▶ 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の特許一覧
特許7034378バンチ化されたイオンビームを生成するための新規な装置及び技術
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-03
(45)【発行日】2022-03-11
(54)【発明の名称】バンチ化されたイオンビームを生成するための新規な装置及び技術
(51)【国際特許分類】
H01J 37/248 20060101AFI20220304BHJP
H01J 37/08 20060101ALI20220304BHJP
H05H 9/00 20060101ALI20220304BHJP
【ＦＩ】
H01J37/248 B
H01J37/08
H05H9/00 A
【請求項の数】
22
(21)【出願番号】P 2021509214
(86)(22)【出願日】2019-08-13
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-12-09
(86)【国際出願番号】 US2019046274
(87)【国際公開番号】W WO2020041034
(87)【国際公開日】2020-02-27
【審査請求日】2021-04-08
(31)【優先権主張番号】16/107,151
(32)【優先日】2018-08-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【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・小林特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】シンクレア， フランク
【審査官】右▲高▼ 孝幸
(56)【参考文献】
【文献】特表２００４－５２４６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５２３０６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５２５４８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０３６２７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０４６３３７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／２４８
Ｈ０１Ｊ ３７／０８
Ｈ０５Ｈ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
マルチリングドリフトチューブアセンブリであって、連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブ、
前記第１の接地されたドリフトチューブの下流に直列に配置された少なくとも２つのＡＣドリフトチューブ、及び、
前記少なくとも２つのＡＣドリフトチューブの下流にある第２の接地されたドリフトチューブを含む、マルチリングドリフトチューブアセンブリと、
前記少なくとも２つのＡＣドリフトチューブに電気的に接続されたＡＣ電圧アセンブリであって、
前記少なくとも２つのＡＣドリフトチューブの第１のＡＣドリフトチューブに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号を届けるよう接続された第１のＡＣ電圧源、及び、
前記少なくとも２つのＡＣドリフトチューブの第２のＡＣドリフトチューブに、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を届けるよう接続され、前記第２の周波数は前記第１の周波数の整数倍である、第２のＡＣ電圧源を含む、ＡＣ電圧アセンブリと
を含む、バンチャーと、
前記バンチャーの下流に配置された線形加速器と
を備える、装置。
【請求項2】
前記マルチリングドリフトチューブアセンブリは、前記第１のＡＣドリフトチューブ及び前記第２のＡＣドリフトチューブに直列に配置された第３のＡＣドリフトチューブを備え、前記装置は、前記第３のＡＣドリフトチューブに第３の周波数の第３のＡＣ電圧信号を届けるよう接続された第３のＡＣ電圧源をさらに備え、前記第３の周波数が、前記第２の周波数とは異なった、前記第１の周波数の整数倍である、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の周波数は、少なくとも２０ＭＨｚの周波数であり、前記第２の周波数は、前記第１の周波数の２の倍数であり、前記第３の周波数は、前記第１の周波数の３の倍数である、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記マルチリングドリフトチューブアセンブリは、前記第１のＡＣ電圧源に接続され、前記第１の接地されたドリフトチューブの下流に配置され、かつ、前記第１の接地されたドリフトチューブの近傍にある第１のＡＣドリフトチューブと、
前記第２のＡＣ電圧源に接続され、前記第２の接地されたドリフトチューブより上流の、前記第１のＡＣドリフトチューブの近傍に配置され、かつ、前記第２の接地されたドリフトチューブの近傍にある第２のＡＣドリフトチューブと
を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項5】
前記マルチリングドリフトチューブアセンブリは、前記連続イオンビームを、複数の個別パケットを含むバンチ化されたイオンビームとして出力するよう構成され、前記複数の個別パケットのうちの１パケットが、第１の複数の遅れ位相イオンと、第２の複数の進み位相イオンを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項6】
前記マルチリングドリフトチューブアセンブリが、前記マルチリングドリフトチューブアセンブリの下流の加速段において、少なくとも５０％の受容度を生むよう構成され、前記イオンビームの５０％未満のイオンが失われる、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記第１のＡＣ電圧信号及び前記第２のＡＣ電圧信号の振幅が、２５ｋＶ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項8】
前記マルチリングドリフトチューブアセンブリの長さは、少なくとも１００ｍｍ、かつ４００ｍｍ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
前記連続イオンビームは、少なくとも２５０ｋＶのイオンエネルギーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項10】
マルチリングドリフトチューブアセンブリであって、連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブ、
前記第１の接地されたドリフトチューブの下流に直列に配置されたＡＣドリフトチューブ、及び、
前記ＡＣドリフトチューブの下流にあり、バンチ化されたイオンビームを出力するよう構成された第２の接地されたドリフトチューブを含む、
マルチリングドリフトチューブアセンブリと、
前記ＡＣドリフトチューブに電気的に接続されたＡＣ電圧アセンブリであって、
前記ＡＣドリフトチューブに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号を届けるよう接続された第１のＡＣ電圧源、及び、
前記ＡＣドリフトチューブに、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を届けるよう接続され、前記第２の周波数は前記第１の周波数の整数倍である、第２のＡＣ電圧源を含む、ＡＣ電圧アセンブリと
を含む、バンチャーと、
前記連続イオンビームの経路内の、前記バンチャーの下流に配置された線形加速器と
を備える、装置。
【請求項11】
前記ＡＣ電圧アセンブリは、前記ＡＣドリフトチューブに、第３の周波数の第３のＡＣ電圧信号を送るよう接続された第３のＡＣ電圧源を含み、前記第３の周波数は、前記第１の周波数の整数倍である、請求項１０に記載の装置。
【請求項12】
前記ＡＣドリフトチューブは、前記第１の接地されたドリフトチューブ及び前記第２の接地されたドリフトチューブの直ぐ近傍に存在する、請求項１０に記載の装置。
【請求項13】
前記マルチリングドリフトチューブアセンブリは、バンチ化された前記イオンビームを、複数の個別パケットとして出力するよう構成され、前記複数の個別パケットのうちの１パケットが、第１の複数の遅れ位相イオンと、第２の複数の進み位相イオンを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項14】
前記第１の周波数は、少なくとも２０ＭＨｚの周波数であり、前記第２の周波数は、前記第１の周波数の２の倍数であり、前記第３の周波数は、前記第１の周波数の３の倍数である、請求項１１に記載の装置。
【請求項15】
イオン注入システムであって、連続イオンビームを生成するイオン源と、
前記イオン源の下流に配置されており、前記連続イオンビームを受け取ってバンチ化されたイオンビームを出力するバンチャーと、
前記バンチャーの下流に配置されており、複数の加速段を含む線形加速器であって、前記バンチ化されたイオンビームを加速させる線形加速器と
を備え、
前記バンチャーは、
ドリフトチューブアセンブリであって、
前記連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブ、
前記第１の接地されたドリフトチューブの下流にあり、前記第１の接地されたドリフトチューブの直ぐ近傍に存在する、単一のＡＣドリフトチューブ、及び、
前記単一のＡＣドリフトチューブの下流にあり、前記単一のＡＣドリフトチューブの直ぐ近傍に存在する第２の接地されたドリフトチューブを含む、ドリフトチューブアセンブリと、
前記ＡＣドリフトチューブアセンブリに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号、及び、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号、及び、第３の周波数の第３のＡＣ電圧信号を送るよう構成されたＡＣ電圧アセンブリであって、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍であり、前記第３の周波数は前記第１の周波数の３倍である、ＡＣ電圧アセンブリと、
前記第１のＡＣ電圧信号、前記第２のＡＣ電圧信号、及び、前記第３のＡＣ電圧信号を受信するよう接続された加算器であって、前記第１のＡＣ電圧信号と、前記第２のＡＣ電圧信号と、前記第３のＡＣ電圧信号と、の総和を含む複合ＡＣ電圧信号を、前記単一のＡＣドリフトチューブに出力する加算器と
を備える、イオン注入システム。
【請求項16】
前記第１の周波数は、少なくとも２０ＭＨｚの周波数であり、前記第３の周波数は、１２０ＭＨｚ以下の周波数である、請求項１５に記載のイオン注入システム。
【請求項17】
前記バンチャーは、前記バンチ化されたイオンビームを、複数の個別パケットとして出力し、前記複数の個別パケットのうちの１パケットが、第１の複数の遅れ位相イオンと、第２の複数の進み位相イオンを含む、請求項１５に記載のイオン注入システム。
【請求項18】
イオン注入システムであって、連続イオンビームを生成するイオン源と、
前記イオン源の下流に配置されており、前記連続イオンビームを受け取ってバンチ化されたイオンビームを出力するバンチャーであって、
第１の周波数の第１のＡＣ信号を受信する第１のＡＣドリフトチューブ、及び、
前記第１のＡＣドリフトチューブの下流に配置され、前記第１の周波数の整数倍である第２の周波数の第２のＡＣ信号を受信する第２のＡＣドリフトチューブ
を備える、バンチャーと、
前記バンチャーの下流に配置されており、前記バンチ化されたイオンビームを受け入れて加速させる線形加速器と
を備える、イオン注入システム。
【請求項19】
前記バンチャーは、前記第１のＡＣドリフトチューブの上流に配置されており、前記連続イオンビームを受け入れる第１の接地されたドリフトチューブと、
前記第２のＡＣドリフトチューブの下流に配置された第２の接地されたドリフトチューブと、
をさらに備える、請求項１８に記載のイオン注入システム。
【請求項20】
前記整数倍は２である、請求項１８に記載のイオン注入システム。
【請求項21】
前記バンチャーに、前記第１のＡＣ電圧信号、及び、前記第２のＡＣ電圧信号を送信するよう構成されたＡＣ電圧アセンブリをさらに備える、請求項１８に記載のイオン注入システム。
【請求項22】
前記バンチャーが、マルチリングドリフトチューブアセンブリの下流の加速段において、少なくとも５０％の受容度を生むよう構成され、前記イオンビームの５０％未満のイオンが失われる、請求項１８に記載のイオン注入システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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】
イオン注入は、衝突を介してドーパント又は不純物を基板に導入するプロセスである。イオン注入システムは、イオン源と、一連のビームライン構成要素と、を備えうる。イオン源は、所望のイオンが生成されるチャンバを備えうる。ビームライン構成要素は、例えば、質量分析器、コリメータ、及び、イオンビームを加速又は減速させるための種々の構成要素を含みうる。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、及び／又は他の性質を有するイオンビームをフィルタに掛け、集束させ、及び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、プラテン又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うる。
【0003】
中程度のエネルギー及び高エネルギーのイオンビームを生成するのに適したイオン注入装置の１つのタイプは、線形加速器、又はＬＩＮＡＣを使用し、ここでは、ビームの周囲にチューブとして配置された一連の電極が、イオンビームを一連のチューブに沿って加速させてますます高くなるエネルギーにする。種々の電極を一連の段に配置することができ、ここでは、所与の段の所与の電極が、ＡＣ電圧信号を受け取ってイオンビームを加速させる。
【0004】
ＬＩＮＡＣでは、イオンビームがビームラインを通して導かれるときに当該イオンビームをバンチ化する（集群化する、ｂｕｎｃｈ）初期段が採用されている。ＬＩＮＡＣの初期段は、バンチャーと呼ばれ得、ここでは、連続イオンビームがバンチャーによって受け取られて、バンチ化されたイオンビームとしてパケットで出力される。ＡＣ電圧信号の周波数及び振幅に従って、１つの給電された電極を用いる公知の「ダブルギャップ（ｄｏｕｂｌｅ－ｇａｐ）」バンチャーを通して導かれるイオンビームの受容度又は位相捕捉は、３０～３５％程度であり得、このことは、線形加速器の加速段へと導かれる間に、ビーム電流の６５％以上が失われることを意味する。
【0005】
上述の及び他の懸念事項に関して、本開示が提供される。
【発明の概要】
【0006】
一実施形態において、装置は、マルチリングドリフトチューブアセンブリを含みうる。マルチリングドリフトチューブアセンブリは、連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブと、第１の接地されたドリフトチューブの下流に直列に配置された少なくとも２つのＡＣドリフトチューブと、少なくとも２つのＡＣドリフトチューブの下流にある第２の接地されたドリフトチューブと、を含みうる。本装置は、少なくとも２つのＡＣドリフトチューブに電気的に接続されたＡＣ電圧アセンブリを含みうる。ＡＣ電圧アセンブリは、少なくとも２つのＡＣドリフトチューブの第１のＡＣドリフトチューブに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号を届けるよう接続された第１のＡＣ電圧源を含みうる。ＡＣ電圧アセンブリは、少なくとも２つのＡＣドリフトチューブの第２のＡＣドリフトチューブに、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を届けるよう接続された第２のＡＣ電圧源をさらに含んでよく、第２の周波数は、第１の周波数の整数倍である。
【0007】
他の実施形態において、イオン注入システムは、連続イオンビームを生成するイオン源と、イオン源の下流に配置されたドリフトチューブアセンブリと、を含みうる。ドリフトチューブアセンブリは、連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブと、第１の接地されたドリフトチューブの下流に配置されたＡＣドリフトチューブアセンブリと、ＡＣドリフトチューブアセンブリの下流にある第２の接地されたドリフトチューブと、を含みうる。イオン注入システムは、ＡＣドリフトチューブアセンブリに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号、及び、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を送るよう構成されたＡＣ電圧アセンブリをさらに含んでよく、第２の周波数は、第１の周波数の整数倍である。
【0008】
更なる実施形態において、イオンビームを処理する方法は、イオンビームを連続イオンビームとして生成することと、マルチリングドリフトチューブアセンブリ内で連続イオンビームを受け取ることを含みうる。本方法は、マルチリングドリフトチューブアセンブリの第１のＡＣドリフトチューブに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号を印加しながら、当該第１のＡＣドリフトチューブを通してイオンビームを導くことを含みうる。本方法は、第１のＡＣドリフトチューブの下流の、マルチリングドリフトチューブアセンブリの第２のＡＣドリフトチューブに、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を印加しながら、当該第２のＡＣドリフトチューブを通してイオンビームを導くことをさらに含みうる。第２の周波数は、第１の周波数の整数倍であればよく、イオンビームは、バンチ化されたイオンビームとして、マルチリングドリフトチューブアセンブリから出力される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】本開示の実施形態に係る例示的なイオン注入システムを示す。
【図1B】本開示の実施形態に係る他のイオン注入システムを示す。
【図2】本開示の実施形態に係る例示的なバンチャーを示す。
【図3】本開示の他の実施形態に係る他の例示的なバンチャーを示す。
【図4】本開示の実施形態に係るドリフトチューブアセンブリの動作をモデル化した結果を示す。
【図5A-B】異なるバンチャーによって処理されたイオンビームの異なる光線の位相挙動を示すグラフであり、本実施形態の利点を強調している。
【図6】本発明の幾つかの実施形態に係る例示的な処理フローを示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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做されない。図面では、同様の番号が同様の要素を表す。
【0011】
ここで、本開示に係る装置、システム、及び方法を、装置、システム及び方法の実施形態が示された添付の図面を参照しながら、以下により完全に説明する。装置、システム及び方法は、多くの異なる形態で具現化されてよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと見做されない。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、当業者にシステム及び方法の範囲を完全に伝える。
【0012】
本明細書では、単数形で記載された、「１つ」又は「或る」（ａ、ａｎ）という文言に続く要素又は動作は、複数の要素又は動作を潜在的に含むものとして理解される。さらに、本開示の「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、記載された特徴も組み込む追加的な実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図しない。
【0013】
本明細書では、ビームライン構造に基づく、改良された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を「イオン注入装置」とも呼ぶこともある。様々な実施形態が、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、基板に届けられる最終的なイオンエネルギーは、３００ｋｅＶ、５００ｋｅＶ、１ＭｅＶ、又はそれ以上でありうる。例示的な実施形態において、新規なバンチャーの設計が、以下に記載するように、イオンビームの受容度を上げるやり方でイオンビームを処理するために採用されうる。
【0014】
ここで図１Ａを参照すると、注入システム１００として示された例示的なイオン注入装置が、ブロック形態で示されている。イオン注入システム１００は、ビームラインイオン注入装置を表し、いくつかの要素が、説明を明確にするために省略されている。イオン注入システム１００は、当該技術分野で知られるように、イオン源１０２と、高電圧に保持されたガスボックス１０７と、を含みうる。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、抽出構成要素及びフィルタ（図示せず）を含みうる。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の範囲にあるが、同実施形態は、本文脈に限定されない。高エネルギーイオンビームを形成するために、イオン注入システム１００は、イオンビーム１０６を加速させるための様々な追加の構成要素を含む。
【0015】
イオン注入システム１００は、受け取ったイオンビームを分析するよう機能する分析器１１０を含みうる。したがって、いくつかの実施形態において、分析器１１０が、イオン源１０２に位置する抽出光学系によって与えられたエネルギーを備えるイオンビーム１０６を受け取ることができ、ここで、イオンエネルギーは、１００ｋｅＶ以下、特に８０ｋｅＶ以下の範囲にある。他の実施形態において、分析器１１０は、ＤＣ加速カラムによって加速させられて、２００ｋｅＶ、２５０ｋｅＶ、３００ｋｅＶ、４００ｋｅＶ、又は５００ｋｅＶといったより高いエネルギーとなったイオンビームを受け取りうる。同実施形態は、本文脈には限定されない。イオン注入システム１００はまた、バンチャー１３０と、バンチャー１３０の下流に配置された線形加速器１１４（破線で図示）と、を含みうる。バンチャー１３０の動作は、以下で詳述する。簡潔に言えば、バンチャー１３０は、上流のビームライン１１１の下流に配置されており、連続イオンビーム（又はＤＣイオンビーム）としてのイオンビーム１０６を受け入れ、当該ビームをバンチ化されたイオンビームとして出力する。バンチ化されたイオンビームにおいて、イオンビームは個々のパケットで出力される。同時に、イオンビームのエネルギーは、バンチャー１３０によって増大させられうる。線形加速器１１４は、図示されるように、直列に配置された複数の加速段１２６を含みうる。加速段１２６はバンチャーと同様に作用し、所与の段において、バンチ化されたイオンビームを出力し、当該イオンビームを加速させて段階的により高いエネルギーとしうる。したがって、バンチャーは、イオンビームが連続イオンビームとして受け取られるという点で下流の加速段とは異なった、第１の加速段と見做されうる。
【0016】
様々な実施形態において、イオン注入システム１００は、フィルタ磁石１１６、スキャナ１１８、及び、コリメータ１２０といった、追加の構成要素を含んでよく、フィルタ磁石１１６、スキャナ１１８、及び、コリメータ１２０の一般的な機能は良く知られており、本明細書ではさらに詳細には説明しない。このように、高エネルギーイオンビーム１１５により表される、線形加速器１１４によって加速された後の高エネルギーイオンビームが、基板１２４の処理のために、末端ステーション１２２へと届けられうる。
【0017】
イオンビーム１０６が分析器１１０に直接的に供給されるいくつかの実施形態において、バンチャー１３０は、上述のように、１００ｋｅＶ未満といった比較的低いエネルギーの連続イオンビームとして、イオンビーム１０６を受け取りうる。他の実施形態において、イオン注入システムがＤＣ加速カラムを含む場合には、イオンビーム１０６は、最大５００ｋｅＶ以上のエネルギーの連続イオンビームとして供給されるよう加速されうる。これらの異なるケースにおいて、バンチャー１３０によって印加される正確な交流電圧（ＡＣ）が、バンチャー１３０によって受け取られた連続イオンビームのイオンエネルギーに従って調整されうる。
【0018】
図１Ｂは、イオン注入システム１００Ａの一実施形態を示しており、イオン注入システム１００Ａは、ＤＣ加速カラム１０８を含み、ＤＣ加速カラム１０８は、イオン源１０２の下流に配置され、かつ、イオンビーム１０６を加速させて、加速されたイオンビーム１０９を第２のイオンエネルギーで生成するよう構成されており、ここで、第２のイオンエネルギーは、イオン源１０２によって生成される第１のイオンエネルギーよりも大きい。ＤＣ加速カラム１０８は、中エネルギーイオン注入装置で使用されるカラムといった、公知のＤＣ加速カラムのように配置されうる。ＤＣ加速カラムは、イオンビーム１０６を加速させることができ、ここで、加速されたイオンビーム１０９は、２００ｋｅＶ、２５０ｋｅＶ、３００ｋｅＶ、４００ｋｅＶ、又は、５００ｋｅＶといったエネルギーで、分析器１１０及びバンチャー１３０によって受け取られる。その他の点では、イオン注入システム１００Ａは、イオン注入システム１００と同様に機能しうる。
【0019】
図２は、本開示の実施形態に係る、バンチャー１３０として示される線形加速器の例示的なバンチャーの構造を示している。バンチャー１３０は、ドリフトチューブアセンブリ１５０を含みことができ、ドリフトチューブアセンブリ１５０には、加速されたイオンビーム１０９として示される連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブ１５２が含まれる。図示するように、第１の接地されたドリフトチューブ１５２は、電気接地に接続されている。ドリフトチューブアセンブリ１５０は、第１の接地されたドリフトチューブ１５２の下流に配置されたＡＣドリフトチューブアセンブリをさらに含みうる。以下に詳述するように、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６は、一般に無線周波数範囲（ＲＦ範囲）内にあるＡＣ電圧信号を受け取るよう構成され、当該信号は、加速させられたイオンビーム１０９を加速させ、操作するよう機能する。図２の実施形態では、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６は、たった１つのＡＣドリフトチューブを含んでいる。他の実施形態において、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６は、複数のＡＣドリフトチューブを含んでよい。
【0020】
ドリフトチューブアセンブリ１５０は、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６の下流にある、第２の接地されたドリフトチューブ１５４をさらに含む。全体として、ドリフトチューブアセンブリ１５０は、中空円筒体として構成されており、連続イオンビームを受け取って、当該イオンビームを中空円筒体を通して導き、パケット１０９Ａとして示される個別パケットにイオンビームをバンチ化するやり方で、イオンビームを加速させ、当該イオンビームは、下流に位置する加速段１５８によって受け取られて、さらに加速させられる。ドリフトチューブアセンブリ１５０は、グラファイト、又は、それを通して導かれるイオンビームの汚染を最小に抑えるよう構成された同様の適切な材料から成りうる。加速段１５８によって示される後続の加速段は、明確に規定された周波数ωで動作することができ、この加速構造内へのバンチの取り込みは、この基本角周波数ωに対して、位相角の約±５°に制限されうる。ビームライン全体を通して最大可能電流を伝送するためには、上記基本周波数ωのサイクルごとにバンチを１つ生成するようバンチャー１３０を構成することが望ましい。
【0021】
図２に示すように、バンチャー１３０は、ＡＣ電圧アセンブリ１４０をさらに含み、ＡＣ電圧アセンブリ１４０は、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６にＡＣ電圧信号を送り、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６の給電されたドリフトチューブにおいて、変化する電圧を駆動するよう構成されている。ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６上の変化する電圧が、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６でのイオンの到着時間に従って、イオンに様々な加速を与える。このようにして、パケット１０９Ａの後端１０９Ａ１には、パケット１０９Ａの前端１０９Ａ２よりも速い速度が与えられ、加速段１５８に到達するときには、パケット１０９Ａ全体が可能な限りコンパクトになる。様々な実施形態において、ＡＣ電圧信号は、連続イオンビームの改良されたバンチングをもたらすやり方でＡＣ電圧信号を生成するよう重畳された、複数の個別ＡＣ電圧信号を合成したものでありうる。様々な実施形態において、ＡＣ電圧アセンブリ１４０は、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号、及び、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を生成することができ、ここで、第２の周波数は、第１の周波数の整数倍である。いくつかの実施形態において、ＡＣ電圧アセンブリ１４０は、第３の周波数の第３のＡＣ電圧信号を生成することができ、ここで、第３の周波数が、第２の周波数とは異なった、第１の周波数の整数倍を成す…等である。したがって、第２の周波数、第３の周波数等は、第１の周波数の高調波であってよく、ここで、周波数は、第１の周波数と比べて２倍、３倍…等でありうる。
【0022】
図２の実施形態では、ＡＣ電圧アセンブリ１４０は、Ｖ１ｃｏｓ（ωｔ＋φ１）、Ｖ２ｃｏｓ（２ωｔ＋φ２）、及び、Ｖ３ｃｏｓ（３ωｔ＋φ３）によって表される３つの異なったＡＣ電圧信号を生成することが示されている。説明のために、ＡＣ電圧信号が正弦波信号として示されるが、他の波形形状も可能である。ＡＣ電圧アセンブリ１４０は、第１のＡＣ電圧供給部１４２、第２のＡＣ電圧供給部１４４、及び、第３のＡＣ電圧供給部１４６を含むことができ、第１のＡＣ電圧供給部１４２、第２のＡＣ電圧供給部１４４、及び、第３のＡＣ電圧供給部１４６は、第１のＡＣ電圧信号、第２のＡＣ電圧信号、及び、第３のＡＣ電圧信号をそれぞれ生成する。ＡＣ電圧供給部は、同期信号発生器によって駆動されるＲＦ増幅器を用いて具現化されうる。一般的な用語Ｖは、ＡＣ電圧信号の最大振幅を表し、一般的な用語φは、ＡＣ電圧信号の位相を表す。したがって、最大振幅及び位相が、異なる信号の間で異なりうる。本実施形態において、第２のＡＣ電圧信号、及び第３のＡＣ電圧信号は、それぞれ、第１の信号ωの周波数の２倍及び３倍を表す。図２に示すように、ＡＣ電圧アセンブリ１４０は加算器１４８を含むことができ、加算器１４８は、個々の電圧信号を合算して、複合ＡＣ電圧信号１４９をＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６に出力する。
【0023】
様々な実施形態において、複合ＡＣ電圧信号は、ＡＣ電圧信号の最高周波数が約１２０ＭＨｚ以下であるＡＣ電圧信号から形成されうる。
【0024】
複合ＡＣ電圧信号１４９は、下流の加速段で受容率を上げるやり方で、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６によって処理されるイオンの位相依存性を調整するよう設計される。イオン注入システムの公知の線形加速器において、下流の加速段にパケットで伝送するために連続イオンビームがバンチ化されるときには、加速及びバンチングプロセスの性質に因り、イオンビームの一定割合が壁又は他の表面で失われる。受容度とは、失われず、したがって下流加速段によって受け入れられるイオンビームのパーセンテージ（ビーム電流のパーセンテージ等）を指している。上述したように、線形加速器を採用する公知のイオン注入装置では、様々な条件が最適化されたときに、受容度が最大で３０％～３５％程度である。そのような公知のイオン注入システムは、周波数が１０ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、又は２０ＭＨｚで、電圧振幅が数十ｋＶの範囲内のＡＣ電圧信号を用いて、バンチャーを駆動しうる。特に、公知のイオン注入システムにおけるＡＣ電圧信号は、単一周波数のシンプルなＡＣ電圧信号として生成されうる。
【0025】
特に、複合ＡＣ電圧信号の基本成分をＶ１ｃｏｓ（ωｔ）と簡単にすることができ、ここで、他の２つのＡＣ電圧信号に対する相対的位相が、それぞれの位相オフセット、φ２又はφ３によって与えられる。以下に詳述するように、これらのオフセットは、受容度を上げるよう調整されうる。
【0026】
図３を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、線形加速器の例示的なバンチャー、即ちバンチャー１６０の構造が示されている。バンチャー１６０は、ドリフトチューブアセンブリ１７０を含みことができ、ドリフトチューブアセンブリ１７０には、加速されたイオンビーム１０９として示される連続イオンビームを受け入れるよう構成された第１の接地されたドリフトチューブ１８２が含まれる。図示のように、第１の接地されたドリフトチューブ１８２は、電気接地に接続されている。ドリフトチューブアセンブリ１７０は、第１の接地されたドリフトチューブ１８２の下流に配置されたＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０をさらに含みうる。以下に詳細に説明するように、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０は、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６と同様に、一般に無線周波数範囲（ＲＦ範囲）のＡＣ電圧信号を受信するよう構成され、当該信号は、上記加速されたイオンビーム１０９を加速させ、操作するよう機能する。図３の実施形態では、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０は、ＡＣドリフトチューブ１８４、ＡＣドリフトチューブ１８６、及び、ＡＣドリフトチューブ１８８として示される３つのＡＣドリフトチューブを含む。
【0027】
ドリフトチューブアセンブリ１７０は、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０の下流にある、第２の接地されたドリフトチューブ１９０をさらに含む。全体として、ドリフトチューブアセンブリ１７０は、中空円筒体として構成されており、連続イオンビームを受け取って、当該イオンビームを中空円筒体を通して導き、パケット１０９Ａとして示される個別パケットにイオンビームをバンチ化するやり方で、イオンビームを加速させ、当該イオンビームは、下流に位置する加速段１９２によって受け取られて、さらに加速させられる。このように、ドリフトチューブアセンブリ１７０は、（イオンビームの伝播方向に沿った）長さが少なくとも１００ｍｍで、かつ４００ｍｍ未満のマルチリングドリフトチューブアセンブリを構成しうる。
【0028】
図３の実施形態では、ＡＣ電圧アセンブリ１６２が設けられ、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０にＡＣ電圧信号を送信して、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０の給電されたドリフトチューブにおいて、変化する電圧を駆動するよう構成されている。ＡＣ電圧アセンブリ１６２は、第１のＡＣ電圧供給部１４２がＡＣドリフトチューブ１８４を駆動し、第２のＡＣ電圧供給部１４４がＡＣドリフトチューブ１８６を駆動し、第３のＡＣ電圧供給部１４６がＡＣドリフトチューブ１８８を駆動するよう構成されうる。上記のＡＣ電圧信号を、コントローラ１６４によって時間的に同期させて、複合ＡＣ電圧信号１４９と同様の複合信号を効率良く生成しうる。図３は、最低周波数のＡＣ電圧信号が、最も遠い上流のＡＣドリフトチューブに供給される構成を示しているが、他の実施形態において、最低周波数のＡＣ電圧信号（Ｖ１ｃｏｓ（ωｔ＋φ１））が、別のＡＣドリフトチューブに印加されてよい。中間周波ＡＣ電圧信号（Ｖ２ｃｏｓ（２ωｔ＋φ２））、及び、高周波ＡＣ電圧信号（Ｖ３ｃｏｓ（３ωｔ＋φ３））についても同様である。本構成には、図２の構成に対して利点があり、或る電源が他の電源と干渉するリスクが回避されている。
【0029】
バンチャーを駆動するために多周波ＡＣ電圧信号を使用することが可能であるが、特に、１つのＡＣ電圧信号を生成するために複数の周波数を使用することは、より多くの電圧供給部を必要とし、以下に詳述するように、ビームラインがより長くなることに繋がりうる。そのため、従来では、ビームラインイオン注入装置におけるこのような構成は考えられていなかった。特に、本願の発明者は、特に、ホウ素、リン等といった一般的なドーパントの範囲内の質量を有するイオンについて、駆動信号を調整しイオンビームのスループットを著しく改善することによって上記の懸念事項を克服しうる構成を特定した。特に、図２の「シングルリング（ｓｉｎｇｌｅ‐ｒｉｎｇ）」（「リング（ｒｉｎｇ）」はＡＣドリフトチューブを指す）バンチャー、又は、図３の「トリプルリング（ｔｒｉｐｌｅ‐ｒｉｎｇ）」バンチャーでは、複合ＡＣ電圧信号が生成され、ここでは、ＡＣドリフトチューブアセンブリから目標距離にあるイオンビームを用いることで位相コヒーレンスを改善し、対応して受容度を上げるやり方で、イオンビームのバンチングが実行される。
【0030】
図４を参照すると、ドリフトチューブアセンブリ１５０の描写と、ビーム経路に沿ってミリメートル単位の距離の関数として示される対応する位相マップと、を含む合成図が示されている。位相マップは、（右側縦座標に示される）距離の関数としての位相を示すグラフであり、３０ｍｍから７５ｍｍの間で延在する、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６の１つのドリフトチューブの位置を含んでいる。この位置において、（左側縦座標で示される）ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６に印加される電圧が、最大約１８ｋＶに達し、４０ＭＨｚの周波数で印加される。加速されたイオンビーム１０９の一連の２１個の異なる光線の相対的位相位置がグラフの右側に示されている。加速されたイオンビーム１０９のイオンの質量が２０ａｍｕであると仮定される。図示のように、電圧は、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６の位置で最大に達し、他の場所ではゼロである。ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６への入射点では、２１個の例示的な光線は、同相で１８度の間隔で等間隔に配置されている。交流電圧アセンブリ１４０によって生成されるような、Ｖ＝Ｖ１ｃｏｓ（ωｔ＋φ１）＋Ｖ２ｃｏｓ（２ωｔ＋φ２）＋Ｖ３ｃｏｓ（３ωｔ＋φ３）によって与えられる複合ＡＣ電圧信号によって処理されると、種々の光線が、図示されるように、同相で右側へと収束する。
【0031】
ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６への入口から右に７００ｍｍに対応する位置では、多くの光線間の位相差がゼロに近い。したがって、加速段１５８への入口が、多くの光線間のゼロ位相差に対応する７００ｍｍの位置に配置されるときに、受容度が最大となりうる。図４の例では、＋／－５度の変動に基づく受容度について、加速器での受容度が約５５％である。様々な他のシミュレーションにおいて、図４の構成の最大許容度は７５％もの高さであると計算され、即ち、単一周波数バンチャーを採用する公知のイオン注入装置における３０％～３５％の許容度に対する実質的な改良である。例えば、Ｖが５９．４ｋＶに等しく設定されたときに、受容度は７５％であるが、２４ｋＶでは、受容度が６５％である。
【0032】
特に、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６の図を用いて図４に示した位相収束についての同じ挙動が、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１８０のトリプルリング構成に対して同じ電圧パラメータを適用することによって得られうる。
【0033】
図５Ａ及び図５Ｂは、イオンビームの異なる光線の位相挙動を示すグラフであり、本実施形態に従って複合ＡＣ電圧信号を印加する利益を強調している。図５Ａは、図４の実施形態の複合ＡＣ電圧パラメータの続きであり、図５Ｂは、シンプルなＡＣ電圧信号をイオンビームに印加する一例を示している。図５Ｂの図では、ＡＣ信号が、Ｖ＝Ｖｍａｘｃｏｓ（ωｔ＋φ）によって与えられ、図５Ａでは、ＡＣ信号が、Ｖ＝Ｖ１ｃｏｓ（ωｔ＋φ１）＋Ｖ２ｃｏｓ（２ωｔ＋φ２）＋Ｖ３ｃｏｓ（３ωｔ＋φ３）によって与えられる。周波数ωは、いずれの場合も４０ＭＨｚである。
【0034】
２つの異なるグラフにおいて、位相挙動は、バンチャーへの入口に近い点から指定された距離にある所与の光線の位相を、バンチャーへの入口における所与の光線の位相の関数として示している。上記の指定された距離は、イオンビームの異なる光線の位相が好都合に収束されうる距離に設定されている。したがって、再び図４を参照すると、パケット１０９Ａにおいて、ＡＣドリフトチューブアセンブリ１５６の動作は、遅れ位相のイオン１０９Ａ１を加速させる傾向にあり、かつ、進み位相のイオン１０９Ａ２を減速させる傾向にあり、例えば７００ｍｍにおいて位相収束をもたらす。
【0035】
図５は、Ｖ＝Ｖｍａｘｃｏｓ（ωｔ＋φ）によって与えられる、シンプルなＡＣ電圧信号がイオンビームに印加されたときの最も位相コヒーレントな状態を示し、３５％の最も高い相対的受容度が得られる。示されたように、初期位相の差が３０度程度であることを考慮しても、４００ｍｍにおける位相差の度合いが小さい。他の電圧については、図に示すように挙動が悪化する。特に、図５Ａの実施形態では、４００ｍｍでの収束を要する単一周波数バンチャーの結果よりも幾分長い７００ｍｍにおいて、収束がもたらされる。この結果は、約２０ｋＶといった複合ＡＣ電圧信号にとって妥当なレベルに、ＡＣ電圧振幅を維持する必要があることに部分的に起因している。単一周波数バンチャーの場合は、２０ｋＶのＡＣ電圧振幅で動作することによって、４００ｍｍでの収束が可能となる。図５Ａの実施形態では、単一周波数バンチャー構造と比べて、バンチャーと加速器との間の間隔が幾分長くなりうる（７００ｍｍ対４００ｍｍ）が、利点は、実質的により高い受容度であり、従って、ＬＩＮＡＣの主加速段へと導かれるビーム電流である。様々な追加の実施形態において、収束までの長さが、３００ｍｍから１０００ｍｍでありうる。
【0036】
ＬＩＮＡＣの追加的な段は、イオンのパケットを加速させさらにバンチ化するために、本実施形態のバンチャーと同様のやり方で実行しうるが、ＬＩＮＡＣの上記追加的な段を、図示のように複合ＡＣ電圧信号によって駆動する必要はない。換言すると、バンチャーの複合ＡＣ電圧信号は、既に加速器段への入口において、バンチ化されたイオンビームの様々な光線の位相をほとんど収束させているため、位相収束の更なる改善がそれほど必要ではない可能性がある。この事実により、ＬＩＮＡＣの加速段を駆動するためのＡＣ電圧アセンブリのよりシンプルな設計が可能となる。
【0037】
一例として、三周波数複合ＡＣ信号の一実施形態において、第１の信号の基本周波数は４０ＭＨｚでありうるが、第１の高調波周波数は、第１の信号に追加された第２の信号について、８０ＭＨｚであってよく、第２の高調波周波数は、第１の信号及び第２の信号に追加された第３の信号について、１２０ＭＨｚであってよい。
【0038】
特に、上記の実施形態では、３つのＡＣ電圧信号に基づいて複合ＡＣ電圧信号を生成こと、及び、３つのドリフトチューブを含むマルチリングドリフトチューブアセンブリを採用することが強調されているが、他の実施形態において、複合ＡＣ電圧信号は、２つのＡＣ電圧信号、又は、４つのＡＣ電圧信号から形成されてよい。同実施形態は、本文脈には限定されない。同様に、他の実施形態に係るマルチリングドリフトチューブアセンブリが、２つのドリフトチューブ、又は４つのドリフトチューブを採用してよい。同実施形態は、本文脈には限定されない。
【0039】
図６は、本開示のいくつかの実施形態に係る例示的な処理フロー６００を示している。ブロック６０２において、イオンビームが、イオン源からの抽出等によって、連続イオンビームとして生成される。このように、イオンビームは、数ｋｅＶから約８０ｋｅＶまでの範囲のイオンエネルギーを示しうる。任意選択的に、連続イオンビームが加速させられて、加速された連続イオンビームを生成してよい。一例において、連続イオンビームを加速させるために、ＤＣ加速カラムが利用されうる。したがって、いくつかの実施形態において、加速された連続イオンビームは、２００ｋｅＶ～５００ｋｅＶ以上のイオンエネルギーを示しうる。
【0040】
ブロック６０４において、連続イオンビームが、マルチリングドリフトチューブアセンブリ内で受け取られる。マルチリングドリフトチューブアセンブリは、第１の接地されたドリフトチューブ、及び第２の接地されたドリフトチューブ、並びに、第１の接地されたドリフトチューブと第２の接地されたドリフトチューブとの間に配置されたマルチリングＡＣドリフトチューブアセンブリを含みうる。
【0041】
ブロック６０６において、マルチリングドリフトチューブアセンブリの第１のＡＣドリフトチューブに、第１の周波数の第１のＡＣ電圧信号を印加しながら、第１のＡＣドリフトチューブを通して連続イオンビームを導く。
【0042】
ブロック６０８において、マルチリングドリフトチューブアセンブリの第２のＡＣドリフトチューブに、第２の周波数の第２のＡＣ電圧信号を印加しながら、第２のＡＣドリフトチューブを通して連続イオンビームを導く。様々な実施形態において、第２の周波数は、第１の周波数の２倍といった、第１の周波数の整数倍であってよい。任意の動作において、マルチリングドリフトチューブアセンブリの第３のＡＣドリフトチューブに、第３の周波数の第３のＡＣ電圧信号を印加しながら、第３のＡＣドリフトチューブを通して、加速された連続イオンビームを導いてよい。第３の周波数は、第２の周波数とは異なった、第１の周波数の整数倍であってよい。このように、加速された連続イオンビームが、バンチ化されたイオンビームとして、マルチリングドリフトチューブアセンブリから出力されうる。
【0043】
上記に鑑みて、少なくとも以下の利点が、本明細書に開示される実施形態によって実現される。第１の利点は、バンチャーを駆動するために複合ＡＣ電圧信号を提供することによって実現され、従って、実質的により大きなイオンビーム電流が、下流に配置されたＬＩＮＡＣを通して伝送されうる。さらなる利点は、専用電極への複数のＡＣ電源の所与の電源からの所与のＡＣ信号を駆動する能力であり、電源間の干渉であって、共通の電極を介して複数のＡＣ電圧信号を駆動するために複数の電源に接続されたときに発生しうる電源間の干渉が回避される。ＤＣ加速カラムの利用により実現される他の利点は、空間電荷効果の低減、及び、バンチャーを駆動するための高周波複合ＡＣ電圧信号を生成するよう設計されたバンチャーのより良好な効率である。
【0044】
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、当該技術分野が許容する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、本明細書に添付の特許請求の範囲及び思想の範囲内での他の変更を想定するであろう。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A-B】
【図6】