特開 2024-28745 コンパクトな高エネルギーイオン注入システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024028745

(43)【公開日】2024-03-05

(54)【発明の名称】コンパクトな高エネルギーイオン注入システム

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/317 20060101AFI20240227BHJP

   H05H 9/00 20060101ALI20240227BHJP

   H05H 5/06 20060101ALI20240227BHJP

【ＦＩ】

H01J37/317 Z

H05H9/00 A

H05H5/06

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023198893

(22)【出願日】2023-11-24

(62)【分割の表示】P 2020567069の分割

【原出願日】2019-05-22

(31)【優先権主張番号】15/995,913

(32)【優先日】2018-06-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】500324750

【氏名又は名称】バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】シンクレア， フランク

(57)【要約】      （修正有）

【解決手段】装置は、第１のイオンエネルギーでイオンビームを生成するように構成されたイオン源を含み得る。該装置は、さらに、イオン源の下流に配置され、第１のイオンエネルギーよりも大きい第２のイオンエネルギーまでイオンビームを加速するように構成されたＤＣ加速器カラムを含み得る。装置は、ＤＣ加速器カラムの下流に配置され、第２のイオンエネルギーよりも大きい第３のイオンエネルギーまでイオンビームを加速するように構成された線形加速器を含み得る。
【効果】既知の線形加速器と比較して、高エネルギーイオン注入装置用の総設置面積がより小さいという利点を提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のイオンエネルギーでイオンビームを生成するように構成された、イオン源および抽出システムと、
前記イオン源の下流に配置され、前記第１のイオンエネルギーよりも大きい第２のイオンエネルギーまで前記イオンビームを加速するように構成されたＤＣ加速器カラムと、
前記ＤＣ加速器カラムの下流に配置され、前記第２のイオンエネルギーよりも大きい第３のイオンエネルギーまで前記イオンビームを加速するように構成された線形加速器と
を備える、装置。

【請求項2】

前記線形加速器が、少なくとも１つの三重間隙加速器段を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記線形加速器が、少なくとも３つの三重間隙加速器段を備える、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記線形加速器が、共振器を備える少なくとも１つの加速器段と、前記共振器に連結され、２０ＭＨｚを上回る周波数を有する信号を生成する高周波生成器とを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記信号が、４０ＭＨｚの周波数を含む、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記線形加速器が、前記ＤＣ加速器カラムと前記線形加速器との間に配置されたバンチャをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記線形加速器が、複数の加速器段を備え、少なくとも１つの加速器段は、第１電圧信号を受信するために第１電圧源に連結され、少なくとも１つの他の加速器段は、前記第１電圧信号に対して位相がずれた第２電圧信号を受信するために連結されている、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記第２のイオンエネルギーが２００ｋｅＶ以上であり、前記第３のエネルギーが１ＭｅＶ以上である、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

高エネルギーイオンビームを生成する方法であって、
イオン源において低イオンエネルギーでイオンビームを生成することと、
ＤＣ加速器カラムを通して、前記イオンビームを２００ｋｅＶを上回る中間イオンエネルギーまで加速することと、
前記ＤＣ加速器カラムの下流に配置された線形加速器において、前記イオンビームを１ＭｅＶを上回る高エネルギーまで加速することと
を含む、方法。

【請求項10】

前記線形加速器が、少なくとも１つの三重間隙加速器段を備える、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記線形加速器が、共振器を備える少なくとも１つの加速器段と、前記共振器に連結された４０ＭＨｚ生成器とを備える、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記線形加速器が、前記ＤＣ加速器カラムと前記線形加速器との間に配置されたバンチャをさらに備える、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記線形加速器が複数の加速器段を備え、前記線形加速器において前記イオンビームを加速することが、前記線形加速器の第１の加速器段に第１電圧信号を印加することと、前記線形加速器の第２加速器段に第２電圧信号を印加することとを含み、前記第２電圧信号は、前記第１電圧信号に対して位相がずれている、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記線形加速器が、複数の無線周波数電圧信号によってそれぞれ駆動される複数の加速器段を備える、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

コンパクトな高エネルギーイオン注入システムであって、
第１のエネルギーでイオンビームを生成するように構成された、イオン源および抽出システムと、
前記イオン源の下流に配置され、前記イオンビームを２００ｋｅＶを上回る中間イオンエネルギーまで加速するように構成されたＤＣ加速器カラムと、
前記ＤＣ加速器カラムの下流に配置され、前記イオンビームの軌道を変更するように構成された分析器と、
前記分析器の下流に配置され、前記イオンビームを１ＭｅＶを上回る高エネルギーまで加速するように構成された線形加速器と
を備える、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［０００１］本開示は、概してイオン注入装置に関し、より詳細には、高エネルギービームラインイオン注入装置に関する。

【背景技術】

【0002】

［０００２］イオン注入は、衝突を介して基板にドーパントまたは不純物を導入するプロセスである。イオン注入システムは、イオン源および一連のビームライン構成要素を備え得る。イオン源は、イオンが生成されるチャンバを備え得る。イオン源はまた、電源およびチャンバの近くに配置された抽出電極アセンブリも備え得る。ビームライン構成要素は、例えば、質量分析器、第１の加速または減速段、コリメータ、および第２の加速または減速段を含み得る。光線を操作するための一連の光学レンズのように、ビームライン構成要素は、特定の種、形状、エネルギー、および／または他の性質を有するイオンまたはイオンビームをフィルタし、集束させ、かつ操作することが可能である。イオンビームは、ビームライン構成要素を通過し、プラテンまたはクランプ上に取り付けられた基板に向かって方向付けられ得る。

【0003】

［０００３］約１ＭｅＶ以上のイオンエネルギーを生成することができる注入装置は、高エネルギーイオン注入装置、または高エネルギーイオン注入システムと称されることが多い。高エネルギーイオン注入装置の１つのタイプは、いわゆるタンデム加速アーキテクチャを採用しており、イオンは、第１のカラムを通って高エネルギーまで加速され、電荷交換を受けて極性を変化させ、次いで第２のエネルギーまで加速され、第２のカラムにおいて第１のエネルギーの約２倍になる。別のタイプの高エネルギーイオン注入装置は、線形加速器、すなわちリニアック（ＬＩＮＡＣ）と呼ばれ、チューブとして配置された一連の電極がイオンビームを伝導し、かつ、一連のチューブに沿ってますます高いエネルギーにまで加速し、電極がＡＣ電圧信号を受信する。標準のＬＩＮＡＣは、コイルおよびキャパシタを含む共振器回路を用いて、１３．５６ＭＨｚ（または１０～２０ＭＨｚの範囲内にあってもよい）の信号によって駆動される。全般的に、１３．５６ＭＨｚ共振器を採用する標準的なＬＩＮＡＣは、多くの加速器段を採用し、その結果多くの共振器が、最初は低エネルギーのイオンビームをターゲットイオンエネルギーまで加速するために、動作のための比較的大きな設置面積を必要とする。これらおよび他の検討事項に対して、本開示が提供される。

【発明の概要】

【0004】

［０００４］様々な実施形態は、新規なイオン注入装置に関する。一実施形態では、装置は、第１のイオンエネルギーでイオンビームを生成するように配置されたイオン源を含み得る。装置は、さらに、イオン源の下流に配置され、第１のイオンエネルギーより大きい第２のイオンエネルギーまでイオンビームを加速するように構成された、ＤＣ加速器カラムを含み得る。装置は、ＤＣ加速器カラムの下流に配置された線形加速器を含み得、該線形加速器は、第２のイオンエネルギーより大きい第３のイオンエネルギーまでイオンビームを加速するように構成される。

【0005】

［０００５］別の実施形態では、高エネルギーイオンビームを生成するための方法は、イオン源において低イオンエネルギーでイオンビームを生成することを含み得る。本方法は、ＤＣ加速器カラムを通じて２００ｋｅＶより大きい中間イオンエネルギーまでイオンビームを加速することを含み得る。本方法は、さらに、ＤＣ加速器カラムの下流に配置された線形加速器において、１ＭｅＶより大きい高エネルギーまでイオンビームを加速することを含み得る。

【0006】

［０００６］さらなる実施形態では、第１のエネルギーでイオンビームを生成するように配置された、イオン源および抽出システムを含む、コンパクトな高エネルギーイオン注入システムが提供される。該システムは、さらに、イオン源の下流に配置され、２００ｋｅＶより大きい中間イオンエネルギーまでイオンビームを加速するように構成された、ＤＣ加速器カラムを含み得る。該システムは、ＤＣ加速器カラムの下流に配置され、イオンビームの軌道を変更するように構成された分析器と、分析器の下流に配置され、１ＭｅＶより大きい高エネルギーまでイオンビームを加速するように構成された線形加速器とを含み得る。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】［０００７］本開示の実施形態による装置を明示する例示的な実施形態を示す。

【図2】［０００８］本開示の実施形態による線形加速器の例示的な加速器段の構造を示す。

【図3】［０００９］図２の線形加速器の加速器段に関連する様々なパラメータを示すグラフである。

【図4】［００１０］本開示の実施形態に従って配置された、ＬＩＮＡＣの加速器段に対するモデリング結果を提示する。

【図5】［００１１］本開示のいくつかの実施形態による例示的なプロセスフローを示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

［００１２］図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面は、単なる表現であり、本開示の特定のパラメータを表すことを意図しない。図面は、本開示の例示的な実施形態を示すことを意図しており、したがって、範囲を限定するものと見なされない。図面では、同様の番号が同様の要素を表す。

【0009】

［００１３］ここで、本開示による装置、システムおよび方法を、システムおよび方法の実施形態が示される添付の図面を参照しながら、以下により十分に説明する。該システムおよび方法は、多くの異なる形態で実現されてよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されない。その代わりに、上記実施形態は、本開示が一貫しておりかつ完全となるように提供され、当業者にシステムおよび方法の範囲を十分に伝える。

【0010】

［００１４］図面に見られるような半導体製造デバイスの構成要素の形状寸法および配向に対して、これらの構成要素およびその構成部品の相対的な配置および配向を記載するために、「上部」、「底部」、「上方」、「下方」、「垂直」、「水平」、「横方向」、および「長手方向」などの用語が本書で使用され得る。専門用語には、具体的に言及された単語、その派生語、および同様の趣旨の単語が含まれ得る。

【0011】

［００１５］本明細書で使用される、単数形で列挙され、「ａ」または「ａｎ」という単語に続く要素または動作は、複数の要素または動作を潜在的に含むものとしても理解される。さらに、本開示の「一実施形態」への言及は、列挙された特徴も組み込む付加的な実施形態の存在を除外するものとして解釈されることを意図しない。

【0012】

［００１６］本明細書では、ビームラインアーキテクチャに基づく、改良型の高エネルギーイオン注入システムのためのアプローチが提供される。簡潔にするために、本明細書では、イオン注入システムは「イオン注入装置」とも称され得る。様々な実施形態は、高エネルギーイオンを生成する能力を提供するための新規な構成を提供し、ここで、基板に供給される最終イオンエネルギーは、１ＭｅＶ以上であってよい。本開示の実施形態の一態様は、２つの異なる加速サブシステムの新規な組み合わせであり、既知のビームラインアーキテクチャを超える様々な利点を提供する。例示的な実施形態において、ＤＣ加速器カラムは、コンパクトなビームラインアーキテクチャにおいて高エネルギーイオンビームを生成するために、新規な線形加速器と直列に設けられる。

【0013】

［００１７］ここで図１を参照すると、例示的な装置がブロック形式で示される。装置１００は、ビームラインイオン注入装置を表し得、いくつかの要素は、説明を明確にするために示されない。装置１００は、当技術分野で知られているように、イオン源１０２と、ターミナル１０４内に配置されたガスボックス１０７とを含み得る。イオン源１０２は、第１のエネルギーでイオンビーム１０６を生成するために、抽出構成要素およびフィルタ（図示せず）を含む抽出システムを含み得る。第１のイオンエネルギーのための適切なイオンエネルギーの例は、５ｋｅＶ～１００ｋｅＶの範囲であるが、実施形態は、この文脈に限定されない。高エネルギーイオンビームを生成するために、装置１００は、イオンビーム１０６を加速するための様々な付加的な構成要素を含む。装置１００は、イオン源１０２の下流に配置されたＤＣ加速器カラム１０８を含む。ＤＣ加速器カラム１０８は、イオンビーム１０６を加速させ、第２のイオンエネルギーで加速ビーム１０９を生成するように構成されている。第２のイオンエネルギーは、イオン源１０２によって生成された第１のイオンエネルギーよりも大きい。ＤＣ加速器カラム１０８は、中型のエネルギーイオン注入装置で使用されるカラムなどの既知のＤＣ加速器カラムのように構成されてもよい。

【0014】

［００１８］図示のように、装置１００は、既知の装置と同様、イオンビーム１０６の軌道を変化させることによって加速イオンビーム１０９を分析するよう機能する分析器１１０を含み得る。また、装置１００は、ＤＣ加速器カラム１０８の下流に配置されたバンチャ（集束器、ｂｕｎｃｈｅｒ）１１２および線形加速器１１４（破線で示される）を含み得、ここで、線形加速器１１４は、第２のエネルギーよりも大きい第３のエネルギーで、高エネルギーイオンビーム１１５を生成するために、加速イオンビーム１０９を加速するように構成される。線形加速器１１４は、図示のように直列に配置された複数の加速器段１２６を含み得る。様々な実施形態では、第３のエネルギーは、イオンビーム１０６の最終イオンエネルギー、またはほぼ最終イオンエネルギーを表し得る。様々な実施形態では、装置１００は、フィルタ磁石１１６、スキャナ１１８、コリメータ１２０などの付加的な構成要素を含み得、スキャナ１１８およびコリメータ１２０の一般的な機能は周知であり、本明細書ではさらに詳細には記載しない。このようにして、高エネルギーイオンビーム１１５によって表される高エネルギーイオンビームは、基板１２４を処理するために、最終ステーション１２２に供給されてもよい。

【0015】

［００１９］装置１００の際立った特徴は、ＤＣ加速器段と線形加速器との直列の連結である。様々な実施形態では、ＤＣ加速器段１０８は、２００ｋｅＶ以上のエネルギーまでイオンビーム１０６を加速し得る。一例として、イオンビーム１０６は、イオン源１０２から抽出され、２０ｋｅＶ～８０ｋｅＶの範囲の第１のエネルギーを提供され得、ＤＣ加速器段は、イオンビーム１０６を加速して、５００ｋｅＶの第２のエネルギーで加速イオンビーム１０９を生成する。次いで、５００ｋｅＶのエネルギーを有する加速イオンビーム１０９が、さらなる加速のために線形加速器１１４に伝導される。比較的高エネルギーを有する加速イオンビーム１０９を線形加速器１１４に提供する利点を以下に詳細に示す。

【0016】

［００２０］本開示の様々な実施形態によると、線形加速器１１４は、加速イオンビーム１０９を高エネルギーまでさらに加速するために、複数の加速器段を含み得る。いくつかの実施形態では、線形加速器１１４の加速器段は、二重間隙加速器段であってもよく、他の実施形態では、線形加速器１１４の加速器段は、三重間隙加速器段であってもよい。特定の実施形態では、線形加速器１１４は、少なくとも３つの三重間隙加速器段を含み得る。

【0017】

［００２１］図２は、本開示の実施形態による、線形加速器の例示的な加速器段の構造を示す。図３は、図２の線形加速器の加速器段に関連する様々なパラメータを示すグラフである。より詳細には、図２は、三重間隙加速器段として配置された加速器段２００の実施形態を示す。既知のように、線形加速器（ＬＩＮＡＣ）は集束イオンビームとしてイオンビームを受け取る。集束イオンビームは、二重間隙加速器段内の２つの間隙、または三重間隙加速器段内の３つの間隙で加速され得る。

【0018】

［００２２］図２の構成は、共振器２０４と、共振器２０４に連結された高周波生成器２０２と、ドリフト管２１０、ドリフト管２１２、ドリフト管２１４、およびドリフト管２１６として示される一連の加速ドリフト管とを含む、三重間隙加速器段を示す。「ドリフト管」という用語は、電界がチューブの内部に侵入しないように制御された電位で導体によって囲まれたビームラインの空洞または領域を示すことが知られているが、該電界はドリフト管の入口領域および出口領域に制限される。したがって、荷電粒子は、このドリフト管を通って一定の速度で移動または「ドリフト」することになる。高周波生成器２０２は、例えば２０ＭＨｚ以上の無線周波数信号を生成し得、いくつかの実施形態では、４０ＭＨｚの信号を生成し得る。共振器２０４は、無線周波電圧信号などの高電圧、高周波信号を生成するための電圧源として作用する昇圧器として構成され得る。この高電圧信号は、ドリフト管の電圧を制御するために使用され、したがって、加速器段２００によって提供される加速を規定する。概して図２に示すように配置された一連の加速器段を直列に配置して、イオンエネルギーを最終的な目標イオンエネルギーまで漸増的に増加させることができる。

【0019】

［００２３］本開示の実施形態によると、加速器段内のドリフト管の長さのみならず、線形加速器１１４などの線形加速器内の加速器段の数を特定するためにも、様々な検討事項を考慮に入れることができる。最初に、加速器段２００の動作原理について簡単に説明する。図２の構成に示すように、第１の加速ドリフト管であるドリフト管２１０は、所与のイオンエネルギーを有するイオンビーム２３０を受け取り、このイオンエネルギーはＤＣ加速器カラム１０８によって規定される。ＲＦ電圧は、図３に示すＡＣ信号３０２として提供され得、ここで、ＡＣ信号３０２は、イオンの束がその位置にある時間に対応するｚ軸値に沿って示される。束が加速すると、一時的な周波数は固定されているにもかかわらず、この束の波長は長くなる。次いで、束（イオンビーム２３０によって表される）は、加速器段のドリフト管に印加されるＲＦ信号の印加によって、加速器段２００を通って加速される。ＲＦ信号は、図３において、例示的な印加信号であるＡＣ信号３０２によって示されるように、正弦波などの適切な形状を有し得る。ＡＣ信号３０２は、印加電圧の最大振幅Ｖｍａｘによって特徴付けられ得、ここで、ＡＣ信号は、ドリフト管２１２とドリフト管２１４との間に印加される。したがって、ドリフト管２１２とドリフト管２１４との間に印加される電圧の最大値は、２Ｖｍａｘである。特に、ドリフト管２１０、および最後のドリフト管であるドリフト管２１６は、接地されている。

【0020】

［００２４］図２にさらに示されるように、加速器段２００は、点Ｐ１におけるドリフト管２１０の端部と点Ｐ２におけるドリフト管２１２の始点との間の間隙２２０によって特徴付けられる。加速器段は、さらに、点Ｐ３におけるドリフト管２１２の端部と点Ｐ４におけるドリフト管２１４の始点との間の間隙２２２によって特徴付けられる。加速器段は、さらに、点Ｐ５におけるドリフト管２１４の端部と点Ｐ６におけるドリフト管２１６の始点との間の間隙２２４によって特徴付けられる。特に、所与のドリフト管内では、イオンビーム２３０は加速せず、所与の速度で所与のドリフト管を通って単にドリフトする。加速器段２００の各間隙において、ＡＣ信号は、隣接するドリフト管の間でイオンビーム２３０（集束イオンビームとして）を加速するように切り替わる。

【0021】

［００２５］Ｖｍａｘを有する所与のＡＣ電圧信号について、イオンビーム２３０に付与される付加エネルギーの最大量は、４ｑＶｍａｘに等しいことが示され得る。ここで、ｑはイオンの電荷である。この最大エネルギーは、所与のドリフト管のチューブの長さが集束イオンビームの速度に適合されるときに、イオンビーム２３０に付与されてもよい。チューブの長さが長すぎるか短すぎる場合、所与の間隙にわたってイオンビームに付与されるエネルギーの量は、付加エネルギーの２Ｖｍａｘ未満である。周知のように、イオンの速度は、単にイオンエネルギーおよびイオン質量によって決まり、イオンの荷電状態の影響を受けない。したがって、最大エネルギーは、典型的には、より高いイオン質量に対してより高くなる。その結果、加速器段２００の所与のドリフト管のチューブの長さは、イオンビーム２３０に使用されるイオンのイオンエネルギーおよびイオン質量を考慮して設計され得る。一例として、注入エネルギーは、より低いイオン質量と比較して、より高いイオン質量に対してより高くなる可能性がある。

【0022】

［００２６］加速器段を含む線形加速器の構成要素は容易に切り換えることができないので、所与の加速器段の様々なドリフト管の設計は、装置１００などの装置で採用される様々なイオン種およびイオンエネルギーを考慮に入れてよい。参考までに、既知のＬＩＮＡＣに関しては、生成器は、通常、１３．５６ＭＨｚでの動作に制限されてきた。原理上は、４０ＭＨｚ生成器を含む４０ＭＨｚ電源を使用してＬＩＮＡＣを駆動することができ、この場合、共振器サイズは、１３．５６ＭＨｚ共振器と比較して、それに応じて縮小され得る。特に、所与のチューブにおける最大電圧増加を得るために、チューブの長さは、イオンのエネルギーに適合される。したがって、イオンエネルギーが増加するにつれて、チューブの長さはビームラインに沿って増加する。以下に詳述するように、より重いイオンおよびより低いエネルギーに対しては、より短い長さのチューブが必要とされる。例えば、１００ｋｅＶのリンイオンエネルギーに対しては、４０ＭＨｚ共振器の場合、約１ｃｍの長さのチューブが要求される。かかる短い長さは、イオンビームの幅、したがってドリフト管の最小内径が１センチメートルのオーダーであり得る場合、ビーム制御と両立しないことがある。かかる短い長さでは、電界はドリフト管の「長さ」全体に侵入し、ドリフト管を無効にする。１３．５６ＭＨｚの共振器に関しては、８０ｋｅＶのリンの場合の理想的なチューブの長さは約３ｃｍであり、イオンビームが一連のチューブに入って高エネルギーへの加速を受けるときに、イオンビームを伝導するためのより適合性の高い形状寸法を提示する。かかる１３．５６ＭＨｚのＬＩＮＡＣシステムの欠点は、比較的大きな共振器およびそれに付随するより大きなＬＩＮＡＣであり、かかるイオン注入装置のために大きな設置面積を生成する。

【0023】

［００２７］表Ｉは、１０ＭｅＶまでのイオンエネルギーの関数として示される、様々なイオン種、水素、ホウ素、およびリンについての理想的なチューブの長さのリストを提供する。この長さは、指定のイオンが、ＡＣ電圧の１８０°またはπラジアンに相当する時間に移動する距離である。チューブの長さも信号周波数の関数であり、４０ＭＨｚの周波数（本実施形態が４０ＭＨｚ技術を採用し得る）に関してのみならず、線形加速器で一般に使用される１３．５６ＭＨｚに関しても示される。特に、１６０ｋｅＶ（０．１６ＭｅＶ）以下のイオンエネルギーでは、理想的なチューブの長さは非常に短く、リンでは４ｃｍ以下である。４０ＭＨｚでは、リンイオンのチューブの長さは、１６０ｋｅＶまたは８０ｋｅＶで約１ｃｍである。いくつかの例では、イオンビームのビーム幅が１ｃｍのオーダーであり得ると仮定すると、イオンビームを適切に制御するための光学系は、ビーム幅よりも長い、例えば少なくとも２センチメートルまたは３センチメートルのチューブの長さを要求し得る。したがって、表１は、イオンを加速するためにのみ線形加速器を採用し、本実施形態のＤＣ加速器カラムを欠く、既知のビームラインイオン注入装置において１３．５ＭＨｚ周波数を使用する１つの理由を強調する。換言すれば、既知の線形加速器ビームライン注入装置は、線形加速器に入るイオンビームに対して、８０ｋｅＶ以下のオーダーのイオンエネルギーを生成し得る。より低い周波数（１３．５６ＭＨｚ）のＲＦ生成器は、リンに対して３ｃｍのオーダーの線形加速器のためのチューブの長さを可能にし、１ｃｍのイオンビームのための適切なビーム制御に適している。特に、上述のように、４０ＭＨｚでは、イオンビームを加速するための理想的なチューブの長さは、１ｃｍのリンイオンビームを制御するための適切なドリフト管を構築するには短すぎる（０．６ｃｍ）。

【0024】

［００２８］上述の点に鑑みて、装置１００の構成は、イオンビームを加速するために線形加速器のみを採用するよりも、既知のビームライン注入装置を超えた利点を提供する。特に、ＤＣ加速器カラムは、例えば５００ｋｅＶのエネルギーまでイオンを加速し得るので、リンイオンビームを加速するためのこのエネルギーにおける理想的なチューブの長さは、２ｃｍのオーダーであり、１ｃｍのイオンビームを適切に制御するためのドリフト管を構築するのに適正な長さである。

表Ｉ

【0025】

［００２９］加速器段においてイオンビームを加速するために４０ＭＨｚの電圧信号を使用するさらなる利点は、１３．５６ＭＨｚ共振器と比較して、共振器のサイズが付随して縮小することである。共振器のサイズは、共振器を通るＡＣ場の周波数に反比例してよく、既知の１３．５６ＭＨｚ共振器と４０ＭＨｚ共振器との間でスケーリングを行う場合、実質的により小さな共振器サイズをもたらす。

【0026】

［００３０］上述のように、一連のドリフト管から成る加速器段に供給される電圧を適切に合わせるためには、ドリフト管の長さは、イオン種のイオンエネルギーおよび質量に対して適切であるべきである。図３に戻って、印加されたＲＦ電圧に関するモデリングの結果がさらに示され、ここで、Ｖｍａｘは８０ｋＶ、周波数は２０ＭＨｚ、かつ、ドリフト管は、ほぼｍ／ｑ＝１５でピークを生成するように選択される。ここで、ｑは電荷であり、ｍは質量である。電圧はＶ＝Ｖｍａｘ ｃｏｓ（ωｔ＋Φ）のように変化すると仮定する。集束イオンビーム（イオンビーム２３０）が各ドリフト管を移動するにつれて、ＡＣの位相は変化する。曲線３０４は、ドリフト管の中心軸に沿った電圧を表し、一方、曲線３０６は、ドリフト管の縁部における電圧を表す。曲線３０８はイオンエネルギーを表し、加速器段に入る最初のエネルギーは８０ｋｅＶである。間隙２２０は、１０ｍｍの長さを有し、間隙２２２は、２０ｍｍの長さを有し、間隙２２４は、１０ｍｍの長さを有し、ドリフト管２１２の長さは１２ｍｍであり、一方、ドリフト管２１４の長さは、２４ｍｍである。イオンビーム２３０の質量は１５ａｍｕと仮定する。図示するように、イオンエネルギーは、理論上の最大値４００ｋｅＶ（Ｖｍａｘが８０ｋＶ、注入エネルギーが８０ｋｅＶと仮定して）のうち、最終エネルギーの約３３０ｋｅＶを有する３つの間隙にわたって３つの増分で増加する。

【0027】

［００３１］様々な実施形態によると、複数の加速器段を直列に配置して、目標値までイオンエネルギーを増加させることができ、ここで、各加速器段はエネルギーを付加する。第１の加速器段の第１の電圧信号の位相は、第２の加速器段の第２の電圧信号の位相と同相であってもよいが、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの他の加速器段は、第１の加速器段の第１の電圧信号に対して位相がずれた第２の電圧信号を受信するように連結されてもよい。

【0028】

［００３２］図４を参照すると、本開示の実施形態に従って配置された、イオン質量（ｍ／ｑとして表される）の関数としての加速器段のエネルギー上昇が示される。曲線４０２は、図２および図３に関して上述したように、三重間隙加速器段によって生成されるエネルギー増加を表す。曲線４０２は、二重間隙加速器段によって生成されるエネルギー増加を表す。ここで、両ケースにおいて８０ｋＶのＶｍａｘを仮定する。三重間隙加速器段は、所与のＶｍａｘのピークで２倍のエネルギー増加を生じさせ、一方、二重間隙加速器段は、エネルギー増加がピーク付近にとどまるより広い範囲を有する。三重間隙加速器段構成からのエネルギー増加が、７から２５のｍ／ｑの間で、依然として最大エネルギー増加の８０％であることに留意されたい。

【0029】

［００３３］図５は、本開示のいくつかの実施形態による例示的なプロセスフロー５００を示す。ブロック５０２では、第１のイオンエネルギーを有するイオンビームが、イオン源から生成される。第１のイオンエネルギーは、既知の抽出装置を使用してイオンビームを抽出することによって付与され得、そのエネルギーは、いくつかの実施形態において、５ｋｅＶと１００ｋｅＶとの間で変化し得る。ブロック５０４では、イオンビームは、ＤＣ加速器カラムを通って第２のイオンエネルギーまで加速される。いくつかの例では、第２のイオンエネルギーは、５００ｋｅＶ程度の高さであり得る。ブロック５０６では、集束イオンビームがバンチャによって生成され、その集束イオンビームは、イオンビームから生成され、ＤＣ加速器カラムから受け取られる。そのようにして、集束イオンビームは、第２のイオンエネルギーを保持し得る。ブロック５０８では、集束イオンビームは、線形加速器を使用して第３のイオンエネルギーまで加速される。様々な実施形態によると、線形加速器は、１ＭｅＶ以上のイオンエネルギーまで集束イオンビームを加速し得る。

【0030】

［００３４］上記に鑑みて、本明細書に開示される実施形態によって、少なくとも以下の利点が達成される。比較的高エネルギーでイオンを注入するためのＤＣ加速サブシステムを提供することによって、本実施形態は、既知の線形加速器と比較して、高エネルギーイオン注入装置用の総設置面積がより小さいという利点を提供する。関連する利点は、最終ビームエネルギーを生成するために使用される加速器ドリフト管がより短いということであり、これは、ＬＩＮＡＣサブシステムがより短く、全体的なツールがよりコンパクトであることを意味する。本実施形態によって与えられる付加的な利点は、より高い周波数の共振器を使用する能力であり、注入エネルギーがより高いため、共振器がより小さいことを意味する。さらなる関連する利点は、より高い周波数で動作することによって破壊リスクを減少させる能力であり、ＳＦ_６などの扱いにくい絶縁手段を使用する必要がなくなることである。

【0031】

［００３５］本開示の特定の実施形態が本明細書に記載されてきたが、当該技術分野が許す限り範囲が広く本明細書が同様に解されるため、本開示はこれらに限定されない。したがって、上記の説明は、限定として解釈されるべきではない。当業者は、本明細書に添付された特許請求の範囲および思想の範囲内での他の変更を想定するであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2023-12-25

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のイオンエネルギーでイオンビームを生成するように構成された、イオン源および抽出システムと、
前記イオン源の下流に配置され、前記第１のイオンエネルギーよりも大きい第２のイオンエネルギーまで前記イオンビームを加速するように構成されたＤＣ加速器カラムと、
前記ＤＣ加速器カラムの下流に配置され、前記イオンビームを解析して、前記第２のイオンエネルギーを有する質量分析されたイオンビームを生成するように構成された質量分析器と、
前記質量分析器の下流に配置され、前記第２のイオンエネルギーよりも大きい第３のイオンエネルギーまで前記質量分析されたイオンビームを加速するように構成された線形加速器と
を備え、前記線形加速器は、複数の無線周波数電圧信号によってそれぞれ駆動される複数の加速器段を備える、イオン注入装置。

【請求項2】

前記複数の加速器段の所定の加速器段が、
共振器と、
複数のドリフト管であって、前記複数のドリフト管の少なくとも１つのドリフト管が前記共振器に結合された、複数のドリフト管と、
前記共振器に結合されており、ＲＦ電圧信号を発生させる、高周波発生器と、
を備えた、請求項１に記載のイオン注入装置。

【請求項3】

前記ＲＦ電圧信号が１３．５６ＭＨｚ以上の周波数を有する、請求項２に記載のイオン注入装置。

【請求項4】

前記線形加速器が、少なくとも１つの三重間隙加速器段を備える、請求項１に記載のイオン注入装置。

【請求項5】

前記線形加速器が、前記ＤＣ加速器カラムと前記線形加速器との間に配置されたバンチャをさらに備える、請求項１に記載のイオン注入装置。

【請求項6】

少なくとも１つの加速器段が、第１電圧信号を受信するために第１電圧源に連結され、少なくとも１つの他の加速器段が、前記第１電圧信号に対して位相がずれた第２電圧信号を受信するために連結されている、請求項１に記載のイオン注入装置。

【請求項7】

前記第２のイオンエネルギーが２００ｋｅＶ以上であり、前記第３のイオンエネルギーが１ＭｅＶ以上である、請求項１に記載のイオン注入装置。

【請求項8】

高エネルギーイオンビームを生成する方法であって、
イオン源において低イオンエネルギーでイオンビームを生成することと、
ＤＣ加速器カラムを通して、前記イオンビームを中間イオンエネルギーまで加速することと、
前記中間イオンエネルギーで前記イオンビームを質量分析器に通して、質量分析されたイオンビームを生成することと、
前記ＤＣ加速器カラムの下流に配置された線形加速器において、前記質量分析されたイオンビームを前記中間イオンエネルギーよりも大きい高イオンエネルギーまで加速することと
を含み、前記線形加速器は、複数の無線周波数電圧信号によってそれぞれ駆動される複数の加速器段を備える、方法。

【請求項9】

前記複数の加速器段の所定の加速器段が、
共振器と、
複数のドリフト管であって、前記複数のドリフト管の少なくとも１つのドリフト管が前記共振器に結合された、複数のドリフト管と、
前記共振器に結合された高周波発生器と、
を備えた、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記線形加速器が、少なくとも１つの三重間隙加速器段を備える、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記高周波発生器が１３．５６ＭＨｚ以上で動作する、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記中間イオンエネルギーが２００ｋｅＶ以上であり、前記高イオンエネルギーが１ＭｅＶ以上である、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

前記線形加速器において前記質量分析されたイオンビームを加速することが、
前記線形加速器の第１の加速器段に第１電圧信号を印加することと、前記線形加速器の第２加速器段に第２電圧信号を印加することとを含み、前記第２電圧信号は、前記第１電圧信号に対して位相がずれている、請求項８に記載の方法。

【外国語明細書】