JP2009541965A - 装置 - Google Patents

Abstract

ａ）近位側および遠位側を有し、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つ有する第１の電極であって、前記アパーチャの壁面が、該第１の電極の遠位側の前記アパーチャの半径が該電極の前記近位側の前記アパーチャの半径よりも大きくなるように形成されている第１の電極と、ｂ）前記第１の電極の前記遠位側に隣接するがそこから間隔をあけて配置され、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つ有する第２の電極と、ｃ）前記第２の電極に隣接しかつそこから間隔をあけて配置され、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つの有する第３の電極と、を備え、各電極の前記少なくとも１つのアパーチャが、他の電極の対応するアパーチャに対して揃えられているイオンビーム加速装置であって、前記電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差が生じ、かつ、前記第２の電極と前記第３の電極との間に電位差が生じるように配置されている、イオンビーム加速装置。

Description

本発明は、イオンビーム加速装置に関する。より具体的には、本発明は、スパッタリングなどのイオンビーム技術で使用する低ビーム電圧イオン加速装置に関する。さらに本発明は荷電粒子ビーム発生装置に関する。

イオンビームは、マイクロエレクトロニクス産業における構成部品、および、記憶媒体産業における磁気薄膜デバイスを製作するのに長年使用されている。一般に、アルゴンイオンビームなどのイオンビームは、広い面積、高電流、および１００ｅＶ〜２ｋｅＶのエネルギー、を有する必要がある。

ビームは、たとえばスパッタ堆積、スパッタエッチング、ミリングまたは表面平滑化によって基板の表面を変更するために、多くの方式で使用することができる。

典型的なイオンビーム源（またはイオン銃）では、放電チャンバにガスまたは蒸気を入れることによりプラズマが発生し、その場合、電子衝突イオン化によりイオンが形成されて、チャンバ内でランダムな熱運動により移動する。これは、加熱陰極を使用する直流手段によって、または、無線周波数アンテナを使用する高周波数手段によって達成することができる。

最新のイオン源は、アークによるものとは別の高周波数放電を使用して、より一般に励起される。約５００ｋＨｚ〜約６０ＭＨｚの範囲の無線周波数が使用されるが、約１３．５６ＭＨｚ〜約６０ＭＨｚの範囲がより一般に使用可能である。マイクロ波励起を使用するデバイスもある。

ターゲットまたは基板に対して衝突するのに適したイオンビームを発生させるためには、イオンを単エネルギーまで、かつ、定義された軸方向に加速させる必要がある。これは一般に、グリッドとして知られうる１組の加速電極を使用することによって達成される。

プラズマは正のプラズマ電位を呈し、これは、プラズマが接触するどんな表面の電位よりも高い。グリッドはさまざまな構成が使用でき、その電位は個々に制御される。マルチグリッドシステムでは、イオンが遭遇する第１のグリッドは通常は正にバイアスされ、第２のグリッドが負にバイアスされる。さらに、ビームを平行化するために別の電極を使用することもできる。イオンスパッタリングの場合、ターゲットチャンバ内にターゲットが配置され、そこでは、イオンのビームが通常は斜角でターゲットにぶつかることができ、また、材料が上にスパッタリングされる基板は被スパッタ材料が基板に衝突することのできる位置に配置される。スパッタエッチング、ミリング、または表面平滑化が実施される場合、基板はイオンビームの経路内に配置される。

したがって、典型的なイオン銃では、マルチアパーチャの引出しグリッド組立体に到達するイオンは、正にバイアスされたグリッドに最初に遭遇する。このグリッドに関連付けられているのはプラズマシースである。プラズマとグリッドとの電位差が、このシースの両端間で降下する。この加速電位が、シース領域内にあるイオンを第１のグリッドに引き寄せる。この第１のグリッドのアパーチャを通って移動するとともに、第１の正にバイアスされたグリッドと第２の負にバイアスされたグリッドとの間の空間に入るどのイオンも、強電界内で強く加速される。イオンは、第２のグリッドのアパーチャを通過して、接地された導電性ターゲットに向かって飛行しているとき、減速電界を通って移動する。イオンは、次いで、第１の正のグリッドの電位とシース電位とを加えたものに等しいエネルギーを伴って、接地したターゲットに到達する。

したがって、従来のイオン銃は、荷電粒子の供給源を備えており、荷電粒子は、１組のグリッド間で形成される外部印加電界によって加速される。従来、低エネルギーイオンビームを発生させるには、（より多くを使用することができるが）３つのグリッドが使用されており、１つめが正電位に保持され、２つめが最良の発散をもたらすように調整された負電位に保持され、３つめがある場合はそれは接地電位、すなわちビームが発生するチャンバの電位に保持される。

この類のビームについては、７０年にわたりさかのぼる公開文献の中で十分に説明されている。

半導体、薄膜および材料産業ではイオン注入は周知の技術であり、これは、イオンを材料の結晶格子に埋め込んで材料の電気特性を変更するのに使用される。一般にイオン注入には２５ｋＶを超えるビーム電圧が使用されるが、それらのビーム電圧は５００ｋＶ程度に高くてもよい。製作される多くのマイクロデバイスおよびナノデバイスは、効率的な動作を強化するために薄膜境界面の詳細な性質に頼っている。したがって、原子的に平滑な表面をもたらす能力が、デバイスおよび薄膜製作技術において重要な役割を果たす。たとえば、層境界面の品質は、薄膜磁気センサ、極端紫外（ＥＵＶ）、およびＸ線ミラーマスクを製作する際に重要である。

イオン注入以外の薄膜加工にイオンビームを使用する際、ビームエネルギーには一般に２ｋＶという上限があるが、特定のイオンビームスパッタリングプロセスの場合には、この値を５００Ｖ程度に低くすることができ、プロセスの効率は、ビームエネルギーによって変わり、その場合、エネルギーが増大すると効率が下がり熱放散が増大する。いくつかの適用分野では、ビームをより低い値で、たとえば１００Ｖや５０Ｖで伝搬させることが望ましい場合がある。高エネルギーイオンビームの引出しおよび伝搬は、低エネルギービームよりも容易であることが知られている。これは次のようなことによる。すなわち、ビーム電流は、チャイルドラングミュアの式によって表されるビームエネルギーの３／２倍乗に比例するということ、および、ビームが大幅な発散を呈し、ビームエネルギーの増大に伴ってビーム発散が低減することによる。高エネルギーの荷電ビームは、加速器を通過する際に大きな速度を有し、したがって、空間電荷の効果は低電圧で比較的より遅く移動しているイオンに比べて減少する。空間電荷の効果は、高密度低エネルギーイオンビームの発生を困難にする一因となっている。というのも、高密度低エネルギーイオンビームは、複数のアパーチャからの複数のビームレットが合体することにより形成される幅広いビームになる傾向があるためであり、大きな電流密度（一般に１Ａより大きな統合出力をもたらす）を得る唯一の方式は、小さなアパーチャからなる最密アレイを使用することである。

センサなどの薄膜磁気デバイスの製作の場合の、プロセスの制約は、必要なイオンビームサイズを達成することが困難であるような回折限界である。薄膜磁気デバイスがより小型になるにつれて、プロセスにかかる制約はより厳しくなり、薄膜を加工するのに必要な大きな電流密度を有する良質の低エネルギーイオンビームを得ることは困難である。プロセスにかかる制約には、基板から材料除去する速度、エッチング後の被膜の厚さの不均一さ、およびイオンビームの発散角がある。さらには、これらの制約を、１００〜７００Ｖのビームエネルギー範囲内で達成しなければならない。実際に、非常に敏感なナノデバイスの場合、境界面で材料が混合する影響を懸念して、約５０Ｖなど、１００Ｖ未満のビームエネルギーが時折要求される。場合によっては、これらの制約は、２００ｍおよび３００ｍの基板を加工するために大きなイオンビーム直径を生み出す必要性によって、さらに増加する。

ハードディスクドライブで使用される磁気センサなどの小型デバイスを製作する際には、デバイスの形状は対称的でなければならず、デバイスが上に形成される基板のあらゆる部分から同じでなければならない。イオンビームを用いてエッチングまたはミリングする場合、ビームの発散が、この特性に非常に大きな影響を及ぼす恐れがある。

円形ビームのビーム軸が円形基板の中心に向けられる場合、中心の影響は対称的である。中心ではない位置の場合、発散の影響により、照射に非対称性が導入される。ビームが基板よりもずっと大きくない限り、基板の縁部に近づくにつれて、縁部からよりも、中心からのほうが照射が強くなる。この結果、２つの望ましくない影響が生じる。第１には、基板内の全体的な不均一性によって釣鐘状輪郭となる。第２には、パターン付けされたフィーチャの形状対称性が、縁部に向かって悪化する。内縁のほうが、外縁よりも急峻な輪郭を呈する。

上記の欠点はいずれも、ビーム発散特性を低減させることによって克服することができる。２つの利点が得られる。第１には、基板内の全体的な不均一性が所望のトップハット状輪郭となる。第２には、パターン付けされたフィーチャの形状対称性が、基板全体にわたって内側および外側で一定に保たれる。

非常に低いエネルギーにおけるビーム発散は、２つのプロセス、ビームエミッタンスの影響と、中和されていない残留ビーム空間電荷の影響とに左右される。エミッタンスから生じる最小発散は、有効イオン温度の平方根をビームエネルギーで除算したものであり、両方とも電子ボルト単位で表される。イオン温度は、プラズマ中の真のイオン温度、典型的に０．３電子ボルト（ｅＶ）に、球面収差により誘起される不規則さによってもたらされる有効温度を加えた和であり、この球面収差は、単純な、形状設定されていないアパーチャ穴を使用することで生じる。後者のプロセスは通常、前者よりもはるかに影響的である。イオン加速器の電極の詳細な形状は、以下により詳細に論じるように、収差を低減させる際に決定的に重大である。

デバイスの製作要求によって、基板内の不均一性および低ビーム発散性が明記されているので、大きすぎるビームを使用するというアプローチは、十分な出力電力を維持しながらビーム品質を改善するという要件を満足させるのに十分ではない。したがって、最新の半導体および薄膜デバイスの加工要件を達成するために、大幅により小さなイオンビーム源を製作する必要がある。

上述の適用分野では、低エネルギーイオンビーム、すなわち５００Ｖ未満を使用する必要があり、したがって、所望のエネルギーにおいて動作することができるイオン加速器の設計に重い要求を課している。加速器は、第１に、必要なイオンビーム電流を確実に発生させることができなければならず、第２に、出現するイオンビームが平行にされなければならない。既知の加速器は２つ以上の薄い金属プレートからなり、各プレートは円形アパーチャのアレイを有し、各プレートのアパーチャは加速器内の残りのプレートまたは電極上の対応するアパーチャと揃っている。これらのアパーチャは通常、側面が穴の軸と平行な単純な穴である。アパーチャの間隔は一般に１ｍｍ未満である。

図１は、典型的な加速器１０の理想的な図面を示しており、図示の加速電極が球面の一部分を形成している。加速器の第１のプレートすなわちビーム形成電極１０２（以後ビーム形成電極またはＧ１）に隣接しているプラズマ発生器１００から、イオンが引き出される。このプラズマ発生器１００は、等しい数密度の、正に荷電したイオンと負に荷電した電子とからなるプラズマを発生させる。

イオンは、イオン加速電界によってプラズマ１００から引き出される。負電荷を有する電子は、同じ電界によってはね返される。この電界は、ビーム形成電極１０２（Ｇ１）と加速器内の第２の電極１０４（以後、引出し電極またはＧ２）との電位差によってつくられる。したがって、Ｇ２は、正に荷電したイオンがプラズマ発生器から引き出されるように、電位がＧ１よりも負でなければならない。

イオンが引出し電極１０４（Ｇ２）に到達すると、かなりのエネルギーを有し、このエネルギーは、Ｇ１とＧ２との電位差と、プラズマシースによってイオンに与えられたわずかな熱エネルギーとを加えたものに等しい。しかし、加速器の下流のビーム自体によって形成されたプラズマからの電子が、加速器１０を通って後方に引き出されないようにするという、加速器１０の追加要件がある。これが生じると、装置に対するかなりの損傷が生じる恐れがある。このリスクは、引出し電極の後にイオン減速電界を配置することによって最小限に抑えることができる。これは、ビーム形成電極ほど高くはないが、引出し電極よりも高い電位の第３の電極（図１には図示せず）を追加することによって達成される。この後者の電極Ｇ３は、Ｇ３とターゲット（図示せず）の間に存在するビームプラズマに対して、最大３０Ｖという大きさの程度まで負である。ビームプラズマは通常、グランドに対して正ではあるがグランドに非常に近いので、Ｇ３電位は、グランドから変化してもよいが、通常はグランド自体である。

したがって、最終のビームエネルギーは、Ｇ１と加速器の下流のビームプラズマとの電位差によって設定される。通常、ビームプラズマはグランド電位にあり、したがってＧ３もグランド電位にある。このため、Ｇ３はしばしば、グランド電極と呼ばれる。したがって、必要な加速電界を得るために、Ｇ１は高い正の電位になければならない。

ビーム集束は、主に、プラズマ発生器と加速器電極１０２との間の境界面によって制御される。イオンがプラズマから引き出され、電子がはね返されるとき、シースまたはメニスカスが形成されており、その位置は、電子密度の減少（プラズマの本体内でのその値の指数関数ｅｘｐ（−０．５）倍、すなわち６０．６％に減少）によって定義される。イオンは、プラズマ中の電子温度の半分に等しい値を伴ってメニスカスを直角に横断し、次いで、加速器電位によって設定されるエネルギーまで加速される。メニスカスを越えたところで、電子数密度が迅速にゼロに減少し、イオンは、電極およびその電極内のアパーチャによって形成される静電界に支配される弾道に従う。

上述の三電極加速器構造では、２つの静電レンズが設けられ、１つはＧ２のところに、１つはＧ３のところに設けられる。前者は、ほぼ必ず発散レンズであり、後者は常に集束レンズである。メニスカスおよびこの２つのレンズが光学系を形成し、その機能は、イオンビームを引き出し、それを平行化して所望のスポットサイズにすることである。

イオンビームの電流は、多くの要因に左右される。それらの要因はチャイルドラングミュアの式によって関連付けられる。半径ａをもつ単一の円形アパーチャの場合のこの式の完全形は、

である。

項Ａはイオン質量数であり、これは、アルゴンなどの典型的なプラズマガスの場合、４０である。Ｒ_ｃはＧ１に隣接するプラズマメニスカスの曲率半径であり、Ｒ_ａは引出し電極Ｇ２でのイオン軌道の曲率半径であり、Ｖはこの２つの電極間の電圧であり、αは、自然対数の無限級数であり、その最初の３項が、

である。

実際的に、式１を標準的な数学的技法を使用して簡略化すると、

がもたらされる。

式３は、非常に低い引出しエネルギーでの動作が困難であることを示している。イオン質量が定義され、ビームエネルギーＶも同様である場合、大きなイオン電流が必要ならば、引出しギャップｄを低減させなければならない。しかし、これは、アパーチャ半径ａが常にギャップｄの半分以下に維持される場合にだけ実現可能であることが、実験により示されている。それと同時に、ビーム平行化要件により、凹状メニスカスの曲率はギャップ距離の４倍に設定され、その結果、式３の最終項は０．６４になる。したがって、従来の低電圧加速器は、ビーム電流を最大にするために、非常に短いギャップと、さらに小さなアパーチャ半径とを有している。

結果として、短いギャップがさらに短くならないようにするために、引出し電極が非常に薄くなければならない。この点について、ギャップは常に電極厚さを含むことに留意されたい。というのも、電極厚さが、有効静電ギャップの一部をなすためである。非常に薄い引出し電極の使用は、グリッドが機械的に比較的弱いことを意味する。このことは、信頼性の高い、長寿命の低電圧加速器の構築がこのために困難になるので、問題である。

ビーム電流を増大させ、良質の光学系を維持するための１つの提案は、Ｇ１とＧ２の間に非常に大きな電位を使用し、それに続いて、Ｇ２とＧ３の間にほとんど等しいが逆の電位を使用することである。最終のビームエネルギーは、この２つの大きな電位間の差となるが、プラズマからのビーム引出しは、大きなＧ１−Ｇ２電位（式３におけるＶ）によって支配される。この動作モードは、「加速−減速（ａｃｃｅｌ−ｄｅｃｅｌ）」として知られている。

加速−減速システムはこれまでに提案されてきたが、大きな電位は一般に収差を誘起するため、成功裏に市場化されていない。あらゆる加速器は、いくらかの「減速」特性を有し、したがって、「加速−減速」であると述べることができると認識されている。しかし、そうした構成では、比が一般にわずか０．１であり、したがってそれらは、本発明の文脈では、真の「加速−減速」システムではない。この比は、Ｖ_{ｄｅｃｅｌ}とＶ_ｂｅａｍの比であり、ここで、Ｖ_{ｄｅｃｅｌ}は正数として表される第２のギャップ電圧である。

式３は、ビーム電極が、完全な球面の一部をなす無限に薄いシートであると仮定するように簡略化されている。しかし、これは物理的に非現実的であり、したがって、その結果には固有の問題がある。電極を形成することがＪ．Ｒ．Ｐｉｅｒｃｅ、Ｊ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ １１ １９４０ ｐ５４８において提案されている。具体的には、プラズマメニスカスに隣接する有限の厚さをもつＧ１電極について、加速器の残りが、完全な球面である加速器内に存在するときと同じ電界に遭遇するように、特別な斜面が提案されている。

この提案を最終段階までもっていくならば、ビームには、あらゆる球面収差が完全になくなることになる。しかし、こうするには、隣接するアパーチャ間に極めて大きな間隔が必要になり、これは実際的でない。したがって、この提案も市場化されていない。

本発明は、従来技術に付随する問題を克服して、低発散性および低減された球面収差を有し、十分な電力密度（本明細書では電流密度とも呼ぶ）を伝搬するイオンビームを発生させるためのシステムを提供しようとするものである。

したがって、本発明によれば、
近位側および遠位側を有し、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つ有する第１の電極であって、前記アパーチャの壁面が、該第１の電極の遠位側の前記アパーチャの半径が該電極の前記近位側の前記アパーチャの半径よりも大きくなるように形成されている第１の電極と、
前記第１の電極の前記遠位側に隣接するがそこから間隔をあけて配置され、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つ有する第２の電極と、
前記第２の電極に隣接しかつそこから間隔をあけて配置され、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つの有する第３の電極と、を備え、
各電極の前記少なくとも１つのアパーチャが、他の電極の対応するアパーチャに対して揃えられているイオンビーム加速装置であって、
前記電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差が生じ、かつ、前記第２の電極と前記第３の電極との間に電位差が生じるように配置されている、イオンビーム加速装置が提供される。

「第１の」電極、「第２の」電極、および「第３の」電極、ならびにそれらの遠位側および近位側という言及は、ビームの移動方向に関連することが理解されよう。

有利には、第１の電極にアパーチャ構造を形成した結果として、加速されたイオンビームから球面収差が実質的になくなり、引出しアパーチャ全体が、従来技術に比べて、より大きなアパーチャを使用することができるように使用される。これにより、所与の断面積全体にわたって、大幅に改善された均一なスポット均一性がもたらされる。

本発明の発明は一般に形成された１つまたは複数のアパーチャを第１の電極内のみに有するが、それらが、第２の電極および／または第３の電極内にあってもよい。

好ましくは、第１の電極がビーム形成電極であり、第２の電極が引出し電極であり、第３の電極がグランド電極である。それに加えてまたはその代わりに、第２の電極が発散静電レンズであり、第３の電極が集束静電レンズである。この好ましい構成では、発散静電レンズおよび集束静電レンズが形成され、その結果、高度に平行化されたビームが生じる。

第１の電極の形成されたアパーチャ（斜面の付いた形状でよい）は、電極間の異なる電位とあいまって、本発明が、低発散性の、球面収差が低減されたイオンビームを実現することを意味し、このビームは十分な電力密度を伴って伝搬する。
さらにこの構成によれば、プラズマ源熱負荷の影響をより受けにくい、より堅固なイオン加速器が実現される。別の利点は、装置が球面電極の複雑な構成を必要としないので、製造コストが低減されることである。

アパーチャの任意の適切な形状を実現することができる。一構成では、アパーチャが斜面付き輪郭を有してよい。この斜面付き輪郭は、任意の適切な形状を有してよいが、一構成では、電極の厚さの少なくとも一部分において平坦であり、次いで、約２０°〜約６０°の角度で外側に傾斜してよい。約４５°の角度が特に有用となり得る。この角度は、イオンビームの軸に垂直な面からの角度である。

電極のこのアパーチャまたは各アパーチャは、任意の適切な形状のものでよいが、一般には円形である。

第１の電極の近位側のアパーチャのボア半径は、第１の電極の遠位側のアパーチャのボア半径未満でよい。第１の電極の近位側の、すなわちアパーチャの入口のところのボア半径と、第１の電極の遠位側の、すなわちアパーチャに対する出口のところのボア半径との比は約１．２〜約１．４でよく、より好ましくは約１．３でよい。１．５も適切となり得る。

第１の電極の近位側から遠位側までの厚さと、アパーチャ半径との比は約０．５〜１でよい。典型値は約０．７である。

さまざまな電極の電位を適宜選択することができる。一構成では、第１の電極と第２の電極との電位差、および第２の電極と第３の電極との電位差がほぼ等しく、大きさが逆でよい。

本発明の好ましい一構成では、第１の電極と第２の電極との間のギャップ両端間の電位差と、最終ビームエネルギーとの比が少なくとも２：１である。より好ましくは、この比が３：１であり、２：５も適切である。しかし、この比が１００：１もの大きさでもよく、約４０：１の範囲内の比はいくつかの利点をもたらす。

最終のビームエネルギーは、第１の電極と第３の電極との電位差によって定義され、ビーム電流は、第１の電極と第２の電極との電位差によって定義される。必要なビームエネルギーは、ビームの意図する用途によって変わり、したがって、第３の電極がグランド電位にあると仮定すると、第１の電極の電位も固定される。しかし、第２の電極の電位は、所望のビーム平行化をもたらすものを選択することができる。

本発明の加速器は、低エネルギー荷電粒子ビームを発生させるための装置で使用することができ、したがって本発明の第２の態様によれば、プラズマチャンバと、前記プラズマチャンバ内で、第１の極性をもつ粒子と、第２の極性をもつ反対に荷電した粒子とを含むプラズマを発生させる手段と、前記プラズマチャンバ内で、前記第１の極性をもつ粒子を制限する手段と、上記の第１の態様による加速器と、を備え、前記第１の電極の近位面が前記プラズマに接触する、低エネルギー荷電粒子ビーム発生装置が提供される。

本発明を、ほんの一例として、添付の図面を参照して以下にさらに説明する。

球面二電極加速構造の従来技術構成を示す図である。 本発明による斜面付きアパーチャおよび電極構造の断面を示す図である。 形状非設定のアパーチャを有する図２の構成のＡｘｃｅｌ写真である。 図３によるＡｘｃｅｌエミッタンス図である。 ５ｍｍの形成された電極の６００Ｖ時のＡｘｃｅｌプロットである。 図５の構成のＡｘｃｅｌエミッタンス図である。 ５ｍｍの形成された電極の２５０Ｖ時のＡｘｃｅｌプロットである。 図７の構成のＡｘｃｅｌエミッタンス図である。 ５ｍｍの形成された電極の、強い加速−減速を伴う２５０Ｖ時のＡｘｃｅｌプロットである。 図９の構成のＡｘｃｅｌエミッタンス図である。 ８ｍｍの形成された電極の、強い加速−減速を伴う２５０Ｖ時のＡｘｃｅｌプロットである。 図１１の構成のＡｘｃｅｌエミッタンス図である。

図２に示すように、本発明は、三電極の形をとるイオン加速器２００を提供する。この三電極構造は、第１のビーム形成電極２０２、第２の引出し電極２０４、およびグランド電極として知られる第３の電極２０６を含んでいる。これらの電極はすべて、それらの中を貫通するアパーチャを有しており、各アパーチャは平坦であり、アパーチャの中心の周りで円対称性または回転対称性を有している。これらの電極は、そのアパーチャが実質的に揃うように直列に配置される。

ビーム形成電極２０２のアパーチャは、斜面付きまたは切取り済みの部分２０３を備えている。斜面２０３は、ビーム形成電極のアパーチャ中心の周りで円対称性または回転対称性を有するように構成されている。斜面２０３は、ビーム形成電極のプラズマ発生源とは反対側に配置されている。斜面には、アパーチャ入口半径ａ、カウンタボアまたはアパーチャ出口半径ｓ、斜面の角度をなす角度θ、および電極材料の厚さＴ_１の、４つの限界寸法がある。角度θは、金属内の角度、すなわちイオンビームの軸に垂直な面からの角度と定義される。限界寸法の適切かつ典型な値を表１に示す。

この表では、第１のグリッドの幾何形状が１組の無次元数として表されている。このうち１つめは角度θであり、２つめはカウンタボア半径をアパーチャ半径で除算したｓ／ａである。３つめは電極材料の厚さをアパーチャ半径で除算したＴ_１／ａである。したがって、最適値は、アパーチャの特定のサイズに関連付けられないことが理解されよう。

破線２０５は、アパーチャが斜面付けされてなければあるはずの、アパーチャ２０１の外縁を示している。具体的には、アパーチャの外面は、そのアパーチャおいて、アパーチャの内径と境を接する点まで平らに広がることになる。

記載された斜面構造によって、加速器の電界は理想的な球面加速器の一部を形成し、それにより、球面収差がほとんどなくなる。第２には、その引出し電極のアパーチャ２０４全体が（引出し電極の中心部分だけでなく）有用なビームを形成するのに使用され、その結果、より大きなアパーチャを使用することができる。

加速器２００から引き出される最終のビームエネルギーは、ビーム形成電極２０２とグランド電極２０６との電位差によって定義される。ビーム電流は、ビーム形成電極２０２と引出し電極２０４との電位差によって定義される。グランド電極２０６がグランド電位に固定されていると仮定すると、ビーム形成電極２０２の電位も固定される。したがって、引出し電極２０４の電位を、ビーム平行化要件の制約内で任意の所望値に固定できることになる。このタイプの加速器は、ビームがまず強く加速され次いでほとんど同程度に強く減速（ｒｅｔａｒｄ）（減速（ｄｅｃｅｌｅｒａｔｅ））されるので、加速−減速加速器と呼ばれる。

正確な引出し電極２０４の電位と、残りの収差の深刻度を評価するために、イオン光学コード（ｏｐｔｉｃｓ ｃｏｄｅ）を、空間電荷、プラズマ源シミュレーション、および電子温度とイオン温度の両方と共に使用することができる。本発明の構成を、ＩＮＧ ＧｍｂＨにより販売されているＡｘｃｅｌコードを使用して試験した。

図３は、従来技術による形状非設定の加速器におけるイオン引出しプロットを示している。加速器プロットは、プラズマ内で開始するイオン軌道の完全なモデルを示しており、このプラズマ内では、プラズマ電子によって空間電荷が中和される。このため、電位が約３０Ｖ〜約８０Ｖだけ増加して、プラズマ源内のプラズマ電位が可能になる。コードは、加速器の下流のビームが追加のプラズマによって空間電荷中和されることを可能にする。

このタイプの形状非設定の加速器により形成される収差の深刻度を、図４にエミッタンス図として示す。図では、図３の各光線が、半径（ｘ）および発散（ｘ’）面内の点で表されている。ビームの外側ウィングは、上方および下方に向いて「Ｓ」形を形成する。これらが収差であり、ビームの〜約４０％を構成している。ビームのこの部分は、上述の適用分野でほとんど役にたたない。

従来技術の斜面の付いていない引出し電極を、斜面付きの引出し電極に置き換えるとともに、当業者に理解されるように、ギャップに対して電極を収容するためのいくらかの必要な調整を行うことによって、図５、図６に示す改善がもたらされる。図４と図６を比較して分かるように、収差がほとんどなくなったので、その低減は明確である。さらに、ビーム電流が、ギャップ、電位、およびアパーチャ直径が同じ場合に、１アパーチャ当たり０．４７ｍＡから１アパーチャ当たり０．７ｍＡに上昇している。この後者の影響は、穴の縁のところの光線から生じており、この光線は主ビームの一部をなし、ビーム電流のその割当て分を伝達している。

しかし、超低ビーム動作は依然として困難である。この理由は、電流が電極間ギャップ両端間のビームエネルギーの３／２乗として依然として減少するためである。これは図７、図８に見られ、ここで、これらの図では、図５、図６と同じ幾何形状が使用されているが、ビームエネルギーはこの場合は２５０Ｖに低減されている。ビーム電流は０．４５ｍＡに下がり、収差が増大している。

加速−減速動作モードを斜面付き電極構造と併用すると、非常に低いエネルギーにおいて電流が低減するというこの問題が克服され、収差が低レベルに維持される。これは図９、図１０に示されており、これらの図では、２５０Ｖで動作している直径５ｍｍのアパーチャが示されている。この非常に低いエネルギーにおいて、収差が完全にない状態にビームを維持することは困難であるが、図９から分かるように、低エネルギーにも関わらず、ビームレット電流がより大きいという副次的な利点がある。

別の利点は、電極が、図４に示す従来技術の幾何形状よりもずっと剛性であるということである。というのも、電極はこの場合、加速器が非常に高い引出し電極電位で動作する能力を活用することにより、ずっと厚くなっているためである。ギャップも３ｍｍに増え、加速器が高電圧スパークに対してより耐性があるようになっている。

図１１、図１２に見られるように、ビーム形成電極２０２のアパーチャ直径を８ｍｍに増大させることが可能である。このオプションにより、より厚い電極およびより高い動作電位が可能になり、したがって、特に、ビーム形成電極２０２（プラズマ源の熱負荷にさらされ、したがって直径が大きいときに曲がる傾向があるため最も脆弱である）が非常に堅牢になる。アパーチャがより少数のほうが、製造コストを低減させるという利点がある。

このように、本発明によって、十分な電力密度を伴って伝搬する、低発散性の、球面収差が低減されたイオンビームが実現されることが分かる。さらに本発明によれば、プラズマ源熱負荷の影響をより受けにくい、より堅牢なイオン加速器が実現される。

Claims (17)

1. 近位側および遠位側を有し、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つ有する第１の電極であって、前記アパーチャの壁面が、該第１の電極の遠位側の前記アパーチャの半径が該電極の前記近位側の前記アパーチャの半径よりも大きくなるように形成されている第１の電極と、
   前記第１の電極の前記遠位側に隣接するがそこから間隔をあけて配置され、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つ有する第２の電極と、
   前記第２の電極に隣接しかつそこから間隔をあけて配置され、その中を貫通するアパーチャを少なくとも１つの有する第３の電極と、を備え、
   各電極の前記少なくとも１つのアパーチャが、他の電極の対応するアパーチャに対して揃えられているイオンビーム加速装置であって、
   前記電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差が生じ、かつ、前記第２の電極と前記第３の電極との間に電位差が生じるように配置されている、イオンビーム加速装置。
2. 前記第１の電極がビーム形成電極であり、前記第２の電極が引出し電極であり、前記第３の電極がグランド電極である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の電極が発散静電レンズであり、前記第３の電極が集束静電レンズである、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第１の電極の形成された前記アパーチャが斜面付けされる、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記電極の前記アパーチャは、
   前記電極の厚さの少なくとも一部分において平坦であり、
   次いで約２０°〜約６０°の角度で外側に傾斜する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記電極の前記アパーチャは、
   前記電極の厚さの少なくとも一部分において平坦であり、
   次いで約４５°の角度で外側に傾斜する、請求項５に記載の装置。
7. 前記各電極の前記アパーチャが同じ形状である、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記アパーチャが円形である、請求項７に記載の装置。
9. 前記第１の電極の前記近位側の前記アパーチャのボア半径が、前記第１の電極の前記遠位側の前記アパーチャのボア半径未満である、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第１の電極の前記近位側のボア半径と前記第１の電極の前記遠位側のボア半径との比が、約１．１〜約１．７である、請求項９に記載の装置。
11. 前記第１の電極の前記近位側のボア半径と、前記第１の電極の前記遠位側のボア半径との比が、約１．２〜約１．４である、請求項９に記載の装置。
12. 前記第１の電極の前記近位側のボア半径と、前記第１の電極の前記遠位側のボア半径との比が約１．３である、請求項９に記載の装置。
13. 前記第１の電極の前記近位側から前記第１の電極の前記遠位側までの厚さと、アパーチャ半径との比が約０．５〜約１である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記第１の電極の前記近位側から前記第１の電極の前記遠位側までの厚さと、アパーチャ半径との比が約０．７である、請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１の電極と前記第２の電極との前記電位差と、前記第２の電極と前記第３の電極との前記電位差とがほぼ等しく、大きさが逆である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記第１の電極と前記第２の電極との間のギャップの両端間の前記電位差と、最終ビームエネルギーとの比が、少なくとも２：１である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
17. プラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバ内に、第１の極性をもつ粒子と、第２の極性をもつ反対に荷電した粒子とを含むプラズマを発生させる手段と、
    前記プラズマチャンバ内で、前記第１の極性をもつ粒子を制限する手段と、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の加速器と、を備え、
    前記第１の電極の近位面が前記プラズマに接触する、低エネルギー荷電粒子ビーム発生装置。

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