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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ionenimplantationsvorrichtung mit:
einer Ionenquelle zur Erzeugung eines Strahls von Ionen zur Implantation
in ein Substrat, einer Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung
des von der Ionenquelle ausgehenden Ionenstrahls, ionenoptischen
Elementen, die in Strahlrichtung hinter der Beschleunigungselektrode angeordnet
sind, um die Richtung des Ionenstrahls zu beeinflussen, und einer
Abbremsvorrichtung, die in Strahlrichtung hinter den genannten ionenoptischen
Elementen angeordnet ist, um den Ionenstrahl abzubremsen.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Implantation von
Ionen in ein Substrat.
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Eine
Vorrichtung wie in der dargelegten Art ist aus der englischen Zusammenfassung
der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-47123, eingereicht am 13.3.1999
und veröffentlicht
unter der Veröffentlichungsnummer
4-284343 am 8.10.1992, bekannt.
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Ionenimplantation
wird normalerweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen
benutzt, um spezifizierte Dotierungsprofile zu erzeugen, zum Beispiel
eine spezifizierte Konzentration dotierter Ionen als Funktion der
Tiefe im Substrat. Der für diesen
Zweck benötigte
Ionenstrahl wird in bekannter Weise von einer Ionenquelle erzeugt,
hinter welcher der Strahl durch eine (elektrostatische) Beschleunigungselektrode,
die direkt auf die Quelle folgt, auf eine gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt
wird. Für
die weitere Beeinflussung des Ionenstrahls kann eine solche Vorrichtung
mit ionenoptischen Elementen, wie einer Ablenkvorrichtung, um den
Strahl über das
zu dotierende Substrat zu rastern, und aufgeladenen Teilchenlinsen
zur Fokussierung oder andernfalls zum Konvergieren oder Divergieren
des Ionenstrahls versehen sein.
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Nachfolgend
auf die Beschleunigungselektrode ist die genannte bekannte Vorrichtung
mit einem ionenoptischen Element in Form einer Massenseparator-Einheit
ausgestattet, um Ionen mit einer ungewünschten Masse vom Ionenstrahl
zu separieren, sodass der so erzeugte Ionenstrahl nur aus einer Sorte
Ionen besteht. Von der teilchenoptischen Technik ist es allgemein
bekannt, dass es zum Erreichen einer geeigneten und gesteuerten
Beeinflussung des Ionenstrahls durch die ionenoptischen Elemente
erforderlich ist, dass der Ionenstrahl eine ausreichend hohe Geschwindigkeit
hat, zum Beispiel eine Geschwindigkeit, die einer kinetischen Energie
in der Größenordnung
von mehreren zehn bis Hunderten von keV entspricht. Ein typischer
Wert in dieser Hinsicht ist 30 keV, was einer Spannung von 30 keV
an der Beschleunigungselektrode (der Beschleunigungsspannung) entspricht.
Das ist so, weil bei einer zu niedrigen Energie des Strahls ( zum
Beispiel 1 keV) der Strahl höchst
empfindlich für
störende
Einflüsse
von innerhalb und außerhalb
des Gerätes
und für
unerwünschte
Aufweitung des Strahls durch Raumaufladung im Strahl wird.
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Die
genannten spezifizierten Dotierungsprofile erfordern oft, dass die
Ionen nur in eine Zone bis zu einer spezifizierten Tiefe in dem
zu dotierenden Substrat implantiert werden. Zu diesem Zweck dürfen die
Ionen nur mit einer vorgegebenen, spezifzierten Geschwindigkeit,
d. h. Energie auf das Substrat auftreffen. Diese spezifizierte Energie
kann typischerweise in der Größenordnung
von 1 keV liegen. Um den Ionenstrahl mit einer ausreichend hohen
Energie durch die ionenoptischen Elemente zu leiten und trotzdem
den Strahl mit der spezifizierten Energie auf dem Substrat landen
zu lassen, ist in Strahlrichtung hinter den genannten ionenoptischen
Elementen in bekannter Weise eine Abbremsvorrichtung angeordnet,
um die Ionen auf die geforderte Energie abzubremsen.
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Die
beschriebenen Prozesse finden in einem evakuiertem Raum statt. Das
Vakuum dieses Raumes ist oft von schlechter Qualität, weil
Gase während
der Bestrahlung des Substrats durch Ionen (hauptsächlich von
dem Restmaterial auf dem Substrat), die durch den Vakuumraum gestreut
werden, freigesetzt werden. Auf dem Weg des Pfades von der Ionenquelle
zur Abbremsvorrichtung neutralisiert Wechselwirkung zwischen den
freigesetzten Gasen und den immer in dem Gerät vorhandenen Restgasen einen
Teil der Ionen im Strahl. Diese neutralisierten Ionen (d. h. Atome)
sind nicht länger
für Beeinflussung
durch die ionenoptischen Elemente und die Abbremsvorrichtung empfindlich,
sodass diese Atome das Substrat mit der vollen Energie, zum Beispiel 30
keV treffen, und also in dieses bis zu einer Tiefe, die viel größer ist
als die Tiefe, die dem spezifizierten Dotierungsprofil entspricht,
eindringen. Außerdem sind
solche Atome unempfindlich für
Felder, die angelegt werden, um den Strahl über das zu behandelnde Substrat
zu rastern, sodass diese Atome einen stationären Punkt-„Flecken" im Zentrum des zu dotierenden Substratgebiets
bilden, und so lokal eine unerlaubt hohe Konzentration des entsprechenden Elements
im Substrat verursachen. Um dem Problem hinsichtlich der neutralen
Ionen entgegenzuwirken, ist die Vorrichtung zum Abbremsen des Ionenstrahls in
der bekannten Ionenimplantationsvorrichtung auch zum Ablenken des
Ionenstrahls angeordnet. Die neutralisierten Ionen (d. h. die Atome),
die unempfindlich gegenüber
elektromagnetischer Ablenkung sind, setzen dann ihre Bewegung in
der ursprünglichen
Richtung fort und können
so von den abgelenkten Ionen separiert werden.
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Bei
diesen bekannten Vorrichtungen begegnet man einem Problem in der
Form, dass die Abbremsvorrichtung aus einer Anordnung von drei Elektroden
besteht, die zusammen eine elektrostatische Linse bilden. Die erste
Elektrode dieser Linse liegt auf einem Potenzial, das einem Bruchteil
der Beschleunigungsspannung gleichkommt (somit wird diese erste
Elektrode eigentlich durch die Grenzschicht des Driftraums, der
auf dem genannten Potenzial liegt, gebildet); die dritte Elektrode
dieser Linse liegt auf Massepotenzial (die dritte Elektrode wird eigentlich
durch den Eingang des Behandlungsraums des Substrats, der auf Massepotenzial
liegt, gebildet), während
die zentrale Elektrode auf einem Potenzial liegt, das zwischen den
beiden genannten zwei Potenzialen liegt. In der Teilchenoptik ist
allgemein bekannt, dass elektrostatische Abbremsung unvermeidbar
mit einem durch das Abbremsfeld ausgeübten Linseneffekt verbunden
ist. Auf Grund dieses Linseneffekts ist der Ionenstrahl einer divergierenden oder
konvergierenden Wirkung ausgesetzt. Für die genannte Größenordnung
der Beschleunigungsspannung und die letztendliche Landungsgeschwindigkeit
des Ionenstrahls erhalten die Ionen im Strahl wegen der genannten
divergierenden oder konvergierenden Wirkung eine unzulässig hohe
Geschwindigkeitskomponente quer zur Strahlachse. Folglich würde ein
signifikanter Teil der Ionen das Substrat nicht erreichen, weil
sie durch Strahlbegrenzer zwischen den Abbremselektroden und dem
Substrat abgefangen würden.
Außerdem
könnte
eine große
Winkelstreuung der Ionen im Strahl einen Schattierungseffekt auf
dem zu dotierenden Substrat hervorrufen. Das heißt, dass der Ionenstrahl, der
scheinbar von einem Punkt ausgeht, sich auf konische Weise auffächert, sodass
Gebiete auf dem Substrat, die direkt an den Rand eines Gebiets mit
einer gegebenen Höhendifferenz
in Bezug auf den Rest des Substrat angrenzen, im Schatten des genannten
Randes liegen und deshalb weniger Ionen erhalten als Gebiete, die
nicht in dem Schatten liegen. Aus diesen zwei Gründen muss die Streuung des
Einfallswinkels des Ionenstrahls auf das Substrat klein sein.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenimplantationsvorrichtung
in der dargelegten Art zu verschaffen, in der neutralisierte Ionen
vom Ionenstrahl separiert werden können, und in welcher der Ionenstrahl
abgebremst wird, ohne eine unzulässig große Winkelstreuung
des Ionenstrahls zu erzeugen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die Abbremsvorrichtung mindestens zwei
aufeinander folgende Abbremsstufen enthält, wobei die erste der beiden
Abbremsstufen, in Strahlrichtung gesehen, zum Abbremsen des Ionenstrahls,
zum Ablenken des Ionenstrahls und zur Bildung eines Zwischenkreuzungspunktes
angeordnet ist und die genannte zweite Abbremsstufe zum weiteren
Abbremsen des Ionenstrahls angeordnet ist sowie, um diesen Strahl
einer konvergierenden Wirkung auszusetzen (Ansprüche 1 und 6).
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Die
erste Abbremsstufe ist so aufgebaut, dass der Strahl darin einer
Abbremsung ausgesetzt wird. Diese Stufe kann so proportioniert werden,
dass ein Zwischenkreuzungspunkt des Ionenstrahls durch den mit dieser
Abbremsung in Verbindung stehenden Linseneffekt gebildet wird, d.
h. ein Kreuzungspunkt, der in dem Bereich zwischen der ersten Abbremsstufe
und dem Eingang der zweiten Abbremsstufe angeordnet ist; das heißt in einer
solchen Position, dass der Linseneffekt des Abbremsfeldes der zweiten
Stufe den Strahl in einer solchen Weise konvergiert, dass der Strahl
die geforderte geringe Winkelstreuung gegenüber dem Substrat aufweist.
Die neutralisierten Ionen werden durch den Ablenkungseffekt der
ersten Stufe vom Ionenstrahl separiert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist zwischen der ersten und der zweiten Abbremsstufe ein Selektionsspalt
vorgesehen, wobei die Richtung des genannten Spaltes quer zu der
Ebene, in welcher der Strahl von der ersten Abbremsstufe abgelenkt
wird, verläuft.
Die neutralen Ionen können
so leicht von dem Ionenstrahl separiert werden, und gleichzeitig
kann durch eine passende Wahl der Spaltbreite eine Energieselektion
im Ionenstrahl durchgeführt
werden. Der Selektionsspalt wird vorteilhaft in der letzten Elektrode der
ersten Abbremsstufe bereitgestellt, sodass es in diesem Fall nicht
notwendig ist, separate Elemente in der Vakuumkammer des Gerätes zu montieren.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
folgt auf die zweite Abbremsstufe ein weiterer Selektionsspalt,
dessen Richtung quer zu der Ebene, in welcher der Strahl von der
ersten Abbremsstufe abgelenkt wird, verläuft. Es kann nämlich passieren,
dass eine Neutralisation von Ionen auch in dem Bereich der ersten
Abbremsstufe auftritt, in der eine vollständige oder teilweise Ablenkung
des Strahls schon stattgefunden hat. Die Ionen, die in diesem Bereich
erzeugt wurden, befinden sich in direkter Nähe des Zwischenkreuzungspunktes,
sodass einer großer
Teil davon eine signifikante transversale Geschwindigkeitskomponente
hat, weil der Strahl in der Nähe
des Zwischen kreuzungspunktes stark divergiert. Diese neutralen Teilchen
können
dann den Selektionsspalt passieren, sind aber nicht der konvergierendem
Wirkung der zweiten Beschleunigungsstufe ausgesetzt. So werden hinter
dieser zweiten Stufe solche unerwünschten neutralen Teilchen
durch einen weiteren Selektionsspalt von dem Ionenstrahl separiert.
Wie in der ersten Abbremsstufe wird der weitere Selektionsspalt vorteilhaft
in der letzten Elektrode der assoziierten Abbremsstufe bereitgestellt,
sodass es wieder nicht notwendig wird, separate Elemente in der
Vakuumkammer des Gerätes
zu montieren.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 schematisch einen für die Erfindung relevanten
Teil einer Ionenimplantationsvorrichtung,
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2 schematisch den Ionenpfad
in dem Teil der Erfindung, der in 1 gezeigt
ist.
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1 zeigt schematisch einen
für die
Erfindung relevanten Teil einer Ionenimplantationsvorrichtung. Eine
Ionenquelle in der Vorrichtung erzeugt in nicht gezeigter Weise
einen Ionenstrahl, wobei der genannte Strahl direkt hinter der Ionenquelle
auf eine Energie von 30 keV beschleunigt wird. Die Erzeugung und
Beschleunigung eines solchen Ionenstrahls sind im allgemeinen an
sich bekannt und müssen
in dem Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht erklärt werden.
Zur weiteren Beeinflussung des Ionenstrahls ist die Vorrichtung
auch mit ionenoptischen Elementen (nicht in der Zeichnung gezeigt)
wie Teilchenlinsen zum Fokussieren oder andernfalls Divergieren
oder Konvergieren des Ionenstrahls versehen. Die Erzeugung und Beschleunigung
eines solchen Ionenstrahls und dessen Fokussierung sind im allgemeinen
an sich bekannt und müssen
in dem Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht erklärt werden.
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Nachdem
der Ionenstrahl 2 die oben erwähnten Elemente durchquert hat,
erreicht er den in 1 gezeigten
Teil der Vorrichtung. Dieser Teil besteht aus einer ersten Abbremsstufe 4,
die von einer zweiten Abbremsstufe 6 gefolgt wird.
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Die
erste Abbremsstufe 4 besteht aus einer ersten Elektrode 8,
einer zweiten Elektrode 10, einem Ablenksystem 12,
das aus zwei Ablenkplatten 12-1 und 12-2 besteht,
und einer dritten Elektrode 14, die auch die letzte Elektrode
der ersten Abbremsstufe bildet. Die zweite Elektrode 10 hat
eine Röhrenform mit
einem rechteckigen Querschnitt. Die Beschleunigung der (positiv
geladenen) Ionen direkt hinter der Ionenquelle wird dadurch realisiert,
dass die Ionenquelle auf einem Potenzial von +30 kV relativ zur
Umgebung liegt.
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Die
Beschleunigungselektrode, die zur Beschleunigung der Ionen benutzt
wird, und die nachfolgenden teilchenoptischen Elemente liegen dann
relativ zur Umgebung auf Massepotenzial. Folglich haben die Ionen
eine kinetische Energie von 30 keV, wenn sie die Elektrode 8 erreichen.
Die zweite Elektrode liegt auf einem Potenzial von +22 kV, sodass die
Ionen auf eine Energie von 8 keV abgebremst werden. Das Ablenksystem 12 liegt
auf einem Durchschnittspotenzial von +22 kV, die Ablenkplatte 12-1 liegt
auf einem Potenzial, das 800 V höher
als der genannte Durchschnittswert ist, während die Ablenkplatte 12-2 auf
einem Potenzial liegt, das 800 V niedriger als der genannte Durchschnittswert
ist. So existiert zwischen diesen beiden Platten eine Spannungsdifferenz
von 1,6 kV. Schließlich
liegt die dritte Elektrode wieder auf einem Potenzial von 22 kV,
sodass die Ionen die erste Abbremsstufe mit einer kinetischen Energie
von 8 keV verlassen. Die dritte Elektrode 14 ist mit einem
Selektionsspalt 16 versehen, dessen Längsrichtung sich senkrecht
zur Zeichenebene ausdehnt. Das abbremsende elektrostatische Feld
zwischen der ersten Elektrode 8 auf der einen Seite und
den Elektroden 10, 12 und 14 auf der
anderen Seite fokussiert den Ionenstrahl in die Ebene des Selektionsspaltes 16,
und das Ablenkfeld zwischen den Ablenkplatten 12-1 und 12-2 lenkt
den Strahl außerdem
auf den Selektionsspalt 16 ab. Der Selektionsspalt 16 dehnt
sich auf diese Weise senkrecht zu der Ebene aus, in welcher der
Ionenstrahl 2 durch die erste Abbremsstufe abgelenkt wird.
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Wenn
der Abstand zwischen den Elektroden 8 und 14 87
mm beträgt,
beträgt
die Länge
der Elektrode 10 30 mm, und die Länge und der Plattenabstand
des Ablenksystems 12 betragen 45 mm und 30 mm, und bei
Benutzung der genannten Spannungen wird der einfallende Ionenstrahl 2 auf
einen Winkel von 7° (0,122
rad) abgelenkt. Es wird offensichtlich sein, dass im Falle einer
Spaltbreite von 4 mm für
den Selektionsspalt 16 praktisch alle neutralisierten Ionen durch
die Elektrode 14 abgefangen werden.
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Nach
dem Durchqueren zur ersten Abbremsstufe 4 erreicht der
inzwischen fokussierte und abgelenkte Ionenstrahl 2 die
zweite Abbremsstufe 6. Die zweite Abbremsstufe 6 besteht
aus einer röhrenförmigen vierten
Elektrode 18, die einen rechteckigen Querschnitt hat, und
einer fünften
Elektrode 20, welche eine letzte Elektrode der zweiten
Abbremsstufe bildet. Die fünfte
Elektrode 20 ist mit einem weiteren Selektionsspalt 22 versehen.
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Die
vierte Elektrode liegt auf einem Potenzial von 29 kV, sodass der
Ionenstrahl zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 18 weiter
von einer kinetischen Energie von 8 keV auf 1 keV abgebremst wird.
Die fünfte
Elektrode 20 liegt auf einem Potenzial von 28 kV, sodass
die Ionen lokal zwischen der Elektrode 18 und der Elektrode 20 beschleunigt
werden, aber dennoch im Ganzen einer Abbremsung von 8 keV auf 2
keV ausgesetzt werden. Wegen des abbremsenden elektrostatischen
Feldes in der zweiten Abbremsstufe 6 wird der Ionenstrahl
in diesem Falle einer konvergierendem Wirkung ausgesetzt. Da der erste
Kreuzungspunkt des Ionenstrahls vor der zweiten Abbremsstufe liegt,
tritt der Ionenstrahl in die Abbremsstufe 6 in einer divergierenden
Art ein. Die fokussierende Wirkung der Abbremsstufe 6 sichert, dass
dem Ionenstrahl die geforderte schmale Winkelstreuung in dem Bereich
des Substrats 24 gegeben wird.
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Wegen
der Anwesenheit des weiteren Selektionsspaltes 22 werden
neutralisierte Ionen im wesentlichen in dem Zwischenraum zwischen
der zweiten Elektrode 10 und der vierten Elektrode 20 abgefangen.
Es kann nämlich
passieren, dass eine Neutralisation von Ionen im Ionenstrahl noch
in dem Bereich der ersten Abbremsstufe stattfinden kann, wo eine
totale oder teilweise Ablenkung des Strahls schon stattgefunden
hat. Die neutralisierten Ionen, die in diesem Bereich ankommen,
befinden sich in direkter Nähe
des Zwischenkreuzungspunktes, sodass einer großer Teil davon eine große transversale
Geschwindigkeitskomponente hat, da der Strahl in der Nähe des Zwischenkreuzungspunktes
stark divergiert. Solche neutralen Teilchen können nun den ersten Selektionsspalt
haben, sind aber nicht der konvergierenden Wirkung zweiten Abbremsstufe 6 ausgesetzt.
Nachfolgend zu der zweiten Stufe 6 können die unerwünschten
neutralen Teilchen so durch den weiteren Selektionsspalt 22 von
dem Ionenstrahl separiert werden. Wie die Elektrode 10 liegt
das Substrat 24 auf einem Potenzial von 28 kV, sodass kein elektrisches
Feld in dem Gebiet zwischen der letzten Elektrode 20 und
dem Substrat 24 vorhanden ist; folglich landen die Ionen
des Ionenstrahls 2 auf dem zu dotierenden Substrat mit
einer Energie von 2 keV.
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Um
eine Implantation von Ionen in das Substrat 24 zu realisieren,
ist es notwendig, den Ionenstrahl relativ zum Substrat zu verschieben.
Diese Verschiebung wird durch den Strahl in einer ersten Richtung
senkrecht zur Zeichenebene ausgeführt, wobei eine elektrostatische
oder magnetische Vorrichtung benutzt wird, die nicht in der Zeichnung
gezeigt ist. Diese Vorrichtung ist vorzugsweise in Strahlrichtung
oberhalb der Elektrode 8 angeordnet. Die geforderte Verschiebung
des Strahls relativ zum Substrat in einer zweiten Richtung, senkrecht
zur ersten Richtung, wird durch Verschiebung des Substrats in der
vertikalen Richtung von 1 ausgeführt, zum Beispiel
vom unteren Ende in der Zeichenebene aufwärts.
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2 zeigt die Ionen-Flugbahn
im Ionenstrahl in dem in 1 gezeigten
Teil der Ionenimplantationsvorrichtung. Die in dieser Figur gezeigte
Ionen-Flugbahn wurde mit Hilfe eines Computerprogramms erhalten.
Zu diesem Zweck wurden Werte angenommen, die alle gleich sind wie
die in der Beschreibung von 1 genannten.
Die verschiedenen relevanten Dimensionen sind in 2 angegeben.
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2 zeigt deutlich, dass in
dem Gebiet zwischen den Elektroden 8 und 14 der
parallel einfallende Strahl fokussiert wie auch abgelenkt wird.
Wenn erwünscht,
kann die Spaltbreite 16 wesentlich schmaler gewählt werden,
ohne den fokussierten Strahl zu behindern. Außerdem zeigt diese Figur deutlich,
dass die Winkelstreuung des Strahls, der im Bereich des Selektionsspaltes 16 stark
divergiert, signifikant durch die konvergierende Wirkung an der zweiten
Abbremsstufe 6 reduziert wird, sodass der Strahl in nahezu
paralleler Weise auf das Substrat 24 einfällt.
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Text in der Zeichnung
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1: 1st stage
= 1. Stufe 2nd stage = 2. Stufe