためには、第１ステム７６ａに対して周方向に４５度以上ずれた位置に複数の下流側ガス排出口９４ｂ～９６ｂを設けることが好ましい。特に、第１段の高周波加速部１０１に隣接するカバー電極において、ビームラインＢＬから見て＋ｖ方向の位置にガス排出口を設けないことが好ましい。第１段の高周波加速部１０１に隣接するカバー電極は、第２段の静電四重極レンズ装置１２２の下流側カバー電極、および、第３段の静電四重極レンズ装置１２３の上流側カバー電極である。

なお、第２段の高周波加速部１０２では、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向の位置に第２ステム７６ｂが存在する（図６参照）。したがって、第２段の高周波加速部１０２に隣接するカバー電極の場合、ビームラインＢＬから見て＋ｕ方向の位置にガス排出口を設けないこととし、＋ｖ方向、－ｖ方向および－ｕ方向の位置に複数のガス排出口を設けることが好ましい。第２段の高周波加速部１０２に隣接するカバー電極は、第３段の静電四重極レンズ装置１２３の下流側カバー電極、および、第４段の静電四重極レンズ装置１２４の上流側カバー電極である。

また、第３段の高周波加速部１０３では、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向の位置に第３ステム７６ｃが存在する（図６参照）。したがって、第３段の高周波加速部１０３に隣接するカバー電極の場合、ビームラインＢＬから見て－ｕ方向の位置にガス排出口を設けないこととし、＋ｖ方向、－ｖ方向および＋ｕ方向の位置に複数のガス排出口を設けることが好ましい。第３段の高周波加速部１０３に隣接するカバー電極は、第４段の静電四重極レンズ装置１２４の下流側カバー電極、および、第５段の静電四重極レンズ装置１２５の上流側カバー電極である。

なお、高周波加速部に隣接しないカバー電極の場合、±ｖ方向および±ｕ方向の四方位にガス排出口を設けてもよい。つまり、カバー電極は、０度、９０度、１８０度および２７０度の位置に設けられる四つのガス排出口を有してもよい。高周波加速部に隣接しないカバー電極は、第１段の静電四重極レンズ装置１２１の上流側および下流側カバー電極と、第２段の静電四重極レンズ装置１２２の上流側カバー電極である。

本実施の形態によれば、取付部８８に切り欠き８８ａ，８８ｂを設けることで、真空排気装置１４８に向けて流れるガスのコンダクタンスを向上できる。特に、複数段のレンズユニット８０が連続して設けられる箇所において切り欠き８８ａ，８８ｂを設けることにより、残留ガスを効果的に排出できる。例えば、連続して隣接する第１段および第２段の静電四重極レンズ装置１２１，１２２の間の空間から残留ガスを効果的に排出できる。

本実施の形態によれば、複数のガス排出口９４ａ～９６ａ，９４ｂ～９６ｂを通じてレンズユニット８０の内部から残留ガスを効果的に排出できるため、レンズユニット８０の内部の真空度を高めることができる。また、切り欠き８８ａ，８８ｂを通じてレンズユニット８０の周囲の空間から残留ガスを効果的に排出して真空度を高めることができる。これにより、ビームラインＢＬにおける真空度を真空槽１４０の全体において高めることができる。これにより、イオンビームＩＢと残留ガスが相互作用してイオンビームＩＢを構成するイオンの価数が下がったり、イオンが中性化したりする影響を軽減できる。これにより、ビーム加速ユニット１４によるイオンビームＩＢの輸送効率を高め、ビーム加速ユニット１４から出力されるイオンビームＩＢのビーム電流の低下を抑制できる。

本実施の形態は、イオンビームＩＢを４ＭｅＶ以上に加速する超高エネルギー多段線形加速ユニットに適用されてもよい。イオンビームＩＢを４ＭｅＶ以上に加速するためには、各段の高周波加速部１０１～１１５に印加する加速電圧をより大きくする必要があり、各段の静電四重極レンズ装置１２１～１３９に印加する収束／発散電圧もより大きくする必要がある。より大きな電圧を印加することによって、電極体間の放電が発生しやすくなる。本実施の形態によれば、スパッタ粒子による電極体や絶縁部材の汚れを抑制できるため、電極体間の放電の発生を抑制できる。

本実施の形態は、多価イオンを含むイオンビームＩＢを加速する高エネルギー多段線形加速ユニットに適用されてもよい。高周波加速部においてイオンビームＩＢに与えられる加速エネルギーは、高周波加速部に印加される加速電圧とイオンの価数の積に比例するため、価数の大きいイオンを用いることで、価数の小さいイオンを用いる場合よりも加速エネルギーを大きくできる。一方で、価数の大きいイオン（例えば、３価以上または４価以上のイオン）は、ビームラインＢＬに存在する残留ガスと相互作用しやすく、相互作用によって価数が下がることによりビームの輸送において損失してしまう。本実施の形態によれば、ビームラインＢＬの真空度を向上できるため、多価イオンの損失を抑制でき、ビーム加速ユニット１４から出力されるイオンビームＩＢのビーム電流の低下を抑制できる。

本実施の形態に係るレンズユニット８０は、ビーム加速ユニット１４に設けられる複数段の静電四重極レンズ装置１２１～１３９の全てに適用されてもよい。つまり、複数段の静電四重極レンズ装置１２１～１３９のそれぞれに設けられるカバー電極にガス排出口が設けられてもよい。なお、本実施の形態に係るレンズユニット８０は、ビーム加速ユニット１４に設けられる複数段の静電四重極レンズ装置１２１～１３９の一部の段に適用されてもよい。つまり、複数段の静電四重極レンズ装置１２１～１３９の少なくとも一段の静電四重極レンズ装置にレンズユニット８０が適用されてもよい。

本実施の形態に係るレンズユニット８０は、ビーム加速ユニット１４の最上段から所定数の段までの少なくとも一段の静電四重極レンズ装置に適用されてもよい。例えば、図５に示される第１段から第５段までの静電四重極レンズ装置１２１～１２５にレンズユニット８０が適用されてもよい。レンズユニット８０にて生じるスパッタ粒子は、イオンビームＩＢのエネルギーが比較的低い場合に発生しやすいため、ビーム加速ユニット１４の下流部よりも上流部でスパッタ粒子が発生しやすい。例えば、第２線形加速装置２２ｂや第３線形加速装置２２ｃに比べて、第１線形加速装置２２ａにおいてスパッタ粒子が発生しやすい。そのため、スパッタ粒子の発生しやすいビーム加速ユニット１４の上流部にレンズユニット８０を適用することで、スパッタ粒子の排出による効果が得られやすい。一方、スパッタ粒子が発生しにくいビーム加速ユニット１４の下流部の静電四重極レンズ装置（例えば、１２６～１３９）では、カバー電極にガス排出口が設けられなくてもよい。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組み合わせや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。

上述の実施の形態では、上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂのそれぞれに複数のガス排出口９４ａ～９６ａ、９４ｂ～９６ｂが設けられる場合について示した。別の実施の形態では、上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂの一方のみに複数のガス排出口が設けられてもよい。

上述の実施の形態では、上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂのそれぞれに複数のガス排出口９４ａ～９６ａ、９４ｂ～９６ｂが設けられる場合について示した。別の実施の形態では、上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂの少なくとも一方において、ガス排出口が一つだけ設けられてもよい。したがって、上流側カバー電極８４ａおよび下流側カバー電極８４ｂの少なくとも一方は、少なくとも一つのガス排出口を有してもよい。

１４…ビーム加速ユニット、７０…高周波加速部、７２…高周波電極、７４…高周波共振器、７６…ステム、８０…レンズユニット、８２…レンズ電極、８４ａ…上流側カバー電極、８４ｂ…下流側カバー電極、８６…ベースプレート、８８…取付部、８８ａ，８８ｂ…切り欠き、９０…絶縁部材、９２ａ…ビーム入射口、９２ｂ…ビーム出射口、９４ａ，９４ｂ…第１ガス排出口、９５ａ，９５ｂ…第２ガス排出口、９６ａ，９６ｂ…第３ガス排出口、１００…イオン注入装置、１０１～１１５…高周波加速部、１２１～１３９…静電四重極レンズ装置、１４０…真空槽、１４８…真空排気装置。

Claims (20)

1. イオンビームを加速するための高エネルギー多段線形加速ユニットを備えるイオン注入装置であって、前記高エネルギー多段線形加速ユニットは、前記イオンビームが進行するビームラインに沿って設けられる複数段の高周波加速部と、前記ビームラインに沿って設けられる複数段の静電四重極レンズ装置と、を備え、
   各段の静電四重極レンズ装置は、
   前記ビームラインを挟んで、前記ビームラインが延びる軸方向と直交する径方向に対向し、前記軸方向および前記径方向の双方と直交する周方向に間隔をあけて配置される複数のレンズ電極と、
   前記複数のレンズ電極のビームライン上流側を被覆し、前記軸方向に開口するビーム入射口を有する上流側カバー電極と、
   前記複数のレンズ電極のビームライン下流側を被覆し、前記軸方向に開口するビーム出射口を有する下流側カバー電極と、を含み、
   前記複数段のうち少なくとも一段の静電四重極レンズ装置に含まれる前記上流側カバー電極および前記下流側カバー電極の少なくとも一方は、前記径方向に開口する少なくとも一つのガス排出口を有することを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記複数のレンズ電極よりも前記ビームラインから前記径方向に離れた位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記複数のレンズ電極のそれぞれに対して前記周方向にずれた位置に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
4. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記複数のレンズ電極の少なくとも一つに対して前記周方向に４５度ずれた位置に設けられることを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記周方向に異なる位置に設けられる複数のガス排出口を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
6. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記周方向に延びるスリットとして形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
7. 前記少なくとも一つのガス排出口は、メッシュ、または、微小開口アレイとして形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
8. 前記各段の静電四重極レンズ装置は、前記複数のレンズ電極のそれぞれを支持する複数の絶縁部材をさらに含み、前記複数の絶縁部材のそれぞれは、対応するレンズ電極から径方向外側に延びるように設けられ、
   前記少なくとも一つのガス排出口の前記軸方向の位置は、前記複数のレンズ電極の前記軸方向の端部の位置と前記複数の絶縁部材の前記軸方向の位置の間であることを特徴する請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
9. 前記各段の高周波加速部は、前記イオンビームが通過する中空の円筒状の高周波電極と、前記高周波電極から径方向外側に延在するステムと、前記ステムを介して前記高周波電極に接続する高周波共振器と、前記ステムを支持する絶縁部材と、を含み、
   前記少なくとも一つのガス排出口は、前記カバー電極と前記軸方向に隣接する高周波電極から延在する前記ステムに対して前記周方向にずれた位置に設けられることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
10. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記ステムに対して前記周方向に４５度以上ずれた位置に設けられることを特徴とする請求項９に記載のイオン注入装置。
11. 前記少なくとも一つのガス排出口は、前記ステムに対して前記周方向に９０度ずれた位置に設けられる第１ガス排出口と、前記ステムに対して前記周方向に１８０度ずれた位置に設けられる第２ガス排出口と、前記ステムに対して前記周方向に２７０度ずれた位置に設けられる第３ガス排出口と、を含むことを特徴とする請求項９に記載のイオン注入装置。
12. 前記各段の静電四重極レンズ装置は、前記複数のレンズ電極および前記カバー電極を支持するベースプレートと、前記ベースプレートから前記軸方向に延在し、前記高エネルギー多段線形加速ユニットの真空槽に固定される取付部と、をさらに含み、
    前記少なくとも一段の静電四重極レンズ装置に含まれる前記取付部は、前記真空槽内のガスを通過させる切り欠きを有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
13. 前記切り欠きは、前記ビームラインと、前記真空槽に接続される真空排気装置との間に設けられることを特徴とする請求項１２に記載のイオン注入装置。
14. 前記切り欠きは、メッシュとして、または、微小開口アレイとして形成されることを特徴とする請求項１２または１３に記載のイオン注入装置。
15. 前記切り欠きを有する静電四重極レンズ装置は、別の静電四重極レンズ装置と前記軸方向に隣接して配置されることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
16. 前記少なくとも一段の静電四重極レンズ装置は、前記高エネルギー多段線形加速ユニットの最上段から所定数の段までの少なくとも一段に設けられることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
17. 前記高エネルギー多段線形加速ユニットは、多価イオンを含む前記イオンビームを加速することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
18. 前記高エネルギー多段線形加速ユニットは、前記イオンビームを４ＭｅＶ以上に加速することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
19. 前記複数段の高周波加速部は、１０段以上であり、前記複数段の静電四重極レンズ装置は、１０段以上であることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
20. ビームラインを挟んで、前記ビームラインが延びる軸方向と直交する径方向に対向し、前記軸方向および前記径方向の双方と直交する周方向に間隔をあけて配置される複数のレンズ電極と、
    前記複数のレンズ電極のビームライン上流側を被覆し、前記軸方向に開口するビーム入射口を有する上流側カバー電極と、
    前記複数のレンズ電極のビームライン下流側を被覆し、前記軸方向に開口するビーム出射口を有する下流側カバー電極と、を備え、
    前記上流側カバー電極および前記下流側カバー電極の少なくとも一方は、前記径方向に開口する少なくとも一つのガス排出口を有することを特徴とする静電四重極レンズ装置。

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