JP2013542563A - 誘導結合プラズマ・イオン源用のコンパクトなｒｆアンテナ - Google Patents

Abstract

集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム用の誘導結合プラズマ・イオン源であって、フィード・ガス送達システムを備える絶縁性のプラズマ室と、プラズマ室の外径の近くにプラズマ室と同心にまたはプラズマ室の外径に接触してプラズマ室と同心に配置されたコンパクトな高周波（ＲＦ）アンテナ・コイルとを備える誘導結合プラズマ・イオン源が開示される。アンテナ上のＲＦ電圧とプラズマ室内のプラズマとの間の容量結合を防ぐため、いくつかの実施形態では、プラズマ室がファラデー・シールドによって囲われる。アンテナ・コイルのターンを密に配置することを可能にするため、アンテナを形成するために使用する導電性の管または導線の外径に、高絶縁耐力の絶縁管が熱収縮によって提供される。この絶縁管は、アンテナの異なる部分間のＲＦ電圧差およびアンテナとファラデー・シールドの間のＲＦ電圧差を隔離することができる。

Description

本発明は、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム内で使用される誘導結合プラズマ・イオン源に関し、より詳細には、高密度プラズマを効率的に発生させるのに適した改良されたＲＦアンテナに関する。

集束カラムとともに使用されて荷電粒子の集束ビーム、すなわちイオンまたは電子の集束ビームを形成するとき、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源は、他のタイプのプラズマ源よりも有利な点を有する。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，２４１，３６１号明細書に記載されているものなどの誘導結合プラズマ源は、狭いエネルギー範囲内の荷電粒子を供給することができ、それによって色収差を低減させ、荷電粒子を小さなスポットに集束させることができる。

ＩＣＰ源は一般に、絶縁性のプラズマ室の周囲に同軸に取り付けられた高周波（ＲＦ）アンテナを含む。ＲＦアンテナは、プラズマ室内でプラズマに点火し、そのプラズマを維持するためのエネルギーを供給する。ＲＦアンテナは一般に、互いに対して軸方向に変位した同軸の複数のターン（ｔｕｒｎ）を有するコイルを備え、ＲＦアンテナの全長は、プラズマ室内で発生するプラズマの軸方向の広がりを制御する。ＲＦアンテナは、ターン数を増やすことによってまたはターン間の間隔を大きくすることによって長くすることができ、その場合、プラズマ室内のプラズマも長くなる。ＲＦアンテナは、ターン数を減らすことによってまたはターン間の間隔を小さくすることによって短くすることができ、その場合、プラズマ室内のプラズマも短くなる。ターン数を増やすと、ＲＦアンテナに電力を供給するＲＦ電源とプラズマ室内のプラズマとの間の結合効率を向上させることができる。しかしながら、プラズマ室内のプラズマの直径が変わらないと仮定すると、一定の入力ＲＦ電力に対して、プラズマの密度はプラズマの軸方向の長さに概ね反比例するため、コイルが短いほど、イオン発生効率の高いプラズマを生み出すことができる。

したがって、好ましいアンテナ構成は、可能な最も短い長さのアンテナ・コイル内に最も多くのターンを含むアンテナ構成である。このことは、より近いターン間間隔（すなわちＲＦアンテナ内の連続するターン間の距離）をできるだけ小さくすべきであることを明らかに含意している。しかしながら、ＲＦ電源からの電力はアンテナ・コイルの両端間に高電圧を発生させ、それによって連続するターン間に電圧が生じる。このターン間の電圧は４００Ｖｒｆを超えることがあり、高ＲＦ電力では数ｋＶｒｆに達することもある。ＲＦ電力を増大させると通常はプラズマ密度が増大し、源放出電流が大きくなるが、高いＲＦ電力は、アンテナのターン間絶縁と、異なる電位にあるアンテナおよび隣接する電気構成要素との間の絶縁に関してより厳しい高電圧隔離（ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｎｄｏｆｆ）要件を課す。

前掲の先行技術で論じられているとおり、高導電率金属でできたファラデー・シールド構造物をプラズマ室とアンテナの間に配置すると、プラズマ中への容量性のＲＦ電圧結合を最小化することができる。このような結合は源ビームのエネルギー幅を劇的に増大させる可能性がある。集束イオン・ビーム・システムでは、細いプローブ・ビームを達成するのに有害な色収差を低減させるため、エネルギー幅が可能な最も小さいものである必要がある。したがって、最適なアンテナ設計は、ターン間およびアンテナとアンテナに隣接するファラデー・シールドなどの電気構成要素との間に十分な電圧隔離を与えるものでなければならない。

したがって、集束イオン・ビーム・システム内で使用される改良された誘導結合プラズマ・イオン源が求められている。

米国特許第７，２４１，３６１号明細書 米国特許第６，９７５，０７２Ｂ２号明細書 米国特許第４，７２５，４４９号明細書 米国特許第６，１２４，８３４号明細書

本発明の目的は、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム内で使用される改良された誘導結合プラズマ・イオン源を提供することにある。

本発明の実施形態は、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム内で使用される誘導結合プラズマ・イオン源内において高密度プラズマに点火しおよび／または高密度プラズマを持続させるためのよりコンパクトで効率的なＲＦアンテナを提供する。アンテナはコンパクトであるほど、より高い密度のプラズマをより効率的に発生させることができ、それによってより低いＲＦ入力電力でより高いイオン放出電流を発生させることを可能にする。本発明のいくつかの実施形態のコンパクトなアンテナ設計によって可能になる、高ＲＦ電力で動作可能なコンパクトなプラズマ源は、源の動作パラメータの範囲を広げ、それによって最適化された動作モードのより幅広い範囲および複数のフィード・ガスで動作する能力を可能にすると考えられる。

好ましいアンテナ・コイルは、先行技術の絶縁コーティング（１５．７ｋＶ／ｍｍ）よりもはるかに高い絶縁耐力（例えば５５ｋＶ／ｍｍ）を示し、それによりターン間のギャップおよびファラデー・シールドまたはプラズマ室までのアンテナ・コイルの距離の近さに関してはるかにコンパクトなアンテナ設計を可能にする、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）プラスチック管などの高密度絶縁材料を使用して絶縁される。いくつかの実施形態では、この絶縁材料が、アンテナの電流を運ぶ導体の周囲にぴったりと密着するようにＰＴＦＥ管を熱収縮させることよって形成される。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

プラズマ室の周囲にＲＦアンテナを取り付ける先行技術の第１の方法であり、大きなターン間間隔を高電圧隔離のために有するアンテナ・コイルの表面に付着させた絶縁コーティングを使用する方法を示す図である。 プラズマ室の周囲にＲＦアンテナを取り付ける先行技術の第２の方法であり、アンテナ・コイルのターン間の高電圧隔離とコイルの冷却の両方を提供する絶縁流体を使用する方法を示す図である。 プラズマ室の外径から離隔したターン、およびターン間ギャップとを有するＲＦアンテナを使用した、本発明の第１の実施形態の概略側断面図である。 図３の第１の実施形態と同様のアンテナ構造体と、アンテナとプラズマ室の間のファラデー・シールドとを使用した、本発明の第２の実施形態の概略側断面図である。 ファラデー・シールドに接触したターンを有し、ターン間ギャップのないＲＦアンテナを使用した、本発明の第３の実施形態の概略側断面図である。 ファラデー・シールドに接触したターンを有し、ターン間ギャップがなく、コイル冷却流体がアンテナの外部にあるＲＦアンテナを使用した、本発明の第４の実施形態の概略側断面図である。 先行技術のアンテナおよび本発明のコンパクトなアンテナによって生み出される磁場を、アンテナ・コイルの長さの関数として示したグラフである。 図７のグラフの一部を大写しにした図であり、先行技術のコイルの長さおよび本発明のコイルの長さを示す図である。 生み出される磁場を、アンテナ・コイルの直径の関数として示したグラフである。 図９のグラフの一部を大写しにした図である。 先行技術および本発明について、プラズマ源の放出電流を、入力ＲＦ電力の関数として示したグラフである。

添付図面は、一律の尺度で描くことを意図して描かれてはいない。これらの図面では、さまざまな図に示されている同一の構成要素またはほぼ同一の構成要素が、同様の符号によって示されている。見やすくするため、全ての図面の全ての構成要素に符号が付けられているわけではない。

本発明の実施形態は、集束荷電粒子ビーム・システム内で使用される誘導結合プラズマ源用のコンパクトな高周波（ＲＦ）アンテナを提供する。ＲＦ電源は、ＲＦ電力を効率的に送達するため（すなわち電源へ反射されるＲＦ電力が最小限になるように）、インピーダンス整合回路を介してＲＦアンテナに接続される。プラズマ室内で発生するプラズマ中への電力の結合効率を最大化するため、このＲＦアンテナは、プラズマ室の周囲にプラズマ室と同軸に配置されることが好ましい。本発明の実施形態は、誘導結合プラズマ荷電粒子源用のＲＦアンテナを提供する。いくつかの実施形態では、ＲＦアンテナ・コイルが、プラズマを遮蔽してアンテナ上のＲＦ電圧との容量結合を防ぐ働きをする接地されたファラデー・シールドに接触し、またはそのようなファラデー・シールドのすぐ近くにある。他の実施形態では、誘電性の冷却材に浸すことによって、本発明のコンパクトなアンテナ・コイルが冷却される。

図１は、イオン源１００内のプラズマ室の周囲にＲＦアンテナ１１２を取り付ける先行技術の第１の方法（米国特許第６，９７５，０７２Ｂ２号明細書）を示す。このプラズマ室は３つの部分、すなわち上部１０６（第１の永久磁石を備えることがある）および下部１０８（第２の永久磁石を備えることがある）、ならびにＲＦアンテナ１１２を囲う中央の石英フランジ１１０を含み、上部１０６と下部１０８は石英フランジ１１０によって離隔されている。上部１０６の頂部にあるガス供給管１０２は、フィード・ガス１０４（すなわちイオン化されるガス）の調整された流れがプラズマ室の内部へ流入することを可能にする。下部１０８の下端のフランジ１２２は、イオン源１００を荷電粒子ビーム・システム（図示せず）に取り付けることを可能にする。ＲＦ電源（図示せず）からの電力がアンテナ１１２に接続されると、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）無線バンド内の一般的なＮ×１３．５６ＭＨｚ（Ｎは整数＝１、２または３である）の周波数のＲＦ高電圧がアンテナ１１２の両端間に生じ、それによって時間変化する軸方向の磁場がプラズマ室内に生じる。この軸方向の磁場は、マクスウェルの方程式に従って、プラズマ室内に、プラズマ１５０を発生させ維持する時間変化する方位電場を生じさせる。場合によっては、アンテナ１１２の連続するターン間の電圧差が、アンテナ・コイル１１２の隣接するターン間に何らかの高電圧絶縁が必要となる４００Ｖｒｆを超えることがある。フランジ１２２の下に位置する引出し電極（図示せず）に電圧を印加することによって、プラズマ１５０から荷電粒子（イオンまたは電子）１２０を引き出すことができる。図７〜１１に示すように、アンテナ１１２からプラズマ１５０へのＲＦ電力の結合効率を最適にするためには、アンテナ１１２の直径１８４を最小化し、さらにアンテナ１１２の長さ１１６を最小化する必要がある。アンテナの直径１８４を最小化すると、プラズマ１５０の外側からアンテナまでの距離が可能な限り小さくなり、アンテナの長さ１１６を最小化するとプラズマ１５０の体積が最小になり、それにより、所与のＲＦ入力電力に対してプラズマ１５０が吸収する電力密度（Ｗ／ｃｍ³）が最大になる。プラズマ密度が高いほど、誘導結合プラズマ・イオン源内のイオン放出電流を高くすることができる可能性がある（図１１参照）。

ＲＦアンテナ１１２の１つのターンの詳細な断面図が図１の右側に示されている。コイル管１３２の材料は一般に銅であり、この銅は、図１の左側に示されたコイル状のアンテナ構造物１１２の巻付けを可能にするために焼き鈍されている。この先行技術のアンテナでは、コイル管１３２の外面に薄い絶縁コーティング１３０がコーティング工程によって塗布されている。冷却のため、コイル管１３２は、プラズマ・イオン源１００の動作中に冷却流体がその中を流れる円形の内側管状開口１３４を有する。冷却流体は導電性のコイル管１３２の内側を流れるため、冷却流体に、誘電特性または絶縁特性に関する要件が課せられることはない。冷却流体の選択肢としては、水（脱イオン水または脱イオン化されていない水）、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標）のような誘電性のフルオロカーボン流体などがある。図示のＲＦアンテナ１１２は、石英フランジ１１０の外径１８６に接触しているか、または石英フランジ１１０の外径１８６のすぐ近くにある。絶縁コーティング１３０は一般に、主にコーティング技術の限界のために絶縁耐力が比較的に低い（例えば１５．７ｋＶ／ｍｍ）ことを特徴とし、そのため、ターン間ギャップ１１８を、ギャップ１１８にわたるターン間のＲＦ電圧差の大部分および隣接するターンの絶縁コーティング１３０を半径方向に横切るターン間のＲＦ電圧差のより小さな部分を支持する十分に大きなものにしなければ、アンテナ１１２の連続するターン間に生じるＲＦ電圧差はターン間の電圧隔離能力を超えるであろう。アンテナ１１２のターンが石英フランジ１１０の外径１８６に接触している場合にはさらに、表面トラッキング（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ）が生じないように、石英フランジ１１０の外径１８６に沿った中央のターンの接触点１９２からその下のターン１９４の接触点までの距離１９０によって、ターン間のＲＦ電圧差を支持しなければならない。隣接するターン間の中心−中心間隔１１４は、ターン間ギャップ１１８に絶縁コーティング１３０の外径を加えたものに等しい。アンテナ１１２の全長１１６（中心−中心）は下式のとおりである。

コイルの長さ１１６＝（Ｎ−１）（ターン間間隔１１４） ［式１］
上式でＮ＝アンテナ１１２のターン数である。ターン数は、プラズマ室内のプラズマ１５０の所望の長さ、プラズマ１５０に結合するＲＦ電力、ビーム１２０中の放出電流の目標値およびプラズマ室内のフィード・ガス１０４の圧力によって決定される。

絶縁コーティングは一般に、コーティング技術の限界のため薄くなりがちであり、同じ材料の固体材料塊よりも低い密度を有する。密度が低いほど絶縁耐力も低くなり（例えば一般的には８．６ｋＶ／ｍｍから１５．７ｋＶ／ｍｍ）、したがって高電圧隔離もより不十分になる。したがって、ターン間のＲＦ電圧差は、アンテナ１１２への入力ＲＦ電力が大きくなるに連れて増大するため、ターン間の電圧隔離が限定されたものであると、プラズマ室内でのプラズマの発生に利用できる最大ＲＦ電力も限定され、したがってビーム１２０中の最大イオン放出電流も限定される。

絶縁コーティング１３０の低い絶縁耐力は、図１の先行技術のプラズマ・イオン源に対して別の欠点を有する。図１に示した源構成は、アンテナ・コイル１１２とプラズマ１５０の間にかなりの量の容量結合を有する。プラズマ１５０は実質的にプラズマ室内の等電位体積として振舞う。したがって、ＲＦアンテナ１１２の両端間の高電圧のため、プラズマ１５０の電圧は、プラズマ１５０上に誘導された容量結合された電圧を有し、この電圧が、源１００が放出するイオン１２０のエネルギーに影響を及ぼす可能性がある。多くのプラズマ・イオン源では、ＲＦアンテナとプラズマ室の間にファラデー・シールド（例えば図２のファラデー・シールド２９８）を挿入することによって、この容量性の電圧結合が大幅に低減する。コイル１１２の表面のコーティング１３０の絶縁耐力は低いため、ＲＦアンテナ１１２と石英フランジ１１０の間にファラデー・シールドを配置することはできない。これは、薄い絶縁コーティング１３０を通してコイル管１３２とファラデー・シールドの間に高電圧アークが発生する可能性があるためである。

米国特許第４，７２５，４４９号明細書および第６，１２４，８３４号明細書で論じられているように、先行技術のアンテナ絶縁コーティングには、摩耗または切削に対する抵抗性の不足、割れ、老化、複雑な形状を有するアンテナを巻くのには不十分な柔軟性など、別の問題もある。

図２は、イオン源２００内のプラズマ室２０６の周囲にＲＦアンテナ２１２を取り付ける先行技術の第２の方法を示す。プラズマ室２０６は、その頂部に、フィード・ガス２０４（すなわちイオン化されるガス）の調整された流れがプラズマ室２０６の内部へ流入することを可能にするガス供給管２０２を有する。プラズマ室２０６の下端のフランジ２２２は、イオン源２００を荷電粒子ビーム・システム（図示せず）に取り付けることを可能にする。ＲＦ電源（図示せず）からの電力がアンテナ２１２に接続されると、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）無線バンド内の一般的なＮ×１３．５６ＭＨｚ（Ｎは整数＝１、２または３である）の周波数のＲＦ高電圧がアンテナ２１２の両端間に生じ、それによって時間変化する軸方向の磁場がプラズマ室２０６内に生じる。図１と同様に、この磁場は、マクスウェルの方程式に従って、源室２０６内に、プラズマ２５０を発生させ維持する時間変化する方位電場を生じさせる。場合によっては、アンテナ２１２の連続するターン間の電圧差が、アンテナ・コイル２１２の隣接するターン間に何らかの高電圧絶縁が必要となる４００Ｖｒｆを超えることがある。フランジ２２２の下に位置する引出し電極（図示せず）に電圧を印加することによって、プラズマ２５０から荷電粒子（イオンまたは電子）２２０を引き出すことができる。アンテナの直径２８４および長さ２１６に関する同じ考慮事項が、この先行技術の第２の誘導結合プラズマ・イオン源にも当てはまる。すなわち、効率を最適にするためには、アンテナ２１２とプラズマ２５０の間の半径方向距離を最小化する必要があり、所与のＲＦ入力電力に対してプラズマ２５０が吸収する電力密度（Ｗ／ｃｍ³）を最大にするためには、コイルの全長２１６を最小化すべきである。プラズマ密度が高いほど、誘導結合プラズマ・イオン源内のイオン放出電流を高くすることができる可能性がある（図１１参照）。

図２のＲＦアンテナ２１２は、絶縁されていない中実のアンテナ線（一般に銅）のターンを使用する。アンテナ２１２は、アンテナ２１２の連続するターン間の完全な高電圧隔離を提供する誘電性の絶縁流体２６０に浸されている。図１のケースとは違い、この方法では、アンテナ・コイル２１２の隣接するターン間の高電圧破壊またはアンテナ・コイル２１２のターンと（接地された）ファラデー・シールド２９８の間の破壊を防ぐために冷却流体２６０の絶縁特性が決定的に重要であることに留意されたい。アンテナ２１２を駆動する高周波において冷却流体２６０が電気的に透過性である（すなわち最小限の吸収性を有する）ことも重要である。アンテナ２１２の隣接するターン間の中心−中心間隔２１４は、ターン間ギャップ２１８にアンテナ線の直径を加えたものに等しい。アンテナ２１２の全長２１６（中心−中心）は下式のとおりである。

コイルの長さ２１６＝（Ｎ−１）（ターン間間隔２１４） ［式２］
上式でＮ＝アンテナ２１２のターン数である。図２では、ファラデー・シールド２９８が、小さなギャップ２６２によってプラズマ室２０６の外径２８８から分離されている。ファラデー・シールド２９８の外径２８６は、小さなギャップ２９６によってＲＦアンテナ２１２のターンの内面から分離されている。この小さなギャップが、アンテナ２１２の部分とファラデー・シールド２９８の間の最大電圧隔離を決定することがある。ファラデー・シールド２９８は一般に、グランド電位にバイアスされた導体である。

本発明の第１の実施形態
図３は、プラズマ室３０６の外径３８６からある距離３０８だけ離隔したターンと、図１の先行技術の誘導結合プラズマ・イオン源のそれよりもはるかに小さい（一般に絶縁層３３０の外径の半分よりも小さい）ターン間ギャップ３１８とを有するＲＦアンテナ３１２を使用した、本発明の第１の実施形態３００の概略側断面図である。プラズマ室３０６の頂部にあるガス供給管３０２は、フィード・ガス３０４（すなわちイオン化されるガス）の調整された流れがプラズマ室３０６の内部へ流入することを可能にする。プラズマ室３０６の下端のフランジ３２２は、イオン源３００を荷電粒子ビーム・システム（図示せず）に取り付けることを可能にする。ＲＦ電源（図示せず）からの電力が（通常は、図示しないインピーダンス整合回路を介して）アンテナ３１２に接続されると、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）無線バンド内の一般的なＮ×１３．５６ＭＨｚ（Ｎは整数＝１、２または３である）の周波数のＲＦ高電圧がアンテナ３１２の両端間に生じ、このＲＦ高電圧が、時間変化する軸方向の磁場をプラズマ室内に生み出す。この磁場は、マクスウェルの方程式に従って、源室内に、プラズマ３５０を発生させ維持する時間変化する方位電場を生じさせる。場合によっては、アンテナ・コイル３１２の連続するターン間の電圧差が、アンテナ・コイル３１２の隣接するターン間に何らかの高電圧絶縁が必要となる４００Ｖｒｆを超えることがある。フランジ３２２の下に位置する引出し電極（図示せず）に電圧を印加することによって、プラズマ３５０から荷電粒子（イオンまたは電子）３２０を引き出すことができる。先行技術に対するものと同じアンテナの直径３８４および長さ３１６に関する考慮事項が、本発明のこの第１の実施形態にも当てはまる。すなわち、効率を最適にするためには、アンテナ３１２とプラズマ３５０の間の半径方向距離を最小化する必要があり、所与のＲＦ電力に対してプラズマ３５０が吸収する電力密度（Ｗ／ｃｍ³）を最大にするためには、コイルの全長３１６を最小化すべきであり、これにより、荷電粒子ビーム３２０中の放出電流をより高くすることができる可能性がある（図１１参照）。放出電流を最大にする際の他の考慮事項はプラズマ３５０の総体積である。一般に、イオン・ビームの生成において約２ｃｍ³を超えるプラズマ体積はあまり効率的ではない。これは、プラズマ３５０の小さな部分（一般に約１５μｍ³）だけしかイオン・ビーム３２０中の電流に寄与しないためである。

ＲＦアンテナ３１２の１つのターンの詳細な断面図が図３の右側に示されている。コイル管３３４の材料は一般に、無酸素高伝導率（ｏｘｙｇｅｎ−ｆｒｅｅ ｈｉｇｈ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）（ＯＦＨＣ）銅（直径は一般に２から１０ｍｍ、好ましくは３から６ｍｍである）であり、この銅は、図３の左側に示されたコイル状のアンテナ構造物３１２の巻付けを可能にするために焼き鈍されている。コイル管３３４の外面は、ＲＦ周波数におけるコイルの抵抗を低減させるために付着させた導電層３３２（例えば銀または金）を有することができる。一例として、表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）δを周波数の関数として表すと下式のようになる。

δ（ｆ）＝Ｌｆ^-0.5 （δおよびＬの単位はμｍ、ｆの単位はＭＨｚ） ［式３］
上式で、Ｌは、一般的なコイル材料に対して以下の値を有する：Ｌ＝８０μｍ（Ａｌ）、６５μｍ（Ｃｕ）、７９μｍ（Ａｕ）および６４μｍ（Ａｇ）。したがって、例えば、４０ＭＨｚにおいて、銀層３３２の表皮深さは約１０．１μｍであり、そのため、層３３２の厚さが少なくとも２０から１００μｍである（すなわち表皮深さδの２から１０倍である）場合、アンテナ・コイル３１２を流れるほぼ全ての電流が層３３２を流れ、コイル管３３４に電流は流れない。層３３２の厚さは２０から１００μｍとすることができ、２５から５０μｍであると好ましい。

導電層３３２の外面、または導電層３３２を使用しない場合にはコイル管３３４の外面には、一般にＰＴＦＥプラスチックから製造された厚い高密度絶縁管３３０が熱収縮によって提供されている。この高絶縁耐力の絶縁管３３０の壁厚は一般に２５０μｍから１２５０μｍである。絶縁管３３０の好ましい壁厚の範囲は３８０μｍから７５０μｍである。絶縁管３３０の外径は、コイル管３３４の直径に、導電層３３２の厚さを２倍したものおよび絶縁層３３０の厚さを２倍したものを加えることによって決定され、したがって絶縁管３３０の外径は一般に２．５４ｍｍ［＝２ｍｍ＋２（２０μｍ）＋２（２５０μｍ）］から１２．７ｍｍ［＝１０ｍｍ＋２（１００μｍ）＋２（１２５０μｍ）］の範囲であり、より好ましくは３．８１ｍｍ［＝３ｍｍ＋２（２５μｍ）＋２（３８０μｍ）］から７．６ｍｍ［＝６ｍｍ＋２（５０μｍ）＋２（７５０μｍ）］の範囲である。

冷却のため、コイル管３３４は、プラズマ・イオン源３００の動作中に冷却流体がその中を流れる円形の内側管状開口３３６（直径は一般に１から６ｍｍ、好ましくは１．５から３ｍｍである）を有する。冷却流体は導電性のコイル管３３４の内側を流れるため、冷却流体に、誘電特性、絶縁特性またはＲＦ透過性に関する要件が課せられることはない。冷却流体の選択肢としては、水（脱イオン水または脱イオン化されていない水）、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標）のような誘電性のフルオロカーボン流体、変圧器油などがある。図示のＲＦアンテナ３１２は、あるギャップ３０８を間に挟んでプラズマ室３０６の外径３８６のすぐ近くにある。絶縁管３３０は一般に、比較的に高い絶縁耐力を特徴とし、そのため、ターン間ギャップ３１８が絶縁管３３０の壁厚よりもはるかに小さいときでも、アンテナ３１２のターン間に生じるＲＦ電圧差がターン間の電圧隔離能力を超えることはない。本明細書で使用されるとき、語句「比較的に高い絶縁耐力」は、前述の先行技術の絶縁されたコーティングの絶縁耐力のおよそ２倍の絶縁耐力を有する絶縁管を記述するために使用される。本発明に基づく比較的に高い絶縁耐力を特徴とする絶縁管は、２５ｋＶ／ｍｍよりも大きな絶縁耐力を有することが好ましく、３０ｋＶ／ｍｍよりも大きな絶縁耐力を有することがより好ましく、３１．５ｋＶ／ｍｍから５５ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力を有することがよりいっそう好ましい。

コイル３１２の隣接するターン間の中心−中心間隔３１４は、ターン間ギャップ３１８に絶縁管３３０の外径を加えたものに等しい。アンテナ３１２の全長３１６（中心−中心）は下式のとおりである。

コイルの長さ３１６＝（Ｎ−１）（ターン間間隔３１４） ［式４］
上式でＮ＝アンテナ３１２のターン数である。Ｎは一般に２から１０とすることができ、３から５であるとより好ましい。図３のコンパクトなアンテナ３１２を、図１の先行技術のプラズマ・イオン源１００と比較すると、先行技術の低絶縁耐力の絶縁コーティング１３０と比較したときの高絶縁耐力の絶縁管３３０の利点が分かる。ターン間ギャップ３１８を、先行技術のアンテナ１１２のターン間ギャップ１１８よりもはるかに小さくすることができるため、それに比例してコイルの全長３１６が大幅に短くなっている。ギャップ距離３１８のこの低減が可能なのは、絶縁管３３０の壁厚によって、アンテナ３１２内のターン間の電圧差の大部分に耐えることができ、電圧降下の小さな部分だけをギャップ３１８によって支持すればよいためである。このことは、ターン間の電圧差の大部分をギャップ１１８によって支えなければならない先行技術の状況とは対照的である。

本発明の第２の実施形態
図４は、ファラデー・シールド４７０の外径４８８からある距離４０８だけ離隔したターンと、図１の先行技術のプラズマ・イオン源１００のターン間ギャップ１１８よりもはるかに小さくすることができるターン間ギャップ４１８とを有するＲＦアンテナ４１２を使用した、本発明の第２の実施形態４００の概略側断面図である。プラズマ室４０６の頂部にあるガス供給管４０２は、フィード・ガス４０４（すなわちイオン化されるガス）の調整された流れがプラズマ室４０６の内部へ流入することを可能にする。プラズマ室４０６の下端のフランジ４２２は、イオン源４００を荷電粒子ビーム・システム（図示せず）に取り付けることを可能にする。ＲＦ電源（図示せず）からの電力が（通常は、図示しないインピーダンス整合回路を介して）アンテナ４１２に接続されると、第１の実施形態と同様に、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）無線バンド内の一般的なＮ×１３．５６ＭＨｚ（Ｎは整数＝１、２または３である）の周波数のＲＦ高電圧がアンテナ４１２の両端間に生じ、このＲＦ高電圧が、時間変化する軸方向の磁場をプラズマ室内に生み出す。場合によっては、アンテナ・コイル４１２の連続するターン間の電圧差が、アンテナ・コイル４１２の隣接するターン間に何らかの高電圧絶縁が必要となる４００Ｖｒｆを超えることがある。フランジ４２２の下に位置する引出し電極（図示せず）に電圧を印加することによって、プラズマ４５０から荷電粒子（イオンまたは電子）４２０を引き出すことができる。本発明の第１の実施形態に対するものと同じアンテナの直径４８４および長さ４１６に関する考慮事項が、この実施形態にも当てはまる。すなわち、効率を最適にするためには、アンテナ４１２とプラズマ４５０の間の半径方向距離を最小化する必要があり、所与のＲＦ電力に対してプラズマ４５０が吸収する電力密度（Ｗ／ｃｍ³）を最大にするためには、コイルの全長４１６を最小化すべきであり、これにより、荷電粒子ビーム４２０中の放出電流をより高くすることができる可能性がある（図１１参照）。第１の実施形態に対するものと同じ望ましい最大プラズマ体積に関する考慮事項がこの実施形態にも当てはまる。

ＲＦアンテナ４１２の１つのターンの断面の詳細は、図３の右側に示された第１の実施形態のそれと同じである。第１の実施形態に対するものと同じ、冷却流体の選択、コイル管３３４の直径、導電層３３２の厚さならびに絶縁層３３０の厚さおよび外径に関する考慮事項がこの実施形態にも当てはまる。

コイル４１２の隣接するターン間の中心−中心間隔４１４は、ターン間ギャップ４１８に絶縁管３３０の外径を加えたものに等しい。アンテナ４１２の全長４１６は下式のとおりである。

コイルの長さ４１６＝（Ｎ−１）（ターン間間隔４１４） ［式５］
上式でＮ＝アンテナ４１２のターン数である。Ｎは一般に２から１０とすることができ、３から５であるとより好ましい。図４の第２の実施形態と図３の第１の実施形態の重要な違いは、プラズマ室４０６の外径４８６の近くに、またはプラズマ室４０６の外径４８６に接触してファラデー・シールド４７０が追加されていることである。図２に関して論じたとおり、ファラデー・シールド４７０は、アンテナ４１２のＲＦ電圧からプラズマ４５０を電気的に遮蔽し、それによってプラズマ・イオン源４００によって放出されたイオン４２０のエネルギーにＲＦコイルの電圧が容量結合することを防ぐ。高絶縁耐力の絶縁管３３０の更なる利点は、コイル導体３３４および導電層３３２と、ファラデー・シールド４７０との間の電圧差を、ギャップ４０８によってではなく、主に絶縁管３３０の壁厚によって支持することができ、したがってギャップ４０８をより小さくしまたは完全に排除することができ、それによってアンテナ４１２からプラズマ４５０へのＲＦ電力の結合効率を向上させることができることである。図３のアンテナ３１２に対するものと同じコンパクトなアンテナ４１２の構造に対する利点がこの実施形態にも当てはまる。すなわち、ターン間ギャップ４１８を、先行技術のアンテナ１１２のターン間ギャップ１１８よりもはるかに小さくすることができるため、それに比例してコイルの全長４１６が大幅に短くなっている。ギャップ４１８のサイズのこの低減が可能なのは、絶縁管３３０の壁厚によって、アンテナ４１２内のターン間の電圧差の大部分に耐えることができ、電圧降下の小さな部分だけをギャップ４１８によって支持すればよいためである。このことは、ターン間の電圧差の大部分をギャップ１１８によって支えなければならない先行技術の状況とは対照的である。

本発明の第３の実施形態
図５は、ファラデー・シールド５７０に接触したターンを有するターン間ギャップのないＲＦアンテナ５１２を使用した、本発明の第３の実施形態５００の概略側断面図である。プラズマ室５０６の頂部にあるガス供給管５０２は、フィード・ガス５０４（すなわちイオン化されるガス）の調整された流れがプラズマ室５０６の内部へ流入することを可能にする。プラズマ室５０６の下端のフランジ５２２は、イオン源５００を荷電粒子ビーム・システム（図示せず）に取り付けることを可能にする。ＲＦ電源（図示せず）からの電力が（通常は、図示しないインピーダンス整合回路を介して）アンテナ５１２に接続されると、図３の第１の実施形態３００および図４の第２の実施形態４００と同様に、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ、 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）無線バンド内の一般的なＮ×１３．５６ＭＨｚ（Ｎは整数＝１、２または３である）の周波数のＲＦ高電圧がアンテナ５１２の両端間に生じ、このＲＦ高電圧が、時間変化する軸方向の磁場をプラズマ室内に生み出す。場合によっては、アンテナ・コイル５１２の連続するターン間の電圧差が、アンテナ・コイル５１２の隣接するターン間に何らかの高電圧絶縁が必要となる４００Ｖｒｆを超えることがある。フランジ５２２の下に位置する引出し電極（図示せず）に電圧を印加することによって、プラズマ５５０から荷電粒子（イオンまたは電子）５２０を引き出すことができる。本発明の第１および第２の実施形態に対するものと同じアンテナの直径５８４および長さ５１６に関する考慮事項が、この実施形態にも当てはまる。すなわち、効率を最適にするためには、アンテナ５１２とプラズマ５５０の間の半径方向距離を最小化する必要があり、所与のＲＦ電力に対してプラズマ５５０が吸収する電力密度（Ｗ／ｃｍ³）を最大にするためには、コイルの全長５１６を最小化すべきであり、これにより、荷電粒子ビーム５２０中の放出電流をより高くすることができる可能性がある（図１１参照）。第１および第２の実施形態に対するものと同じ望ましい最大プラズマ体積に関する考慮事項がこの実施形態にも当てはまる。

ＲＦアンテナ５１２の１つのターンの断面の詳細は、図３の右側に示された第１の実施形態のそれと同じである。第１および第２の実施形態に対するものと同じ、冷却流体の選択、コイル管３３４の直径、導電層３３２の厚さならびに絶縁層３３０の厚さおよび外径に関する考慮事項がこの実施形態にも当てはまる。

アンテナ・コイル５１２の連続するターンが接触点５１８で接触している（すなわち連続するターン間にギャップがない）ため、コイル５１２の隣接するターン間の中心−中心間隔５１４は絶縁管３３０の外径に等しい。コイル５１２の隣接するターン間にギャップを置かないことが可能なのは、絶縁管３３０の絶縁耐力が高いため、絶縁管３３０の壁厚によって、アンテナ５１２内のターン間の全電圧差に耐えることができるためである。アンテナ５１２の全長５１６は下式のとおりである。

コイルの長さ５１６＝（Ｎ−１）（ターン間間隔５１４） ［式６］
上式でＮ＝アンテナ５１２のターン数である。Ｎは一般に２から１０とすることができ、３から５であるとより好ましい。ファラデー・シールド５７０はプラズマ室５０６の外径５８６に接触している。高絶縁耐力の絶縁管３３０の更なる利点は、コイル導体３３４と（一般的には、接地された）ファラデー・シールド５７０との間の電圧差を絶縁管３３０の壁厚によって完全に支持することができ、したがって接触点５０８においてアンテナ５１２をファラデー・シールド５７０に接触させることができることである。

本発明の第４の実施形態
図６は、ファラデー・シールド６７０に接触したターンを有し、ターン間ギャップがなく、コイル冷却流体６６０がアンテナ６１２の外部にあるＲＦアンテナ６１２を使用した、本発明の第４の実施形態６００の概略側断面図である。プラズマ室６０６の頂部にあるガス供給管６０２は、フィード・ガス６０４（すなわちイオン化されるガス）の調整された流れがプラズマ室６０６の内部へ流入することを可能にする。プラズマ室６０６の下端のフランジ６２２は、イオン源６００を荷電粒子ビーム・システム（図示せず）に取り付けることを可能にする。ＲＦ電源（図示せず）からの電力がアンテナ６１２に接続されると、図３の第１の実施形態、図４の第２の実施形態および図５の第３の実施形態と同様に、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）無線バンド内の一般的なＮ×１３．５６ＭＨｚ（Ｎは整数＝１、２または３である）の周波数のＲＦ高電圧がアンテナ６１２の両端間に生じ、このＲＦ高電圧が、時間変化する軸方向の磁場をプラズマ室内に生み出す。場合によっては、アンテナ６１２の連続するターン間の電圧差が、アンテナ・コイル６１２の隣接するターン間に何らかの高電圧絶縁が必要となる４００Ｖｒｆを超えることがある。フランジ６２２の下に位置する引出し電極（図示せず）に電圧を印加することによって、プラズマ６５０から荷電粒子（イオンまたは電子）６２０を引き出すことができる。本発明の最初の３つの実施形態に対するものと同じアンテナの直径６８４および長さ６１６に関する考慮事項が、この実施形態にも当てはまる。すなわち、効率を最適にするためには、アンテナ６１２とプラズマ６５０の間の半径方向距離を最小化する必要があり、所与のＲＦ電力に対してプラズマ６５０が吸収する電力密度（Ｗ／ｃｍ³）を最大にするためには、コイルの全長６１６を最小化すべきであり、これにより、荷電粒子ビーム６２０中の放出電流をより高くすることができる可能性がある（図１１参照）。第１、第２および第３の実施形態に対するものと同じ望ましい最大プラズマ体積に関する考慮事項がこの実施形態にも当てはまる。

ＲＦアンテナ６１２の１つのターンの詳細な断面図が図６の右側に示されている。コイル線６３４の材料は一般に、無酸素高伝導率（ＯＦＨＣ）銅（直径は一般に２から１０ｍｍ、好ましくは３から６ｍｍである）であり、この銅は、図６の左側に示されたコイル状のアンテナ構造物６１２の巻付けを可能にするために焼き鈍されている。コイル線６３４の外面は、ＲＦ周波数におけるコイルの抵抗を低減させるために付着させた導電層６３２（例えば銀または金）を有することができる。図３の第１の実施形態に対するものと同じ表皮深さの考慮事項がこの実施形態にも当てはまる。したがって、導電層６３２が銀である場合、ＲＦ周波数４０ＭＨｚにおいて表皮深さは約１０．１μｍであり、そのため、導電層６３２の厚さが少なくとも３０から４０μｍである（すなわち表皮深さδ（式３参照）の数倍である）場合、アンテナ・コイル６１２を流れるほぼ全ての電流が導電層６３２を流れ、コイル線６３４に電流は流れない。層６３２の厚さは２０から１００μｍとすることができ、２５から５０μｍであると好ましい。

導電層６３２の外面、または導電層６３２を使用しない場合にはコイル線６３４の外面には、一般にＰＴＦＥプラスチックから製造された厚い高密度絶縁管６３０が熱収縮によって提供されている。この高絶縁耐力の絶縁管６３０の壁厚は一般に２５０μｍから１２５０μｍである。絶縁管６３０の好ましい壁厚の範囲は３８０μｍから７５０μｍである。絶縁管６３０の外径は、コイル線６３４の直径に、導電層６３２の厚さを２倍したものおよび絶縁層６３０の厚さを２倍したものを加えることによって決定され、したがって絶縁管６３０の外径は一般に２．５４ｍｍ［＝２ｍｍ＋２（２０μｍ）＋２（２５０μｍ）］から１２．７ｍｍ［＝１０ｍｍ＋２（１００μｍ）＋２（１２５０μｍ）］の範囲であり、より好ましくは３．８１ｍｍ［＝３ｍｍ＋２（２５μｍ）＋２（３８０μｍ）］から７．６ｍｍ［＝６ｍｍ＋２（５０μｍ）＋２（７５０μｍ）］の範囲である。

この実施形態では、図２の先行技術の場合とは違い、冷却流体６６０が、アンテナ・コイル６１２の隣接するターン間の全電圧差を隔離する必要がないことに留意されたい。これは、絶縁管６３０の壁厚によって、アンテナ・コイル６１２内のターン間の電圧差の大部分（または全て）を隔離することができるためである。このことは、アンテナ・コイル６１２のターンと（接地された）ファラデー・シールド６７０との間の電圧差についても言える。冷却流体６６０中へのＲＦ電力の過度の損失を防ぐため、アンテナ６１２を駆動する高周波において冷却流体６６０が電気的に透過性である（すなわち最小限の吸収性を有する）ことも重要である。アンテナ６１２の隣接するターン間の中心−中心間隔６１４は絶縁層６３０の外径に等しい。すなわち連続するターン上の絶縁層が互いに接触している。アンテナ６１２の全長６１６（中心−中心）は下式のとおりである。

コイルの長さ６１６＝（Ｎ−１）（ターン間間隔６１４） ［式７］
上式でＮ＝アンテナ６１２のターン数である。プラズマ室６０６の外径６８６の近くに、またはプラズマ室６０６の外径６８６に接触してファラデー・シールド６７０が配置されている。ファラデー・シールド６７０は、アンテナ６１２のＲＦ電圧からプラズマ６５０を電気的に遮蔽し、それによってプラズマ・イオン源６００によって放出されたイオン６２０のエネルギーにコイルの電圧が容量結合することを防ぐ。図５のアンテナ５１２に対するものと同じコンパクトなアンテナ６１２の構造に対する利点がこの実施形態にも当てはまる。すなわち、ターン間ギャップが必要ないためコイルの全長５１６が最小化される。

プラズマ・イオン源の性能計算
図７は、磁場の大きさ７０４を、正規化されたアンテナ・コイルの長さ７０２の関数として示したグラフ７００である。長さの正規化の単位は４０ｍｍであり、したがって正規化された長さＬ＝０．２２５は実際の長さ０．２２５×４０ｍｍ＝９ｍｍに対応する。図８には、このグラフの部分７２０がより詳細に示されている。曲線７０６は、図１〜６のコイル１１２、２１２、３１２、４１２、５１２または６１２の軸上の軸方向の磁場にそれぞれ対応する。曲線７０８は、図１〜６のプラズマ１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０の外縁付近の軸方向の磁場に対応する。有限の長さを有するコイルでは常に言えることだが、軸から外れた位置の磁場の強さ７０８は軸上の磁場の強さ７０６よりも大きい。また、軸上と軸から外れた位置の両方で、コイルが短いほど磁場の強さは大きく、入力ＲＦ電力が一定の場合、長さがゼロのコイル（すなわち単一のターンを有するコイル）で磁場の強さは最大に達する。プラズマ中の電力密度（Ｗ／ｃｍ³）の上記の議論を考えれば、この振舞いは理にかなっている。最も小さな体積のプラズマが、コイルの長さの長さゼロの限界である単一のターンを有するコイルによって生み出されることは明らかである。したがって、軸上のＢ場の強さ７０６の曲線は長さがゼロのときに最も高い７１２になる。同様に、軸から外れた位置のＢ場の強さ７０８も長さがゼロのときに最も高い７１０になる。アンテナの直径は、正規化された値２．００に固定されている。直径の正規化の単位は２０ｍｍであり、したがってグラフの右端（長さ＝２×４０ｍｍ＝８０ｍｍ）は、正規化された直径（直径＝２×２０ｍｍ＝４０ｍｍ）の２倍の正規化された長さを有するコイルを表している。

図８は、図７のグラフの部分７２０を大写しにした図８００であり、先行技術の一般的なアンテナのコイルの長さおよび本発明を具現する一般的なコンパクトなアンテナのコイルの長さを示している。正規化されたアンテナ・コイルの長さ８０２の範囲は０．２から０．８（８から３２ｍｍ）である。曲線８０６は図７の曲線７０６の一部であり、曲線８０８は図７の曲線７０８の一部である。本発明のいくつかの実施形態の長さの領域８１０は、正規化されたコイルの長さ０．２０〜０．２３（８から９．２ｍｍ）の範囲にあり、図３〜５の絶縁層３３０および図６の絶縁層６３０の高い絶縁耐力のため、本発明のいくつかの実施形態ではこれらの長さが可能である。先行技術の長さの領域８１４は、正規化されたコイルの長さ≧０．６０（２４ｍｍ）の範囲にあり、絶縁コーティング（図１のコーティング１３０など）の低い絶縁耐力のため、先行技術は一般にこの範囲に限定される。

図９は、磁場の大きさ９０４を、正規化されたアンテナ・コイルの直径９０２の関数として示したグラフ９００である。直径の正規化の単位は２０ｍｍであり、したがって正規化された直径Ｄａ＝２．０は実際の直径２．０×２０ｍｍ＝４０ｍｍに対応する。図１０には、このグラフの部分９２０がより詳細に示されている。曲線９０６は、図１〜６のコイル１１２、２１２、３１２、４１２、５１２または６１２の軸上の軸方向の磁場の計算値にそれぞれ対応し、正規化されたコイルの長さは、値Ｌ＝０．３４（＝１３．６ｍｍ。図７および８参照）に固定されている。予想どおり、Ｂ場は、コイルの直径９０２の低減に伴って右から左へ単調に強くなる。ここでも、コイルの直径を小さくすることができ、それによって軸方向の磁場を増大させることができる能力に関して、高絶縁耐力の熱収縮絶縁管（図３〜５の管３３０、図６の絶縁管６３０など）が、先行技術の絶縁コーティング（図１のコーティング１３０など）に比べて有利なことが明らかである。

図１０は、図９のグラフの部分９２０を大写しにした図１０００であり、１．５から２．７（＝３０から５４ｍｍ）の範囲の正規化されたコイルの直径１００２を示している。この範囲は、先行技術の一般的なアンテナのコイルの直径および本発明の一般的な実施形態のコイルの直径を含む。曲線１００６は図９の曲線９０６の一部である。必要な電圧隔離を達成するためにより大きなコイル直径を維持する必要があるため、先行技術は一般に、２．６５（＝５３ｍｍ）よりも大きな正規化されたコイルの直径１０１０に限定される。絶縁コーティング３３０（図３〜５）または６３０（図６）の高電圧隔離能力によってターン間ギャップが不要であるため、本発明の実施形態は、最低でも２．０（＝４０ｍｍ）までのコイル直径１００８を利用する。

図１１は、先行技術の一般的なプラズマ・イオン源（曲線１１０６および１１０８）および本発明を具現するプラズマ源１１１０について、プラズマ源の放出電流（μＡ）１１０４を、入力ＲＦ電力（Ｗ）１１０２の関数として示したグラフ１１００である。先行技術の一般的な曲線１１０６は、正規化されたコイルの長さ０．４２５（＝１７ｍｍ）および正規化されたコイルの直径２．６５（＝５３ｍｍ）に対応する。このコイルは比較的に粗く巻かれたコイルである。先行技術の一般的な曲線１１０８はより密に巻かれたコイルに対応し、正規化されたコイルの長さは０．２２５（＝４５ｍｍ）だが、正規化されたコイルの直径は大きいまま、すなわち２．６５（＝５３ｍｍ）である。本発明のいくつかの実施形態に対する曲線１１１０は、正規化されたコイルの長さ０．２２５（＝９ｍｍ）および正規化されたコイルの直径２．０（＝４０ｍｍ）に対応する。このコイルはより密に巻かれたコイルであり、その外径はプラズマの外縁にはるかに近く、ＲＦ電力のより良好な結合を与える。

先行技術の一般的な誘導結合プラズマ・イオン源のＲＦ電力の結合効率は低いため、所与の入力ＲＦ電力に対して、本発明のプラズマ・イオン源の場合よりもはるかに小さな放出電流１１０４が生み出される。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、５０Ｗ以上というはるかに低い入力ＲＦ電力で動作することができるのに対して、先行技術の一般的な源は３００Ｗ以上でないと機能することができない。この差が生じるのは、グラフ１１００に示されているように、先行技術の一般的な源が約３００ＷのＲＦ入力電力を使用して生み出すのと同じイオン放出電流を、本発明のいくつかの実施形態は５０ＷのＲＦ入力電力で生み出すことができるためである。これが可能なのは、本発明のいくつかの実施形態の方がＲＦ電力の結合効率が高いためである。入力電力３００Ｗで、２５０Ｗほどはプラズマを生み出さず、それにより、先行技術の３００Ｗでのイオン放出電流と本発明の５０Ｗでのイオン放出電流とが等価になる。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、先行技術の一般的な源よりも高いＲＦ入力電力で動作することができる。これは、源構造体の加熱に向けられて有用なプラズマを生み出さない「無駄になる」ＲＦ入力電力がより少ないためである。したがって、本発明のいくつかの実施形態に８００ＷのＲＦ電力を入力しても、源の加熱に使われる電力は、６００から７００Ｗの間の電力で動作している先行技術の一般的なプラズマ・イオン源よりも小さい。

本発明においてプラズマに対するＲＦ電力の結合効率がより高いことの他の利点には、プラズマの点火がより容易なこと、困難な条件（低いフィード・ガス圧、イオン化が困難なフィード・ガスなど）の下でプラズマを維持することができること、入力ＲＦ電力の使用効率がより高いことなどがある。入力ＲＦ電力の使用効率がより高いことによって、先行技術のプラズマ・イオン源で可能な電源よりも低電力のＲＦ電源を（より低い費用で）使用することが可能になる。本発明の高効率でコンパクトなアンテナの他の利点は、入力ＲＦ電力のより効率的な使用によって、コイルからの除熱要件の相当な低減が達成されることである。

薄い絶縁コーティング１３０と比較した厚い絶縁管３３０の利点は、切削および摩耗に対する優れた抵抗性である。コイル絶縁が１箇所破断しただけでも、プラズマ・イオン源は高電圧破壊によって動作不能になりうるため、この利点のためにプラズマ源の寿命が延びることがある。この丈夫で非常に柔軟なアンテナ設計を用いると、より挑戦的な源性能要件に対処するために、図３〜６に示した螺旋形の巻線よりも複雑なＲＦアンテナを製作することができる。絶縁コーティング１３０に対する厚い絶縁管３３０の利点である高電圧分離は、３つの因子、すなわち１）より大きな厚さ、２）より高い密度、および３）より低い空隙率に基づく。これらの３つの利点は全て、熱収縮絶縁管に本来備わっている特性であり、したがって絶縁コーティングを使用した先行技術にはない本発明の固有の利点を表す。絶縁ＰＴＦＥ熱収縮管の典型的な高電圧強度は１４００Ｖ／ミル＝５５Ｖ／μｍを超え、一方、ＰＴＦＥの絶縁コーティングの高電圧強度は、コーティング・フィルムの低い密度のため例えば４００Ｖ／ミル＝１５．８Ｖ／μｍ以下である。加えて、市販のＰＴＦＥ熱収縮管の壁厚に匹敵する厚さのＰＴＦＥコーティングを付着させることは困難である。

図３〜６に示した誘導結合プラズマ・イオン源の詳細は例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲に含まれる他の多くの源設計が可能である。例えば、ＲＦアンテナのターン数を３未満もしくは３以上とすることができ、またはＲＦアンテナを（螺旋形以外の）別の形状に巻くこともできる。ファラデー・シールドを円筒形以外の形状にすることもでき、例えば円筒形の中心部分の上端および／または下端から外側へフランジを延ばすこともできる。プラズマ室の形状を、本明細書に示した「シルクハット」形とは異なる形状とすることもできる。

絶縁管３３０および６３０を熱収縮ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥないしＴｅｆｌｏｎ（商標））に関して説明したが、絶縁管３３０および６３０に対して他の高絶縁耐力材料を使用することもできる。

本発明の好ましい方法または装置は多くの新規の態様を有する。本発明は、異なる目的を有する異なる方法または装置として実施することができるため、全ての実施形態に全ての態様または利点が存在する必要はない。さらに、記載された実施形態の態様の多くは別々に特許を受けることができ、または別々に特許を受けていることがある。

以上の本発明の説明は主に装置を対象としているが、本明細書に記載された新規の装置を使用する方法も本発明の範囲に含まれることを認識すべきである。さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ・ハードウェアもしくはコンピュータ・ソフトウェア、またはコンピュータ・ハードウェアとコンピュータ・ソフトウェアの組合せによって実現することができることも認識すべきである。この実現は、標準プログラミング技法を使用し、本明細書に記載された方法および図に基づいて達成することができ、この標準プログラミング技法の使用には、コンピュータ・プログラムを含むように構成された非一時的な実在するコンピュータ可読の記憶媒体の使用が含まれ、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを、予め定義された特定の方式で動作させる。コンピュータ・システムと通信するため、それぞれのプログラムは、高水準手続き型プログラミング言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実現することができる。しかしながら、所望ならば、それらのプログラムを、アセンブラ言語または機械語で実現することもできる。いずれにせよ、その言語は、コンパイルまたは解釈される言語とすることができる。さらに、そのプログラムは、そのプログラムを実行するようにプログラムされた専用の集積回路上で実行することができる。

さらに、本明細書に記載された装置は、限定はされないが、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスとは別個の、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと一体の、または荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと通信するパーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化されたコンピューティング環境または分散コンピューティング環境、コンピュータ・プラットホームなどを含む、任意のタイプのコンピューティング・プラットホームを利用することができる。本発明の諸態様は、取外し可能であるか、またはコンピューティング・プラットホームと一体であるかを問わない、ハードディスク、光学式読取りおよび／または書込み記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶媒体上または記憶装置上に記憶された機械可読コードであって、プログラム可能なコンピュータが、本明細書に記載された手順を実行するために、その記憶媒体または記憶装置を読んだときにそのコンピュータを構成し、動作させるために、そのコンピュータが読むことができるように記憶された機械可読コードとして実現することができる。さらに、機械可読コードまたは機械可読コードの一部を、有線または無線ネットワークを介して伝送することができる。本明細書に記載された発明は、マイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して上述の諸ステップを実現する命令またはプログラムを含む、これらのさまざまなタイプの非一時的な実在するコンピュータ可読記憶媒体、およびその他のさまざまなタイプの非一時的な実在するコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はさらに、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされたコンピュータを含む。

本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、集束荷電粒子ビーム・システム用の誘導結合プラズマ・イオン源は、
プラズマ室と、
プラズマ室内へフィード・ガスを導入するためのガス供給管と、
プラズマ室の周囲に配置され、
導電材料のコイル、および
導電材料のコイルの外面を取り囲み、導電材料のコイルの外面に接触しており、高い絶縁耐力を有する絶縁管
を備える高周波アンテナと、
高周波アンテナに電気的に接続され、高周波アンテナに電力を供給するように構成された高周波電源と
を備える。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、導電材料が導電性の管である。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、導電材料が導線である。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態は、導電材料の外面と絶縁管の内面との間に導電層をさらに備え、この導電層の厚さが２０から１００μｍの間である。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、導電層の厚さが２５から５０μｍの間である。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、導電層が銀または金を含む。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、絶縁管がポリテトラフルオロエチレンを含む。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、絶縁管が、導電材料のコイルの外面に熱収縮によって提供されている。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、絶縁管の壁厚が２５０μｍから１２５０μｍの間である。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、絶縁管の壁厚が３８０μｍから７５０μｍの間である。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、導電材料が無酸素高伝導率銅を含む。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、導電材料のコイルの連続するターン間の中心−中心間隔が絶縁管の外径にほぼ等しい。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態は、プラズマ室の外面と導電材料のコイルの内径との間に配置されたファラデー・シールドをさらに備える。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、絶縁管が、ファラデー・シールドの外面に接触している。

この誘導結合プラズマ・イオン源のいくつかの実施形態では、高周波アンテナが誘電性の流体に浸されている。

本発明のいくつかの実施形態の他の態様によれば、集束荷電粒子ビーム・システム用の誘導結合プラズマ・イオン源は、
プラズマ室と、
プラズマ室内へフィード・ガスを導入するためのガス供給管と、
プラズマ室の周囲に配置され、
導電性の管のコイル、
導電性の管の外面の導電層、および
導電層の外面を取り囲み、導電層の外面に接触しており、高い絶縁耐力を有する絶縁管を備える高周波アンテナであって、導電性の管のコイルの連続するターン間の中心−中心間隔が絶縁管の外径にほぼ等しい、高周波アンテナと、
プラズマ室の外面と導電性の管のコイルの内径との間に配置されたファラデー・シールドと、
高周波アンテナに電気的に接続され、高周波アンテナに電力を供給するように構成された高周波電源と
を備える。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

Claims (23)

1. 集束荷電粒子ビーム・システム用の誘導結合プラズマ・イオン源であって、
   プラズマ室と、
   前記プラズマ室内へフィード・ガスを導入するためのガス供給管と、
   前記プラズマ室の周囲に配置され、
   導電材料のコイル、および
   前記導電材料のコイルの外面を取り囲み、前記導電材料のコイルの外面に接触しており、２５ｋＶ／ｍｍよりも大きな絶縁耐力を有する絶縁管
   を備える高周波アンテナと、
   前記高周波アンテナに電気的に接続され、前記アンテナに電力を供給するように構成された高周波電源と
   を備える誘導結合プラズマ・イオン源。
2. 前記導電材料が導電性の管である、請求項１に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
3. 前記導電材料が導線である、請求項１に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
4. 前記導電材料の外面と前記絶縁管の内面との間に導電層をさらに備え、前記導電層の厚さが２０から１００μｍの間である、前記請求項のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
5. 前記導電層の厚さが２５から５０μｍの間である、請求項４に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
6. 前記導電層が銀または金を含む、請求項４または請求項５に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
7. 前記絶縁管がポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１〜６に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
8. 前記絶縁管が、前記導電材料のコイルの外面に熱収縮によって提供された、請求項１〜７のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
9. 前記絶縁管の壁厚が２５０μｍから１２５０μｍの間である、請求項１〜８のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
10. 前記絶縁管の壁厚が３８０μｍから７５０μｍの間である、請求項１〜９のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
11. 前記導電材料が無酸素高伝導率銅を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
12. 前記導電材料のコイルの連続するターン間の中心−中心間隔が前記絶縁管の外径にほぼ等しい、請求項１〜１１のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
13. 前記プラズマ室の外面と前記導電材料のコイルの内径との間に配置されたファラデー・シールドをさらに備える、請求項１〜１２のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
14. 前記絶縁管が、前記ファラデー・シールドの外面に接触している、請求項１３に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
15. 前記高周波アンテナが誘電性の流体に浸されている、請求項１〜１４のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
16. 集束荷電粒子ビーム・システム用の誘導結合プラズマ・イオン源であって、
    プラズマ室と、
    前記プラズマ室内へフィード・ガスを導入するためのガス供給管と、
    前記プラズマ室の周囲に配置され、
    導電性の管のコイル、
    前記導電性の管の外面の導電層、および
    前記導電層の外面を取り囲み、前記導電層の外面に接触しており、２５ｋＶ／ｍｍよりも大きな絶縁耐力を有する絶縁管を備える高周波アンテナであって、前記導電性の管のコイルの連続するターン間の中心−中心間隔が前記絶縁管の外径にほぼ等しい、高周波アンテナと、
    前記プラズマ室の外面と前記導電性の管のコイルの内径との間に配置されたファラデー・シールドと、
    前記高周波アンテナに電気的に接続され、前記アンテナに電力を供給するように構成された高周波電源と
    を備える誘導結合プラズマ・イオン源。
17. 前記絶縁管が、前記ファラデー・シールドの外面に接触している、請求項１６に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
18. 前記導電層が銀または金を含む、請求項１６または請求項１７に記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
19. 前記絶縁管がポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１６〜１８のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
20. 前記絶縁管が、前記導電層の外面に熱収縮によって提供された、請求項１６〜１９のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
21. 前記絶縁管の壁厚が２５０μｍから１２５０μｍの間である、請求項１６〜２０のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
22. 前記絶縁管の壁厚が３８０μｍから７５０μｍの間である、請求項１６〜２１のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。
23. 前記導電性の管が無酸素高伝導率銅を含む、請求項１６〜２２のいずれかに記載の誘導結合プラズマ・イオン源。

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