离子注入装置及静电四极透镜装置的制作方法

1.本技术主张基于2021年3月2日申请的日本专利申请第2021-032815号的优先权。该日本技术的全部内容通过参考援用于本说明书中。
2.本发明涉及一种离子注入装置及静电四极透镜装置。


背景技术：

3.在半导体制造工序中，为了改变半导体的导电性的目的、改变半导体的晶体结构的目的等，标准地实施对半导体晶片注入离子的工序(也称为离子注入工序)。在离子注入工序中使用的装置被称为离子注入装置。根据注入于晶片的表面附近的离子的所期望的注入深度来决定离子的注入能量。注入到比较深的区域时，使用高能量(例如，1mev以上)的离子束。
4.在能够输出高能量的离子束的离子注入装置中，利用多级式高频线性加速器(linac)使离子束加速。高频线性加速装置例如包括用于使离子束加速的多级高频加速部及用于会聚离子束的多级静电四极透镜电极。
5.专利文献1：美国专利第5504341号说明书
6.最近，为了注入到更深的区域，要求超高能量(例如，4mev以上)的离子束。为了生成超高能量的离子束，需要进一步加大施加于高频加速部的加速电压，且还需要进一步加大施加于透镜电极的会聚/发散电压。若施加于透镜电极的电压变大，则容易在电极之间产生放电。尤其，若由于离子束碰撞透镜电极等电极体等致使电极体溅射，使所溅射的物质附着于电极体或支承电极体的绝缘部件而将其污染，则更容易产生放电。并且，有时为了生成超高能量的离子束而使用多价离子，若射束线的真空度下降，则多价离子往往因为与残留于射束线的气体相互作用而容易降低价数。


技术实现要素：

7.本发明的一种实施方式的示例性的目的在于，提供一种可抑制污垢附着于静电四极透镜装置中所包含的电极体或支承电极体的绝缘部件以提高射束线的真空度的技术。
8.本发明的一种实施方式的离子注入装置具备用于使离子束加速的高能量多级线性加速单元，所述离子注入装置中，高能量多级线性加速单元具备：多级高频加速部，沿离子束行进的射束线设置；及多级静电四极透镜装置，沿射束线设置。各级静电四极透镜装置包括：多个透镜电极，在对置的多个透镜电极之间隔着射束线，在与射束线所延伸的轴向正交的径向上对置，且在与轴向及径向这两个方向正交的周向上隔着间隔配置；上游侧覆盖电极，包覆多个透镜电极的射束线上游侧，且具有在轴向开口的射束入射口；及下游侧覆盖电极，包覆多个透镜电极的射束线下游侧，且具有在轴向开口的射束射出口。多级中至少一级静电四极透镜装置中所包含的上游侧覆盖电极及下游侧覆盖电极中至少一者具有在径向开口的至少一个气体排出口。
9.本发明的另一种实施方式为静电四极透镜装置。该装置具备：多个透镜电极，在对
置的多个透镜电极之间隔着射束线，在与射束线所延伸的轴向正交的径向上对置，且在与轴向及径向这两个方向正交的周向上隔着间隔配置；上游侧覆盖电极，包覆多个透镜电极的射束线上游侧，且具有在轴向开口的射束入射口；及下游侧覆盖电极，包覆多个透镜电极的射束线下游侧，且具有在轴向开口的射束射出口。上游侧覆盖电极及下游侧覆盖电极中至少一者具有在径向开口的至少一个气体排出口。
10.另外，在方法、装置、系统等之间相互替换以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表述的方式，作为本发明的实施方式同样有效。
11.发明效果
12.根据本发明的一种实施方式，能够抑制污垢附着于静电四极透镜装置中所包含的电极体或支承电极体的绝缘部件，以提高射束线的真空度。
附图说明
13.图1为表示实施方式所涉及的离子注入装置的概略结构的俯视图。
14.图2(a)～图2(c)为表示线性加速装置的概略结构的剖视图。
15.图3(a)、图3(b)为表示静电四极透镜装置的概略结构的主视图。
16.图4为表示高频加速部的概略结构的剖视图。
17.图5为详细表示实施方式所涉及的线性加速装置的结构的剖视图。
18.图6为表示实施方式所涉及的真空槽的配置的剖视图。
19.图7为表示从上游侧观察的透镜单元的一例的外观立体图。
20.图8为表示从下游侧观察的图7的透镜单元的外观立体图。
21.图9为沿详细示出图7的透镜单元的内部结构的射束线的剖视图。
22.图10为与详细示出图7的透镜单元的内部结构的射束线正交的剖视图。
23.图中：14-射束加速单元，70-高频加速部，72-高频电极，74-高频共振器，76-杆，80-透镜单元，82-透镜电极，84a-上游侧覆盖电极，84b-下游侧覆盖电极，86-底板，88-安装部，88a、88b-缺口，90-绝缘部件，92a-射束入射口，92b-射束出射口，94a、94b-第1气体排出口，95a、95b-第2气体排出口，96a,96b-第3气体排出口，100-离子注入装置，101～115-高频加速部，121～139-静电四极透镜装置，140-真空槽，148-真空排气装置。
具体实施方式
24.以下，参考附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。另外，在附图说明中对相同要件标注相同符号并省略重复说明。并且，以下描述的结构为示例，并不对本发明的范围进行任何限定。
25.对实施方式进行详述之前，说明一下概要。本实施方式涉及一种高能量用离子注入装置。离子注入装置通过高频线性加速装置使在离子源生成的离子束进行加速，并将经过加速而获得的高能量的离子束沿射束线输送至被处理物(例如基板或晶片)来对被处理物注入离子。另外，在以后的说明中，为了便于理解，将“工作件(例如基板或晶片)”以“晶片”为前提进行说明，但本发明的离子注入方法及离子注入装置并非限定于此。例如，作为“工作件(例如基板或晶片)”的具体例，不仅有半导体用晶片，还可列举平板显示器用基板(例如，玻璃基板)。
26.本实施方式中的“高能量”是指，具有1mev以上、4mev以上或10mev以上的射束能量的离子束。根据高能量的离子注入，所期望的杂质离子以比较高的能量被打入晶片表面，因此能够在晶片表面的更深的区域(例如深度5μm以上)注入所期望的杂质。高能量离子注入的用途例如为形成最新影像传感器等半导体器件制造中的p型区域和/或n型区域。
27.高频线性加速装置具备用于使离子束加速的多级高频加速部及用于会聚离子束的多级静电四极透镜。静电四极透镜装置包括：多个透镜电极，隔着射束线而对置；上游侧覆盖电极，包覆多个透镜电极的射束线上游侧；及下游侧覆盖电极，包覆多个透镜电极的射束线下游侧。上游侧覆盖电极及下游侧覆盖电极各自具有使离子束通过的射束通过口，且发挥接地电极的作用。
28.为了生成更高能量的离子束，需要进一步加大施加于高频加速部的加速电压，且需要进一步加大施加于透镜电极的会聚/发散电压。若施加于透镜电极的电压变大，则容易在透镜电极与覆盖电极之间产生放电。透镜电极或覆盖电极的电极体由于靠近射束线而配置，因此因离子束的碰撞而溅射。若所溅射的物质附着于电极体或支承电极体的绝缘部件使电极体或支承电极体的绝缘部件被污染，则更容易产生电极体之间的放电。并且，各静电四极透镜装置的上游侧覆盖电极与下游侧覆盖电极之间的空间容易使所溅射的物质滞留，而成为电极体或支承电极体的绝缘部件容易污染的环境。
29.在本实施方式中，通过在静电四极透镜装置的覆盖电极设置气体排出口，使所溅射的物质容易通过气体排出口而排出到覆盖电极的外侧。并且，通过设置气体排出口，使各静电四极透镜装置的上游侧覆盖电极与下游侧覆盖电极之间的空间的真空度，即高频线性加速装置的射束线的真空度提高。有时为了生成更高能量的离子束而使用多价离子，但多价离子具有与残留于射束线的气体相互作用则价数降低的特性。尤其，离子的价数越大，往往越容易与残留气体相互作用。根据本实施方式，能够通过在覆盖电极设置气体排出口来减少射束线中的残留气体，从而能够抑制基于多价离子的减少的射束电流的下降。
30.图1为概略表示实施方式所涉及的离子注入装置100的俯视图。离子注入装置100具备射束生成单元12、射束加速单元14、射束偏转单元16、射束输送单元18及基板传送处理单元20。
31.射束生成单元12具有离子源10及质谱分析装置11。在射束生成单元12中，离子束被从离子源10引出，所引出的离子束通过质谱分析装置11进行质谱分析。质谱分析装置11具有质谱分析磁铁11a及质谱分析狭缝11b。质谱分析狭缝11b配置于质谱分析磁铁11a的下游侧。基于质谱分析装置11的质谱分析的结果，仅筛选出注入所需的离子种类，被筛选的离子种类的离子束被引导至下一个射束加速单元14。
32.射束加速单元14具有进行离子束的加速的多个线性加速装置22a、22b、22c及射束测定部23，且构成射束线bl中直线状延伸的部分。多个线性加速装置22a～22c各自都具备一级以上的高频加速部，且将高频(rf)电场施加到离子束来使其加速。射束测定部23设置于射束加速单元14的最下游，并测定通过多个线性加速装置22a～22c加速的高能量离子束的至少一种射束特性。射束测定部23作为离子束的射束特性而测定射束能量、射束电流量、射束分布等。在本说明书中，将射束加速单元14也称为“高能量多级线性加速单元”。
33.在本实施方式中，设置有三个线性加速装置22a～22c。第1线性加速装置22a设置于射束加速单元14的上级，且具备多级(例如5级～15级)高频加速部。第1线性加速装置22a
进行将从射束生成单元12输出的连续射束(dc射束)对准到特定的加速相位的“聚束(bunching)”，例如，使离子束加速至1mev左右的能量。第2线性加速装置22b设置于射束加速单元14的中级，且具备多级(例如5级～15级)高频加速部。第2线性加速装置22b使从第1线性加速装置22a输出的离子束加速至例如2～3mev左右的能量。第3线性加速装置22c设置于射束加速单元14的下级，且具备多级(例如5级～15级)高频加速部。第3线性加速装置22c使从第2线性加速装置22b输出的离子束加速至例如4mev以上的高能量。
34.从射束加速单元14输出的高能量离子束具有一定范围的能量分布。因此，为了在射束加速单元14的下游往复扫描高能量的离子束并将其平行化来照射到晶片，需要预先实施高精度的能量分析、能量分散的控制、轨道校正及射束会聚发散的调整。
35.射束偏转单元16进行从射束加速单元14输出的高能量离子束的能量分析、能量分散的控制、轨道校正。射束偏转单元16构成射束线bl中圆弧状延伸的部分。高能量离子束通过射束偏转单元16进行方向转换而朝向射束输送单元18。
36.射束偏转单元16具有能量分析电磁体24、抑制能量分散的横向会聚四极透镜26、能量分析狭缝27、第1法拉第杯28、提供转向(轨道校正)的偏转电磁体30及第2法拉第杯31。能量分析电磁体24也被称为能量过滤电磁体(efm)。并且，由能量分析电磁体24、横向会聚四极透镜26、能量分析狭缝27及第1法拉第杯28构成的装置组也统称为“能量分析装置”。
37.能量分析狭缝27可以构成为狭缝宽度可变，以便调整能量分析的分辨率。能量分析狭缝27例如由能够在狭缝宽度方向上移动的两片屏蔽体构成，且可以构成为通过改变两片屏蔽体的间隔，使狭缝宽度可调。能量分析狭缝27可以构成为通过选择狭缝宽度不同的多个狭缝中的任一个，使狭缝宽度可变。
38.第1法拉第杯28配置于能量分析狭缝27的紧接着的后方，且用于能量分析用射束电流测定。第2法拉第杯31配置于偏转电磁体30的紧接着的后方，且以对经过轨道校正而进入射束输送单元18的离子束进行射束电流测定的用途设置。第1法拉第杯28及第2法拉第杯31各自构成为通过法拉第杯驱动部(未图示)的动作而能够在射束线bl上进出。
39.射束输送单元18构成射束线bl中另一个直线状延伸的部分，且隔着装置中央的维护区域ma与射束加速单元14并行。射束输送单元18的长度被设计成与射束加速单元14的长度大致相同。其结果，由射束加速单元14、射束偏转单元16及射束输送单元18构成的射束线bl整体形成u字形的布局。
40.射束输送单元18具有射束整形器32、射束扫描器34、射束收集器35、射束平行化器36、最终能量过滤器38、左右法拉第杯39l、39r。
41.射束整形器32具备四极透镜装置(q透镜)等会聚/发散透镜，且构成为将通过射束偏转单元16的离子束整形为所期望的截面形状。射束整形器32例如由电场式三级四极透镜(也称为三极q透镜)构成，且具有三个静电四极透镜装置。射束整形器32通过使用三个透镜装置，能够在水平方向(x方向)及铅垂方向(y方向)各自独立地调整离子束的会聚或发散。射束整形器32可以包括磁场式透镜装置，也可以包括利用电场和磁场这两者来对射束进行整形的透镜装置。
42.射束扫描器34为构成为提供射束的往复扫描且在x方向上扫描经过整形的离子束的射束偏转装置。射束扫描器34具有在射束扫描方向(x方向)上对置的扫描电极对。扫描电极对连接于可变电压电源(未图示)，通过周期性地改变施加于扫描电极对之间的电压，改
变在电极之间产生的电场来使离子束向各个角度偏转。其结果，离子束遍及用箭头x表示的扫描范围进行扫描。在图1中，用细实线表示扫描范围内的离子束的多个轨迹。另外，射束扫描器34可以替换成其他射束扫描装置，射束扫描装置也可以作为利用磁场的磁铁装置而构成。
43.射束扫描器34通过使射束超出用箭头x表示的扫描范围偏转来将离子束入射到设置于远离射束线bl的位置的射束收集器35。射束扫描器34通过使离子束朝向射束收集器35暂时从射束线bl避开来阻断离子束，以免离子束到达下游的基板传送处理单元20。
44.射束平行化器36构成为使经过扫描的离子束的行进方向与设计上的射束线bl的轨道平行。射束平行化器36具有在中央部设置有离子束的通过狭缝的圆弧形状的多个平行化透镜电极。平行化透镜电极连接于高压电源(未图示)，且将通过电压施加而产生的电场施加于离子束来使离子束的行进方向实现平行。另外，射束平行化器36可以替换成其他射束平行化装置，射束平行化装置也可以作为利用磁场的磁铁装置而构成。
45.最终能量过滤器38构成为分析离子束的能量并使所需能量的离子向下方(-y方向)偏转而引导至基板传送处理单元20。最终能量过滤器38有时被称为角度能量过滤器(aef)，且具有电场偏转用aef电极对。aef电极对连接于高压电源(未图示)。通过对上侧的aef电极施加正电压，且对下侧的aef电极施加负电压，使离子束向下方偏转。另外，最终能量过滤器38可以由磁场偏转用磁铁装置构成，也可以由电场偏转用aef电极对与磁场偏转用磁铁装置的组合构成。
46.左右法拉第杯39l、39r设置于最终能量过滤器38的下游侧，且配置于用箭头x表示的扫描范围的左端及右端的射束所能入射的位置。左右法拉第杯39l、39r设置于不阻挡朝向晶片w的射束的位置，并在对晶片w进行离子注入时测定射束电流。
47.在射束输送单元18的下游侧即射束线bl的最下游设置有基板传送处理单元20。基板传送处理单元20具有注入处理室40、射束监视器41、射束分析器42、分析器驱动装置43、基板传送装置44及装载端口46。注入处理室40中设置有离子注入时保持晶片w并使晶片w向与射束扫描方向(x方向)正交的方向(y方向)移动的平台驱动装置(未图示)。
48.射束监视器41设置于注入处理室40的内部的射束线bl的最下游。射束监视器41设置于射束线bl上不存在晶片w时离子束所能入射的位置，且构成为在离子注入工序之前或工序期间测定射束特性。射束监视器41作为射束特性而测定射束电流量、射束平行度等。射束监视器41例如位于连接注入处理室40与基板传送装置44之间的传送口(未图示)的附近，且设置于比传送口更靠铅垂下方的位置。
49.射束分析器42构成为测定晶片w的表面的位置上的射束电流。射束分析器42构成为通过分析器驱动装置43的动作能够在x方向上移动，离子注入时则从晶片w所在的注入位置避开，晶片w不在注入位置时则插入于注入位置。射束分析器42通过一边在x方向上移动，一边测定射束电流，能够遍及x方向的射束扫描范围整体而测定射束电流。射束分析器42可以具有在x方向上阵列状排列的多个法拉第杯，以便能够同时测量射束扫描方向(x方向)的多个位置上的射束电流。
50.射束分析器42可以具备用于测定射束电流量的单个法拉第杯，也可以具备用于测定射束的角度信息的角度测量器。角度测量器例如具备狭缝及在射束行进方向(z方向)上远离狭缝而设置的多个电流检测部。角度测量器例如通过利用在狭缝宽度方向上排列的多
个电流检测部来测量通过狭缝的射束，能够测定狭缝宽度方向的射束的角度成分。射束分析器42可以具备能够测定x方向的角度信息的第1角度测定器及能够测定y方向的角度信息的第2角度测定器。
51.基板传送装置44构成为在载置晶片容器45的装载端口46与注入处理室40之间传送晶片w。装载端口46构成为能够同时载置多个晶片容器45，例如具有在x方向上排列的4台载置台。在装载端口46的铅垂上方设置有晶片容器传送口(未图示)，且构成为能够使晶片容器45在铅垂方向上通过。晶片容器45例如通过在设置离子注入装置100的半导体制造工厂内的顶棚等上设置的搬运机器人，通过晶片容器传送口而自动搬入到装载端口46，并从装载端口46自动搬出。
52.离子注入装置100还具备中央控制装置50。中央控制装置50控制离子注入装置100的整体动作。中央控制装置50在硬件上通过以计算机的cpu和存储器为代表的元件和机械装置来实现，在软件上通过计算机程序等来实现。通过中央控制装置50提供的各种功能可通过硬件及软件的协作而实现。
53.在中央控制装置50的附近设置有操作盘49，该操作盘49具有用于设定离子注入装置100的动作参数的显示装置和输入装置。操作盘49及中央控制装置50的位置并无特别限定，例如能够和在射束生成单元12与基板传送处理单元20之间的维护区域ma的出入口48相邻地配置操作盘49及中央控制装置50。通过使管理离子注入装置100的作业人员所进行的作业频率高的离子源10、装载端口46、操作盘49及中央控制装置50的部位相邻，能够提高作业效率。
54.接着，对射束加速单元14的详细结构进行说明。图2(a)～图2(c)为表示线性加速装置22a～22c的结构的剖视图。图2(a)表示第1线性加速装置22a的结构，图2(b)表示第2线性加速装置22b的结构，图2(c)表示第3线性加速装置22c的结构。线性加速装置22a～22c包括沿射束线bl配置的多级高频加速部101～115及沿射束线bl配置的多级静电四极透镜装置121～139。在各级高频加速部101～115的上游侧及下游侧各自配置有至少一级静电四极透镜装置。
55.高频加速部通过对离子束ib所通过的高频电极施加高频电压v
rf
，使构成离子束ib的离子粒子加速或减速。各级高频加速部构成为能够个别调整高频电压v
rf
的电压振幅v0、频率f及相位φ。在本说明书中，有时将高频电压v
rf
的电压振幅v0、频率f及相位φ统称为“高频参数”。
56.静电四极透镜装置包括用于对离子束ib施加静电场来会聚或发散离子束ib的透镜电极、和设置于透镜电极的上游侧及下游侧的接地电极。静电四极透镜装置通过切换施加于透镜电极的电压的正负，发挥在x方向上会聚射束的横向会聚(纵向发散)透镜或在y方向上会聚射束的纵向会聚(横向发散)透镜的作用。
57.在图2(a)～图2(c)中，图示出在y方向上对置的透镜电极，并省略了在x方向上对置的透镜电极。若对在y方向上对置的透镜电极施加负电压，则发挥横向会聚(纵向发散)透镜的作用。相反地，若对在y方向上对置的透镜电极施加正电压，则发挥纵向会聚(横向发散)透镜的作用。关于透镜电极的结构，参考图3(a)、图3(b)将在后面另行叙述。
58.第1线性加速装置22a具备5级高频加速部101、102、103、104、105和7级静电四极透镜装置121、122、123、124、125、126、127。在第1线性加速装置22a的入口连续配置有第1级及
第2级静电四极透镜装置121、122。除了第1级及第2级以外的第3级至第7级静电四极透镜装置123～127各自配置于第1级至第5级高频加速部101～105的各级的下游侧。
59.设置于第1线性加速装置22a的7级静电四极透镜装置121～127配置成横向会聚透镜与纵向会聚透镜沿射束线bl交替。例如，第1级、第3级、第5级及第7级静电四极透镜装置121、123、125、127为纵向会聚透镜，第2级、第4级及第6级静电四极透镜装置122、124、126为横向会聚透镜。
60.第2线性加速装置22b具备5级高频加速部106、107、108、109、110和6级静电四极透镜装置128、129、130、131、132、133。除了设置于第2线性加速装置22b的入口的第8级静电四极透镜装置128以外的第9级至第13级静电四极透镜装置129～133各自配置于第6级至第10级高频加速部106～110的各级的下游侧。设置于第2线性加速装置22b的6级静电四极透镜装置128～133配置成横向会聚透镜与纵向会聚透镜沿射束线bl交替。例如，第8级、第10级及第12级静电四极透镜装置128、130、132为横向会聚透镜，第9级、第11级及第13级静电四极透镜装置129、131、133为纵向会聚透镜。
61.第3线性加速装置22c具备5级高频加速部111、112、113、114、115和6级静电四极透镜装置134、135、136、137、138、139。除了设置于第3线性加速装置22c的入口的第14级静电四极透镜装置134以外的第15级至第19级静电四极透镜装置135～139各自配置于第11级至第15级高频加速部111～115的各级的下游侧。设置于第3线性加速装置22c的6级静电四极透镜装置134～139配置成横向会聚透镜与纵向会聚透镜沿射束线bl交替。例如，第14级、第16级及第18级静电四极透镜装置134、136、138为横向会聚透镜，第15级、第17级及第19级静电四极透镜装置135、137、139为纵向会聚透镜。
62.另外，线性加速装置22a～22c中所包含的高频加速部及静电四极透镜装置的级数并不限于图示者，也可以由与图示的例子不同的级数构成。并且，静电四极透镜装置的配置可以与图示的例子不同。例如，可以至少一级静电四极透镜装置具有一个横向会聚透镜与纵向会聚透镜的配对，也可以具有多个横向会聚透镜与纵向会聚透镜的配对。
63.图3(a)、图3(b)为表示从射束线的上游侧观察的静电四极透镜装置52a、52b的概略结构的主视图。图3(a)的静电四极透镜装置52a为在横向(x方向)上会聚离子束ib的横向会聚透镜，图3(b)的静电四极透镜装置52b为在纵向(y方向)上会聚离子束ib的纵向会聚透镜。
64.图3(a)的静电四极透镜装置52a具有在纵向(y方向)上对置的一组上下透镜电极54a及在横向(x方向)上对置的一组左右透镜电极56a。对上下透镜电极54a施加负电位-qa，对左右透镜电极56a施加正电位+qa。静电四极透镜装置52a相对于由具有正电荷的离子粒子构成的离子束ib，在与负电位的上下透镜电极54a之间产生引力，在与正电位的左右透镜电极56a之间产生斥力。由此，静电四极透镜装置52a将射束形状调整为在x方向上会聚离子束ib且在y方向上将其发散。
65.图3(b)的静电四极透镜装置52b与图3(a)相同地具有在纵向(y方向)上对置的一组上下透镜电极54b及在横向(x方向)上对置的一组左右透镜电极56b。在图3(b)中，所施加的电位的正负与图3(a)相反，对上下透镜电极54b施加正电位+qb，对左右透镜电极56b施加负电位-qb。其结果，静电四极透镜装置52b将射束形状调整为在y方向上会聚离子束ib且在x方向上将其发散。
66.图4为表示高频加速部70的概略结构的剖视图，且表示相当于线性加速装置22a～22c各自中所包含的相当于一级的高频加速部的结构。高频加速部70包括高频电极72、高频共振器74、杆76及高频电源78。高频电极72为中空的圆筒形状的电极体，离子束ib在电极体的内部通过。高频电极72经由杆76连接于高频共振器74。高频电源78对高频共振器74供给高频电压v
rf
。中央控制装置50通过控制高频共振器74和高频电源78，来调整施加于高频电极72的高频电压v
rf
的电压振幅v0、频率f及相位φ。
67.在高频加速部70的上游侧及下游侧设置有静电四极透镜装置52a、52b。上游侧的静电四极透镜装置52a具有第1接地电极60a、第2接地电极62a、上下透镜电极54a、左右透镜电极56a及透镜电源58a(参考图3)。上下透镜电极54a及左右透镜电极56a设置于第1接地电极60a与第2接地电极62a之间。下游侧的静电四极透镜装置52b具有第1接地电极60b、第2接地电极62b、上下透镜电极54b、左右透镜电极56b及透镜电源58b(参考图3)。上下透镜电极54b及左右透镜电极56b设置于第1接地电极60b与第2接地电极62b之间。
68.在图4的例子中，上游侧的静电四极透镜装置52a为横向会聚(纵向发散)透镜，下游侧的静电四极透镜装置52b为纵向会聚(横向发散)透镜。另外，也可以根据高频加速部70为哪一级，上游侧的静电四极透镜装置52a为纵向会聚(横向发散)，下游侧的静电四极透镜装置52b为横向会聚(纵向发散)透镜。横向会聚和纵向会聚能够通过使由透镜电源58a、58b所施加的电压的正负反转而变更。
69.图4的高频加速部70利用高频电极72和上游侧的第2接地电极62a之间的上游侧间隙64与高频电极72和下游侧的第1接地电极60b之间的下游侧间隙66上的电位差，使构成离子束ib的离子粒子68加速或减速。例如，通过调整高频电压v
rf
的相位φ以便在离子粒子68通过上游侧间隙64时对高频电极72施加负电压，并且在离子粒子68通过下游侧间隙66时对高频电极72施加正电压，能够使通过高频加速部70的离子粒子68加速。另外，高频电极72的内部实质上为等电位，因此通过高频电极72的内部时，离子粒子68实质上不会加减速。
70.图5为详细表示线性加速装置的结构的剖视图。图5为表示图2(a)所示的第1线性加速装置22a的射束线上游侧的结构，且表示第1级至第5级静电四极透镜装置121～125、第1级至第3级高频加速部101～103。
71.第1线性加速装置22a具备真空槽140。真空槽140沿射束线bl在z方向上延伸。真空槽140中与射束线bl正交的截面为矩形形状，且具有在z方向上延伸的四个分隔壁。真空槽140作为四个分隔壁而具有上部壁140a、左侧壁140b、右侧壁140c(参考后述图6)及下部壁140d。
72.图6为表示真空槽140的配置的剖视图，且表示与z轴正交的截面。图5相当于沿图6的a-a截面。如图6所示，真空槽140以绕z轴旋转45度的朝向配置。上部壁140a从射束线bl观察时并非配置于铅垂上侧(+y方向)，而是配置于左上侧(+v方向)。+v方向相当于将+x方向及+y方向的单位矢量合成的矢量的朝向。左侧壁140b从射束线bl观察时配置于左下侧(+u方向)。+u方向相当于将+x方向及-y方向的单位矢量合成的矢量的朝向。右侧壁140c从射束线bl观察时配置于右上侧(-u方向)。下部壁140d从射束线bl观察时配置于右下侧(-v方向)。
73.图6还示出高频加速部101～103各自所具备的高频共振器74a～74c的配置。第1级高频加速部101所具备的第1高频共振器74a设置于上部壁140a的外侧，且从射束线bl观察
时配置于+v方向的位置。第1高频共振器74a从射束线bl观察时经由在+v方向上延伸的第1杆76a而与第1高频电极72a连接。
74.第2级高频加速部102所具备的第2高频共振器74b设置于左侧壁140b的外侧，且从射束线bl观察时配置于+u方向的位置。第2高频共振器74b从射束线bl观察时经由在+u方向上延伸的第2杆76b而与第2高频电极72b(参考图5)连接。
75.第3级高频加速部103所具备的第3高频共振器74c设置于右侧壁140c的外侧，且从射束线bl观察时配置于-u方向的位置。第3高频共振器74c从射束线bl观察时经由在-u方向上延伸的第3杆76c而与第3高频电极72c(参考图5)连接。
76.另外，在下部壁140d的外侧没有设置高频共振器。在下部壁140d设置有用于对真空槽140的内部进行真空抽气的真空排气装置148。真空排气装置148从射束线bl观察时配置于-v方向的位置。
77.如图6所示，通过将真空槽140从水平旋转45度来配置，能够减小高频共振器74a～74c所占的x方向及y方向的范围，从而能够使第1线性加速装置22a的装置整体的尺寸小型化。
78.在本说明书中，有时将射束线bl所延伸的方向称为轴向。并且，有时将与轴向正交的方向称为径向，有时将与轴向及径向这两个方向正交的方向称为周向。x轴、y轴、u轴及v轴各自为在周向的角度互不相同的径向上延伸的轴。
79.返回到图5，对高频加速部101～103的结构进行说明。第1级高频加速部101包括第1高频电极72a、第1高频共振器74a、第1杆76a及第1绝缘体77a。第1杆76a插穿于设置在上部壁140a的安装孔146。第1绝缘体77a设置于真空槽140的外侧且高频共振器74a的内部。第1绝缘体77a安装于上部壁140a，并支承第1杆76a。第1绝缘体77a构成为锥状，且设置成堵塞安装孔146。第1绝缘体77a将作为接地电位的真空槽140与施加高频电压v
rf
的第1杆76a之间进行电绝缘。第1绝缘体77a从射束线bl观察时设置于+v方向的位置。
80.第2级高频加速部102包括第2高频电极72b、第2高频共振器74b、第2杆76b及第2绝缘体(未图示)。第2级高频加速部102与第1级高频加速部101相同地构成，但如图6所示，安装状态不同。具体而言，第2杆76b从射束线bl观察时配置于+u方向的位置。第2绝缘体安装于左侧壁140b，并支承第2杆76b。第2绝缘体从射束线bl观察时配置于+u方向的位置。
81.第3级高频加速部103包括第3高频电极72c、第3高频共振器74c、第3杆76c及第3绝缘体(未图示)。第3级高频加速部103与第1级高频加速部101相同地构成，但如图6所示，安装状态不同。具体而言，第3杆76c从射束线bl观察时配置于-u方向的位置。第3绝缘体安装于右侧壁140c，并支承第3杆76c。第3绝缘体从射束线bl观察时配置于-u方向的位置。
82.在真空槽140的内部设置有多个静电四极透镜装置121～125。多个静电四极透镜装置121～125各自作为透镜单元80而构成。透镜单元80将图3(a)、图3(b)及图4所示的静电四极透镜装置52a(或52b)单元化而成，上下透镜电极54a(或54b)、左右透镜电极56a(或56b)、第1接地电极60a(或60b)及第2接地电极62a(或62b)被一体化。在本说明书中，将透镜单元80也称为静电四极透镜装置。
83.透镜单元80具备多个透镜电极82、上游侧覆盖电极84a、下游侧覆盖电极84b、底板86及安装部88。
84.多个透镜电极82相当于图3(a)，图3(b)所示的上下透镜电极54a(或54b)及左右透
镜电极56a(或56b)。多个透镜电极82隔着射束线bl在径向上对置，且在周向上隔着间隔配置。具体而言，一组上下透镜电极在y方向上对置，一组左右透镜电极在x方向上对置。并且，两个上下透镜电极及两个左右透镜电极在周向上交替配置。对多个透镜电极82施加正或负的会聚/发散电压。
85.上游侧覆盖电极84a包覆多个透镜电极82的射束线上游侧。上游侧覆盖电极84a形成为仅由曲面构成或由曲面及平面构成的碗状，且在中央设置有使离子束ib通过的射束入射口。上游侧覆盖电极84a在轴向或径向上远离多个透镜电极82而配置。上游侧覆盖电极84a为接地电极，其相当于图4的第1接地电极60a(或60b)。
86.下游侧覆盖电极84b包覆多个透镜电极82的射束线下游侧。下游侧覆盖电极84b与上游侧覆盖电极84a相同地形成为仅由曲面构成或由曲面及平面构成的碗状，且在中央设置有使离子束ib通过的射束出射口。下游侧覆盖电极84b在轴向或径向上远离多个透镜电极82而配置。下游侧覆盖电极84b为接地电极，其相当于图4的第2接地电极62a(或62b)。
87.底板86支承多个透镜电极82、上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b。底板86为轴向具有厚度的板状部件。多个透镜电极82收纳于贯穿底板86的中央的中央开口。上游侧覆盖电极84a安装于底板86的上游侧。下游侧覆盖电极84b安装于底板86的下游侧。
88.安装部88为固定于真空槽140的部分。安装部88设置于底板86的下部，且从底板86轴向延伸。在真空槽140的内表面设置有在轴向上延伸的安装杆142。安装部88利用螺纹或螺栓等紧固部件144而固定于安装杆142。
89.图7为表示从上游侧观察的透镜单元80的一例的外观立体图。图7的透镜单元80例如为与第1级高频加速部101的上游侧相邻的第2级静电四极透镜装置122。上游侧覆盖电极84a具有使离子束ib通过的射束入射口92a及多个气体排出口(也称为上游侧气体排出口)94a、95a、96a。射束入射口92a设置于上游侧覆盖电极84a的中央，且在轴向开口。多个上游侧气体排出口94a～96a设置于上游侧覆盖电极84a的外周部，且在径向开口。多个上游侧气体排出口94a～96a各自为了从透镜单元80的内部向外部排出气体而设置。
90.多个上游侧气体排出口94a～96a各自设置于周向上不同的位置，例如设置于周向分别错开90度的位置。例如，第1气体排出口94a从射束线bl观察时设置于+u方向的位置，第2气体排出口95a从射束线bl观察时设置于-u方向的位置，第3气体排出口96a从射束线bl观察时设置于-v方向的位置。在图示的例子中，从射束线bl观察时在+v方向的位置没有设置气体排出口，但也可以从射束线bl观察时在+v方向的位置设置有第4气体排出口。
91.多个上游侧气体排出口94a～96a各自作为在周向上延伸的狭缝而形成。多个上游侧气体排出口94a～96a各自例如作为遍及10度～60度左右的角度范围连续延伸的狭缝而形成。另外，多个上游侧气体排出口94a～96a各自可以不在周向上连续形成，也可以在周向上断续地形成。多个上游侧气体排出口94a～96a各自例如可以作为网眼而形成，也可以作为微小开口阵列而形成。
92.安装部88设置于底板86的左右方向(u方向)的两端，且没有设置于底板86的左右方向的中央附近。安装部88形成为具有设置于上游侧的缺口88a。上游侧的缺口88a设置于射束线bl与真空排气装置148之间。上游侧的缺口88a例如使从多个上游侧气体排出口94a～96a朝向真空排气装置148流动的气体通过。上游侧的缺口88a也可以不连续形成，而作为网眼或微小开口阵列而形成。
93.图8为表示从下游侧观察的图7的透镜单元80的外观立体图。在图示的例子中，透镜单元80的上游侧与下游侧的结构相同。下游侧覆盖电极84b具有使离子束ib通过的射束出射口92b及多个气体排出口(也称为下游侧气体排出口)94b、95b、96b。射束出射口92b设置于下游侧覆盖电极84b的中央，且在轴向开口。多个下游侧气体排出口94b～96b设置于下游侧覆盖电极84b的外周部，且在径向开口。多个下游侧气体排出口94b～96b例如与设置于上游侧覆盖电极84a的多个上游侧气体排出口94a～96a相同地构成。多个下游侧气体排出口94b～96b各自为了从透镜单元80的内部向外部排出气体而设置。
94.安装部88与上游侧相同地具有设置于下游侧的缺口88b。下游侧的缺口88b设置于射束线bl与真空排气装置148之间。下游侧的缺口88b例如使从多个下游侧气体排出口94b～96b朝向真空排气装置148流动的气体通过。下游侧的缺口88b也可以不连续形成，而作为网眼或微小开口阵列而形成。
95.图9为沿详细示出图7的透镜单元80的内部结构的射束线bl的剖视图，且放大图5所示的透镜单元80的图。图9的透镜单元80例如为与第1级高频加速部101的上游侧相邻的第2级静电四极透镜装置122。透镜单元80具备支承多个透镜电极82各自的多个绝缘部件90。多个绝缘部件90例如为圆柱状的绝缘子。多个绝缘部件90各自从所对应的透镜电极82朝向底板86而在径向外侧延伸。多个绝缘部件90各自安装于底板86的中央开口86a的内周面86b。在底板86的下部设置有在v方向上延伸的配线口86c。在配线口86c上插穿用于对多个透镜电极82施加高电压的配线(未图示)。
96.设置于上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b的多个气体排出口94a～96a、94b～96b设置于在径向上比多个透镜电极82更远离射束线bl的位置。即，多个气体排出口94a～96a、94b～96b从射束线bl观察时设置于多个透镜电极82的背侧。通过在多个透镜电极82的背侧设置多个气体排出口94a～96a、94b～96b，能够使作用于离子束ib的会聚/发散电场的空间分布实质上不发生变化。即，能够防止基于设置气体排出口的透镜单元80的会聚/发散性能的变化。
97.多个气体排出口94a～96a、94b～96b的轴向的位置位于多个透镜电极82的轴向的端部82a、82b的位置与多个绝缘部件90的轴向的位置之间的范围c1、c2。多个上游侧气体排出口94a～96a设置于多个透镜电极82的上游侧端部82a与多个绝缘部件90之间的范围c1。即，多个上游侧气体排出口94a～96a避开比多个透镜电极82的上游侧端部82a更靠上游侧的位置而设置。由此，能够防止作为基于设置气体排出口的上游侧覆盖电极84a的接地电极的性能的变化。并且，多个下游侧气体排出口94b～96b设置于多个透镜电极82的下游侧端部82b与多个绝缘部件90之间的范围c2。即，多个下游侧气体排出口94b～96b避开比多个透镜电极82的下游侧端部82b更靠下游侧的位置而设置。由此，能够防止作为基于设置气体排出口的下游侧覆盖电极84b的接地电极的功能的变化。并且，通过避开多个绝缘部件90的轴向的位置而设置多个气体排出口94a～96a、94b～96b，抑制朝向多个绝缘部件90的气体的流动，从而能够抑制溅射粒子附着于多个绝缘部件90。
98.图10为与详细示出图7的透镜单元80的内部结构的射束线bl正交的剖视图。图10为从射束线上游侧观察拆卸上游侧覆盖电极84a的状态的透镜单元80。图10的透镜单元80例如为与第1级高频加速部101的上游侧相邻的第2级静电四极透镜装置122。
99.图10为表示多个透镜电极82及多个下游侧气体排出口94b～96b的周向的配置关
系。如图所示，多个下游侧气体排出口94b～96b各自在周向上从多个透镜电极82错开配置。多个下游侧气体排出口94b～96b各自例如从多个透镜电极82错开45度配置。例如，将第1杆76a所延伸的方向(+v方向)作为0度时，多个透镜电极82配置于45度、135度、225度、315度的位置。多个下游侧气体排出口94b～96b配置于270度、90度、180度的位置。另外，多个上游侧气体排出口94a～96a(图10中未图示)也相同地在270度、90度、180度的位置配置成与多个下游侧气体排出口94b～96b相对应。
100.在透镜单元80中，由于离子束ib碰撞透镜电极82或覆盖电极84a、84b的电极体，而使电极体溅射，并使构成溅射的电极体的物质成为溅射粒子而飞溅。所生成的溅射粒子有可能作为污垢而附着于电极体或绝缘部件90的表面。溅射粒子为导电性物质，因此附着于电极体的表面而形成微细的凹凸，由此容易在电极之间产生放电。例如，有可能在施加高电压的透镜电极82与作为接地电位的覆盖电极84a、84b之间产生放电。并且，若溅射粒子附着于绝缘部件90的表面，则有可能绝缘部件90的绝缘性能下降，而无法在施加高电压的透镜电极82与作为接地电位的底板86之间确保电绝缘。
101.根据本实施方式，在透镜单元80设置有多个气体排出口94a～96a、94b～96b，因此能够生成通过多个气体排出口94a～96a、94b～96b而从透镜单元80的内部朝向外部的气体的流动。例如，如图10所示，能够生成通过多个下游侧气体排出口94b～96b而朝向设置于真空槽140的下部(-v方向)的真空排气装置148的气体的流动f。在透镜单元80的内部生成的溅射粒子中至少一部分通过从透镜单元80的内部朝向外部的气体的流动f而排出到透镜单元80的外部。其结果，能够抑制溅射粒子附着于设置在透镜单元80的内部的电极体或绝缘部件90，从而能够抑制电极体之间的放电的产生和绝缘部件90的绝缘性能的下降。
102.在图10所示的透镜单元80中，在相邻的第1杆76a所在的0度的位置没有设置气体排出口。第1杆76a通过第1绝缘体77a被支承，若溅射粒子附着于第1绝缘体77a，则导致第1绝缘体77a的绝缘性能下降。通过在相邻的第1杆76a所在的0度的位置不设置气体排出口，能够抑制朝向第1绝缘体77a的溅射粒子的飞溅，从而能够抑制第1绝缘体77a的绝缘性能的下降。
103.为了抑制朝向第1绝缘体77a的溅射粒子的飞溅，优选在相对于第1杆76a周向错开45度以上的位置设置多个下游侧气体排出口94b～96b。尤其，在与第1级高频加速部101相邻的覆盖电极中，优选不在从射束线bl观察时+v方向的位置设置气体排出口。与第1级高频加速部101相邻的覆盖电极为第2级静电四极透镜装置122的下游侧覆盖电极及第3级静电四极透镜装置123的上游侧覆盖电极。
104.另外，在第2级高频加速部102中，从射束线bl观察时在+u方向的位置存在第2杆76b(参考图6)。因此，在与第2级高频加速部102相邻的覆盖电极的情况下，在从射束线bl观察时+u方向的位置不设置气体排出口，且在+v方向、-v方向及-u方向的位置设置多个气体排出口为较佳。与第2级高频加速部102相邻的覆盖电极为第3级静电四极透镜装置123的下游侧覆盖电极及第4级静电四极透镜装置124的上游侧覆盖电极。
105.并且，在第3级高频加速部103中，从射束线bl观察时在-u方向的位置存在第3杆76c(参考图6)。因此，在与第3级高频加速部103相邻的覆盖电极的情况下，在从射束线bl观察时-u方向的位置不设置气体排出口，且在+v方向、-v方向及+u方向的位置设置多个气体排出口为较佳。与第3级高频加速部103相邻的覆盖电极为第4级静电四极透镜装置124的下
游侧覆盖电极及第5级静电四极透镜装置125的上游侧覆盖电极。
106.另外，在与高频加速部不相邻的覆盖电极的情况下，可以在
±
v方向及
±
u方向这四个方位设置气体排出口。即，覆盖电极可以具有设置于0度、90度、180度及270度的位置的四个气体排出口。与高频加速部不相邻的覆盖电极为第1级静电四极透镜装置121的上游侧及下游侧覆盖电极、及第2级静电四极透镜装置122的上游侧覆盖电极。
107.根据本实施方式，通过在安装部88设置缺口88a、88b，能够提高朝向真空排气装置148流动的气体的传导性。尤其，通过在连续设置有多级透镜单元80的部位设置缺口88a、88b，能够有效地排出残留气体。例如，能够从连续相邻的第1级及第2级静电四极透镜装置121、122之间的空间有效地排出残留气体。
108.根据本实施方式，能够通过多个气体排出口94a～96a、94b～96b从透镜单元80的内部有效地排出残留气体，因此能够提高透镜单元80的内部的真空度。并且，能够通过缺口88a、88b从透镜单元80的周围的空间有效地排出残留气体来提高真空度。由此，能够提高真空槽140整体在射束线bl上的真空度。由此，能够减轻因离子束ib与残留气体相互作用而构成离子束ib的离子的价数降低或离子中和的影响。由此，提高基于射束加速单元14的离子束ib的输送效率，从而能够抑制从射束加速单元14输出的离子束ib的射束电流的下降。
109.本实施方式可以适用于使离子束ib加速至4mev以上的超高能量多级线性加速单元。为了使离子束ib加速至4mev以上，需要进一步增大施加于各级高频加速部101～115的加速电压，且还需要进一步增大施加于各级静电四极透镜装置121～139的会聚/发散电压。通过施加更大的电压，容易产生电极体之间的放电。根据本实施方式，能够抑制基于溅射粒子的电极体或绝缘部件的污染，从而能够抑制电极体之间的放电的产生。
110.本实施方式可以适用于使包含多价离子的离子束ib加速的高能量多级线性加速单元。在高频加速部中赋予离子束ib的加速能量和施加于高频加速部的加速电压与离子的价数之积成比例，因此通过使用价数大的离子，与使用价数小的离子的情况相比能够增大加速能量。另一方面，价数大的离子(例如，3价以上或4价以上的离子)容易与存在于射束线bl的残留气体相互作用，且由于相互作用而价数下降，而导致在射束的输送中损失。根据本实施方式，能够提高射束线bl的真空度，因此能够抑制多价离子的损失，从而能够抑制从射束加速单元14输出的离子束ib的射束电流的下降。
111.本实施方式所涉及的透镜单元80可以适用于设置在射束加速单元14的多级静电四极透镜装置121～139全部。即，可以在设置于多级静电四极透镜装置121～139各自的覆盖电极设置有气体排出口。另外，本实施方式所涉及的透镜单元80可以适用于设置在射束加速单元14的多级静电四极透镜装置121～139的一部分级。即，透镜单元80可以适用于多级静电四极透镜装置121～139中至少一级静电四极透镜装置。
112.本实施方式所涉及的透镜单元80可以适用于射束加速单元14的最上级至规定数的级中的至少一级静电四极透镜装置。例如，透镜单元80可以适用于图5所示的第1级至第5级静电四极透镜装置121～125。在透镜单元80中产生的溅射粒子容易在离子束ib的能量比较低的情况下产生，因此容易在比射束加速单元14的下游部更靠上游部产生溅射粒子。例如，与第2线性加速装置22b或第3线性加速装置22c相比，容易在第1线性加速装置22a产生溅射粒子。因此，通过在容易产生溅射粒子的射束加速单元14的上游部适用透镜单元80，容易获得基于溅射粒子的排出的效果。另一方面，在不易产生溅射粒子的射束加速单元14的
下游部的静电四极透镜装置(例如，126～139)中，可以不在覆盖电极设置气体排出口。
113.以上，参考上述各实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述各实施方式，适当组合或替换各实施方式的结构也包含于本发明。并且，根据本领域技术人员的知识，还能够适当改变各实施方式的组合或处理顺序或者对实施方式加以各种设计变更等变形，且加以这种变形的实施方式也包含于本发明的范围内。
114.在上述实施方式中，示出在上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b各自设置有多个气体排出口94a～96a、94b～96b的情况。在另一实施方式中，可以仅在上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b中的其中之一上设置多个气体排出口。
115.在上述实施方式中，示出在上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b各自设置有多个气体排出口94a～96a、94b～96b的情况。在另一实施方式中，也可以在上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b中的至少一者上仅设置一个气体排出口。因此，上游侧覆盖电极84a及下游侧覆盖电极84b中至少一者可以具有至少一个气体排出口。