ଵ‫ݗ‬エネルギー重イオン注入用線形加速器の研究（全体০‫）ڐ‬服൉俊幸1、土屋和利、山本和男、ସ江大輔、林崎֩託、
柏木啓次、‫ݗ‬橋康之、畑寿֬、‫ݗ‬野淳平、‫ݗ‬野智
東京工業大学 原子炉工学研究所
152-8550東京ற目‫ݪ‬区大岡山2-12-1

概要
3次元半導体製造用の核子当たり1MeV‫ؼ‬くまでB、Pを加速するଵ‫ݗ‬エネルギー重イオン注入機システ
ムを‫ڐ‬画し概念০‫ڐ‬を行った。永久磁石型ECR重イオン源からのイオンを加速入射後、2台のAPF-IH型線形加速器で加速し、エネルギーの可変性を持たせている。B、P、Asの多価重イオン発生用永久磁石型
ECRイオン源は現在製作中である。また第1線形加速器は軌道‫ڐ‬算、1/2スケール‫ݗ‬周波ࠟ験モデルのテストを行い、現在はAPF-IH型加速空洞の஢磁場特性について‫ڐ‬算機シミュレーション中である。

１．はじめに3次元IC半導体や先端的CCD素子への利用を考慮した、十分に3次元重イオン注入が可能な、B、P、Asを核子当たり1MeV‫ؼ‬くまで加速するシステムを‫ڐ‬画している。
ଵ‫ݗ‬エネルギー領域の重イオン注入に対して、現在一般に実用化されている‫ݗ‬エネルギー重イオン注入機である、ৌ஢加速器や単空洞重連加速器[1]は対応することが困難である。そこで、永久磁石型ECR多価重イオン源を既存の中エネルギーイオン注入機へ搭載し、これを入射機として2台のAPF-IH型線形加速器でB、P、Asを核子当たり1MeV‫ؼ‬くまで、エネルギー可変性を有しながら加速するシステムの概念০‫ڐ‬をおこなった。

最初の線形加速器で10MeVのAsイオンを発生させ、第2線形加速器で最大エネルギー0.91MeV/u、すなわ
ち10MeVのBと28MeVのPを発生できる。第1線形加速器と第2線形加速器の加速஢圧、‫ݗ‬周波位相の組み合わせにより、完全なエネルギーの可変性を実現させることが可能であろう。2台の加速器と連結൉分を入れた加速器ସは3mである。

３．多価重イオン生成イオン源半導体用のB、P、Asなどの多価イオンを発生するために小型永久磁石型ECRイオン源を現在開発中である。常伝導型ECRイオン源ではミラーコイル஢力として100kW前後を必要とし、その冷却用の冷却水がまた必要となる。ଵ伝導コイルでは஢力や஢源は小さくなるが、イオン源自体が大型化する。このため、ミラーコイル磁石を永久磁石化することで、省஢力と小型化を狙った。
イオン源の開発は、放射線医学総合研究所と服൉研究室で共同研究を行っている永久磁石型ＥＣＲ型
イオン源[12]をベースにしながら、経済産業省の「大学発事業創出実用化研究開発事業」の支援を受けて進められている。この小型永久磁石型ECRイオン源を利用して、システムを組み上げることを考えている。その詳細については、本研究会で報告予定である[13]。

４．第１線形加速器
２．全体০‫ڐ‬
考案したଵ‫ݗ‬エネルギー重イオン注入機システム
は、永久磁石型ECRイオン源と2台の線形加速器により構成され，加速粒子はB2+、P6+ 、As8+イオンを予定している。線形加速器は格段に஢力効率の良いIH型とし、低エネルギー入射が必要なために、これに適したAlternatingPhaseFocus（APF）収束構造 [2-11]を採用した。運転周波数は入射のセルସと小型化を考慮して65MHzとしている。
第1線形加速器の加速エネルギーは、BやPについては1MeV‫ؼ‬く、Asは10MeVとした。入射エネルギー
は、既存の中エネルギーイオン注入機の加速エネルギーである200kVを考慮して20keV/uとした。
1E-mail: thattori@nr.titech.ac.jp

第1線形加速器の০‫ڐ‬にあたっては，これまでに
服൉研究室が開発して2001年にຨ子加速に成功した
APF-IH型線形加速器（入射エネルギー11keV/u、出射エネルギー90keV/u、運転‫ݗ‬周波数65MHz）を参考にした。第1線形加速器の入射エネルギーは20keV/u
で ， 出 射 エ ネ ル ギ ー は 10MeV の As が 得 ら れ る140keV/uとした。加速空洞の内径は70cm、ସさは70cm、共振周波数は65MHzを予定している。この第1線形加速器のパラメメータを表-1に示す。
イオン源から第1線形加速器への入射エネルギーはAs8+（஢荷/ࡐ量比：ε=1/9.4）において187.5kVを必要とする。このため、既存の200kVの中エネル
ギー重イオン注入機に永久磁石型ECRイオン源を搭載し、入射器とすることを考えている。
この第1線形加速器については，現実的な০‫ڐ‬開発を進めており、詳細は本研究会で報告予定である
[14]。
表-1

第1線形加速器の০‫ڐ‬パラメータ

Acceleration Particle (q/A)
Input Energy
Output Energy
Operation Frequency
Synchronous Phase
Number of Cell
Cavity Length
Cavity Diameter
Focusing Sequence
Transverse AcceptanceLongitudinal AcceptanceTransmission
Acceleration Voltage/Gap
Acceleration Rate

B 2+,P6+,As8+≧1/9.4
20 keV/u
140 keV/u
65 MHz-35°,-35°,35°,35°
1870 cm
70cm-35°,-35°,35°,35°
152πmmûmrad
30°
60 % by Buncher
50-150kV
1.6 MV/m

５．第２線形加速器
第1線形加速器における加速後，イオンは収束用四重極磁石を通過して第2線形加速器に入射する。
このとき第1と第2線形加速器の加速஢圧と加速位相を制御することにより，第2線形加速器の入射エネルギーから出射最大エネルギーまでのエネルギーを変えることが可能である。
したがってイオン種別によって，第2線形加速器の運転方法が異なる。Asの場合は，すでに第1線形加速器によって10MeVまで加速されているので，そのまま素通りして、イオン注入ラインに輸送される。
BやPにおいては0.91MeV/uの加速がおこなわれ，Bが10MeV、Pが28MeVの最大加速エネルギーが得られる。
第2線形加速器の空洞内径は100cm、ସさは180cm、共振周波数は65MHzを予定している。その০‫ڐ‬パラメータを表-2に示す。
表-2

第2線形加速器の০‫ڐ‬パラメータ

Acceleration Particle (q/A)
Input Energy
Output Energy
Operation Frequency
Synchronous Phase
Number of Cell
Cavity Length
Cavity Diameter
Focusing Sequence
Transmission
Acceleration Voltage/Gap
Acceleration Rate

B 2+,P6+≧1/5.5
140 keV/u
910 keV/u
65 MHz-30°,-30°,30°,30°22
180 cm100cm-30°,-30°,30°,30°~100 %
200-350kV
2.35 MV/m

参考文献[1] M.Tsukihara and M.Sugihara; Proc. 1 st Symposium on
Accelerator and Related Technology for Application
Nov30-Dece1, 1(1998)91-94[2] T.Hattori, K.Isokawa, K.Sasa, T.Ito, H.Tomizawa,
N.Hayashizaki, T.Yoshida, S.Majima, S.Yamada andS.Yamaki:Proc.21 stLinearAccelerator
Meeting,21(1996) 278-280.
[3] T.Hattori, K.Isokawa, K.Sasa, T.Ito, H.Tomizawa,
N.Hayashizaki, T.Yoshida, S.Majima, N.Sakamoto,S.Yamada and S.Yamaki : Proc.22 nd Linear Accelerator
Meeting,22(1997) 22-24.
[4] T.Hattori, K.Isokawa, S.Matsui, K.Sasa, T.Ito,
H.Tomizawa, N.Hayashizaki, T.Yoshida, N.Sakamoto,S.Yamada S.Yamaki,E.Osvath, D.Dudu and H.Schubert :Proc.23rd Linear Accelerator Meeting,23(1998) 352354.
[5] K.Isokawa, T.Hattori, S.Majima and S.Yamada : Proc.21 st
Linear Accelerator Meeting,21(1996) 281-283[6] K.Isokawa, T.Hattori, S.Majima and S.Yamada :Proc.22nd Linear Accelerator Meeting,22(1997) 302304[7] K.Isokawa, T.Hattori, T.Ito, N.Hayashizaki, S.Majimaand S.Yamada : Nucl. Inst. and Meth.,A145(1998) 287290[8] T.Hattori, K.Sasa, M.Okamura, T.Ito, H.Tomizawa,T.Katayose, N.Hayashizaki, T.Yoshida, K.Isokawa,M.Aoki, N.Fujita and M.Okada: Fusion Engineering andDesign 32-33(1996)359-363.
[9] T.Hattori, S.Matsui, N.Hayashizaki, H.Tomizawa,T.Yoshida, K.Sasa, S.J.Gates,K.Kawasaki, T.Niizeki,K.Isokawa, T.Ito and M.Okamura; Nucl. Inst. and Meth.,
B161-163(2000)1174-1177;[10] S.Matsui, T.Hattori, N.Hayashizaki, H.Tomizawa,K,Sasa, T.Yoshida, K.Isokawa and T.Ito.; Nucl. Inst. andMeth., B161-163(2000)1178-1181;[11] N.Hayashizaki, T.Hattori, S.Matsui, H.tomizawa,T.Yoshida, K.Isokawa, A.Kitagawa, M.Muramatsu,S.Yamada and M.Okamura.; Reviw of Scientific
Instruments 71(2000)990-992[12]M.Muramatsu, A.Kitagawa, Y.Sato S.Yamada, T.Hattori,M.Hanagasaki, T.Fukushima and H.Ogawa; Review ofScientific Instruments, 73(2002)573-575[13] D.Nagae; in these proceedings.
[14] K.Tuchiya; in these proceedings.