DE69634125T2

DE69634125T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von überlagerten statischen und zeitlich-veränderlichen Magnetfeldern

Info

Publication number: DE69634125T2
Application number: DE69634125T
Authority: DE
Inventors: F. Hilton GLAVISH
Original assignee: Zimec Consulting Inc Incline Village; Zimec Consulting Inc
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2016-06-13
Also published as: EP0832497A1; DE69634125D1; EP0832497A4; JPH11507762A; KR100442990B1; JP4374400B2; US5672879A; KR19990022825A; WO1996042103A1; EP0832497B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein System und eine Methode zur Erzeugung von überlagerten statischen und zeitlich-veränderlichen Magnetfeldern, welche nützlich sind, z. B. in Ionen-Einpflanzern, die Schwerionen-Strahlen aus Atomen und Molekülen der Elemente scannen, und in Kernresonanztomographie-Systemen (bildgebenden Magnet-Resonanz-Systemen), in welchen hochfrequente oszillatorische oder gepulste Magnetfelder auf statische Magnetfelder überlagert werden müssen.
Es gibt viele industrielle und wissenschaftliche Anwendungen, welche die gleichförmige Bestrahlung von Oberflächen durch Ionen-Strahlen benötigen. Zum Beispiel wird die Modifikation von Halbleitern, wie Silizium-Wafern, oft mit Ionen-Einpflanzern durchgeführt, wobei eine Oberfläche mit einem Strahl von Ionen oder Molekülen einer bestimmten Art und Energie gleichförmig bestrahlt wird. Da die physikalische Größe des Wafers oder des Substrats (z. B. ungefähr 12,7 cm (5 Zoll) Durchmesser oder mehr) größer ist als die Querschnittsfläche des bestrahlenden Strahls (z. B. ungefähr 5 cm (2 Zoll) Durchmesser oder weniger), wird die benötigte gleichförmige Bestrahlung im Allgemeinen durch das Scannen des Strahls über den Wafer oder durch das Scannen des Wafers durch den Strahl, oder durch eine Kombination dieser Techniken erzielt.
Wegen einer Anzahl von Gründen ist es klar vorteilhaft, eine hohe Strahl-Scan-Rate über das Substrat zu haben: die Gleichförmigkeit der Bestrahlung ist unempfindlicher gegenüber Änderungen im Ionen-Strahl-Fluss; ein höherer Wafer-Durchsatz ist bei niedrigen Dosis-Niveaus möglich; bei Hoch-Dosis-Anwendungen werden Qualitätsverluste aufgrund lokaler Oberflächenladung, thermisches Pulsieren und lokaler Teilchen-Induzierter Phänomene, wie zum Beispiel Sputter- und Strahlungsschäden, stark reduziert.
Scan-Techniken, die nur auf mechanische Hin- und Herbewegung basieren, sind in ihrer Geschwindigkeit sehr eingeschränkt. Durch Bewegung des Wafers auf einem Bogen durch den Strahl wird die Scan-Geschwindigkeit stark verbessert, jedoch müssen viele Wafer oder Substrate gleichzeitig auf einem rotierenden Karussel befestigt werden, um effiziente Ausnutzung des Strahls zu erzielen.
In einer üblichen Variation wird ein zeitlich-veränderliches elektrisches Feld zum Vor- und Zurückscannen des Strahls in einer Richtung verwendet, während der Wafer in einer anderen Richtung hin- und herbewegt wird. In dieser Hybridausführung des Einpflanzers wird der Strahlstrom und dadurch die Rate, mit der Wafer verarbeitet werden können, durch die Raumladungskräfte stark eingeschränkt, welche im Gebiet der ablenkenden zeitlich-veränderlichen elektrischen Felder wirken. Diese Kräfte lassen die Ionen im Strahl nach außen hin auseinander gehen, wodurch eine unhandlich große Strahlhülle entsteht. Solch eine Raumladungs-Begrenzung tritt auch in Einpflanzern auf, die zeitlich-veränderliche elektrische Felder zum Scannen des Strahls in zwei Richtungen verwenden.
Die Raumladungs-Vergrößerung ist die Rate, mit der die Transversalgeschwindigkeit des Strahls mit der Entfernung entlang der Strahl-Achse zunimmt. Diese ist proportional zu einer massennormalisierten Strahl-Raumladungskonstante ξ = IM1/2E–3/2 (1)wobei I der Strahl-Strom, M die Ionenmasse und E die Ionenenergie ist („The Physics and Technology of Ionen Sources", Hrsg. Ian G. Brown, John Wiley & Son, New York 1989). Für typische Ionenstrahl-Konfigurationen, die in Ionen-Einpflanzern vorkommen, werden Raumladungseffekte bei einer Raumladungskonstante von ξ = 0,02[mA][amu]^1/2[keV]^–3/2 limitierend. Deshalb wird ein 80 keV Arsenstrahl bei –1,7 mA raumladungslimitiert, während ein 5 keV Strahl bei nur –0,03 mA raumladungslimitiert ist. Deswegen ist das Scannen eines Ionenstrahls mit einem oszillatorischen, elektrischen Feld nicht praktikabel für einen effizienten, kommerziellen Ionen-Einpflanzer, in welchem der Ionen-Strom bevorzugt größer als ein paar Milliampere ist, sogar bei niedrigen Energien wie 10 keV.
Ein Scan-Magnet, der ein hochfrequentes zeitlich-veränderliches Magnetfeld zum Scannen von Ionen-Strahlen in Einpflanzern produziert, ist im U.S. Patent Nr. 5 311 028 beschrieben. In diesem kann ein Scan-Magnet der ein Joch besitzt, gebildet aus Schichten mit hoher magnetischer Permeabilität, welche voneinander durch relativ dünnes elektrisch isolierendes Material getrennt sind, zum Scannen von Schwerionen-Strahlen mit hoher Raumladungskonstante mit Frequenzen bis zu 1000 Hz verwendet werden.
In vielen Kernesonanztomographie-Geräten wird das statische, gleichförmige Magnetfeld für die Spin-Prezession von einem Elektromagneten mit massivem Kern produziert. Wenn hochfrequente Gradientenfelder mit dem statischen Magnetfeld durch das Unter-Strom-Setzen bestimmter, innerhalb und um den Arbeitszwischenraum des Elektromagneten herum platzierter, Spulen überlagert werden, werden durch in die Poloberflächen und/oder Abschirmungsverkleidung induzierte Kreis- und Schirmströme die Gradientenfelder verzerrt, und die Ausgangsleistungsanforderungen an die Energie zuführenden Gradienten-Leistungsverstärker steigen auch.
Es gibt andere Sachverhalte neben Ionen-Einpflanzung und Kernesonanztomographie-Verfahren in denen es wünschenswert ist Strukturen zu haben, ist limitiert durch die Schwierigkeit, zeitlich-veränderliche Felder exakt und mit reduzierter Leistung herzustellen.
US 4 469 948 offenbart eine Komposit-Objektiv-Linse für ein Teilchenstrahl-Lithografie-System, welches eine mit Gleichstrom betriebene Spule verwendet, wodurch ein statisches, elektromagnetisches Fokussier-Feld in einem durch elektrisch isolierende Polstücke definierten Zwischenraum zu Verfügung gestellt wird. Zusätzlich wird ein Paar mit Wechselstrom betriebene Ablenkspulen zu Verfügung gestellt, um ein orthogonales Feld zu Verfügung zu stellen, welches sich mit der Zeit ändert und welches zum Scannen des Strahls verwendet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes dar, umfassend: zwei magnetische Pole mit einem zwischen diesen liegenden Zwischenraum, wobei die Pole mit elektrisch isolierendem Material hergestellt sind, um jegliche hochfrequente, induzierte Kreisströme auf begrenzte Werte in lokalen Pfaden in den Polen einzuschränken; eine magnetische Anordnung umfassend ein Joch und zwei Kerne, welche jeweils an einen der zwei Pole gekoppelt sind, wobei die magnetische Anordnung aus einem massiven Material mit hohem magnetischen Sättigungswert gebildet ist; eine den Kernen der magnetischen Anordnung zugeordnete Gleichstrom-Spule zur Erzeugung einer statischen Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum; eine den magnetischen Polen zugeordnete Wechselstrom-Spule, um eine zeitlich-veränderliche Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum zu erzeugen, wodurch in dem Zwischenraum ein Magnetfeld mit den statischen und den hochfrequenten, zeitlich-veränderlichen Komponenten erzeugt wird.
Die jeweiligen Energie einspeisenden Stromkreise für die Wechsel- und Gleichstrom-Spulen werden unabhängig voneinander betrieben, um die zeitlich- veränderlichen und die statischen Magnetfeldkomponenten im Zwischenraum unabhängig voneinander zu steuern/regeln. Die statische Komponente des Magnetflusses durchtritt den kompletten Querschnitt der Polkappen, der massiven Kerne und des massiven Rückführungsjochs, wobei der magnetische Widerstand wie in einem konventionellen Gleichstrom-Elektromagneten sehr klein ist. Auf der anderen Seite verbinden die oszillatorischen Fourierkomponenten des Magnetflusses im zentralen Gebiet des Zwischenraumes hauptsächlich die Wechselstromspulen durch das Durchströmen des inneren Gebietes der Spulen und Zurückströmen über den einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Pfad, dargestellt durch die geschichteten oder Ferrit-Polkappen und Durchströmen des außerhalb des Spulen-Randes liegenden Zwischenraumgebiets. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Benutzung von massiven Kernen und einem massiven Rückführungsjoch, welche einen hohen magnetischen Widerstand für die oszillatorischen Flusskomponenten darstellen, so dass diese auf eine nur eindringtiefdünne Schicht über der äußeren Oberfläche der Kerne und des Jochs beschränkt werden. Nur ein kleiner Teil des gesamten oszillatorischen Magnetflusses durchdringt die Kerne, wodurch nur eine kleine Spannung in den mit Gleichstrom betriebenen Spulen induziert wird. Dadurch ist es möglich diese Spulen mit einem einfachen Gleichstrom-Netzgerät zu speisen, anstelle einer Stromquelle mit einem Frequenzverhalten und Spannungs-Leistungsfähigkeit ausreichend um die induzierten Spannungen zu überwinden, welche sonst auftreten würden, wenn die oszillatorische Fluss-Kopplung hoch wäre.
Optional umfasst die oben beschriebene erfinderische Vorrichtung eine Wechselstromquelle zur Stromversorgung der Wechselstrom-Spule mit einem zeitlich-veränderlichen, oszillierenden elektrischen Strom, um ein Magnetfeld im Zwischenraum zu erzeugen, dessen Richtung mit einer Grund-Frequenz in der Größenordnung von 20 Hz oder höher zusammen mit wesentlich höheren Oberschwingungen zeitlich alterniert.
Ausführungsformen können eine oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
In einigen Ausführungsformen sind die Pole bevorzugt aus einer Mehrzahl von Schichten aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität gebildet, welche voneinander durch elektrisch isolierende Lagen getrennter sind, wobei die Schichten einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden magnetisch permeablen Pfad für die hochfrequente, zeitlich-veränderliche Komponente des erzeugten Magnetfeldes bereitstellen. In einigen Ausführungsformen umfassen die Pole verschiedene Gruppen von Schichten aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, welche voneinander durch elektrisch isolierendes Material getrennt sind, wobei die Gruppen quer zueinander angeordnet sind, so dass der durch eine beliebige Schicht einer Gruppe strömende Magnetfluss auf eine Vielzahl von Schichten einer anderen Gruppe verteilt wird. Jede der Schichten hat bevorzugt eine Dicke im Bereich zwischen etwa 0,2 und 1 Millimeter. Die isolierenden Lagen sind wesentlich dünner als die Schichten. Die Schichten sind bevorzugt Eisenlegierungs-Schichten. Das Joch und die Kerne sind bevorzugt aus massivem Eisen gebildet.
In einer anderen Ausführungsform sind die Pole aus Ferrit-Material gebildet. Bevorzugt wird eine Decklage, gebildet z. B. aus Silizium, zum Schutz des Ferrit-Materials vor dem Ionen-Strahl zu Verfügung gestellt.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen zum Scannen von Ionen-Strahlen wird eine Ionen-Strahlquelle bevorzugt zu Verfügung gestellt, um den Ionen-Strahl in den Zwischenraum einzubringen. Eine Zielstelle ist auch bevorzugt so ausgelegt, dass in die Bahn des scannenden Ionen-Strahls ein Halbleiter-Substrat mit einer ausgewählten Oberfläche positioniert wird, damit diese den scannenden Ionen-Strahl empfängt. In einer Ausführungsform erstreckt sich ein Vakuum-Gehäuse von der Ionen-Quelle, über das Magnetisches System, bis zur Zielstelle, wobei der Strahl den Polen direkt ausgesetzt wird, während er die Strecke zwischen der Ionen-Quelle und der Zielstelle unter Vakuum zurücklegt. Bevorzugt liegt ein Geschwindigkeit-Seperator in der Bahn des Ionen-Strahls, um einfach geladene Ionen aus dem Ionen-Strahl zu entfernen, bevor der Ionen-Strahl auf die ausgewählte Oberfläche einstrahlt, so dass höhere Ionen-Endenergien durch die im Strahl verbleibenden, mehrfach geladenen Ionen erreicht werden können. Bevorzugt wird eine Decklage zum Schutz der laminierten Pole vor einem Ionen-Strahl zu Verfügung gestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform tritt der Ionen-Strahl entlang eines ersten Strahlwegs in den Zwischenraum ein, und ein Gleichstrom-Abschnittsmagnet ist so angeordnet, dass er den Ionenstrahl aufnimmt, nachdem dieser den Zwischenraum durchlaufen hat und aufgrund des Einflusses des Scan-Magnetfeldes zu einer Seite des ersten Strahlweges abgelenkt wurde.
Nach einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Scannen eines Ionen-Strahls über eine ausgewählte Oberfläche dar, folgende Schritte umfassend: Bereitstellen eines Scan-Magneten entsprechend der oben beschriebenen Vorrichtung; Einleiten eines Ionen-Strahls in den Zwischenraum entlang eines ersten Strahlwegs; und Generieren von Erreger-Wellenformen in den Wechselstrom- und Gleichstrom-Spulen, um in dem Zwischenraum ein im Wesentlichen unipolares Scan-Magnetfeld zu erzeugen, dessen Größe sich als Funktion der Zeit ändert, um das Scannen des Ionen-Strahls über die ausgewählte Oberfläche zu bewirken.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird der Ionen-Strahl weiter von dem ersten Strahlweg weg abgelenkt, nachdem der Strahl den Zwischenraum durchlaufen hat und zu einer Seite des ersten Strahlwegs hin abgelenkt wurde, so dass der Strahl in einem wesentlichen Winkel relativ zu der Richtung des ersten Strahlwegs läuft, um einen wesentlichen Anteil von neutralen Teilchen, die im Strahl vorhanden sein könnten, aus dem Strahl zu entfernen, bevor der Strahl die ausgewählte Oberfläche bestrahlt.
Bezüglich Ionen-Scan-Anwendungen bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf unerwartete Plasma-Zustände, die beim magnetischen Ionen-Strahl-Scannen auftreten können und beobachtet wurden. Dieser Effekt tritt als eine plötzliche Änderung der spezifischen Ausstrahlung des Strahls (d. h., die Fläche, die von allen Ionen eingenommen wird, wenn diese in einem Graphen Ionen-Winkel gegen Position dargestellt werden) auf, wenn das zum Scannen des Ionen-Strahls verwendete Scan-Magnetfeld Null durchläuft oder sich Null nähert. Die Erfindung stellt Techniken zur Herstellung von überlagerten statischen und zeitlich-veränderlichen Magnetfeldern mit reduzierten Leistungsanforderungen zu Verfügung. In einer Ausführungsform ermöglicht die Erfindung Verbesserungen der mit Ionen-Einpflanzern erreichbaren Strahlungs-Gleichförmigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Ein dem zeitlich-veränderlichen Scan-Magnetfeld zugeordnetes induziertes elektrisches Feld beschleunigt oder bremst induktiv neutralisierende Elektronen im Ionen-Strahl ab, in Abhängigkeit von der relativen Änderung der Größe des Scan-Magnetfeldes. Wenn sich das Scan-Magnetfeld auf eine kleine Größe verringert, erstrecken sich die neutralisierenden Elektronen innerhalb des Strahls über eine Fläche die vergleichbar groß oder größer als der Strahl-Querschnitt ist. Wohingegen die neutralisierenden Elektronen auf eine Fläche die typischer Weise kleiner ist als die Querschnittsfläche des Strahls komprimiert werden, wenn die Größe des Scan-Magnetfeldes auf über z. B. 5 mT (50 Gauss) ansteigt. Der Erfinder glaubt, dass die von den oben genannten induzierten elektrischen Feldern entstehende rasche Umverteilung der Elektronendichte einen Plasmaeffekt generiert, der die spezifische Ausstrahlung des Ionenstrahls wie beobachtet fluktuieren lässt. Die Erfindung stellt einen Magnetkreis zu Verfügung, der die Größe des Magnetfeldes in dem Zwischenraum auf einem ausreichenden Level aufrecht erhält, um das Fluktuieren der Größe des transversalen Querschnitts des Ionenstrahls zu verhindern, während der Ionenstrahl über die ausgewählte Oberfläche gescannt wird. Somit kann das hier beschriebene neue magnetische System Ionenstrahlen so gleichförmig Scannen, dass Änderungen oder Fluktuationen der Strahlgröße wesentlich reduziert werden, und dass wiederholendes Scannen bei hohen Geschwindigkeitsstufen, hoher Genauigkeit und verbesserter Wiederholbarkeit ermöglicht wird.
Optional umfassen die Pole verschiedene Gruppen von Schichten aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, welche voneinander durch elektrisch isolierendes Material getrennt sind, wobei die Gruppen quer zueinander angeordnet sind, so dass der durch eine beliebige Schicht einer Gruppe strömende Magnetfluss auf eine Vielzahl von Schichten einer anderen Gruppe verteilt wird.
Optional weist die Erfindung ein elektrisches Leiterpaar auf, wobei die Leiter jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums angeordnet sind, und die Leiter so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen.
Ausführungsformen können eine oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Ein elektrisches Leiterpaar ist bevorzugt enthalten, wobei jeder Leiter jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums platziert ist, und die Leiter so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen. Ein zweites elektrisches Leiterpaar ist auch bevorzugt enthalten, wobei jeder Leiter des zweiten Leiterpaars jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums platziert ist, und die Leiter des zweiten Paars so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein zweites Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen, wobei das erste Gradienten-Magnetfeld und das zweite Gradienten-Magnetfeld sich überschneiden. Die Leiter des ersten Leiterpaars erstrecken sich bevorzugt in eine erste Richtung, die in einer Ebene parallel zu den Polflächen liegt, und die Leiter des zweiten Leiterpaars erstrecken sich in einer Ebene parallel zu dem ersten Leiterpaar und in einer Richtung orthogonal zu der ersten Richtung.
Ausführungsformen können eine oder mehrere der folgenden Vorteile umfassen. Der erfindungsgemäße Ionenstrahl-Magnetscanner verursacht weder wesentliche Veränderungen oder Fluktuationen der Strahlgröße während des Scannens, noch zugeordnete Ungleichförmigkeiten der Bestrahlungsdosis auf einem Target, indem verhindert wird, dass das Magnetfeld im Scanner zu klein wird. Ein Ionenstrahl kann deswegen wiederholt mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Schreibgeschwindigkeit und der Position mit der Zeit auf dem Target gescannt werden. Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung eines Magnetfeldes mit reduziertem Leistungsverlust und reduzierter Wechselstrom-Blindleistung, wodurch die Kosten für Netzgerät und Leistungsverstärker verringert werden. Die erfindungsgemäße Magnetstruktur weist keine dem Strahl ausgesetzten großen Isolator-Oberflächen auf, was Raumladungsvergößerung verursachen würde. Desweiteren ermöglicht die Erfindung den Betrieb unter Hoch-Vakuum. Die erfindungsgemäße Magnetstruktur kann einfach und praktisch in einen Ionen-Einpflanzer oder in irgendein scannendes Ionenstrahl-System einbezogen werden. Die Erfindung ermöglicht auch Verbesserungen in einigen Kernesonanztomographie-Techniken.
Andere Merkmale und Vorteile werden durch die folgende Beschreibung und durch die Ansprüche offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines magnetischen Systems zur Erzeugung von überlagerten statischen und zeitlich-veränderlichen Magnetfeldern.
2 ist ein schematischer Querschnitt des magnetischen Systems aus 1 durch die xy-Ebene.
3 ist ein schematischer Querschnitt des magnetischen Systems aus 1 durch die zx-Ebene.
4 zeigt schematisch die Veränderung des durch die Wechselstrom-Spulen fließenden Stroms mit der Zeit für eine Dreiecks-Wellenform.
5 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Pols mit quer zueinander liegenden Schichten.
6 ist eine schematische Darstellung eines Ionen-Strahls, der in Gegenwart von einem überlagerten statischen Magnetfeld gescannt wird.
7 ist eine schematische Darstellung von konturierten Wechselstrom-Spulen.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Silizium-Decklage, welche auf die Pol-Oberfläche eines Magneten platziert ist.
9 ist ein Graph der Veränderung des Sauerstoff-Stroms im Ionenstrahl auf der Wafer-Oberfläche als eine Funktion der Größe des Magnetfeldes des Scanners.
10 ist ein Graph des Kreisel-Radius eines Elektrons als Funktion der Magnetfeld-Stärke und Elektron-Energie.
11 ist ein Graph eines oszillatorischen Magnetfeldes als Funktion der Zeit, wobei die Zustände dargestellt sind, in denen das induktive elektrische Feld Elektronen beschleunigt oder abbremst.
12 ist ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie induktives Abbremsen die Kreisbahnen der Elektronen nach außen winden lässt, wenn die Größe des Magnetfeldes mit der Zeit abnimmt.
12a ist ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie induktives Beschleunigen die Kreisbahnen der Elektronen nach innen winden lässt, wenn die Größe des Magnetfeldes mit der Zeit zunimmt.
13 ist eine schematische Darstellung des Querschnitts eines Ionenstrahl-Systems zum magnetischen Scannen eines Ionenstrahls über die Oberfläche eines Silizium-Wafers.
13a ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Geschwindigkeit-Seperators des Ionenstrahl-Systems aus 13.
13b ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Kollimator-Magneten des Ionenstrahl-Systems aus 13, welcher einen gescannten Ionenstrahl auf eine Wafer-Oberfläche lenkt.
14 ist eine schematische Darstellung des Querschnitts eines Ionenstrahl-Systems zum magnetischen Scannen eines Ionenstrahls über die Oberfläche eines Silizium-Wafers.
15 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines magnetischen Systems zur Verwendung in einem Kernresonanztomographie-System, welches Wechselstrom-Gradienten-Spulen umfasst.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bezug nehmend auf 1, 2 und 3 umfasst ein magnetisches System 10 zur Erzeugung überlagerter statischer (Gleichstrom) 23 und oszillatorischer (Wechselstrom), zeitlich-veränderlicher Magnetfelder 30 in einem Arbeitszwischenraum 11 ein Rückführungsjoch 12 und Kerne 14, 15, gebildet aus massivem Eisen mit hoher magnetischer Permeabilität, sowie Polstücke 16, 18, welche aus dünnen Eisenschichten mit hoher Permeabilität gebildet sind, wobei die Schichten voneinander durch sehr dünne Lagen aus elektrisch isolierendem Material getrennt sind. Die magnetische Struktur ist symmetrisch bezüglich der Medianebene (d. h. der yz-Ebene) des Arbeitszwischenraums festgelegt in 1. Die Schicht-Ebenen sind parallel zu der xy-Ebene und die dem Arbeitszwischenraum zugewandten Pol-Oberflächen 19, 20 sind im Wesentlichen parallel zu der yz-Ebene. Die Pole 16, 18, die benachbarten Kerne 14, 15 und das benachbarte Joch 12 stellen einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Flussrückführungs-Pfad 24 für das Gleichstrom-Magnetfeld 23 bereit, welches dadurch erzeugt wird, dass ein Gleichstrom 25 durch ein um die Eisen-Kerne herum positioniertes Gleichstrom-Spulenpaar 28, 29 geleitet wird. Die nach der oben beschriebenen geschichteten Struktur ausgebildeten Pol-Stücke 16, 18 reduzieren Kreisströme und stellen einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Flussrückführungs-Pfad 21 für die oszillatorischen Fourier-Komponenten des Wechselstrom-Feldes bereit. Das Wechselstrom-Feld wird durch das Fließen eines Wechselstroms 31 durch ein innerhalb des Arbeitszwischenraums 11 positioniertes Wechselstrom-Spulenpaar 32, 33 erzeugt. Der Wechselstrom-Feldfluss wird in einer Richtung innerhalb des Randes der Wechselstrom-Spulen und in der gegengesetzten Richtung in dem Randgebiet außerhalb des Randes der Wechselstrom-Spulen aufgebaut.
Bezug nehmend auf 1 werden das Wechselstrom-Spulenpaar und das Gleichstrom-Spulenpaar unabhängig voneinander jeweils mit Strom von Wechselstrom-Netzgeräten und Gleichstrom-Netzgeräten 13, 17 versorgt. Die massive Struktur der Kerne 14, 15 und des Rückführungsjochs 12 stellen einen Pfad mit hohem magnetischen Widerstand für die zeitlich-veränderlichen Magnetfelder dar, so dass die oszillatorischen Flusskomponenten auf eine nur eindringtiefdünne Schicht über der äußeren Oberfläche der Kerne und des Jochs beschränkt werden. Folglich durchdringt nur ein kleiner Teil des gesamten oszillatorischen Magnetflusses die Kerne. Mit diesem Aufbau tritt geringe Wechselstrom-Kopplung in den Gleichstrom-Spulen auf; dies reduziert die Investitionskosten für die Gleichstromquelle, da diese nicht hohen induzierten Wechselspannungen standhalten muss. Diese Entkopplung ermöglicht des Weiteren, dass die Gleichstrom- und die Wechselstromquellen unabhängig voneinander betrieben werden können (die Wechselstrom- und die Gleichstrom-Magnetfeldamplituden im Arbeitszwischenraum 11 können unabhängig voneinander ausgewählt werden). Insbesondere ermöglicht die Ausführungsform beschrieben in 1 das effiziente Überlagern von Wechselstrom-Magnetfeldern beliebiger Größe auf große Gleichstrom-Magnetfelder. In diesem Fall werden auch die Anschaffungskosten für die Wechselstromquelle reduziert, da die Stromabgabe nur zur Erzeugung der Wechselstrom-Feldamplitude und nicht der kombinierten Wechsel- und Gleichstrom-Feldamplitude ausreichen muss.
In der Ausführungsform dargestellt in 1, 2 und 3 ist das Polgebiet in dem Randgebiet außerhalb der Grenze der Wechselstrom-Spulen ausreichend, um den oszillatorischen Fluss zurückzuführen. Die zur Erzeugung eines oszillatorischen Feldes B₀ benötigte Amperewindungszahl J der Wechselstrom-Spule ist
wobei μ₀ die magnetische Permeabilität des Vakuums, G die x-Ausdehnung des Arbeitszwischenraums des Magneten, A_i die effektive Fläche innerhalb des durch die Wechselstrom-Spulen begrenzten Bereichs und A₀ die zur Rückführung des Flusses effektive Fläche des Randgebiets außerhalb des durch die Wechselstrom-Spulen begrenzten Bereichs ist. Die Amperewindungszahl J nimmt mit steigendem A₀ bezüglich A_i ab, und in der Praxis muss diese nur 25–50% höher sein als der Minimalwert der A₀ → ∞ entspricht:
Die oben beschriebene geschichtete Struktur der Polstücke 16, 18 ist ein effizientes und praktisches Verfahren, um einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Rückführungspfad für die oszillatorischen Komponenten der zeitlich-veränderlichen Magnetfelder bereitzustellen. Damit wird es ermöglicht gleichförmige Wechselstrom-Felder in Arbeitszwischenräumen mit reduzierten Leistungsniveaus und mit reduzierten von Kreisströmen verursachten Widerstandverlusten zu erzeugen. In so einer Anordnung kann die zeitliche Änderung der Wechselstrom-Feldwellenform eine Grundfrequenz von bis zu einem Kilohertz oder mehr haben. Mit überlagerten Fourier-Oberschwingungen höherer Ordnung können Dreiecks-Wellenformen erzeugt werden, die zum Scannen von Schwerionen-Strahlen geeignet sind, wie die in 4 dargestellte Wellenform.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Pol aus hoch-permeablen, dünnen, ferromagnetischen Schichten 20 mit einer Dicke, die im Bereich von kommerziell verfügbaren Schichten liegt, z. B. 0,2 und 1,0 Millimeter, welche voneinander durch elektrisch isolierendes Material mit einer Dicke in der Größenordnung von ungefähr 0,02 bis 0,1 Millimeter getrennt sind, konstruiert. Weitere Details über geschichtete Strukturen sind in H. F. Glavish, U.S. Patent No. 5,311,028 und in H. F. Glavish und M. A. Guerra, „Nucl. Instr. & Methods", B74 (1933) 397 beschrieben, wobei beide durch Bezugnahme als Teil der Anmeldung anzusehen sind. Diese Literaturstellen beschreiben auch die Verwendung von hoch-permeablem Ferrit-Material um große Kreisströme zu vermeiden.
Die Schichten in den Polen 16, 18 der in 1 dargestellten Ausführungsform liegen in Ebenen parallel zu der xy-Ebene und stellen einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Rückführungs-Pfad in der xy-Ebene für das von der speziellen Wechselstrom-Spulen-Konfiguration in 1 erzeugte Magnetfeld zu Verfügung. In einigen Anwendungen können zusätzliche Wechselstrom-Spulen (15) oder Kontur-Wechselstrom-Spulen (7) Verwendung finden. In solchen Ausführungsbeispielen werden niedrigen magnetischen Widerstand aufweisende Flussrückführungs-Pfade in anderen Ebenen orthogonal zu der Symmetrie-Medianebene (yz-Ebene) des Arbeitzwischenraums 11 bevorzugt, um effizientes Umverteilen des Magnetflusses über die Pole zu Verfügung zu stellen. Dies wird durch die Konstruktion der Polstücke mit quer zueinander stehenden Schichten, wie in 5 dargestellt, erreicht. Eine Gruppe 35 der Schichten weißt Ebenen parallel zu der xy-Ebene auf, und die andere Gruppe 36 weißt Ebenen parallel zu der zx-Ebene auf, was die Umverteilung des Flusses auf niedrigen magnetischen Widerstand aufweisende Pfade in jeder zu der yz-Ebene parallelen Ebene ermöglicht. Diese Eigenschaft und weitere Details der quer zueinander angeordneten Schichten sind in der oben angeführten Literaturstelle beschrieben.
Anwendung auf das Ionen-Strahl-Scannen
Durch das Unter-Strom-Setzen der Wechselstrom-Spulen 32, 33 mit einer Dreiecks-Wellenform, wie die in 4 dargestellt, kann das in 1 gezeigte magnetische System zum Scannen eines Schwerionen-Strahls 22, der in den Arbeitszwischenraum 11 entlang der z-Achse eintritt, von der einen zur andere Seite in der ±y Richtung verwendet werden.
Bezug nehmend auf 6 wird durch das Überlagern eines Gleichstrom-Magnetfeldes, erzeugt durch das Unter-Strom-Setzen der Gleichstrom-Spulen 28, 29 (1) mit einem Gleichstrom, der Strahl 22 weiter abgelenkt, so dass dieser beim Scannen von einer zur anderen Seite 37 überwiegend in die –y Richtung und weniger in die +y Richtung gescannt wird, oder umgekehrt, in Abhängigkeit von der Polarität des die Gleichstrom-Spulen durchfließenden Gleichstroms. Die zur Erzeugung des oszillatorischen Feldes zum Scannen eines Ionen-Strahls in Gegenwart einer überlagerten Gleichstrom-Ablenkung notwendige Blindleistung wird dadurch reduziert, dass die Wechselstrom-Spule um die entstehenden Strahl-Trajektoren 37 herum konturiert 38 wird, um das Spulengebiet zu reduzieren, wie in 7 dargestellt. So eine konturierte Spulen-Form hat einen ungleichförmigen Zusammenhang zwischen dem innerhalb des Spulen-Randes produzierten Fluss und den von einem Pol mit einer einzelnen Gruppe von parallelen Schichten außerhalb des Spulen-Randes verfügbaren Fluss-Pfaden. Dementsprechend wird ein quergeschichteter Pol, wie in 5 dargestellt, verwendet, um einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Rückführungs-Pfad für den oszillatorischen Magnetfluss zu Verfügung zu stellen.
Der Ionen-Strahl 22 wird durch den Arbeitszwischenraum 11 bevorzugt in einem Vakuum typischer Weise besser als 10^–5 Millibar transportiert, um den Verlust und das Streuen von Ionen aufgrund von Wechselwirkung mit den gasförmigen Hintergrund-Molekülen zu vermeiden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform bildet der Joch-Körper 12 ein gasdichtes Vakuum-Gehäuse, um den Ionen-Strahl 22 durch den Arbeitszwischenraum 11 zu transportieren. Außer der vernachlässigbar kleinen Fläche der Kanten des zwischen den Schichten liegenden Isolations-Materials sind die dem Strahl zugewandten Pol-Flächen elektrisch leitend, und diese werden auf Erdungs-Potential gehalten, um die Erzeugung von elektrischen Feldern in der Nähe des Strahls zu vermeiden. Aus demselben Grund sind die isolierenden Oberflächen der Spulen und die zu den Spulen hin- und wegführenden Leitungskabel vor dem Strahl mit elektrisch geerdeten Schirmungen 26, 27 verborgen.
In einer anderen Ausführungsform wird das Vakuum-Gehäuse in den Arbeitszwischenraum zwischen die Pol-Flächen des Scan-Magneten platziert. Dies erhöht jedoch das Magnetfeld-Volumen und die Leistungsanforderungen des Arbeitszwischenraums 11; desweiteren ist das Material der Vakuum-Wandung bevorzugt ein elektrischer Leiter, der ein konstantes Potential in der Nähe des Strahls festlegt. Um das Induzieren von großen Kreisströmen in den Vakuumgehäuse-Wänden zu vermeiden, sind die Vakuum-Wandungen bevorzugt aus einem Halbleiter-Material oder mit einer geschichteten Struktur ähnlich den Magnet-Polen gebildet; solche Schichten sind bevorzugt nicht ferromagnetisch.
Wie oben beschrieben kann Ferrit-Material an Stelle von geschichtetem Material zum Vermeiden von großen Kreisströmen verwendet werden. Da Ferrit-Material ein elektrischer Isolator ist, müssen Pol-Stücke und andere aus Ferrit-Material gebildete Teile von dem Ionen-Strahl abgeschirmt werden, z. B. entweder durch Verwendung einer Silizium-Schirmung oder durch Verwendung eines elektrisch leitenden Drahtgeflechts oder eines Drahtgitters, welches konstruiert wurde, um Kreisstrom-Effekte zu eliminieren. Bezug nehmend auf 8 wird eine dünne Silizium-Decklage 131 zur Abschirmung eines Ionen-Strahls 132 von einer Pol-Oberfläche 130 verwendet. Ionen in dem Strahl neigen dazu auf die Oberflächen in dem Ionenstrahl-System aufzutreffen, was dazu führen kann, dass Teilchen in das Ionen-System freigesetzt werden. Da die Decklage aus Silizium besteht, ist jede von der Decklage verursachte Kontamination wenigstens mit, z. B., Siliziumwafer-Substraten verträglich und würde tendenziell nicht dazu führen, dass die Qualität der aus den bestrahlten Wafern gebildeten Geräte verschlechtert wird. Da Silizium auch ein elektrischer Leiter ist, hält es ein konstantes elektrisches Potential in der Nähe des Strahls aufrecht. Dennoch ist die Leitfähigkeit von Silizium ausreichend niedrig, so dass das Silizium in einem Scan-Magneten bei akzeptabel kleinen Kreisstrom-Effekten verwendet werden kann. Eine Silizium-Decklage kann auch im Ablenkungsmagneten 36 angewendet werden, um Sputter-Kontamination des Wafers zu vermeiden. So eine Silizium-Decklage kann auch in jedem der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um geschichtete Pole abzuschirmen, und um dadurch induzierte Kreisstrom-Effekte zu reduzieren.
Bei Ionenstrahl-Scan-Anwendungen kann das magnetische System 10 (1) dazu verwendet werden, um ein beobachteten Plasma-Effekt zu behandeln, welcher sonst die Größe des transversalen Querschnitts des Ionen-Strahls fluktuieren lassen würde, während der Ionen-Strahl über eine ausgewählte Oberfläche gescannt wird. Wir haben herausgefunden, dass beim magnetischen Scannen eines Schwerionen-Strahls mit hoher Raumladungskonstante wesentliche Fluktuationen der transversalen Strahl-Größe nach dem Scanner auftreten, falls das Scan-Magnetfeld Null durchläuft oder weniger als etwa 5 bis 20 Millitesla (50 bis 200 Gauss) beträgt. Diese Fluktuationen können, falls sie nicht korrigiert werden, die Gleichförmigkeit der Bestrahlung auf einem nachgeschalteten Substrat verschlechtern. Die Erfindung erzielt hierbei eine wesentliche Verbesserung der Gleichförmigkeit der Oberflächenbestrahlung, indem die Gleichstrom-Spulen 28, 29 des Scanners unter Strom gesetzt werden, damit diese ein dem oszillatorischen Scan-Feld überlagertes Gleichstrom-Feld erzeugen, so dass das aus den überlagerten Magnetfeldern resultierende Feld eine minimale Größe hat, die groß genug ist, um wesentliches Fluktuieren der Größe des transversalen Querschnitts des Ionen-Strahls zu verhindern, während der Strahl über die ausgewählte Oberfläche gescannt wird.
Schwerionen, wie solche die man aus den Elementen Bor, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Arsen oder Antimon erlangt, werden von einer Ionen-Quelle erzeugt und in Strahl-Form gebracht (siehe z. B. The Physics and Technology of Ion Sources, Hrsg. Ian G. Brown, John Wiley & Sons, New York 1989). Die Ionen-Quelle produziert Ionen-Strahlen mit sehr hoher Raumladungskonstante wie in Gleichung 1 definiert, und ein einstellbares Spannungsnetzgerät wird zum Beschleunigen des Ionen-Strahls auf eine einstellbare Energie bis zu etwa 80 keV pro Ladungszustand verwendet. Die durch das Beschleunigen des Ionen-Strahls entstehenden Elektronen werden in dem Ionen-Strahl gefangen oder auf diesen begrenzt. Deswegen wird der Ionen-Strahl in Abwesenheit von externen elektrischen Feldern und isolierenden Oberflächen elektrisch fast neutral. Unter diesen Bedingungen können die Ionen-Strahlen in Hoch-Vakuum-Gebieten im Ionen-Einpflanzer transportiert werden, ohne dass diese Strahldivergenz aufgrund abstoßender Raumladungskräfte aufweisen.
Elektronen mit einer Energie von wenigen Elektronvolt werden typischer Weise durch atomare Wechselwirkung zwischen Ionen in dem Ionen-Strahl und Restgas-Molekülen in dem Vakuum-System erzeugt (siehe z. B. in A. J. T. Holmes, Beam Transport of the Physics and Technology of Ion Sources, Hrsg. Ian G. Brown, John Wiley & Sons, New York 1989). In der Nähe des Ionen-Strahls spielen diese Elektronen eine wichtige Rolle beim Neutralisieren von, bis auf einen kleinen Teil, allen positiven Ladungen, die den Ionen im Strahl zugeordnet sind. In manchen Fällen werden neutralisierende Elektronen auch direkt von heißen Drähten oder Plasmakanonen erzeugt, jedoch ist dies nicht generell für den Transport von typischen Schwerionen-Strahlen mit hoher Raumladungskonstante durch die Magnete und feldfreien Gebiete eines typischen Ionen-Einpflanzers notwendig. Bei dem in Ionen-Einpflanzern verwendeten Vakuum von etwa 10^–4 Pas (10^–6 Torr) wird eine ausreichende Zahl von Elektronen innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde durch den Strahl erzeugt, um die Ladungsneutralität des Strahls aufrechtzuerhalten.
Bisher ging man davon aus, dass nachteilige, zeitabhängige Raumladungseffekte, bei dem in Einpflanzern durchgeführten magnetischen Scannen von Ionen-Strahlen, aufgrund der sehr hohen Elektronen-Erzeugungsrate relativ zu der Änderungsrate der transversalen Position des Strahls, nicht auftreten. In der Tat bezeichnet der Fachmann die Magnetfelder des Scanners hinsichtlich der Raumladungseffekte üblicherweise als quasi-statisch.
Wir haben jedoch einen Plasma-Effekt entdeckt, der sich in einer plötzlichen Änderung der spezifischen Ausstrahlung des Strahls äußert, wenn die Größe des Magnetfeldes in dem Zwischenraum Null durchläuft oder sich Null nähert. Ein Beispiel unserer Versuchsmeßdaten ist in 9 dargestellt, welche eindringlich illustrieren, wie der Strom eines 178 keV, 150 Hz Sauerstoff-Scan-Strahls mit hoher Raumladungskonstante eine plötzliche Fluktuation von –0,7% in der Nähe eines Null-Feldes erfährt. Die dargestellten Daten wurden bei einer Scanfrequenz von f = 150 Hz über einem Phasenbereich von ϕ = –70° bis ϕ = 60° gemessen, wobei ϕ in Grad gemessen wir und ϕ = 360·f·t gilt. Das oszillatorische Magnetfeld (in Gauss) ändert sich mit der Phase entsprechend der Gleichung
Die in 9 dargestellte Fluktuation in der Nähe eines Null-Feldes wurde in nur einem Scan-Durchlauf aufgenommen, aber in folgenden Scan-Durchläufen reproduziert sich dies exakt. Die in 9 dargestellten Daten des gemessenen Strahl-Stroms sind empfindlich gegenüber auftretenden Änderungen der spezifischen Phasenraum-Ausstrahlung des Strahls in der Richtung transversal zu der Scan-Richtung, und zwar aufgrund einer limitierenden Blende, die vor dem Strom-Messapparat platziert ist. Falls die oben beschriebenen Effekte nicht vollständig eliminiert oder durch passende Korrektur der Wellenform des Erregerstroms im Wesentlichen kompensiert werden, kann dies zu einer Ungleichförmigkeit der Bestrahlung von 1% oder mehr führen.
Bei Anwesenheit eines Magnetfeldes B erfahren die neutralisierenden Elektronen eine Lorentzkraft und kreiseln um die Magnetfeldlinien mit einer Kreisfrequenz
wobei |B| die Größe des Magnetfeldes, m die Masse eines Elektrons und e die Ladung eines Elektrons ist. Wenn man die Bewegung der Elektronen auf eine Ebene senkrecht zu B projiziert, beschreiben diese einen Kreis mit dem Radius
wobei v_t die zur Richtung des Magnetfeldes B transversale Geschwindigkeitskomponente des Elektrons ist. Die der Kreisbewegung zugeordnete Energie ist
Da die Größe der Elektron-Kreiselfrequenz (w = 17,6 Mhz pro Gauss) viel größer als die Scan-Frequenz des Magentfeldes (~1 Kilohertz oder weniger) ist, ist die Elektron-Kreisbewegung in dem Sinne adiabatisch, dass bei Auftreten einer kleinen bruchteilhaften Änderung des Radius r das Elektron viele Umdrehungen um B herum ausführen wird. In 10 ist der Elektron-Kreiselradius als Funktion der Elektron-Energie und des Magnetfeldes aufgetragen. Bei Feldern kleiner als ein paar Millitesla (ein paar zehnfache Gauss) steigt der Kreiselradius auf Werte vergleichbar mit der Ausdehnung des Strahls an. Dieses Phänomen scheint jedoch nicht alleine für die beobachtete zeitabhängige Fluktuation des Ionenstrahl-Stroms verantwortlich zu sein, da bei Abwesenheit eines wesentlichen Magnetfeldes die Elektronbewegung hauptsächlich von Kräften, die den Teilchen-Ladungen zugeordnet sind, bestimmt wird. Wie vorher bereits diskutiert, tritt Strahl-Neutralisation außerdem in einer sehr kurzen Zeit relativ zu dem Zeitintervall auf, in welchem Fluktuationen auftreten (~1 Millisekunde).
Um die beobachteten Phänomene besser zu erklären, erkannten wir, dass, entsprechend den Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung klassischer elektromagnetischer Phänomene, der zeitlichen Änderung des Scanner-Feldes B ein elektrisches Feld E zugeordnet ist, gegeben durch
Dieses Feld muss Elektronen induktiv beschleunigen oder abbremsen, je nach dem ob die Amplitude von B zunimmt oder abnimmt, wie in 11 dargestellt. In der Tat ist die Änderung der Kreis-Energie pro Umdrehung
Wenn wir nun die adiabatische Bedingung aufrufen, dass der Radius für eine Umdrehung im Wesentlichen konstant ist, erhalten wir von den Gleichungen 7, 8 und 9
Die erste dieser Gleichungen zeigt, dass sich die Rotationsenergie des Elektrons proportional mit der Magnetfeldstärke ändert. Die zweite Gleichung drückt die Drehimpulserhaltung aus und zeigt, dass sich die Fläche πr² der Elektron-Kreisbahn invers mit der Größe der Magnetfeldstärke und der Elektron-Energie ändert. Die durch die induktiven elektrischen Felder entstehenden Effekte sind wesentlich. Zum Beispiel wird bei Steigerung des Feldes von 0,5 auf 5 mT (von 5 auf 50 Gauss) die Elektronen-Dichte um einen Faktor von Zehn verdichtet. Die Elektron-Energie wird auch um den Faktor Zehn vergrößert, und bei Anwesenheit des Magnetfeldes sind die Elektronen an ein Gebiet in der Nähe des Strahls gebunden. Neue Elektronen, die entstehen, wenn die Größe des Magnetfeldes ansteigt, sind auch der Kompression ausgesetzt, die von der induktiven Beschleunigung ausgeht. Unter diesen Bedingungen wird die räumliche Verteilung der Elektronen von dem Einfluss des Magnetfeldes dominiert und nicht von dem Einfluss des Systems von Ionen-Ladungen im Strahl. Wenn das Feld über 5 mT (50 Gauss) ansteigt, findet die Kompression weiter statt. Jedoch ist der Effekt nicht so dramatisch, da der Kreiselradius des Elektrons schon wesentlich geringer als die typische transversale Größe des Strahls ist.
Wenn die Größe des Magnetfeldes sich zu Null hin verkleinert, vergrößern sich die Elektron-Umlaufbahnen gemäß Gleichung 10. Wenn die Magnetfeldstärke weniger als etwa 5 mT (50 Gauss) beträgt, werden die Elektronen in den zuvor komprimierten Elektron-Orbits rasch abgebremst und erstrecken sich über ein Gebiet, dass vergleichbar groß oder größer als der Strahl-Querschnitt ist. Neue Elektronen, die entstehen, haben schon eine niedrige Energie und werden nicht so wesentlich von dem induktiven elektrischen Feld beeinflusst. Die Beschleunigungs- und Abbremsungsbereiche sind in 11 dargestellt.
Der Ablauf der Ereignisse in dem Scanner mit ablaufender Zeit ist schematisch in den 12 und 12A erläutert. Bezug nehmend auf 12: wenn das Magnetfeld 123 sich Null nähert, verursacht die induktive Abbremsung, dass die Elektron-Umlaufbahnen eine nach außen gewundene Hüllkurve 121 beschreiben, wodurch die Elektronendichte in dem Gebiet des Ionen-Strahls 124 reduziert wird. Nachdem das Magnetfeld Null durchschritten hat, hat es die umgekehrte Richtung und die Rotationsrichtung der Elektron-Umlaufbahnen 120 ist umgedreht, wie in 12A dargestellt. Beim Ansteigen der Größe des Magnetfeldes 122 verursacht induktives Beschleunigen, dass die Elektron-Umlaufbahnen sich adiabatisch nach innen winden, wodurch die Elektronendichte in dem Gebiet des Ionen-Strahls 124 vergrößert wird. Die durch den Nulldurchgang des Magnetfeldes verursachte rasche Änderung der Elektronendichte stellt eine plausible Erklärung für die beobachteten Fluktuationen der spezifischen Phasenraum-Ausstrahlung des Ionen-Strahls dar.
Experimentelle Beobachtungen wurden nur mit magnetisch gescannten, positiven Schwerionen-Strahlen mit hoher Raumladungskonstante gemacht. Da Elektronen jedoch mit einer sehr hohen Rate von negativen Ionen-Strahlen produziert werden, und diese ein Bestandteil des gesamten Neutralisationsphänomens sowohl in dem negativen wie auch in dem positiven Plasma-Potential-Bereich sind, wird erwartet, dass ähnliche Fluktuationen auftreten werden, und dass die vorliegende Erfindung auch wichtige Anwendbarkeit auf das Scannen von negativen Ionen-Strahlen mit hoher Raumladungskonstante besitzt.
Bezug nehmend auf die 13 bis 13B umfasst ein bevorzugtes System zum Scannen von Schwerionen das magnetische System von 1. Die von einer Ionen-Quelle 44 stammenden Schwerionen produzieren einen Ionen-Strahl 46, der in sich Elektronen erzeugt und einfängt, um bei Abwesenheit von externen elektrischen Feldern und isolierenden Oberflächen fast elektrisch neutral zu werden. Der Ionen-Strahl 46 ist unter Vakuum ballistischer Drift zu einem Sektor-Magneten 48 hin ausgesetzt, und wird entsprechend dem Verhältnis von Ionen-Impuls zu elektrischer Ladung (Mv/q), wobei v die Ionen-Geschwindigkeit, q die elektrische Ladung des Ions und M die Ionen-Masse ist, wie vorangehend in Gleichung 1 definiert, nach Durchlaufen einer Auflösungsblende 50 impulsbereinigt.
Die hier beschriebenen magnetischen Ionen-Strahl-Scan-Systeme erzielen höhere Ionen-End-Energien durch Extrahieren von doppelt oder dreifach geladenen Ionen (z. B. p⁺⁺ oder p⁺⁺⁺) aus der Ionen-Quelle. Wenn mehrfach geladene Ionen verwendet werden, bereinigt der Sektor-Magnet alleine den Strahl nicht immer ausreichend. Zum Beispiel können einfach geladene Ionen p⁺ aus der Dissoziation eines molekularen Ions wie folgt gebildet werden P+2 → P + P+ (11)
In dem Drift-Gebiet, zwischen der Ionen-Quelle 44 und dem Sektor-Magneten 48, besitzen diese einfach geladenen Ionen die Hälfte der Geschwindigkeit der doppelt geladenen Ionen p⁺⁺, welche direkt aus der Ionen-Quelle extrahiert wurden. Deshalb ist das Impuls-zu-Ladung-Verhältnis für die beiden Arten von Ionen das gleiche, und diese werden bei der Auflösungsblende von dem Sektormagneten nicht getrennt.
Um diese Probleme zu lösen, wird ein Geschwindigkeitsseparator 100 zwischen dem Sektormagneten und der Auflösungsblende platziert, wie in 13A dargestellt (siehe z. B. C. A. Coombes et al., Phys. Rev., Vol. 112, Seite 1303 (1958), was hiermit durch Bezugnahme als Teil der Anmeldung anzusehen ist). Polstücke 106 definieren einen Arbeitszwischenraum 102, um den Strahl aufzunehmen, und erzeugen ein Magnetfeld in x-Richtung. Die Elektroden 104 produzieren ein elektrisches Feld in y-Richtung. Die Feldstärken E und B der elektrischen und magnetischen Felder sind jeweils wie folgt festgesetzt
wobei v die Geschwindigkeit der auszuwählenden doppelt geladenen Ionen ist, V die Extraktionsspannung der Ionen-Quelle, S_w die Breite der Auflösungsblende 50, a die effektive Länge des Arbeitszwischenraums des Geschwindigkeitseparators und b die Drift-Strecke von Ausgang des Geschwindigkeitseparators bis zur Auflösungsblende. Gleichung (12) gewährleistet, dass die elektrische Feldstärke zum Ausschuß der einfach geladenen Ionen 108 an der Auflösungsblende ausreichend ist, während Gleichung (13) gewährleistet, dass sich die magnetischen und die elektrischen Kräfte, die auf die doppelt geladenen Ionen wirken, gegenseitig aufheben, was es den Ionen 110 erlaubt den Separator zu durchlaufen ohne abgelenkt zu werden.
Der aus der Auflösungsblende 50 heraustretende Strahl 53 tritt in einen Scan-Magneten 54 ein, welcher dem magnetischen System 10 aus den 1–3 entspricht. Der Scan-Magnet kann Pole aus quer zueinander angeordneten Schichten, wie in 5 gezeigt, und konturierte Wechselstrom-Spulen, wie in 7 gezeigt, haben.
Wie in 13B gezeigt, wird der aus dem Scan-Magneten austretende gescannte Strahl 90 durch einen Sektor-Kollimator-Magneten 80 kollimiert, welcher ein im Wesentlichen statisches, gleichförmiges Magnetfeld in einem Arbeitszwischenraum 88 mit Eingangs-Polseiten 84 und Ausgangs-Polseiten 86 erzeugt. Die Polseiten haben eine besondere Kontur, damit ein paralleler gescannter Strahl 62 auf einem Wafer 65 in einer Zielstelle 67 entsteht. Der Wafer 65 wird auf einer Einspannvorrichtung 66 befestigt, welche den Wafer durch den Strahl in einer Richtung orthogonal zu der Scan-Ebene mechanisch hin- und herbewegt. Die an die Wechselstromspulen 55 des Scanners angelegte zeitlich-veränderliche Wellenform und die mechanische Bewegung der Einspannvorrichtung sind so eingestellt, dass eine gleichförmige Bestrahlung des Wafers entsteht. Das Gleichstromfeld in dem Scanner wird so eingestellt, dass die vorangehend beschriebenen Fluktuationen der Strahlgröße eliminiert werden. Der Sektor-Kollimator-Magnet 80 arbeitet mit dem Scan-Magneten 54 so zusammen, dass die verschiedenen Wege, die der Strahl zu dem Wafer zu verschiedenen Zeitpunkten während des Scan-Durchlaufs zurücklegt, berücksichtigt werden. Die Konturen der Eingangs- und Ausgangs-Polseiten 84, 86 entsprechen Polynomen vierter Ordnung, mit Koeffizienten, die so gewählt sind, dass die folgenden optischen Ionen-Transport- und Fokussierungs-Bedingungen ungeachtet der Scan-Position gleichzeitig erfüllt werden, während der Strahl auf den Wafer auftrifft:

1. Aufrechterhalten eines parallelen Scans, wie vorangehend beschrieben, mit einer Genauigkeit besser als ±0,2°.
2. Einhalten des Schwankungsbereiches der vorgeschriebenen maximalen Winkeldivergenz des Strahls (typischer Weise etwa 0,5° bis 1,5°) im Wesentlichen innerhalb eines Grenzwertes von ±0,5°.
3. Einhalten der vorgeschriebenen transversalen Strahlgröße (typischer Weise 30 bis 50 mm) im Wesentlichen innerhalb eines Grenzwertes von ±5 mm.
4. Erzeugung von ausreichender Ablenkung des Strahls (z. B. mindestens etwa 30° oder mehr, bevorzugt mehr als etwa 45°) um die Anzahl neutraler Teilchen 39 zu reduzieren, welche auf den Wafer auftreffen, nachdem sie von den mit den Restgas-Molekülen im Vakuum-System wechselwirkenden Ionen im Strahl erzeugt werden, bevor der Strahl in den Sektor-Kollimator-Magneten eintritt.

Im Allgemeinen kann ein konventioneller Sektor-Magnet, mit auf zweite Ordnung beschränkten Krümmungen der Polseiten-Konturen an den Eingangs- und Ausgangs-Polseiten, nicht alle der oben genannten Bedingungen gleichzeitig erfüllen (siehe z. B. H. A. Enge, „Deflecting Magnets", veröffentlicht in Focusing of Charged Particles, Vol. II, Hrsg. A. Septier, Academic Press, New York 1967). Die Beschränkungen von Krümmungen zweiter Ordnung werden noch betont, falls die Kollimator-Ablenkung größer als etwa 30°, oder bevorzugt mehr als etwa 45° ist.
Konturen von vierter Ordnung an den Eingangs- und Ausgangs-Polseiten des Sektor-Kollimators machen das Erreichen von so großen Winkelablenkungen möglich, was ausreichende Isolation des Wafers von den neutralen Teilchen zur Folge hat, und sogar erlaubt, dass die oben genannten optischen Ionen-Transport- und Fokussierungs-Bedingungen erfüllt werden. In dieser Ausführungsform ist der Arbeitszwischenraum 88 des Sektor-Kollimator-Magneten 80 positioniert, um den gescannten Strahl 90 genau zu empfangen; der Arbeitszwischenraum 88 ist so orientiert und platziert, dass dessen Brennebene mit dem Scan-Scheitelpunkt 57 zusammenfällt. Der Strahl wird auch von der Quelle 4 bis zum Wafer 65 komplett in einem Gehäuse 74 transportiert, in dem Hoch-Vakuum durch Vakuum-Pumpen 76 aufrechterhalten wird.
Andere Ausführungsformen sind innerhalb des Inhalts der Ansprüche. Zum Beispiel können, in einer anderen bevorzugten Ausführungsform, anstelle eines einzelnen durch den Scan-Strahl hin- und herbewegten Wafers, wie in 13 gezeigt, mehrere Wafer auf einem rotierenden Karussell 69, wie in 14 gezeigt, angebracht werden. Diese Ausführungsform wird im Falle sehr hoher Ionenstrahl-Ströme bevorzugt, da dann die hohe Strahl-Leistung während der Einpflanzung auf mehrere Wafer verteilt wird.
Anwendung auf magnetische Kernresonanztomographie
Wie in 15 dargestellt, produziert ein magnetisches System 200 zeitlich-veränderliche Magnetfeld-Gradienten ∂B/∂x, ∂B/∂y, ∂B/∂z jeweils in x, y, z Richtung, welche einem statischen, gleichförmigen Feld B in z-Richtung in einem Arbeitszwischenraum 201 überlagert werden. Das statische Feld wird durch die Gleichstrom führenden Spulen 206 und durch den einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Pfad der hoch-permeablen Eisen-Pole 208, 210 mit quer zueinender stehenden Schichten, der massiven Eisen-Kerne 204 und des massiven Rückführungsjochs 202 erzeugt. Der zeitlich-veränderliche Feld-Gradient ∂B/∂x wird durch oszillatorische Ströme I₁ in den Gradienten-Spulen 212 erzeugt, und die anderen Gradientenfeld-Komponenten ∂B/∂y, ∂B/∂z werden durch oszillatorische Flächenströme I₂ und I₃ in den elektrisch leitenden Flächen 216 und 218 erzeugt, welche voneinander durch elektrisch isolierendes Material elektrisch isoliert sind. Die zeitabhängige Ortsveränderung des resultierenden Magnetfeldes B_r(x, y, z) ist gegeben durch
was zu Spin-Resonanz mit einer sich mit der Zeit ändernden gegebenen Frequenz an Raumpositionen führt, was es wiederum ermöglicht Bildinformationen zu erlangen. Die quer zueinander stehenden Schichten in den Polen stellen einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Rückführungspfad für die zeitlich-veränderlichen Komponenten des Feldes zu Verfügung, und die massiven Kerne und Joche stellen einen Rückführungspfad für das statische Feld zu Verfügung. Diese Struktur ermöglicht das Betreiben der Netzgeräte für die Gradienten-Spulen unabhängig von der Netz-Gleichstromversorgung, welche das primäre statische Feld erzeugt. Die Pole mit quer zueinander stehenden Schichten sind effiziente Strukturen, um die zeitlich-veränderlichen Feldkomponenten im Arbeitszwischenraum 101 zwischen den gegenüber liegenden Pol-Flächen zu konzentrieren, und um Fehler und Schwierigkeiten, die Kreisströmen und Leistungsverlusten zugeordnet sind und sonst auftreten würden, wenn die Pole aus massivem Eisen anstatt aus Schichten gebildet wären, zu reduzieren.
In einer anderen Ausführungsform sind die Pol-Stücke aus Ferrit-Material mit hoher Permeabilität gebildet.
Andere Ausführungsformen liegen nach wie vor innerhalb des Inhalts der Ansprüche.

Claims

Vorrichtung (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, umfassend: zwei magnetische Pole (16, 18) mit einem zwischen diesen liegenden Zwischenraum (11). wobei die Pole mit elektrisch isolierendem Material hergestellt sind, um jegliche hochfrequente, induzierte Kreisströme auf begrenzte Werte in lokalen Pfaden in den Polen einzuschränken; eine magnetische Anordnung umfassend ein Joch (12) und zwei Kerne (14, 15), welche jeweils an einen der zwei Pole gekoppelt sind, wobei die magnetische Anordnung aus einem massiven Material mit hohem magnetischen Sättigungswert gebildet ist; eine den Kernen der magnetischen Anordnung zugeordnete Gleichstrom-Spule (28, 29) zur Erzeugung einer statischen Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum; und eine Wechselstrom-Spule (32, 33); dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstrom-Spule den magnetischen Polen zugeordnet ist, um eine zeitlich-veränderliche Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum zu erzeugen, wodurch in dem Zwischenraum ein Magnetfeld mit statischen und hochfrequenten, zeitlich-veränderlichen Komponenten erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ausgebildet, um ein mit einer Grund-Frequenz von mindestens 20 Hz moduliertes Magnetfeld zu erzeugen, und um einen Ionen-Strahl über eine ausgewählte Oberfläche zu scannen, die Vorrichtung umfassend: eine Wechselstromquelle (13) zur Stromversorgung der Wechselstrom-Spule mit einem zeitlich-veränderlichen, oszillierenden, elektrischen Strom, um die Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum zu erzeugen, dessen Richtung mit einer Grund-Frequenz in der Größenordnung von 20 Hz oder höher zusammen mit wesentlich höheren Oberschwingungen zeitlich alterniert; und eine Gleichstromquelle (17) zur Stromversorgung der Gleichstrom-Spule mit einem statischen, elektrischen Strom, um die statische Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pole aus einer Mehrzahl von Schichten aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität gebildet sind, welche voneinander durch elektrisch isolierende Lagen getrennter sind, wobei die Schichten einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden magnetisch permeablen Pfad für die hochfrequente, zeitlich-veränderliche Komponente des erzeugten Magnetfeldes bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pole verschiedene Gruppen von Schichten (35, 36) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität umfassen, welche voneinander durch elektrisch isolierende Lagen getrennt sind, wobei die Gruppen quer zueinander angeordnet sind, so dass der durch eine beliebige Schicht einer Gruppe strömende Magnetfluss auf eine Vielzahl von Schichten einer anderen Gruppe verteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei jede Schicht jeweils eine Dicke im Bereich zwischen etwa 0,2 und 1 Millimeter hat.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die isolierenden Lagen wesentlich dünner als die Schichten sind.
Vorrichtung nach jedem Anspruch 3 bis 6, wobei die Schichten Eisenlegierung-Schichten sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Joch und die Kerne aus massivem Eisen gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass diese einen Ionen-Strahl entlang einer Bahn (22), welche durch den Zwischenraum in einer Richtung parallel zu entgegengesetzten Flächen (19, 20) der Pol-Stücke verläuft, aufnehmen kann, wobei die statische Komponente und die zeitlich-veränderliche Hochfrequenz-Komponente sich in einer im Allgemeinen gemeinsamen Richtung orthogonal zu dieser Bahn erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei Teile der zu der Ionen-Bahn im Allgemeinen parallel liegenden Wechselstrom-Spule innerhalb des Zwischenraums zwischen den Flächen der Pole liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei Teile der Wechselstrom-Spule, welche zu der Ionen-Bahn hauptsächlich quer liegen, außerhalb des Zwischenraums liegen, und über die das Volumen des Zwischenraums begrenzenden Ebenen hinaus versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese so konstruiert und angeordnet ist, dass ein Ionen-Strahl über eine ausgewählte Oberfläche gescannt werden kann, wobei die Vorrichtung den Aufbau nach Anspruch 2 aufweist, und wobei die Wechselstrom- und die Gleichstrom-Quelle so zusammenwirken, dass sie ein im Wesentlichen unipolares Scan-Magnetfeld so im Zwischenraum erzeugen, dass jegliche Plasma-Effekte vermieden werden, die bei Strahlen mit hoher Raumladungskonstante auftreten könnten, falls das Scan-Magnetfeld Null durchläuft oder weniger als etwa 50 bis 200 Gauß beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ionen-Strahlquelle, um den Ionen-Strahl in den Zwischenraum einzubringen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Zielstelle (67), welche so ausgelegt ist, dass in die Bahn des scannenden Ionen-Strahls ein Halbleiter-Substrat mit einer ausgewählten Oberfläche positioniert wird, damit diese den scannenden Ionen-Strahl empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Vakuum-Gehäuse, welches sich von der Ionen-Quelle, über das magnetische System, bis zur Zielstelle erstreckt, wobei der Strahl den Polen ausgesetzt wird, während er die Strecke zwischen der Ionen-Quelle und der Zielstelle unter Vakuum zurücklegt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, ferner umfassend einen in der Bahn des Ionen-Strahls liegenden Geschwindigkeits-Separator, um einfach geladene Ionen aus dem Ionen-Strahl zu entfernen, bevor der Ionen-Strahl auf eine Oberfläche einstrahlt, so dass höhere Ionen-Endenergien durch die im Strahl verbleibenden mehrfach geladenen Ionen erreicht werden können.
Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 3 bis 7, ferner umfassend eine Decklage (131) zum Schutz der laminierten Pole vor einem Ionenstrahl.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pole aus Ferrit-Material gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, ferner umfassend eine Decklage (131) zum Schutz des Ferrit-Materials vor einem Ionenstrahl.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 19, wobei die Decklage aus Silizium besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Ionenstrahl entlang eines ersten Strahlwegs in den Zwischenraum eintritt, wobei das System ferner einen Gleichstrom-Abschnittsmagneten (80, 14) umfasst, der so angeordnet ist, dass er den Ionenstrahl aufnimmt, nachdem dieser den Zwischenraum durchlaufen hat, und aufgrund des Einflusses des Scan-Magnetfeldes zu einer Seite des ersten Strahlweges abgelenkt wurde.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Gleichstrom-Spule (28, 29) jeweils die Kerne (14, 15) der magnetischen Anordnung umschließt, um die statische Magnetfeld-Komponente im Zwischenraum zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der zwei magnetischen Pole, zwischen welchen der Zwischenraum liegt, verschiedene Gruppen von Schichten (35, 36) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität umfasst, welche voneinander durch elektrisch isolierende Lagen getrennt sind, wobei die Gruppen quer zueinander angeordnet sind, so dass der durch eine beliebige Schicht einer Gruppe strömende Magnetfluss auf eine Vielzahl von Schichten einer anderen Gruppe verteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 23, ferner umfassend ein elektrisches Leiterpaar (216, 218), wobei die Leiter jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums angeordnet sind, und die Leiter so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, ferner umfassend ein zweites elektrisches Leiterpaar, wobei jeder Leiter des zweiten Leiterpaars jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums platziert ist, und die Leiter des zweiten Paars so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein zweites Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen, wobei das erste Gradienten-Magnetfeld und das zweite Gradienten-Magnetfeld sich überschneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Leiter des ersten Leiterpaars sich in eine erste Richtung erstrecken, die in einer Ebene parallel zu den Polflächen liegt, und sich die Leiter des zweiten Leiterpaars in einer Ebene parallel zu dem ersten Leiterpaar und in einer Richtung orthogonal zu der ersten Richtung erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die zwei magnetischen Pole mit einem zwischen diesen liegenden Zwischenraum aus einem Ferrit-Material mit hoher magnetischer Permeabilität gebildet sind; die Vorrichtung umfassend: ein elektrisches Leiterpaar (216, 218), wobei die Leiter jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums angeordnet sind, und die Leiter so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, ferner umfassend ein zweites elektrisches Leiterpaar (216, 218), wobei jeder Leiter des zweiten Leiterpaars jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenraums platziert ist, und die Leiter des zweiten Paars so konstruiert und angeordnet sind, dass sie ein zweites Gradienten-Magnetfeld in einem wesentlichen Teil des Zwischenraumbereiches erzeugen, wobei sich das erste Gradienten-Magnetfeld und das zweite Gradienten-Magnetfeld schneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Leiter des ersten Leiterpaars sich in eine erste Richtung erstrecken, die in einer Ebene parallel zu den Polflächen liegt, und die Leiter des zweiten Leiterpaars sich in einer Ebene parallel zu dem ersten Leiterpaar und in einer Richtung orthogonal zu der ersten Richtung erstrecken.
Verfahren zum Scannen eines Ionen-Strahls über eine ausgewählte Oberfläche mit der Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 23, folgende Schritte umfassend: Bereitstellen der Vorrichtung in der Form eines Scan-Magneten, in welchem die beiden magnetischen Pole ein zwischen diesen liegenden Scan-Zwischenraum (11) haben; Einleiten eines Ionen-Strahls in den Zwischenraum entlang eines ersten Strahlwegs; und Generieren von Erreger-Wellenformen in Wechselstrom- und Gleichstrom-Spulen, um in dem Zwischenraum ein im Wesentlichen unipolares Scan-Magnetfeld zu erzeugen, dessen Größe sich als Funktion der Zeit ändert, um das Scannen des Ionen-Strahls über die ausgewählte Oberfläche zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend den Schritt des Weiter-Ablenkens des Ionen-Strahls weg von dem ersten Strahlweg, nachdem der Strahl den Zwischenraum durchlaufen hat und zu einer Seite des ersten Strahlwegs hin abgelenkt wurde, so dass der Strahl in einem wesentlichen Winkel relativ zu der Richtung des ersten Strahlwegs läuft, um einen wesentlichen Anteil von neutralen Teilchen, die im Strahl vorhanden sein könnten, aus dem Strahl zu entfernen, bevor der Strahl die ausgewählte Oberfläche bestrahlt.