JPH0773999A - 高周波四重極装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ＲＦＱ型加速器は、６本の棒状の四重極電極
群１〜６と、ベース９と、ベース９に立設されて四重極
電極群１〜６を支持する第１ポスト７および第２ポスト
８とからなる電極アセンブリ１０を備えている。電極群
１〜４および電極群３〜６の各中心部にそれぞれ四重極
電場が形成されるように、第１ポスト７が電極１・３・
５を支持し、第２ポスト８が電極２・４・６を支持して
いる。 【効果】 同一真空チャンバ内に２つのＲＦＱ構造を持
った加速器を実現でき、一つの高周波電力供給手段によ
って両方のＲＦＱ構造を励起できる。２つのＲＦＱ構造
のビーム出射部と入射部とを偏向角１８０°の電磁石等
のビーム輸送手段を用いて接続することによって、全体
の長さを略半分に短縮できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばイオン注入や表
面改質を行う装置に適用される高周波四重極（以下、Ｒ
ＦＱ：Radio Frequency Quadrupoleと称する) 型加速器
や、イオン分析に利用されるＲＦＱ型質量分析器等のＲ
ＦＱ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は、拡散したい不純物を
イオン化し、この不純物イオンを磁界を用いた質量分析
法により選択的に取り出し、電界により加速してイオン
照射対象物に照射することで、イオン照射対象物内に不
純物を注入するものである。そして、このイオン注入装
置は、半導体プロセスにおいてデバイスの特性を決定す
る不純物を任意の量および深さに制御性良く注入できる
ことから、現在の集積回路の製造に重要な装置になって
いる。

【０００３】近年、半導体デバイスメーカでは、ＭｅＶ
級の高エネルギーイオン注入装置の必要性が高まってい
る。これは、Ｃ−ＭＯＳデバイス製造プロセスにおける
レトログレイドウエルの形成、ＲＯＭ後書込み等を、高
エネルギーイオン注入で行う利点が明らかになってきた
ためである。

【０００４】上記高エネルギーイオン注入装置には、イ
オン加速手段としてＲＦＱ型加速器が用いられている。
このＲＦＱ型加速器には、図５に示すように、真空雰囲
気中に４本の棒（Rod ）状の四重極電極５１〜５４を互
いに９０゜の間隔で水平軸まわりに配置し、これらの四
重極電極５１〜５４を、所定間隔をおいて導電性のベー
ス５７に立設された導電性の第１ポスト５５および第２
ポスト５６で支持した構造の４Ｒｏｄ−ＲＦＱ型加速器
がある。

【０００５】上記四重極電極５１〜５４の向かい合った
面には、四重極電極５１〜５４の軸方向に加速電場を形
成するためのモジュレーション（波）が形成されてい
る。モジュレーションの山と谷との間（通常、１セルと
称する）は、１／２βλ（β：イオンの速度と光速との
比、λ：共振周波の波長）に設定されており、イオンの
速度が小さい入射部は、１セルが短く、出射部に近づく
程１セルが長くなるように加工されている。

【０００６】また、上記第１ポスト５５は対角線上に位
置する一対の電極５１・５２を支持する一方、第２ポス
ト５６は対角線上に位置する一対の電極５３・５４を支
持している。通常は、上記ポスト５５・５６を、ベース
５７に４〜１０本程度設けて四重極電極５１〜５４を支
持するようになっている。この電極アセンブリ（四重極
電極５１〜５４、ポスト５５・５６およびベース５７）
は、真空チャンバ内に固定されている。

【０００７】上記４Ｒｏｄ−ＲＦＱ型加速器は、電極間
のキャパシタンスと第１および第２ポスト５５・５６の
インダクタンスとで結合された共振器となり、その構造
により共振周波数が決定される。従って、所定の共振周
波数を得ようとする場合、電極間の間隔やポスト５５・
５６の高さやこれらの間隔が適当に選定される。

【０００８】そして、真空チャンバ外に設けられた図示
しない高周波電源から、磁場結合あるいは電場結合によ
って真空チャンバ内の電極アセンブリに高周波電力を供
給することにより、四重極電極５１〜５４の中心軸上に
加速電場および収束電場（四重極電場）ができ、この中
を通過するイオンが、上記共振周波数と四重極電極５１
〜５４の長さ（即ち、セル数）に応じて所定エネルギー
まで加速される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、４Ｒｏ
ｄ−ＲＦＱ型加速器では、その共振周波数が、電極アセ
ンブリの構造によって決まる一定値に固定されているた
め、加速エネルギーは、その長さで略決まってしまう。
このため、イオンを高エネルギーまで加速させる必要が
ある場合には、加速器の長さが必然的に長くなり、この
結果、高エネルギーイオン注入装置全体の長さが長くな
ってしまうという問題がある。したがって、従来の４Ｒ
ｏｄ−ＲＦＱ型加速器を用いた高エネルギーイオン注入
装置は、設置スペースを広くとらなければならず、場合
によっては実用化し難いのが現状である。

【００１０】本発明は、上記に鑑みなされたものであ
り、その目的は、全体の長さを短縮することができる高
周波四重極装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波四重極装
置は、棒状の四重極電極群と、導電性ベースと、この導
電性ベースに立設され、電極群の中心に四重極電場が形
成されるように上記四重極電極群を半分ずつ支持する導
電性第１ポストおよび導電性第２ポストとからなる電極
アセンブリを備えると共に、この電極アセンブリを真空
チャンバ内に収納してなるものであって、上記の課題を
解決するために、以下の手段が講じられていることを特
徴とするものである。

【００１２】即ち、上記四重極電極群は少なくとも６本
以上の偶数本の電極からなり、その内の隣接する４本の
電極の組み合わせによって少なくとも２箇所以上で四重
極電場が形成されるように、上記第１ポストおよび第２
ポストが、それぞれ、隣接する４本の電極の組み合わせ
全てにおいて対角線上に位置する異なる電極群を支持し
ている。

【００１３】

【作用】上記の構成によれば、従来１つの電極アセンブ
リに４本の棒状電極が用いられていたのに対し、本発明
では少なくとも６本以上の偶数本（４＋２ｎ本、ｎは０
以外の自然数）の棒状電極が１つの電極アセンブリに用
いられる。そして、これらの四重極電極群は、導電性ベ
ースに立設された導電性第１ポストおよび導電性第２ポ
ストによって半分ずつ支持される。上記第１ポストおよ
び第２ポストは、四重極電極群の内の隣接する４本の電
極の組み合わせによって少なくとも２箇所以上で四重極
電場が形成されるように、それぞれ、隣接する４本の電
極の組み合わせ全てにおいて対角線上に位置する異なる
電極群を支持している。

【００１４】上記電極アセンブリは、電極間のキャパシ
タンスと第１および第２ポストのインダクタンスとで結
合された共振器であり、これに高周波電力を供給して共
振させれば、例えば、電極が６本のときは２本の電極が
共通電極となって２箇所に四重極電場が形成されるとい
うように、４＋２ｎ本の電極で１＋ｎ箇所に四重極電場
が形成されることになる。

【００１５】このように、同一真空チャンバ内に、複数
のＲＦＱ構造を、長さ方向と直交する方向に重ねて持た
せることができ、一つの高周波電力供給手段によって複
数のＲＦＱ構造を励起できる。そして、複数のＲＦＱ構
造のビーム出射部と入射部とを、偏向角１８０°の電磁
石等のビーム輸送手段を用いて接続することによって、
全体の長さを約１／（１＋ｎ）倍に短縮できる。

【００１６】例えば、各電極の対向面にモジュレーショ
ンを形成したＲＦＱ型加速器を、高エネルギーイオン注
入装置に適用する場合、上記ビーム輸送手段として偏向
角１８０°の分析マグネットを用いることができ、高エ
ネルギーイオン注入装置の長さを大幅に短縮できる。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図４に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１８】本実施例に係るＲＦＱ型加速器は、図１に
示すように、６本の棒状の四重極電極群１〜６と、導電
性の第１ポスト７と、導電性の第２ポスト８と、導電性
のベース９とを含む電極アセンブリ１０を備えている。

【００１９】上記電極１〜４は、それらの電極中心軸上
に四重極電場ができるように、互いに９０゜の間隔で水
平軸まわりに配置されている。また、電極５・６は、電
極４・３の下方において、電極４・３を対称軸として電
極１・２と対称に配置されている。

【００２０】上記第１ポスト７および第２ポスト８は、
所定間隔をおいてベース９に立設され、それぞれ３本ず
つの電極を支持する。即ち、上記第１ポスト７は、隣接
する４本の電極１〜４の対角線上に位置する電極１・３
と、隣接する４本の電極３〜６における電極３の対角線
上に位置する電極５とを支持している。一方、上記第２
ポスト８は、上記電極１〜４の対角線上に位置する電極
２・４と、上記電極３〜６における電極４の対角線上に
位置する電極６とを支持している。上記一対の第１およ
び第２ポスト７・８は、電極１〜６の長さに応じて、複
数対設けられるが、一対だけであってもよい。

【００２１】電極１〜６の中央に位置する電極３は、そ
の両端部が電極１および電極５に対向するように断面Ｌ
字状に加工されている。同じく電極１〜６の中央に位置
する電極４は、その両端部が電極２および電極６に対向
するように断面Ｌ字状に加工されている。

【００２２】上記電極１〜４の対角線上に位置する電極
１・３の対向面、および電極２・４の対向面には、これ
らの電極１〜４の中心に軸方向の加速電場を形成するた
めに、それぞれモジュレーションが形成されており（対
向面が波面状に加工されており）、電極１・３のモジュ
レーションと電極２・４のモジュレーションとは相互に
１８０゜ずれている。また、上記電極３〜６の対角線上
に位置する電極３・５の対向面、および電極４・６の対
向面には、これらの電極３〜６の中心に軸方向の加速電
場を形成するために、それぞれモジュレーションが形成
されており、電極３・５のモジュレーションと電極４・
６のモジュレーションとは相互に１８０゜ずれている。

【００２３】各電極１〜６に形成されているモジュレー
ションの山と谷との間（以下、１セルと称する）は、１
／２βλ（β：イオンの速度と光速との比、λ：共振周
波の波長）に設定されており、イオンの速度が小さい入
射部は、１セルが短く、出射部に近づく程１セルが長く
なっている。

【００２４】本実施例では、上記電極１〜４に囲まれる
空間においてＲＦＱ電場が形成されると共に、電極３〜
６に囲まれる空間においてもＲＦＱ電場が形成される。
以下、電極１〜４に囲まれる空間を第１ＲＦＱ加速部１
１、電極３〜６に囲まれる空間を第２ＲＦＱ加速部１２
と称する。

【００２５】本実施例では、第１ＲＦＱ加速部１１の出
射部と第２ＲＦＱ加速部１２の入射部とを、偏向角１８
０°の電磁石を用いて接続することにより、第１ＲＦＱ
加速部１１で加速したイオンビームを、さらに第２ＲＦ
Ｑ加速部１２で加速するようになっている（図２参
照）。そこで、イオンビームの導入部となる第１ＲＦＱ
加速部１１の入射部付近には、イオンビームを集群（バ
ンチ）するバンチ部が設けられている。尚、第１ＲＦＱ
加速部１１から出射されるイオンビームは、バンチ構造
であるので、第２ＲＦＱ加速部１２の入射部にはバンチ
部を設ける必要はない。

【００２６】上記電極アセンブリ１０は、図示しない真
空チャンバ内に固定されている。真空チャンバの外部に
は、図示しない高周波電源が設けられ、例えばドライブ
ループによる磁場結合、あるいは電場結合によって真空
チャンバ内の電極アセンブリに高周波電力を供給するよ
うになっている。

【００２７】上記構成のＲＦＱ型加速器を、高エネルギ
ーイオン注入装置に適用した例を、図２を参照して以下
に説明する。

【００２８】この高エネルギーイオン注入装置は、基本
的には、イオン源物質をプラズマ化してイオンを生成す
るイオン源１３と、このイオン源１３から引き出された
イオンビームを整形（収束）するレンズ１４と、上記電
極アセンブリ１０を備えたＲＦＱ型加速器１５と、所望
質量のイオンのみを選択的に取り出す偏向角１８０°の
分析マグネット１６と、半導体ウェハ等のイオン照射対
象物をセットして所定エネルギーまで加速されたイオン
ビームをイオン照射対象物に照射して注入処理を行う照
射室１７とから構成される。

【００２９】イオン源１３から引き出されたイオンビー
ムは、レンズ１４によって整形された後、ＲＦＱ型加速
器１５の第１ＲＦＱ加速部１１に導入される。尚、イオ
ンビームは、このＲＦＱ型加速器１５に適合する速度で
第１ＲＦＱ加速部１１に導入される。そこで、必要であ
れば、ＲＦＱ型加速器１５のビーム入射にマッチングさ
せるための静電型加速器を、イオン源１３とレンズ１４
との間に設けてもよい。

【００３０】このＲＦＱ型加速器１５は、電極間のキャ
パシタンスと第１および第２ポスト７・８のインダクタ
ンスとで結合された共振器であり、高周波電源から磁場
結合あるいは電場結合によって真空チャンバ内の電極ア
センブリ１０に高周波電力が供給されることによって共
振し、第１ＲＦＱ加速部１１および第２ＲＦＱ加速部１
２に、それぞれ、軸方向の加速電場および収束電場（四
重極電場）が形成される。

【００３１】ＲＦＱ型加速器１５の第１ＲＦＱ加速部１
１に導入されたイオンビームは、先ず、入射部付近に設
けられたバンチ部でバンチングされた後、第１ＲＦＱ加
速部１１を通過するに連れて加速され、ある程度加速さ
れた状態で第１ＲＦＱ加速部１１から出射される。

【００３２】第１ＲＦＱ加速部１１から出射されたイオ
ンビームは、偏向角１８０°の分析マグネット１６に導
入され、ここで質量分析が行われる。第１ＲＦＱ加速部
１１の出射部と第２ＲＦＱ加速部１２の入射部とは、こ
の分析マグネット１６によって接続されており、分析マ
グネット１６から出射された所望質量のイオンからなる
イオンビームは、第２ＲＦＱ加速部１２に導入される。
尚、この場合、第２ＲＦＱ加速部１２のビーム入射条件
に適合させるために、分析マグネット１６にはレンズ効
果を持たせる必要がある。例えば、分析マグネット１６
の出射部と第２ＲＦＱ加速部１２の入射部との間にレン
ズを設けてもよい。

【００３３】ＲＦＱ型加速器１５の第１ＲＦＱ加速部１
２に導入されたイオンビームは、第１ＲＦＱ加速部１１
とは逆方向に進行しながら、さらに加速されて出射さ
れ、照射室１７に導入される。そして、上記ＲＦＱ型加
速器１５で所定エネルギーに加速されたイオンビーム
は、照射室１７にセットされたイオン照射対象物に照射
される。

【００３４】通常、¹¹Ｂ⁺ を１ＭｅＶまで加速する場合
には、加速管の長さは約２ｍになるが、上記ＲＦＱ型加
速器１５の場合、１つの真空チャンバの中に２つのＲＦ
Ｑ構造を有し、第１ＲＦＱ加速部１１と第２ＲＦＱ加速
部１２とが上下に重なっているため、第１ＲＦＱ加速部
１１と第２ＲＦＱ加速部１２との合計の長さは約２ｍで
も、全体の長さは約１ｍに短縮される。

【００３５】また、上記では、通常、イオン源１３とレ
ンズ１４との間に設けられる分析マグネット（この場合
は、主に偏向角９０°のものが用いられる）を、ＲＦＱ
型加速器１５の第１ＲＦＱ加速部１１と第２ＲＦＱ加速
部１２とを接続するビーム輸送手段として用いているの
で、高エネルギーイオン注入装置の小型化を図ることが
できる。

【００３６】勿論、イオン源１３とレンズ１４との間に
分析マグネットを設け、偏向角１８０°の電磁石等の何
らかのビーム輸送系によって、ＲＦＱ型加速器１５の第
１ＲＦＱ加速部１１と第２ＲＦＱ加速部１２とを接続し
てもよい。偏向角１８０°の電磁石を用いた場合、通
常、第１ＲＦＱ加速部１１の出射部から第２ＲＦＱ加速
部１２の入射部までのビーム輸送距離は、数十センチメ
ートルと短く、イオンビームのバンチ構造が大きく壊れ
ることはない。

【００３７】以上のように、本実施例のＲＦＱ型加速器
１５は、図１に示すように、６本の棒状の四重極電極群
１〜６と、導電性ベース９と、このベース９に所定間隔
をおいて立設されて四重極電極群１〜６を半分ずつ支持
する導電性第１ポスト７および導電性第２ポスト８とか
らなる電極アセンブリ１０を備えると共に、この電極ア
センブリ１０が真空チャンバ内に収納されたものであっ
て、隣接する４本の電極１〜４および電極３〜６の各中
心部にそれぞれ四重極電場が形成されるように、上記第
１ポスト７が電極群１〜４および電極群３〜６の対角線
上にある電極１・３・５を支持すると共に、上記第２ポ
スト８が別の対角線上にある電極２・４・６を支持して
いる構成である。

【００３８】これにより、同一真空チャンバ内に２つの
ＲＦＱ構造を持った加速器を実現でき、一つの高周波電
力供給手段によって両方のＲＦＱ構造を励起できる。そ
して、上記のように、第１ＲＦＱ加速部１１の出射部と
第２ＲＦＱ加速部１２の入射部を偏向角１８０°の電磁
石等のビーム輸送手段を用いて接続することによって、
従来と同じ加速能力を有するものであっても、全体の長
さを従来の略半分に短縮できる。

【００３９】また、このＲＦＱ型加速器１５を高エネル
ギーイオン注入装置に適用した場合、図２に示すよう
に、偏向角１８０°の分析マグネット１６をビーム輸送
手段として用いることができ、高エネルギーイオン注入
装置の長さの短縮化に非常に有効である。

【００４０】尚、上記実施例では、第１ポスト７および
第２ポスト８が同一方向に延びて一つのベース９に固定
されているが、これに限定されるものではない。例え
ば、図３に示すように、電極１・３・５を支持する第１
ポスト７′および電極２・４・６を支持する第２ポスト
８′が互いに逆方向に延びて２つのベース９′・９′に
固定されていてもよい。尚、この場合、２つのベース
９′・９′は、両方とも真空チャンバの内壁に接触する
ように固定される。

【００４１】また、上記実施例では、四重極電極群とし
て６本の電極１〜６が用いられ、２箇所で四重極電場が
形成されるようになっているが、これに限定されるもの
ではない。例えば、図４に示すように、四重極電極群と
して８本の電極２１〜２６を用い、ベース９″に立設さ
れた第１ポスト７″が電極２１・２３・２５・２７を支
持し、ベース９″に立設された第２ポスト８″が電極２
２・２４・２６・２８を支持する電極アセンブリを用い
ることもでき、この電極アセンブリでは、隣接する４本
の電極に囲まれる空間、即ち、電極群２１〜２４に囲ま
れる空間、電極群２３〜２６に囲まれる空間、および電
極群２５〜２８に囲まれる空間の３箇所で四重極電場が
形成される。

【００４２】さらに、四重極電極群が１０本以上の電極
からなり、４箇所以上で四重極電場が形成されるように
することもできる。即ち、本発明のＲＦＱ型加速器は、
４＋２ｎ本（ｎは０以外の自然数）の四重極電極群を有
し（即ち、少なくとも６以上の偶数本の四重極電極群を
有し）、その内の隣接する４本の電極の組み合わせによ
って、１＋ｎ箇所（即ち、少なくとも２箇所以上）で四
重極電場が形成されるように、ベースに立設された第１
ポストおよび第２ポストが、それぞれ、隣接する４本の
電極の組み合わせ全てにおいて対角線上に位置する異な
る電極群を支持してなる電極アセンブリを備えたもので
あり、同一真空チャンバ内に複数のＲＦＱ構造を持った
加速器を実現でき、一つの高周波電力供給手段によって
複数のＲＦＱ構造を励起できる。そして、複数のＲＦＱ
構造のビーム出射部と入射部とを、偏向角１８０°の電
磁石等のビーム輸送手段を用いて接続することによっ
て、全体の長さを約１／（１＋ｎ）倍に短縮できる。

【００４３】また、上記実施例では、高周波四重極装置
としてＲＦＱ型加速器１５を例に挙げて説明したが、こ
れに限定されるものではなく、例えばＱマス（quadrupo
le mass spectrometer）等の加速をともなわないＲＦ共
振器にも適用できる。上記実施例は、あくまでも、本発
明の技術内容を明らかにするものであって、そのような
具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではな
く、本発明の精神と特許請求の範囲内で、いろいろと変
更して実施することができるものである。

【００４４】

【発明の効果】本発明の高周波四重極装置は、以上のよ
うに、棒状の四重極電極群と、導電性ベースと、この導
電性ベースに立設され、電極群の中心に四重極電場が形
成されるように上記四重極電極群を半分ずつ支持する導
電性第１ポストおよび導電性第２ポストとからなる電極
アセンブリを備えると共に、この電極アセンブリを真空
チャンバ内に収納してなるものであって、上記四重極電
極群は少なくとも６本以上の偶数本の電極からなり、そ
の内の隣接する４本の電極の組み合わせによって少なく
とも２箇所以上で四重極電場が形成されるように、上記
第１ポストおよび第２ポストは、それぞれ、隣接する４
本の電極の組み合わせ全てにおいて対角線上に位置する
異なる電極群を支持している構成である。

【００４５】それゆえ、同一真空チャンバ内に、複数の
ＲＦＱ構造を、長さ方向と直交する方向に重ねて持たせ
ることができ、複数箇所に四重極電場を形成できる。こ
のため、複数のＲＦＱ構造のビーム出射部と入射部と
を、偏向角１８０°の電磁石等のビーム輸送手段を用い
て接続することによって、従来と同じ能力（例えば、加
速能力）を有するものであっても、全体の長さを従来よ
りも大幅に短縮できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すものであり、高周波四
重極型加速器の電極アセンブリを示す概略の斜視図であ
る。

【図２】上記高周波四重極型加速器を用いた高エネルギ
ーイオン注入装置の要部を示す概略構成図である。

【図３】本発明の電極アセンブリの一変形例を示す概略
の斜視図である。

【図４】本発明の電極アセンブリの他の変形例を示す概
略の斜視図である。

【図５】従来の高周波四重極型加速器の電極アセンブリ
を示す概略の斜視図である。

【符号の説明】

１〜６ 電極 ７ 第１ポスト ８ 第２ポスト ９ ベース １０ 電極アセンブリ １１ 第１ＲＦＱ加速部 １２ 第２ＲＦＱ加速部 １５ 高周波四重極型加速器 １６ 分析マグネット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】棒状の四重極電極群と、導電性ベースと、
   この導電性ベースに立設され、電極群の中心に四重極電
   場が形成されるように上記四重極電極群を半分ずつ支持
   する導電性第１ポストおよび導電性第２ポストとからな
   る電極アセンブリを備えると共に、この電極アセンブリ
   を真空チャンバ内に収納してなる高周波四重極装置にお
   いて、 上記四重極電極群は少なくとも６本以上の偶数本の電極
   からなり、その内の隣接する４本の電極の組み合わせに
   よって少なくとも２箇所以上で四重極電場が形成される
   ように、上記第１ポストおよび第２ポストは、それぞ
   れ、隣接する４本の電極の組み合わせ全てにおいて対角
   線上に位置する異なる電極群を支持していることを特徴
   とする高周波四重極装置。