DE60130432T2

DE60130432T2 - Ionisator zur Bildung eines Gas-Cluster-Ionenstrahls

Info

Publication number: DE60130432T2
Application number: DE2001630432
Authority: DE
Inventors: Jerald P. Austin Dykstra
Original assignee: TEL Epion Inc
Current assignee: TEL Epion Inc
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: DE60130432D1; EP1255277A1; EP1255277B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft den Bereich Ionisierer zur Bildung von Gasclusterionenstrahlen.
Es hat sich gezeigt, dass ionisierte Gasclusterstrahlen beschleunigt und auf ein Target oder eine Werkstückoberfläche gerichtet werden können, um verschiedene wünschenswerte Effekte zu erzeugen: Reinigen, Glätten, Sputterätzen, Absetzen, Implantation usw. Eine Reihe von Literaturquellen beschreibt die Erzeugung und Anwendung von Gasclusterionenstrahlen (siehe z.B. US-Patent Nr. 5,814,194 von Deguchi et al.).
1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines herkömmlichen Gasclusterionenstrahl-Verarbeitungssystems 100 mit einem Differentialvakuumpumpenansatz. Gascluster werden durch Erzeugen – mit einer entsprechend geformten Düse 102 – eines Clusterstrahls von Gas gebildet, das in eine Region 104 mit stark reduziertem Druck strömt. Eine Kühlung durch adiabatische Ausdehnung bewirkt eine Kondensation des Gases zu Cluster aus mehreren bis zu mehreren tausend Atomen oder Molekülen. Eine Gasabscheideröffnung 106 dient zum Abscheiden der Gasmoleküle, die nicht aus dem Clusterstrahl zu Cluster konvertiert wurden, so dass der Druck in den stromabwärtigen Regionen minimiert wird, wo solche höheren Drücke schädlich wären (z.B. Ionisierer 108, Beschleuniger 110 und Prozesskammer 112).
Es ist zwar nicht wesentlich, aber zuweilen wünschenswert, auch einen Differentialvakuumpumpenansatz wie in 1 gezeigt anzuwenden, um weiter dazu beizutragen, dass die stromabwärtigen Regionen von der Ursprungsregion mit höherem Druck isoliert werden. Geeignete Ursprungsgase 114 sind (z.B.) Argon, andere Inertgase, Sauerstoff, Stickstoff, Sauerstoffträgergase wie Kohlendioxid, Stickstoffträgergase, Halogene und Halogenträgergase. Da bei einem Clusterstoß transient hohe Temperaturen und Drücke entstehen, werden chemische Reaktionen angeregt. Daher werden chemisch reaktive Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Halogene oder diese Elemente als Bestandteil tragende Gase auch wegen der chemischen Oberflächenreaktionen benutzt, die sie bewirken können. Inertgase bearbeiten die Substratoberflächen durch mechanische Wirkung. Es sind natürlich auch Gemische aus inerten mit reaktiven Gasen möglich.
Nach dem Formen des Clusterstrahls (der ein im Wesentlichen neutraler Strahl von Cluster ist) werden die Cluster im Ionisierer 108 ionisiert. Der Ionisierer ist typischerweise ein Elektronenstoßionisierer, der thermische Elektronen von einem oder mehreren Glühfäden erzeugt. Er beschleunigt und richtet die Elektronen und bewirkt, dass sie mit den Gasclustern in dem Gasclusterstrahl kollidieren. Der Elektronenstoß stößt Elektronen aus den Cluster aus und bewirkt, dass ein Teil der Cluster positiv ionisiert wird.
Nach dem Ionisieren extrahieren geeignet vorgespannte Elektroden die Clusterionen aus dem Ionisierer, bündeln sie zu einem Strahl und beschleunigen sie bis auf eine gewünschte Energie, typischerweise von 1 keV bis zu mehreren dutzend oder sogar mehreren hundert keV. Nicht gezeigt, aber zuweilen verwendet, wird ein Massenselektor zum Auswählen von Cluster einer bestimmten Masse oder innerhalb eines bestimmten Massenbereichs. Solche Massenselektoren können beispielsweise ein transversales Magnetfeld zum Ablenken von Monomerionen und anderen leichten Ionen (z.B. Clusterionen mit etwa zehn oder weniger Atomen oder Molekülen) aus dem Strahl und Leiten von massiveren Clusterionen sein. Die beschleunigten Ionencluster können mit Scan-Mechanismen 116 gescannt werden, die die Oberfläche des Targets 118 oder Werkstücks mit bekannten elektrostatischen Scan-Techniken gleichförmig bearbeiten. Extrahieren, Bündeln, Beschleunigen, Massenauswahl und Scannen werden alle dank der Tatsache ermöglicht, dass der Strahl von Cluster ionisiert wird.
GCIB kann für viele Oberflächenprozesse angewendet werden: Glätten, Ätzen, Reagieren, Absetzen usw. Viele der bevorzugten GCIB-Prozesse erzeugen ihre gewünschten Ergebnisse proportional zur Intensität des ionisierten Clusterstrahls, der dem Target oder Werkstück zugeführt wird. Die Strahlenintensität ist von mehreren Faktoren abhängig, wie z.B. der Intensität des von der Düse gebildeten Neutralgas-Clusterstrahls (Clusterformungseffizienz); Bruchteil des Neutralgas-Clusterstrahls, der nachfolgend ionisiert wird (Ionisierungseffizienz); und Bruchteil der ionisierten Cluster, die nachfolgend zum Ziel oder Werkstück transportiert werden (Transporteffizienz).
Andere Faktoren wie Beschleunigungspotential, Clustergröße, Gasbestandteile der Cluster usw. sind ebenfalls für Wirksamkeit und Effizienz des Verfahrens wichtig.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, die Effizienz der GCIB-Verarbeitung durch Erhöhen des Bruchteils der neutralen Cluster im Strahl zu verbessern, die ionisiert werden (Erhöhen der Ionisierungseffizienz). Da eine erhöhte Ionisierungseffizienz die GCIB-Intensität erhöhen kann, kann gefolgert werden, dass die Produktivität verschiedener GCIB-Prozesse durch eine erhöhte Ionisierungseffizienz verbessert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Neutralstrahlionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird eine Neutralstrahlionisierungsvorrichtung zur Elektronenstoßionisierung eines im Wesentlichen zylindrischen Neutralstrahls bereitgestellt, wobei die Ionisierungsvorrichtung wenigstens eine Elektronenquelle und eine elliptisch zylindrische Ionisierungsregion umfasst, die von einem Paar kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden definiert wird, die so vorgespannt sind, dass sie bewirken, dass von der wenigstens einen Elektronenquelle emittierte Elektronen wiederholt durch die Achse des zu ionisierenden, im Wesentlichen zylindrischen Strahls umlaufen. In einer Ausgestaltung beinhaltet die elliptisch zylindrische Ionisierungsregion ein Paar kofokale, elliptisch zylindrische Elektroden, die so vorgespannt sind, dass sie bewirken, dass von der wenigstens einen Elektronenquelle emittierte Elektronen wiederholt durch die Achse des zu ionisierenden, im Wesentlichen zylindrischen Strahls umlaufen. Das Paar kofokale, elliptisch zylindrische Elektroden umfasst eine Schirmreflektorelektrode und eine Anodenreflektorelektrode, die für Elektronen im Wesentlichen transparent ist, und die Neutralstrahlenachse kann im Wesentlichen entlang einem ersten Fokus des Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden liegen. Der elliptische Zylinder und eine Elektronenquelle können entlang einem zweiten Fokus des elliptischen Zylinders liegen. Die wenigstens eine Elektronenquelle kann einen nicht induktiv gebildeten Faden beinhalten, der von einer mit dem zweiten Fokus des elliptischen Zylinders konzentrischen zylindrischen Anode umgeben ist. In einer alternativen Ausgestaltung liegt die Neutralstrahlenachse im Wesentlichen entlang einem ersten Fokus des elliptischen Zylinders und die Elektronenquellen sind so angeordnet, dass sie außerhalb des elliptischen Zylinders liegen und einen oder mehrere Strahlen von Elektronen durch einen Fokus des elliptischen Zylinders leiten. In anderen Ausgestaltungen beinhaltet die wenigstens eine Elektronenquelle wenigstens eine Elektronenkanone, die so angeordnet ist, dass sie wenigstens einen Strahl von Elektronen durch den zweiten Fokus des elliptischen Zylinders leitet. In allen Ausgestaltungen kann der zu ionisierende Strahl ein Gasclusterstrahl sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines herkömmlichen Gasclusterionenstrahlverarbeitungssystems mit einem Differentialvakuumpumpenansatz;
2 ist ein Funktionsblockdiagramm einer herkömmlichen Ionisiereranordnung;
3 ist ein Funktionsblockdiagramm einer herkömmlichen GCIB-Ionisiereranordnung;
4 ist ein Funktionsblockdiagramm einer anderen herkömmlichen GCIB-Ionisiereranordnung;
5A und 5B sind jeweils Funktionsblockdiagramme einer Anordnung aus Ringfaden 500 und Strahl 502, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet;
6A und 6B sind jeweils schematische Diagramme eines Ringfadens, eines Strahls und eines von dem Ringfaden erzeugten Magnetfelds, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet;
7 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung aus einem Ringfaden, einem Strahl, einem Ionisiererkörper oder -schirm und einem Elektronenbeschleunigungsgitter;
8A und 8B sind jeweils Funktionsblockdiagramme einer Ionisiererkonfiguration mit Linearfadengeometrie, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet;
9 ist ein schematisches Diagramm, das den Elektronengradient und die Akkumulation von Elektronen an einem Ende für den Fall einer gleichförmigen Emission entlang der Länge von Fäden illustriert;
10A und 10B sind jeweils Funktionsblockdiagramme einer Anordnung aus Bifilarfaden und Strahl, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet;
11A und 11B sind jeweils schematische Blockdiagramme der Ionisiereranordnung, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet;
12 ist eine Perspektivansicht der Ionisiereranordnung von 11A und 11B;
13A und 13B sind jeweils Funktionsblockdiagramme von zwei alternativen Fadenanordnungen, die eine häufige Umkehr der Richtung des Fadenstroms ergeben, um sich selbst aufhebende Magnetfelder zu erzeugen;
14 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung, in der eine Fadenachse auf einem Fokus eines elliptischen Zylinders und eine Strahlenachse auf dem anderen Fokus sind und die Ellipsenoberfläche so aufgebaut ist, dass sie ein Elektronenreflektor ist, so dass alle Elektronen von dem Faden auf dem Strahl fokussieren müssen;
15 ist eine Perspektivansicht eines Funktionsblockdiagramms einer Anordnung aus elliptischem Faden und Strahl;
16A und 16B sind jeweils Funktionsblockdiagramme der Anordnung aus elliptischem Faden und Strahl von 15, jeweils entlang der Strahlenachse und orthogonal zur Strahlenachse betrachtet;
17 ist eine Vergrößerung des Fadens und des zylindrischen Anodenschirmteils von 16A;
18 ist ein Funktionsblockdiagramm einer alternativen Ausgestaltung eines Ionisierers mit elliptischer Geometrie, in dem eine oder mehrere Elektronenkanonen verwendet werden;
19A und 19B sind Funktionsblockdiagramme einer beispielhaften Ausgestaltung einer linearen Elektronenkanonenanordnung 1900, jeweils entlang der Fadenachse und lotrecht zur Fadenachse betrachtet; und
20 ist eine Perspektivansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer Ionisiereranordnung.
Die 1–4 beziehen sich auf den Stand der Technik. Die 5–13 sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung, sondern sollen zum Verständnis der Erfindung beitragen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Herkömmliche Systeme zum Erzeugen von GCIBs haben gewöhnlich eine zylindrisch symmetrische Geometrie, sind aber im Wesentlichen symmetrisch um die Achse des Clusterstrahls. Der Ionisierer hat häufig dieselbe zylindrische Symmetrie oder ist wenigstens zylindrisch um die mittlere Strahlenachse angeordnet. 2 zeigt ein Beispiel, das als „Ringfaden"-Geometrie bezeichnet wird. 2 ist ein Funktionsblockdiagramm einer herkömmlichen Ionisiereranordnung 200 einer einen Strom von neutralen Cluster 204 bildenden Düse 202. Die Cluster werden durch eine zylindrische Beschleunigerelektrode 206 geleitet, damit Elektronen mit einem ringförmigen Faden 208 die ionisierten Cluster 210 erzeugen können.
Die Ringfadengeometrie wurde ursprünglich für die Verwendung mit Ionenclusterstrahlen vorgeschlagen, bevor das GCIB-Konzept existierte. Die Cluster waren typischerweise Cluster aus einem verdampften Feststoff, der durch Expansion durch eine Düse im Verdampfungsofen kondensiert wurde. Dasselbe Konzept, auf GCIB angewendet, wäre die in 3 gezeigte Konfiguration.
3 ist ein Funktionsblockdiagramm einer herkömmlichen GCIB-Ionisiereranordnung 300 einer einen Strom von neutralen Cluster 304 bildenden Düse 302 mit einem Abscheider 305. Die Cluster werden durch eine zylindrische Beschleunigerelektrode 306 geleitet, damit Elektronen mit einem ringförmigen Faden 308 die ionisierten Cluster 310 erzeugen können.
Der Unterschied zwischen den 2 und 3 ist der Ursprung des Clusterstrahls. In 3 werden Gascluster durch Erzeugen eines Überschallstrahls von Gas durch eine entsprechend geformte Düse in eine Region mit stark reduziertem Druck gebildet. Adiabatische Ausdehnung bewirkt eine Kondensation des Gases zu Cluster von Atomen oder Molekülen. Die Gasabscheideröffnung scheidet die meisten der Gasmoleküle von dem Clusterstrahl ab, so dass ein Neutralclusterstrahl entsteht.
In beiden Fällen umgibt ein ringförmiger Faden den Clusterstrahl. Der thermoionische Faden wird elektrisch erhitzt, um thermische Elektronen, die gewöhnlich durch eine vorgespannte Beschleunigungsgitterelektrode beschleunigt werden, zu dem im Wesentlichen zylindrischen Strahl von neutralen Cluster zu emittieren. Einige der energetischen Elektronen treffen auf Atome in einigen der neutralen Cluster und ionisieren die Atome durch Elektronenstoßionisierung (Ausstoßen eines Elektrons aufgrund des Auftreffens des Einfallselektrons). Solche Cluster erhalten somit eine positive Ladung und werden als Clusterionen oder, im Falle von Gasclustern, als Gasclusterionen bezeichnet.
Andere herkömmliche Clusterionisierungsansätze beinhalten das Leiten eines Elektronenstrahls 400 (der diffus oder stiftförmig oder folienförmig sein könnte) lotrecht über einen Neutralclusterstrahl 402 (wie in 4 gezeigt) zum Bilden eines Clusterstrahls 404, oder das Ausstrahlen des Neutralclusterstrahls mit einer Photonenquelle zum Fotoionisieren eines Teils der Cluster.
Im Falle des lotrechten Elektronenstrahls ist die Ionisierungseffizienz relativ niedrig, weil die Ionisierungsregion allgemein klein ist (obwohl dies von Größe und Form des Elektronenstrahls abhängig ist) und die Elektronen im Strahl können den Strahl von neutralen Cluster nur ein einziges Mal durchlaufen und gehen dann verloren.
In einfachen Fotoionisierungstechniken wird ein diffuser oder kollimierter Strahl von Photonen auf den Neutralclusterstrahl gerichtet, so dass dieser den Strahl gewöhnlich ein einziges Mal durchlauft. Aus denselben Gründen wird die Ionisierungseffizienz wahrscheinlich niedrig sein.
Die in 3 gezeigte Ringfadengeometrie ist in 5 ausführlicher dargestellt, die mögliche Elektronenbahnen zeigt. Die 5A und 5B sind Funktionsblockdiagramme einer Anordnung aus Ringfaden 500 und Strahl 502, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet. Es wird hier davon ausgegangen, dass der Strom in dem elektrisch erhitzten Faden gering ist, um die Elektronenbahnen nicht zu beeinflussen. V_f ist die Stromversorgung zum Erhitzen des Fadens und V_a ist die Anodenstromversorgung zum Vorspannen der zum Beschleunigen der Elektronen benutzten Gitterelektrode. Die Fadenspannung V_f wird so gewählt, dass ein ausreichender Stromfluss im Faden erzielt wird, damit die nötige Anzahl von thermischen Elektronen thermisch emittiert werden kann.
Eine Ionisierungsschwelle liegt am ersten Ionisierungspotential der zu ionisierenden Spezies. Für Ar-Atome beträgt das erste Ionisierungspotential etwa 15,7 Volt. So muss für eine Ionisierung V_a größer als 15,7 Volt sein (für Ar-Atome). Bei Cluster anstatt Atomen kann man erwarten, dass sich das Ionisierungspotential von dem für Atome etwas unterscheidet. Die höchste Ionisierungseffizienz für viele Gase ist dort, wo das Stoßionisierungselektron das Zwei- bis Dreifache des ersten Ionisierungspotentials der zu ionisierenden Spezies hat.
Die Mengen von Elektronen, die in einer Emission mit begrenzter Raumladung erzeugt werden können, nimmt mit steigendem V_a zu. So gilt als herkömmlicherweise angewendete Faustregel, dass V_a in der Größenordnung vom Drei- oder Mehrfachen des erwarteten ersten Ionenpotentials für die zu ionisierende Spezies liegen soll. Dies bedeutet für die meisten Gase, dass V_a in der Größenordnung von wenigstens ein paar dutzend Volt liegen sollte. Typischerweise beträgt V_f ein paar Volt und V_a ein paar dutzend Volt bis zu ein paar hundert Volt. Das starke elektrische Feld zwischen dem thermoionischen Faden und dem Anodengitter gewährleistet, dass Elektronen, die vom thermoionischen Faden anfänglich mit geringer Wärmeenergie emittiert wurden, innerhalb des in radialer Richtung wandernden Anodengitters in die zylindrische Region eintreten und so auf der Strahlenachse auf der Achse des Zylinders gerichtet werden.
Das zylindrische elektrische Feld in der Region zwischen dem Anodengitter und dem Außenschirm bildet einen zylindrischen Reflektor für Elektronen, der Elektronen wiederholt zu dem Strahl hin umleitet, vorausgesetzt, dass sie nicht kollidieren und nicht an den Enden des Zylinders entweichen. Ein geschlossener leitender Container schirmt sein Inneres vor externen elektrischen Feldern ab, daher ist, mit Ausnahme einer internen Raumladung, die bei typischen Ionisierern klein ist (und unter der Annahme, dass die Region frei von magnetischen Feldern ist), das Innere des Anodenzylinders eine feldfreie Region und das Elektron wandert in einer nahezu geraden Linie durch den Strahl und wieder aus dem Gitter hinaus, wo die starken externen Felder es zurück ins Innere des Zylinders reflektieren, wieder in radialer Richtung. Man sieht, dass ein einzelnes Elektron umlaufen kann und die Strahlenachse mehrere Male durchlauft, was die Wahrscheinlichkeit einer Clusterionisierung erhöht.
Mehrere Mechanismen haben die Wirkung, Elektronen zu entfernen. Die höhere Elektronendichte in der Nähe der Mitte (in axialer Richtung) des Zylinders (da der thermoionische Faden diese Region umgibt) führt zu einer zentralen Raumladung, die Elektronen zu beiden Enden des Zylinders hin abstößt. Ebenso neigt das Vorliegen eines positiv geladenen Strahls in stromabwärtiger Richtung des Strahls (weil positive Ionen im Strahl durch Elektronenstoßionisierung erzeugt werden) dazu, Elektronen in Richtung auf den Strahl am stromabwärtigen Ende des Ionisierers anzuziehen, wo die Elektronen dem Ionisierer entweichen können.
Elektronen werden auch durch Kollision vom Ionisierer entfernt. Damit der Ionisierer mehrere Male durchlaufen werden kann, muss der Restgasdruck niedrig genug sein, damit der mittlere freie Pfad L_c der Elektronen wenigstens um ein Mehrfaches größer ist als der Durchmesser des Zylinders. Typische Ionisierer haben Durchmesser in der Größenordnung von ein paar Zentimetern. Bei 300 Kelvin kann in einer Argonatmosphäre, die z.B. beim Ionisieren von Ar-Gasclustern vorliegen könnte, L_c so berechnet werden, dass er bei 13,33 Pa (10^–2 Torr) ca. 3 cm, bei 1,33 Pa (10^–3 Torr) ca. 30 cm und bei 0,133 Pa (10^–4 Torr) ca. 300 cm beträgt. Es ist daher wünschenswert, dass der Druck innerhalb des Ionisierers außerhalb des Strahls 1,33 Pa (10^–3 Torr) oder weniger beträgt. Natürlich ist innerhalb des Strahls ein höherer Kollisionsquerschnitt und somit ein kürzerer L_c wünschenswert. Es ist wünschenswert, dass die Transparenz des Anodengitters für Elektronen hoch ist (vorzugsweise 80% oder transparenter), so dass wenige Elektronen auf die Anode treffen.
Eine wichtigere Überlegung für Elektronenverlust ist jedoch, dass es im Fall von praktischen thermoionischen Fäden normal ist, dass der Fadendraht einen ausreichend großen Durchmesser hat, um eine lange Fadenlebensdauer zu gewährleisten. In einem solchen Fall wird ein starker elektrischer Stromfluss im Faden (I_f) benötigt, um den thermoionischen Faden auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, damit eine ausreichende Menge an Thermoionen emittiert wird. Aus praktischen Gründen sind dies gewöhnlich Gleichströme. Sie erzeugen einen statischen Magnetfluss (B), der den Faden umgibt, und das genannte Feld beeinflusst die Bahnen von Elektronen im Ionisierer.
Die 6A und 6B, die für das Verständnis der Erfindung nützlich sind, zeigen schematische Diagramme eines Ringfadens, eines Strahls und eines vom Ringfaden bewirkten Magnetfeldes, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet. Wie in den 6A und 6B gezeigt, erzeugt die Interaktion zwischen einem Ringfaden 600 und dem Strahl 602 ein solenoidales Magnetfeld 604.
In der Ebene des Fadenrings ist die Stärke des Feldes etwa gleichförmig (etwas stärker in der Nähe des Fadens). Die ungefähre Auswirkung dieses Feldes auf die in 5 gezeigten Elektronenbahnen ist es zu bewirken, dass sie um die Magnetflusslinien umlaufen. Ein Beispiel für eine mögliche Bahn 708 für ein Elektron in einem solenoidalen Magnetfeld ist in 7 dargestellt. 7 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung aus einem Ringfaden 700, einem Strahl 702, einem Ionisiererkörper oder -schirm 704 und einem Elektronenbeschleunigungsgitter 706.
Der Krümmungsradius der Elektronenumlaufbahn aufgrund des Magnetfelds ist für ein zunehmendes Magnetfeld kleiner. Die genaue Form der Bahn 708 hängt jedoch von der Größe des Fadenstroms I_f und von der Gleichförmigkeit des Feldes ab. Wichtig ist, dass, weil die anfängliche Bahn radial und die Umlaufbahn aufgrund des Magnetfelds (etwa) kreisförmig ist, die Bahnen nicht mehr durch den Strahl und die Zylinderachse passieren. Die zentrale Region des Zylinders, wo die Strahlenionisierung stattfinden soll, hat nur wenige Elektronen. Wenn der Strahl groß genug und das Magnetfeld nicht zu stark ist, kann ein Teil des Strahls von den Elektronen durchquert werden, aber die Ringfadengeometrie ist für eine effiziente Ionisierung im Falle der großen Fadenströme, die wünschenswert sind, deutlich ungünstig.
Eine andere Ionisiererkonfiguration, die nicht Teil der Erfindung ist, ist in den 8A und 8B dargestellt. Die 8A und 8B sind Funktionsblockdiagramme einer Ionisiererkonfiguration mit linearer Fadengeometrie, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet. Es gibt mehrere (gewöhnlich 3) parallele lineare Fäden 800, die zwischen Endplatten 802, 804 ausgestreckt sind, die als mechanische Abstützungen und elektrische Verbindungen für die Fäden dienen. Die Fäden sind parallel zum Strahl 806 und in einem zylindrischen Muster um den Strahl herum angeordnet. Elektrischer Strom (dc) fließt in allen Fäden in derselben Richtung, daher werden sie von einem statischen Magnetfeld mit Flusslinien 808(B) umgeben.
Im typischen Fall von drei Fäden hat die Form des Magnetfelds innerhalb des Zylinders drei Erhebungen, am stärksten in der Nähe eines Fadens und mit zunehmendem Radialabstand vom Faden in der Intensität abnehmend. Das Feld beeinflusst die Elektronenbahnen 810 innerhalb des zylindrischen Anodenschirms. Wenn man Raumladungen außer Acht lasst, ist das Innere eines zylindrischen Anodenschirms eine von elektrischen Feldern freie Region, so dass das Magnetfeld die Elektronenbewegung innerhalb des Anodenzylinders dominiert. Die Elektronen werden in Richtung des Fadenstromflusses (herkömmlich) abgelenkt und driften zu einem Ende des Ionisierers.
Wenn der herkömmliche Fadenstromfluss in Richtung des Strahls verläuft, dann driften die Elektronen aufgrund des resultierenden Magnetfelds entgegengesetzt zu dieser Richtung. Entlang der Strahlenachse gibt es keine Elektronen am Ausgang des Ionisierers und eine Konzentration von Elektronen am Eingang, wo sie sich neu kombinieren oder dem Ionisierer entweichen. Die Driftgeschwindigkeit und somit die Häufigkeit, mit der die Elektronen die Strahlenachse überqueren, sind von den Größen der Fadenströme und der resultierenden Magnetfeldstärke abhängig. Höhere Fadenströme ergeben einen stärkeren Gradienten zwischen Ein- und Ausgang. Die Konzentration am Eingang bedeutet, dass es dort wahrscheinlich eine höhere Rekombination und ein größeres Entweichen von Elektronen durch die Eingangsöffnung des Ionisierers gibt.
9 ist ein schematisches Diagramm, das den Elektronengradient und die Akkumulation von Elektronen an einem Ende im Falle einer gleichförmigen Emission entlang der Länge der Fäden illustriert. Es gibt eine elektronenfreie Zone 900, eine Zone 902, wo Elektronen den Strahl nur einmal durchlaufen, und eine elektronenreiche Zone 904, wo Elektronen den Strahl ein zweites und weitere Male durchlaufen. Diese Geometrie ist zwar der Ringfadengeometrie überlegen, weil sie es zulässt, dass die Elektronen die Strahlenachse überqueren, zuweilen mehr als einmal, aber sie ist aufgrund des von ihr mit zunehmendem Fadenstrom erzeugten zunehmenden axialen Elektronengradienten nicht optimal. Der Gradient führt zu erhöhten Elektronenverlusten am hoch konzentrierten Ende. Dieser Verlust nimmt zu, wenn die Elektronenkonzentration an dem Ende unterhalb des Clusterstrahls ist, wo eine positive Strahlenraumladung dabei helfen kann, Elektronen aus der elektronenreichen Zone zu extrahieren. Aus diesem Grund ist es am besten, wenn die Strahlenrichtung und die herkömmliche Stromrichtung in den Fäden gleich sind, so dass das Magnetfeld dazu neigt, ein Driften der Elektronen in Richtung auf das Eingangsende des Ionisierers zu bewirken.
Um die Effizienz der zylindrischen Ringfadengeometrie zu maximieren, sollte die zentrale Region des Ionisierers möglichst eine feldfreie Region sein (um Bahnen ähnlich den in 5 gezeigten zuzulassen), und die Enden des Zylinders sollten so wirksam wie möglich verschlossen werden, um Elektronenlecks an den Enden zu reduzieren. Indem der Ringfaden durch einen nicht induktiv gewickelten (oder Bifilar-)Faden ersetzt wird, kann das durch den Fadenstrom erzeugte Magnetfeld praktisch eliminiert werden. Diese Verbesserung ist in den 10A und 10B dargestellt.
Die 10A und 10B sind Funktionsblockdiagramme einer Anordnung aus Bifilarfaden 1000 und Strahl 1002, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet. Wenn V_a viel größer ist als die Wärmeenergie der vom Faden emittierten Elektronen, dann bewegen sie sich am Anodenschirm im Allgemeinen in radialer Richtung. Mit einem einzelnen Bifilarring und ohne Magnetfeld neigen die Elektronen dazu, sich in der Ebene des Fadens zu konzentrieren, und Raumladung bewirkt, dass sie von dieser Ebene Wegdriften.
Das Erzeugen mehrerer Bifilarfadenschleifen oder das Wickeln eines (bifilaren) Spulfadens 1100 um eine zylindrische Anode 1104 in einem Reflektorschirm 1106 hat den Vorteil, dass die Elektronen über die Länge der Achse von Zylinder und Strahl 1102 verteilt werden. Die 11A und 11B sind schematische Blockdiagramme einer Ionisiereranordnung, die nicht Teil der Erfindung ist, jeweils entlang der Strahlenachse und lotrecht zur Strahlenachse betrachtet, und ist ein Beispiel für eine Konfiguration, die die Umlaufform 1108 für ein einzelnes Elektron zeigt. Da das Innere des zylindrischen Anodenschirms im Wesentlichen feldfrei ist, neigen die Elektronen dazu, wiederholt driftfrei durch den Strahl umzulaufen, bis sie auf ein Gascluster oder ein anderes Objekt treffen. Indem der Druck niedrig gehalten und ein für Elektronen transparenter Anodenschirm benutzt wird, wird die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem Cluster erhöht.
12 ist eine Perspektivansicht der Ionisiereranordnung der 11A und 11B. Man wird erkennen, dass der Anodenschirm 1104 und der Reflektor 1106 (der ebenfalls ein Schirm sein kann) beide an den Enden geschlossen sind, mit Ausnahme der Strahlenaperturen 1108, 1110, 1112 und 1114. Der Reflektor 1106 ist vorzugsweise auch geringfügig (um mehrere Volt) negativer vorgespannt (V_S) als das negativste Ende des Fadens, um zu gewährleisten, dass keine Elektronen auf den Reflektor auftreffen und sich neu kombinieren können. V_S kann auf null gebracht werden, mit der Folge, dass nur in der Nähe des negativen Endes des Fadens emittierte Elektronen auf den Schirm treffen können, aber eine Einstellung von V_S auf ein paar Volt ist besser. Weniger Elektronen rekombinieren sich mit dem Reflektor und das Potential trägt dazu bei zu verhindern, dass Elektronen am stromabwärtigen Ende des Zylinders aufgrund der positiven Raumladung des Strahls in der Nähe des stromabwärtigen Ausgangs auslecken. Der Reflektor kann ein perforiertes Gehäuse oder ein teiltransparenter Schirm sein, um ein effektives Vakuumpumpen der Ionisiererregion zuzulassen, so dass die mittlere freie Elektronenpfadlänge L_c lang sein kann.
Die 13A und 13B zeigen zwei alternative Fadenanordnungen, die sich mechanisch einfacher abstützen lassen als die in 12 gezeigte bifilare Spiralfadengeometrie, die aber immer noch reduzierte Magnetfelder im Innern einer zylindrischen Region erzeugen können. Die Anordnungen erlauben eine häufige Richtungsumkehr des Fadenstroms, um sich selbst aufhebende Magnetfelder zu erzeugen. Für dieselbe Anzahl an Umkehrungen und dieselbe Gesamtfadenlänge reduziert die Konfiguration 1302 die inneren Magnetfelder etwas effektiver als die Konfiguration 1300, weil die parallelen Fadensegmente mit entgegengesetzten Stromflüssen näher beieinander liegen.
Die in den 11A–11B sowie 13A–13B gezeigten Konfigurationen fokussieren zwar Elektronenbahnen durch die Strahlenachse, aber mit einer elliptischen Geometrie kann eine überlegene Konfiguration erzielt werden. Zum Fokussieren von Elektronen wurden die optischen Eigenschaften von elliptischen Reflektoren genutzt.
Eine Ellipse hat zwei Fokusse. Wenn die Innenfläche einer Ellipse ein Reflektor ist, dann werden an einem Fokus emittierte Elektronen auf dem anderen Fokus fokussiert. Wenn eine Fadenachse auf einem Fokus eines elliptischen Zylinders und eine Strahlenachse auf dem anderen Fokus liegt und die Ellipsenoberfläche als Elektronenreflektor konstruiert ist, dann müssen alle Elektronen vom Faden auf dem Strahl fokussieren. Dieses Konzept ist in dem Diagramm von 14 illustriert. Für eine Ellipse, deren Mittelpunkt (Schnittpunkt von großer und kleiner Achse) auf dem Nullpunkt liegt, wird die Ellipse durch die folgende Gleichung ausgedrückt: (x2/a2) + (y2/b2) = 1wobei a die Länge der großen Halbachse und b die Länge der kleinen Halbachse ist.
Die Fokusse befinden sich auf der großen Achse in Abständen ±c vom Mittelpunkt, wobei: c2 = a2 – b2
Diese beiden Beziehungen erlauben es, die beiden Fokusse jeder beliebigen Ellipse zu ermitteln, wenn die Längen der Halbachsen bekannt sind oder gemessen werden können.
Die Ellipse in 14 wurde exzentrischer gezeichnet, als dies zum Erzielen der Nützlichkeit dieses Konzepts notwendig ist, um das Konzept zu verdeutlichen. In einer praktischen Situation brauchen die beiden Fokusse (f₁ und f₂) lediglich ausreichend weit getrennt zu werden, um einen Strahl 1400 und einen Faden 1402 sowie assoziierte Strukturen zu trennen. Der erhitzte nackte Faden 1402, wie in 14 gezeigt, emittiert nur energiearme thermische Elektronen und die Menge solcher Elektronen wird durch Raumladungseffekte begrenzt. Es ist wünschenswert, eine Beschleunigungsgitterstruktur bereitzustellen, um die Energie der Elektronen zu erhöhen und größere Elektronenströme zu extrahieren.
15 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines elliptischen Fadens und einer Strahlenanordnung in einer perspektivischen Ansicht, die 16A und 16B zeigen zwei orthogonale Ansichten (jeweils entlang der Strahlenachse und orthogonal zur Strahlenachse). Man wird verstehen, dass ein Reflektor von zwei Elektroden definiert wird, einer/m äußeren Elektrode oder Schirm 1500, die/der ein(e) massive(r) oder ein(e) perforierte(r) Oberfläche oder Schirm sein kann, und einer inneren Elektrode 1502, die ein Drahtgeflecht mit hoher Transparenz (Elektronentransparenz von 80% oder höher) oder eine ähnlich transparente Elektrode ist. Die beiden Reflektorelektroden haben beide einen elliptischen Querschnitt und ihre Fokusse sind an denselben zwei Stellen (kofokale Ellipsen, speziell: a₁ ² – b₁ ² = a₂ ² – b₂ ², wobei a₁ und b₁ jeweils die große und die kleine Halbachse der ersten Ellipse und a₂ und b₂ die große und die kleine Halbachse für die zweite Ellipse sind). Die Orte der Fokusse liegen so, dass sie mit den theoretischen Mittellinien eines Strahlenpfads 1504 und eines Haarnadelfadens 1506 zusammenfallen. Eine den Haarnadelfaden umgebende zylindrische Anode 1508 ist ebenfalls ein Schirm mit hoher Transparenz und ist mit dem elliptischen Anodenreflektorelement 1502 verbunden oder auf ähnliche Weise vorgespannt.
V_f ist die Fadenerhitzungsstromversorgung und V_a die Anodenstromversorgung zum Vorspannen der kreisförmigen zylindrischen Anode 1508, die den Haarnadelfaden 1506 umgibt, um die Elektronen von der Elektronenwolke in der Nähe des Fadens zu extrahieren und zu beschleunigen. Der bifilare Haarnadelfaden erzeugt thermische Elektronen, ohne ein Magnetfeld zu erzeugen, das stark genug ist, um die Elektronenbahnen im Ionisierer merklich zu beeinflussen. Typischerweise beträgt V_f ein paar Volt und V_a beträgt ein paar hundert Volt.
Die elliptische Anodenreflektorschirmelektrode und die Schirmreflektorelektrode sind beide an den Enden geschlossen, mit Ausnahme einer Strahlenapertur 1510 und der Fadenöffnung. Ebenso ist der Reflektor geringfügig negativer (ein paar Volt) vorgespannt (V_S) als das negativste Ende des Fadens, um zu gewährleisten, dass keine Elektroden auf den Reflektor fallen und sich rekombinieren. V_S kann auf null gebracht werden, mit der Folge, dass nur in der Nähe des negativen Endes des Fadens emittierte Elektronen auf den Schirm fallen können, aber eine Einstellung von V_S auf ein paar Volt ist besser. Weniger Elektronen rekombinieren sich mit dem Reflektor und das elektrische Potential trägt dazu bei zu verhindern, dass Elektronen am stromabwärtigen Ende des Zylinders in der Nähe der Strahlenapertur aufgrund der positiven Raumladung des Strahls in der Nähe des stromabwärtigen Endes auslecken. Es ist akzeptabel, dass der Schirmreflektor ein perforiertes Gehäuse oder ein teiltransparenter Schirm ist, um ein effektives Vakuumpumpen der Ionisiererregion zuzulassen, so dass die mittlere freie Elektronenpfadlänge L_e groß sein kann. Wenn der Schirmreflektor ein Sieb ist, dann ist es wünschenswert, V_S weit genug zu vergrößern, damit der Reflexionspunkt ausreichend weit vom Schirmreflektor entfernt liegt, so dass die reflektierende äquipotentiale Oberfläche (V ≈ Fadenpotential) glatt genug ist, um ein genauer elliptischer Reflektor zu sein (nicht von der Größe des Schirmgeflechts beeinflusst).
Das starke elektrische Feld zwischen dem Faden und dem Anodenschirm gewährleistet, dass Elektronen, die anfänglich vom Faden mit geringer thermischer Energie emittiert wurden, den zylindrischen Anodenschirm verlassen und in die elliptisch zylindrische Region in dem Anodengitter eintreten und in einer Richtung gerade vom Fokus der Ellipse weg verlaufen und somit ihren Ursprung am Fokus zu haben scheinen (mit einem virtuellen Ursprung am Fokus). Diese Bedingung wird dann erfüllt, wenn V_a im Vergleich zur Energie von Thermoionen groß ist, was gewährleistet, dass jede nichtradiale Geschwindigkeitskomponente der Elektronen beim Verlassen des zylindrischen Anodenschirms im Vergleich zu ihrer radialen Geschwindigkeit vernachlässigbar ist.
17 ist eine Vergrößerung des Fadens und zylindrischen Anodenschirmteils von 16A. 17 illustriert, dass die Elektronen ihren Ursprung am Fokus der Ellipse zu haben scheinen. Da die Mehrzahl der von einem Faden von weniger als 3000 K emittierten thermischen Elektronen eine Energie von weniger als 0,5 eV haben, reicht eine Anodenspannung V_a von mehreren dutzend Volt aus, um den Virtuelle-Quelle-Zustand zu erreichen.
Innerhalb der von elektrischen Feldern freien Region (wenn man Raumladung außer Acht lässt) zwischen dem zylindrischen Anodenschirm und der elliptisch zylindrischen Anodenreflektorelektrode wandern die Elektronen in einer geraden Linie (wie in 16 zu sehen). Das starke elektrische Feld in der Region zwischen dem elliptischen Anodengitter und dem elliptischen Außenschirm bildet jedoch einen elliptischen Reflektor für Elektronen, der Elektronen wiederholt zu zwei Fokussen der Ellipse hin umlenkt, vorausgesetzt, dass sie nicht kollidieren und nicht an den Enden des elliptischen Zylinders entweichen. Ein geschlossener leitender Container schirmt sein Inneres vor externen elektrischen Feldern ab, daher ist, mit Ausnahme von interner Raumladung, die in typischen Ionisierern gering ist (und unter der Annahme, dass die Region frei von Magnetfeldern ist), das Innere des elliptischen Anodenzylinders eine feldfreie Region und das Elektron wandert in einer nahezu geraden Linie innerhalb des elliptischen Zylinders.
Ein einzelnes Elektron kann umlaufen und die Strahlenachse mehrere Male durchlaufen, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Ionisierung eines Clusters erhöht wird. Ein Elektron, das den Strahl kollisionsfrei passiert, kann durch das kreiszylindrische Anodengitter in Richtung auf den Faden kollisionsfrei zurück reflektiert werden. Dort kann es entweder zurück reflektiert werden, durch den Anodenzylinder passieren und den Ionisierer erneut durchlaufen, oder auf den Faden treffen. Wenn es auf den Faden trifft, kann es die sekundäre Emission von einem oder mehreren zusätzlichen Elektronen stimulieren, so dass der Prozess perpetuiert wird.
18 ist ein Funktionsblockdiagramm einer alternativen Ausgestaltung eines Ionisierers 1800 mit elliptischer Geometrie, in dem ein Haarnadelfaden und ein kreiszylindrischer Anodenschirm durch eine oder mehrere Elektronenkanonen 1802, 1804, 1806 ersetzt wurden. Der Ionisierer 1800 beinhaltet einen elliptischen Reflektor 1808 mit einem Faden 1810 und einem Clusterstrahlenpfad 1812 an seinen Fokussen. Um effektiv zu sein, müssen Elektronenkanonen die Elektronenstrahlen durch einen Fokus der Ellipse und lotrecht zu dem Clusterstrahlenpfad leiten. Es kann mehrere Elektronenkanonen geben, aber jede sollte so gerichtet werden, dass sie die Elektronen durch einen Fokus der Ellipse leitet.
Die Verwendung solcher Elektronenkanonen kann die Schwierigkeit vermeiden, dass ein Teil des Inneren des elliptisch zylindrischen Ionisierers verdeckt wird, wenn sich dort ein Faden und ein Anodenzylinder befinden. Infolge der reduzierten Kollisionswahrscheinlichkeit kann der Elektronenpfad im Ionisierer länger sein, mit einer entsprechenden Zunahme der Ionisierungseffizienz (höhere Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Elektron ein Cluster ionisiert).
Die Elektronenstrahlen müssen so angeordnet werden, dass sie zuerst durch einen der beiden Fokusse der Ellipse passieren. So haben die Elektronenstrahlen einen virtuellen Ursprung am Fokus. Es gibt nur zwei Orte auf der Ellipse, wo der eintretende Elektronenstrahl lotrecht zur Tangente zur Ellipse sein kann, nämlich an den beiden Enden des großen Durchmessers der Ellipse. Für einen einfachen mechanischen Aufbau kann es praktisch sein, eine oder mehrere Kanonen an jedem Ende eines großen Durchmessers zu positionieren (wie in 18 gezeigt, Kanone 1802). Es kann eine lineare Reihe von Kanonen entlang der Linie platziert werden, die dem Ort der Enden aller großen Durchmesser der Ellipse entspricht. Eine Alternative ist es, eine lineare Elektronenkanone zu benutzen, die entlang der Außenlänge des elliptischen Zylinders verläuft. Eine solche Anordnung ist in den 19A und 19B zu sehen.
Die 19A und 19B sind jeweils ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung einer linearen Elektronenkanonenanordnung 1900, jeweils entlang der Fadenachse und lotrecht zur Fadenachse betrachtet. Die Kanone beinhaltet einen Faden 1902, eine Umgebungsanode 1904 und einen Elektronenstrahlschlitz entlang der Länge der Anode.
20 ist eine Perspektivansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer Ionisiereranordnung 2000. Der Ionisierer beinhaltet einen elliptischen Körper 2002 mit der entlang der großen Achse angebrachten Kanonenanordnung 1900. Die Kanone injiziert einen Folienstrahl 2004 von Elektronen entlang der Länge des Ionisierers.
Eine Elektronenkanone braucht sich nicht unbedingt auf einem großen Durchmesser zu befinden, um effektiv zu sein, wenn sie so geleitet wird, dass ihr Strahl durch einen Fokus der Ellipse passiert. Kanonen 1804 und 1806 von 18 sind Beispiele für eine alternative Anordnung.
In vielen GCIB-Verarbeitungsanwendungen ist es wünschenswert, Verunreinigungen des Werkstücks mit unerwünschten Atomspezies bei der Verarbeitung zu vermeiden. Erhitzte Fäden wie der im Ionisierer mit elliptischer Geometrie aus den 15 sowie 16A–16B verwendete Haarnadelfaden 1506 sind im Allgemeinen aus einem Metall wie Wolfram, Tantal oder dergleichen und können Atome oder Ionen des Metalls durch Verdampfen bei Erhitzung oder durch Sputtern hervorbringen. Eine Elektronenkanone beinhaltet häufig einen heißen Faden oder beinhaltet einen Prozess, der Sputtern in der Kanone bewirkt. So kann eine Elektronenkanone auch einen Strahl von unerwünschten Verunreinigern erzeugen, aus Metall oder auch nicht.
Solche Verunreinigeratome oder -ionen können mit dem Clusterstrahl interagieren, so dass sie mit dem Strahl mitgeführt oder kombiniert werden und ihn mit dem Metall oder sonstigen Verunreiniger kontaminieren. Ein kontaminierter Clusterstrahl kann unerwünschte Ergebnisse am Werkstück hervorrufen. Daher ist ein direkter Kontakt eines Strahls mit einem Faden oder dem Ausgang einer Elektronenkanone in einigen GCIB-Anwendungen möglicherweise nicht wünschenswert. In 18 ist ersichtlich, dass Elektronenkanonen, die sich an Positionen wie denen befinden, bei denen die Kanonen 1802 (großer Durchmesser) und 1804 beide so angeordnet sind, dass der Clusterstrahl mit dem direkten Ausgang der Elektronenkanone in Kontakt kommt, inklusive mit Verunreinigern, die sie evtl. ausstößt. Die Elektronenkanone 1806 überträgt jedoch dank der reflektierenden Eigenschaft des Ionisierers Elektronen auf den Strahl, überträgt aber keine neutralen oder positiv geladenen Verunreiniger auf den Strahl. Die Verunreiniger werden auf dem elliptischen Reflektor abgesetzt oder können, wenn der Reflektor ein Sieb ist, durch ihn passieren und nachfolgend vom Vakuumsystem entfernt werden. So erzeugt ein Ionisierer mit elliptischer Geometrie und bei Einsatz von einer oder mehreren Elektronenkanonen, die nicht auf den Strahl gerichtet ist/sind, ausgenommen durch Reflektion, ein geringeres Niveau an GCIB-Kontamination und ergibt bessere Verarbeitungsergebnisse für kontaminationsempfindliche Anwendungen.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausgestaltungen davon gezeigt und beschrieben, aber es sind hierin verschiedene Änderungen, Weglassungen und Zusätze im Hinblick auf Form und Detail davon möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Neutralstrahlionisierungsvorrichtung zur Elektronenstoßionisierung eines im Wesentlichen zylindrischen neutralen Strahls mit einer Strahlenachse (1504), wobei die genannte Ionisierungsvorrichtung wenigstens eine Elektronenquelle umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine elliptisch zylindrische Ionisierungsregion umfasst, die von einem Paar kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden definiert wird, die so vorgespannt sind, dass sie bewirken, dass von der genannten wenigstens einen Elektronenquelle emittierte Elektronen wiederholt durch die Strahlenachse (1504) des im Wesentlichen zylindrischen neutralen Strahls umlaufen, wobei das genannte Paar kofokale, elliptisch zylindrische Elektroden eine Anodenreflektorelektrode (1502) und eine Schirmreflektorelektrode (1500) umfassen, wobei die Anodenreflektorelektrode (1502) für Elektroden im Wesentlichen transparent ist und wobei die Strahlenachse (1504) im Wesentlichen entlang einem ersten Fokus (f1) des Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Elektronenquelle einen nichtinduktiv geformten Faden (1506) umfasst, der von einer kreisförmig zylindrischen Anode (1508) umgeben ist, die für Elektronen im Wesentlichen transparent und mit einem zweiten Fokus des Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden konzentrisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Neutralstrahlenachse (1504) im Wesentlichen entlang dem ersten Fokus des genannten Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden liegt und wobei die wenigstens eine Elektronenquelle (1802, 1804, 1806, 1900) so angeordnet ist, dass sie außerhalb der elliptisch zylindrischen Ionisierungsregion liegt und dass wenigstens ein Strahl von Elektronen durch einen Fokus f2 des genannten Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden gerichtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die genannte wenigstens eine Elektronenquelle wenigstens eine Elektronenkanone (1802, 1804, 1806, 1900) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die genannte wenigstens eine Elektronenquelle wenigstens eine lineare Elektronenkanone umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die genannte wenigstens eine Elektronenquelle wenigstens eine Elektronenkanone (1802, 1804, 1806, 1900) umfasst, die so angeordnet ist, dass sie wenigstens einen Strahl von Elektronen durch den zweiten Fokus (f2) des genannten Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden richtet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung die Aufgabe hat, einen Gasclusterstrahl als Neutralclusterstrahl zu handhaben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die genannte wenigstens eine Elektronenquelle eine Quelle umfasst, die einen nichtinduktiv geformten Faden (1506) und eine kreisförmig zylindrische Anode (1508) umfasst, die so konfiguriert ist, dass die genannten Elektronen in Bahnen wandern, die ihren Ursprung innerhalb der kreisförmig zylindrischen Anode (1508) in der Nähe des zweiten Fokus haben, die ihren Ursprung aber im Wesentlichen an dem genannten zweiten Fokus zu haben scheinen, wenn sie von außerhalb der kreisförmig zylindrischen Anode (1508) beobachtet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die genannte wenigstens eine Elektronenkanone eine lineare Elektronenkanone (1900) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte Paar kofokale, elliptisch zylindrische Elektroden an jedem Ende geschlossen ist, mit Ausnahme einer Strahlenapertur (1510) und einer Fadenöffnung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte Paar kofokale, elliptisch zylindrische Elektroden eine äußere Elektrode (1500), die massiv sein oder eine perforierte Oberfläche haben kann, und eine innere Elektrode (1502) aufweist, die eine hohe Elektronentransparenz von 80% oder höher hat.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die genannte wenigstens eine Elektronenkanone so angeordnet ist, dass sie den genannten wenigstens einen Strahl von Elektronen durch den zweiten Fokus (f2) des genannten Paares von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden und gegen eine oder beide aus dem genannten Paar von kofokalen, elliptisch zylindrischen Elektroden (1808) richtet, bevor sie durch den genannten neutralen Strahl passieren.