JP2003527614A - クラスターサイズ測定器具およびクラスターイオンビーム診断方法 - Google Patents

クラスターサイズ測定器具およびクラスターイオンビーム診断方法

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JP2003527614A
JP2003527614A JP2001568563A JP2001568563A JP2003527614A JP 2003527614 A JP2003527614 A JP 2003527614A JP 2001568563 A JP2001568563 A JP 2001568563A JP 2001568563 A JP2001568563 A JP 2001568563A JP 2003527614 A JP2003527614 A JP 2003527614A
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gas
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グウィン，マシュー，シー．
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エピオン コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 ディテクター装置およびクラスターイオンビーム診断でのその使用が記載される。該ディテクターはガス圧力ディテクター（２２４）へのコンダクタンス経路およびディテクター出口（２４８）へのコンダクタンスを持つファラデーカップ（２１０）を有する。該ディテクターはイオンビームフラックスの尺度であるイオン電流を獲得し、圧力測定を通じて、質量フラックスも獲得する。圧力測定は解離されたガスクラスターの出力に応答し、瞬時のイオン電流についての情報と組み合わされて、平均ガスクラスターイオンサイズＮを見積もる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、ガスクラスターサイズの測定、さらに詳しくは、平均ガス
クラスターイオンサイズの測定に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
種々の材料の表面のエッチング、洗浄および平滑化のためのガスクラスターイ
オンビーム（ＧＣＩＢ）の使用は当該分野で公知である（例えば、米国特許第５
，８１４，１９４号、Ｄｅｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ 「Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓ
ｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ」（１９９８）参照）。この
議論の目的では、ガスクラスターは、標準温度および圧力の条件下では気体状で
ある材料のナノ−サイズの凝集体である。そのようなクラスターは、典型的には
、クラスターを形成するように緩く結合した数個ないし数千個の原子または分子
の凝集体よりなる。これらのクラスターは電子衝撃または他の手段によってイオ
ン化することができ、それらを公知の制御可能なエネルギーの指向性ビームに形
成させる。より大きなサイズのクラスターは、原子または分子当たり中程度のエ
ネルギーを有するに過ぎないが、クラスターイオン当たり実質的エネルギーを運
ぶそれらの能力のため最も有用である。クラスターは衝撃に際して崩壊し、各個
々の原子または分子は合計クラスターエネルギーの小さな分率を運ぶに過ぎない
。その結果、大きなクラスターの衝撃効果は実質的であるが、非常に狭い表面領
域に制限される。これによりイオン化されたクラスターは、モノマーイオンビー
ム処理に特徴的なより深い表面ダメージを生じさせる傾向なく、種々の表面修飾
プロセスで効果的となる。
【０００３】 そのようなＧＣＩＢの創製および加速のための手段は、先に引用したＤｅｇｕ
ｃｈｉの文献に記載されている。現在利用可能なイオン化されたクラスター源は
、広い分布のサイズＮを有するクラスターイオンを生じさせる（ここに、Ｎ＝各
クラスターにおける分子の数−単原子ガスの場合の分子の数であり、以下の議論
を通じて、単原子ガスの原子を分子またはサイズＮ＝１のクラスターといい、お
よびそのような単原子ガスのイオンを分子イオン、またはサイズＮ＝１のイオン
化されたクラスター、またはサイズＮ＝１のクラスターイオンという）。クラス
ター形成プロセスは、小さなサイズのクラスター（２ないし約１０のＮの値）を
ほとんど生じないことがＮ．Ｋｏｆｕｊｉら、（「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏ
ｆ ｇａｓ ｃｌｕｓｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔ
ｅｒｉｓｔｉｃｓ」、Ｐｒｏｃ．１４ｔｈ Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒ
ｃｅｓ ａｎｄ Ｉｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｏｋｙ
ｏ（１９９１）１５頁）によって示されているが、分子イオン（Ｎ＝１）はより
大きなクラスター（数１０を超え、数１０００までのＮ）がそうであるように豊
富に生じる。クラスター中の原子は、表面にかなり進入して、個々のモノマー原
子が数１０００エレクトロンボルトのオーダーのエネルギーを有することができ
る他のタイプのイオンビーム処理に典型的には関連する残存表面下ダメージを引
き起こすのに個々には十分なエネルギーではない（数エレクトロンボルトのオー
ダー）ことが知られている（米国特許第５，４５９，３２６号、Ｙａｍａｄａ「
Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｅｘ
ｔｒａ−Ｌｏｗ−Ｓｐｅｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ」（１９９５））。それにも拘
らず、クラスターそれ自体は、Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｍａｔｓｕｏ（「Ｃｌｕ
ｓｔｅｒ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｍａｔｌ．Ｓｃｉｅｎ
ｃｅ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｉ，（１９
９８） ２７−４１頁）によって示されるごとく、表面を効果的にエッチングし
、平滑化し、または洗浄するのに十分なエネルギーとすることができる（数１０
００エレクトロンボルト）。
【０００４】 一次近似では、エネルギークラスターの表面修飾効果はクラスターのエネルギ
ーに依存する。しかしながら、二次効果はクラスターの速度に依存し、該速度は
クラスターのエネルギーおよびその質量双方（よって、クラスターサイズＮ）に
依存する。表面処理のためにＧＣＩＢの利用性を最大化するためには、クラスタ
ーのエネルギーおよび平均クラスターサイズまたはクラスターサイズ分布の双方
を知り、それを制御するのが有用である。ある適用においては、ガスクラスター
イオンビームは表面フイルムの沈積または成長で用いられる。そのように用いる
場合、ワークピースへのマスフローを知るのは重要である。イオンの量は、ワー
クピースに到達するイオン電流を測定することによって容易に決定することがで
きる。イオン化されたクラスターが支配的に単一電荷を運ぶように配置すること
ができるので、各電荷は単一のイオン化されたクラスターまたは分子イオンに対
応すると正確に仮定することができるが、平均クラスターサイズまたはクラスタ
ーサイズ分布が知られていなければ、標的への合計マスフローはわからない。分
子イオンに対するクラスターイオンの比率およびクラスターサイズの分布の双方
（かくして、平均クラスターサイズ）に影響を与えることが源条件を制御するこ
とによって可能である。しかしながら、平均クラスターサイズまたはクラスター
サイズ分布を測定し、モニターする手段が入手できなければ、所望のクラスター
サイズを生じさせるための源の調整および制御は困難である。これらおよび他の
理由で、ガスクラスターイオンビームにおけるクラスターサイズについての情報
を提供できる測定手段を有するのは有用である。ビームにおける平均クラスター
質量を測定する簡便で、コンパクトかつ安価な手段は、クラスター源およびイオ
ナイザーの操作を診断するのに望ましい。
【０００５】 クラスターイオンに加え、ＧＣＩＢは、イオン化されたビームと共に移動する
かなり多数のイオン化されていないクラスターおよび分子を有するようである。
そのようなイオン化されていない粒子のわずかな分率は、衝突を通じて中和され
たイオンを含み得るが、大部分は、イオナイザーを通過しつつイオン化しないク
ラスターおよび分子よりなる。イオン化されていないクラスターおよび分子はイ
オンのように加速できず、その結果、熱エネルギーを有するに過ぎない。これら
の低いエネルギーのイオン化されていないクラスターおよび分子は、ワークピー
スを処理するにおいて実質的に関与しないが、イオナイザーの効率の指標となる
。この理由で、それらの大きさの尺度を有するのは有用である。
【０００６】 分子イオンならびにクラスターイオンは現在利用できるクラスターイオンビー
ム源によって生じるので、分子イオン（Ｎ＝１を有するクラスターイオン）は加
速され、クラスターイオンと共に処理中のワークピースに輸送される。低い質量
と高いエネルギーを有する分子イオンは高速を有し、これにより、それらが表面
に侵入することが可能となり、プロセスに有害であるような深いダメージを生じ
させる。そのような表面下イオンダメージは、より伝統的なモノマーイオンビー
ム処理技術からよく確認されよく知られており、種々のダメージを表面直下への
インプランテーションで生じさせかねない。
【０００７】 多くのＧＣＩＢが、イオン化されたクラスタービームから分子イオンを排除す
るためのＧＣＩＢ処理器具内に手段を取り込むことからの利益を保有するのは、
イオン化されたクラスタービーム技術分野において知られるようになった。静電
（例えば、米国特許第４，７３７，６３７号、Ｋｎａｕｅｒ，「Ｍａｓｓ Ｓｅ
ｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｂｅａｍ」、１９
８８参照）および電磁気（例えば、米国特許第５，１８５，２８７号に先行技術
として引用された特開平０３−２４５５２３号、Ａｏｙａｎａｇｉら、「Ｍａｎ
ｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、
１９９１）質量アナライザーが、より重いクラスターのビームから軽いイオンを
取り除くのに使用されてきた。静電および電磁気質量アナライザーは、広い分布
の質量を含むビームから狭い範囲のイオン質量を有するイオン化されたクラスタ
ーを選択するのにも使用されてきた（先に引用された米国特許第４，７３７，６
３７号および特開昭６２−１１２７７７号、Ａｏｋｉ、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ
ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ」１９８７参照）。
【０００８】 現在実用的なＧＣＩＢ源は、広い分布のイオン化されたクラスターのサイズを
生じるが、利用できるクラスターイオン電流は制限されている。従って、単一の
クラスターイオン（あるいは、狭い範囲のクラスター）を選択することによって
ＧＣＩＢ処理を行うのは現実的ではない。つまり、そのようなビームの利用可能
な影響は生産的処理のためには余りにも低い。ビームから分子イオンを減らすか
またはそれを排除し、残りの重いイオンを処理のために用いるのが好ましい。
【０００９】 従って、本発明の目的は、ＧＣＩＢにおいて平均クラスターイオンサイズを測
定する方法を提供することにある。
【００１０】 また、本発明の目的は、部分的にイオン化されていないＧＣＩＢに存在する平
均クラスターサイズを測定する方法を提供することにある。
【００１１】 本発明のもう１つの目的は、ＧＣＩＢにおけるイオン化されたおよびイオン化
されていない材料の相対的な量の測定を可能とすることにある。
【００１２】 本発明のさらなる１つの目的は、イオン化されたおよびイオン化されていない
双方の、ＧＣＩＢにおける分子質量フローを測定する手段を提供することにある
。
【００１３】 本発明のなおさらなる目的は、平均クラスターサイズの測定が処理システムの
操作、調整および制御を促進するＧＣＩＢ処理システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
発明の概要 前記した目的ならびに本発明のさらなるおよび他の目的および利点は、後記す
る本発明の具体例によって達成される。
【００１５】 本発明は、ディテクターおよびビーム中のガスクラスターイオンの平均サイズ
を測定するにおけるその使用を含む。該ディテクターは、（市販のコンパクトな
イオン圧力ゲージを含むことができる）中性ガス圧ディテクターへの高いコンダ
クタンス経路およびディテクター出口への高いコンダクタンスを持つ電子抑制フ
ァラデーカップを含む。該装置は、イオンビームフラックスの尺度であるイオン
電流を獲得し、および圧力測定を介して質量フラックスを獲得するのに用いられ
る。圧力測定はリアルタイムで完全に解離されたクラスターに対応するので、瞬
時のイオン電流についての情報と組み合わせると、平均クラスターイオンサイズ
（Ｎｉ）を計算することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の他のおよびさらなる目的と共に、本発明の良好な理解のために、添付
の図面および詳細な記載を参照する。
【００１７】 好ましい具体例の詳細な記載 ガス分子のクラスターのエネルギービームの生産、増殖および利用は、現在、
合体した中性体のジェットのイオン化を含む。ノズル中での超音速膨張によって
生じたこのガス流は、クラスターサイズのスペクトルを生じる。加えて、イオン
化のプロセスはジェットクラスターサイズの分布を変化させ得る。クラスタービ
ームとの衝突によって促進されたある種の材料の表面処理は、クラスターサイズ
の分布に敏感である。加えて、クラスター形成の効率を知ることは、ノズルの開
発およびビームイオナイザーの改良、ＧＣＩＢプロセッサーのためのビーム輸送
システムおよび真空ポンピングシステムの改良に重要である。
【００１８】 図１は、ＥＰiｏｎ Ｃｏｒｐ．によって以前より製造されている、先行技術
のＧＣＩＢシステムによって生じたアルゴンクラスターについての１つの典型的
なクラスターイオンサイズ分布曲線を示す。このＧＣＩＢシステムで用いられる
ガススキマー開口、淀み圧力、イオン化パラメーターおよび他のパラメーターに
対するノズル形状および位置決定の条件の特別の組について、得られたアルゴン
クラスターのクラスターサイズ分布はＮ＝１（分子イオン、あるいはこの場合、
アルゴンは単原子ガスであるので、原子イオン）およびＮ＝１５００（クラスタ
ーイオン）近くにピークを有する。分布は、イオナイザーの操作条件およびガス
ジェットのダイナミックス双方の関数である。（Ｎ．Ｔｏｙｏｄａ，「Ｎａｎｏ
−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇａｓ ｃｌｕｓｔｅｒ ｉｏｎ ｂｅａ
ｍｓ」， ｄｏｃｔｏｒａｌ ｔｈｅｓｉｓ， Ｆｉｇ．３．１５， Ｋｙｏｔ
ｏ Ｕｎｉｖ．，Ｋｙｏｔｏ，ＪＰ，１９９９からの）図２において、クラスタ
ー質量およびクラスターサイズ分布に対するノズル淀み圧の影響の例が、アルゴ
ンガスクラスターイオンについて示されている。
【００１９】 クラスター質量またはサイズ分布の分析は、先行技術においては種々の方法で
行われている。加速に先立ち、静電遅延場の印加は、そのエネルギーに従ってイ
オンを濾過する。ジェット粒子はほぼ同一の速度を有するので、そのエネルギー
はその質量に対応する。しかしながら、この方法の使用はビームの加速および輸
送を無視しており、これはクラスター分布を歪めかねない。加えて、ビーム輸送
で望ましくない等ポテンシャル半透明スクリーンの使用を含み得るよく規定され
た場が確立されなければならない。
【００２０】 別法として、飛行時間（ＴＯＦ）方法は加速されたビームが分析されるように
する。（Ｎ．Ｔｏｙｏｄａ，「Ｎａｎｏ−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇ
ａｓ ｃｌｕｓｔｅｒ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ」， ｄｏｃｔｏｒａｌ ｔｈｅｓ
ｉｓ，Ｆｉｇ．３．２，Ｋｙｏｔｏ Ｕｎｉｖ．，Ｋｙｏｔｏ，ＪＰ，１９９９
からの）図３において、先行技術のＴＯＦシステムが示されている。ＴＯＦ方法
は、通常は、複雑かつ高価であって、ハードウェアのためにスペースのかなりの
割り当てを要する。
【００２１】 図４は、先行技術で知られている形態のＧＣＩＢプロセッサー１００について
の典型的な構成を示し、これは以下のごとく記載することができる：真空容器１
０２は３つの連絡するチャンバー、源チャンバー１０４、イオン化／加速チャン
バー１０６、および処理チャンバー１０８に分けられる。３つのチャンバーは、
各々、真空ポンピングシステム１４６ａ、１４６ｂ、および１４６ｃによって適
当な操作圧まで排気される。シリンダー１１１に貯蔵された凝縮可能な源ガス１
１２（例えば、アルゴンまたはＮ2）を、ガス計量バルブ１１３およびガス供給
チューブ１１４を通って淀みチャンバー１１６へと加圧され、適切な形状のノズ
ル１１０を通って実質的に低圧の真空に投入される。超音速ガスジェット１１８
が得られる。ジェットにおける膨張に由来する冷却はガスジェット１１８の一部
をクラスターに凝縮させ、クラスターの各々は数個ないし数千個の弱く結合した
原子または分子よりなる。ガススキマー開口１２０は、クラスタージェットから
、クラスタージェットに凝縮されなかったガス分子を部分的に分離して、そのよ
うな高圧が有害な下流領域（例えば、イオナイザー１２２、高電圧電極１２６、
および処理チャンバー１０８）における圧力を最小化させる。適当な凝縮可能源
ガス１１２は、必ずしも限定されるわけではないが、アルゴン、窒素、二酸化炭
素、酸素その他のガスを含む。
【００２２】 ガスクラスターを含む超音速ガスジェット１１８が形成された後、クラスター
はイオナイザー１２２中でイオン化される。イオナイザー１２２は、典型的には
、１以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を生じさせ、電子を加速し方向付
け、電子がガスジェット１１８中のガスクラスターと衝突するようにする電子衝
撃イオナイザーであり、ここに、ジェットはイオナイザー１２２を通過する。電
子衝撃はクラスターから電子を取り出し、クラスターの一部が正にイオン化され
るようにする。適当にバイアスされた高電圧電極１２６の組はイオナイザーから
クラスターイオンを抽出し、ビームを形成し、次いで、それを所望のエネルギー
（典型的には、１ｋｅＶないし数１０ｋｅＶ）まで加速し、それを集束させて、
初期軌道１５４を有するＧＣＩＢ１２８を形成させる。フィラメント電源１３６
は電圧ＶFを供して、イオナイザーフィラメント１２４を加熱する。アノード電
源１３４は電圧ＶAを供して、フィラメント１２４から放出された熱電子を加速
して、それが、クラスター含有ガスジェット１１８に衝突するようにし、イオン
を生じさせる。抽出電源１３８は電圧ＶEを供して、高電圧電極をバイアスし、
イオナイザー１２２のイオン化領域からイオンを抽出し、ＧＣＩＢ１２８を形成
する。アクセラレーター電源１４０は電圧ＶAccを供して、イオナイザー１２２
に対して高電圧電極をバイアスして、ＶAccエレクトロンボルト（ｅＶ）に等し
い合計ＧＣＩＢ加速エネルギーを得る。１以上のレンズ電源（例えば、１４２お
よび１４４で示される）を設けて、ＧＣＩＢ１２８を集束させるためのポテンシ
ャル（例えば、ＶL1およびＶL2）でもって高電圧電極をバイアスすることができ
る。
【００２３】 ＧＣＩＢ処理によって処理されるべき半導体ウエハーまたは他のワークピース
であり得るワークピース１５２は、ＧＣＩＢ１２８の経路中に配されたワークピ
ースホールダー１５０に保持される。ほとんどの適用では、空間的に均一な結果
を伴う大きなワークピースの処理が考えられるので、大きな領域を横切ってＧＣ
ＩＢ１２８を均一に走査して、空間的に均一な結果を生じさせる走査システムが
望ましい。２対の直角方向に向いた静電走査プレート１３０および１３２を利用
して、所望の処理領域を横切ってラスターまたは他の走査パターンを生じさせる
ことができる。ビーム走査が行われると、ＧＣＩＢ１２８は走査されたＧＣＩＢ
１４８に変換されて、これは、ワークピース１５２の全表面を走査する。
【００２４】 本発明のクラスタービーム電荷および質量ディテクター装置２００の具体例の
構成要素を図５に示す。ディテクター装置は、金属シールド２０２のごとき導電
性シールド内に収納され、電子サプレッサー電極２０４、コレクターファラデー
カップ２１０、圧力センサー２２４（これは、この具体例では、ミニアチュアＢ
ａｙａｒｄ−Ａｌｐｅｒｔイオンゲージである）に至るガス流のためのバイパス
ポート２１２、圧力センサーエンクロージャー２２６中の出口開口２４８、およ
び圧力センサーエンクロージャー２２６と熱的に接触した温度センサー２４６を
含むイオン電流収集手段を含む。金属シールド２０２は（典型的には接地された
）電気的バイアスを結合させるための電気コネクター２５０を有する。サプレッ
サー電極２０４は、絶縁電気フィードスルー２０８を通過して電気的バイアス（
典型的には、負のポテンシャル）に対する結合のために金属エンクロージャー２
０２の外部に至る電気コネクター２０６を有する。ファラデーカップ２１０は、
絶縁電気フィードスルー２１６を通過して、典型的には実質的に接地ポテンシャ
ルにおけるものである結合外部電流検知手段用の金属エンクロージャー２０２の
外部に至る電気コネクター２１４を有する。操作において、ディテクター装置２
００の金属シールド２０２における開口である入口開口２４４に向けられた軌道
１５４を有するＧＣＩＢ１２８は、ディテクター装置２００に進入し、ファラデ
ーカップ２１０をたたく。ＧＣＩＢ１２８はイオン化されたおよびイオン化され
ていない分子およびクラスターを共に含むことができるのは注意されるべきであ
る。ＧＣＩＢ１２８におけるイオン上の電荷はファラデーカップ２１０によって
収集され、コネクター２１４を介して外部電流検知手段に導かれる。ファラデー
カップをたたくに際して、ＧＣＩＢ１２８中のクラスター（イオン化されたもの
およびイオン化されていないもの双方）はその構成分子（これは、アルゴンのよ
うな単原子ガスの場合には原子である）に解離され、得られたガスはバイパスポ
ート２１２を通って圧力センサー２２４に流入する。サプレッサースクリーン２
１８はリード２２０によってサプレッサー電極２０４に接合される。サプレッサ
ー電極２０４およびサプレッサースクリーン２１８は、電子がファラデーカップ
２１０から逃げないことを確実とし、正確なＧＣＩＢ電流の収集を保証する。接
地された金属シールド２０２は、圧力センサー２２４の金属チューブ２２８に密
閉して電気的に結合される。圧力センサー２２４およびサプレッサースクリーン
２１８の間の接地されたグリッドスクリーン２２２は、圧力センサー２２４から
の迷電子がファラデーカップ２１０によって収集されるのを妨げる、グリッドス
クリーン２２２およびサプレッサースクリーン２１８の間に電場を確立する。グ
リッドスクリーン２２２およびサプレッサースクリーン２１８は、金属シールド
２０２によって閉じ込められた領域中のガスが自由に圧力センサー２２４に流入
するのを可能とする。圧力センサー２２４は、低圧測定の技術を実施する者に一
般に知られているように、種々の圧力センサーまたはゲージのいずれであっても
よく、但し、それは、適当な圧力感度および適当な入口および出口ポートまたは
開口を有する（あるいは有するように修飾できる）ものとし、しかし、この具体
例ではミニアチュアＢａｙａｒｄ−Ａｌｐｅｒｔイオンゲージ（例えば、Ｇｒａ
ｎｖｉｌｌｅ Ｐｈｉｌｌｉｐｓモデル３４３）である。圧力センサー２２４は
、金属チューブ２２８と共にガラスエンクロージャー２２６を有する。金属チュ
ーブ２２８中のダクトはガス入口ポートとして働き、出口開口２４８は、Ｇｒａ
ｎｖｉｌｌｅ Ｐｈｉｌｌｉｐｓモデル３４３の通常に閉じられたガラスエンク
ロージャー２２６のベースに円形の穴をドリルで開けることによって付加される
。圧力センサー２２４の内部エレメントは、コネクター２３０におよび２３４を
有するフィラメント２３０、コネクター２３８を有するラセン形アノードグリッ
ド２３６、およびコネクター２４２を有するコレクター電極２４０である。操作
において、センサーエンクロージャー２２６内の圧力に応答する圧力測定シグナ
ルを供するように、圧力センサーは適当な外部回路に結合されてセンサーを操作
する。ファラデーカップをたたくに際して、ＧＣＩＢ１２８中の（イオン化され
たおよびイオン化されていない双方の）クラスターはその構成分子に解離され、
得られたガスはバイパスポート２１２を通って圧力センサー２２４に流入し、そ
こで、解離したクラスターからの分子の量に比例した圧力シグナルが生じる。電
気結合リード２５２および２５４を有する温度センサー２４６は、その温度を測
定するために圧力センサーエンクロージャー２２６と熱的に接触する。温度セン
サー２４６は、熱電対、サーミスター、ＲＴＤ、または電子温度測定の分野で知
られたその他のものを含めた種々のタイプのセンサーのうちいずれのものであっ
てもよい。この具体例においては、２つの末端モノリシック一体化回路温度トラ
ンスデューサー（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｔｙｐｅ ＡＤ５９２）が例
えば用いられ、限定されない。操作において、温度センサー２４６は、圧力セン
サーエンクロージャー２２６の温度を測定するために適当な回路に電気的に接続
される。
【００２５】 図６Ａはイオン化されたクラスタービーム電荷および質量ディテクター装置２
００のブロックダイアグラムモデル４００であり、操作の中の装置におけるマス
フローを示す。図６Ｂはイオン化されたクラスタービーム電荷および質量ディテ
クター装置４２０の模式的ダイアグラムを表し、これは、図６Ａに示したブロッ
クダイアグラムモデル４００に関連するコンダクタンスおよび他の事項を示す。
【００２６】 図６Ａおよび６Ｂを参照し、該モデルが、金属シールド２０２、圧力センサー
チューブ２２８および圧力センサーガラスエンクロージャー２２６の組合せによ
って形成されたディテクター装置の密閉囲いに対応するエンクロージャ４０２を
有する。エンクロージャー４０２は２つの領域、ファラデー領域４０４および圧
力センサー領域４０６を含む。２つの領域４０４および４０６は、ファラデーカ
ップ２１０の内部およびディテクター装置２００の圧力センサー２２４の間の流
れ制限と同等の集中定数を表すコンダクタンスＣf-gを有する開口４１０によっ
て分離される。該モデルは、入口開口２４４を通り、ファラデーカップ２１０お
よびディテクター装置２００の外部の間の流れ制限と同等な集中定数を表し、Ｃ f のコンダクタンスを有する入口開口４０８を有する。該モデルは、出口開口２
４８を通り、圧力センサーエンクロージャー２２６およびディテクター装置２０
０の外部の間の流れ制限と同等の集中定数を表し、Ｃrのコンダクタンスを有す
る出口開口４１２を有する。矢印Ｑin、Ｑf、Ｑf-g、およびＱrは分子マスフロ
ーを表し、後に定義される。
【００２７】 図６Ａおよび６Ｂを参照すると、異なる電荷−質量比率（クラスターサイズ）
の入力イオンは、低コンダクタンス入口開口４０８を通って受け入れられる。イ
オンは第２の電子抑制場を通過した後、電流がコレクターファラデーカップ２１
０で検出される。抑制場は、電子サプレッサー電極２０４およびファラデーカッ
プ２１０の間に印加された負の電圧によって生じ、これは、いずれかの自由電子
のファラデーカップ２１０への進入、またはファラデーカップ２１０で生じた二
次電子の排出を阻害するように機能する。クラスターイオンならびに分子イオン
は、ファラデーカップ２１０をたたくに際し、電荷検出プロセスで中和され、構
成要素の中性分子に解離する。中性分子はガスを形成し、これは、バイパスポー
ト２１２を自由に通過して取り付けられたミニアチュアＢａｙａｒｄ−Ａｌｐｅ
ｒｔガス圧センサー２２４に入り、そこで、中性分子はそのガス圧によって検出
される。 ファラデーカップ２１０からのガスの流入に由来する、ガス圧力セン
サー２２４の圧力増加は、出口開口２４８を通り、ディテクター２００の外部の
低圧真空への流れを引き起こす。この方法は、電流および圧力を獲得することに
よるリアルタイムでの平均電荷−質量比率の検出を可能とする。これより、入力
ＧＣＩＢ１２８がそれほど中性粒子を含まない場合、平均クラスターサイズの定
量的な見積もりも得ることができる。これは、図６Ａの助けを借りて以下の解析
から理解することができる： Ｑinは、エネルギー分子またはクラスターとしてのディテクターへの同等分子
マスフローを表す。それは、ビームフラックスに由来し、圧力により駆動されな
い。
【００２８】 Ｑfは入口開口を通ってのディテクターおよびその外部の間の分子マスフロー
を表す。
【００２９】 Ｑf-gはファラデーカップ領域および圧力センサー（ゲージ）領域の間の分子
マスフローを表す。
【００３０】 Ｑrは出口開口を通っての、圧力センサー（ゲージ）領域およびディテクター
の外部の間の分子マスフローを表す。
【００３１】 Ｐfはファラデーカップ領域における圧力を表す。
【００３２】 Ｐgは圧力センサー（ゲージ）領域における圧力を表す。
【００３３】 Ｐbはディテクターの外部の雰囲気（バックグラウンド）圧力を表す。
【００３４】 Ｃfは進入開口を通ってファラデー領域からディテクターの外部までディテク
ターが操作する（これは、通常、分子流動方法である）流動方法のために決定さ
れたコンダクタンス（絶対温度Ｔの関数）を表す。
【００３５】 Ｃf-gは、ファラデー領域から圧力センサー（ゲージ）領域までをディテクタ
ーが操作する（これは、通常、分子流動方法である）流動方法のために決定され
たコンダクタンス（絶対温度Ｔの関数）を表す。
【００３６】 Ｃrは、出口開口を通って圧力センサー（ゲージ）領域からディテクターの外
部までをディテクたーが操作する（これは、通常、分子流動方法である）流動方
法のために決定されたコンダクタンス（絶対温度Ｔの関数）を表す。 Ｑin＝Ｑf＋Ｑr（入力＝出力） 方程式１ Ｑf＝（Ｐf−Ｐb）Ｃf 方程式２ （ビーム入口開口から流出） Ｑf-g＝（Ｐf−Ｐg）Ｃf-g＝Ｑr 方程式３ （圧力センサー（ゲージ）領域への流入＝出口開口からの流出） Ｑr＝（Ｐg−Ｐb）Ｃr 方程式４ （ビーム下流開口からの流出） コンダクタンスは計算できるかまたは実験的に決定でき、かつＰgは圧力セン
サーによって読まれる圧力であるので、Ｑinは既知の量で表すことができ、以下
のように変形できることになる： Ｑin＝Ｐg（Ｃf＋Ｃr＋ＣrＣf／Ｃf-g）＋Ｐb（Ｃf＋Ｃr＋ＣrＣf／Ｃf-g） 方程式５ もしバックグラウンド圧力がＰb＜＜Ｐgであり、 条件１ かつＰb＜＜Ｐfであれば、 条件２ 式は以下のように近似される： Ｑin＝Ｐg（Ｃf＋Ｃr＋ＣrＣf／Ｃf-g） 方程式６ 加えて、もしファラデーカップおよびイオンゲージセクションの間のコンダク
タンス（Ｃf-g）および流出口開口コンダクタンス（Ｃr）の双方が、流入口開口
コンダクタンス（Ｃf）よりもかなり大きくなるように設計されれば、 Ｃf-g＞＞Ｃfであり、 条件３ かつＣr＞＞Ｃfであれば、 条件４ ディテクターへの同等分子マスフローについての式はさらに近似することがで
きる。変形された式は： Ｑin＝ＰgＣr 方程式７ である。
【００３７】 本発明についての好ましい具体例において、方程式７が適用でき、量Ｑinが圧
力センサー２２４における圧力測定と（測定されたまたは計算された）コンダク
タンスＣrとの積によって見積もられるように、条件１、２、３および４が選択
される。条件１、２、３および４の全てを満足するのは望ましくないまたは現実
的ではないであろう状況では、方程式５または方程式６を用いることができ、さ
らなるコンダクタンスを測定または計算し、加えて、バックグラウンド圧力Ｐb
を測定してＱinを計算する必要があろう。
【００３８】 Ｃr0が特定の参照温度Ｔ0で計算されたまたは測定されたＣrの一定値とすれば
、Ｃrはガスにおける平均分子速度の関数であるので、かつ平均分子速度は絶対
温度Ｔの平方根の関数であるので、いずれかの温度Ｔにおいて： Ｑin＝ＰgＣr0√Ｔ／Ｔ0 共にＫにおけるＴおよびＴ0 方程式８ ということになる。
【００３９】 ファラデーカップにおけるエネルギークラスターの衝撃の結果、その構成要素
分子へのクラスターの実質的に完全な解離がもたらされるので、Ｑinについての
表現はイオン当たりの分子の数に変換することができる。
【００４０】 従って、 分子の平均数 （Ｑin Ａn ）／（ＰS ＶS ） 方程式９ Ｎ＝（─────── ）＝──────────────── かつ イオン Ｉ／ｅ ＰgＡnＣroｅ Ｎ＝────────── √Ｔ／Ｔ0 分子 方程式１
０ ＰsＶsＩ であり、ここに、Ｑinはトール−リットル／秒で表し；Ｐgはトールで表し； Ｃr0は、参照温度Ｔ0（度Ｋ単位）につき計算され、またはその温度で測定され
たリットル／秒で表した出口開口のコンダクタンスであり；Ｔ（度Ｋ単位）は圧
力センサー出口開口を出るガスの温度であり；Ａnはアボガドロ数（６．０２×
１０23分子／グラム−モル）であり；Ｐsは７６０（トール）であって、Ｖｓは
２２．４（リットル／グラム−モル）であり、標準温度におけるグラム−モルの
標準圧力および標準容量；Ｉはイオン電流（クーロン／秒）であり；およびｅは
電荷（１．６０２×１０-19クーロン）である。温度Ｔは圧力センサーエンクロ
ージャーの温度によって近似することができる。
【００４１】 ディレクターに進入するＧＣＩＢはイオン化されていない分子およびクラスタ
ーならびにイオン化された分子およびクラスターを共に含むことができるので、
ゲージによって測定された圧力Ｐgは３つの構成要素を有する： Ｐg＝Ｐb＋Ｐi＋Ｐn 方程式１１ ここに、Ｐiは測定されたＧＣＩＢにおけるイオン化された分子およびクラスタ
ーによる構成要素であり、およびＰnは測定されたＧＣＩＢにおけるイオン化さ
れていない（中性）分子およびクラスターによる構成要素である。
【００４２】 Ｐbは前記にて定義され条件１に従ったバックグラウンド圧力であり、Ｐgより
もかなり小さい。かくして、Ｐgはより単純な式： Ｐg＝Ｐi＋Ｐn 方程式１２ によって近似することができる。
【００４３】 方程式１０で与えられたＮについての値はイオン当たりの分子（イオン化され
たものおよびイオン化されていないもの双方）の平均数である。方程式１３はイ
オン当たりのＧＣＩＢで移動する分子（イオン化されたもののみ）の数を与え、
これは、（サイズＮ＝１のイオン化されたクラスターを含む）の平均サイズの尺
度である： イオン中の分子の平均数 ＰiＡnＣroｅ Ｎi＝─────────── ＝───────√Ｔ／Ｔ0 方程式１３ イオン ＰsＶsＩ および 中性体の分子の平均数 ＰiＡnＣroｅ Ｎn＝─────────── ＝─────── √Ｔ／Ｔ0 方程式１４ イオン ＰsＶsＩ および、方程式１２および１３から： （Ｐg-Ｐn）ＡnＣroｅ Ｎi────────────√Ｔ／Ｔ0 ＝Ｎ−Ｎn 分子 方程式１５ ＰsＶsＩ ＮおよびＮｎを別々に測定し、かつそれらの差を取ることによって、Ｎ iを決
定することが可能である。Ｎは、全てのイオン化されたおよびイオン化されてい
ない粒子を含めた全ＧＣＩＢを測定することによって決定される。Ｎn は、ＧＣ
ＩＢからの全ての荷電粒子を取り出し、次いで、ディテクターを用いてＮnを測
定することによって決定することができる。次いで、Ｎｉは方程式１５によって
決定することができる。もちろん、ＮおよびＮｎを測定し、その差をとってＮｉ
を決定するよりはむしろ、ＮおよびＮｉを測定し、その差をとってＮｎを決定す
るのが同等に可能であって、適切であることが認識される。それは、後記するこ
とからのディテクターおよび荷電ビームスイッチの異なる配置を必要とするに過
ぎず、荷電ビーム輸送の技術の当業者には容易であろう。
【００４４】 図７において、模式的ダイアグラム３００はディテクター装置２００の使用を
支持する好ましい回路を示すが、他の回路を使用することもできる。点線はディ テ クター装置２００での使用のための支持体回路３７２を囲う。Ｎ、Ｎｉおよび
Ｎｎを別々に決定するための手段が含まれる。（イオン化されたおよびイオン化
されていないクラスターおよび分子を含むことができる）ＧＣＩＢ１２８は、デ
ィテクター装置２００の入口開口２４４に向けられる初期軌道１５４を有する。
ディテクター装置２００の金属シールド２０２は電気的コネクター２５０を通じ
て電気的に接地される。ディテクター装置のサプレッサー電極２０４は、電気的
コネクター２０６およびリード３０２を通じて、サプレッサー電極２０４を、典
型的には３５０ないし１０００ボルトである電位Ｖｓｐによって接地された負に
バイアスするサプレッサー電源３０４に電気的に結合される。ディテクター装置
のファラデーカップ２１０は、電気的コネクター２１４およびリード３０６を通
じて、電流‐対−電圧コンバーター３０８の入力に電気的に結合される。電流−
対−電圧コンバーター３０８の出力は実質的な接地である。電流−対−電圧コン
バーター３０８の出力は、ファラデーカップ２１０に収集されたイオン電流を代
表する入力シグナル電圧ＳIを生じる増幅器３１０の入力に結合される。 ディテクター装置２００の圧力センサー２２４のラセン形アノードグリッド２３
６は、電気的コネクター２３８およびリード３２０を通じて、ラセン形アノード
グリッド２３６を、典型的には１４０ないし３００ボルトである電位Ｖgによっ
て接地された正にバイアスするアノードグリッド電源３２２に電気的に結合され
る。圧力センサー２２４のフィラメント２３０は、電気的コネクター２３２およ
び２３４を通じて、かつリード３１２および３１４を通じて、典型的には１．５
ないし３．０ボルトである電圧バイアスＶfによってフィラメント加熱電流を供
するフィラメント電源３１６に電気的に結合される。リード３１４は、加えて、
フィラメント電源３１６の正の端部およびフィラメントを、フィラメント２３０
の正の端部を、典型的には２０ないし５０ボルトである電圧Ｖkによって接地さ
れた正にバイアスするカソード電源３１８に結合させる。圧力センサー２２４の
コレクター電極２４０は、電気的コネクター２４２およびリード３２４を通じて
、実質的に接地されている入力を有するエレクトロメーター増幅器３２６の入力
に電気的に結合される。エレクトロメーター増幅器３２６は、積Ｐg×Ｃr0（式
中、Ｐgは圧力センサー２２４内の圧力である）に比例する出力電圧シグナルＳP Cr0 を生じるように、（方程式８で定義される）Ｃr0に比例する利得を有する電
流−対−電圧コンバーターである。点線３２８で囲まれた機能は、慣用的なイオ
ン化真空ゲージコントローラーに設けられた典型的な機能を含む。かくして、点
線３２８内のエレメントを、Ｇｒａｎｖｉｌｌｅ−Ｐｈｉｌｌｉｐｓシリーズ３
３０イオン化ゲージコントローラーのごとき市販のイオン化真空ゲージコントロ
ーラーで置き換えることが可能である。ディテクター装置２００の温度センサー
２４６は、リード２５４によって、温度センサーを、典型的には４ないし３０ボ
ルトである電位Ｖｔによって接地された負にバイアスする温度センサー電源３８
２に電気的に結合される。また、温度センサー２４６は、リード２５２によって
、その出力がＴ／Ｔ0に比例する電圧シグナルＳＴ／Ｔ0となるように１／Ｔ0に
比例する利得を有する電流−対−電圧コンバーター３８０に電気的に結合される
（ここに、Ｔは圧力センサーエンクロージャー２２６の温度であって、Ｔ0は方
程式８に定義された参照温度である）。Ｔ／Ｔ0に比例するシグナルＳＴ／Ｔ0は
平方根モジュール３８４の入力３８６に結合される。平方根モジュール３８４は
、 √Ｔ／Ｔ0に比例するシグナルＳ√T/T0を供する出力３８８を有する。シグナル
Ｓ√T/T0はマルチプライアーモジュール３９０のマルチプライアー入力３９２に
結合する。エレクトロメーター増幅器３２６からのシグナルＳPCr0はマルチプラ
イアーモジュール３９０の被乗数入力３９４に結合される。マルチプライアーモ
ジュール３９０は出力３９６を有し、ここに、それは（方程式８におけるごとく
）Ｑinに比例するシグナルＳQを生じる）。シグナルＳQは分割モジュール３３０
の被除数入力３３２に結合し、また、デジタル処理および制御システム３３４に
入力するための２チャンネルＡＤコンバーター３４０の最初の入力に結合される
。増幅器３１０からのシグナルＳIは分割モジュール３３０の除数入力３３４に
結合され、また、デジタル処理および制御システム３４４に入力するための２チ
ャンネルＡＤコンバーター３４０の第 ２の入力に結合される。分割モジュール
３３０は、（方程式１０におけるごとく）Ｎに比例する電圧シグナルＳNを生じ
る出力３３６を有する。シグナルＳNは、利得および スケールキャリブレーショ
ンを有して、イオン当たりの分子の平均数の単位でのＮを提示するビジュアルデ
ィスプレイデバイス３３８に結合され、それによって表示される。 ＧＣＩＢ１２８はＮ、ＮｉおよびＮｎを決定するためにイオン化されたおよびイ
オン化されていないクラスターおよび分子を共に含むことができるので、本発明
は、それをＧＣＩＢ１２８のイオン化されていない部分から分離するためにＧＣ
ＩＢ１２８の荷電（イオン化）部分をスイッチングするための手段を提供する。
静電偏向プレート３６０および３６２の対は、ディテクター装置２００の入口開
口２４４の上流のＧＣＩＢ１２８の軸の周りに配置されて、荷電ビームスイッチ
３６１（ビームの荷電部分のためのビームスイッチ）として作用する。偏向シグ
ナルジェネレーター３５４は、リード３５８を介して偏向プレート３６２に電気
的に結合された正の状態の出力およびリード３５６を介して偏向プレート３６０
に電気的に結合した負の状態の出力を有する。通常、偏向シグナルジェネレータ
ー３５４の正の状態および負の状態の出力は共に０（接地）電位におけるもので
あり、偏向プレート３６０および３６２はＧＣＩＢ１２８に対して効果を有さず
、従って、ＧＣＩＢのイオン化されたおよびイオン化されていない部分は初期軌
道１５４に従い、ディテクター装置２００の入口開口２４４に進入する。これら
の条件下では、分割モジュール３３６の出力において生じたシグナルＳNはＮを
表す（方程式９および方程式１０）。デュアルチャンネルＡＤコンバーター３４
０の第１の入力に入力されたシグナルＳQは、√Ｔ／Ｔ0を表し、デュアルチャン
ネルＡＤコンバーター３４０の第２の入力に入力されたシグナルＳIはイオン電
流Ｉを表す。ケーブル３７０はディテクター装置２００からのリードおよびケー
ブルを含有して、回路３７２を支持する。 偏向シグナルジェネレーター３５４は、専用コントローラーであってよい、また
はＧＣＩＢ処理システムの一般的制御のための小さな汎用コンピューターであっ
てよいデジタル処理および制御システム３４４によって作動させることができる
。偏向シグナルジェネレーター３５４は、デジタル処理および制御システム３４
４が制御ライン３９８上のロジックパルスを偏向シグナルジェネレーター３５４
に送ると作動される。作動制御ロジックパルスシグナルはＴpdのパルス幅を有す
る。偏向シグナルジェネレーターは、偏向シグナルを生じさせることによって、
作動ロジック制御シグナルに応答する。偏向シグナルジェネレーター３５４が作
動すると、その正の状態の出力は、ロジックパルスと共に＋Ｖdの電圧レベルお
よびＴpdの持続を有する正のパルスを生じ、その負の状態の出力は、−Ｖdの電
圧レベルおよびＴpdの同時持続を有する負のパルスを生じる。Ｖdは典型的には
数１００ないし数１０００ボルトであり、荷電ビームスイッチ３６１が、初期起
動１５４から新しい軌道３６６へ離れたＧＣＩＢ１２８の荷電（イオン化）部分
の偏向を生じ、従って、荷電ビームがビーム３６３の未荷電（未イオン化）部分
とで角度３６８をなし、これが元来の起動１５４に続けてあり、ディテクター装
置２００の入口開口２４４に侵入するのを可能とするように選択される。時間Ｔ pd の間に、偏向シグナルジェネレーターが作動されると、偏向プレート３６０お
よび３６２は、各々、偏向電圧−Ｖdおよび＋Ｖdを受け取り、かくして、荷電ビ
ームスイッチ３６１を使用可能とする。
【００４５】 使用可能とされた荷電ビームスイッチ３６１では、ＧＣＩＢ１２８の未荷電部
分３６３のみがディテクター装置２００に進入し、ＧＣＩＢ１２８の荷電部分３
６４は起動３６６に対して角度３６８だけ偏り、ディテクター装置２００には進
入しない。偏向シグナルジェネレーター３５４が作動しない場合、偏向プレート
３６０および３６２は偏向電圧−Ｖdおよび＋Ｖdを受け取らず、接地され、かく
して、荷電ビームスイッチ３６１を使用不可能とする。使用不可能とされた荷電
ビームスイッチ３６１では、全ＧＣＩＢ１２８（荷電されたものおよび未荷電の
もの（イオン化されたものおよびイオン化されていないもの））がディテクター
装置２００に進入する。ケーブル３７４は、支持体回路３７２の一部である、荷
電ビームスイッチ３６１から偏向シグナルジェネレーター３５４へのリードを含
む。
【００４６】 デジタル処理および制御システム３４４は、バス３４２を通じてＡＤコンバー
ター３４０に結合され、前記したようにＡＤコンバーター３４０からの入力デー
ターを受け取る。デジタル処理および制御システム３４４は、Ｎ、ＮｉおよびＮ
ｎのいくつかまたは全てに対する値を計算し、バス３４６によってデジタル処理
および制御システム３４４に結合するビジュアルディスプレイユニット３４８上
にこれらの値を表示する。デジタル処理および制御システム３４４は、バス３５
０によってインターフェース回路３５２に結合する。インターフェース回路３５
２は、ケーブル３７６によって、ＧＣＩＢ処理システム３７８の制御されたかつ
検知された部分に結合する。デジタル処理および制御システム３４４は、ＧＣＩ
Ｂ処理システム３７８の他の態様も制御する汎用コンピューターであってよい。
【００４７】 それによりデジタル処理および制御システム３４４がディテクター装置２００
からのシグナル入力を読み、該入力を用いて、Ｎ、ＮｉおよびＮｎのいくつかま
たは全てを計算し、Ｎ、ＮｉおよびＮｎのいくつかまたは全てを表示し、ＧＣＩ
Ｂ処理システム３７８のための制御機能において、Ｎ、ＮｉおよびＮｎのいくつ
かまたは全てを用いる方法を、図８中のフローチャート６００に示す。プロセス
は工程６０２で開始する。工程６０４において、荷電ビームスイッチ３６１は、
デジタル処理および制御システム３４４によって使用不能とされる。これは、（
イオン化およびイオン化されていない成分を含めた）ＧＣＩＢ１２８の全てがデ
ィテクター装置２００に進入することを可能とする。工程６０６において、デジ
タル処理および制御システム３４４は、ＡＤコンバーター３４０を介してシグナ
ルＳQをデジタル化する。次いで、デジタル処理および制御システム３４４は、
それに所定の定数を掛け合わせて、それをトール−リットル／秒の単位に変換す
ることによって、シグナルＳQのデジタル化値をスケール化し、該値をＱinとし
て内部に貯蔵する。次に、工程６０８において、デジタル処理および制御システ
ム３４４は、ＡＤコンバーター３４０を通じてシグナルＳｉを読み、それをデジ
タル化する。次いで、デジタル処理および制御システム３４４は、それに所定の
定数を掛け合わせて、それをクーロン／秒の単位に変換することによって、シグ
ナルＳIのデジタル化値をスケール化し、Ｉとして該値を貯蔵する。次に、工程
６１０において、荷電ビームスイッチ３６１はデジタル処理および制御システム
３４４によって使用可能とされる。これは、ＧＣＩＢ１２８の未荷電（イオン化
されていない）部分３６３のみがディテクター装置２００に進入するように、Ｇ
ＣＩＢ１２８から荷電（イオン化）部分３６４をスイッチする。工程６１２にお
いて、デジタル処理および制御システム３４４はＡＤコンバーター３４０を通じ
てシグナルＳQを読み、それをデジタル化する。次いで、デジタル処理および制
御システム３４４は、それに所定の定数を掛け合わせてそれをトール−リットル
／秒の単位に変換することによって、シグナルＳQのデジタル化値をスケール化
し、該値をＱnとして内部に貯蔵する。工程６１４において、荷電ビームスイッ
チ３６１はデジタル処理および制御システム３４４によって使用不能とされる。
これは、（イオン化されたおよびイオン化されていない成分を含めた）ＧＣＩＢ
１２８の全てがディテクター装置２００に進入することを可能とする。工程６１
６において、デジタル処理および制御システム３４４はＱi＝Ｑin−Ｑnを計算し
、それを貯蔵する。工程６１８において、デジタル処理および制御システム３４
４はＮ＝Ｑin／Ｉを計算し、それを貯蔵する。工程６２０において、デジタル処
理および制御システム３４４はＮｉ＝（Ｑin−Ｑn）／Ｉを計算しそ れを貯蔵す
る。工程６２２において、デジタル処理および制御システム３４４はＮｎ＝Ｑn
／Ｉを計算しそれを貯蔵する。工程６２４において、デジタル処理および制御シ
ステム３４４は、ビジュアルディスプレイデバイス３４８でＮ、ＮｉおよびＮｎ
のいくつかまたは全てを表示する。工程６２６において、デジタル処理および制
御システム３４４はＮ、ＮｉおよびＮｎについて測定された値のいくつかまたは
全てを用いてシグナルの出力を制御し、ＧＣＩＢ処理システムの操作を最適化す
る。シグナルはインターフェース回路３５２およびケーブル３７６を通じバス３
５０を介して出力されて、ＧＣＩＢ処理システム３７８のエレメントを制御する
。典型的には、そのような制御されたエレメントは、Ｎ、ＮｉおよびＮｎの値を
調整し、影響しまたは調節することができるエレメントである。フローチャート
６００の工程を周期的に、あるいは特別の命令またはトリガリング事象に応答し
て反復して、ループプロセス制御の分野における当 業者に知られた比例−積分
−微分（ＰiＤ）または他の制御アルゴリズムを用いてＮ、ＮｉおよびＮｎの閉
じたループ調節を容易とすることができる。
【００４８】 図９は、制御されたＧＣＩＢ処理システム３７８の例として本発明のＧＣＩＢ
処理システム５００を示す。図９を参照すると、支持体回路３７２およびケーブ
ル３７６および３７４および３７０は、図７に示される模式的ダイアグラム３０
０の同様に番号の付されたエレメントに対応する。ケーブル３７０はディテクタ
ー装置２００を支持体回路３７２に電気的に結合する。ケーブル３７４は荷電ビ
ームスイッチ３６１を支持体回路３７２に結合させ、ケーブル３７６は制御され
たＧＣＩＢ処理システム３７８を支持体回路３７２に結合させる。制御されたＧ
ＣＩＢ処理システム３７８は、支持体回路３７２によって制御または調整するこ
とができるいくつかのエレメントを有する。
【００４９】 真空運動フィードスルー５０４を有する線型アクチュエーター５０２はディテ
クター装置２００を支持し、それを、制御可能な反復直線運動５０６の結果とし
て、（実線で示した）ビーム交差位置５１０または（点線で示す）貯蔵された位
置５０８いずれかに配することができる。線型アクチュエーター５０２は、線型
アクチュエーター５０２を作動させるための実行制御シグナル用にそれをケーブ
ル３７６を通じて支持体回路３７２に電気的に結合させるケーブル５１４を有す
る。電気的に制御可能なガス制御バルブ５３２は、淀みチャンバー１１６におい
て源ガス淀み圧力を制御可能に調整して、超音速ガスジェット１１８における平
均ガスクラスターサイズに影響させるために、それをケーブル３７６を通じて支
持体回路３７２に電気的に結合させるケーブル５３４を有する。加熱され／冷却
された流体循環ループ５１８に連結した電気的に制御可能な加熱され／冷却され
た流体サーキュレーター５１６は、制御のために、ケーブル５２０を通じ、およ
びケーブル３７６を通じて支持体回路３７２に電気的に結合する。加熱され／冷
却された流体循環ループ５１８は淀みチャンバー１１６およびノズル１１０と熱
的に接触して、淀みチャンバー１１６およびノズル１１０の温度の制御または調
整を容易とし、超音速ガスジェット１１８における平均ガスクラスターサイズに
影響する。温度センサー５２２は淀みチャンバー１１６と熱的に接触し、真空電
気フィードスルー５２４およびケーブル５２６およびケーブル３７６を通じて支
持体回路３７２に電気的に結合して、淀みチャンバー１１６の温度の閉じたルー
プ調節を促進し、超音速ガスジェット１１８における平均ガスクラスターサイズ
に影響する。真空運動フィードスルー５３０を有する線型アクチュエーター５５
４は、ノズル１１４と共に淀みチャンバー１１６を作動させて、ノズル１１０を
直線運動５６０によってガススキマー開口１２０から調節可能で制御可能な軸方
向距離に位置させるリンケージ５５８を有する。線型アクチュエーター５５４は
、線型アクチュエーター５５４を作動させるための実行制御シグナル用に、ケー
ブル３７６を通じてそれを支持体回路３７２に電気的に結合させて、ＧＣＩＢ１
２８における平均ガスクラスターイオンサイズおよび分子イオンに対するクラス
ターイオンの比率に影響し、またはそれを調整するケーブル５５６を有する。フ
ィラメント電源５３８は電気的に制御可能であり、ケーブル５４３およびケーブ
ル３７６を通じて支持体回路３７２に電気的に結合する。フィラメント電源５３
８は制御可能に電圧ＶFを供して、イオナイザーフィラメント１２４を加熱し、
やはり平均クラスターサイズに影響するＧＣＩＢ１２４のイオン化分率を調整ま
たは制御する。アノード電源５３６は電気的に制御可能であり、ケーブル５４２
およびケーブル３７６を通じて支持体回路３７２に電気的に結合する。アノード
電源５３６は制御可能な電圧ＶAを供して、フィラメント１２４から発せられた
熱電子を加速し、ＧＣＩＢ１２４のイオン化分率およびＧＣＩＢ１２４の平均ク
ラスターサイズを調整または制御する。抽出電源５４０は電気的に制御可能であ
り、ケーブル５４４およびケーブル３７６を通じて支持体回路３７２に電気的に
結合する。抽出電源５４０は制御可能な電圧ＶEを供して、ＧＣＩＢ１２８にお
ける平均クラスターサイズに影響する。１以上の電気的に制御可能なレンズ電源
（例えば、５４６および５５０で示される）は、各々、ケーブル５４８および５
５２を通じて、およびケーブル３７６を通じて支持体回路３７２に電気的に結合
し、制御可能な電圧を供して、ポテンシャル（例えば、ＶL1およびＶL2）でもっ
て高電圧電極をバイアスし、ＧＣＩＢ１２８を集束させ、およびＧＣＩＢ１２８
における平均クラスターサイズに影響する。偏向プレート３６０および３６２を
有する荷電ビームスイッチ３６１はケーブル３７４を通じて支持体回路３７２に
結合して、荷電ビーム部分３６４を初期軌道１５４から離して制御可能にスイッ
チし、ディテクター装置２００のビーム交差位置５１０から取り出された地点５
５４においてたたく。 図９に示されたＧＣＩＢ処理システム５００において、ディテクター装置２００
はビーム交差位置５１０に示され、そこで、それはＧＣＩＢ１２８における平均
クラスターサイズを制御可能に測定する。図１０において、ＧＣＩＢ処理システ
ム７００は、貯蔵された位置５０８に位置したディテクター装置を示し、ＧＣＩ
Ｂ１２８を静電走査プレート１３０および１３２を通って継続させ、走査された
ＧＣＩＢ１４８を形成し、公知のまたは制御された平均クラスターサイズを有す
るＧＣＩＢでのＧＣＩＢ処理用のビーム経路に配されたワークピース１５２をた
たく。
【００５０】 本発明を種々の具体例に関して記載してきたが、本発明は、添付の請求の範囲
の精神および範囲内にあるさらなるおよび他の具体例を広く変形できることは理
解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、典型的な源からのＧＣＩＢについての典型的なクラスタ
ーイオンサイズ分布を示すグラフである。
【図２】 図２は、異なる源ガス淀み圧力条件についてのアルゴンクラスタ
ーイオンの飛行時間スペクトルを示す先行技術のグラフである。
【図３】 図３は、先行技術の飛行時間質量スペクトロメーターの模式的ダ
イアグラムである。
【図４】 図４は、先行技術のＧＣＩＢ処理システムの基本的エレメントを
示す模式的ダイアグラムである。
【図５】 図５は、本発明のイオン化クラスタービーム電荷および質量ディ
テクター装置の模式的ダイアグラムを表す。
【図６Ａ】 図６Ａは、本発明のイオン化クラスタービーム電荷および質量
ディテクター装置のマスフローダイアグラムである。
【図６Ｂ】 図６Ｂは、図６Ａに示されたコンダクタンスを示すイオン化ク
ラスタービーム電荷および質量ディテクター装置の模式図を表す。
【図７】 図７は、本発明のイオン化クラスタービーム電荷および質量測定
システムの模式的ダイアグラムである。
【図８】 図８は、本発明におけるデータ獲得、計算、表示、およびＧＣＩ
Ｂ処理システム制御を示すフローチャートである。
【図９】 図９はＧＣＩＢを検知するために配置したディテクター装置を示
す本発明のＧＣＩＢ処理システムの模式図である。
【図１０】 図１０は、ビーム処理の間にビーム経路から取り出されたディ
テクター装置と共に示された、本発明のＧＣＩＢ処理システムの模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｊ 49/06 Ｈ０１Ｊ 49/06 (72)発明者 ディクストラ，ジェラルド，ピー． アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01821，ビルリカ，マニング ロード 37， エピオン コーポレイション Ｆターム(参考） 2G088 EE30 FF11 FF13 GG27 JJ01 JJ09 5C038 FF04

Claims (51)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスクラスターイオンビームがディテクターに進入する第１
    の開口を有するエンクロージャー； ガスクラスターイオンビーム中のガスクラスターイオンを分子に解離させるた
    めの、該第１の開口に隣接する該エンクロージャー内に位置した解離手段； ガスクラスターイオンビーム電流を測定するための、該エンクロージャー内に
    位置した電荷測定手段；および 該エンクロージャー内の圧力を測定するための、該エンクロージャーと共に位
    置した圧力測定手段； を含むことを特徴とする、ガスクラスターイオンビームの特性を測定するための
    ガスクラスターイオンビームディテクター。
  2. 【請求項２】 該エンクロージャーが、分子がそれを通ってディテクターを
    出る第２の開口を有する請求項１記載のディテクター。
  3. 【請求項３】 該第１の開口があるコンダクタンスを有し、該第２の開口が
    該第１の開口よりも高いコンダクタンスを有する請求項２記載のディテクター。
  4. 【請求項４】 該第２の開口の該より高いコンダクタンスが、該第１の開口
    のコンダクタンスよりも少なくとも１０倍大きい請求項３記載のディテクター。
  5. 【請求項５】 該解離手段が、ガスクラスターイオンが衝撃する固体表面で
    ある請求項１記載のディテクター。
  6. 【請求項６】 該固体表面がファラデーカップの表面である請求項５記載の
    ディテクター。
  7. 【請求項７】 該圧力測定手段がイオン化ゲージである請求項１記載のディ
    テクター。
  8. 【請求項８】 該電荷測定手段がファラデーカップである請求項１記載のデ
    ィテクター。
  9. 【請求項９】 該エンクロージャー内部の圧力が該エンクロージャー外部の
    圧力よりも高い請求項１記載のディテクター。
  10. 【請求項１０】 該エンクロージャー外部の圧力が、該エンクロージャー内
    部の圧力の１／１０未満である請求項９記載のディテクター。
  11. 【請求項１１】 該圧力測定手段が温度センサーを含む請求項１記載のディ
    テクター。
  12. 【請求項１２】 電荷測定手段が： ガスクラスターイオンビーム電流を収集するためのファラデーカップ、該ファ
    ラデーカップは、該ファラデーカップを出て、該圧力測定手段に入るための分子
    用の少なくとも１つのバイパス開口を有し；および ガスクラスターイオンビーム電流の正確な収集を促進する、該第１の開口およ
    び該ファラデーカップの間に位置した電気的バイアスを有するサプレッサー電極
    ； を含む請求項１記載のディテクター。
  13. 【請求項１３】 電荷測定手段が、さらに、ガスクラスターイオンビーム電
    流の正確な収集をさらに促進するための、該ファラデーカップおよび該圧力測定
    手段の間に位置したサプレッサースクリーンを含む請求項１２記載のディテクタ
    ー。
  14. 【請求項１４】 ガスクラスターイオンビームがディテクターに進入する第
    １の開口を有するエンクロージャー； ガスクラスターイオンビーム中のガスクラスターイオンビームを分子に解離さ
    せるための手段およびガスクラスターイオンビーム電流を測定するための電荷測
    定手段を含む、該第１の開口に隣接する該エンクロージャー内に位置した電流収
    集領域；および 当該圧力検知領域内の圧力を測定するための圧力測定手段を有する、該エンク
    ロージャー内に位置した圧力検知領域； を含むことを特徴とする、ガスクラスターイオンビームの特性を測定するための
    ガスクラスターイオンビームディテクター。
  15. 【請求項１５】 該エンクロージャーが、それを通って分子がディテクター
    を出る該圧力検知領域に隣接する第２の開口を有する請求項１４記載のディテク
    ター。
  16. 【請求項１６】 該第１の開口があるコンダクタンスを有し、該第２の開口
    が該第１の開口よりも高いコンダクタンスを有する請求項１５記載のディテクタ
    ー。
  17. 【請求項１７】 該第２の開口の該より高いコンダクタンスが、該第１の開
    口のコンダクタンスよりも少なくとも１０倍大きい請求項１６記載のディテクタ
    ー。
  18. 【請求項１８】 該解離手段が、ガスクラスターイオンが衝撃する固体表面
    である請求項１４記載のディテクター。
  19. 【請求項１９】 該固体表面がファラデーカップの表面である請求項１８記
    載のディテクター。
  20. 【請求項２０】 該圧力測定手段がイオン化ゲージである請求項１４記載の
    ディテクター。
  21. 【請求項２１】 該電荷測定手段がファラデーカップである請求項１４記載
    のディテクター。
  22. 【請求項２２】 該エンクロージャー内部の圧力が該エンクロージャー外部
    の圧力よりも高い請求項１４記載のディテクター。
  23. 【請求項２３】 該エンクロージャー外部の圧力が該エンクロージャー内部
    の圧力の１／１０未満である請求項２２記載のディテクター。
  24. 【請求項２４】 さらに、温度センサーを含む請求項１４記載のディテクタ
    ー。
  25. 【請求項２５】 電荷測定手段が： ガスクラスターイオンビーム電流を収集するためのファラデーカップ、該ファ
    ラデーカップは、該ファラデーカップを出て、該圧力検知領域に入る分子用の少
    なくとも１つのバイパス開口を有し；および ガスクラスターイオンビーム電流の正確な収集を促進する、該第１の開口およ
    び該ファラデーカップの間に位置した電気的バイアスを有するサプレッサー電極
    ； を含む請求項１４記載のディテクター。
  26. 【請求項２６】 電荷測定手段が、さらに、ガスクラスターイオンビーム電
    流の正確な収集をさらに促進するための、該ファラデーカップおよび該圧力検知
    領域の間に位置したサプレッサースクリーンを含む請求項２５記載のディテクタ
    ー。
  27. 【請求項２７】 ガスクラスターイオンビームを生じさせるための源、該ガ
    スクラスターイオンビームはイオン化されたおよびイオン化されていないガスク
    ラスターを含み； 該ガスクラスターイオンビームの特性を測定するガスクラスターイオンビーム
    ディテクター； 該ガスクラスターイオンビームディテクターおよび該ガスクラスターイオンビ
    ームの間の関係を操作可能に制御するための手段；および 該ガスクラスターイオンビームの該イオン化されたおよびイオン化されていな
    い部分を選択的に制御するためのビームスイッチング手段； を含むことを特徴とするガスクラスターイオンビーム処理システム。
  28. 【請求項２８】 該ビームスイッチング手段が、該ガスクラスターイオンビ
    ーム中の該イオン化されていないガスクラスターのみを該ディテクターに選択的
    に制御する請求項２７記載の処理システム。
  29. 【請求項２９】 該ビームスイッチング手段が、該ガスクラスターイオンビ
    ーム中の該イオン化されたガスクラスターのみを該ディテクターに選択的に制御
    する請求項２７記載の処理システム。
  30. 【請求項３０】 該ビームスイッチング手段が、該ガスクラスターイオンビ
    ーム中の該イオン化されていないガスクラスターのみが該ディテクターに向けら
    れるように、該イオン化されたガスクラスターを選択的に制御する請求項２７記
    載の処理システム。
  31. 【請求項３１】 該ガスクラスターイオンビームディテクターおよび該ガス
    クラスターイオンビーム間の関係を操作可能に制御するための該手段が、該ディ
    テクターを該ガスクラスターイオンビ−ムの経路中に配する請求項２７記載の処
    理システム。
  32. 【請求項３２】 該ディテクターがクラスターサイズを測定する請求項２７
    記載の処理システム。
  33. 【請求項３３】 さらに、平均クラスターサイズを見積もるための手段を含
    む請求項３２記載の処理システム。
  34. 【請求項３４】 さらに、見積もられた平均クラスターサイズに基づいて処
    理システムのパラメーターを調整するための制御手段を含む請求項３３記載の処
    理システム。
  35. 【請求項３５】 ガスクラスターイオンを有するガスクラスターイオンビー
    ムを生じさせ； 該ガスクラスターイオンを分子に解離させ； 該ガスクラスターイオンの電荷を収集し； 該ガスクラスターイオンの電荷に基づいてガスクラスターイオンビーム電流を
    測定し； 解離した分子に関連する圧力レベルを検出し；次いで、 解離された分子に関連する圧力レベルに基づいてガスクラスターイオンビーム
    質量を測定する； ことを特徴とするガスクラスターイオンビームの特性を測定する方法。
  36. 【請求項３６】 該解離工程が、該ガスクラスターイオンを固体表面に衝撃
    させることによって達成される請求項３５記載の方法。
  37. 【請求項３７】 該解離工程が、該ガスクラスターイオンをファラデーカッ
    プの表面に衝撃させることによって達成される請求項３５記載の方法。
  38. 【請求項３８】 該ガスクラスターイオンビーム電流測定工程がファラデー
    カップを用いる請求項３５記載の方法。
  39. 【請求項３９】 該ガスクラスターイオンビーム電流測定工程が、さらに、
    自由電子の収集を阻害することを含む請求項３５記載の方法。
  40. 【請求項４０】 該ガスクラスターイオンビーム質量測定工程がイオン化ゲ
    ージを用いる請求項３５記載の方法。
  41. 【請求項４１】 該ガスクラスターイオンビーム質量測定工程が、さらに、
    解離した分子の温度レベルを測定することを含む請求項３５記載の方法。
  42. 【請求項４２】 イオン化されたおよびイオン化されていないガスクラスタ
    ーを持つガスクラスターイオンビームを生じさせ； 該ガスクラスターイオンビームをディテクターに向け； 該ガスクラスターイオンビームの特性を測定し；次いで、 測定された特性に基づいて当該ガスクラスターイオンビーム処理システムのパ
    ラメーターを調整する； ことを特徴とする、ガスクラスターイオンビーム処理システムを制御する方法。
  43. 【請求項４３】 該向ける工程が、ディテクターを該ガスクラスターイオン
    ビームの経路に入れる工程を含む請求項４２記載の方法。
  44. 【請求項４４】 該向ける工程が、さらに、該ガスクラスターイオンビーム
    の該イオン化されていない部分のみを該ディテクターに向ける工程を含む請求項
    ４３記載の方法。
  45. 【請求項４５】 該向ける工程が、さらに、該ガスクラスターイオンビーム
    の該イオン化されている部分を該ディテクターから離れるように向けることを含
    む請求項４４記載の方法。
  46. 【請求項４６】 測定された特性がガスクラスターイオンビーム電流および
    ガスクラスターイオンビーム質量である請求項４５記載の方法。
  47. 【請求項４７】 測定された特性が、さらに、ガスクラスターサイズを含む
    請求項４５記載の方法。
  48. 【請求項４８】 該測定工程が、さらに、平均クラスターサイズを見積もる
    ことを含む請求項４５記載の方法。
  49. 【請求項４９】 測定された特性がガスクラスターイオンビーム電流および
    ガスクラスターイオンビーム質量である請求項４２記載の方法。
  50. 【請求項５０】 測定された特性が、さらに、ガスクラスターサイズを含む
    請求項４９記載の方法。
  51. 【請求項５１】 該測定工程が、さらに、平均クラスターサイズを見積もる
    ことを含む請求項４２記載の方法。
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